化工原理课程设计

一、设计任务书

1、设计题目：填料吸收塔的设计

2、设计任务：试设计一填料吸收塔，用于脱除合成氨尾气中的氨气，要求塔顶排

放气体中含氨低于200ppm，采用清水进行吸收

3、工艺参数与操作条件

（1）工艺参数

表1—1

尾气处理量（Nm3/h）混合气组成（%）

NH

3

H

2

N

2

CH

4

+Ar

2020 8 60 20 12

（2）操作条件

①常压吸收：P

=101.3kPa

②混合气体进塔温度：30℃

③吸收水进塔温度：20℃。

4、设计项目：

（1）流程的确定及其塔型选择；

（2）吸收剂用量的确定；

（3）填料的类型及规格的选定；

（4）吸收塔的结构尺寸计算及其流体力学验算，包括：塔径、填料层高度及塔高的计算；喷淋密度的校核、压力降的计算等；

（5）吸收塔附属装置选型：喷淋器、支承板、液体再分布器等；

（6）附属设备选型：泵、风机

附：

1、NH

3H

2

O系统填料塔吸收系数经验公式：

k G a=cG m W

L

n

k L a=bW

L

P

式中

k

G

a——气膜体积吸收系数，kmol/m2.h.atm

k

a——液膜何种吸收系数，l/h

L

G——气相空塔质量流速，kg/m2.h

——液相空塔流速，kg/m2.h

W

L

2、（氨气—水）二成分气液平衡数据表1—3

二、工艺流程示意图（带控制点）

三、流程方案的确定及其填料选择的论证

1、塔型的选择：

塔设备是能够实现蒸馏的吸收两种分离操作的气液传质设备，广泛地应用于化工、石油化工、石油等工业中，其结构形式基本上可以分为板式塔和填料塔两大类。在工业生产中，一般当处理量较大时采用板式塔，而当处理量小时多采用填料塔。填料塔不仅结构简单，而且阻力小，便于用耐腐蚀材料制造，对于直径较小的塔，处理有腐蚀性的物料或要求压降较小的真空蒸馏系统，填料塔都具有明显的优越性。

根据本设计任务，是用水吸收法除去合成氨生产尾气的氨气，氨气溶于水生成了具有腐蚀性的氨水；本设计中选取直径为600mm，该值较小，且Φ800mm 以下的填料塔对比板式塔，其造价便宜。基于上述优点，因此本设计中选取填料塔。

2、填料塔的结构

填料塔的主要构件为：填料、液体分布器、填料支承板、液体再分器、气体和液体进出口管等。

3、操作方式的选择

对于单塔，气体和液体接触的吸收流程有逆流和并流两种方式。在逆流操作下，两相传质平均推动力最大，可以减少设备尺寸，提高吸收率和吸收剂使用效率，因此逆流优于并流。因此，本设计采用逆流。

4、吸收剂的选择

（1）水对由 NH

3、H

2

、N

2

、CH

4

+Ar组成的混合气中的NH

3

的溶解度很大，而

对除NH

3

外的其它组成基本上不吸收或吸收甚微；

（2）在操作温度下水的蒸气压小、粘度较低、不易发泡，可以减速少溶剂的损失，操作高效稳定。

（3）水具有良好的化学稳定性和热稳定性，不易燃、不易爆，安全可靠；（4）水无腐蚀性、无毒性、无环境污染；

（5）水价廉易得，十分经济。

因此选用水作为吸收剂。

5、填料的选择

鲍尔环的构造是在拉西环的壁上开两排长方形窗口，被切开的环壁形成叶片，一边与壁相连，另一端向环内弯曲，并在中心处与其他叶片相搭。鲍尔环的构造提高了环内空间和环内表面的有效利用率，使气体阻力降低，液体分布有所改善，提高了传质效果；其结构简单，制造容易，价格低廉，因此本设计采用塑料鲍尔环。

四、工艺及填料塔计算

1、物料衡算

（1）近似取塔平均操作压强为101.3kPa，进塔混合气中各组分的量为

混合气量：

混合气中氨气量：

操作条件下总气量：m3

氨气的体积流量： m3/h m3/h

其余数据同理可得出，结果见表4—1：

表4—1

流量

成分

进塔气量

m3/h kmol/h kg/h H21345.19 54.11 108.22

N2448.40 18.04 505 CH4+Ar 269.04 10.82 173.15

NH3179.35 7.21 122.64

总计2241.98 90.18 909.01

（2）混合气进出塔的摩尔组成为：y

1=0.08 y

2

=0.0002，y

1

为混合气进塔的摩尔

组成；y

2

为混合气出塔的摩尔组成。（3）混合气进出塔的摩尔比组成

Y 1=y 1/(1-y 1)=8.696%,即进塔时的摩尔比；

Y 2=y 2/(1-y 2)=0.02%,即出塔时的摩尔比。 （4） 出塔混合气量

可求得氨气回收率η=G(Y 1-Y 2)/(GY 1)=1-Y 2/Y 2=99.77%

则可得NH 3出塔时的体积流量：179.35×(1-99.77%)=0.4125m 3/h

混合气中氨气量：7.21×(1-99.77%)=0.0166kmol/h=0.0166×17=0.2821kg/h 而其余气体即视为惰性气体，溶解度很小，可忽略不计，即和进塔时的气量一样，结果见表4—2： 表4—2

2、 热量衡算与气液平衡曲线

表4—3 各液相浓度下的吸收液温度及相平衡数据

注：

（1） NH 3平衡分压P/（kPa ）由p NH3(mmHg)×0.133可得；