水吸收氨填料塔设计.doc

环境工程原理课程设计
清水吸收氨的填料塔装置
设计说明书

院 （系） 别： 资源与环境学院
专 业： 环境工程
年 级 班：
姓 名：
学 号：
指 导 老 师：

前言：
课程设计是比较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，进行融会贯通的独立思考，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。课程设计是增强工程观念，培养提高学生独立工作能力的有益实践。
经过学习,我知道，填料塔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很好地发挥作用。工程实践表明 ,合理的系统工艺和塔体设计 ,是保证净化效果的前提。这次课程设计我把聚丙烯阶梯填料应用于水吸收氨过程的工艺设计以及工程问题。

目录
一、设计任务书 3
二、设计方案简介 3
1、方案的确定 4
2、填料的类型与选择 4
3、设计步骤 4
三、工艺计算 4
1、基础物性数据 5
2、工艺尺寸计算 6
四、辅助设备的计算及选型 15
1、除雾沫器 15
2、液体分布器简要设计 16
3、填料支承装置 18
4、填料限制装置 18
五、设计结果汇总 20
六、工艺流程图 21
七、课程设计总结 22
八、主要符号说明 22
九、参考文献 23
十、附图(氨气吸收塔条件图) 24

23

一 设计任务书
（一）设计题目
水吸收NH3过程填料吸收塔的设计：试设计一座填料吸收塔，用于脱除焙烧炉送出的混合气体(先冷却)中的NH3，其余为惰性组分，采用清水进行吸收。

混合气体的处理量m3/h
10800
混合气体NH3含量（体积分数）
5.5%
NH3的回收率不低于
96%
吸收剂的用量与最小用量之比
1.6
（二）操作条件
（1）操作压力 常压
（2）操作温度 20℃
（三）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；
（5）吸收塔接管尺寸计算；
（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。
二 设计方案简介
2.1方案的确定
用水吸收NH3属中等溶解度的吸收过程，为提高传质效率，选用逆流吸收流程。因用水作为吸收剂，且NH3不作为产品，故采用纯溶剂。
2.2填料的类型与选择
对于水吸收NH3的过程，操作温度及操作压力较低，工业上通常选用塑料散装填料。在塑料散装填料中，塑料阶梯环填料的综合性能较好，故此选用DN38聚丙烯阶梯环填料。
阶梯环是对鲍尔环的改进。与鲍尔环相比，阶梯环高度减少了一半，并在一端增加了一个锥形翻边。由于高径比减少，使得气体绕填料外壁的平均路径大为缩短，减少了气体通过填料层的阻力。锥形翻边不仅增加了填料的机械强度，而且使填料之间由线接触为主变成以点接触为主，这样不但增加了填料间的空隙，同时成为液体沿填料表面流动的汇集分散点，可以促进液膜的表面更新，有利于传质效率的提高。阶梯环的综合性能优于鲍尔环，成为目前所使用的环形填料中最为优良的一种。
2.3设计步骤
本课程设计从以下几个方面的内容来进行设计
（一） 吸收塔的物料衡算；（二） 填料塔的工艺尺寸计算；主要包括：塔径，填料层高度，填料层压降；（三） 设计液体分布器及辅助设备的选型；（四） 绘制有关吸收操作图纸。
三 、工艺计算
3.1基础物性数据
3.1.1 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：
密度为 ρL=998.2kg/m3
粘度为 μL=0.001Pa·s=3.6kg/(m·h)
表面张力为σL=72.6dyn/cm=940896kg/h2
NH3在水中的扩散系数为 DL=2.04×10-9m2/s=7.344×10-6m2/h
（依Wilke-Chang计算，查《化学工程基础》）
3.1.2 气相物性数据
设进塔混合气体温度为20℃，
混合气体的平均摩尔质量为
MVm=ΣyiMi=0.05×17.03+0.95×29=28.40g/mol
混合气体的平均密度为ρVm=1.1806kg/ m3
混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得20℃空气的粘度为
μV=1.81 ×10-5Pa•s=0.065kg/(m•h)
查手册得NH3在空气中的扩散系数为
DV=0.255cm2/s=0.081m2/h
3.1.3 气液相平衡数据
由手册查得，常压下20℃时NH3在水中的亨利系数为
E=76.41kPa
相平衡常数为
m=E/P=76.41/101.3=0.754
溶解度系数为
H=ρ/EM=998.2/76.41×18.02=0.7254kmol/kPam3
3.1.4 物料衡算
(l). 进塔混合气中各组分的量
近似取塔平均操作压强为101.3kPa，故：
混合气量＝=441.7
混合气NH3中量＝441.7×0.055＝24.29 kmol／h
＝24.29×17.03=413.66kg／h
设混合气中惰性气体为空气，则混合气中空气量＝441.71-24.29＝417.42kmol／h
＝417.42×29＝12105.18kg／h
(2)．混合气进出塔的摩尔组成
y1=0.055
y2==0.002323
（3）混合气进出塔摩尔比组成
进塔气相摩尔比为
Y1===0.0582
出塔气相摩尔比为
Y2=0.0582×（1-0.96）=0.002328
（4）出塔混合气量
出塔混合气量=417.42+24.29×0.04=418.3916kmol/h
=12105.18+441.7×0.04=12122.848kg/h
（5）吸收剂（水）的用量L
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

对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为X2=0
=0.724
取操作液气比为

=1.6×0.724=1.158
L=1.158×417.42=483.432 kmol/h
(6)塔底吸收液组成X1

=0.0482
(7)操作线方程
依操作线方程=
Y=1.158X+0.002328

3.2填料塔的工艺尺寸的计算
3.2.1塔径的计算
采用Eckert通用关联图计算泛点气速。
气相质量流量为wv=10800×1.1806=12751.4 kg/h
液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即
WL=483.432×18.02=8711.4kg/h
其中：
ρL =998.2kg/m3
ρV =1.1806kg/m3
g = 9.81 m/s2 = 1.27×108 m/h2
WV = 12751.4 kg/h
WL = 8711.4kg/h
μL =0.001Pa·s
（1）采用Ecekert通用关联图法计算泛点气速uF。
通用填料塔泛点和压降的通用关联图如下：
图一填料塔泛点和压降的通用关联图（引自《化工原理》）

图中 u0——空塔气速，m /s；
φ——湿填料因子，简称填料因子，1 /m；
ψ——水的密度和液体的密度之比；
g——重力加速度，m /s2；
ρV、ρL——分别为气体和液体的密度，kg /m3；
wV、wL——分别为气体和液体的质量流量，kg /s。
此图适用于乱堆的颗粒形填料，如拉西环、弧鞍形填料、矩鞍形填料、鲍尔环等，其上还绘制了整砌拉西环和弦栅填料两种规整填料的泛点曲线。对于其他填料，尚无可靠的填料因子数据。

Eckert通用关联图的横坐标为
0.5=0.5=0.0235
查图一查得纵坐标值为
0.2=0.3
表一 散装填料泛点填料因子平均值
填料类型
填料因子，1/m
DN16
DN25
DN38
DN50
DN76
金属鲍尔环
410
—
117
160
—
金属环矩鞍
—
170
150
135
120
金属阶梯环
—
—
160
140
—
塑料鲍尔环
550
280
184
140
92
塑料阶梯环
—
260
170
127
—
瓷矩鞍
1100
550
200
226
—
瓷拉西环
1300
832
600
410
—

（ 《化工原理课程设计》附录十一）
查得：

==3.826
（2）操作气速
由以下公式计算塔径：（《化工原理课程设计》）
对于散装填料，其泛点率的经验值为u/uF=0.5~0.85
取 u=0. 7uF=0.7×3.826=2.678m/s
（3）塔径
由==1.19
圆整塔径，取D=l.2m。
（4）泛点率校核：
=2.653m/s
=68.71%(在允许范围内）
（5）填料规格校核：
=31.57〉8
（6）液体喷淋密度校核：
取最小润湿速率为
（Lw）min=0.08 m3/m·h
查填料手册得
塑料阶梯环比表面积at=114.2m2/m3
Umin=（Lw）minat=0.08×114.2=9.136m3/ m2·h
=9.413m3/m2h〉Umin
经以上校核可知，填料塔直径选用D=1200mm合理。

3.2.2填料层高度计算
(1)传质单元数NOG
Y1*=mX1=0.754×0.0482=0.0362

解吸因数为:
=0.651
气相总传质单元数为:
==6.412
（2）传质单元高度的计算
气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算

查表二:
常见材质的临界表面张力值
材质
碳
瓷
玻璃
聚丙烯
聚氯乙烯
钢
石蜡
表面张力, mN /m
56
61
73
33
40
75
20

得 = 33 dyn/cm = 427680 kg/h2
液体质量通量为:
=7755.88kg/(m2h)
气膜吸收系数由下式计算：
=0.3533
气体质量通量为:

气体质量通量:
=11279.61

=0.133kmol/(m2hkpa)
液膜吸收系数由下式计算:

=0.468m/h
查表三:
常见填料塔的形状系数
填料类型
球形
棒形
拉西环
弧鞍
开孔环
Ψ值
0.72
0.75
1
1.19
1.45

本设计填料类型为开孔环 所以 Ψ=1.45,则

=0.133×114.2×0.3533×1.451.1=8.075kmol/(m3.h.kpa)

=0.468×114.2×0.3533×1.450.4=21.908 l/h
又因
u/uF=68.71﹪＞50﹪
需要按下式进行校正，即

可得：
KG/a=[1+9.5(0.6871-0.5)1.4]×8.075=15.41kmol/(m3.h.kpa)
KL/a=[1+2.6(0.6871-0.5)2.2]×21.908=23.33 l/h
则

由

（3）填料层高度的计算
由
根据设计经验，填料层的设计高度一般为
Z′＝(1.2~1.5)Z (4-19)
式中 Z′——设计时的填料高度，m；
Z ——工艺计算得到的填料层高度，m。
得:
= 1.25×2.898= 3.6 m
设计取填料层高度为
=3.6m
查：

表四 散装填料分段高度推荐值
填料类型
h/D
Hmax/m
拉西环
2.5
≤4
矩鞍
5～8
≤6
鲍尔环
5～10
≤6
阶梯环
8～15
≤6
环矩鞍
5～15
≤6

对于阶梯环填料， ，
取 ，则h=8×1200=9600 mm
3600mm<9600mm
故只需一段，段高3.6m。
3.2.3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:
表五 散装填料压降填料因子平均值
填料类型
填料因子, 1/m
DN16
DN25
DN38
DN50
DN76
金属鲍尔环
306
-
114
98
-
金属环矩鞍
-
138
93.4
71
36
金属阶梯环
-
-
118
82
-
塑料鲍尔环
343
232
114
125
62
塑料阶梯环
-
176
116
89
-
瓷矩鞍环
700
215
140
160
-
瓷拉西环
1050
576
450
288
-

查表得，Φp =125 m-1
纵坐标为:

查Eckert通用关联图得: △P/Z = 200*9.81=1962Pa/m
填料层压降为: △P=1962×3.6=7063.2Pa
四、辅助设备的计算及选型
1. 除雾沫器
穿过填料层的气体有时会夹带液体和雾滴，因此需在塔顶气体排出口前设置除沫器，以尽量除去气体中被夹带的液体雾沫，NH3溶于水中易于产生泡沫为了防止泡沫随出气管排出，影响吸收效率，采用除沫装置，根据除沫装置类型的使用范围，该填料塔选取丝网除沫器。
丝网除雾沫器：一般取丝网厚度H=100或150 mm，气体通过除沫器的压降约为120~250pa。
通过丝网除沫器的最大速 

实际气速为最大气速的0.75~0.8倍 所以实际气速u=0.75×2.4701=1.85m/s

2.液体分布器简要设计
（1） 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，故选用槽式液体分布器。
（2） 分布点密度计算

表六 Eckert的散装填料塔分布点密度推荐值
塔径,mm
分布点密度,点/ m2塔截面
D=400
330
D=750
170
D≥1200
42

按Eckert建议值，因该塔液相负荷较大，设计取喷淋点密度为140点/m2 。
布液点数为n=0.785×1.22×140=132.9≈158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：二级槽共设七道，在槽侧面开孔，槽宽度为80mm ，槽高度为210mm 。两槽中心矩为 160mm 。
分布点采用三角形排列，实际设计布点数为 n=158点.

图二 槽式液体分布器二级槽的布液点示意图
（3）布液计算
由重力型液体分布器布液能力计算
由
式中 Ls——液体流量，m3/s；
n——开孔数目(分布点数目)；
φ——孔流系数，通常取φ＝0.55～0.60；
d0——孔径，m ；
△H——开孔上方的液位高度，m。

取=0.60， =160mm,
则
设计取d0=4mm
液体分布器的安装一般高于填料层表面150~300 mm (取决于操作弹性)，槽式分布器主槽分槽高度均取210mm，主槽宽度为塔径的0.7~0.8，这里取塔径的0.7，分槽宽度由液体量及停留时间确定，最低液位为50mm为宜，最高液位由操作弹性塔内允许高度及造价确定，一般为200 mm 左右。
2.液体再分布器----------升气管式液体再分布器
在离填料顶面一定距离处，喷淋的液体便开始向塔壁偏流，然后沿塔壁下流，塔中心处填料的不到好的润湿，形成所谓的“干锥体”的不正常现象，减少了气液两相的有效接触面积。因此每隔一定的距离设置液体再分布装置，以克服此现象。
由于塔径为1200mm，因此可选用升气管式再分布器，分布外径1180mm，升气管数8。
3 填料支承装置
填料支承结构用于支承塔内填料及其所持有的气体和液体的重量之装置。对填料的基本要求是：有足够的强度以支承填料的重量;提供足够的自由截面以使气液两相流体顺利通过，防止在此产生液泛；有利于液体的再分布；耐腐蚀，易制造，易装卸等。常用填料支承板有栅板式和气体喷射式。这里选用分块梁式支承板。
4.填料限定装置
为防止在上升气流的作用下填料床层发生松动或者跳动，需在填料层上方设置填料压紧装置。
对于塑料散装填料，本设计选用创层限制板。
3．气体和液体的进出口装置
管道的公称通径
75
80
90
100
120
130
140
160
185
205
235
260
315

（1）气体和液体的进出口直径的计算
由公式
Vs 为流体的体积流量，m3/s
u 为适宜的流体流速，m/s .
常压气体进出口管气速可取10~20m/s；液体进出口速度可取0.8~1.5 m/s（必要时可加大）。
选气体流速为15 m/s 由VS=10800/3600=3 m3/s 代入上公式得d=504mm圆整之后，气体进出口管径为d=520mm
选液体流速为2.0 m/s，由VS=483.432×18.02／（3600×998.2）=0.0024m3/s 代入上公式得 d=39 mm,圆整之后液体进出口管径为d=40 mm
（2）底液出口管径：选择 d= 25 mm
（3）泵的选型由计算结果可以选用：IS100-80-125型的泵
（4）塔附属高的确定
塔的附属空间高度主要包括塔的上部空间高度，安装液体分布器和液体再分度器所需的空间高度，塔的底部空间高度以及塔的群坐高度。塔的上部空间高度是指塔填料层以上，应有一足够的空间高度，以使随气流携带的液滴能够从气相中分离出来，该高度一般取1.2-1.5。安装液体再分布器所需的塔空间高度依据所用分布器的形式而定一般需要1-1.5m的高度。
塔的底部空间高度是指塔底最下一块塔板到塔底封头之间的垂直距离。该空间高度含釜液所占的高度及釜液面上方的气液分离高度的两部分。釜液所占空间高度的确定是依据塔的釜液流量以及釜液在塔内的停留时间确定出空间容积，然后根据该容积和塔径计算出塔釜所占的空间高度。
塔底液相液相停留时间按1min考虑，则塔釜液所占空间为

考虑到气相接管所占的空间高度，底部空间高度可取1.0米，所以塔的附属空间高度可以取1.9米。
（5）人孔
公称压力
公称直径
密封面型
标准号
常压
450 mm
平面(FS)
HG21515-95

五、设计结果汇总
课程设计名称
水吸收NH3填料吸收塔的设计
操作条件
操作温度 20摄氏度
操作压力：常压
物性数据
液相
气相
液体密度
998.2
kg/m3
混合气体平均摩尔质量
28.40
kg/kmol
液体粘度
3.6
kg/(m h)
混合气体的平均密度
1.1806
kg/m3
液体表面张力
940896

混合气体的粘度
0.065
kg/(mh)
NH3在水中的扩散系数
7.344×10-6
m2/h
NH3在空气中的扩散系数
0.081
m2/h
重力加速度
1.27×108
m/h

气相平衡数据
NH3在水中的亨利系数E
相平衡常数m
溶解度系数H
76.41 kpa
0.754
0.7254kmol/kPam3
物料蘅算数据
Y1
Y2
X1
X2
气相流量G
液相流量L
最小液气比
操作液气比
0.0582
0.002323
0.0482
0
417.42kmol/ h
483.432kmol/ h
0.724
1.158
工艺数据
气相质量流量
液相质量流量
塔径
气相总传质单元数
气相总传质单元高度
填料层高度
填料层压降
12751.4
8711.4
1.2m
6.412
0.452m
3.6m
7063.2pa
填料塔附件
除沫器
液体分布器
填料限定装置
填料支承板
液体再分布器
丝网式
二级槽式
床层限制版
分块梁式
升气管式

六、工艺流程图
下图是本设计的工艺流程简图

图二 工艺流程简图

七、课程设计总结
本次课程设计是在生产实习后进行的，是对化学工程的过程设计及设备的选择的一个深层次的锻炼，也是对实际操作的一个加深理解。
在设计过程中遇到的问题主要有：（1）未知条件的选取；(2)文献检索的能力；（3）对吸收过程的理解和计算理论的运用；（4）对实际操作过程中设备的选择和条件的最优化；（5）对工艺流程图的理解以及绘制简单的流程图和设备结构；（6）还有一些其他的问题，例如计算的准确度等等。
当然，在本次设计中也为自己再次重新的复习化工这门学科提供了一个动力，对化工设计过程中所遇到的问题也有了一个更深的理解。理论和实际的结合也是本次设计的重点，为日后从事相关工作打下了一定的基础。
最后，深感要完成一个设计是相当艰巨的一个任务，如何细节的出错都有可能造成实际操作中的经济损失甚至生命安全
八、主要符号说明
at——填料的总比表面积，m2/m3
aW——填料的润湿比表面积，m2/m3
d——填料直径，m；
D——塔径，m；
DL——液体扩散系数，m2/s；
Dv——气体扩散系数，m2/s ；
ev——液沫夹带量,kg(液)/kg(气)；
g——重力加速度，9.81 m/s2 ；
h——填料层分段高度，m；
HETP关联式常数；
hmax——允许的最大填料层高度，m；
HB——塔底空间高度，m；
HD——塔顶空间高度，m；
HOG——气相总传质单元高度，m；
kG——气膜吸收系数，kmol/(m2·s·kPa)；
kL——液膜吸收系数，m/s；
KG——气相总吸收系数，kmol/(m2·s·kPa)；
Lb——液体体积流量，m3/h；
LS——液体体积流量，m3/s；
LW——润湿速率，m3/(m·s)；
m——相平衡常数，无因次；
n——筛孔数目；
NOG——气相总传质单元数；
P——操作压力，Pa；
△P——压力降，Pa；
u——空塔气速，m/s；
uF——泛点气速，m/s
u0.min——漏液点气速，m/s；
u′0——液体通过降液管底隙的速度，m/s；
U——液体喷淋密度，m3/(m2·h)
UL——液体质量通量，kg/(m2·h)
Umin——最小液体喷淋密度，m3/(m2·h)
Uv——气体质量通量，kg/(m2·h)
Vh——气体体积流量，m3/h；
VS——气体体积流量，kg/s；
wL——液体质量流量，kg/s；
wV——气体质量流量，kg/s；
x——液相摩尔分数；
X——液相摩尔比Z
y——气相摩尔分数；
Y——气相摩尔比；
Z——板式塔的有效高度，m；
填料层高度，m。
希腊字母
ε——空隙率，无因次；
μ——粘度，Pa·s；
ρ——密度，kg/m3；
σ——表面张力，N/m；
φ——开孔率或孔流系数，无因次；
Φ——填料因子，l/m；
ψ——液体密度校正系数，无因次。
下标
max——最大的；
min——最小的；
L——液相的；
V——气相的。

九、参考文献
1. 武汉大学,《化学工程基础》，高等教育出版社,2001.
2. 马江权，《化工原理课程设计》（第二版）， 江苏工业学院，2007.
3. 眶国柱,史启才,《化工单元过程及备课程设计》，北京：化学工业出版社，2002.
4. 贾绍义，柴诚敬,《化工原理课程设计》,天津大学出版社, 2002.
5. 涂伟萍，陈佩珍，程达芳, 《化工过程及设备设计》, 北京：化学工业
出版社,2000.
6. 杨祖荣，刘丽英，刘伟,《化工原理》,北京： 化学工业出版社, 2004.
7. 管国峰，《化工原理》，北京：化学工业出版，2003.