工化机械基础填料塔设计清水吸收氨气--毕业设计.doc

化工机械设备基础课程设计(清水吸收氨气)

前 言
在炼油、石油化工、精细化工、食品、医药及环保等部门，塔设备属于使用量大应用面广的重要单元设备。塔设备广泛用于蒸馏、吸收、萃取、洗涤、传热等单元操作中。所以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，经常需要将气体混合物中的各个组分加以分离，其主要目的是回收气体混合物中的有用物质，以制取产品，或除去工艺气体中的有害成分，使气体净化，以便进一步加工处理，或除去工业放空尾气中的有害成分，以免污染空气。吸收操作是气体混合物分离方法之一，它是根据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。
塔设备按其结构形式基本上可分为两类；板式塔和填料塔。以前在工业生产中，当处理量大时多用板式塔，处理量小时采用填料塔。近年来由于填料塔结构的改进，新型的、高负荷填料的开发，既提高了塔的通过能力和分离效能又保持了压降小、性能稳定等特点。因此，填料塔已经被推广到大型气、液操作中，在某些场合还代替了传统的板式塔。如今，直径几米甚至几十米的大型填料塔在工业上已非罕见。随着对填料塔的研究和开发，性能优良的填料塔必将大量用于工业生产中。
综合考察各分离吸收设备中以填料塔为代表，填料塔技术用于各类工业物系的分离,虽然设计的重点在塔体及塔内件等核心部分,但与之相配套的外部工艺和换热系统应视具体的工程特殊性作相应的改进。例如在DMF回收装置的扩产改造项目中,要求利用原常压塔塔顶蒸汽,工艺上可以在常压塔及新增减压塔之间采用双效蒸馏技术,达到降低能耗、提高产量的双重效果，在硝基氯苯分离项目中;改原多塔精馏、两端结晶工艺为单塔精馏、端结晶流程,并对富间硝基氯苯母液进行精馏分离,获得99%以上的间硝基氯苯,既提高产品质量,又取得了降低能 耗的技术效果。
过程的优缺点：分离技术就是指在没有化学反应的情况下分离出混合物中特定组分的操作。这种操作包括蒸馏，吸收，解吸，萃取，结晶，吸附，过滤，蒸发，干燥，离子交换和膜分离等。利用分离技术可为社会提供大量的能源，化工产品和环保设备，对国民经济起着重要的作用。为了使1填料塔的设计获得满足分离要求的最佳设计参数和最优操作工况,准确地计算出全塔各处的组分浓度分布、温度分布、汽液流率分布等,常采用高效填料塔成套分离技术。而且,20世纪80年代以来,以高效填料及塔内件为主要技术代表的新型填料塔成套分离工程技术在国内受到普遍重视。由于其具有高效、低阻、大通量等优点,广泛应用于化工、石化、炼油及其它工业部门的各类物系分离。
氨是化工生产中极为重要的生产原料，但是其强烈的刺激性气味对于人体健康和大气环境都会造成破坏和污染，氨对接触的皮肤组织都有腐蚀和刺激作用，可以吸收皮肤组织中的水分，使组织蛋白变性，并使组织脂肪皂化，破坏细胞膜结构。氨的溶解度极高，所以主要对动物或人体的上呼吸道有刺激和腐蚀作用，常被吸附在皮肤粘膜和眼结膜上，从而产生刺激和炎症。可麻痹呼吸道纤毛和损害粘膜上皮组织，使病原微生物易于侵入，减弱人体对疾病的抵抗力。氨通常以气体形式吸入人体，氨被吸入肺后容易通过 肺泡进入血液，与血红蛋白结合，破坏运氧功能。进入肺泡内的氨，少部分为二氧化碳所中和，余下被吸收至血液，少量的氨可随汗液、尿液或呼吸排出体外。
　　短期内吸入大量氨气后会出现流泪、咽痛、咳嗽、胸闷、呼吸困难、头晕、呕吐、乏力等。若吸入的氨气过多，导致血液中氨浓度过高，就会通过三叉神经末梢的反射作用而引起心脏的停搏和呼吸停止，危及生命。
　　长期接触氨气，部分人可能会出现皮肤色素沉积或手指溃疡等症状；氨气被呼入肺后容易通过肺泡进入血液，与血红蛋白结合，破坏运氧功能。短期内吸入大量氨气后可出现流泪、咽痛、声音嘶哑、咳嗽、痰带血丝、胸闷、呼吸困难，可伴有头晕、头痛、恶心、呕吐、乏力等，严重者可发生肺水肿、成人呼吸窘迫综合症，同时可能生呼吸道刺激症状。因此，吸收空气中的氨，防止氨超标具有重要意义。
因此，为了避免化学工业产生的大量的含有氨气的工业尾气直接排入大气而造成空气污染，需要采用一定方法对于工业尾气中的氨气进行吸收，本次课程设计的 目的是根据设计要求采用填料吸收塔吸收的方法来净化含有氨气的工业尾气,使其达到排放标准。设计采填料塔进行吸收操作是因为填料可以提供巨大的气液传质面积而且填料表面具有良好的湍流状况，从而使吸收过程易于进行,而且，填料塔还具有结构简单、压降低、填料易用耐腐蚀材料制造等优点，从而可以使吸收操作过程节省大量人力和物力。
利用混合气体中各组分在同一种液体中溶解度差异而实现组分分离的过程称为气体吸收气体吸收是一种重要的分离操作，它在化工生产中主要用来达到以下几种目的。(1)分离混合气体以获得一定的组分。(2)除去有害组分以净化气体。(3)制备某种气体的溶液。一个完整的吸收分离过程，包括吸收和解吸两个部分。典型过程有单塔和多塔、逆流和并流、加压和减压等。

一、数据计算
1.水吸收氨气填料塔工艺设计方案简介
1.1任务及操作条件
①混合气(空气、NH3 )处理量： 2600；
②进塔混合气含NH3 7% (体积分数)；温度:20℃；
③进塔吸收剂(清水)的温度:20℃；
④ NH3回收率：96%；
⑤操作压力为常压101.3k Pa。
1.2填料的选择
塔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，其性能优劣是决定填料塔操作性能的主要因素。填料的比表面积越大，气液分布也就越均匀，传质效率也越高，它与塔内件一起决定了填料塔的性 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定填料的种类、规格及材料。
散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积在塔内，又称为乱堆填料或颗粒填料。散装填料根据结构特点不同，可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。
塑料填料的材质主要包括聚丙烯、聚乙烯及聚氯乙烯等，国内一般多采用聚丙烯材质。塑料填料的耐腐蚀性能较好，可耐一般的无机酸、碱和有机溶剂的腐蚀。其耐温性良好，可长期在100℃以下使用。设计选用填料塔，填料为散装聚丙烯DN50阶梯环填料。
国内阶梯环特性数据
材质
外径
d，mm
外径×高×厚
d×H×δ
比表面积
at，m2/m3
空隙率
ε，m3/m3
个数
n，个/m3
堆积密度
ρp，kg/m3
干填料因子
at/ε3，m-1
填料因子
Φ，m-1
塑

料
25
38
50
76
25×17.5×1.4
38×19×1
50×30×1.5
76×37×3
228
132.5
114.2
89.95
0.90
0.91
0.927
0.929
81500
27200
9980
3420
97.8
57.5
76.8
68.4
313
175.6
143.1
112
240
120
80
72

2. 工艺尺寸计算
2.1基础物性数据
2.1.1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。由手册查的，20℃水的有关物性数据如下：
密度：ρ1 =998.2Kg／m3
粘度：μL=1.005mPa·S =0.001Pa·S=3.6Kg／（m·h）
表面张力：σL =72.6dyn／cm=940 896Kg／h2
氨气在水中的扩散系数：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：
MVM=ΣyiMi=0.070×17+0.930×29=28.16
混合气体的平均密度：
ρvm==100×28.16／(8.314×293)=1.166Kg／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：
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： Dv= 0.189 cm2/s=0.068 m2/s
2.1.3气液相平衡数据
20下氨在水中的溶解度系数：,常压下20℃时亨利系数：=998.2／(0.725×18.02)=76.40Kpa
相平衡常数：

2.1.4 物料衡算
进塔气相摩尔比：Y1==0.070／（1—0.070）=0.075
出塔气相摩尔比：Y2=Y1（1—φ）=0.075×（1—0.998）=0.00015
进塔惰性气相流量：
V=2600／22.4×273／（273+20）×（1—0.070）=100.6Kmol／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=（0.075—0.00015）／[0.075／(0.756—0)]=0.762
取操作液气比为最小液气比1.8倍，则
=1.8×0.762=1.354， 因此 L=1.372×100.6=138.02Kmol／h
由全塔物料衡算得：
V（Y1—Y2）=L（X1—X2）， 得X1=100.6×(0.075—0.00015) ／138.02=0.05456
2.2 填料塔的工艺尺寸的计算
2.2.1 塔径的计算
混合气体的密度：

塔径气相质量流量为：
=2600×1.166=3032Kg／h
液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即: =138.02×18.02=2512㎏/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 ，得：
=—0.610

因此计算得： = 3.93m/s 取u =uF=1×4.23m/s =3.93m/s
由 D== [（4×2600／3600）／（3.14×3.93）] 0.5=0.484m
圆整塔径，取  D=0.5m（常用的标准塔径为400、500、600、700、800、1000、1200、1400、1600、2000、2200）
8
泛点率校核: u=2600／3600／(0.785×0.52)=3.68m／s
3.68／3.93×100％=93.60％（在允许范围内）
  填料规格校核：
D／d=500／50=10>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=136.22×18.02／998.2／（0.785×0.52）=12.53>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
查表知， 0，100 下，在空气中的扩散系数：
由，则293，100下，在空气中的扩散系数：
液相扩散系数：
Y1*=mX1=0.756×0.05528=0.042 ， Y2*=mX2=0
脱吸因数：S=mV／L=0.764×100.6／138.02=0.5642
气相总传质单元数：

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=138.02×18.02／(0.785×0.52)=12673.2Kg／m2·h
气体质量通量为Uv=2600×1.166／ (0.785×0.52)=15447.6Kg／m2·h
气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：

不同材质的бc值见下表
材质
钢
陶瓷
聚乙烯
聚氯乙烯
碳
玻璃
涂石蜡的表面
表面张力，N/m×103
75
61
33
40
56
73
20
查表知，

气膜吸收系数由下式计算：
液膜吸收系数由下式计算：
查下表得：,各类填料的形状系数
填料类型
球
棒
拉西环
弧鞍
开孔环
Ψ值
0.72
0.75
1
1.19
1.45
3.68／4.23×100％=93.60％>50％， 由 得

由
由Z=HOGNOG=0.2758×12.19=3.36m，Zˊ=1.4×3.36=4.704m
设计取填料层高度： Zˊ=5m，查表，对于阶梯环填料，
设计填料层高度：。
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：

已知：纵坐标为
通用压降关联图

查图上图得：△P／Z=100×9.81=981.00Pa／m
填料层压降为：△P=981.00×5=4.905KPa=4905(Pa)
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=400时，喷淋点的密度为330点／m2，D=750时，喷淋点的密度为170点／m2，设计取喷淋密度为280点／m2。
则总布液孔数为：n=0.785×0.52×280=55 ， 实际总布液孔数：54点，布液计算：
由
取，，
则 ， 因此可知填料塔设计条件如下：
填料塔类型
聚丙烯阶梯环吸收填料塔
混合气体处理量（m3/h）
2600
塔径D（m）
0.5
填料层高度Z（m）
5
气相总传质单元高度（m）
0.2578
气相总传质单元数
12.35
泛点气速（m/s）
3.68
压降（kpa）
4.905
操作压力（kpa）
100
操作温度（℃）
20
填料直径（mm）
25
孔隙率ε
0.90
填料比表面积a(㎡/m3)
223

二、工艺计算
第1章 填料塔的设计数据
塔体内径=500mm，塔高近似取H=8000mm。

计算压力=0.1MPa，设计温度t=20℃

设置地区:基本风压值=400N/，地震设防烈度为
8度，场地土类：I类，设计地震分组：第二组，设计基本
地震加速度为0.2g。

填料层开设一个手孔，手孔的公称直径有DN=150mm和DN=250mm两种，安装手孔DN=250mm

塔外保温层厚度为=100mm，保温材料密度
=300kg/。

塔体与封头材料选用16MnR，其=170 MPa，
=170 MPa,=345 MPa,E=1.9 MPa。

群座材料选用Q235-B。

塔体与群座对接焊接，塔体焊接接头系数
。

塔体与封头厚度附加量C=2mm。

第2章 计算塔体和封头厚度

2.1塔体厚度计算
(mm)
由于工程上最小厚度为3mm,故取
考虑厚度附加量C=2mm，负偏差0.8mm，因此
经圆整，取。

2.2 封头厚度计算

封头取标准椭圆形封头

第3章 塔设备质量载荷
3.1 筒体圆筒、封头、群座质量
圆筒质量： （kg）
封头质量： （kg）
群座质量： （kg）

(kg)

注：（1）塔体圆筒总高度为H=8m
（2）查得DN500mm，厚度6mm的圆筒质量为75kg/m；
（3）查得DN500mm，厚度6mm的椭圆形封头质量为15.1kg/m（封头曲面深度850125mm，直边高度50mm）；
（4）群座高度1500mm，（厚度按6mm计）。

3.2 塔段内件质量
填料封层高度5.0m由设计温度可知，填料选择金属半环填料

=（kg）

（查得金属半环填料密度为97.8kg/）

3.3 保温层质量

=

=

+(kg)

其中，为封头保温层质量，kg
3.4 平台、扶梯质量

=n
=0.785
=619.3(kg)

注：手册查得平台质量：kg/；笼式扶梯质量kg/m；笼式扶梯总高：=8m；平台数量：n=1。

3.5 操作时物料质量

=0

注：物料密度=998.2kg/；封头容积；填料层高度5m；填料塔板层数N=1；塔板上液层高度=0.1m。

3.6 附件质量

按经验取附件质量为 =0.25=10897(kg)

3.7 充水质量
(kg)
3.8 质量汇总
全塔操作质量/kg

全塔最小质量/kg

水压试验时最大质量/kg

第4章 风载荷与风弯矩计算

4.1 以1—2段为例计算风载荷
= （N）

式中

-----体型系数，对圆筒形容器，=0.7
-----10m高处基本风压值， =400N/
-----风压高度变化系数，查表得
：=1.00
------计算段长度，=4500mm
------脉动影响系数，查得=0.72
------塔的基本自振周期，对等直径、等
厚度圆截面塔：
=90.33H==0.29s

------脉动增大系数，根据自振周期，查得：=1.35
----振型系数，查得=0.69
---风振系数
=1+=1+=1.41
---塔有效直径。设笼式扶梯与塔顶管线成，
取以下a，b式中较大者
a. = 图 2

b. =

=400mm，，

a. =
b. =
取=1712mm

(N)

4.2各计算段风载荷汇总

计算段

平台数

1
1500
400
0.7
0.72
0.05
1.35
1.7
1.0
1.5
0
0
1112
7940
2
4500
400
0.7
0.72
0.69
1.35
1.7
1.0
6
1
400
1712
366.1
3
3000
400
0.7
0.72
1.00
1.35
1.7
1.0
8.5
1
400
1712
2444.7

第5章 风弯矩计算

截面0-0

=
截面1-1

=
=3667.1
+64615
=2.29
截面2-2

=2444.7
=3.67

第6章 地震弯矩计算
地震弯矩计算时，为了便于分析、计算，可化简图。

图 3
取第一振型脉动增大系数为
则衰减指数

塔得总高度H=8m
全塔操作质量
重力加速度
地震影响系数
查得（设防烈度8级）
查得

计算截面距地面高度h：
0-0截面：h=0
1-1截面：h=900mm
2-2截面：h=1500mm
地震弯矩计算可用以下方法：
截面0-0

=
=1.25

截面1-1

=
=

截面2-2

=
=

第7章：各种载荷引起的轴向应力

7.1 计算压力引起得轴向拉应力

其中、

7.2 操作质量引起的轴向压应力
截面0-0

令群座厚度为16mm；有效厚度；
截面1-1

其中，；为手孔截面得截面积，查相关标准得道=
截面2-2

其中
； A。
7.3 最大弯矩引起的轴向应力

其中，
+

截面1-1

其中，

人孔截面得抗弯截面系数，查得相关标准得：

截面2-2

其中，

第8章 塔体和群座危险截面的强度与稳定校核

8.1塔体的最大组合轴向拉应力校核

截面2-2
塔体得最大轴向拉应力发生在正常操作时得2-2截面上。其中；
；K=1.2；。

， 满足要求。

8.2塔体与群座的稳定校核

截面2-2
塔体2-2截面上得最大组合轴向应力

满足要求。
其中，

查得（16，20℃）B=160MPa，，K=1.2。
截面1-1
塔体1-1截面上得最大组合轴向压应力

满足要求。
其中，
A=
查得Q235-B，20℃ B=125，，K=1.2
截面0-0
塔体0-0截面上的最大组合轴向压应力

满足要求。

其中，
B=125MPa，；K=1.2

8.3 各危险截面强度与稳定校核汇总
项目
计算危险截面

0-0
1-1
2-2
塔体与群座有效厚度
4
4
4
截面以上得操作质量
2961.2
1948.5
1820
计算截面面积

A=6280
计算截面得抗弯截面系数

Z=
最大弯矩

最大允许轴向拉应力
204
—
—
最大允许轴向压应力/MPa
135.6
135.6
192
150
150
204
计算压力引起得轴向拉应力/MPa
0
0
3.1
操作质量引起的轴向压应力
4.63
2.4
2.8
最大弯矩引起的轴向应力
3.27
18.3
7.4
最大组合轴向拉应力
—
—
7.7
最大组合轴向压应力
45.83
20.7
7.7
强度校核
—
—
<
满足要求
稳定性校核
<
满足要求
<
满足要求
<
mi
满足要求

第九章塔体的水压试验
9.1水压试验时各种载荷引起的应力
1.试验压力和液柱静压力引起的环向应力

液柱静压力=
2.试验压力引起的轴向拉应力

3. 最大质量引起的轴向压应力

4. 弯矩引起的轴向应力

9.2 水压试验时应力校核
1. 筒体环向应力校核

满足要求。
2. 最大组合轴向拉应力校核

满足要求。
3. 最大组合轴向压应力校核

；
满足要求。

第10章 基础环设计
10.1 基础环尺寸
取

10.2基础环的应力校核

其中，

（1）
（2）

取以上较大者。选用75号混凝土，由表查得其许用应力：。，满足要求。
10.3基础环的厚度

假设螺栓直径为M42，由表查得l=120mm，当b/l=146/120=1.2时，由表查得

取其中较大值，故
按有筋板时计算基础环厚度：

圆整后取
第11章地脚螺栓计算
11.1地脚螺栓的最大拉应力

注：
，
，
（1） =0.62()
（2）
==0.3
取以上最大值，
11.2地脚螺栓根径
，选取地脚螺栓个数n=18；= 147MPa；。

注： 由表查得M24得根径，故选用18个M24得地脚螺栓，满足要求。
第12章填料塔辅助构件
填料塔在传质形式上是一种连续气液式传质设备。辅助构件由喷淋装置、填料、分布器、再分布器、支撑板、填料压板等部件组成。
喷淋装置
喷琳装置一般有喷洒型、溢流型、冲击型等。本设计采用的是冲击型。
对直径稍大的填料塔（例如塔径在300--1200mm），可以采用环管多孔喷洒器。

附录：参考文献
[1]马江全、冷一欣 化工原理课程设计第二版 2011
[2]李凤华 于士君 化工原理（第二版）
[3]刁玉玮,王立业 喻健良. 化工设备机械基础（第六版） 大连：大连理工大学出版社
[4]林大均，于传浩，杨静等编.化工制图，高等教育出版社，2007
[5]椭圆标准封头 JB1154-73
[6]中国行业标准异形筒体和封头 HG21907-96

5. 后记
经过了近两周时间的课程设计，现在终于完成了这次的课程设计。我们的化工机械设备基础课程设计是清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。
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，可以为我们即将来的毕业设计打下坚实的基础！使我充分理解到化工原理课程的重要性和实用性，更特别是对各方面的了解和设计，对实际单元操作设计中所涉及的各个方面要注意问题都有所了解。
通过这次对填料吸收塔的设计，培养了我们的能力：首先培养了我们查阅资料，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，最后熟练应用计算机绘图的能力以及用简洁文字，图表表达设计思想的能力。不仅让我将所学的知识应用到实际中，而且对知识也是一种巩固和提升充实。在老师和同学的帮助下，及时的按要求完成了设计任务，通过这次课程设计，使我获得了很多重要的知识，同时也提高了自己的实际动手和知识的灵活运用能力。

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