化工原理课程设计

课程设计说明书水吸收氨填料吸收塔的设计课程名称：化工原理课程设计院系：生态与资源工程学院专业：生物工程年级（班级）：姓名：学号:指导教师：完成日期：2018年12月30日课程设计成绩评定表课程设计任务书目录1 引言 (1)2 填料塔主体设计方案的确定 (2)2.1 装置流程的确定 (2)2.2 填料的类型与选择 (2)2.2.1 填料种类的选择 (2)2.2.2 填料规格的选择 (4)2.3 基础物性数据 (5)2.3.1 液相物性数据 (5)2.3.2 气相物性数据 (5)2.3.3 气液相平衡数据 (6)2.4 物料衡算 (6)2.4.1 进塔气相摩尔比 (6)2.4.2 出塔气相摩尔比 (6)3 吸收塔的工艺尺寸计算 (7)3.1 填料塔塔径的计算 (7)3.2 填料层高度计算 (8)3.3 吸收塔高度计算 (11)4 填料层压降的计算 (11)5 吸收塔接管尺寸计算 (11)5.1 气体进料管 (11)5.2 液体进料管 (12)6 塔的辅助装置的选型 (13)6.1 液体分布器 (13)6.2 填料支撑装置 (14)7 设计一览表 (16)处理量为3500m3/h的水吸收氨填料吸收塔的设计1 引言在化学工业中，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。

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。

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。

利用混合气体中各组分在同一种液体(溶剂)中溶解度差异而实现组分分离的过程称为气体吸收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达到以下几种目的。

(1)分离混合气体以获得一定的组分。

(2)除去有害组分以净化气体。

(3)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。

2填料塔主体设计方案的确定2.1 装置流程的确定本次设计采用逆流操作：气相自塔低进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出，即逆流操作。

逆流操作的特点是：传质平均推动力大，传质速率快，分离效率高，吸收剂利用率高。

工业生产中多采用逆流操作。

2.2 填料的类型与选择填料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。

塔填料（简称为填料）是填料塔的核心构件，它提供了气、液两相相接触传质与传热的表面，其性能优劣是决定填料塔操作性能的主要因素。

填料的比表面积越大，气液分布也就越均匀，传质效率也越高，它与塔内件一起决定了填料塔的性质。

因此，填料的选择是填料塔设计的重要环节。

塔填料的选择包括确定填料的种类、规格及材料。

填料的种类主要从传质效率、通量、填料层的压降来考虑，填料规格的选择常要符合填料的塔径与填料公称直径比值D/d。

2.2.1 填料种类的选择填料种类很多，根据填料方式不同，可分为散装填料和规整填料两大类。

（1）散装填料。

散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积在塔内，又称为乱堆填料或颗粒填料。

散装填料根据结构特点不同，可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。

现介绍几种典型的散装填料。

①拉西环填料。

其结构为外径与高度相等的圆环，可用陶瓷、塑料、金属等材质制造。

拉西环填料的气液分布较差，传质速率低，阻力大，通量小，目前工业上已很少用了。

②鲍尔环填料。

鲍尔环是在拉西环的基础上改进而得。

其结构为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，可用陶瓷、塑料、金属等材质制造。

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，气体阻力小，液体分布均匀。

与拉西环相比，其通量可增加50%左右。

鲍尔环是目前应用较广的填料之一。

③阶梯环填料。

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。

阶梯环的综合性能优于鲍尔环，成为目前使用的环形填料中最为优良的一种。

④弧鞍填料。

弧鞍填料属鞍形填料的一种，其形状如同马鞍，一般采用瓷质材料制成。

弧鞍填料的特点是表面全部敞开，不分内外，液体在表面来那个侧均匀的流动，表面利用率高，流道呈弧形，流动阻力小。

其缺点是易发生套叠，致使一部分填料表面被重合，使传质效率降低。

弧鞍填料强度较差，容易破碎，工业生产应用不多。

⑤矩鞍填料。

将弧鞍填料两端的弧形面改成矩形面，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，均已被矩鞍填料所取代。

⑥环矩鞍填料。

环矩鞍填料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，是工业应用最为普遍的一种金属散装填料。

下图为几种实体填料：拉西环鲍尔环阶梯环弧鞍形填料矩鞍形填料图2-1附图几种实体填料（2）规整填料是按一定的几何图形排列，整齐堆砌的填料。

规整填料种类很多，根据几何结构可分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料等。

工业上应用的规整填料绝大部分为波纹填料。

波纹填料按结构分为网波纹填料和板波纹填料两大类，可用陶瓷、塑料、金属等材质制造。

金属丝网波纹填料是网波纹填料的主要形式，是由金属丝网制成的。

其特点是压降低、分离效率高，特别适用于精密精馏及真空精馏装置，为难分离物系、热敏性物系的精馏提供了有效的手段。

金属板波纹填料是板波纹填料的主要形式。

该填料的波纹板片上冲压有许多φ的小孔，可起到粗分配板片上的液体，加强横向混和作用。

波纹板mm4φ~mm6片上轧成细小沟纹，可起到细分配板片上的液体、增强表面润湿性能的作用。

金属孔板波纹填料强度高，耐腐蚀性强，特别适用于大气直径塔及气、液负荷较大的场合。

波纹填料的优点是结构紧凑，阻力小，传质效率高，处理能力大，比表面积大。

其缺点是不适用于处理黏度大、易聚合或有悬浮物的材料，且装卸、清理困难，造价高。

综上所述，经分析各填料特点、性能，本课设选择聚丙烯阶梯环填料。

2.2.2 填料规格的选择工业塔常用的散装填料主要有Dn16\Dn25\Dn38\ Dn76等几种规格。

同类填料，尺寸越小，分离效率越高，但阻力增加，通量减小，填料费用也增加很多。

而大尺寸的填料应用于小直径塔中，又会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率降低。

因此，对塔径与填料尺寸的比值要有一规定。

常用填料的塔径与填料公称直径比值D/d的推荐值列于。

表2-1常用填料的塔径与填料公称直径比值D/d的推荐值填料种类D/d的推荐值拉西环D/d≥20~30鞍环D/d≥15鲍尔环D/d≥10~15续表2-1填料种类D/d 的推荐值 阶梯环D/d>8 环矩鞍 D/d>82.3 基础物性数据2.3.1 液相物性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。

由手册查得 20 ℃水的有关物性数据如下：（1） 3i m /kg 2.998=ρ（2）黏度：h m /kg 6.3s pa /001.0i ⋅=⋅=μ（3）表面张力：2z h /kg 940896cm /dyn 6.72==σ（4）3320:0.725/CNH H kmol m kpa ︒=⋅（5）h /m 1034.6s /cm 1076.1:2026-253⨯=⨯=︒-L D CNH（6）:203CNH ︒h m s D V /068.0/189cm .022==2.3.2 气相物性数据（1）混合气体的平均摩尔质量为）（＝）（＝kmol /kg 4.282905.011705.0⨯-+⨯M (2-1)（2）混合气体的平均密度 由333m /kg 181.1293315.8104.28103.101＝＝＝⨯⨯⨯⨯-RT M P P V (2-2)R=8.314K KP ⋅⋅kmol /a m 3（3）混合气体黏度可近似取为空气黏度。

查手册得20C ︒时，空气的黏度551.7310622810/v pa s kg m h μ--=⨯⋅=⨯⋅注：211/N kg m s =⋅ 12211/1/Pa N m kg s m ==⋅ 1Pa..s=1kg/m.s 2.3.3 气液相平衡数据由手册查得，常压下，200C 时，NH 3在水中的亨利系数为 E=76.3kpa320NH C 时，︒在水中的溶解度: kpa m /kmol 725.03⋅＝H相平衡常数：0.7532Em P== (2-3) 溶解度系数:3998.2/76.318.020.726/LSH EM kmol kpa m ρ==⨯=⋅ (2-4)2.4 物料衡算2.4.1 进塔气相摩尔比为：0526.005.0105.0b ＝＝-Y (2-5)2.4.2 出塔气相摩尔比为：0002.0a ＝Y 对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为：0a ＝X (清水)混合气体摩尔流量：＝s V ）（＝h /kmol 58.1454.2212932733500⨯⨯ （2-6） 惰性气体流量：）（）＝（＝h /kmol 56.13805.0158.145-⨯G （2-7） 因为该吸收过程为低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比按下式计算。