水吸收氨过程填料吸收塔设计

化工原理课程设计任务书

设计题目：水吸收氨过程填料吸收塔设计

设计者：班级：

姓名：

日期：2010年6月30日～2010年7月5日指导老师：

设计任务书

水吸收氨过程填料塔的设计：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4000m3/h，其中含氨为5%（体积分数），要求塔顶排放气体中含氨低于0.02%（体积分数）。采用清水进行吸收，吸收剂的用量为最小用量的1.5倍。

1 操作条件

（1）操作压力：常压。

（2）操作温度：20℃。

2 填料类型

选用聚丙烯阶梯环填料，填料规格为散装填料。

3 工作日

每年300天，每天24小时连续运行。

4 厂址

厂址为天津地区。

5 设计内容

（1）吸收塔的物料衡算；

（2）吸收塔的工艺尺寸计算；

（3）填料层压降的计算；

（4）液体分布器简要设计；

（5）吸收塔接管尺寸的计算；

（6）绘制吸收塔设计条件图；

（7）对设计过程的评述和有关问题的讨论。

6 设计基础数据

20℃下氨在水中的溶解度系数为3

0.725/()

H km ol m kP a

=?

7 课题要求及工作进度

任务要求：

1、设计方案简介

2、吸收塔的工艺计算

3、吸收塔的主要结构尺寸设计

4、主要辅助设备选型

5、绘制水吸收氨气的填料吸收塔

6、编写设计说明书

工作进度：

设计计算：1～2天

图纸绘制：1～2天

编写设计说明书：2～3天

8 课题完成后应提交的文件

1、设计说明书

2、氨气吸收塔设计条件图

摘要

填料塔洗涤吸收净化工艺不单应用在化工领域 ,在低浓度工业废气净化方面也能很好地发挥作用。工程实践表明 ,合理的系统工艺和塔体设计 ,是保证净化效果的前提。本文简述聚丙烯阶梯填料应用于水吸收氨过程的工艺设计以及工程问题。

由于在对等的条件下，逆流方式较并流方式可获得较大的平均推动力，能有效地提高过程速率。另外，由于逆流时吸收剂的流向与气体的流向相反，有利于提高溶质的吸收率，且能减少吸收剂的耗用量。因此，在本设计中我们采用逆流吸收的流程。

在设计过程中，我们通过对吸收塔工艺尺寸的计算，保证了生产能力下塔设计的合理性。此外，方案也应满足经济上的需要，尽量减少设备、生产成本等的费用。

目录

一设计方案的确定 (7)

二填料的选择 (7)

三基础物性据 (7)

（1）液相物性的数据 (7)

（2）气相物性数据 (7)

（3）气液相平衡数据 (8)

四物料衡算 (8)

五填料塔的工艺尺寸的计算 (9)

（1）塔径的计算 (9)

（2）填料层高度计算 (9)

六填料层压降计算 (10)

七液体分布器简要设计 (13)

（1）液体分布器的选型 (14)

（2）分布点密度计算 (14)

八辅助设备的选型 (14)

九设计一览表 (16)

十课程设计心得 (17)

十一参考文献 (18)

十二主要符号说明 (19)

十三附图（主体设备设计条件图）

一 设计方案的确定

用水吸收NH 3属高溶解度的吸收过程，为提高传质效率，选用逆流吸收的流程。吸收剂对溶质的组分要有良好的吸收能力，而对混合气体中的其他组分不吸收，且挥发度要低，根据本设计书要求，选择用清水做吸收剂，且NH 3不作为产品，故采用纯溶剂。

二 填料的选择

对于水吸收NH 3的过程，操作温度及操作压力较低，通常选用塑料散装填料。在塑料散装填料中，塑料阶梯环填料的综合性能较好，因要求分离效率高，故此选用D N 25聚丙烯阶梯环填料。

三 基础物性数据

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。由手册查得，20℃时水的有关物性数据如下：

密度为：

3

998.2/L p kg m =

粘度为：()0.001 3.6/L P a s kg m h μ=?=? 表面张力为：2

72.6/940896/L dyn cm kg h σ==

NH 3在水中的扩散系数为：9262

1.7610/ 6.33610/L D m s m h --=?=?

2. 气相物性数据

空气的密度P 0=1.2053

/kg m

氨气的密度P NH3=0.70813

/kg m

混合气体的平均密度为

3

030.050.950.050.70810.95 1.205 1.180/V m N H p p p kg m =+=?+?=

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

5

1.81100.065/()V P a s kg m h μ-=??=?

查手册得0℃时NH 3在空气中的扩散系数为

2

0.17/

V

D cm s

=

故常压下20℃时NH3在空气中的扩散系数为

3/23/2

2

101.3293

0.170.189/

101.3273

V

p T

D D cm s

p T

??

??????

==?=

? ? ?

?

????

????

2

0.068/

m h

=

3. 气液相平衡数据

已知20℃下氨气的溶解度系数为H=0.725kmol/(m3·kPa)

故常压下20℃时NH3在水中的亨利系数为

998.2

76.406

0.72518.02

L

S

P

E kP a

H M

===

?

相平衡常数为

76.406

0.754

101.3

E

m

P

===

四物料恒算

混合气体中氨气的摩尔分率为

33

1

33

0.05/0.050.7081/17.03

0.05/0.95/0.050.7081/17.030.95 1.205/29

N H N H

N H N H s s

p M

y

p M p M

?

==

+?+?

0.05

=

进塔气相摩尔比为

1

1

1

0.05

0.0526

110.05

y

Y

y

===

--

氨气的吸收率为

5%0.02%

0.996

5%

A

?

-

==

出塔气相摩尔比为

()4

2

1

10.0526(10.996) 2.10410

A

Y Y?-

=-=?-=?

进塔惰性气相流量为

000273

(10.05)158.06/

22.427320

4

V km o l h

=??-=

+

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

12

m in

1

2

L Y Y

Y

V

X

m

-

??

=

?

??-

对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为

20

X=

4

m in

0.0526 2.10410

0.751

0.0526

L

V

-

-?

??

==

?

??

取操作液气比为

m in

1.5

L L

V V

??

= ?

??

1.50.751 1.1265

L

V

=?=

1.1265158.06178.05/

L km ol h

=?=

()()

1212

V Y Y L X X

-=-

4

1

158.06(0.0526 2.10410)

0.0465

178.05

X

-

?-?

==

五填料塔的工艺尺寸的计算

1.塔径计算

采用Eckert通用关联图计算泛点气速

气相质量流量为

4000 1.1804720/

V

kg h

ω=?=

液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即

178.0518.023208.46/

L

kg h

ω=?=

Eckert通用关联图的横坐标为

0.50.5

3208.46 1.180

0.0234

4720998.2

V

L

V L

p

p

ω

ω

????

=?=

? ?

??

??

查图5-21得

2

0.20.21

V

F F

L

L

p

u

g p

φ

μ

ψ

=

查表5-11得

1

260

F

m

φ-

=

0.20.2

0.210.219.81998.2

16.92

2600.0234 1.1801

L

F

F V L

g p

u

p

φψμ

??

===

???

取0.80.816.9213.536

F

u u

==?=m/s

由

444000/3600

0.323

3.1413.536

s

V

D m

u

π

?

===

?

圆整塔径，取0.4

D m

=

泛点率校核：

2

4000/3600

8.846/

0.7850.4

u m s

==

?

8.846

100%52.28%

16.92

F

u

u

=?=(在允许范围内)

填料规格校核：

400

168

25

D

d

==>

液体喷淋密度校核：

取最小湿润速率为

()3

m in

0.08/()

W

L m m h

=?

查附录五得

23

228/

t

a m m

=

()32 m in m in

0.0822818.24/

W t

U L a m m h ==?=?

m in

2

3208.46/998.2

25.59

0.7850.4

U U

==>

?

经以上校核可知，填料塔直径选用D=400mm合理。

2. 填料层高度计算

*

11

0.7540.04650.0351

Y m X

==?=

*

22

Y m X

==

脱吸因数为

0.754158.06

0.669

178.05

m V

S

L

?

===

气相总传质单元数为

()

*

12

*

22

1

ln1

1

O G

Y Y

N S S

S Y Y

??

-

=-+

??

--

??

4

10.0526

l n(10.669)0.669

10.6692.10410

-

??

=?-?+

??

-?

??

13.365

=

气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：

0.10.2

0.750.05

22

2

1ex p 1.45

W e L t

L L

t L t L L L L t

a U a

U U

a a p g p a

σ

σμσ

-

??

????

????

??

=--

??

? ?

? ?

????

????

??

??查表5-13得

()

2

33/427680/

c

d yn cm kg m h

σ==?

液体质量通量为

2

2

3208.46

25545.06/()

0.7850.4

L

U kg m h

==?

?

0.05

0.750.12

28

4276025545.0625545.06228 1ex p{ 1.45

940896228 3.6998.2 1.2710 W

t

a

a

-

?

??

????

=--? ? ? ?

???

??????

0.2

2

25545.06

}0.392

998.2940896228

??

=

?

??

??

气膜吸收系数由下式计算

0.71/3

0.237V V t V

G

t V V V

U a D

k

a p D R T

μ

μ

??????

= ? ? ?

??

????

气体质量通量为

2

2

4000 1.180

37579.62/()

0.7850.4

V

U kg m h

?

==?

?

0.71/3

37579.620.0652280.068

0.237

2280.065 1.180.0688.314293

G

k

?

??????

=? ? ? ?

???

??????

2

0.3395/()

km ol m h kpa

=??

液膜吸收系数由下式计算：

2/31/21/3

0.0095L L L

L

W L L L L

U g

k

a p D p

μμ

μ

-

??????

= ? ? ?

????

??

1/3

2/31/28

6

25545.06 3.6 3.6 1.2710

0.0095

0.392228 3.6998.2 6.33610998.2

L

k

-

-

??

??????

=? ? ? ?

????

??????=0.567m/h

由 1.1

G G W

k a k aψ

=，查表5-14得

1.45

ψ=

则 1.1

G G W

k a k aψ

=

1.13

0.33950.3922281,4545.663/()

k m o l m h k P a =???=??

0.40.4

0.5670.392228 1.4558.801/

L L w

k a k a h

ψ

==???=

由

1/4

19.50.5

G G

F

u

k a k a

u

??

??

'=+-

??

?

??

??

??

,

2.2

1 2.60.5

L L

F

u

k a k a

u

??

??

'=+-

??

?

??

??

??

，得

1.43

19.5(0.52280.5)45.66347.843/()

G

K a km o l m h kP a '=+?-?=??

??

??

2.2

1 2.6(0.52280.5)58.8058.841/

L

K a h

'=+?-?=

??

??

则1

11

G

G L

K a

k a k H a

=

+

''

3

1

22.551/()

1/47.8431/(0.72558.84)

km o l m h kP a ==??

++

由

O G

Y G

U U

H

K a K a P

==

ΩΩ

2

158.06

0.551

22.551101.30.7850.4

m

==

???

由0.55113.3657.364

O G O G

Z H N m

==?=，得

1.257.3649.205

Z m

'=?=

设计取填料层高度为

10

Z m

'=

查表5-16，对于阶梯环填料，

m ax

8~15,6

h

h m

D

=≤

取15

h

D

=

则154006000

h m m

=?=

计算得填料高度为10000mm，故需分段

10000

1.67

6000

=，故应分为两段。

六填料层压降计算

采用Eckert通用关联图计算填料层压降

横坐标为

0.5

0.0234

V

L

V L

p

p

ω

ω

??

=

?

??

查表5-18得，1

176

p

m

φ-

=

纵坐标为

22

0.20.2

8.8461760.0234 1.18

10.0388

9.81998.2

p V

L

L

u p

g p

φ

μ

ψ??

=??=

查图5-21得

/232.9875/

P Z P a m

?=

填料层压降为

232.9875102329.875

P P a

?=?=

七液体分布器简要设计

1. 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，故用槽式液体分布器。2. 分布点密度计算

按Eckert建议值，D=400时，喷淋点密度为330点/m2。

布夜点数为

2

0.7850.433041.44842

n=??=≈点

按分布点几何均匀与流量均与的原则，进行布点设计。设计结果为：二级槽共设3道，在槽侧面开孔，槽宽度为80mm，槽高度为210mm，两槽中心距为160mm。分布点采用三角形排列，实际设计布点数为n=40点。布液点示意图如附图所示。

3. 布液计算

由2

2

4

S

L d n g H

π

φ

=?

取0.60,120

H m m

φ=?=

1/2

4

2

S

L

d

n g H

πφ

??

= ?

?

?

??

1/2

43208.46/998.23600

0.0054

3.140.629.810.12

d

??

??

==

?

????

??

设计取

5.4

d m m

=

八辅助设备的计算及选型

1．填料支撑结构

填料支承结构应满足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。填料支承装置的作用是支承塔内的填料，常用的填料支承装置有栅板型、孔管型、驼峰型等。支承装置的选择，主要的依据是塔径、填料种类及型号、塔体及填料的材质、气液流率等。本设计根据需要，选择栅板型支承装置。

2．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填料压紧栅板。

3.液体再分布器装置

液体在乱堆填料层内向下流动时，有偏向塔壁流动的现象，偏流往往造成塔中心的填料不被润湿，降低表面利用率。对于此填料塔而言，由于塔径为400mm，填料层高度为10000mm，为了提干塔效率，故将其填料分为2层，每层填料约为5000mm，根据再分布器各种规格的使用范围，最简单的液体再分布装置为截锥式再分布器。截锥式再分布器结构简单，安装方便。

4. 除沫装置

除沫装置安装在液体再分布器上方，用以除去出气口气流中的液滴。由于氨气溶于水中易于产生泡沫为了防止泡沫随出气管排出，影响吸收效率，采用除沫装置，根据除沫装置类型的使用范围，该填料塔选取丝网除沫器。

九填料吸收塔设计一览表

吸收塔类型：聚丙烯阶梯环吸收填料塔

混合气处理量：4000m3/h

工艺参数

名称

物料名称清水氨气

操作压力，kPa 常压常压

操作温度，℃20 20

液体密度，kg/m3 998.2 0.7081 塔径，mm 400

填料层高度，mm 10000

压差，KPa 常压

操作液气比 1.1265

分布点数40

黏度，kg/(m*h) 3.6

表面张力，kg/h2940896

课程设计心得

白驹过隙，转眼间为时一周的化工原理课程设计临近尾声了，这次的课程设计让我获益匪浅，通过这次的课程设计，我了解和学习了整个课程设计。

在本学期中，我们学习了《化工原理》这一课程，它的内容是讲述化工单元操作的基本原理、典型设备的结构原理、操作性能和设计计算。化工单元操作是组成各种化工生产过程、完成一定加工目的的基本过程，其特点是化工生产过程中以物理为主的操作过程，包括流体流动过程、传热过程和传质过程。

这次我的课程设计题目是水吸收氨过程填料塔的设计，这是关于吸收中填料塔的设计。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，刚开始时由于没注意到各个参数的使用范围，以至于计算时经常出现前后矛盾的计算结果。后来每计算一步我就注意查各种资料上参数的使用范围，才在繁琐的计算过程中不易出现错误，即使出现错误也能很快检查出来错误的环节在哪一步。

在填料的选择中，我仔细查看了资料上各种填料规格的适宜使用情况，由于

本设计中水吸收氨气的效率高达99.6%，而

D型号的聚丙烯阶梯环填料的尺寸

N

25

最小，分离效率最高，因此我决定选用

D聚丙烯阶梯环填料。

N

25

在这次的设计过程中，我看到同学间的互帮互助的可贵，大家一起讨论问题的热情都很高，这有利于大家集思广益，共同解决问题。同时，老师在我们的课程设计过程中也起了很大的作用，没有老师的指引，我们可能会犯更多的错，老师让我们在设计过程中少走了一些弯路，我们都很感谢老师的孜孜不倦的引导以及不厌其烦的教诲。

通过这次的课程设计，让我从中体会到很多。课程设计是我们在校大学生必须经过的一个过程，通过课程设计的锻炼，可以为我们即将到来的毕业设计打下坚实的基础！

参考文献

1 柴诚敬。化工原理课程设计。天津：天津科学技术出版社，1994

2 贾绍义，柴诚敬等。化工传质与分离过程。北京：化学工业出版社，2001

3 姚玉英。化工原理，下册。天津：天津大学出版社，1999

4 匡国正，史启才等。化工单元过程及设备课程设计。北京：化学工业出版社，2002

5 《化学工程手册》编辑委员会。化学工程手册——气液传质设备。北京：化学工业出版社，1989

6 刘乃鸿等。工业塔新型规整填料应用手册。天津：天津大学出版社，1993

7 王树楹等。现代填料塔技术指南。北京：中国石化出版社，1998

8 徐崇嗣等。塔填料产品及技术手册。北京：化学工业出版社，1995

9 兰州石油机械研究所。现代塔器技术。北京：烃加工出版社，1990

10 魏兆灿等。塔设备设计。上海：上海科学技术出版社，1988

11 Strigle R F.Random Packings and Packed Tower Design and Applications. Houston:Gulf Publishing Company, 1987

主要符号说明a——填料的有效比表面积，㎡/m3

at——填料的总比表面积，㎡/m3

aw——填料的润湿比表面积，㎡/m3

d——填料直径，m

d

——筛孔直径，m

D——塔径，m

D

——液体扩散系数，m2/s

L

——气体扩散系数，m2/s

D

V

E——亨利系数，kPa

h——填料层分段高度，m

H——开孔上方的液位高度，m

H——溶解度系数，kmol/（m3·kPa）

——气相总传质单元高度，m

H

OG

——气相总传质单元数

N

OG

——气膜吸收系数，kmol/（m2·h·kPa）

k

G

——液膜吸收系数，m/h

k

L

K——稳定系数，无因次

M

ave

——混合气体的平均摩尔质量，kmol/kg Lh——液体体积流量，m3/h

Ls——液体体积流量，m2/h

Lw——润湿速率，m3/（m·h）

m——相平衡常数，无因次

n——筛孔数目（分布点数目）

P——操作压力，Pa

Ｐ——标准状况下的压力，Pa

P——压力降，Pa

u——空塔气速，m/s

u

F

——泛点气速，m/s

U——液体喷淋密度，m3/（m2·h）

U

L

——液体质量通量，㎏/（m2·h）

U

min

——最小液体喷淋密度，m3/（m2·h）

U

v

——气体质量通量，㎏/（m2·h）

V

h

——气体体积流量，m3/h

w

L

——液体质量流量，㎏/h

w

V

——气体质量流量，㎏/h