化工原理课程设计

《化工原理》课程设计

水吸收氨气填料吸收塔设计

学院河南城建学院

专业化学工程与工艺

指导教师王要令

班级 1014112

姓名喻宏兴

学号 101411252 2013年 12月24日

附：设计任务书

(1) 设计题目

年处理量为吨氨气吸收塔设计

试设计一座填料吸收塔，用于脱除混于空气中的氨气。混合气体的处理量为2600m3/h，其中含空气为94%，氨气为6%（体积分数，下同）。要求塔顶排放气体中含氨低于0.02%，采用清水进行吸收，吸收塔的用量为最小用量的 1.5 倍【20℃氨在水中的溶解度系数为H=0.725kmol/(m3·kPa)】

(2) 工艺操作条件

①操作平均压力：常压；

②操作温度：t=20℃；

③每年生产时间：7200h；

④填料类型选用：聚丙烯阶梯环填料；

规格：DN50

（3）设计任务

1.填料吸收塔的物料衡算；

2.填料吸收塔的工艺尺寸设计与计算；

3.填料吸收塔有关附属设备的设计和选型；

4.绘制吸收系统的工艺流程图；

5.编写设计说明书；

6.对设计过程的评述和有关问题的讨论。

目录

0. 前言 (5)

1. 设计方案简述 (5)

1.1 设计任务的意义 (5)

1.2 设计结果 (5)

2. 工艺流程简图及说明 (7)

3. 工艺计算及主体设备设计 (8)

3.1 液相物性数据 (8)

3.2 气相物性数据 (8)

3.3 物料计算 (8)

3.4 平衡曲线方程及吸收剂用量的选择 (9)

3.5 塔径的计算 (10)

3.6 填料层高度的计算 (11)

3.7 填料层压降计算 (14)

4. 附属设备计算及选型 (15)

4.1 液体分布器简要设计 (15)

4.2 填料支承装置 (15)

4.3 填料压紧装置 (15)

4.4 液体再分布装置 (16)

4.5 塔顶除沫装置 (16)

4.6 塔附属高度及塔总高的计算 (16)

4.7 填料塔接管尺寸算 (17)

4.8 基础物性数据 (17)

5. 计算结果概要 (18)

6．对本设计的评述 (19)

7. 附图 (20)

7.1 工艺流程图 (20)

7.2 主体设备装配图 (20)

8.参考文献 (21)

0. 前言

在炼油、石油化工、精细化工、食品、医药及环保等部门，塔设备属于使用量大应用面广的重要单元设备。塔设备广泛用于蒸馏、吸收、萃取、洗涤、传热等单元操作中。所以塔设备的研究一直是国内外学者普遍关注的重要课题。

在化学工业中，经常需要将气体混合物中的各个组分加以分离，其主要目的是回收气体混合物中的有用物质，以制取产品，或除去工艺气体中的有害成分，使气体净化，以便进一步加工处理，或除去工业放空尾气中的有害成分，以免污染空气。吸收操作是气体混合物分离方法之一，它是根据混合物中各组分在某一种溶剂中溶解度不同而达到分离的目的。

塔设备按其结构形式基本上可分为两类；板式塔和填料塔。以前在工业生产中，当处理量大时多用板式塔，处理量小时采用填料塔。近年来由于填料塔结构的改进，新型的、高负荷填料的开发，既提高了塔的通过能力和分离效能又保持了压降小、性能稳定等特点。因此，填料塔已经被推广到大型气、液操作中，在某些场合还代替了传统的板式塔。如今，直径几米甚至几十米的大型填料塔在工业上已非罕见。随着对填料塔的研究和开发，性能优良的填料塔必将大量用于工业生产中。

综合考察各分离吸收设备中以填料塔为代表，填料塔技术用于各类工业物系的分离,虽然设计的重点在塔体及塔内件等核心部分,但与之相配套的外部工艺和换热系统应视具体的工程特殊性作相应的改进。例如在DMF回收装置的扩产改造项目中,要求利用原常压塔塔顶蒸汽,工艺上可以在常压塔及新增减压塔之间采用双效蒸馏技术,达到降低能耗、提高产量的双重效果，在硝基氯苯分离项目中;改原多塔精馏、两端结晶工艺为单塔精馏、端结晶流程,并对富间硝基氯苯母液进行精馏分离,获得99%以上的间硝基氯苯,既提高产品质量,又取得了降低能耗的技术效果。

过程的优缺点：分离技术就是指在没有化学反应的情况下分离出混合物中特定组分的操作。这种操作包括蒸馏，吸收，解吸，萃取，结晶，吸附，过滤，蒸发，干燥，离子交换和膜分离等。利用分离技术可为社会提供大量的能源，化工产品和环保设备，对国民经济起着重要的作用。为了使5填料塔的设计获得满足

分离要

1

求的最佳设计参数(如理论板数、热负荷等)和最优操作工况(如进料位置、回流比等),准确地计算出全塔各处的组分浓度分布(尤其是腐蚀性组分)、温度分布、汽液流率分布等,常采用高效填料塔成套分离技术。而且,20世纪80年代以来,以高效填料及塔内件为主要技术代表的新型填料塔成套分离工程技术在国内受到普遍重视。由于其具有高效、低阻、大通量等优点,广泛应用于化工、石化、炼油及其它工业部门的各类物系分离。

氨是化工生产中极为重要的生产原料，但是其强烈的刺激性气味对于人体健康和大气环境都会造成破坏和污染，氨对接触的皮肤组织都有腐蚀和刺激作用，可以吸收皮肤组织中的水分，使组织蛋白变性，并使组织脂肪皂化，破坏细胞膜结构。氨的溶解度极高，所以主要对动物或人体的上呼吸道有刺激和腐蚀作用，常被吸附在皮肤粘膜和眼结膜上，从而产生刺激和炎症。可麻痹呼吸道纤毛和损害粘膜上皮组织，使病原微生物易于侵入，减弱人体对疾病的抵抗力。氨通常以气体形式吸入人体，氨被吸入肺后容易通过肺泡进入血液，与血红蛋白结合，破坏运氧功能。进入肺泡内的氨，少部分为二氧化碳所中和，余下被吸收至血液，少量的氨可随汗液、尿液或呼吸排出体外。

短期内吸入大量氨气后会出现流泪、咽痛、咳嗽、胸闷、呼吸困难、头晕、呕吐、乏力等。若吸入的氨气过多，导致血液中氨浓度过高，就会通过三叉神经末梢的反射作用而引起心脏的停搏和呼吸停止，危及生命。

长期接触氨气，部分人可能会出现皮肤色素沉积或手指溃疡等症状；氨气被呼入肺后容易通过肺泡进入血液，与血红蛋白结合，破坏运氧功能。短期内吸入大量氨气后可出现流泪、咽痛、声音嘶哑、咳嗽、痰带血丝、胸闷、呼吸困难，可伴有头晕、头痛、恶心、呕吐、乏力等，严重者可发生肺水肿、成人呼吸窘迫综合症，同时可能生呼吸道刺激症状。因此，吸收空气中的氨，防止氨超标具有重要意义。

因此，为了避免化学工业产生的大量的含有氨气的工业尾气直接排入大气而造成空气污染，需要采用一定方法对于工业尾气中的氨气进行吸收，本次课程设计的

目的是根据设计要求采用填料吸收塔吸收的方法来净化含有氨气的工业尾气,使

2

其达到排放标准。设计采填料塔进行吸收操作是因为填料可以提供巨大的气液传质面积而且填料表面具有良好的湍流状况，从而使吸收过程易于进行,而且，填料塔还具有结构简单、压降低、填料易用耐腐蚀材料制造等优点，从而可以使吸收操作过程节省大量人力和物力。

利用混合气体中各组分在同一种液体(溶剂)中溶解度差异而实现组分分离的过程称为气体吸收气体吸收是一种重要的分离操作，它在化工生产中主要用来达到以下几种目的。(1)分离混合气体以获得一定的组分。(2)除去有害组分以净化气体。(3)制备某种气体的溶液。一个完整的吸收分离过程，包括吸收和解吸两个部分。典型过程有单塔和多塔、逆流和并流、加压和减压等。

1. 设计方案简述

1.1 设计任务的意义

填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备，已有百余年的历史，也是化工类企业中最常用的气液传质设备之一。

吸收塔设备一般可分为级式接触和微分接触两类。一般级式接触采用气相分散，设计采用理论板数及板效率；而微分接触设备常采用液相分散，设计采用传质单元高度及传质单元数,本设计采用后者[1] 。

在化学工业中，经常需要将气体混合物中的各个组分加以分离，其主要目的是回收气体混合物中的有用物质，以制取产品，或除去工艺气体中的有害成分，使气体净化，以便进一步加工处理，或除去工业放空尾气中的有害成分，以免污染空气。吸收操作是气体混合物分离方法之一，它是根据混合物中各组分在某一种溶剂中溶解度不同而达到分离的目的。

氨是化工生产中极为重要的生产原料，但是其强烈的刺激性气味对于人体健康和大气环境都会造成破坏和污染，因此，为了避免化学工业产生的大量的含有氨气的工业尾气直接排入大气而造成空气污染，需要采用一定方法对于工业尾气中的氨气进行吸收，本次化工原理课程设计的目的是根据设计要求采用常压常温下填料吸收塔吸收的方法来净化含有氨气的工业尾气，使其达到排放标准。设计采用填料塔进行吸收操作是因为填料可以提供巨大的气液传质面积而且填料表面具有良好的湍流状况，从而使吸收过程易于进行，而且，填料塔还具有结构简单、压降低、填料易用耐腐蚀材料制造等优点，从而可以使吸收操作过程节省大量人力和物力。

1.2 设计结果简述

①、吸收剂的选择

吸收剂对溶质的组分要有良好地吸收能力，而对混合气体中的其他组分不吸收，且挥发度要低。根据本设计要求，选择用清水作吸收剂，且氨气不作为产品，故采用纯溶剂。

②、吸收流程地选择

用水吸收NH

3

属高溶解度的吸收过程，为提高传质效率和分离效率，所以，本实验选用逆流吸收流程。

③、吸收塔设备及填料的选择

塔填料（简称为填料）是填料塔的核心构件，它提供了气、液两相相接触传质与传热的表面，其性能优劣是决定填料塔操作性能的主要因素。填料的比表面积越大，气液分布也就越均匀，传质效率也越高，它与塔内件一起决定了填料塔的性质。因此，填料的选择是填料塔设计的重要环节。

塔填料的选择包括确定填料的种类、规格及材料。填料的种类主要从传质效率、通量、填料层的压降来考虑，填料规格的选择常要符合填料的塔径与填料公称直径比值D/d。

散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积在塔内，又称为乱堆填料或颗粒填料。散装填料根据结构特点不同，可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。

拉西环鲍尔环阶梯环弧鞍形填料矩鞍形填料塑料填料的材质主要包括聚丙烯、聚乙烯及聚氯乙烯等，国内一般多采用聚丙烯材质。塑料填料的耐腐蚀性能较好，可耐一般的无机酸、碱和有机溶剂的腐蚀。其耐温性良好，可长期在100℃以下使用。

设计选用填料塔，填料为散装聚丙烯DN50阶梯环填料。

国内阶梯环特性数据：

材质外径

d，mm

外径×高×厚

d×H×δ

比表面积

a t，m2/m3

空隙率

ε，m3/m3

个数

n，个/m3

堆积密度

ρp，kg/m3

干填料因子

a t/ε3，m-1

填料因子

Φ，m-1

塑料25

38

50

76

25×17.5×1.4

38×19×1

50×30×1.5

76×37×3

228

132.5

114.2

89.95

0.90

0.91

0.927

0.929

81500

27200

9980

3420

97.8

57.5

76.8

68.4

313

175.6

143.1

112

240

120

80

72

④、吸收剂再生方法的选择

含氨的吸收剂通过解析得到水，使得吸收剂再生。

⑤、操作参数的选择

操作平均压力：常压

操作温度：t=20℃

2. 工艺流程简图及说明

采用常规逆流操作流程．工艺流程简图如下：

对工艺流程简图的说明：

混合空气由风机鼓入缓冲器，通过缓冲器，由塔下部进入填料塔，吸收液（清水）通过离心泵到达塔顶，从塔顶喷淋而下，混合空气与吸收液接触后，混合空

气中的氨气被吸收液吸收，尾气由塔顶排空，含有氨气的塔釜残液由塔底流出，在混合空气和清水进入管道都装有温度检测装置。

3. 工艺计算及主体设备设计 3.1 液相物性数据

对低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。由手册查的，20℃水的有关物性数据如下： 密度：ρ 1 =998.2Kg ／m 3

粘度：μL =1.005×10-3

Pa ·S 表面张力：ζL =72.6N/m=940896Kg/h 2

氨气在水中的扩散系数：D L =1. 76×10-9 m 2/s

3.2 气相物性数据

混合气体平均摩尔质量： M VM =Σy i M i =0.060×17+0.940×29=28.28 混合气体的平均密度：ρ

vm =

RT

PM VN

=101.3×28.28／(8.314×293)=1.176Kg ／m 3 混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，

查手册的20℃空气的粘度：μV =0.0181×10—3Pa ·s=0.065Kg/（m·h ） 20℃氨气扩散系数：D G =1.70×10-5m 2/s

3.3物料计算

进塔惰性气相流量：

V=（2600／22.4）×273／（273+20）×（1—0.060）=101.66Kmol ／h

进塔气相摩尔比：Y 1=

1

1

y 1y —=0.060／（1—0.060）=0.06383 （计算得到此时用体积分数和摩尔分数的Y 1相同） 1—φ=1—（6％—0.02％）／6％=0.02／6

出塔气相摩尔比：Y 2=Y 1（1—φ）=0.06383×0.02／6=2.128×10-4

3.4 平衡曲线方程及吸收剂用量的选择

20C 下氨在水中的溶解度系数：)/(725.03kpa m kmol H ?=(已知), 常压下20℃时， 亨利系数：S

L

HM E ρ=

=998.2／(0.725×17.00)=80.99Kpa

相平衡常数： E m P =

=L S HM P ρ=998.20.72517.00101.3

??=0.799 该吸收过程属低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算，即：

（

V L ）min =2

121m X Y Y Y —／— 对纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为 X 2=0，则

（

V

L

）min =（0.06383—2.128×10-4）／[0.06383／0.799—0]=0.796 取操作液气比为最小液气比1.5倍，则

V

L

=1.5×0.796=1.194， 因此 L=1.194×101.66=121.38Kmol ／h 吸收液组成由全塔物料衡算得：

112()V

X Y Y L

=

-， 得 X 1=11.66×(0.06383—2.128×10-4) ／121.38=0.053

3.5 塔径的计算

混合气体的密度：3101.328.28

1.176/8.314293

V PM kg m PT ρ?=

==?

塔低混合气流量：m V =2600×1.176=3057.6kg/h

液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即: m L =121.38×18kg/h=2184.8kg/h

温度t=20℃,P=101.325kpa

用Bain--Hougen 关联式计算泛点气速：

???

???μ???? ??ρρ??? ??ε

α20v 2t 2g u lg .L L F =14

18

v m m L L A K V ρρ????

? ???

??

／／— 塑料阶梯环特性数据据如下

查表得比表面积： t a =114.2m 2/m 3 ,A=0.204,K=1.75，ε=0.927 ，

得：8

1v 4

1／／—???

? ???

??

??L V L K A ρρ=-0.488

则：20v 2t 2

g

u .L L F

μ???

? ??ρρ??? ??ε

α =0.325 因此计算得： F u = 4.32m/s 取u =0.85u F =0.85×4.23m/s =3.67m/s

由 D=

u

4πS

V = m 500067314336002600

4...=??

圆整塔径，取 D=0.5m （常用的标准塔径为400、500、600、700、800、1000、

1200、1400、1600、2000、2200） 泛点率校核: u=

2

4S

V D

π=2600／3600／(0.785×0.52)=3.68m ／s =F

u u

3.68／

4.32×100％=8

5.00％（在允许范围内0.5~0.85） 填料规格校核： D ／d=500／50=10>8 液体喷淋密度校核：

因填料为50mm×25mm×1.5mm,塔径与填料尺寸之比大于8，固取最小润湿速度为（Lw ）min=0.08 m 3/(m·h)，查常用散装填料的特性参数表，得a t =114.2m 2/m 3 U min =（L W ）min · a t =0.08×114.2=9.136m 3／m 2·h

U=U= 3

22

4(

)()m L L m m h D

ρπ =121.38×17／998.2／（0.785×0.52） =11.153m 3／m 2·h>U min=9.136m 3／m 2·h

经以上校核可知，填料塔直径选用D= 500mm 是合理的。 3.6 填料层高度的计算

计算填料层高度即，Z=OG OG H N

(1)

传质单元数计算：

-43

11221

1-422()()(0.063830.7990.053)(2.128100.7990)

4.62810()0.063830.7990.053

ln ln 2.128100.7990()

m Y mX Y mX Y Y mX Y mX -----?-?-??===?--??-?-

-4

12-3

0.06383 2.12810=13.754.62810

OG

m Y Y N Y --?==?

(2) 传质单元高度OG H 的计算：

,=111OG Y G Y G G L V

H K a K aP K a K a k a Hk a

=

Ω

=+

且

①、有效表面积w a 的计算：

采用修正的思田关联式计算:

220.750.10.050.2

21exp{1.45()()()()}L w c L t L t L t L L L L t

a W a W W a a g a σσμρρσ-=--????? 液体质量通量为W L =121.38×18.00／(3600×0.785×0.52)=3.09Kg ／m 2·s 气体质量通量为Wv=2600×1.176／ (3600×0.785×0.52)=4.33Kg ／m 2·s 不同材质的бc 值： 材质

钢 陶瓷 聚乙烯 聚氯乙

烯

碳 玻璃 涂石蜡的表面

表面张力，N/m ×103

75 61 33 40 56 73 20

查表知，2/427680/33h kg cm dyn c ==σ

})a W ()g

a W ()a W ()(.exp{a a .t L L L

.L t L .L t L .L c t w 202

05022

107504511σρ?ρ?μ??σσ?--=-=1—exp{—1.45×（427680／940896）

0.75

×[4.33／（114.2×3.6）]

0.1

×[4.33×114.2／

（998.22×1.27×108）] -0.05 ×[4.332／（998.2×940896×114.2）] 0.2}=0.74 带入的：

0.74w

t

a a =， 则w a =84.50823m m

②、液相传质系数L k :

k L =0.0095(

L w G W a μ)2/3(L L L D μρ)-1/2(L L

g μρ)1/3

0.4()t p a d

各类填料的形状系数

填料类型 球 棒 拉西环 弧鞍 开孔环

Ψ值

0.72 0.75 1 1.19 1.45

t p a d =1.45

k L =0.0095(

L w G W a μ)2/3(L L L D μρ)-1/2(L L

g μρ)1/3

0.4()t p a d 21133

0.4332

39

3.05 1.00510 1.005109.810.0095()()()1.458

4.508 1.00510998.2 1.7610998.2

-----???=???? =1.08×410/m s - 即k L=1.08×410/m s -

③、气相传质系数G k :

k G= 0.237(

G t G W a μ)0.7(G G G D ρμ)1\3(RT

D a G

t ) 1.1()t p a d

293k ，101.3kpa 下，3NH 在空气中的扩散系数：

G D =1.70×105-2m s ,

k G = 0.237(

G w G W a μ)0.7(G G G D ρμ)1\3(RT

D a G t ) 1.1()t p a d

1

350.7 1.13

354.2170.018110114.2 1.70100.237()()()1.45114.20.018110 1.179 1.70108.314293

----???=?????

=5.80×510-2/()kmol m s kpa

即G k =5.80×510-2/()kmol m s kpa (均已用修整过的公式)

111G G L K a k a Hk a =+?53.3310G L G L G Hk k K Hk k -==?+ =Y G W K a K a P =0.385

OG Y V

H K a =

Ω

=0.374m （3）Z=H OG N OG =13.75×0.374=5.139m

Zˊ=1.4×5.139=7.195m （计算安全高度后的实际填料层高度） 查散装填料分段高度推荐值表得：

塑料阶梯环 h/D=14.208?8～15 ；max 6h m ≤ 不宜超过3—4.5m 故填料层需要分为二段， 高度分别为3.5975m.

3.7 填料层压降计算

采用Eckert 通用关联图计算填料层压降

横坐标为：1

2()0.0245m G m L

L X V ρρ=

= 纵坐标为：20.2()p G L L u Y g φ?ρμρ=

=0.1449，()=1L ρ?ρ??

=????

水 通用压降关联图

查图上图得，△P ／Z=100×9.81=981.00Pa ／m 填料层压降为：△P=981.00×7.195=7.058KPa

4. 附属设备计算及选型

4.1 液体分布器简要设计

液体分布器的选型：该吸收塔液相负荷较大，而气相负荷相对较低。故选用槽式分布器。

分布点密度计算：

按 Eckert 建议值，D=400时，喷淋点的密度为330点／m 2，D=750时，喷淋点的密度为170点／m 2，设计取喷淋密度为280点／m 2。

则总布液孔数为：n=0.785×0.52×280=55 实际总布液孔数：54点

布液计算：

由 H g n d L o S ?Φ=

24

2

π

=6.079×10-4m 3/s

取60.0=Φ，mm H 160=?

则

4.2 填料支承装置

支填料支承装置用于支承塔填料及其所持有的气体、液体的质量，同时起着气液流道及气体均布作用。故在设计支承板是应满足下列三个基本条件：（1）自由截面与塔截面之比不小于填料的空隙率；（2）要有足够的强度承受填料重量及填料空隙的液体；（3）要有一定的耐腐蚀性。

本设计选用梁式填料支承板，支承板外径480mm，分块数2，支承圈宽度30mm，支承圈厚度10mm。

4.3填料压紧装置

填料上方安装压紧装置可防止在气流的作用下填料床层发生松动和跳动。填料压紧装置分为填料压板和床层限制板两大类，每类又有不同的型式，填料压板自由放置于填料层上端，靠自身重量将填料压紧。它适用于陶瓷、石墨等制成的易发生破碎的散装填料。

床层限制板用于金属、塑料等制成的不易发生破碎的散装填料及所有规整填料。床层限制板要固定在塔壁上，为不影响液体分布器的安装和使用，不能采用连续的塔圈固定，对于小塔可用螺钉固定于塔壁，而大塔则用支耳固定。

本设计中填料塔在填料装填后于其上方安装了床层限制板。

4.4液体再分布装置

气液两相在填料层中流动时，受阻力的影响，易发生偏流现象，导致乱堆填料层内气液分布不均，使传质效率下降。为防止偏流，可间隔一定高度在填料层内设置再分布装置，将流体先经收集后重新分布。最简单的再分布装置为截锥式再分布器，其结构简单安装方便。故选择截锥式再分布器。

4.5塔顶除沫装置

丝网除雾器是一种分离效率高，阻力小，重量较轻，所占空间不大的除雾器，它是由金属或塑料丝编织而成网，卷成盘状而成。可除去大于5um的雾滴，压力降不超过250pa，本塔是处理含氨气的混合空气，故选用塑料丝网除雾器。

4.6塔附属高度及塔总高的计算

塔上部空间高度可取0.7m.(含出气孔)

液体分布器加再分布器高度约为0.56m.

考虑到气相接管所占空间高度，底部空间高度可取1.0m. 底部裙座所占空间高度为1.5m,

若塔底液相停留时间按3min 考虑，则塔釜液所占空间高度为：

`22184.8

360998.23600h 0.5580.54

m π

??

?=

=? 取h=0.7 m ，出液孔约为0.3m ，则底部空间高度可取1.0m. 所以塔的附属高度为

0 1.00.560.7 1.5 3.76h m =+++=

得塔总高度: '0 1.00.560.7 1.57.19510.955H h Z m =+=++++= 即塔总高为10.955m

4.7填料塔接管尺寸计算

① 为防止流速过大管道冲蚀、磨损、振动和噪声，液体流速一般不超过s m /3，气体流速一般不超过s m /50。

取气体流速为s m /20，气体进出口管管径为：

1(m)2.020

14.33600

/260044=??=π=

u

V d S

故管子的公称直径为mm 002。

② 取液体流速为s m /5.0，液体进出口管管径为：

.04(m)05

014.3360029988

218444=???

=π=

...u

V d S

故管子的公称直径为mm 40。

4.8 基础物性数据

E —亨利系数，Kpa

G

μ—气体的粘度，/Pa s

m —平衡常数

ψ—水的密度和液体的密度之比