第19组_(水吸收氨填料吸收塔的设计)

2013级过程装备与控制专业

《化工原理》课程设计说明书

题 目： 姓 名：

水吸收氨填料塔的设计

张超

班 级： 过控2班 指导老师： 学 号： 完成时间：

丁文捷 [1**********] 2015年12月10日

目 录

1、设计任务书············································································（4）

2、主要设备设计计算和说明

水吸收氨的工艺流程·································································（5） 基础数据················································································（5） 物料衡算················································································（6） 确定塔径和相关参数·································································（9） 计算填料层高度······································································（11） 计算填料层压降······································································（16） 混合气体和吸收剂入口管径的计算···············································（16） 填料塔主要内件和附属设备选型··················································（17） 3工艺设计计算结果汇总表·······························································(18) 后记······················································································（·19） 参考文献················································································（·19）

一、设计任务书 1设计题目 ○

水吸收氨填料塔设计 2设计条件 ○

1、气体混合物成分：空气和氨； 2、氨的含量：6％（体积）； 3、混合气体流量： 5000m3/h； 4、操作温度：293K； 5、混合气体压力：101.3KPa； 6、回收率： 99.0％。

3设计要求 ○

1、完成填料塔的工艺设计与计算，有关附属设备的设计和选型； 2、绘制吸收系统的工艺流程图和填料塔装置图； 3、编写设计说明书。

二、水吸收氨气的工艺流程

1吸收剂水要循环使用 吸收剂对溶质的组分要有良好地吸收能力，而对混合○

气体中的其他组分不吸收，且挥发度要低。所以本设计选择用清水作吸收剂，氨气为吸收质。水廉价易得，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。出于经济上的考虑，水一定要循环使用，因此设计时必须考虑吸收与解吸的组合操作。为了保证氨气的回收率，宜采用气-液逆流操作吸收流程。

为使水溶剂循环使用，并充分回收解吸的氨气，采用减压解吸。

2填料的选择 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间隙，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。故此吸收过程采用聚丙烯阶梯环填料。 3水吸收氨气的流程 原料气从填料塔的底部进入，与塔上喷淋的水在填料层○

内逆流接触，原料气中的大部分氨气被水吸收，出塔的原料气可放空。吸收的氨气的水溶液，从填料塔的底部引出，进入解吸塔的下段减压解吸，解吸出水溶液中的氨气，解吸后的水溶液循环至填料塔的底部。

三、基础数据

混合气量：5000m3/h=6312.5kg/h 原料气的组成及分压见下表

表1 原料气的组成及分压

原料气 氨气 空气

体积分数/% 6 94 组分分压/kPa 6.078 95.222

1氨在水中的溶解度关系 ○

已知20C下氨在水中的溶解度系数H0.725kmol/(m3kpa)

X氨=0.725×6.078×22.4=98.707Nm3氨/m3水 2水在20○



C下的性质

密度：L998.2kg/m3黏度:L100.4105Pas

表面张力为：σL=72.6 dyn/cm=940896 kg/h2

查水的理化数据知，水的蒸气压与操作总压比很小，故忽略水的挥发。

四、物料衡算

(1)原料气各组分在水中的溶解度关系

操作压力101.3kpa，温度20C 并且取其相对吸收饱和度均为80%，并将计算结果列于表2：

表2 组分溶解度与溶解气体组成的体积分数

组分 氨气 空气

分压/kpa 6.0789 5.222 溶解度/Nm3/m3水 98.707 0.0173 溶解量/Nm3氨/m3水 70.9656 0.01384 溶解气组成的百分数/% 99.98 0.02

因为溶解气中氨占到了99.98%，空气在水中的溶解度很小，故可将空气当作惰气而忽略不计，只考虑氨气的溶解吸收。

进塔吸收液中氨的残值取0.8Nm3氨/m3水，故计算氨的实际溶解量要将其扣除。空气本身溶解度就很小，经解吸后的残值忽略不计。

水对氨气的实际溶解能力为：70.9656-0.8=70.1656Nm3氨/m3水

(2)溶剂夹带量

以0.3Nm3氨/m3水计，各组分夹带量如下：

NH3: 0.018+70.1656=70.1836Nm3/m3水 99.585% 空气：0.282+0.01384=0.29584Nm3/m3水 0.415% 70.4794Nm3/m3水

(3)对NH3做物料衡算：

V1=V2+V3

V1y1=V2y2+V3y3

y1y26%0.06%

5000298.42m3/hy3y299.585%0.06%

V3V1

V2=V1-V3=4701.58m3/h （4）计算水的循环量

因每1m水带出氨气70.1836Nm，故有：

V3y3298.4299.585%

4.1865m3/h4178.96kg/h

70.183670.1836

3

3

L

操作的气液比为：V1/L=5000/4.1865=1194.31Nm3/m3=0.9616 （5）带出气体的质量流量 夹带气量：4.1865×0.3=1.25595m3

夹带气的平均分子量：M1=17×6%+29×94%=28.28kg/h 夹带气的质量流量：1.25595÷22.4×28.28=1.5856kg/h 溶解气量：298.42-1.25595=297.164m3/h

溶解气的平均分子量：Ms=17×99.98%+29×0.02%=17kg/mol 溶解气的质量流量： 297.164÷22.4×17=225.53kg/h 带出气体的总质量流量：225.53+1.5865=227.1156kg/h （6）验算吸收液中氨的残量为0.8Nm3/m3水时净化气中氨的含量 取阻力降为6KPa，则塔顶压力为101.3-6=95.3kpa，此时

XCO2=95.3×0.726×0.06%×22.4=0.9299Nm3/m3水>0.8Nm3/m3水

要使回收率达到99%，则入塔吸收液中氨的极限浓度为0.9299Nm3/m3水，本设计

2uF132.51.1794819.32341.1838取值正0.2lg[1.005]0.2041.75()()9.810.913998.25323.51.183998.2

好在其

1

1

所要求的范围之内，故选取值满足要求。 （7）出塔气体的组成

出塔气体的体积流量应为入塔气体的体积流量与水带走气体的体积流量之差。

NH3:5000×6%-70.1836×4.1865=2.8272m3/h 空气：5000×94%-0.29584×4.1865=4698.7614m3/h 出塔气的平均分子量：M2=17×0.06%+29×99.94%=28.99kg/kmol 出塔气的质量流量：LV2=4701.59÷22.4×28.99=6084.78kg/h

五、确定塔径和相关参数

4VSu

D

计算公式： u=(0.6~0.8)uF 由物料衡算知：

入塔气：V1=5000Nm3/h=6312.5kg/h ρV1=1.179kg/m3 M1=28.28kg/kmol

wLuatV0.2

lg[3L]AKgLwV

V2

2

F

1/4

VL

1/8

出塔气：

V2=6084.71kg/h=4701.59kg/h ρ

=1.205kg/m3 M2=28.99kg/kmol

出塔液：L1=5792.42kg/h ρL1=998.2kg/m3 入塔液：L2=4181.51kg/h ρL2=998.2kg/m3

选38.5×19×1.0塑料阶梯环填料，其填料因子Φ=166/m，空隙率ε=0.91，比表面积at=132.5m2/m3,，Bain-Hougen关联式常数A=0.204，K=1.75。 1求泛点气速，并确定操作气速u ○

泛点气速uF可由Eckert通用关联图或Bain-Hougen关联式两种方法求取，现选用Bain-Hougen关联式求解uF。 uF=3.943m/s

取u=0.8uF=3.1544m/s 2求取塔径 ○

0.1013293

5366.3m3/h1.49m3/s0.1013273

VS5000

D

4VS41.490.7755mu3.143.1544

取D=800mm，此时塔的截面积Ω=0.785D2=0.5026m2

3核算操作气速 ○

4VS1.492.9646m/sD20.5026

u1

u2.96460.7664uF3.972

则其在允许范围之内。 4核算径比 ○

D/d=800/38.5=20.78>8 满足阶梯环径比要求。 5校核喷淋密度 ○

Umin=（LW)minat=0.08×132.5=10.6m3/（m2.h）

U=5792.42/998/0.5026=11.548>10.6m3/（m2.h） （满足要求）

五、计算填料层高度

qn,vY1dY

H

KYaY2YY* 因为水吸收氨气为气膜控制，故选用

1.传质单元高度的计算

（1）氨气在两相中的扩散系数

1氨气在气相中的扩散系数 ○

首先计算氨气在各组分中的扩散系数，然后再计算其在混合气体中的扩散系数。计算公式如下：

1.013105T1.75(

111/2)AB



Pt[(VA)1/3(VB)1/3]2

DG = DNH3-空气=Dco2i

11

1.01310293()2

22.3625105m2/s0.08505m/h11

101.3(20.10314.903)

5

1.75

1

② 氨气在液相中的扩散系数 由威尔基公式得：

DL7.41015(MB)1/2

T

uBVbA0.6

Φ=2.6, MB=1.005×10-3Pa.s, VbA=25.8cm3/mol

DL7.41015(2.618)1/2

2939262

210m/s7.210m/h30.6

1.0051025.8

（2）氨气在两相中的黏度

① 气相黏度

G

yGM

yM

i

ii

i

i

0.5

0.5

0.060.918105170.50.941.8105290.51.7684105Pa.s0.50.5

0.06170.9429

=0.06366kg/(m.h) ② 液相黏度

由于水中其他组分的浓度极小，可认为液相为纯水。 故μL=1.005×10Pa.s=3.618kg/（m.h）

-3

（3) 气液两相的Sc数

G1.7684105

(Sc)G0.63495

GDG1.1792.362510

L1.005103

(Sc)L503.519

LDL998210

（4） 吸收液与填料塔的表面张力

吸收液：σ=72.8×10-3N/m=72.8×12960=943488kg/h2 填料: σC=33mN/m =427680kg/h2 (聚丙烯塑料）

（5）惰性气体的对数平均分压PBm

塔底压力 :P1=101.3KPa 塔顶压力 : P2=95.3KPa

PB1=P1（1-yNH3,1）=101.3×（1-0.06）=95.222KPa PB2=P2（1-yNH3,2)=95.3×(1-0.0006)=95.2428KPa

PB2-PB195.242895.222

95.2324kpa

ln(PB2/PB1)ln(95.2428/95.222)

PBm

(6)气相的摩尔流率

GM1=5000/（22.4×0.5026）=444.1192Kmol/（m2.h)

（7）填料塔的当量直径

dp

440.91

0.02747mat132.5

（8）气相质量流率G

G=5000×28.28/（22.4×0.5026）=12559.6896Kg/（m2.h）

（9）液相质量流率L

L=5792.42/0.5026=11524.91Kg/（m2.h）

(10) 有效传质比表面积aw

awc0.75L0.1L2at0.05L20.2

1exp[1.45()()(2)()]atatLLgLat

aw330.7511524.910.111524.912132.50.0511524.912

1exp[1.45()()()()0.2]28at72.8132.53.6189981.2710998943487.78132.50.3664 因此aw=0.3664×132.5=48.548m2/m3

（11）气相传质系数

由修正的恩田公式得：

a'G'0.237a

ta

0.7

1/3

aatDGDRT Ga

12559.68960.7132.50.08505

kG'0.237()0.63491/3()0.1541kmol/(m2.h.kpa)

132.50.063668.314298

kG'akG'aw1.10.154148.5481.451.111.2585kmol/(m3.h.kpa)

（12）液相传质系数

由修正恩田公式得：

kGa[19.5(

kLa[12.6(

u

0.5)2.2]kL'auF

u

0.5)1.4]kG'auF

kL'0.0095(

WL2/3L1/2Lg1/3

)()()awLDLLL

kL'akL'aw0.40.531848.5481.450.429.9548kmol/(m3.h.kmol.m3)

8

11524.912/31/23.6181.2710k0.0095()503.51()1/30.531848.5483.618998 '

L

由于u>0.5uF故还需校正，校正如下：

kGa[19.5(0.74640.5)1.4]11.258526.3073kmol/(m3.h.kpa)

kLa[12.6(0.74640.5)2.2]29.954833.5279/h

(13)总传质系数

11111



KGakGaHkLa26.30730.72533.5279

因此KGa=12.634

(14)总传质单元高度

HOG

qn,vqn,v50000.94

0.3262mKYaKGaP总22.412.634101.30.5026

2、传质单元数的计算

Y1=y1/1-y1)=0.06/(1-0.06)=0.06383 Y2=y1×(1-φ)=0.06×（1-0.99）=0.0006383 X2=（0.8/22.4）/（998/18）=6.44110-4 X1=0.05776

Y1Y1Y1*Y1mX10.063830.75320.057760.02032

Y2Y2Y2*Y2mX20.00063830.75326.4411041.532104 Ym

Y1Y2

0.004126

ln（Y1/Y2）

Y1Y20.063830.0006383

15.3155Ym0.004126

NOG

3、填料层的有效传质高度及分段数

HHOGNOG0.326215.31554.9959m

考虑到公式的误差，取安全系数为1.2，得到填料层总高Z Z=1.2H=1.2×4.9959=5.99508m 实际取6m，分一段就可。

六、计算填料层压降

X

WLV0.54181.511.1790.5()()0.02277WVL6312.5998

u2pv0.22.9646216611.179Y)L1.0050.20.123

gL9.81998

查埃克脱通用关联图全塔压降：ΔP/z=100×9.81pa/m 全塔压降：ΔP=100×9.81×6=5.886kpa

七、混合气体和吸收剂入口管径的计算

常温下管道中气体的流速一般控制在在10—20m/s V1=5000m3/h=1.3889m3/s ν

气

=15m/s

V1v气



4

D1

2

1.388915



4

D1

2

D10.343m

所以混合气体的管径取377mm，壁厚为9mm

验算：

V1气



4

D1

2

1.3889v气



气

4

13.805m/s

0.3582

之间，即可行 气13.805m/s在10—20m/s液体入口管径的计算

常温下管道中水的流速一般在0.5—1.5m/s之间

V水4.1865m3/h0.001163m3/s

水0.9m/s

V水水V水0.9



4

D2

2



4

D2

2

D20.041m

所以混合气体的管径取45mm，壁厚为2mm 验算：

V水水



4

D2

2

0。001163水



水

4

0.8813m/s

0.0412

m/s，在0.5—1.5m/s之间，即可 行 水0.8813

八、填料塔主要内件和附属设备选型

初始液体分布器：溢流盘式分布器 液体再分布器：槽盘式液体分布器 填料支承板：多块梁式支承板 填料压板：网板型压板 除雾沫器：金属丝网除雾器

气体入塔分布器：栅条形分布器 解吸塔：真空解吸塔 其余略。

九 设计一览表

经上述论述和计算得填料吸收塔设计一览表（见表4.1）

表4.1 填料吸收塔设计一览表

十 后记

历时两个星期的化工原理课程设计结束了，在这个课程设计过程当中，我们综合地运用了我们所学习过的流体力学，吸收等方面的化工基础知识，设计了一款可应用于吸收氨的填料塔。在为期两周的课程设计当中我感触最深的便是实践联系理论的重要性，当遇到实际问题时，只要认真思考，用所学的知识，再一步

步探索，是完全可以解决遇到的一般问题的。这次的课程设计内容包括工艺流程的设计，塔板结构的设计，数据的校验。目的主要是使我们对化学工艺原理有一定的感性和理性认识；对水吸收氨等方面的相关知识做进一步的理解；培养和锻炼我们的思维实践能力，使我们的理论知识与实践充分地结合，做到不仅具有专业知识，而且还具有较强的实践能力，能自主分析问题和解决问题。

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。

参考文献

1. 石油化学工业规划设计院. 塔的工艺计算. 北京：石油化学工业出版社，1997 2. 化工设备技术全书编辑委员会. 化工设备全书—塔设备设计. 上海：上海科学技术出版社，1988

3. 时钧，汪家鼎等. 化学工程手册，. 北京：化学工业出版社，1986

4. 柴诚敬，刘国维，李阿娜. 化工原理课程设计. 天津：天津科学技术出版社，1995

5. 上海医药设计院. 化工工艺设计手册(上、下). 北京：化学工业出版社，1986 6. 大连理工大学化工原理教研室. 化工原理课程设计. 大连：大连理工大学出版社，1994