氨气填料吸收塔课程设计

氨气填料吸收塔课程设计

氨气填料吸收塔课程设计

设计任务书

1.设计题目

本次设计任务为设计一座填料吸收塔，采用清水吸收混于空气中的氨气。混合气体的处理量为2000m3/h，其中含氨为8%（体积分数），混合气体的进料温度为25℃。要求排放气体中含氨低于0.05%（体积分数）。

2.操作条件

1）操作压力：常压

2）操作温度：20℃

3）吸收剂用量为最小用量的1.8倍。

3.填料类型

选择聚丙烯阶梯环填料。

4.设计内容

1）确定设计方案并进行说明。2）进行物料衡算。

3）计算吸收塔的工艺尺寸。4）计算填料层压降。

5）简要设计液体分布器。

6）绘制液体分布器施工图。7）计算吸收塔接管尺寸。

8）列出设计参数一览表。

9）绘制生产工艺流程图（A3号图纸）。

10）绘制吸收塔设计条件图（A3号图纸）。

11）对设计过程进行评述和有关问题的讨论。

目录

前言

1.水吸收氨气填料塔工艺设计方案简介

1.1 任务及操作条件

本设计任务为设计一座填料吸收塔，采用清水吸收混于空气中的氨气。混合气体的处理量为2000m3/h，其中含氨为8%

（体积分数），混合气体的进料温度为25℃。要求排放气体中含氨低于0.05%（体积分数）。

2.工艺计算

2.1 基础物性数据

2.1.1 液相物性的数据

2.1.2 气相物性的数据

2.1.3 气液相平衡数据

2.1.4 物料衡算

2.2 填料塔的工艺尺寸的计算

2.2.1 塔径的计算

2.2.2 填料层高度计算

2.2.3 填料层压降计算

前言

塔设备是炼油、石油化工、精细化工、食品、医药及环保等部门中使用量大应用面广的重要单元设备。它广泛用于蒸馏、吸收、萃取、洗涤、传热等单元操作中，一直是国内外学者普遍关注的重要课题。

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。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。

塔设备按其结构形式基本上可分为两类：板式塔和填料塔。以前在工业生产中，当处理量大时多用板式塔，处理量小时采用填料塔。近年来由于填料塔结构的改进，新型的、高负荷填料的开发，既提高了塔的通过能力和分离效能又保持了压降小、性能稳定等特点。因此，填料塔已经被推广到大型气、液操作

中，在某些场合还代替了传统的板式塔。如今，直径几米甚至几十米的大型填料塔在工业上已非罕见。随着对填料塔的研究和开发，性能优良的填料塔必将大量用于工业生产中。

液体分布器是填料塔中的重要组成部分，其设计直接影响到填料塔的操作效率和分离效果。液体分布器的设计应考虑到液相在塔内的分布情况、液相在填料层中的流动状态、液相的分布均匀性和稳定性等因素。因此，液体分布器的设计需要进行详细的计算和分析，以确保其性能优良。

在填料塔的辅助设备中，填料支承设备、填料压紧装置和液体再分布装置也是不可忽略的重要组成部分。填料支承设备主要用于支撑填料，保证填料在塔内的位置稳定；填料压紧装置则用于压紧填料，使填料在塔内不会移动；液体再分布装置则用于调节液相在填料层中的分布情况，保证液相在填料层中的均匀分布。

最后，本文提供了设计一览表，方便读者对填料塔的设计进行整体把握。同时，附录中提供了主要符号的说明和工艺流

程简图、主体设备设计条件图等附图，有助于读者更好地理解本文内容。

参考文献：

1.范文瀚。王立新。刘卫国。填料塔液体分布器的设计研

究[J]。化工科技。2015.39(5): 24-26.

2.XXX。XXX。XXX。填料塔液体分布器的设计与研究[J]。石油化工设备。2016.45(1): 68-71.

填料塔是各种分离设备中的代表，广泛应用于各类工业物系的分离。虽然塔体和塔内件等核心部分的设计是重点，但外部工艺和换热系统也需要根据具体的工程特殊性进行相应的改进。例如，在DMF回收装置的扩产改造项目中，可以利用原

常压塔塔顶蒸汽，在常压塔和新增减压塔之间采用双效蒸馏技术，既降低能耗，又提高产量。在硝基氯苯分离项目中，改变原来的多塔精馏和两端结晶工艺为单塔精馏和端结晶流程，并对富间硝基氯苯母液进行精馏分离，获得99%以上的间硝基

氯苯，既提高了产品质量，又降低了能耗。

分离技术是指在没有化学反应的情况下，分离混合物中特定组分的操作。这种操作包括蒸馏、吸收、解吸、萃取、结晶、

吸附、过滤、蒸发、干燥、离子交换和膜分离等。利用分离技术可以为社会提供大量的能源、化工产品和环保设备，对国民经济起着重要的作用。为了使填料塔的设计获得满足分离要求的最佳设计参数（如理论板数、热负荷等）和最优操作工况（如进料位置、回流比等），需要采用高效填料塔成套分离技术。新型填料塔成套分离工程技术在国内得到了广泛应用，具有高效、低阻、大通量等优点，广泛应用于化工、石化、炼油及其他工业部门的各类物系分离。

氨是化工生产中极为重要的生产原料，但其强烈的刺激性气味对人体健康和大气环境都会造成破坏和污染。氨具有腐蚀和刺激作用，可以吸收皮肤组织中的水分，破坏细胞膜结构，对人体健康造成危害。氨的溶解度极高，主要对动物或人体的上呼吸道有刺激和腐蚀作用，可麻痹呼吸道纤毛和损害粘膜上皮组织，使病原微生物易于侵入，减弱人体对疾病的抵抗力。氨通常以气体形式吸入人体，会破坏运氧功能，进而危及生命。

吸入大量氨气后会出现流泪、咽痛、咳嗽、胸闷、呼吸困难、头晕、呕吐、乏力等症状。若吸入氨气过多，导致血液中氨浓度过高，就会通过三叉神经末梢的反射作用而引起心脏的

停搏和呼吸停止，危及生命。因此，需要采取有效的防护措施，对氨的使用和储存进行严格管理，以减少对人体和环境的危害。

长期接触氨气可能导致皮肤色素沉积或手指溃疡等症状。吸入氨气后，它容易通过肺泡进入血液，与血红蛋白结合，破坏运氧功能。短期内吸入大量氨气后，可能会出现流泪、咽痛、声音嘶哑、咳嗽、痰带血丝、胸闷、呼吸困难等症状，严重者可能会发生肺水肿、成人呼吸窘迫综合症。因此，防止氨超标，吸收空气中的氨具有重要意义。

为了避免工业尾气中大量含氨气的废气直接排入大气造成空气污染，需要采用一定方法对工业尾气中的氨气进行吸收。本次课程设计的目的是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。填料塔具有结构简单、压降低、易用耐腐蚀材料制造等优点，能够提供巨大的气液传质面积，使吸收过程易于进行。

气体吸收是一种重要的分离操作，它在化工生产中主要用来分离混合气体以获得一定的组分，除去有害组分以净化气体，制备某种气体的溶液。一个完整的吸收分离过程包括吸收和解

吸两个部分，典型过程有单塔和多塔、逆流和并流、加压和减压等。

设计方案的任务是处理2000m3/h的混合气(空气、NH3)，进塔混合气含NH3 8% (体积分数)，温度为25℃。进塔吸收剂(清水)的温度为20℃，尾气中氨气含量为0.05% (体积分数)，

操作压力为常压101.3k Pa。填料塔是一种逆流操作，它能够

提供良好的气液接触，从而实现气体吸收分离的目的。

氨是化工生产中重要的原料，但其强烈气味对人体健康和大气环境都有害。为避免含氨气的工业尾气直接排入大气造成污染，需要采用吸收方法净化工业尾气。本次化工原理课程设计旨在采用填料吸收塔净化含氨气的工业尾气，达到排放标准。填料塔具有结构简单、压降低、易用耐腐蚀材料制造等优点，可节省大量人力和物力。

填料是填料塔的核心构件，提供气液传质与传热表面，其性能优劣决定填料塔操作性能。填料的比表面积越大，传质效率越高，与塔内件一起决定填料塔的性质。填料的选择包括种类、规格及材料，常需符合填料的塔径与填料公称直径比值。散装填料根据结构特点可分为环形、鞍形、环鞍形及球形等。

塑料填料的材质主要包括聚丙烯、聚乙烯及聚氯乙烯等，国内多采用聚丙烯。塑料填料耐腐蚀性能好，可耐一般无机酸、碱和有机溶剂腐蚀，耐温性良好。

采用水吸收氨气的操作条件为t=20℃，P=101.3kPa，操作温度及压力较低，选用塑料散装填料。在塑料散装填料中，塑料阶梯环填料综合性能较好，选用DN50聚丙烯阶梯环填料。填料特性数据见表1.

工艺计算：无。

2.1 基础物性数据

2.1.1 液相物性数据

在低浓度吸收过程中，可以近似使用纯水的物性数据。根据手册，20℃下水的相关物性数据如下：

密度：ρ1=998.2Kg/m3

粘度：μL=1.005mPa·S=0.001Pa·S=3.6Kg/(m·h)

表面张力：σL=72.6dyn/cm=Kg/h2

氨气在水中的扩散系数：DL=1.80×10-9m2/s=1.80×10-

9×3600 m2/h=6.480×10-6m2/h

2.1.2 气相物性数据（进塔混合气体温度为25℃）

混合气体的平均摩尔质量为：

MVM=ΣyiMi=0.080×17+0.920×29=28.04g/mol

混合气体的平均密度为：

ρvm=PMVN=101.3×28.04/(8.314×298)=1.146Kg/m3

混合气体的粘度可以近似取空气的粘度，查手册得25℃下空气的粘度为：

μV=1.835×10-5Pa·s=0.066Kg/(m·h)

根据化工原理教材，氨气在25℃下空气中的扩散系数为：Dv=0.236cm2/s=0.236×10^-4m2/s

2.1.3 气液相平衡数据

在20℃下，氨在水中的溶解度系数为

H=0.725kmol/(m3·kpa)，常压下20℃时XXX系数为：EL=ρLHM=998.2/(0.725×18.02)=76.40Kpa

相平衡常数为6.

2.1.4 物料衡算

进塔气相摩尔比为：

Y1=y11—y=0.080/(1—0.080)=0.0870

出塔气相摩尔比为：

Y2=0.0005/(1—0.0005)=0.

进塔惰性气相流量为：

V=2000/22.4×273/(273+25)×(1—0.080)=75.252Kmol/h

由于该吸收过程属于低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可以按如下公式计算：

L/V)min=Y1—Y2Y/(1-m)—X2

对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为X2=0，则：

L/V)min=(0.0870—0.)/(0.087/(0.754—0))=0.750

取操作液气比为最小液气比的1.8倍，则：

L/V=1.8×0.750=1.350

因此，L=1.350×75.252=101.59Kmol/h

通过全塔物料衡算得：

根据计算，填料塔直径选用D=500mm合理。接下来需要

计算填料层高度。NH3在空气中的扩散系数为D o=0.17cm2/s。根据D G=D o(o)()2，可以得到NH3在20℃，101.3kpa下在空

气中的扩散系数为D G=0.189cm2/s，液相扩散系数为D

L=1.80×10-9m2/s。根据脱吸因数公式，可以得到S=0.559.气

相总传质单元数为N OG=9.859.气相总传质单元高度采用修正

的恩田关联式计算，得到ULw=1-exp{-1.45(c)0.75(a)t-

0.05σUL/(μLρLg)}。液体质量通量为UL=9328.2Kg/m2·h，气

体质量通量为Uv=.0Kg/m2·h。根据表2可以查到不同材质的

бc值，而表面张力为σ=33dyn/cm=kg/h2.最终得到填料层高度。

填料支承装置用于支撑塔内填料和其中的气体、液体，同时起到了气液流道和气体均布的作用。在设计支承板时，需要满足以下三个基本条件：（1）自由截面与塔截面之比不小于

填料的空隙率；（2）要有足够的强度承受填料重量及填料空

隙的液体；（3）要有一定的耐腐蚀性。最常用的支承板是用

竖扁钢制成的栅板，可以制成整块或分块的。栅板条之间的距

离应约为填料环外径的0.6～0.7.如果栅板结构不能满足自由截面要求，可以采用升气管式支承板。填料支撑装置对于保证填料塔的操作性能具有重大作用，因此需要选择合适的支承板和填料压紧装置。

在本设计中，塔径为500mm，采用结构简单、自由截面较大、金属耗用量较小的竖扁钢制成的栅板作为支承板，制成整块，栅板条之间的距离约为24.7mm。为了改善边界状况，可以采用大间距的栅条，然后按正方形排列的瓷质十字环，作为过渡支撑，以取得较大的孔隙率。由于采用的是φ50mm的填料，所以可用φ75mm的十字环。每块栅板宽度为400mm，每块重量不超过700N，以便从人孔进行装卸。

填料压紧装置用于保证填料的紧密堆放，防止填料在操作过程中发生塌落。常见的压紧装置有压盖板、压盖环、压缩气体等。在本设计中，采用压盖板作为填料压紧装置。压盖板应该与填料支承板相适应，以保证填料的紧密堆放。压盖板的尺寸应该略大于填料支承板的尺寸，以便覆盖填料。在操作过程中，可以通过调整压盖板的紧固度来实现填料的紧密堆放。

本设计中，在填料层上方安装了填料压紧栅板，以防止填料床层在气流作用下发生松动和跳动。填料压紧装置分为填料压板和床层限制板两大类。填料压板适用于易碎的散装填料，如陶瓷和石墨，而床层限制板则适用于不易碎的散装填料和所有规整填料，如金属和塑料。床层限制板需要固定在塔壁上，但不能采用连续的塔圈固定，以免影响液体分布器的安装和使用。对于小塔，可以用螺钉固定于塔壁，而对于大塔，则需要用支耳固定。

为防止填料层内气液分布不均，降低传质效率，本设计在填料层内设置了再分布装置。最简单的再分布装置为截锥式再分布器，其结构简单方便。本设计采用的是分配锥形的再分布器，其最简单沿壁流下的液体用分配锥再将它导入中央截锥小头的直径一般为(0.7~0.8)D

i

本设计取500×0.8=400mm，并在分配锥上开设了4个管孔，锥体与塔壁夹角取在35~45度，高度为80mm，以增加气体流过时的自由截面积。

操作条件为20℃常压，液相密度为998.2kg/m3，液相粘

度为3.6kg/(m h)，混合气体平均摩尔质量为28.04g/mol，混合

气体平均密度、粘度和氨气在空气中的扩散系数分别为设计参数。此外，物料衡算数据、气相总传质、气相流量、液相流量、塔径、填料层高度、填料层压降、流量m、单元数和单元高

度等参数也在设计中考虑到了。

填料塔附件包括除沫器、液体分布器、填料压紧装置、填料支承板和二级槽等。本设计采用丝网式除沫器和截锥式液体再分布器。操作时，气相质量为101.59kmol/h，液相质量为75.25kmol/h，液气比为0.75，气相总传质为2292.01kg/h，填

料层高度为0.6m，填料层压降为0.59Kpa，流量m为4.52，

单元数为2.64，单元高度为9.85m。

主要符号说明：

在化工原理、化工制图和化工工艺设计手册等书籍中，常用的符号说明如上所示。这些符号代表了化工过程中的各种物理和化学参数，如液体密度、气体流量、摩尔分率等等。正确理解和使用这些符号是化工工程师必备的技能之一。

附图：

在化工工艺设计中，工艺流程简图和主体设备设计条件图是非常重要的。这些图表展示了化工过程中各个环节的关系和参数，有助于工程师进行设计和优化。常用的流程图包括逆流操作流程图、顺流操作流程图等。