化工原理课程设计说明书(水吸收氨气填料塔).doc

华北水利水电大学
North China University of Water Resources and Electric Power
课 程 设 计

题目 水吸收氨过程的
填料吸收塔设计

学 院
专 业
姓 名
学 号
指导教师
完成时间

教务处制

化工原理课程设计任务书
课程设计名称
化工原理课程设计
专业班级
（学生人数）

指导教师

本学期承担相应课程教学任务情况

课程设计目的及任务
化工原理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。通过本课程设计，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，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。
本次设计任务：水吸收氨过程的填料吸收塔设计
1、 处理能力
2000 m3/h的空气-氨混合气体
2、 设备形式
填料吸收塔
3、 操作条件
① 混合气含氨量6%（体积分数，下同），塔顶排放气体中含氨量低于0.02%。
② 操作压力---常压
③ 操作温度---20℃
④ 填料类型
填料选用聚丙烯阶梯环，规格自选。
4、 设计基础数据
20℃时氨在水中的溶解度系数H=0.725 kmol/(m3•kPa)

课程设计要求
设计中需要学生自己做出决策，即自己定方案、选择流程、查取资料、进行过程和设备计算，并要求对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。
本次设计要求具体如下：
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 整理设计计算结果列表；
⑥ 对设计过程的评述和有关问题的讨论；
⑦ 绘制吸收塔设计条件图。
课程设计目标
通过本次设计，学生应在下列几个方面得到较好的培养和训练：
1、熟悉查阅文献资料、收集有关数据，正确选用公式；
2、在兼顾技术上先进性、可行性，经济上合理性的前提下，综合分析设计任务要求，确定化工工艺流程，进行设备选型，并提出保证过程正常、安全运行所需的检测和计量参数，同时还需考虑到操作维修的方便和环境保护的要求；
3、准确而迅速地进行过程计算及主要设备的工艺设计计算；
4、用精炼的语言、简洁的文字、清晰的图表来表达自己的设计思想和计算结果。
参考文献
及资料
[1] 王志魁. 化工原理 [M], 北京：化学工业出版社, 2009
[2] 姚玉英, 化工原理下册 [M], 天津：天津科学技术出版社, 2005
[3] 唐盛伟. 化工原理课程设计参考资料-填料吸收塔 [M], 北京：化学工业出版社, 2000
[4] 贾绍义, 柴诚敬. 化工原理课程设计 [M], 天津：天津大学出版社, 2002
[5] 周军, 张秋利. 化工AutoCAD制图应用基础 [M]. 北京：化学工业出版社, 2008

目录
中文摘要.........................................1
英文摘要.........................................2
第1章 设计方案简介..............................4
第2章 工艺计算及主体设备选型....................4
2.1 基础物性数据...................................4
2.1.1液相物性数据...................................4
2.1.2气相物性数据...................................4
2.1.3气液相平衡数据.................................5
2.1.4物料衡算.......................................5
2.2填料塔工艺尺寸的计算...........................6
2.2.1塔径的计算.....................................6
2.2.2填料层高度的计算...............................8
2.2.3填料层压降的计算...............................10
第3章 辅助设备的计算及选型......................11
3.1液体分布器.........................................11
3.1.1液体分布器选型.................................11
3.1.2布液计算.......................................11
3.2填料支撑装置.......................................11
3.3填料塔紧装置.......................................12
3.4气液体进出口装置...................................12
附录.............................................14

水吸收氨过程的填料吸收塔设计
（中文）摘要
在化工生产过程中，原料气的净化、气体产品的精制、治理有害气体、保护环境等方面都广泛应用到了气体吸收。本次化工原理课程设计的目的是根据设计要求采用填料吸收塔的方法处理含有氨气的空气，采用填料吸收塔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，从而使吸收易于进行；填料塔有通量大、阻力小、压降低、操作弹性大、塔内持液量小、耐腐蚀、结构简单、分离效率高等优点，从而使吸收操作过程节省大量人力和物力。
在设计中,以水吸收混合气中的氨气，在给定的操作条件下对填料吸收塔进行物料衡算。本设计包括设计方案的选取、主要设备的工艺设计计算--物料衡算、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算、主要设备的工艺条件图等内容。

关键词：吸收、填料塔、氨气

Design of packed absorption tower in the process of water absorption of ammonia
Abstract
In the chemical production process, raw material gas purification, gas products refined, harmful gas treatment, environmental protection, etc., are widely applied to gas absorption. The purpose of the course design of chemical engineering principle is according to the design requirements of the packed absorption tower by ammonia containing air handling, using packing absorption tower absorption operation because of packing can be provided with a huge gas-liquid mass transfer area and the filler surface has good turbulence conditions, so that the absorption is easy; packed tower with high flux, small resistance, pressure drop, high operating flexibility tower to a small amount of liquid, corrosion resistance, simple structure, separation and high efficiency, so that absorption process Save a lot of manpower and material resources.
In the design, mixed gas of ammonia water absorption, under the given operating conditions on the filler absorbing tower of material balance. This design includes selection of design scheme and main equipment of the process design calculation, material balance calculation, equipment, size of the structure design and process design and calculation, the process conditions of main equipment such as map content.

Keywords: absorption, packed tower, ammonia

第1章 设计方案简介
用水吸收氨气为提高传质效率，选用逆流吸收流程；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。逆流操作的特点是：传质平均推动力大，传质速率快，分离效率高，吸收剂利用率高。填料选择的是聚丙烯阶梯环，属于塑料填料；塑料填料的耐腐蚀性能较好，并且具有质轻、价廉、耐冲击、不易破碎等优点。阶梯环填料属于散装填料，规格选用聚丙烯阶梯环填料。氨气在水中溶解度较大，故吸收剂选用清水；温度在填料的适宜温度下选择20℃。
第2章 工艺计算及主体设备选型
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。由手册查得，20℃时水的有关物性数据如下：
密度：；粘度：
表面张力：；
NH3在水中的扩散系数：
2.1.2气相物性数据
①进塔前混合气体的流量2000 m3/h为标况下，所以0℃时气体有关物性数据由手册查得如下：
混合气体的平均摩尔量：；
混合气体的平均密度：；
② 进塔后操作温度为20℃，20℃时气体有关物性数据如下：
混合气体的平均密度：；
NH3在20℃空气中的扩散系数：；
混合气体粘度可近似取为空气的粘度；
混合气体的粘度：；
2.1.3气液相平衡数据
已知20℃时氨在水中的溶解度系数H=0.725 kmol/(m3•kPa)
常压下20℃时氨在水中的亨利系数【1】为：

MS为溶剂的摩尔质量，kg/kmol; ρS为溶剂即水的密度，kg/m3
相平衡常数为：
2.1.4.物料衡算
G—惰性气体的流量，；L—纯吸收剂的流量，；
Y1，Y2—进出吸收塔气体的摩尔比；
X1，X2—出塔及进塔液体中溶质物质量的比
进塔气体摩尔比：
出塔气体摩尔比：
进塔惰性气体的流量：
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【1】计算，即；
对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为：

代入数值，得：
；
取实际液气比为最小液气比的1.8倍，即
有：
得：
由，求得吸收液出塔浓度为：

2.2填料塔的工艺尺寸的计算
2.2.1塔径的计算
气相质量流量为
；
液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即
；
填料的泛点气速可用经验方程式计算，即贝恩-霍根关联式【2】：

式中：
——泛点气速，m/s；g——重力加速度，9.8m/s2；
——填料总比表面积，m2/m3；——填料层空隙率，%；
A、K——关联常数；
常数A和B与填料的形状及材质有关，本次所选的塑料阶梯环填料的A、K值经查手册得：A=0.204，K=1.75
本次选用的是聚丙烯阶梯环填料，所以
，，,，
代入关联式：

解得：，空塔气速一般取泛点气速的50%—80%，
取；
由
（注：Vs为操作条件下混合气体流量，即20℃下气体流量，m3/s）
圆整塔径，取 。
泛点率校核：

（在允许的范围之内）
填料规格校核：
液体喷淋密度校核：
选择填料直径为50mm，小于75mm，取最小润湿速率为
；
；
液体喷淋计算式为
；
式中
液体喷淋密度，；液体喷淋量，；
塔填料直径，；
数据代入得：

经以上校核可知，填料塔直径选用D=500mm合理。
2.2.2填料层高度计算
；
脱吸因数为:

气相总传质单元数为【2】:

气相总传质单元数采用修正的恩田关联式【2】计算：
气膜传质系数：

气膜传质系数：

；
其中

式中
气体质量通量：
液体质量通量：
；
(20℃)；
；(20℃)
；

填料材质的临界表面张力（查表得）：
代入得：

因为 ，所以需要按下式进行校正，即
； 得

则
塔截面积，；
工艺计算得到的填料层高度：
设计时的填料高度：
设计取填料层高度为：；
取，；计算得填料层高度为6000mm,需分成两段，每段3米；
2.2.3填料层压降的计算
采用埃克特通用关联图【1】计算填料层压降；
横坐标：；
纵坐标：；
其中
散装填料压降填料因子平均值：；
水的密度与液体密度比值：；
溶液粘度：；空塔气速：；
重力加速度：；
根据横纵坐标查关联图得：
第3章 辅助设备的计算及选型
3.1液体分布器
3.1.1液体分布器选型
该吸收塔塔径较小D=500mm，而多孔直管式喷淋器适用于600mm以下的塔，因此在本次设计中我采用多孔直管式喷淋器作为液体的喷淋装置。
分布点密度计算：
按Ecket建议值，D=500mm时，喷淋点密度为285点/m2；
布液点数：点。按分布点几何均匀与流量均匀的原则，进行布点设计。设计结果为：分布为11道环圆孔，每道孔分布5个孔，实际设计布点数为n=55点。
3.1.2布液计算
由
取

设计取
3.2填料支承装置
支承板是用以支承填料和塔内持液的部件。常用的填料支承板有栅板型、孔管型、驼峰型等。对于散装填料，通常选用孔管型、驼峰型支承板。设计中，为防止在填料支承装置处压降过大甚至发生液泛，要求填料支承装置的自由截面积应大于75%。在本次设计中，选用的是孔管型支承装置。
3.3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，需在填料层上方设置填料压紧装置。填料压紧装置有压紧栅板、压紧网板、金属压紧器等不同类型。对于散装填料，可选用压紧网板，也可选用压紧栅板。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%。在本次设计中，选用的是压紧栅板。
3.4气液体进出口装置
填料塔的气体进口既要防止液体倒灌，更要有利于气体的均匀分布。对500mm直径以下的小塔，可使进气管伸到塔中心位置，管端切成45°向下斜口或切成向下切口，使气流折转向上。对1.5m以下直径的塔，管的末端可制成下弯的锥形扩大器，或采用其它均布气流的装置。
气体出口装置既要保证气流畅通，又要尽量除去被夹带的液沫。最简单的装置是在气体出口处装一除沫挡板，或填料式、丝网式除雾器，对除沫要求高时可采用旋流板除雾器。
液体出口装置既要使塔底液体顺利排出，又能防止塔内与塔外气体串通，常压吸收塔可采用液封装置。
常压塔气体进出口管气速可取10～20m/s（高压塔气速低于此值）；液体进出口气速可取0.7～1. 5m/s（必要时可加大些）。
选择原料气流速u=20m/s
管线直径
=
根据管材规范，该直径D应选取的管材，其内径为0.2m，其实际流速为：
（符合标准）
气体进口直径取：D=0.2m
选择吸收剂流速u=1.5m/s
管线直径
根据管材规范，该直径D应选取的管材，其内径为25mm，其实际流速为：
（符合标准）
液体进口直径取:D=25mm
附录:工艺设计计算结果汇总
工艺设计计算汇总表
序号
项目
数值
备注
1
混合气体处理量V（）
2000

2
进塔气相摩尔比Y1()
0.064

3
出塔气相摩比Y2()
0.0002

4
进塔液相摩尔分率X2（）
0

5
出塔液相摩尔分率X1 （）
0.047

6
混合气体平均摩尔质量（）
28.28

7
混合气体的20℃平均密度（）
1.175

8
混合气体的0℃平均密度（）
1.26

9
混合气体的粘度（）
0.065

10
进塔液相流量（）
113.3

11
进塔惰性气体流量（）
83.93

12
气相质量流量（）
2520

13
液相质量流量（）
2041.67

14
气相质量通量（）
12840.76

15
液相质量通量（）
10403.39

16
气相总传质单元数
11.235

17
气相总传质单元高度
0.431

18
空塔气速 (m/s)
3.4

19
泛点气速(m/s)
4.25

20
泛点率f
71.48%

21
圆整塔径D（m）
0.5

22
操作条件下混和气体流量
2146.52

23
气膜吸收系数（）
0.149

24
液膜吸收系数()
0.529

25
填料层高度(m)
6

26
压降
1200

27
布液点数n(个)
55

28
布液孔直径
4

29
气体进口直径（）
200

30
液体进口直径（）
25

参考文献
【1】王志魁，刘丽英，刘伟.《化工原理》第四版M.北京：化学工业出版社，2010年.第185-234页
【2】贾邵义，柴诚敬.《化工原理课程设计》M.天津：天津大学出版社，2002年.第134-162页
【3】唐盛伟.《填料吸收塔》M.北京：化学工业出版社，2000年.第1-90页

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