化工原理课程设计——水吸收氨气

填料吸收塔设计任务书

1 设计题目

试设计一座填料吸收塔，采用清水吸收混于空气中的氨气。混合气体的处理量为____4300____m3/h，其中含氨为____6%____（体积分数），混合气体的进料温度为25℃。要求：

①塔顶排放气体中含氨低于___0.04%_____（体积分数）；

2 操作条件

2.1 操作压力常压

2.2 操作温度20℃

3 填料类型

选用聚丙烯阶梯环填料，填料规格自选

4 设计内容

4.1设计方案的选择及流程说明

4.2工艺计算

4.3主要设备尺寸计算

(1) 塔径的确定

(2) 填料层的高度计算

(3) 总塔高、总压降及接管尺寸的确定

4.4 辅助设备选型与计算

4.5 设计结果汇总

4.6 设计评述

5设计基础数据

20℃下氨在水中的溶解度系数为H=0.725kmol/(m3*kPa).

目录

1. 设计方案简介 (1)

1.1设计方案的确定 (1)

1.2填料的选择 (2)

2. 工艺计算 (2)

2.1 基础物性数据 (2)

2.1.1液相物性的数据 (1)

2.1.2气相物性的数据 (2)

2.1.3气液相平衡数据 (2)

2.1.4 物料衡算 (3)

2.2 填料塔的工艺尺寸的计算 (3)

2.2.1 塔径的计算 (4)

2.2.2 填料层高度计算 (5)

2.2.3 填料层压降计算 (6)

2.2.4 液体分布器简要设计 (7)

3. 辅助设备的计算及选型 (8)

3.1 填料支承设备 (8)

3.2填料压紧装置 (8)

3.3液体再分布装置 (8)

4. 设计一览表 (9)

5. 后记 (10)

6. 参考文献 (10)

7. 主要符号说明 (10)

8. 附图（工艺流程简图、主体设备设计条件图）

1．.设计方案简介

1．1设计方案的确定

1．1．1装置流程的确定：

用水吸收NH3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。

1．1．2吸收剂的选择

对填料吸收塔，其吸收装置的流程主要有逆流操作、并流操作、吸收剂部分再循环操作、多塔串联操作和串联-并联混合操作。逆流操作由于其传质平均推动力大，传质速率快，分高效率高，吸收剂利用率高的特点在工业生产中得到广泛应用。

吸收过程是依靠气体溶质在吸收剂中的溶解来实现的，因此，吸收剂性能的优劣，是决定吸收操作效果的关键之一，选择吸收剂时应着重考虑以下几方面。

①吸收剂应具有较大溶解度，以提高吸收速率减少吸收剂用量，降低输送与再生的能耗。

②选择性好，吸收剂对混合气体的溶质要有良好的吸收能力，而对其它组分不吸收或吸收甚微。以提高吸收速率，减小吸收剂用量。

③操作温度下吸收剂的蒸汽压要低，以为离开吸收设备的气体往往被吸收剂所饱和，吸收剂的挥发度愈大，则在吸收和再生过程中吸收剂损失愈大。

④粘度要低，以利于传质与输送；有利于气液接触，提高吸收速率。

⑤具有较好的化学稳定性及热稳定性，以减少吸收剂的降解和变质，尤其在使用化学吸收剂时。

一般说来，任何一种吸收剂都难以满足以上所有要求，选用时应针对具体情况和主要矛盾，既考虑工艺要求又兼顾到经济合理性。

用水吸收氨气属易溶解的吸收过程，为提高传质效率，选用逆流吸收流程，因用水作为吸收剂，且氨气不作为产品，故采用纯溶剂。

1．1．3吸收操作参数的选择

吸收塔的操作参数主要指操作压力和操作温度

1．1．4操作温度与压力的确定

操作温度：20℃

操作压力：常压

1．2填料的选择

塔填料(简称为填料)是填料塔中气液接触的基本构件，其性能的优劣是决定填料塔操作性能的主要因素，因此，塔填料的选择是填料塔设计的重要环节。

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。填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。工业生产对填料的基本要求如下：

1．2．1传质分离效率高

①填料的比表面积a大，及单位体积填料具有表面积要大，因为它是汽液两相接触传质的基础。

②填料表面的安排合理，以防止填料表面的叠合和出现干区，同时有利于汽液两

相在填料层中的均匀流动并能促进汽液两相的湍动和表面更新，从而使填料表面真正用于传质的有效面积增大，总体平均的传质系数和推动力增高。 ③填料表面对于液相润湿性好，润湿性好易使液体分布成膜，增大有效比表面积。润湿性取决于填料的材质，尤其是表面状况。塑料的润湿性比较差，往往需要进行适当的表面处理，金属表面粘着的加工用油脂需经过酸洗或碱洗清除。 1．2．2压降小，气液通量大

①填料的孔隙率ε大压降就小，通量大。一般孔隙率大，则填料的比表面积小。分离效率将变差。散装填料的尺寸大，孔隙率大，比表面积小，规整填料波纹片的峰高增大，孔隙率大，比表面积也大。如果填料的表面积安排合理，可以缓解a 和ε的矛盾，达到最佳性能。

②减少流道的截面变化，可减少流体的流动阻力。

③具有足够的机械强度，陶瓷填料容易破碎，只有在强腐蚀性场合才采用。 ④重量轻，价格低

⑤具有适当的耐蚀性能。

⑥不被固体杂物堵塞其表面不会结垢。

根据本设计的要求，选择用塑料散装填料。在塑料散装填料中，塑料阶梯环填料的综合性能较好，故选用DN50聚丙烯阶梯环填料。

2．工艺计算

2．1基础物性计算 2.1.1液相物性的数据 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。由手册查得，20℃时水的有关物性数据如下： 密度为 ρL=998.2 kg/m3

粘度为 μL=0.001 Pa ?S=3.6 kg/（m ?h ） 表面张力为 ζL=72.6 dyn/cm=940896 kg/h2

NH3在水中的扩散系数为 DL=1.76×10-9 m2/s=6.336×10-6 m2/h 2.1.2气相物性的数据

混合气体的平均摩尔质量为 Mvm=0.06×17.03+0.94×29=28.28 混合气体的平均密度为 ρvm=1.156kg/m3

混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得20℃空气的粘度为 μv =1.81×10-5 Pa?S=0.065 kg/(m?h )

查手册得 NH3在空气中的扩散系数为 Dv=0.225 cm2/s=0.081m2/h 2.1.3气相平衡数据

20℃时NH3在水中的溶解度系数为 H=0.725 kmol/(m3?kPa) 常压下20℃时NH3在水中的亨利系数为 E=76.41 kPa

相平衡常数为m= E/P =0.754 2.1.4 物料衡算

进塔气相摩尔比为 0638

.006

.0106

.01=-=Y 出塔气相摩尔比0004.00004

.010004

.02=-=

Y

进塔惰性气相流量 h k m o l V /12.168)06.01(20

273273

4.224300=-?+?

=

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 749.00

)754.0/0638.0(0004.00638.02

21min

=--=--=???? ??X x Y Y V L le

对纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为 X2=0

取操作液气比为1.5，即

124.1749.05.1)(5.1min =?==V

L V L h Kmol L /188.97168.12×1.124==

)()(2121X X L Y Y V -=-

568.0)

(2211=+-=

x L

Y Y V X 2.2 填料塔的工艺尺寸的计算 2.2.1 塔径的计算 气相质量流量 h V /kg 8.49701.1564300=?=ω

液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即 ㎏/h 23.340502.1897.188=?=L ω 用贝恩—霍根关联式计算泛点气速：

81

液气41

气液2.0液液气32lg ???? ?????? ??-=???

?????ρρμρρεW W K A a g u t f ()???

??????2.03

21000001.02.998156.1927.02.11481.9lg f

u =0.204-1.7×4

1685

.0×

8

1

2.998156.1???? ??=-0.480查附录五得空隙率3ε =0.927 , 散装填料的特性参数 t=114.2 m2/m3

计算得 f u = 4.549m/s 取u =0.6 f u =2.729 m/s 由()()m u

V D S

746.03600729.214.3/430044=???=

=

π

圆整塔径，取 D=0.7m

泛点率校核：()s m u /250.37.075.036004300

2

=??=

%4.71%100549

.4250.3=?=f u u 在（50%~80%）之间，满足DN50聚丙烯阶梯环填料径比要求 填料规格校核

700

148d 50

D =

=> 液体喷淋密度校核 取最小湿润速率

()h m L W ?=23min /m 08.0

查附录五得，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=

2

3405.23/998.2

12.0710.7850.6

=?＞U min 经以上校核可知，填料塔直径选用D=0.7m 合理 2.2.2 填料层高度计算

0428.00568.0754.011=?==*mX Y

022==*mX Y

脱吸因数为

667.0188.9712

.168754.0=?==

L mV s ()??????+----=*

*

S Y Y Y Y S S N OG

22211ln 11 ()??

????+----=

667.000004.00

0638.0667.01667.011In

=11.967

气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：

??

????

?

?

?????

?

??????

?????

? ?????

?

??--=-2

.0205

.0221

.075

.045.1exp 1t L L L L t L L t L L c t U g U U w ασρραμασσαα

??

???

??

?

?????

? ???????

? ????????

? ??????

?

??--=-2

.0205

.0821

.075

.02.1149408962.9988.88521027.12.9982

.1148.88526.32.1148.8852940896

42768045.1exp 1480.0=

气膜吸收系数

??? ?

????? ?????

? ??=RT D a D a U k V t v v v v t V

G 3

1

7

.0237.0ρμμ

???

? ???????

? ????

???

???=293314.8081.02.114081.0156.1065

.0065.02.11492.12922237.03

1

7

.0 147.0= 液膜吸收系数

3

12

13

20095.0???

? ?????

? ?????

? ??=-

L L L L L L w L

L g D a U k ρμρμμ 3

18

2

1

63

22.9981027.16.310336.62.9986.36.32.114480.08

.88520095.0???

?

?

??????

? ?????

??

? ????=-

- 3875.0= 查表得45.1=ψ，故：

()

kpa

h m Kmol a k a k W G G ??=???==31.11.1/126.1245.12.114480.0147.0ψ

h a k a k W L L /6451.2445.12.114480.03875.04.04.0=???==ψ %50%4.71 =f

u u

a k u u a k G f G ???????

????? ??-+=?

4

.15.05.91

()

[

]()

kpa h m

Kmol ??=?-+=3

4

.1/431.25126.125.0714.05.91

a k u u a k L f L ???????

????? ??-+=?

2

.25.05.91

()

[

]()

kpa h m

Kmol ??=?-+=3

2

.2/522.326451.245.0714.05.91

则 a

Hk a k a K L G G 1

11+

=

?

6451

.24725.01

431.2511

?+

=

()

kpa h m Kmol ??=3/494.10 故 Ω

=

Ω=aP K V

a K V H G Y OG 2

7.0785.03.101494.1012

.168???=

4112.0=m

由 m N H Z OG OG 921.411.9674112.0=?=?=

为留出一定安全系数， 取m Z Z 382.7921.45.15.1=?==? 故取填料层高度为8m 查表，对于阶梯环填料，D

h

=8～15,h max ≤6m 取

D

h

=8，则 h=8×0.7=5.6m

故填料层需要分成两段，分别是6m,2m 2.2.3 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 5

.0???

? ??L V V

L

w w

ρρ=0.023

查表7得，ΦP =89m -1

纵坐标为220.20.2

3.250891 1.15610.1119.81998.2v P L L u g ρφμρΦ??=??=

查图得ΔP/Z=75×9.81Pa/m

填料层压降为ΔP=75×9.81×8=5.886KPa

2.2.4 液体分布器简要设计

（1）液体分布器的选型

液体分布器设置于填料塔内，用于将塔顶液体均匀的分布在填料表面上，初始分布器的好坏对填料塔效率影响很大，分布器的设计不当，液体预分布不均，填料层的有效湿面积减小而偏流现象和沟流现象增加，即使填料性能再好也很难得到满意的分离效果。因而液体分布器的设计十分重要。特别对于大直径低填料层的填料塔，特别需要性能良好的液体分布器。

液体分布器的性能主要由分布器的布液点密度（即单位面积上的布液点数），各布液点均匀性，各布液点上液相组成的均匀性决定，设计液体分布器主要是决定这些参数的结构尺寸。对液体分布器的选型和设计，一般要求：液体分布要均匀；自由截面率要大；操作弹性大；不易堵塞，不易引起雾沫夹带及起泡等；可用多种材料制作，且操作安装方便，容易调整水平。

该吸收塔的塔径为700mm而多孔直管式喷淋器的适用范围为600≦D≦800，并且其液体负荷为中等以下，所以选择多孔直管式喷淋器。

（2）分布点密度计算

按Eckert建议值，D=750时，喷淋点密度为170点/m2，所以根据需要取喷淋点密度为170点/m2

布液点数为：651707.0785.02≈??=n （3）布液计算：

由

204

s L d n π

=

取0.6Φ= △

H=160mm

12

0d ??=

12

0.0042m ?== 设计取0d =4.0 mm

3. 辅助设备的计算及选型

3.1．填料支承设备

填料支承设备应满足3个基本条件：①使起液能顺利通过.设计时应取尽可能大的自由截面。②要有足够的强度承受填料的重量，并考虑填料孔隙中的持液重量。③要有一定的耐腐蚀性能。本设计根据需要，选择孔管型支承装置。 3.2．填料压紧装置

为防止在上升气流的作用下填料床层发生松动或者跳动，需在填料层上方设置填料压紧装置。对于散装填料本设计选用压紧栅板。 3.3．填料塔接管尺寸计算

为防止流速过大引起管道冲蚀，磨损，震动和噪音，液体流速一般不超 3m/s ，气体流速一般不超过100m/s 常用管道的公称通径、外径、壁厚

公称通径（mm ） 管子外径(mm) 常用碳钢管壁厚(mm) 15 18 3 20 25 3 25 32 3.5 32 38 3.5 40 45 3.5 50 57 3.5 80 89 4 150 165 6 （1）进液管

根据管道的公称通径、外径、壁厚表得，公称通径=32mm ，δ=2.5mm 碳钢管， 管子外径D=38mm 则进液管管子内径 d=D-2 =38-2×2.5=33mm （2）底液出口管

根据管道的公称通径，外径，壁厚表得，公称通径=32mm ，δ=2.5mm 碳钢管 ，管子外径D=38mm 则 底液出口管管子内径 d=D-2 =38-2×2.5=33mm

（3）塔顶气体出口管

根据管道的公称通径，外径，壁厚表得公称通径=150mm，δ=6mm碳钢管，管子外径D=165mm 则管子内径d=D-2 =165-2×6=153mm

（4）泵的选型

就计算的结果可以选用：50-32-125型的泵

4. 设计一览表

表⒈吸收塔的吸收剂用量计算总表

意义及符号结果

混合气体处理量G 4300m3/h

气液相平衡常数m 0.754

进塔气相摩尔比y

1

0.0638

出塔气相摩尔比y

2 进塔惰性气相流量V 0.0004

h

kmol/

12

.

168

进塔液相摩尔分率x

1

0.568

最小液气比（L/V）

min

0.749

混合气体平均摩尔质量M 28.28g/mol

混合气体的密度ρ 1.156kg/m3

混合气体的粘度μ 1.81×10-5 Pa?S 吸收剂用量L Kmol

188.97

表⒉塔设备计算总表

意义及符号结果

塔径D 0.7 m

气膜吸收系数

G

k

液膜吸收系数

L

k 填料层高度 0.147 0.385

8 m

气相总传质单元高度

OG

H 0.4112 m

气相总传质单元数

OG

N11.967 m 布液孔数n 65个

泛点气速

f

u 3.250 m/s

泛点率f

填料层压降为ΔP

71.4% 5.886KPa

填料直径d

p

孔隙率%

填料比表面积a 填料因子

50mm 0.927 114.2m2/m3

89m-1

5. 后记

本设计的任务是用水吸收氨气的填料吸收塔的设计。填料塔是以塔内装有大量的填料为相接触构件的气液传质设备。填料塔的结构较简单，压降低，填料易用耐腐蚀材料制造等优点。

在本设计中，遭遇很多难题。第一个就是如何通过关联图读出纵坐标，还有一个就是后边关于填料层的相关计算，公式越来越长，数值越来越难算，整个设计进行得很艰难。

还有因为临近考试，为了腾出更多的时间来复习，所以赶得比较匆忙。在做的过程中，接触了那么多的计算，而且一不小心就容易一步错步步错，这让我懂得在生产过程中绝对不能马虎。还有通过这个课程设计，我也学到了很多东西。虽然我们在理论课中对这章的学习几乎没有，但是当我做完这个设计回过头来想一想自己还是收获蛮大的，不仅我初步涉略到了一些生产问题，同时提高了解决问题的能力。

6.参考文献

[1]华南理工大学，涂伟萍，陈佩珍，程达芳编.化工过程及设备设计.北京:化学工业出版社,2003

[2]柴诚敬，刘国维，李阿娜. 化工原理课程设计. 天津：天津科学技术出版社，1995

匡国柱,史启才主编. 化工单元过程及设备课程设计.化学工业出版社，2002

王志魁编.化工原理（第三版）. 北京：化学工业出版社，2009

[3]郑津泽,荣其伍,桑芝富编.过程设备设计.北京: 化学工业出版社，2004

[4]王静康编.化工过程设计.北京:化学工业出版社,2006

王志魁编.化工原理（第三版）. 北京：化学工业出版社，2009

7.主要符号说明

7.1、英文字母

a——填料层的有效传质比表面积（m2

/m3）w

a——填料层的润滑比表面积m2/m3A——吸收因数;无因次d——填料直径，mm；

p

d——填料当量直径，mm D——扩散系数，m2/s；塔径; E——亨利系数，KPa g——重力加速度，kg/(m2.h)

H ——溶解度系数，kmol /(m 3.KPa)

G H ——气相传质单元高度 ，m L H ——液相传质单元高度，m

OG H ——气相总传质单元高度，m OL H ——液相总传质单元高度，m G k ——气膜吸收系数, kmol /(m 3.s.KPa);

G L ——吸收液质量流速kg/(m2.h)

L 喷——液体喷淋密度;

m ——相平衡常数，无因次 G N ——气相传质单元数，无因次

L N ——液相传质单元数，无因次 OG N ——气相总传质系数，无因次

OL N —— 液相总传质系数，无因次

P ——总压，KPa

p ——分压，KPa

R ——气体通用常数，kJ/(kmol.K) S ——解吸因子

T ——温度，0C

u ——空塔速度，m/s f u ——液泛速度，m/s

B V ——惰性气体流量，kmol/s S V ——混合气体体积流量，m 3

/s;

L k ——液膜吸收系数 ，kmol/(m 2.s.kmol/m 3)

y k ——气膜吸收系数，kmol/(m 2

.s) y K ——气相总吸收系数kmol/(m2.s) x k ——液膜吸收系数，kmol/(m 2

.s) G k ——气相总吸收系数，kmol/(m 2.s.kpa)

x K ——液相总吸收系数kmol/(m2.s)

S L ——吸收剂用量kmol/h; kmol/s

L ——是吸收液量 kmol/h

'L ——吸收液质量流量kg/h ；

V L ——吸收液流量，m 3/s ρ——密度kg/ m 3

?——填料因子， m -1 ;

7.2.下标

L ——液相的 G ——气相的 1——塔底 2——塔顶

x ——溶质组分在液相中的摩尔分率 无因次 X ——溶质组分在气相中的摩尔比 无因次

y——溶质组分在液相中的摩尔分率

Y——溶质组分在气相中的摩尔比无无因次

Z——填料层高度 m Zs——填料层分段高度 m min——最小的max——最大的

7.3.希腊字母

μ——粘度 Pa.s ρ——密度 kg/m3

σ——表面张力 N/m

8. 附图

工艺流程简图

主体设备设计条件图

排液口

气体出口

液体进口

人孔

人孔

液体出口

气体进口

a

b

d

塔体

支撑板

d

填料段

c

液体再分布器固定压板除雾器