《化工原理》课程设计水吸收氨气填料塔设计 (9)

《化工原理》课程设计水吸收氨气填料塔的设计

设计任务书

水吸收氨气填料塔设计

（一）设计题目

试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2000 m3/h，其中含氨为8% （体积分数），混合气体的进料温度为25℃。要求塔顶排放气体回收率为98%

（二）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倍数自己确定

（三）填料类型

聚丙烯阶梯环吸收填料塔

（四）设计内容

（1）设计方案的确定和说明

（2）吸收塔的物料衡算；

（3）吸收塔的工艺尺寸计算；

（4）填料层压降的计算；

（5）液体分布器简要设计；

（6）设计参数一览表；

（7）绘制生产工艺流程图

（8）绘制吸收塔设计条件图（A3号图纸）；

（9）对设计过程的评述和有关问题的讨论。

目录

概述 (1)

一设计任务及操作条件 (1)

二设计方案 (2)

1设计方案简介 (2)

1．1设计方案的确定 (2)

1.1.1设计工艺流程的确定 (2)

1.1.1.1逆流操作 (2)

1.1.1.2并流操作 (2)

1.1.1.3吸收剂部分再循环 (2)

1.1.1.4多塔串联操作 (2)

1.1.2吸收剂的选择 (3)

1．2填料的选择 (3)

2工艺计算 (6)

2.1 基础物性数据 (6)

2.1.1液相物性的数据 (6)

2.1.2气相物性的数据 (6)

2.1.3气液相平衡数据 (6)

2.1.4 物料衡算 (7)

2.2 填料塔的工艺尺寸的计算 (8)

2.2.1 塔径的计算 (8)

2.2.2 填料层高度计算 (10)

2.2.3 填料层压降计算 (12)

2.2.4 液体分布器简要设计 (13)

2.2.4.1液体分布器的选型 (13)

2.2.4.2布点密度计算 (14)

2.2.4.3布液计算 (14)

3.设备的计算及选型 (14)

3.1 填料支承设备 (14)

3.2填料压紧装置 (15)

3.3液体再分布装置 (16)

4.设计参数一览表 (16)

5.设计评述 (17)

6.参考文献 (17)

7.主要符号说明 (18)

三、1.工艺流程图 (19)

2.设计条件图 (20)

概述

在化工、炼油、医药、食品及环境保护等工业部门，塔设备是一种重要的单元操作设备。其作用实现气—液相或液—液相之间的充分接触，从而达到相际间进行传质及传热的过程。它广泛用于蒸馏、吸收、萃取、等单元操作，随着石油、化工的迅速发展，塔设备的合理造型设计将越来越受到关注和重视。塔设备有板式塔和填料塔两种形式，下面我们就填料塔展开叙述。

填料塔的基本特点是结构简单，压力降小，传质效率高，便于采用耐腐蚀材料制造等，对于热敏性及容易发泡的物料，更显出其优越性。过去，填料塔多推荐用于0.6∽0.7m以下的塔径。近年来，随着高效新型填料和其他高性能塔内件的开发，以及人们对填料流体力学、放大效应及传质机理的深入研究，使填料塔技术得到了迅速发展。

气体吸收过程是化工生产中常用的气体混合物的分离操作，其基本原理是利用气体混合物中各组分在特定的液体吸收剂中的溶解度不同，实现各组分分离的单元操作。板式塔和填料塔都可用于吸收过程，此次设计用填料塔作为吸收的主设备。

一、设计任务和操作条件

○1混合气（空气、氨气蒸气）处理量2000m3∕h;

○2进塔混合气含氨气体积分数8.0%，温度25℃；

○3进塔吸收剂（清水）的温度为20℃；

○4丙酮回收率98%；

○5操作压力为常压。

二、设计方案

1设计方案简介

1．1设计方案的确定

1.1.1吸收工艺流程的确定

吸收装置的流程主要有以下几种。

1.1.1.1逆流操作

气相自塔底进入塔顶排出，液体反向流动，即为逆流操作。逆流操作的特点是，传质平均推动力大，传质速率快，分离程度高，吸收剂利用率高。工业上多采用逆流操作。

1.1.1.2并流操作

气液两相均从塔顶流向塔底，此即并流操作。其特点是系统不受液流限制，可提高操作气速，以提高生产能力。其通常用于以下情况：当吸收过程的平衡曲线较平坦时，流向对吸收推动力影响不大；易溶气体的吸收或处理的去气体不需要吸收很完全；吸收剂用量特别大，逆流操作易引起液泛。

1.1.1.3吸收剂部分再循环操作

在逆流操作系统中，用泵将吸收塔排出液体的一部分冷却后与补充的新鲜吸收剂一同送回塔内，即为部分再循环操作。通常用于已下情况：当吸收剂用量较小，为提高塔的液体喷淋密度；对于非等温吸收过程，为控制塔内的温升，需取出一部分热量。该流程特别适宜于平衡常数m很小的情况，通过吸收液的部分再循环，提高吸收剂的使用效率。其平均推动力要低，接需设置循环泵，操作费用增加。

1.1.1.4多塔串联操作

若设计的填料层高度过大，或由于所处理物料等原因需经常清理填料，为便于维修，可把填料层分装在几个串联的塔内，每个吸收塔通过的吸收剂和气体量都相等，即为多塔串联操作。此种操作因塔内需留较大空间，输液，喷淋，支撑板等辅助装置增加，使设备投资加大。

综上所述，在实际应用中，根据生产任务、工艺特点，该设计选用逆流操作的流程装置。

1.1.2吸收剂的选择

对于吸收操作，选择适宜的吸收剂，具有十分重要的意义。其对吸收操作过程的经济性有着十分重要的影响。一般情况下，选择吸收剂，要着重考虑如下问题：

（1）对溶质的溶解度大。

（2）对溶质有较高的选择性。

（3）.挥发度要低。

（4）再生性能好。

（5）吸收剂的黏度小，有利于气液两相接触良好，提高传质速率。

（6）吸收剂应具有良好化学稳定性好，不易燃，无腐蚀性，无毒，易得，廉价等特点。

用水吸收丙酮属中等溶解度的吸收过程，为提高传质效率和分离效率，选用逆流吸收流程，此过程吸收剂利用率也较高。因用水作为吸收剂，且丙酮不作为产品，故采用纯溶剂。

采用常规逆流操作流程，流程如下：

（流程说明:混合气体进入吸收塔，与水逆流接触后，得到净化气排放；

吸收丙酮后的水，经取样计算其组分的量，若其值符合国家废水排放标

准，则直接排入地沟，若不符合，待处理之后再排入地沟。）

1.2填料的选择

填料塔的基本特点是结构简单，压力降小，传质效率高，便于采用耐腐蚀材料制造等，对于热敏性及容易发泡的物料，更显出其优越性。填料的选择包括填料的种类、规格及材质等。所选的填料既要满足生产工艺的要求，又要使设备投资和操作费用低。

几种典型的散装填料：

（1）拉西环填料

拉西环填料于1914年由拉西（F. Rashching）发明，为外径与高度相等的圆环。拉西环填料的气液分布较差，传质效率低，阻力大，通量小，目前工业上已较少应用。

（2）鲍尔环填料

鲍尔环填料是对拉西环的改进，在拉西环的侧壁上开出两排长方形的窗孔，被切开的环壁的一侧仍与壁面相连，另一侧向环内弯曲，形成内伸的舌叶，诸舌叶的侧边在环中心相搭。鲍尔环由于环壁开孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率，气流阻力小，液体分布均匀。与拉西环相比，鲍尔环的气体通量可增加50%以上，传质效率提高30%左右。鲍尔环是一种应用较广的填料。

（3）矩鞍填料填料

矩鞍填料将弧鞍填料两端的弧形面改为矩形面，且两面大小不等，即成为矩鞍填料。矩鞍填料堆积时不会套叠，液体分布较均匀。矩鞍填料一般采用瓷质材料制成，其性能优于拉西环。目前，国内绝大多数应用瓷拉西环的场合，均已被瓷矩鞍填料所取代。

（4）阶梯环填料

阶梯环填料是对鲍尔环的改进，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。

（5）金属环矩鞍填料

金属环矩鞍填料环矩鞍填料（国外称为Intalox）是兼顾环形和鞍形结构特点而设计出的一种新型填料，该填料一般以金属材质制成，故又称为金属环矩鞍填料。环矩鞍填料将环形填料和鞍形填料两者的优点集于一体，其综合性能优于鲍尔环和阶梯环。

填料的种类的选择要考虑分离工艺的要求，如传质效率、通量、填料层的压降、填料的操作性能，还要便于安装、拆卸和检修。

填料的规格的选择有散装填料规格和规整填料规格。填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。选择填料材质应根据吸收系统的介质，工艺物料的腐蚀性及操作温度而定。对于腐蚀性介质应采用相应的抗腐蚀性材料，如陶瓷，塑料，玻璃，石墨，不锈钢等，对于温度较高的情况，应考虑材料的耐温性能。

综上所述，用水吸收丙酮是在t=25℃，P=101.3kPa的条件下进行的，其操作温度及操作压力较低，考虑到耐有机溶剂的腐蚀和价廉，所以工业上选用塑料散装填料。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DN50聚丙烯阶梯环填料。

表1 国内阶梯环特性数据

2工艺计算

2.1 基础物性数据 2.1.1液相物性的数据

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。由手册查的，20℃水的有关物性数据如下： 密度：ρ1 =998.20kg ／m 3

黏度：μl=1.00mPa ·s=3.6kg/(m ·h) 表面张力：σL =72.69 dyn/cm=942062 kg/h 2

氨气在20℃水中的扩散系数: D L =1.76×10-9m 2/s=6.34×10-6m 2/h

2.1.2气相物性的数据

混合气体平均摩尔质量：

M VM =Σy i M i =0.080×17+0.920×29=28.04g/mol 混合气体的平均密度： ρvm =

RT

PM VN

=101.3×28.04/(8.314×298)=1.15kg/m 3 混合气体的黏度可近似取为空气的黏度，查手册的25℃空气的黏度： μV =1.835×10—5Pa ·s=0.066kg/(m ·h)

查手册得氨气在25℃空气中扩散系数： D v = 0.236cm 2/s=0.085m 2/h 2.1.3气液相平衡数据

氨-水系统在低浓度（X<0.01）是符合亨利定律的.

20℃下氨水的亨利系数为76.99kPa. 相平衡常数为

m=E/P=76.99/101.3=0.76 溶解度系数为

72

.002

.1899.7620

.998=?=

=s

L

EM H ρ)/(3m kPa kmol ?

2.1.4 物料衡算

进塔气相摩尔比：Y 1=

1

1

y 1y —=0.08／（1—0.08）=0.087 出塔气相摩尔比:00174.0)98.01(087.0)1(12=-=-=ηY Y 进塔惰性气相流量：

h kmol V /25.75)08.01(25

273273

4.222000=-+?=

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，即：

（

V L ）min =2

121m X Y Y Y —／— 对纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为 X 2=0，则

74.00

76.0/087.000174.0087.0)(min =--=V L 取操作液气比为最小液气比1.8倍，则

V

L

=1.8×0.74=1.332， 因此 L=1.332×75.25=100.23kmol ／h

由全塔物料衡算得：

V （Y 1—Y 2）=L （X 1—X 2）， 得X 1=75.25×(0.087—0.00174) ／100.23=0.064 2.2 填料塔的工艺尺寸的计算 2.2.1 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

h kg V

W /230015.12000=?=

液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即

h kg L W /14.180602.1823.100=?=

Eckert 通用关联图的横坐标为

25

.014.18065.01067.2)20

.99815.1(2300)(-?==L V W W V L ρρ

图1 填料塔泛点和压降的通用关联图（引自《化工原理》教材） 图中 'V 、'L ——分别为气液相流率，/kg h G ρ、L ρ——分别为气

液相密度，3/kg m

L μ——液相粘度， .mPa s ?——液相密度核正系数

Φ——实验测取的填料因子，

各种填料的Φ值载于填料性能表中g ——重力加速度2/m s 查图1得

22.02

.02=L L V F F g u μρρψφ

查表得

11.143-=m F φ

s m g u L

V F L

F /62.300.115.111.14320

.99881.922.022.02

.02

.0=?????=

=

μψρφρ

取 s m u u F /90.262.38.08.0=?== 由 m u

V D S

49.090

.214.33600

/200044=??==

π

圆整塔径，取D=0.50m 泛点率校核： s m u /83.25

.0785.03600

/20002

=?=

=F

u u

2.83／

3.62×100％=78.18％（在允许范围内） 填料规格校核：

81050

500>==d D 液体喷淋密度校核： 取最小润湿速率为 ()h m m L w ?=/08.03min 查表

3/2.1142m m a t =

)/(14.92.11408.0)(23min min h m m a L U t w ?=?== min 2

32

)/(22.95

.0785.020.998/02.1823.100U h m m U >?=??=

经以上校核可知，填料塔直径选用D=500mm 合理。

2.2.2 填料层高度计算 022*==mX Y

57.023.10025

.7576.0=?==

L mV S 20.7]57.00

00174.00

087.0)57.01ln[(57.011])1ln[(112221=+----=+----=*

*S Y Y Y Y S S N OG

气相总传单元高度采用修正的思田关联式计算：

})()()()(45.1ex p{12

.005.01.075.02

2

2

t

L L L L t L L t L L c t w U g U U ασρραμασσαα---= 2/427680/33h kg cm dyn c ==σ

液体质量通量为U L =100.23×18.02／(0.785×0.62)=6391.17kg/(m 2·h)

})()()()(45.1exp{12.02

05.0221.075.0t L L L L t L L t L L c t w a U g a U a U a a σρρμσσ?????--=-=1—exp{—1.45×（427680／942062）0.75×[6391.17／（114.2×3.6）]

0.1

×[6391.17^2×114.2／

（998.202×1.27×108）] -0.05 ×[6391.172／（998.20×942062×114.2）] 0.2}=0.31

aw=0.31×114.2=35.40m 2/m 3

气膜吸收系数由下式计算： )()(

)(

237.03/17.0RT

D D U k V

t V V V V

t V

G αρμμα= 气体质量通量为Uv=2000×1.15／ (0.785×0.62)=8138.71kg/(m 2·h)

)

/(11.0)293314.8085

.02.114()085.015.1066.0()066.02.11471.8138(237.023/17.0kPa h m kmol k G ??=????=液膜吸收系数由下式计算：

2/3

1/2

1/3

0.0095L L L L w L L L L U g k a D μμμρρ-??

????

= ?

? ?????

??

h m k L /42.0)20

.9981027.16.3()1034.620.9986.3()6.340.3517.6391(

0095.03

/18

2/163/2=?????=-- 由 1.1=ψw G G a k a k ，查表 1.45=ψ

则 )/(86.545.140.3511.031.1kPa h m kmol a k a k w G G ??=??==1.1ψ

h a k a k w L L /25.1745.140.3542.04.04.0=??==ψ

%50%18.78>=F

u u

由 ,])5.0(6.21[',])5.0(5.91[2.24.1a k u u

a k a k u u a k L F

L G F G -+=-+='得

)/(31.1586.5])5.07818.0(5.91[34.1kPa h m kmol a k G ??=?-+=' h a k L /01.2025.17])5.07818.0(6.21[2.2=?-+=' 则 )/(42.701.2072.0131.1511

111

3kPa h m kmol a k H a k a K L G G ??=?+

=

'+'=

由 m aP K V a K V H G Y OG 51.05.0785.03.10142.725

.752=???=Ω=Ω=

由m N H Z OG OG 67.320.751.0=?== 取上下活动系数为1.25

m Z 59.467.325.1≈?=' 设计取填料层高度为 m Z 0.5=' 查表，对于阶梯环填料，15~8=D

h

，m h 6max ≤。 取

8=D

h

，则 mm h 40005008=?=<5.0m 故需分段,每段2.5m

2.2.3 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

25

.014.18065.01067.2)20

.99815.1(2300)(-?==L V W W V L ρρ 查表1 180-=Φm P 纵坐标为

22.0221052.76.320

.99815

.181.918083.22.0-?=????=ΦL L V P g u μρρψ

查图1得

Pa

m

Z

=

?

/m

P?

Pa

500

/

)

500

~

/

(

150

全塔填料层压降为

?

500=

?

=

0.4

Pa

P2000

2.2.4 液体分布器简要设计

2.2.4.1液体分布器的选型

液体分布器可分为初始分布器和再分布器，初始分布器设置于填料塔内，用于将塔顶液体均匀的分布在填料表面上，初始分布器的好坏对填料塔效率影响很大，分布器的设计不当，液体预分布不均，填料层的有效湿面积减小而偏流现象和沟流现象增加，即使填料性能再好也很难得到满意的分离效果。因而液体分布器的设计十分重要。特别对于大直径低填料层的填料塔，特别需要性能良好的液体分布器。

液体分布器的性能主要由分布器的布液点密度（即单位面积上的布液点数），各布液点均匀性，各布液点上液相组成的均匀性决定，设计液体分布器主要是决定这些参数的结构尺寸。对液体分布器的选型和设计，一般要求：液体分布要均匀；自由截面率要大；操作弹性大；不易堵塞，不易引起雾沫夹带及起泡等；可用多种材料制作，且操作安装方便，容易调整水平。

液体分布器的种类较多，有多种不同的分类方法，一般多以液体流动的推动力或按结构形式分。若按流动推动力可分为重力式和压力式，若按结构形式可分为多孔型和溢流型。其中，多孔型液体分布器又可分为：莲蓬式喷洒器、直管式多孔分布器、排管式多孔型分布器和双排管式多孔型分布器等。溢流型液体分布器又可分为：溢流盘式液体分布器和溢流槽式液体分布器。

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。它具有较大的操作弹性和极好的抗污堵性，特别适合于大气液负荷及含有固体悬浮物、粘度大的液体的分离场合，应用范围非常广泛。

2.2.4.2布点密度计算

Eckert的散装填料塔分布点密度推荐值

按 Eckert 建议值，D=400时，喷淋点的密度为330点／m 2，D=750时，喷淋点的密度为170点／m 2，设计取喷淋密度为280点／m 2。 布液点数为

n=0.785 ? 0.52 ? 280≈55点, 实际为54点

2.2.4.3布液计算 由H g n d L s ?=

24

20φπ

取 0.6φ=， 160H mm ?=

mm m H g n L d s 34.300334.0))

16.081.92(6.05414.3360020.998/14.18064()24(

2

/12/10==???????=?=）（φπ

设计取d 0=3.34mm.

3.设备的计算及选型

3.1 填料支承设备

支填料支承装置用于支承塔填料及其所持有的气体、液体的质量，同时起着气液流道及气体均布作用。故在设计支承板是应满足下列三个基本条件：（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。

用竖扁钢制成的栅板作为支承板最为常用，如下图中的（a ）。栅板可以制成整块或分块的。一般当直径小于500mm 时可制成整块；直径为600～800mm 时，可以分成两块；直径在900～1200mm 时，分成三块；直径大于1400mm 时，分成四块；使每块宽度约在300～400mm 之间，以便拆装。

栅板条之间的距离应约为填料环外径的0.6～0.7。在直径较大的塔中，当填料环尺寸较小的，也可采用间距较大的栅板，先在其上布满尺寸较大的十字分隔

瓷环，再放置尺寸较小的瓷环。这样，栅板自由截面较大，如下图（c ）所示。

当栅板结构不能满足自由截面要求时，可采用如下图（b ）所示的升气管式支承板。气相走升气管齿缝，液相由小孔及缝底部溢流而下。这类支承板，有足够齿缝时，气相的自由截面积可以超过整个塔德横截面积，所以绝不会在此造成液泛。

本设计塔径D=500mm ，采用结构简单、自由截面较大、金属耗用量较小，由竖扁钢制成的栅板作为支承板，将其制成整块，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，作为过渡支承，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。

填料支撑装置对于保证填料塔的操作性能具有重大作用。采用结构简单、自由截面较大、金属耗用量较小的栅板作为支撑板。为了改善边界状况，可采用大间距的栅条，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mm 50φ的填料，所以可用mm 75φ的十字环。

塔径D=500mm ，设计栅板制成整块，每块宽度为400mm ，每块重量不超过 700N ，以便从人孔进行装卸。

（a ）栅板 （b ）升气管式 （c ）十字隔板环层

3.2填料压紧装置

填料上方安装压紧装置可防止在气流的作用下填料床层发生松动和跳动。填料压紧装置分为填料压板和床层限制板两大类，每类又有不同的型式，填料压板自由放置于填料层上端，靠自身重量将填料压紧。它适用于陶瓷、石墨等制成的易发生破碎的散装填料。床层限制板用于金属、塑料等制成的不易发生破碎的散

装填料及所有规整填料。床层限制板要固定在塔壁上，为不影响液体分布器的安装和使用，不能采用连续的塔圈固定，对于小塔可用螺钉固定于塔壁，而大塔则用支耳固定。本设计中填料塔在填料装填后于其上方安装了填料压紧栅板。

3.3液体再分布装置

气液两相在填料层中流动时，受阻力的影响，易发生偏流现象，导致乱堆填料层内气液分布不均，使传质效率下降。为防止偏流，可间隔一定高度在填料层内设置再分布装置，将流体先经收集后重新分布。最简单的再分布装置为截锥式再分布器，其结构简单安装方便。故选择截锥式再分布器。

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 ,本设计取500×0.8=400mm，

i

为了增加气体流过是的自由截面积，在分配锥上开设4个管孔，锥体与塔壁夹角o o，取h=80mm。

取在35~45

4.设计参数一览表