氨填料吸收塔课程设计

前言

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，它是化工类企业中最经常使用的气液传质设备之一。而塔填料塔内件及工艺流程又是填料塔技术进展的关键。从塔填料、塔内件和工艺流程,专门是塔填料三方面对填料塔技术。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专门好地发挥作用。工程实践说明,合理的系统工艺和塔体设计,是保证净化成效的前提。本文简述聚丙烯阶梯填料应用于水吸收氨进程的工艺设计和工程问题。

在化工、炼油、医药、食物及环境爱惜等工业部门，塔设备是一种重要的单元操作设备。其作用实现气—液相或液—液相之间的充分接触，从而达到相际间进行传质及传热的进程。它普遍用于蒸馏、吸收、萃取、等单元操作，随着石油、化工的迅速进展，塔设备的合理造型设计将愈来愈受到关注和重视。塔设备有板式塔和填料塔两种形式，下面咱们就填料塔展开表达。

填料塔的大体特点是结构简单，压力降小，传质效率高，便于采纳耐侵蚀材料制造等，关于热敏性及容易发泡的物料，更显出其优越性。过去，填料塔多推荐用于至0.7m以下的塔径。最近几年来，随着高效新型填料和其他高性能塔内件的开发，和人们对填料流体力学、放大效应及传质机理的深切研究，使填料塔技术取得了迅速进展。

气体吸收进程是化工生产中经常使用的气体混合物的分离操作，其大体原理是利用气体混合物中各组分在特定的液体吸收剂中的溶解度不同，实现各组分分离的单元操作。板式塔和填料塔都可用于吸收进程，这次设计用填料塔作为吸收

的主设备

目录

摘要 (1)

第一章氨吸收填料吸收塔的设计 (2)

概述 (2)

设备的选用 (2)

流程方案的确信 (3)

流程方案 (3)

流程选择及流程说明 (3)

流程布置 (5)

吸收剂的选择 (5)

填料的选择 (6)

塔填料选择 (6)

填料选取的要求 (6)

填料的选取 (6)

第二章工艺计算 (8)

概述 (8)

气液平稳关系 (8)

平稳关系的确信 (10)

吸收剂用量及操作线的确信 (12)

物料衡算 (12)

吸收剂用量的确信 (12)

操作线方程的确信 (14)

塔径的计算 (16)

空塔气速的确信 (16)

塔径 (21)

校核 (23)

单位高度填料层压降

⎪

⎭

⎫

⎝

⎛∆

Z

p

的校核 (23)

喷淋密度的校核 (25)

泛点率的核算 (26)

填料层高度 (26)

填料层高度 (30)

第三章设备 (33)

填料的确信 (33)

填料吸收塔附属装置的选型 (33)

液体散布器 (33)

填料支承板 (34)

填料压板和床层限制板 (34)

气体的入口装置与排液装置 (34)

塔高的确信 (35)

辅助设备的选型 (35)

管径的计算 (35)

泵的选型 (37)

风机的选型 (39)

终止语 (43)

参考文献 (44)

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专门好地发挥作用。工程实践说明，合理的系统工艺和塔体设计，是保证净化成效的前提。

此设计是在各种版本教材和资料的基础上、在吸收原理的支持下，由本人编辑设计而成的，其中的各种物性数据全部来自于其他各种版本、各类于吸收有关的图书、教材之上，它们仍保持着客观物质的特性。在选材和计算理论上，也有着与其它吸收设计相同的基本原理。

首先，在此设计中讲述了吸收技术的概况、发展以及应用，当今吸收技术的发展状况；再讲述怎样根据所给的已知条件来确定吸收方案，如吸收剂的选择、吸收流程的选择、解吸方法选择、设备类型选择、操作参数的选择等内容；在计算环节，先要集众家之所有---查出所有相关的物性数据，由此计算出相应的理论结果，确定出理论上吸收的工程图。

关键词：水填料塔吸收氨气低浓度

第一章氨吸收填料吸收塔的设计

概述

在炼油、石油化工、精细化工、食物、医药及环保等部门，塔设备属于利用量大应用面广的重要单元设备。塔设备普遍用于蒸馏、吸收、萃取、洗涤、传热等单元操作中。因此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，常常需要将气体混合物中的各个组分加以分离，其要紧目的是回收气体混合物中的有效物质，以制取产品，或除去工艺气体中的有害成份，使气体净化，以便进一步加工处置，或除去工业放空尾气中的有害成份，以避免污染空气。吸收操作是气体混合物分离方式之一，它是依照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。

设备的选用

塔体

喷淋装置

填料塔填料

液体再散布器

填料支撑装置等

在本次课程设计中，要求用稀氨水吸收氨气，由于填料塔具有结构简单、压力降小、传质效率高、便于采纳耐侵蚀材料制造，和生产能力大、吸生成效好、操作弹性大等优势，因此选用填料塔吸收氨气。塔的底部有效来支撑填料的栅板，并许诺气液通过，支撑板上的填料有乱堆方式。填料层的上方有液体散布装置，从而使液体均匀喷洒于填料的表面上，使整个塔截面的填料表面润湿。但因填料层中的液体有向塔壁流动的趋势，即“趋壁效应”，因此填料层较高时往往将其分为几段，每一

段填料层上方设有再散布器，将沿塔壁流动的液体导向填料层内。近些年来，由于性能优良的新型填料不断开发，改善了填料层内气液两相的散布与接触情形。在某些场合乃至正慢慢取代传统板式塔。

流程方案的确信

流程方案

用稀氨水作为吸收剂，水来自水槽，由于是逆流操作，需要泵将水抽到塔顶;由于氨水具有轻度侵蚀性，故需要防腐泵，气体那么需选用风机。泵一个型号需配置两台，供替换利用，风机需一台。详细流程参见流程图。实际操作中的流量计和压力表等也需要考虑显现问题以后不阻碍正常工作。

流程选择及流程说明

吸收装置的流程要紧有以下几种：

(1)逆流操作气相自塔底进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出，此即逆流操作。逆流操作的特点是传质平均推动力大，传质速度快，分离效率高，吸收剂利用率高。工业生产中多用逆流操作。

(2)并流操作气、液两相均从塔顶流向，此即并流操作。并流操作的特点是，系统不受液流限制，可提高操作气速，以提高生产能力。并流操作通经常使用于以下情形：当吸收进程的平稳曲线较平坦时，流向对推动力阻碍不大；易溶气体的吸收或处置的气体不需吸收很完全；吸收剂用量专门大，逆流操作易引发液泛。

(3)吸收剂部份再循环操作在逆流操作系统中，用泵将吸收塔排除液体的一部份冷却后与补充的新鲜吸收剂一同送回塔内，即为部份再循环操作。通经常使用于以下操作：当吸收剂用量较小，为提高塔的液体喷淋密度;关于非等温吸收进程，为操纵塔内的温升，需掏出一部份热量。该流程专门适宜于相平稳常数m值很小的情形，通过吸收液的部份再循环，提高吸收剂的利用效率。应当指出，吸收剂部份再循环操作较逆流

操作的平均推动力要低，且需设置循环泵，操作费用增加。

(4)多塔串联操作假设设计的填料层高度过大，或由于所处置物料等缘故需常常清理填料，为便于维修，可把填料层分装在几个串联的塔内，每一个吸收塔通过的吸收剂和气体量都相等，即为多塔串联操作。此种操作因塔内需留较大空间，输液、喷淋、支撑板等辅助装置增加，使设备投资加大。

(5)串联-并联混合操作假设吸收进程处置的液量专门大，若是用通常的流程，那么液体在塔内的喷淋密度过大，操作气速必将很小（不然易引发塔的液泛），塔的生产能力很低。实际生产中可采纳气相作串联、液相作并联的混合流程；假设吸收进程处置的液量不大而气相流量专门大时，可采纳液相作串联、气相作并联的混合流程。

列出几种常见的吸收进程如图。

（a）并流（b）逆流

图吸收流程

用水吸收NH3属高溶解度的吸收进程，为提高传质效率和分离效率，因此，本设计

选用逆流吸收流程。

该填料塔中，氨气和空气混合气体，经由填料塔的下侧进入填料塔中，与从填料塔顶流下的水逆流接触，在填料的作用下进行吸收。经吸收后的混合气体由塔顶排除，吸收了氨气的水由填料塔的下端流出。

流程布置

由于逆流操作时平均推动力大，吸收剂利用率高，完成必然分离任务所需传质面积小，因此选定流程为逆流。关于无相变传热，当冷、热流体的进、出口温度一按时，逆流操作的平均推动力大于并流，因此传递一样的热流量，所需传热面积较小。就增加传热推动力而言，逆流操作老是优于并流。现在吸收剂用量未知，咱们能够依照逆流进行物料衡算得出吸收剂用量后，以此作为一个评判标准，判定是不是该用逆流。

吸收剂的选择

吸收进程是依托气体溶质在吸收剂中的溶解来实现的，因此，吸收剂性能的好坏，是决定吸收操作成效的关键之一，选择吸收剂时应着重考虑以下几方面。

(1)溶解度吸收剂对溶质组分的溶解度要大，以提高吸收速度并减少吸收剂的用量。

(2)选择性吸收剂对溶质组分要有良好的吸收能力，而对混合气体中其他组分不吸收或吸收甚微，不然不能直接实现有效分离。

(3)挥发度要低操作温度下吸收剂的蒸气压要低，以减少吸收和再生进程中吸收剂的挥发损失。

(4)黏度吸收剂在操作温度下的黏度越低，其在塔内的流动性越好，有助于传质速度和传热速度的提高。

(5)其他所选用的吸收剂应尽可能知足无毒性、无侵蚀性，不易燃易爆、不发泡、冰点低、价廉易患和化学性质稳固等要求。

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。因此本设计选择用清水作吸收剂，氨气为吸收质。水廉价易患，物理化学性能稳固，选择性好，符合吸收进程对吸收剂的大体要求。且氨气不作为产品，故采纳纯溶剂。

本次课设的题目中，已给出吸收剂为稀氨水。

填料的选择

塔填料选择

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，其性能好坏是决定填料塔操作性能的要紧因素。填料的比表面积越大，气液散布也就越均匀，传质效率也越高，它与塔内件一路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信填料的种类、规格及材料。填料的种类要紧从传质效率、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。

填料选取的要求

在本次课设中，选用两种填料进行计算，最终依照计算结果择优。

填料塔对填料的要求表此刻以下几方面：

1.比表面积

a要大；

t

2.能提供大的流体通量；

3.液体的再散布性能要好；

4.要有足够的机械强度；

5.价钱低廉。

填料的选取

第一选择散装填料，这是由于规整填料在装卸、清理时相对困难，且同种类型的规整填料，其表面积越大，传质效率越高，但阻力增加，通量减少，填料费用造价也明显增高。

第二，要进行两种填料间的比较，那么应选用相同的外径，如此才

具有可比性。陶瓷材质的材料尽管质脆、易碎，但其耐侵蚀性较好，一样能耐除氢氟酸之外的常见的无机酸、有机酸及各类有机溶剂的侵蚀。且表面润湿性强，价钱廉价，可在低温、高温下工作，具有必然的抗冲击性，故应用较为普遍。塑料材质的虽耐侵蚀性能好，价钱适中，但耐温性及湿润性较差。金属材质有碳钢、铝铝和铝合金等，多用于操作温度较高而无显著侵蚀性的操作。

本次设计任务是高浓氨混合气体吸收，其具有强侵蚀性，故最正确填料选择应为陶瓷质地。

一样用于直径小于900的小塔，选用外径为25mm 的填料;而直径大于

900的塔，一样采纳50mm 以上的大填料。 综上所述，选取的两种填料见表1-1

综合比较，合理范围内填料塔径D 均大于900mm,据此采纳50mm 以上的大填料。故d=25mm 的

Z

P

∆等数值无需再继续计算比较。

第二章工艺计算

概述

整个工艺计算进程包括以下几点：

1.确信气液平稳关系。

2.确信吸收剂用量及操作线方程。

3.填料的选择。

4.确信塔径及塔的流体力学性能。

5.填料层高度的计算。

6.管路及辅助设备的计算。

气液平稳关系

由于原料气组成中，氨气占45%，含量较高，用地下水吸收时会产生专门大的热效应，使塔内温度显著升高，对气液平稳关系和吸收速度产生明显阻碍，属于非等温吸收。在逆流吸收塔中气液平稳关系是温度的函数，温度升高，平稳关系便要改变，因此，在这种情形下不能再利用咱们熟悉的亨利定律，应从头依照非等温吸收的热衡算，依照液相浓度和温度的转变情形，定出实际的平稳关系。

非等温吸收的热效应要紧包括：

1.吸收质与吸收剂混合时产生的混合热，即溶解热。

2.气体溶解时由气态转变成液态时放出的潜热。

3.化学反映热。

物理吸收计算中只考虑溶解热，溶解热分为积分溶解热和微分溶解热。在吸收进程中所用的吸收剂量专门大，液相浓度一样转变较小，于是混合热可考虑为微分溶解热。

在假定非等温吸收的平稳关系时，为简化计算，通常做如下三点假设：

1.不考虑热损失。

2.吸收剂带走的潜热不计。

3.气相带走的热量不计。

以上假设，即是假定吸收进程中所释放出的热量全数用来加热液体。 在给定的设计条件中得知，要设计的是高浓度气体的非等温吸收。由塔顶到塔底的浓度及温度转变较大，平稳关系的确信常采纳近似法。将吸收塔按液相浓度x 的转变分成假设干段，每段浓度转变为x ∆,如图2-1所示，对第i 段作热量衡算：

依照课设要求，此处咱们能够假设浓度转变范围为x=（0～）,分为20段，即每段浓度转变为x ∆=。

溶质被吸收时放出的热量：)(11--=i i d x x LH Q

液相温度由1-i t 升至i t 时吸收的热量：)(12--=i i L t t LC Q

依照前面的假设，吸收进程中放出热量全数用于液相升温，1Q =2Q

即()()11---=-i i L i i d t t LC x x LH

那么有:x C H t x x C H t t L

d

i i i L d i i ∆+=-+

=---111)( （2-1） 式中：1-i t ，i t — 第i 段两头的液相温度，℃；

x ∆— 第i 段两头的液相浓度差；

L — 溶液流率，Kmol/h(由于x ∆很小，L 可视为常数) L C — 溶液的平均比热，(KJ/Kmol ·℃)

d H — 溶质的微分溶解热，KJ/Kmol(取1-i x 和i x 间的平均值)

在塔顶液相浓度2x =0，温度2t =25℃的情形下，由式2-1逐段计算出每一个i x 下的液相温度i t ，成立吸收塔中液相浓度x 与温度t 的对应关系。

平稳关系的确信

在非等温吸收操作中，吸收塔内液相的浓度和温度别离由塔顶处的

2x ，2t 增加到塔底处的1x ，1t 。在此液相浓度和温度范围内，随着x 和t

的转变，气液两相的平稳关系也在改变，即不同温度对应着不同的平稳曲线。

实际平稳关系可由温度与浓度的关系取得，可由体会公式来确信。关于氨气和水溶液的平稳物系，假设选用体会公式，可作如下计算：

92.81750

lg 1.1lg +-

=T

x p e 式中： x — 氨在水溶液中的摩尔分率

T — 溶液的温度， K

e p — 溶液上方氨的平稳分压 ，㎜Hg

由于是常压下吸收，气相可是为理想气体，按道尔顿分压定律，计算与i x 相平稳的ei y : P

p y e

ei =

式中：P — 操作压强，㎜Hg

计算进程如下：(以第二组数据为例) 。

92.8313

.2715.2731750

005.0lg 1.1lg ++-

⨯=e p

479.32=e p ㎜Hg

2e y =0.0055760

59.89325.101479.3=⨯⨯

依照计算结果，以x 为横坐标，e y 为纵坐标，在座标纸上绘出非等温吸收的平稳关系曲线，如以下图2-2所示。（见附图一）

吸收剂用量及操作线的确信

物料衡算

如图2-3，关于逆流操作的吸收塔，在任意截面M-N 与塔顶或塔底

作物料衡算：

LX VY LX VY +=+11 或 LX VY LX VY +=+22

吸收剂用量的确信

1.最小吸收剂用量

2

121min

X X Y Y V L e ---=⎪⎭⎫

⎝⎛

2

12

1min X X Y Y V

L e --=

式中： V — 惰性气体流率，Kmol/h

min L — 最小吸收剂用量

Y,X — 气相和液相组成

摩尔比： y

y

Y -=

1 x

x

X -=

1 下标： 1—塔底 ； 2—塔顶

1e X — 与1Y 平稳的液相组成 2.吸收剂用量

min min

L )0.2~1.1(L )0.2~1.1(=⎪⎭⎫

⎝⎛=或V L V L 3．吸收剂计算

2

121min X X Y Y V L e --=⎪

⎭⎫

⎝⎛ 其中：0794.01=e x （1e x 为汽液平稳线纵坐标y=时的横坐标），

,45.0,012==y x 。依照试2-5，2-6可算出：

95.012

1=-Y Y Y 0862.00794

.010794

.01111=-=-=e e e x x X 8182.045

.0145

.01111=-=-=

y y Y 04091

.08182.005.005.012=⨯==Y Y 0393.012

2

2=+=

Y Y y 005025.012

2

2=-=

x x X 因此5756.9005025.00862.004091.08182.02121min =--=--=⎪

⎭⎫ ⎝⎛X X Y Y V L e

由式2-9得min

0.21.1⎪

⎭⎫

⎝⎛-=⎪⎭

⎫ ⎝⎛V L V L ，范围取倍，

因此4907.115756.92.12.1min

=⨯=⎪

⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭

⎫ ⎝⎛V L V L

操作线方程的确信

由以上计算得操作可得操作线方程为：

⎪⎭

⎫

⎝⎛-+=⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=

2211X V L Y X V L Y X V L Y X V L Y 或 由于是清水吸收，由公式可取得

0727.014907.1111112222+-⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝

⎛---+-=-x x

X X V L y y x x V L y y 即操作线方程为

y

y

-1 =0172.014907.11+-⨯x x 依照x ～y 在图上画出操作线，如图2-2所示。（见附图一）

附表一

塔径的计算

空塔气速的确信

填料塔塔径的大小是依照生产能力与空塔气速来计算的。空塔气速由下面体会公式确信：

8.0~6.0u u

F

= 式中：F u — 泛点气速，m/s u — 空塔气速，m/s

泛点气速与气液流量、物系性质及填料的类型、尺寸等因素有关。其计算方式很多。目前工程上常采纳Eckert 通用关联图或Bian & Hougen 关联式计算F u 。

选用Eckert 通用关联图求解。

如图2-4所示，依照气液相流量及密度计算出横标值21

L v

v

L

W W

⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛ρρ，作垂直线与乱堆填料的泛点线相交，读取纵坐标2.0L L

v

2F

g u μρρφ⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛ψ，由已知参数纵坐标中解出气速即为泛点气速F u 。

演算进程如下：

如前所述，非等温吸收时，各物性参数随组成转变而转变，故求取时应取其平均值。计算进程中还应注意单位的统一。

1.横坐标21

L

v v

L

W W

⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛ρρ 要求2

1

L v v L W W ⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛ρρ，第一对全塔作平均处置，求出L W ，v W L ρ,v ρ ， （1）定性温度T

此刻已知进液温度=1T 25℃，需求出出塔温度。