氨气吸收(水)化工原理课程设计

设计任务书（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2200m3/h，其中含氨为8%（体积分数），混合气体的进料温度为25℃。

要求：氨气的回收率达到97% 。

（二）操作条件（1）操作压力：常压（2）操作温度：20℃（3）采用清水进行吸收，吸收剂的用量为最小用量的1.5倍。

（20C°氨在水中的溶解度系数为H＝0.725kmol/m3.kPa）（三）填料类型阶梯环填料。

采用散装聚丙烯DN50（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）绘制液体分布器施工图（7）吸收塔接管尺寸计算；（8）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）对设计过程的评述和有关问题的讨论。

目录1. 设计方案简介 (1)1.1设计方案的确定 (1)1.2填料的选择 (1)2. 工艺计算 (2)2.1 基础物性数据 (2)2.1.1液相物性的数据 (2)2.1.2气相物性的数据 (2)2.1.3气液相平衡数据 (2)2.1.4 物料衡算 (3)2.2 填料塔的工艺尺寸的计算 (4)2.2.1 塔径的计算 (4)2.2.2 填料层高度计算 (5)2.2.3 填料层压降计算 (8)2.2.4 液体分布器简要设计 (8)3. 辅助设备的计算及选型 (9)3.1 填料支承设备 (9)3.2填料压紧装置 (10)3.3液体再分布装置 (10)4. 设计一览表 (10)5. 后记 (11)6. 参考文献 (11)7. 主要符号说明 (12)8. 附图（工艺流程简图、主体设备设计条件图） (13)1.设计方案简介1.1设计方案的确定本设计任务为吸收空气中的氨气。

用水吸收氨气属易溶解的吸收过程，所以本次设计的吸收剂为清水。

为提高传质效率，选用逆流吸收流程，对于水吸收氨气的过程，操作温度及操作压力较低，故阶梯环填料在该填料塔中，此采用散装聚丙烯DN50氨气-空气混合气体经由填料塔的下侧进入填料塔中，与从填料塔顶流下的清水逆流接触，在填料的作用下进行吸收。

经吸收后的混合气体由塔顶排出，吸收了氨气的水由填料塔的下端流出。

（如右图所示）1.2填料的选择塔填料(简称为填料)是填料塔中气液接触的基本构件，其性能的优劣是决定填料塔操作性能的主要因素，因此，塔填料的选择是填料塔设计的重要环节。

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。

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

工业上，填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。

工业生产对填料的基本要求如下：（1）传质分离效率高①填料的比表面积a大，及单位体积填料具有表面积要大，因为它是汽液两相接触传质的基础。

②填料表面的安排合理，以防止填料表面的叠合和出现干区，同时有利于汽液两相在填料层中的均匀流动并能促进汽液两相的湍动和表面更新，从而使填料表面真正用于传质的有效面积增大，总体平均的传质系数和推动力增高。

③填料表面对于液相润湿性好，润湿性好易使液体分布成膜，增大有效比表面积。

润湿性取决于填料的材质，尤其是表面状况。

塑料的润湿性比较差，往往需要进行适当的表面处理，金属表面粘着的加工用油脂需经过酸洗或碱洗清除。

(2)压降小，气液通量大①填料的孔隙率ε大压降就小，通量大。

一般孔隙率大，则填料的比表面积小。

分离效率将变差。

散装填料的尺寸大，孔隙率大，比表面积小，规整填料波纹片的峰高增大，孔隙率大，比表面积也大。

如果填料的表面积安排合理，可以缓解a和ε的矛盾，达到最佳性能。

②减少流道的截面变化，可减少流体的流动阻力。

③具有足够的机械强度，陶瓷填料容易破碎，只有在强腐蚀性场合才采用。

④重量轻，价格低⑤具有适当的耐蚀性能。

⑥不被固体杂物堵塞其表面不会结垢。

工业塔常用的散装填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、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1。

表1 塔径与填料公称直径的比值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 阶梯环 D /d >8 环矩鞍D /d >8对于水吸收氨气的过程，操作温度及操作压力较低，故此采用散装聚丙烯DN 50阶梯环填料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：密度为：ρ1 =998.2Kg ／m 3粘度为：μL =0.001Pa ·S=3.6Kg ／（m ·h ）表面张力为： σL =72.6dyn ／cm=940 896Kg ／h 2氨气在水中的扩散系数为： D L =1.80×10-9 m 2/s=1.80×10-9×3600 m 2/h=6.480 ×10-6m 2/h2.1.2气相物性的数据 混合气体平均摩尔质量为452.27292992.01708.02992.0172992.01708.01708.011=⨯++⨯+==∑M y M VN 混合气体的平均密度为+RT PM VN VN =ρ=293314.8452.273.101⨯⨯=0.98Kg ／m 3混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册的20℃空气的粘度为 μV=1.81×10—5Pa ·s=0.065Kg ／（m ·h ）查手册得氨气在20℃空气中扩散系数为 D v = 0.189 cm 2/s=0.068 m 2/2.1.3气液相平衡数据20℃时NH3在水中的溶解度系数为 H=0.725 kmol/(m3·kPa),常压下20℃时NH3在水中的亨利系数为E=SHM ρ=18725.01000⨯=76.6KPa相平衡常数为m=3.1016.76=0.762.1.4 物料衡算 进塔气相摩尔比为Y 1=11y 1y —=129.01129.0-=0.148 出塔气相摩尔比为Y 2=Y 1（1—φ）=0.148×（1—0.97）=0.00444 进塔惰性气相流量为V=4.222200×20273273+×（1—0.129）=79.7Kmol ／h 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 =2121m /X Y Y Y —— 对纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为 X 2=0，则（V L ）min =076.0148.000444.0148.0—／—=0.737 取操作液气比为最小液气比2倍VL=2×0.737=1.474 L=1.474×79.7=117.48Kmol ／h 由全塔物料衡算得V （Y 1—Y 2）=L （X 1—X 2） X 1=48.11700444.0148.07.79）—（⨯=0.09742.2 填料塔的工艺尺寸的计算2.2.1 塔径的计算 塔径气相质量流量为:V ω=2200×0.98=2156Kg ／h液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即: L ω=117.48×18.02=2138.136㎏/h 塑料阶梯环特性数据据如下用贝恩—霍根关联式计算泛点气速：⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛2.0v 2t 2gu lg L L Fμρρεα =81v 41／／—⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛L V L K A ρρ查表得比表面积 t a =114.2m 2/m 3 ,A=0.204,K=1.75，ε=0.927因此计算得 F u = 4.36m/s取u =0.8u F =0.8×4.36m/s =3.488m/s由 D=u 4πS V =488.314.3360022004⨯⨯／=0.4724m 圆整塔径，取 D=0.5m 泛点率校核: u=25.0785.036002200⨯／=3.11m ／s=Fu u36.411.3×100％=71.42％（在允许范围内） 填料规格校核：1050500d ==D >8 液体喷淋密度校核：因填料为50mm ×25mm ×1.5mm,塔径与填料尺寸之比大于8，固取最小润湿速度为（Lw ）min=0.08 m 3/(m ·h)，查常用散装填料的特性参数表，得at=114.2m 2/m 3 U min =（L W ）min a t =0.08×114.2=9.136m 3／m 2·h U=91.105.0785.02.998136.13822=⨯／>U min经以上校核可知，填料塔直径选用D= 500mm 是合理的。

2.2.2 填料层高度计算 Y 1*=mX 1=0.76×0.0974=0.074 Y 2*=mX 2=0脱吸因数为 5156.0117.487.9776.0m =⨯==L V S 气相总传质单元数为：()⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=S Y Y Y Y S N OG*22*21S 1ln 11———　— =()⎥⎦⎤⎢⎣⎡+5156.000.0044400.1485156.01ln 5156.011————=5.81气相总传单元高度采用修正的思田关联式计算：})()()()(45.1exp{12.0205.0221.075.0t L L L L t L L t L L c t w a U ga U a U a a σρρμσσ⋅⋅⋅⋅⋅--=- 液体质量通量为U L =25.0785.002.1848.171⨯⨯=10787.2Kg ／m 2·h 气体质量通量为Uv=99.109855.0785.098.022002=⨯⨯Kg ／m 2·h查表知，2/427680/33h kg cm dyn c ==σ所以，355.0})2.1149408962.9982.10787()1027.12.9982.1142.10787()6.32.1142.10787()940896427680(45.1exp{12.0205.08221.075.0=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯--=-t w a a气膜吸收系数由下式计算：)/(13180.0)293314.8103600189.02.114()360010189.018.1065.0()065.02.1141.13071(237.0)()()(237.0243147.0317.0kpa h m kmol RTDa D a U V t V V V v t V G ⋅⋅=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⋅⋅=--ρμμκ液膜吸收系数由下式计算：56709.0)2.9981027.16.3()36001080.12.9986.3()6.32.114355.011395.9(0095.0)()()(0095.031821932312132=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⋅⋅⋅⋅⋅⋅=---LL L L L L w L L gD a U ρμρμμκ查表得：45.1=ψha a kpa h m kmol a a w L L w G G 167434.2645.12.114355.056709.0)/(04109.845.12.114355.013180.04.04.031.11.1=⨯⨯⨯=⋅⋅=⋅⋅=⨯⨯⨯=⋅⋅=ψκκψκκ=F u u36.411.3×100％=71.42％>50％ 由a u ua a u ua L FLG FGκκκκ⋅-⋅+='⋅-⋅+='])5.0(6.21[])5.0(5.91[2.24.1得[]()[]ha kpa h m kmol a LG 10125.2967434.265.07142.06.21)/(8757.1604109.8)5.07142.0(5.912.2'34.1'=⨯⨯+=⋅⋅=⨯⨯+=——κκ6695.100125.29725.018757.1611·111''=⨯+=+=ακακακL G G H Kmol ／（m 3·h ·KPa ）由H OG =m 375.03.1015.0785.06695.1079.72=⨯⨯⨯=Ω=ΩP K VK V G Y αα 由m 18.281.5375.0=⨯==OG OG N H Zm 052.318.24.1'=⨯=Z设计取填料层高度为 m 4'=Z查表，对于阶梯环填料，h/D=2.5,h max ≤4m ，故分为两段，每段2m 。