氨气吸收(清水)化工原理课程设计.doc

设计任务书

（一） 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2200m3/h，其中含氨为8%（体积分数），混合气体的进料温度为25℃。要求： 氨气的回收率达到97% 。

（二） 操作条件
（1）操作压力： 常压
（2）操作温度：20℃
（3）采用清水进行吸收，吸收剂的用量为最小用量的1.5倍。（20C°氨在水中的溶解度系数为H＝0.725kmol/m3.kPa）

（三） 填料类型
采用散装聚丙烯DN50阶梯环填料。

（四） 设计内容
（1）设计方案的确定和说明
（2）吸收塔的物料衡算；
（3）吸收塔的工艺尺寸计算；
（4）填料层压降的计算；
（5）液体分布器简要设计；

（6）绘制液体分布器施工图
（7）吸收塔接管尺寸计算；
（8）设计参数一览表；
（9）绘制生产工艺流程图（A3号图纸）；
（10）绘制吸收塔设计条件图（A3号图纸）；
（11）对设计过程的评述和有关问题的讨论。

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……………………………………………………………………1
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 ………………………………………………………2
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……………………………………………………4
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 ………………………………………………………8
2.2.4 液体分布器简要设计 …………………………………………………8 3. 辅助设备的计算及选型 ………………………………………………………9 3.1 填料支承设备 ……………………………………………………………9
3.2填料压紧装置………………………………………………………………10
3.3液体再分布装置……………………………………………………………10
4. 设计一览表………………………………………………………………………10
5. 后记………………………………………………………………………………11
6. 参考文献…………………………………………………………………………11
7. 主要符号说明……………………………………………………………………12
8. 附图（工艺流程简图、主体设备设计条件图）………………………………13

1. 设计方案简介
1.1设计方案的确定
本设计任务为吸收空气中的氨气。用水吸收氨气属易溶解的吸收过程，所以本次设计的吸收剂为清水。为提高传质效率，选用逆流吸收流程，对于水吸收氨气的过程，操作温度及操作压力较低，故此采用散装聚丙烯DN50阶梯环填料在该填料塔中，氨气-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清水逆流接触，在填料的作用下进行吸收。经吸收后的混合气体由塔顶排出，吸收了氨气的水由填料塔的下端流出。（如右图所示）

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。
填料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。工业上，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）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。
(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。
工业塔常用的散装填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等几种规格。同类填料，尺寸越小，分离效率越高，但阻力增加，通量减小，填料费用也增加很多。而大尺寸的填料应用于小直径塔中，又会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率降低。因此，对塔径与填料尺寸的比值要有一规定，常用填料的塔径与填料公称直径比值D/d的推荐值列于表1。

表1 塔径与填料公称直径的比值D/d的推荐值

填 料 种 类
D/d的推荐值
拉西环
D/d≥20~30
鞍环
D/d≥15
鲍尔环
D/d≥10~15
阶梯环
D/d>8
环矩鞍
D/d>8

对于水吸收氨气的过程，操作温度及操作压力较低，故此采用散装聚丙烯DN50阶梯环填料

2. 工艺计算
2.1 基础物性数据
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。由手册查的，20℃水的有关物性数据如下：
密度为：ρ1 =998.2Kg／m3
粘度为：μL=0.001Pa·S=3.6Kg／（m·h）
表面张力为： σL =72.6dyn／cm=940 896Kg／h2
氨气在水中的扩散系数为： DL=1.80×10-9 m2/s=1.80×10-9×3600 m2/h=6.480 ×10-6m2/h

2.1.2气相物性的数据
混合气体平均摩尔质量为

混合气体的平均密度为+
==0.98Kg／m3
混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册的20℃空气的粘度为 μV=1.81×10—5Pa·s=0.065Kg／（m·h）
查手册得氨气在20℃空气中扩散系数为 Dv= 0.189 cm2/s=0.068 m2/

2.1.3气液相平衡数据
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===76.6KPa
相平衡常数为
m==0.76

2.1.4 物料衡算
进塔气相摩尔比为
Y1===0.148
出塔气相摩尔比为Y2=Y1（1—φ）=0.148×（1—0.97）=0.00444
进塔惰性气相流量为
V=××（1—0.129）=79.7Kmol／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：
（）min=
对纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为 X2=0，则
（）min==0.737
取操作液气比为最小液气比2倍
=2×0.737=1.474
L=1.474×79.7=117.48Kmol／h
由全塔物料衡算得
V（Y1—Y2）=L（X1—X2）
X1==0.0974

2.2 填料塔的工艺尺寸的计算
2.2.1 塔径的计算
塔径气相质量流量为:
=2200×0.98=2156Kg／h
液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即:
=117.48×18.02=2138.136㎏/h
塑料阶梯环特性数据据如下
用贝恩—霍根关联式计算泛点气速：
=
查表得比表面积 =114.2m2/m3 ,A=0.204,K=1.75，=0.927
因此计算得 = 4.36m/s
取u =0.8uF=0.8×4.36m/s =3.488m/s
由 D===0.4724m
圆整塔径，取  D=0.5m
泛点率校核: u==3.11m／s
×100％=71.42％（在允许范围内）
 填料规格校核：
>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 m3/(m·h)，查常用散装填料的特性参数表，得at=114.2m2/m3
Umin=（LW）min at =0.08×114.2=9.136m3／m2·h
U=>Umin
经以上校核可知，填料塔直径选用D= 500mm是合理的。

2.2.2 填料层高度计算
Y1*=mX1=0.76×0.0974=0.074
Y2*=mX2=0
脱吸因数为

气相总传质单元数为：

==5.81
气相总传单元高度采用修正的思田关联式计算：

液体质量通量为UL==10787.2Kg／m2·h
气体质量通量为Uv=Kg／m2·h
查表知，
所以，
气膜吸收系数由下式计算：

液膜吸收系数由下式计算：
查表得：

×100％=71.42％>50％
由 得

Kmol／（m3·h·KPa）
由HOG=
由

设计取填料层高度为
查表，对于阶梯环填料，h/D=2.5,hmax4m ，故分为两段，每段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：
查表得：
纵坐标为：
查图得，
填料层压降为：

2.2.4 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=750时，喷淋点的密度为170点／m2，设计取喷淋密度为200点／m2。
布液点数为：n=0.785×

按分布点集合均匀与流量均匀的原则，进行布点设计。设计结果为二级槽共设五道，在槽侧面开孔，槽宽度为50 mm，槽高度为210 mm，两槽中心距为100 mm。分布点采用三角形排列，实际设计布点数为n=40点。

3. 辅助设备的计算及选型
3.1 填料支承设备
支持板对于支撑支持圈，同时为支撑填料起着至关重要的作用。同时需考虑通量大，阻力要小，安装要方便，最好具有一定的气液均一功能。结构形式有孔管型、波纹型、柵板型、驼峰形。本设计中选用柵板型支持板，为了方便安装，将柵板分为两块，栅条间距为填料直径的0.6~0.8倍。
公称直径
D
L0
R
L
h×S
500mm
480mm
239mm
240mm
479mm
50×8mm

塔径D=500mm，可以采用整体栅板，栅板直径D=480mm,栅板间距t=45mm，需要将其搁置在焊接于塔壁的支持圈或支持块上。支持圈采用碳钢，厚度为8mm,重量为63.5kg。

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跳动，保持操作中填料床层为一恒定的固定床，从而必须保持均匀一致的空隙结构，使操作正常、稳定，故需在填料层上方设置填料压紧装置。
填料压紧装置分为填料压板和床层限制板两大类。对于散装填料，可选用压紧网板，也可选用压紧栅板，在其下方，根据填料的规格敷设一层金属网，并将其与压紧栅板固定；对于规整填料，通常选用压紧栅板。设计中，为防止在填料压紧装置处压降过大甚至发生液泛，要求填料压紧装置的自由截面积应大于70﹪。
本次设计的填料塔采用押紧网板，设置自由截面积为85%。采用支耳固定。

3.3液体再分布装置
本设计采用的是分配锥形的再分布器，其最简单沿壁流下的液体用分配锥再将它导入中央截锥小头的直径一般为 ,本设计取500×0.8=400mm，为了增加气体流过是的自由截面积，在分配锥上开设4个管孔，锥体与塔壁夹角取在，取h=80mm。

4. 设计一览表

吸收塔类型：聚丙烯拉西环吸收填料塔
混合气处理量：2200m3/h
混合气体氨为8%（体积分数），氨气的回收率达到97%
名 称

物料名称
清水
氨气
操作压力，kPa
101．3
101.3
操作温度，℃
20
20
流速，m/s
————

液体密度，kg/m3
998.2
0.991
塔径，mm
500
填料层高度，mm
4000
压降，KPa
3.6297
分布点数
39
黏度，kg/(m*h)
3.6
0.0656
表面张力，kg/h
940896
————

5. 后记
过本次的课程设计，我受到一次化工设计专业技术方面的基本训练，从而了解和掌握化工计算的基本知识、基本方法，培养我独立分析和解决化工技术问题的能力。作为整个学习体系的有机组成部分，它的一个重要功能，在于运用学习成果，检验学习成果。运用学习成果，是把课堂上学到的系统化的理论知识，尝试性地应用于实际设计工作中，并从理论的高度对设计工作的现代化提出一些有针对性的建议和设想。检验学习成果，明白了课堂学习与实际工作到底有多大距离，并通过综合分析，找出学习中存在的不足，以便为完善学习计划，改变学习内容与方法提供实践依据。
通过课程设计，培养了我的能力：首先培养了我查阅资料，选用公式和数据的能力，其次还可以从技术上的可行性与经济上的合理性两方面树立正确的设计思想，分析和解决工程实际问题的能力，图表表达设计思想的能力。
6. 参考文献
[1]贾绍义，柴诚敬 编.化工原理课程设计.天津: 天津大学出版社，2002
[2]杨祖荣 编.化工原理.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

7. 主要符号说明

——填料层的有效传质比表面积（m²/m³）
——填料层的润滑比表面积m²/m³
——吸收因数;无因次
——填料直径，mm；
——填料当量直径，mm
——扩散系数，m²/s； 塔径;
——亨利系数，KPa
——重力加速度，kg/(m².h)
——溶解度系数，kmol /(m³.KPa)
——气相传质单元高度 ，m
——液相传质单元高度，m
——气相总传质单元高度，m
——液相总传质单元高度，m
——气膜吸收系数, kmol /(m³.s.KPa);
——相平衡常数，无因次
——气相传质单元数，无因次
——液相传质单元数，无因次
——气相总传质系数，无因次
—— 液相总传质系数，无因次
——总压，KPa
——分压，KPa
——气体通用常数，kJ/(kmol.K)
——解吸因子
——温度，0C
——空塔速度，m/s
——液泛速度，m/s
——惰性气体流量，kmol/s
——混合气体体积流量，m3/s;
——液膜吸收系数 ，kmol/(m2.s.kmol/m3)
——气膜吸收系数，kmol/(m2.s)
——气相总吸收系数kmol/(m².s)
——液膜吸收系数，kmol/(m2.s)
——气相总吸收系数，kmol/(m2.s.kpa)
——液相总吸收系数kmol/(m².s)
——吸收剂用量kmol/h; kmol/s
——是吸收液量 kmol/h
——吸收液质量流量kg/h；
——吸收液流量，m³/s
——密度kg/ m³
——填料因子， m-1 ;

8. 附图（工艺流程简图、主体设备设计条件图）

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