初稿 - 段倩文

合 肥 学 院 Hefei University 化工原理课程设计 合肥学院题 目: 水吸收变换气中氨气填料吸收塔设计 系 别: 生物与环境工程系 专 业: 生物工程 学 号: 1002012023 姓 名: 段倩文 指导教师: 刘俊生

2012年 5月 25日

水吸收氨填料吸收塔设计

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化工原理课程设计

目 录

一 前言……………………………………………………………………… 二 设计任务………………………………………………………………… 三 设计条件………………………………………………………………… 四 设计方案………………………………………………………………… 1．吸收剂的选择……………………………………………………… 2．流程图及流程说明………………………………………………… 3．塔填料的选择……………………………………………………… 五 工艺计算………………………………………………………………… 1．物料衡算，确定塔顶、塔底的气液流量和组成………………… 2．塔径的计算………………………………………………………… 3.填料层高度计算…………………………………………………… 4.填料层压降计算…………………………………………………… 5.液体分布装置……………………………………………………… 六 设计一览表…………………………………………………………… 七 对本设计的评述……………………………………………………… 八 参考文献………………………………………………………………

水吸收氨填料吸收塔设计

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九 主要符号说明………………………………………………………… 十 附图（带控制点的工艺流程简图、主体设备设计条件图）

一．前言

课程设计是本课程教学中综合性和实践性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是使学生体察工程实际问题复杂性、学习化工设计基本知识的初次尝试。通过课程设计，要求学生能综合利用本课程和前修课程的基本知识，进行融会贯通的思考，在规定的时间内完成指定的化工设计任务，从而得到化工工程设计的初步训练。通过课程设计，要求学生了解工程设计的基本内容，掌握化工设计的程序和方法，培养学生分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还可以使学生树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度责任感的工作作风。

课程设计增强了学生的工程观念，培养和提高了学生工作能力。 工业上通常在塔设备实现气液传质。塔设备一般分为逐级接触式（板式塔）和连续接触式（如填料塔）两种,吸收操作可以在填料塔中进行，也可以在板式塔中进行，本次课程设计采取了连续接触操作的填料塔。

吸收塔是实现吸收操作的设备。按气液相接触形态分为三类。第一类是气体以气泡形态分散在液相中的板式塔、鼓泡吸收塔、搅拌鼓泡吸收塔；第二类是液体以液滴状分散在气相中的喷射器、文氏管、喷雾塔；第三类为液体以膜状运动与气相进行接触的填料吸收塔和降膜吸收塔。塔内气液两相的流动方式可以逆流也可并流。通常采用逆流操作，吸收剂以塔顶加入自上而下流动，与从下向上流动的气体接触，吸收了吸收质的液体从塔底排出，净化后的气体从塔顶排出。

填料塔由塔体、填料、填料支承板、液体分布器、液体再分布器、气体和液体进出口接管等部件组成。塔体常用金属或增强塑料等材料制成直立圆筒形，塔内装有一定高度的填料，填料可乱堆或乱砌，塔底装有填料支承板，填料上方装有填料压板。液体自塔顶经液体分布器喷洒于填料顶部，并在填料的表面呈膜状流下，气体从塔底的气体进口送入，流过填料的空隙，在填料层中

水吸收氨填料吸收塔设计

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与液体逆流接触进行传质。当液体在填料层内流动时，有向塔壁流动的趋势，塔壁附近液体流量会逐渐增大，这种现象称为壁流。壁流的结果是气液两相在填料层内分布不均，所以当填料层较高时，填料层分为若干个段，段间设置液体再分布器。

二、设计任务： 水吸收氨填料吸收塔设计

（一）设计任务

试设计一座填料吸收塔，用于脱出混于空气中的氨气。混合气体的处理为80000m3/h，其中含氨5%，要求塔顶排放气体中含氨低于0.02%。采用清水进行吸收，吸收剂的用量为最小量的2倍。

（二）操作条件 1、操作压力 常压 2、操作温度 20℃

（三）填料类型

金属鲍尔环

（四）工作日

每年300天，每天24小时连续运行

（五）厂址 安徽地区

（六）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

水吸收氨填料吸收塔设计

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5、绘制生产工艺流程图 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

（七）设计基础数据

20℃下氨在水中的溶解度系数为H=0.725Kmol/(m3*Kpa)。

三 、设计条件

1、操作压力： 常压 2、操作温度： 20℃

3、20℃下氨在水中的溶解度系数为H=0.725Kmol/(m3*Kpa). 4、混合气体的处理为100000m3/h 5、氨的含量： 5％（体积） 6、吸收剂：水

7、塔顶排放气体中含氨为0.02%

四、设计方案

1、 吸收剂的选择

根据所要处理的混合气体，可采用水为吸收剂，其廉价易得，物理化学性能稳定，选择性好，符合吸收过程对吸收剂的基本要求。

2、流程图及流程说明

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该填料塔中，氨气和空气混合后，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除，吸收了氨气的水由填料塔的下端流出。如图：

3．塔填料选择

鲍尔环填料是一种新型填料,是针对拉西环的一些主要缺点加以改进而出现的，是在普通拉西环的壁上开八层长方形小窗，小窗叶片在环中心相搭，上下面层窗位置相互交搭而成。它与拉西环填料的主要区别是在于在侧壁上开有长方形窗孔，窗孔的窗叶弯入环心，由于环壁开孔使得气、液体的分布性能较拉西环得到较大的改善，尤其是环的内表面积能够得以充分利用。

鲍尔环填料特点：鲍尔环填料具有通量大、阻力小、分离效率高及操作弹性大等优点。在同样处理量时，降压可降低一半，传质效率可提高20%左右。鲍尔环填料其形状结构可分为：内筋为米字型，称为（米）字型塑料鲍尔环；内筋为井字形，称为（井）字型塑料鲍尔环。聚丙烯鲍尔环填料在环壁上开了许多窗孔，使得填料塔内的气体和液体能够从窗孔自由通过，所以填料层内的气体和液体分布情况较之拉西环有较大的改善，尤其是填料环内表面容易被液体润湿，使得内表面得以充分利用。因此同种材质、同样规格的鲍尔环填料，较之拉西环不但具有较大的通过能力和较低的压降，而且使塔的分离效率有所提高，操作弹性也有所增大。一般在同样的压降下，鲍尔环的处理能力较拉西环增加50%以上；在同样的处理量下，鲍尔环填料的压降仅为拉西环的一半,塔高也有降低，采用鲍尔环可以比拉西环节约20%-40%填料容积。在各种介质中的使用温度为60-150摄氏度，广泛用于石油、化工、氯碱、煤气、环保等行业的填料塔中。

鲍尔环填料可分为三种材质：陶瓷、金属、塑料等。

由于该过程处理量不大，所用的塔直径不会太大，可选用38mm金属鲍尔环填料，鲍尔环的比表面积a：129 m2/ m3 空隙率ε：94.4% 干填料因子Ф：153m-1

气体 液体

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五、工艺计算

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。混合气体的黏度可近似取为空气的黏度。

空气和水的物性常数如下： 空气：

μ=1.81*10-5Pa*s=0.065kg/(m*h) ρ=1.205kg/m3

水：ρl=998.2 kg/m3 ul=100.4*10-5Pa*s

1、 物料衡算，确定塔顶、塔底的气液流量和组成

查表知，20C下氨在水中的溶解度系数 H=0.725kmol/(m3*kpa) 亨利系数 E=ρl /(H*MS)

相平衡常数 m=E/P=ρl /(H*MS *P)=998.2/(0.725*18*101.3)=0.755 进塔气相摩尔比为： Y1=0.05/(1-0.05)=0.05263 出塔气相摩尔比为： Y2=0.0002/(1-0.0002)=0.002 水为吸收剂，进塔液相组成为： X2=0

混合气体的平均摩尔质量为： M0.05*17(10.05)*2928.4kg/kmol

混合气体流量： 80000*273293*122.43327.65kmol/h 惰性气体流量： V=3327.65*(1-0.05)=3161.26kmol/h 最小液气比：

L1212VY*Y0.05263minX2XYYY20.052630.00020.752

1mX20.755取实际液气比为最小液气比的2倍，则可得吸收剂用量为：

LLV*2*V0.752*2*3161.2647.53kmol/h

min水吸收氨填料吸收塔设计

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XV(Y1Y2)1L

0.052630.00020.75220.048气液相平衡曲线

查资料得知20℃，氨气溶于水的亨利常数E=76.3 kpa. 低组分吸收时，有m=E/P=0.755 所以平衡曲线是：y=mx=0.755x

2．塔径计算

混合气体的密度GPMRT101.310328.41038.3152931.181kg/m3

填料总表面积：at=114.2m2/m3

采用贝恩-霍根泛点关联式计算泛点速度：

2lg[uFatG0.21/4*1/8lvg3L]AKLvl0.2041.75(47.531811.18114800001.181)(998.2)80.481

u2FatGg30.2L0.315L3u9.810.927998.2F0.315114.21.1811.0040.24.26m/s

取泛点率为0.6，即u0.6uF0.64.622.558m/s

D4VSu480000

3.142.55836003.3m圆整后取 D=3m 泛点率校核：

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80000u36000.785323.145m/s uu3.1450.738 （在允许的范围内） F4.26填料规格校核：

Dd30005060 液体喷淋密度校核：

取最小润湿速率为：(LW)min0.08m3/(mh)

at114.2m2/m3

所以Umin(LW)minat0.08114.29.1m3/(m2h)

ULh0.785D247.5318

0.7850.82998.212.13m3/(m2h)Umin经以上校核可知，填料塔直径选用D=3m合理。

3． 填料层高度计算

查表知， 0C，101.3 kpa下，NH3在空气中的扩散系数

Do0.17cm2/s

3由DDPTGo(oP)(T)2，

o则293k，101.3kpa下，NH3在空气中的扩散系数为

3D101.3293GDo(.3)(273)20.1cm2101/s

液相扩散系数 D9L1.8010m2/s 液体质量通量为 U.53L470.785231182113.4k5g222m/( 水吸收氨填料吸收塔设计

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h) 化工原理课程设计

气体质量通量为 UV800001.18113372.9k6g532m/( h20.7853)Y1mX10.70.034860.02632Y2mX20mV0.7550.502 L0.7522气相总传质单元数为：



脱吸因数为 SNOG1Y1Y2Ln[(1S)S]1SY2Y210.052630Ln[(10.502)0.502]9.8010.5020.00020

气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：

2awc0.75UL0.1ULat0.05UL1exp{1.45()()(2)()0.2} atLatLLLatLg2查表知，c33dyn/cm427680kg/h2 所以，

aw4276800.7521.560.121.562132.50.051exp{1.45()()()at9406132.53.6998.221.2710821.562()0.2}0.2929998.29406132.5

气膜吸收系数由下式计算：

UV0.7V1aDG0.237()()3(tV)atvVDVRT

0.1095kmol/(m2hkpa)

液膜吸收系数由下式计算：

UL2L1Lg132L0.0095()()()3awLLDLL

0.3983查表得：1.45

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则

GaGaw1.10.10950.2929132.51.451.16.3952kmol/(m3hkpa)0.4LaLaw0.39830.2929132.51.450.417.9351h

uu0.7380.5 Fa[19.5(u.4Gu0.5)1]Ga由

Fu 得，

La[12.6(u0.5)2.2]LaFGa[19.5(0.56110.5)1.4]6.39527.6087kmol/(m3hkpa)a[12.6(0.56110.5)2.2L]17.93518.0341h1Ga11则

GaHLa1

114.8097kmol/(m3hkpa)7.60870.72518.034HVOG由

KYaV3161.26

4.8097101.30.785320.917mGaP由 ZHOGNOG0.9179.808.987m

Z9m

设计取填料层高度为：Z12m

取15%的富余量，故塔高为 12*1.15=14m

查表：对于金属鲍尔环填料， hD5~10hm,axm6 填料层不需要分段。

4、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：

LV0.5()47.5318800001.181(1.181998.2)0.50.03439 VL水吸收氨填料吸收塔设计

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查表得：P153m1

u2PV0.22.212215311.181纵坐标为：L1.0040.20.09048

gL9.81998.2查图得，

P451.26pa/m Z填料层压降为：P451.2613pa5.86kpa

5、液体分布装置

液体分布器的选型：

液体在塔顶的初始均匀喷淋，是保证填料塔达到预期分离效果的重要条件。

液体分布装置的安装位置，须高于填料层表面200mm,以提供足够的自由空间，让上升气流不受约束地穿过分布器。根据该物系性质，可选用目前应用较为广泛的多孔型布液装置中的排管式喷淋器。多孔型布液装置能提供足够均匀的液体分布和空出足够大的气体通道（自由截面一般在70%以上），也便于制成分段可拆结构。

液体引入排管喷淋器的方式采用液体由水平主管一侧引入，通过支管上的小孔向填料层喷淋。

排管式喷淋器采用塑料制造。

分布点密度计算：

为了使液体初始分布均匀，原则上应增加单位面积上的喷淋点数。但是，由于结构的，不可能将喷淋点设计得很多。根据Eckert建议，当

D1200mm时，每平方米塔截面设42个喷淋点。因该塔液相负荷较大，所以，实际取喷淋密度为120点/m2,则总布液孔数为：

n0.755*3*120847.8849点

2布液计算：

由 LS447.53183LSm/s1.772m3/s

3600998.2取0.60，H160mm

do2n2gH

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do则 4LSn2gH1.772

0.785840.629.810.160.0036m

六 设计一览表

吸收塔类型：金属鲍尔环吸收填料塔 混合气体处理量：80000m3/h 工艺参数 名称 物料名称 操作压力(kpa) 。操作温度（C） 液体密度（kg/m3） 塔径（mm） 填料层高度 压差（kpa） 操作夜气比 分布点数 黏度（kg/(m*h)） 3.6144 管程 清水 101.3 20 998.2 3000 12000 101.3 1.504 849 0.065 管壳 氨气 101.3 20 1.181 七 对本设计的评述

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。

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本设计中，由于用Eckert通用关联图计算泛点气速的误差很大，所以我采用了贝恩（Bain）——霍根（Hougen）关联式计算泛点气速的。

根据鲍尔环填料的特点：鲍尔环填料具有通量大、阻力小、分离效率高及操作弹性大等优点，再对比拉西环的特点，最后我采用了鲍尔环填料。 本设计我们所设计的填料塔产能大，分离效率高，持液量小，填料塔结构较为简单，造价适合。不过，它的操作范围小，填料润湿效果差，当液体负荷过重时，易产生液泛，不宜处理易聚合或含有固体悬浮物的物料等。

八 参考文献

1、匡国柱，史启才，化工单元过程及设备课程设计，化学工业出版社 2、路秀林，王者相等编，塔设备，化学工业出版社

3、任晓光主编，化工原理课程设计指导，化学工业出版社 4、熊洁羽，化工制图，化学工业出版社 5、柴诚敬，《化工原理》，高等教育出版社

九 主要符号说明

H 溶解度系数 A 比表面积

LΕ 空隙率

V 最小液气比

minΜ 黏度

(LW)min 最小润湿速率 Ρ 密度

D 扩散系数 U 质量通量 E 亨利系数 S 脱吸因数

M 相平衡常数

N 总传质单元数 M 平均摩尔质量

K 膜吸收系数

Z 填料层高度 P 填料层压降

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