氨气吸收塔课程设计.doc
1《化工原理》课程设计手册 设计名称：水吸收氨填料塔 设计者：陈玉娇 专业：化学工程与工艺 学号： 指导老师：王耀玲 课程设计任务书 ●化工原理课程设计要求 本课程的设计任务要求学生准备设计手册一份、图纸两份，各部分具体要求如下： 1手册必须书写工整，图文清晰，手册中所有公式必须编号，所有符号必须注明含义及单位。 设计画图要求： （1）流程图（A3） 本次设计要求绘制“生产单元工艺流程图”，图纸尺寸为210×297（或148×210）mm2。 此图应把装置或单元设备内的全部设备和机器都画出来，用线条和箭头表示物料流动方向，用引线表示物料的流速、温度及成分等。用细实线画出设备并简述内部结构特点，粗略地表明各设备的相对位置。在相应的设备图的上面或下面注出设备的位置号和名称，或用引线画出设备号，在栏内注出各设备的位置号和名称。管道用粗实线表示，用箭头表示物料的流动方向(流动方向一般为从左向右)。辅助物料(如冷却水、加热蒸汽等)的管道用较细的线表示。 (2)设备图(A2) 本设计要求对主要设备作详细图，表明其结构形式、尺寸(表示设备特征的尺寸，如圆筒形设备的直径等)、技术特点等。
设备图的基本内容包括： 视图：一般用主（正）视图、剖面图或顶视图表示设备主要结构、形状； 尺寸：图上应注明表示设备总体大小、规格的设备直径、高度及尺寸； 技术特性表：列出设备工作压力、温度、物料名称、设备特性等； 标题栏：说明设备名称、图号、比例、设计单位、设计者、审阅人等。 制图要求：投影正确、布局合理、线型规范、字迹工整。 ●课程设计任务书（每题7~8人，操作条件可变化，每项任务一人） （1）设计题目 试设计一台填料吸收塔，用于除去空气中混入的氨气。混合气体处理量为/h（1980+学号×106），其中空气为94%，氨为6%（体积分数，下同）。要求塔顶排出的气体中氨含量小于0.02%。吸收采用清水。 吸收塔用量为最小用量的1.6(自主确定，比如1.6)倍[20℃时氨在水中的溶解系数为H=0./(m3·kPa)] (2)工艺操作条件 ①平均操作压力：常压； ②操作温度：t=20℃； ③年生产时间：7200h； ④填料种类、规格自主选定。 (3)设计任务 完成填料吸收塔的工艺设计计算、相关辅助设备的设计与选型，绘制吸收系统工艺流程图及吸收塔工艺条件图，编写设计说明书。 (4)注意：为了让学生能够独立完成课程设计，每个学生的原始数据在产品产量上都是不一样的，即每个学号每上(下)浮一次的产品产量都是300kg/h。 目录 第 1 节 简介 3 1.1 填料塔简介 4 1.2 塔内填料简介 5 第 2 节 填料塔主要设计方案的确定 5 2.1 液相物性数据 6 2.2 气相物性数据 8 2.3 物料衡算 7 第 3 节 填料塔工艺尺寸的计算 8 3.1 塔直径的计算 8 3.2 填料层高度的计算与分段 9 3.2.1 传质单元数的计算 10 3.2.2 传质单元高度的计算 10 3.2.3 填料层的分段 11 第 4 节 填料层压降的计算 12 第 5 节 填料塔内件的类型与设计 13 本设计的评论与经验 15 参考文献 15 附录 1 填料塔设计结果一览表 25 附录 1：塔设备流程图 27 第 1 节 简介 1.1填料塔简介填料塔的洗涤吸收净化工艺不仅应用于化工行业，而且在低浓度工业废气的净化中也能起到良好的作用。
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。本文简要叙述了清水吸收氨工艺中采用的聚丙烯阶梯填料的工艺设计和工程问题。填料塔不仅结构简单，而且流体通过填料层时压降小，易用耐腐蚀材料制造，特别适用于处理少量腐蚀性物料和要求压降小的场合。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料顶部，沿填料表面呈薄膜状流下。气体从塔底气口送入，经填料缝隙流过，与填料层中的液体呈逆流接触进行传质。由于气液两相组成沿塔高连续变化，所以填料塔属于连续接触式气液传质设备。填料塔是利用塔内填料作为气、液两相接触部件的传质设备。 是化工企业最常用的气液传质设备之一。填料塔主体结构主要包括塔体、塔填料和塔内件三部分，如下图所示： 1-气体出口 2-液体入口 1-气体出口 2-液体入口 3-液体分布装置 4-塔壳体 5-填料 6-液体再分布器 7-填料 8-支撑格栅 9 气体入口 10-液体出口 图1 填料塔结构图 1.2 塔填料简介 聚丙烯材料填料是一种重要的塔填料，在化工中得到广泛的应用。聚丙烯填料与其它材质的填料相比，具有质轻、价格低、耐腐蚀、不易破碎、易于加工等优点。聚丙烯阶梯环填料为外径为高度的两倍的圆形环，侧壁上开两排矩形窗孔，一端增加圆锥形法兰。 切割后的环壁一侧仍与壁面相连，另一侧向内折弯，形成向内延伸的舌叶，各舌叶侧缘在环的中心处重叠。
球环在环壁上开有孔，大大提高了环内空间和内表面的利用率，减少了空气流动阻力，使液体分布均匀。与球环相比，阶梯环高度降低一半，并在一端增加了锥形法兰。聚丙烯阶梯环结构图如下： 图2 聚丙烯阶梯环结构图 填料吸收塔工艺计算 ● 液相物性数据 对于低浓度吸收工艺，溶液的物性数据可近似用纯水的物性数据，根据手册，20℃时水的物性如下： 密度：ρL=998.2kg/m3 粘度：μL=1.005×10-3Pa/S 表面张力：σL= 72.6×10-3N/m=/h2 氨在水中的扩散系数：DL=1。 76×10-9 ㎡/s ●气相物理性质 混合气体平均摩尔质量：MVM=∑yiMi0.060×17+0.940×29=28.28kg/mol 混合气体平均密度：ρvm=101.3×28.28/8.314×293=1.176kg/m3 混合气体的粘度可近似取为空气的粘度， 根据手册，20℃空气的粘度为：μV=0.0181×10-3Pa/s=0.065Kg/(mh) 20℃时氨的扩散系数为：DG=1.70×10-5㎡/s ●物质衡算 进入塔的惰性气体流量：V=(2192/22.4)×273/(273+20)×(1-0.060)=85./h 入口气体摩尔比：Y1=0.060/（1-0.060）=0.0638 出口气摩尔比：Y2=0.0002/1-0.0002=0.0002 因吸收剂为清水，故X2=0。由全塔物质衡算得到吸收液组成：X1=X2+（0.0638-0.0002)/1.2=0.053， ●最小吸收剂用量，吸收剂用量选取20 氨在水中的溶解度系数：已知常压20℃时亨利系数：H=998.2/0.725×18×101.3=0.，故相平衡常数：m=0.755。吸收过程为低浓度吸收，平衡关系为直线。 最小液气比可按下式计算： (L/V)min 对于纯溶剂吸收过程，进入塔的液相组成为X2=0，则(L/V)min=(0.0638-0.0002)/[0.06383/0.755-0]=0.75，故最小吸收剂用量： Lmin=0.75×V=61./h 取操作液气比为最小液气比的1.6倍，则1.6×0.75=1.2 故吸收剂用量为： L=0.75×85.71=102.85mol/hV——单位时间内通过吸收塔的惰性气体量（kmol/s）； L——单位时间内通过吸收塔的溶剂量（kmol/s）； Y1、Y2——进出塔气体中溶质组分摩尔比（koml/koml）； X1、X2——进出塔液体中溶质组分摩尔比（koml/koml）； ● 塔径计算 混合气体密度：ρvm=101.3×28.28/8.314×293=1.176kg/m3 塔顶混合气体流量：VM=2192×1.176=2577.792kg/h 可根据纯水流量近似计算液体质量流量，即： LM=102.85×18kg/h=1851.3kg/h 故当LM/VM=0.718，温度t=20℃，P=101.3kpa时，工艺能力不大，所用塔径不会太大，可选用25×12.5×1.4聚丙烯阶梯环塔填料。 其主要性能参数为：比表面积at=223㎡/m3、孔隙率ε=0.90、湿填充因子φ=312m-1、填充常数A=0.204、K=1.75 3.1不同类型填料的A、K值散装填料AK型规整填料AK型塑料球环0.09421.75金属阶梯环0.1061.75金属球环0.11.75陶瓷方鞍0.1761.75塑料阶梯环0.2041.75金属环方鞍0..75利用贝恩--相关性计算泛点气速μf，将数据代入下式：-0.5844，则：μf=2.63m/s，对于散装物料，泛水速度?=μ/μf范围为（0.5-0.85），?=0.6可得取，则μ=μf×0.6=1.578m/s。 由公式可知D=0.7m，（常用的标准塔径有400、500、600、700、800、1000、1200、1400、1600、2000、2200） （2）泛流率校核：u=2192/3600×0.785×0.49=1.583m/s 故泛流率?=μ/μf=1.583/2.63×100%=60.2%（在允许范围0.5～0.85内） （3）填料规格校核：D/d=700/25=288（在允许范围内） （4）液体喷淋密度校核：由于填料为25mm×12.5mm×1.4mm，因此塔径与填料尺寸之比大于8，对于散装填料，对于直径不大于75mm的散装填料，最小润湿量可取0.08m3/mh；对于直径大于75mm的散装填料，最小润湿量可取0.12m3/mh。最小润湿量为(Lw)min=0.08 m3/mh。查常用散装填料特性参数表可得Umin=(LW)min×at0.08=18.24m3/㎡hU=1851.3×998.2/(0.785×0.49×3600)=1334.52m3/㎡.h。因此，通过以上校核可得U·Umin，填料塔直径的选择是合理的。
●填料层高度的计算填料层高度=传质单元高度×传质单元数（1）传质单元数NOG的计算：解吸因子S=NOG==12.88（2）传质单元高度HOG的计算HOG=式中KYa=KGap（1）先算出填料的润湿面积aW作为传质面积a，利用改进的Onda公式分别算出kL和kG，然后合并得到kLa和kGa。 关联公式中物性数据如下： 液体性质（以 20℃ 为基准） 密度 ρL=998.2kg/m3 粘度 μL=1.005×10-3Pa·s 由填料材料的临界表面张力可知 =0.278 （2）计算 KYa 根据聚丙烯填料表面张力表 材料 碳 瓷器 玻璃 聚乙烯 聚丙烯 刚玉 石蜡 氯乙烯 表面张力（N/m） 56640 已知聚丙烯的表面张力σc=35×10-3㎡/s，查填料形状系数表 表 3.3 各种填料的形状系数 填料类型 球形、蝙蝠形、拉西环、弧形、马鞍形、开孔环 Ψ 值 0.72 0.75 11.19 1.45 得Ψ=1.45，273k 时氨在空气中的扩散系数为101.3kPa为1.98×10-3㎡/s，根据公式可得，从293、101.3可知空气中的扩散系数为㎡/s，则DG=2.2×10-3㎡/s。由附录可知，氨在液相中的扩散系数为1.77×10-9㎡/s，故液膜传质系数为ψ0.4kmol/㎡.S.kpa气膜传质系数kmol/(㎡·s·kPa)kmol/(m3·s·kPa)kmol/(m3·s·kPa)于是代入修正项可得下列公式KYa=KGap传质单位高度于是填料层高度取上下活度系数为1.5mZ'=1.5Z=1.5×4.03=6.05m，四舍五入为7m。 由推荐填料段高度值表得横坐标为： 下表为散装填料压降已知填料的平均系数值： 纵坐标为：，查总体压降相关图，可得填料层压降： ●填料塔辅助元件的计算液体分配装置注意：对于液体分配装置的选择和设计，一般的要求是：A.液体分布要均匀B.自由截面率要大C.操作弹性大D.不易堵塞不易引起雾沫夹带等现象E.可采用多种材质制成，安装方便。
本设计任务液相负荷不大，可选用截头圆锥型再分布器。D1=(0.6-0.8)D=0.65x0.7=0.455m厚度s=4-6mm，选5mm液体再分布器的选取与液体分布装置相同，当D=700mm时，主管径为50mm，支管数为4根，支管外边长为660mm填料支撑板的作用：用来支撑塔填料及其所容纳的液体和气体的质量，同时起到气液流道和气体均匀分布的作用。要求：支撑板具有足够的强度，开孔均匀且自由截面积分数大于填料的孔隙率。由于塔径为700mm，且为气液逆流，可选用格栅板型，分成两片。 填料压板与床层限位板 填料压板是靠自重压紧填料，但不会损坏填料。限位板重量轻，需固定在塔壁上，一般要求压板或限位板本身的截面积比大于70%。当D=700mm时，限位板外径可选用比塔径小10～15mm，如688mm。 （5）吸收塔主管尺寸计算 1.气体进料管 由于常压下塔气体进出口管道气速可为12～20，若气体进出口流速约为16m/s，则可利用公式求得气体进出口内径。采用直管进料。 根据《化工原理》第三版（谭天恩等编，化学工业出版社）P269，选用φ273mm×12mm热轧无缝钢管，则μ'=2192/3600×0.785×0.249*2=12.51m/s（在符合范围内） 气体进出口压降： 入口：dP1=ρμ*2/2=92.02pa 出口：dP2=0.5×ρμ*2=46.01pa 2、液体进料管 由于常压下该塔液体进出口管道速度可为0.5-3m/s，若液体进出口流速约为2.6m/s，则可利用公式计算液体进出口内径，采用直管进料。 根据《化工原理》第三版（谭天恩等编，化学工业出版社）P368，选用φ38mm×4mm热轧无缝钢管，则μ=102.85×18/0.785×3600×0.0009=0.73m/s（在符合范围内）●塔结构设计（1）筒体设计当压力不是太高时，筒体有钢板卷制焊接和取自大口无缝钢管两种，其中大口径一半采用钢板卷制，其内径必须符合公称直径的数值且均为整数。
对于直径较小的筒体，为计算方便，可选用合适的无缝钢管，由于钢管内径会因不同厚度规格而有所差异，因此以外径为筒体的公称直径，本塔公称直径为D=705*5mm，所需塔内径Di=0.7m2×700/1000=1.4≤3，故塔壁厚d=3mm+2mm=5mm，需保证3mm塔壁的基本厚度，2mm塔壁的腐蚀裕量。塔外径Do=（705+5）=710mm，因此本设备塔外径为（705*5mm）●封头的设计化工容器上常用的封头类型有半球形、椭圆形、五折球形、锥形和平盖等，因本设计涉及的塔顶压力不是太大，可选用结构相对简单的平顶盖。 平盖封头的几何形状有圆形、椭圆形、长方形、方形等，本次选用圆形封头，平盖厚度计算按薄板理论。因塔顶有气体排出管，塔底需承载液体，故选用椭圆形封头。标准椭圆形封头长轴与短轴之比为2。型号及尺寸按GB/T1988-73《椭圆形封头型式与尺寸》规定，长轴为圆柱体直径，短轴为长轴的一半。 塔底椭圆封头部分尺寸如下： 封头内径 Di = 698mm 封头外径 Do = 703mm 封头深度 h = 200mm ● 确定塔高 塔高=塔顶空间+安装进风管与填料距离+进风管与塔底液面距离+分布器间隙+填料层+塔底液面空间 塔顶空间一般为 1.2-1.5m，此处取 1.2m 安装进风管与填料距离=D = 1.0m 进风管与塔底液面距离=0.3m 分布器间隙=（h0-Z0）（10-1）=（2x0.49-0.7）x9 = 2.52m 填料层数=2x3.5 = 7m 塔底空间=塔高=1.2+1.0+0.3+2.52+7+1.58=13.6m 吸收塔类型 聚丙烯阶梯环吸收填料塔 混合气处理能力（m3/h） 2192 塔径D（m） 0.7 填料层高度Z（m） 7 总气相传质高度（m） 0.313 总气相传质单元数 12.88 塔高（m） 13.6 泛点气速（m/s） 2.63 操作压力（kpa） 101.3 操作温度（℃） 20 填料直径（mm） 25 填料压降（kpa） 4.81 孔隙率ε 0.90 填料比表面积（㎡/m3） 228 填料常数A 0.204 填料常数S 1.75 ●设计清单●本次设计点评 为期两周的化工原理课程设计结束了。 在本次课程设计过程中，我们综合运用所学的流体力学、吸收等化工基础知识，设计了一个可以用来吸收氨的填料塔。
在为期两周的课程设计中，给我印象最深的就是实践与理论相结合的重要性。遇到实际问题时，只要我们认真思考，运用所学的知识，然后一步步摸索，完全可以解决遇到的一般问题。本次的课程设计内容包括工艺流程的设计、填料层结构的设计、数据的验证等。主要目的是让我们对化工过程的原理有一定的感性认识和理性认识；进一步了解氨水吸收等相关知识；培养和锻炼我们的思维和动手能力，使我们的理论知识和实践充分结合起来，使我们不仅具备专业知识，还具备很强的动手能力，能够独立分析和解决问题。通过这次填料吸收塔的设计，我们的能力得到了培养。 首先培养了我们查阅资料、选取公式、数据的能力，其次能从技术可行性、经济合理性两个方面树立正确的设计思路，分析解决实际工程问题，最后熟练运用计算机制图，用简明的文字、图表表达设计思路的能力。它不仅让我把学到的知识运用到实践中，也巩固和提升了知识。 主要符号说明 at——填料总比表面积（㎡/m3） aW——填料湿比表面积（㎡/m3） d——填料直径（m） D——塔径（m） DL——液相扩散系数（㎡/s） Dv——气相扩散系数（㎡/s） g——重力加速度（9.81 m/s2） h——填料层段高度（m） HOG——气相总传质单元高度（m） kG——气膜吸收系数（kmol/(㎡·s·kPa)） kL——液膜吸收系数（m/s） KG——气相总吸收系数（kmol/(㎡·s·kPa)） L