化工吸收塔

前 言：

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。

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，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。设计采用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。

设 计 任 务 书

一、题目

净化含氮2%的废气，气体处理量为5150Nm3/h.

二、原始设计数据 1.

2. 净化要求：99.9% 3. 操作条件：

(1)操作压力：常压(1atm) (2)操作温度：30℃ 4. 吸收液：清水

三、设计内容 1. 吸收流程选定

2. 填料塔塔径、塔高等工艺尺寸的计算及输送机械的选型

四、设计要求 1. 写出设计说明书 2. 给出工艺流程

3. 绘出填料塔的总装配图

4. 输送机械选型

内 容 摘 要

1． 操作条件和工艺参数的计算 2． 塔设备和附件的选择 3． 塔设备的装配图

工艺流程图及说明

设 计 计 算 过 程

一、 简化证明

吸收过程是一复杂的物理化学过程，为使计算方便特作如下的简化： 1.确定过程为单组分吸收

气 体 各 组 分 30℃ 下 的 亨 利 系 数：

由表格中各气体组份的亨利系数数据可知，在操作条件下（30℃，1atm），H2, ,CO ,N2

的亨利系数均比NH3 的亨利系数大104倍以上，即H2, ,CO ,N2在该条件下的溶解度小于NH3溶解度的1/10000，因此，在工程计算过程中可以认为该操作只吸收NH3

2.确定过程为低浓度吸收

气体中被吸收组分含量10%即可认为是低浓度吸收，根据任务条件，混合气中NH3

含量为2%符合低浓度吸收，因此，该操作可视为低浓度吸收。

3.假定过程为恒温吸收，在后面计算过程中加以验证。

二、塔的设计 （一）塔径的计算

1．气体物理性质及工艺参数：

（1）气体平均分子量

M（表一）

M

mV



xM

i

i

2%17.03191%28.0135%2.0162%28.0126.493Kgmol

（2）气体流量G

G=(QV/22.4)(T+273)/273=5150/22.4(20273)/273=246.75Kmolh （3）混合气体密度V

WVM

mV

G 26.493×246.75 = 6536.41Kgh

v

WvQv

1.82kgm

mM

3

PVnRTPM

1TmV

RT

RTRT



12



T2T1

v(300K)v(273K)

273303

1.182

273303

1.0650Kg/m

3

2．液体物理性质及工艺参数： （1）液体密度和粘度

因为吸收液中NH3的含量很低，近似认为

3

V水 L水

水995.7Kgm 水0.8007mPas

（2）液体流量

L

Gmin

y1y2xe1x2

m

EPT



122.57101.325

1.210

y10.02 y20.020.1%210

5

xe1

y1m



0.021.210

0.0165 x20

5

LL

Gmin

0.022100.01650

1.2109

G1.1~2Lmin * 查 《化工原理》（上）附表 *

3

2

比例系数取2进行计算，喷淋密度U5.44m/(mh),U＜Umin,不符和设计要求。因此，假定L的大小，经计算的乙下数据：（表二）

计 算 数 据

依据设计要求，U＞1.1Umin，u值0.2~1.0m/s,u/uf在50%～80%范围内，塔径只有1.40m的设计尺寸。根据以上设计要求，L=1900Kmol/h才能符合设计要求。 本次设计计算，取L1900Kmolh WLM 即当L

34200246.75

6.4LGmin时

H2O

L19001834200Kg/h

（3）氨的含量：L(x1x2)G(y1y2)

代入数据：1900(x10)246.75(0.022105) x10.0026

（4）确定操作过程为等温吸收：

因为混合气中氨气含量很少，可以认为溶解到液体中的NH3所放出的热量绝大部分被液体吸收。 NH3溶解的放热速率：

30C时，34900KJKmol CP水4.17KJ（为NH3在水中的熔解热，CPCP水）

Q(x1x2)L0.0026190034900172406KJ/h

t

QCPWL



1724064.1734200

1.209C

KgC

一般，当气体溶解温度变化小于5度时，操作过程可视为等温过程。

3．填料物理性质及工艺参数：（表三）(填 料 工 艺 尺 寸)

4.塔径计算

L1900Kmol/h WL34200Kg/h

WLV

WVL



0.5

1.0650

6536.41995.7

34200

0.5

0.171

查《化工原理》P199图10-54得：

u

2F



VL

0.2

gL

1

0.096

；又因液体是清水，

25×25×2.5mm陶瓷拉西环（乱堆）的填料因子400m

故液体密度校正系数1，水的粘度L0.8007mPas 。

uF

0.096gL

V

0.2L



0.0969.81995.740011.0650.8007

0.2

1.517ms

一般空塔气速为泛点气速的50%-80%，且一般填料塔的气速范围为0.21.0ms，此可取空塔气速为泛点气速的60% 。

u0.60uF0.601.5170.9102ms

QV(4)u

45150

*D

0.91023600

1.41m

圆整得：D=1.40m 再算空塔气速：*u

QV



2

45150

4

D

1.43600

2

0.9293ms

泛点率（安全系数）：*

uuF



0.92931.517

61.25%

因为填料规格为25×25×2.5。塔径与填料尺寸之比大于8，又因为填料尺寸小于75mm，故取LW

UminLW

min

0.08m

3

mh，则最小喷淋密度：

3

min

0.0819015.2 m

m

2

h



34200

操作条件下的喷淋密度为：*U

QLS



995.7



4

22.31m

2

3

m

2

h



1.4

为安全起见，喷林密度应略大于1.1Umin ，1.1Umin= 16.72 m

因此，吸收塔的喷淋密度符合标准 5. 每米填料层的压降

横坐标：：

WLWV

2

3

m

2

h



(

VL

)

0.5

0.17

纵坐标 ： u

VL

gL

0.2

(

uuF

)

2

ufVuL

gL

20.2

(0.6125)0.0960.036

2

P查化工原理（下）P199图得 Z

335Pa/m

（二）塔高的计算

1． 传质单元数：

y(y1mx1)(y2mx2)

m

ly1mx

1n

y2mx2

y1y1mx10.021.210.00260.01685

y2y2mx5

2210

0210

5

对数平均推动力： yy1mx1)(y2mx2)

.01685210

5

m

(

00.00250

ly1mx1n

yl0.01685n

2mx2

210

5

传质单元数： Ny1y20.02210

5

OG

y

m

0.00250

8.0

2． 传质单元高度：

（1） 计算气相传质单元高度HG

H3600

'

0.25

G

36.1R(1

VL0.75

C2C3

GCa

VG

V)

C1G

①VG和VL的计算： *L22.313/

W

Ua190

0.117m

h 查表得液膜厚度 表0.043cm'

'

1

1

修正系数 B(

LL995.70.8007)3(

)31.078

LL

998.2.005

液膜厚度 

0.043

0.043B



1.078

0.0399cm

持液量 a0.039910

2

1900.0758m

3

h

湿空隙率 '

0.780.07580.70419m3

m3

查液体表面速度VL表0.077m/s

VL0.06B0.0771.0780.0830ms

气体表面速度 VG

u



'



1.3197 ms

0.70419

0.9293

② 气相物性因数C：C(

V10V

)

0.25

Dg

0.5

C1.42



1.420.76

100

0.720.71

55%0.719595%0.75

100

③浓度较正系数C1：

C1

(Pp)lm

P



(PpL)(PpG)

Pln

PpLPpG

可溶性气体在气相中的浓度不超过5%—10%，C1可视为1。

④ 压力较正系数C2：

C2P0.25 （P为系统总压，单位：atm） 所以 C210.251 ⑤温度较正系数C3： C3

293TG

(Tf293

)

0.56



12.2TG

(Tf)

0.56

对于温度在60C以下的物系不考虑C3查表，25252.5mm陶瓷拉西环（乱

堆）的RG2.7，以上数据带入公式得：

HG

36000.7041936.12.70.75190

(1.3197)

0.75

(1

0.08301.3197

)

0.75

110.1869m

（2） 计算液相传质单元高度HL

H



C4C532.4RLCL

LW

0.3

L

查表得 25252.5mm陶瓷拉西环（乱堆）的RL0.88 相物性因数：

CL

L

10

L



0.53

DL

0.5

液相物性因数 CL0.05

润湿指数较正系数C4：

查表可知：乱堆拉西陶瓷环，25 n=0.75

0.2LW

0.2

0.117

0.750.7

C4(

)

n0.7

1.0272

③温度较正系数C5：

C5(

LLL

C4C5

'

L

'

)

0.53

(

293LTL

0.3

'

'

)

0.5

(

998.20.8007995.71.005

)

0.53

(

2930.80073031.005

)

0.5

0.78

H

L



32.4RLCL

LW

1.02720.7832.40.050.88

0.117

0.3

0.2953m

（3） 总传质单元高度：

HOGHG 3 . 填料层高度：

mGL

H

L

0.1869

1.210246.75

1900

0.29530.2333m

HNOGHOG0.23338.01.8664m

加上0.5m左右的保护高度，实际塔内填料高度约为2.3664m

填 料 塔 设 计 结 果 概 要（表四）

设 备 结 构 设 计

一、 塔身材料的选取：

本次设计壳体形式采用直立式圆筒形，上下采用椭圆形封头，以法兰连接。 由于设计的为氨的吸收塔，因此需要塔身的材料具有一定的“耐蚀性”，所以选用不锈钢材料制作塔身，由于本塔设计内径符合公称直径，所以由参考资料确定壁厚与壳体形式如上表。

参考资料：《化工过程及设备设计》P159表3-1

二、 封头的选取：

封头是容器的重要组成部分，工程实际中最常用的封头包括凸形封头（半球形、椭圆形、碟形和无折边球形）、锥形封头及平板封头等三种。在实际生产中，大多数中低压容器采用椭圆形封头，因此本塔采用椭圆形封头；一般长短轴之比为2，厚度比筒身厚度略大。

参考资料：《化工过程及设备设计》P160表

三、喷淋设备的选取：

设计吸收塔的内径为1400mm，根据相关资料应选取盘式喷淋器，相关设计参数见下表。

四、 填料及其支承的选取：

1. 填料的选择原则：

① 比表面积at要大。比表面积是指单位堆积体积调料所具有的表面积。 ② 能提供大的流体流量。即所选用的调料结构要敞开，使属于死角区域的空间小，

有效空隙绿大。

③ 液体的在分布性能好。

④ 具有足够的机械强度，价格低廉。

根据以上选择原则，本次设计采用的填料物：25×25×2.5mm拉西瓷环（乱堆），因为填料层高度未超过3倍塔径，所以不用分层。 2. 填料支撑结构的选择：

填料支撑结构不但要有足够的强度和刚度，而且必须有足够的自由截面，使

在支撑处不致首先发生泛液。设计采用栅板支撑结构。

① 栅板必须有足够的自由截面，一般与调料自由截面大致相等，相应的构成栅板

的扁条钢的间距，约为填料环直径的0.6～0.8倍。 ② 根据塔径大小，栅板可制成整块或分块。本次设计塔径1400mm，采用分块栅板，

每块栅板直径300～400mm。

*《化工过程及设备设计》化工出版社 P105

栅 板 结 构 尺 寸

五、 管口结构：

1. 气体进出口管：

根据气体在输气管中的流速u气=15—25m/s计算进气管内径范围。 ∵Qv

14

2

du ∴*d内

支 撑 圈 结 构 尺 寸

4Q液

u



451503600u

270348mm

根据参考资料，选用φ89×4mm规格的无缝钢管，直管，气体进口管伸到塔中心线位置，管末铣去一水平方向的长方形开口方向向下的切口，使气体转折向上。

气体出口管采用与气体进口管相似的结构尺寸。 2. 液体进出口管

根据液体在输液管仲流速 u液=1—3m/s,计算输液管内径取值范围。 ∵QL

14

du ∴*d内

2

4Q液

u



434200/995.73600u

63.6110.2mm

热 扎 无 缝 钢 管 管 径 尺 寸

根据参考资料，选取φ89×4mm规格的无缝钢管，弯管，进口管直接连接喷淋装置。 液体出口管采用与液体进口管相似的结构尺寸

3. 填料卸出口尺寸可按塔径大小在人孔，手孔的标准尺寸中进行选择。 六、 裙座结构

设计采用圆筒型裙座结构，吸收塔内径1400mm，裙座高度500cm，裙座厚度选择比塔体厚度稍大15mm。

检 查 孔 结 构 尺 寸 与 位 置

排 气 管 结 构 尺 寸 与 位 置

七、 泵的选取 管路选用无缝钢管：ε=0.2mm 液体体积流量：*QL

WL3600L



360003600995.7

0.01004m/s39.6m/s

3

3

输液管截面：输液管规格 φ83×4mm无缝钢管，管截面积

a

4

d

2



(0.08320.004)

4

2.2818m/s

2

2

0.0044m

液体流速：*uL

0.010040.0044

管路阻力损失计算：塔高约10m，考虑局部阻力损失以及贮液池与塔的距离，管路当量长度取15m，即le=15m。 *雷诺数：Re相对粗糙度：



d

du







(0.08320.004)995.710002.2818

0.8007

2.666710

3

2.12810

5

4000

0.28324

在图中查找，可知 0.026 *hf

ledu

2

2u

0.025

15

(0.08320.004)

2.2818

2



2.2818

2

2

13.016m

2

*Hez

2g

H

f

10

29.81



13.0169.81

11.86m

八、 风机的选取 每米填料层压降为

Pz

390Pa/m，填料层高2.527米。 67503600

1.857m/s

3

*气体体积流量：Qv

输气管截面积：输气管规格φ402×9mm

2(0.40220.002)

a

4d



4

1.8570.1158

0.1158m

2

气体流速：u

16.19m/s

雷诺数：Re

设ε=0.3mm，

du



4000



d



0.340229

0.00078

查表可知 λ=0.019

管路损失：考虑局部阻力损失取当量长度le=15m *hf

ledu

2

2

0.019

15

(0.40220.009)



16.192

2

97.27J/Kg

孔板流量计阻力损失为4.0kPa 全压： *PTzg

101.0659.81

16.192

2

u2

2

Hfg

Pz

2.44000

1.06697.271.0663902.440006.2458kPa

在测定条件下：

1.2

6.24587.038kPa *PTPT

1.065

*根据资料，选取型号为9—18—101No.6的风机。

参 考 资 料

1．《化学工程手册-3》——————————化学工业出版社 2．《化工容器及设备简明设计手册》————华东化工学院出版社 3．《化工设备机械基础》—————————化学工业出版社 4．《化工设备机械设计基础》———————化学工业出版社 5．《化工设备机械基础课程设计指导书》——化学工业出版社 6．《化工设备设计基础》—————————化学工业出版社 7．《化工（含轻工）类毕业设计指导书》——中央广播大学出版社 8．《化学工程及设备设计》————————华南理工大学出版社 9．《化学工艺设计手册》—————————化学工业出版社 10．《化工机械及设备》——————————吉林科学技术出版社 11．《化工原理》（第二版）————————化学工业出版社

12. 《化学工程手册》第一版 ——————— 化学工业出版社 13. 《化工原理》(下册) —————————— 天津科学技术出版社 14. 《化学工程手册》第二版(上卷) ———— 化学工业出版社

符 号 说 明

a 比表面积 m2/m

3

T 计算温度（20℃）

B 校正系数 T’ 操作温度（30℃） C 气相物性因数 U 喷淋密度m3/m2h C1 浓度校正系数 Umin最小喷淋密度m3/m2h C2 压力校正系数 u空塔气速m/s C3 温度校正系数（对气相影响） uF泛点气速 m/s C4 润湿率指数校正系数 VL液体表面气速m/s C5 温度校正系数 VG实际气速m/s CL 液相物性因数 WV气体质量流量kg/h Cp 水的比热 WL液体质量流量kg/h D 塔径 x1液相出口摩尔分数 D2

L 组分在液相中的扩散系数cm/s x2液相进口摩尔分数 DG 组分在混合气体中的扩散系数cm2/s y1气相入口摩尔分数 E 亨利系数kpa y2气相出口摩尔分数 G 气相摩尔流率koml/h △ym 平均推动力 G 重力加速度m2/s ρV混合气密度kg/m3 H 填料层高度 m ρL’清水密度kg/m3 HG 气相传质单元高度m ρL清水密度kg/m3 HL 液相传质单元高度m Г持液量m3/m3 HOG 总传质单元高度 m ε干填料空隙率m3/m3 LW 液体润湿率m3/mh ε’湿填料空隙率m3/m3 L 液相摩尔流率koml/h δ液膜厚度m MV 混合气体平均分子量kg/kmol η回收率(%) MS 水的摩尔质量(18kg/kmol) μG混合气体黏度 M 相平衡常数 μL液体黏度(20℃) NOG气相传质单元数 μL’液体黏度(30℃) P 操作压强 1atm φ 填料因子 QV气体体积流量 m3/h Φ 熔解热KJ/Kmol RG气膜填充系数 Ψ 液体密度校正系数 RL液膜填充系数

结束语：

两个星期的课程设计很快就要结束了，我们的心情非常复杂。我们有了一种成就感。在我们学生生涯的十几年中，我们终于知道我们学习这些枯燥的知识应该用在哪里，将所学的知识和实际工作结合起来。 这是一件多么让我们振奋的事情呀！在这次课程设计当中，我们不及对我们的专业有了一次深刻的了解，而且对计算机知识也有了进一步的掌握。像WORD和AUTO CAD我们都运用的非常熟了。

然而，我们对我们又有一种危机感，我们拿到任务书时，几天过去了，还是没有一点进展，这充分反映了我们所学的专业知识不系统、不扎实，缺乏实践经验。在以后的学习中，这是我们着重应该改变的地方。这给我们敲了一声警钟，我们应该时时记在心中，用来鞭策自己。还有一份心情，相信老师和我们也有同感。就是在新年即将来临之际，我们还在记访一夜一夜的为课设奋斗，您应该能体会到我们的心情。

最后，由于时间的原因，我们的设计还存在许多漏洞。比如进行应力计算，到工厂中去亲自向工程师和工人们学习解决实际问题的方法。