安理工环境工程原理课设教材

1、目录一、前言 2二、设计任务 31、设计题目：清水吸收氨过程填料吸收塔设计 32、设计条件 33、设计内容 4-、n 、 i三、设计方案 41、吸收剂的选择 42、流程图及流程说明 43、塔填料选择 4四、基本参数 51、液相物性数据 52、气相物性数据 53、气相平衡数据 54、填料的主要参数 5五、工艺计算 61、物料衡算 62、塔径计算 73、液体喷淋密度校核 84、填料层高度计算 85、填料层压降计算 10六、塔内件 111、液体分布装置 112、液体再分布装置 123、填料支撑装置 13七、设计结果表 13八、对设计成果的评价及讨论 13九、参考文献 14一、前言塔设备是炼油、 化工

2、、石油化工等生产中广泛应用的气液传质设备。 在炼油、 石油化工、精细化工、食品、医药及环保等部门，塔设备属于使用量大应用面广 的重要单元设备。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。

3、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。氨是化工生产中极为重要的生产原料， 但是其强烈的刺激性气味对于人体健 康和大气环境都会造成破坏和污染， 氨对接触的皮肤组织都有腐蚀和刺激作用， 可以吸收皮肤组织中的水分， 使组织蛋白变性， 并使组织脂肪皂化， 破坏细胞膜 结构。氨的溶解度极高，所以主要对动物或人体的上呼

4、吸道有刺激和腐蚀作用， 常被吸附在皮肤粘膜和眼结膜上， 从而产生刺激和炎症。 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， 氨被吸入肺后容易通过肺泡进入血液， 与血红蛋白结合， 破 坏运氧功能。进入肺泡内的氨，少部分为二氧化碳所中和，余下被吸收至血液， 少量的氨可随汗液、尿液或呼吸排出体外。短期内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。若吸入的氨气过多，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。长期接触氨气， 部分人可能会出现皮肤色素沉

5、积或手指溃疡等症状； 氨气被 呼入肺后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 大量氨气后可出现流泪、咽痛、声音嘶哑、咳嗽、痰带血丝、胸闷、呼吸困难， 可伴有头晕、头痛、恶心、呕吐、乏力等，严重者可发生肺水肿、成人呼吸窘迫 综合症，同时可能发生呼吸道刺激症状。因此，吸收空气中的氨，防止氨超标具 有重要意义。因此，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

6、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。二、设计任务1、设计题目

7、：清水吸收氨过程填料吸收塔设计2、设计条件 、气体混合物成分：空气和氨; 、氨的含量：4.5 % (体积)； 、混合气体流量：3019m3/h 、操作温度：293K 、混合气体压力：101.3KPa； 、回收率：99.5%。3、设计内容 、确定吸收流程； 、物料衡算，确定塔顶、塔底的气液流量和组成； 、选择填料、计算塔径、填料层高度、填料的分层、塔高的确定。 、流体力学特性的校核：液气速度的求取，喷淋密度的校核，填料层压降P的计算。、附属装置的选择与确定：液体喷淋装置、液体再分布器、气体进出口及液体进出口装置、栅板。三、设计方案1、吸收剂的选择根据所要处理的混合气体，可采用水为吸收剂，其廉价易

8、得，物理化学性能稳定，选择性好，符合吸收过程对吸收剂的基本要求。2、流程图及流程说明该设计采用逆流方式。该填料塔中，氨气和空 气混合后，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除，吸收了氨气的水由填料塔的下端流 出。（如右图）3、塔填料选择选用散装填料，DN38m聚丙烯阶梯环塔填料。四、基本参数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，20C水的有关物性数据如下：密度为错误！未找到引用源。=998.2 kg/m3粘度为 卩 L=1.005mPa S=3.6 kg/ (m- h

9、)表面张力为(T L=72.6 dyn/cm=940896 kg/h2NH3在水中的扩散系数为 DL=1.80 X 10-9 m2/s2、气相物性数据混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得20 C空气的粘度为卩 v=1.81 X 10-5 Pa S=0.065 kg/(m h)已知在0C, 101.3kpa下，NH3在空气中的扩散系D 0.2(Cm /sDgd-¥)(>)1.75- P，则 293k，101.3 kpa 下,NH3在空气中的扩散系数为D g 0.20 (l013293)1"5 0.226cm2/s101.3 2733、气相平衡数据20 C时NH3

10、在水中的溶解度系数为 H=0.725 kmol/(m3 kPa) 常压下20C时NH3在水中的亨利系数为 E=76.41kPa相平衡常数为m=0.7544、填料的主要参数本方案选用塑料阶梯环DN38m m其主要性能参数如下：23比表面积a： 132.5 m /m空隙率：0.91干填料因子 ：175m五、工艺计算对低浓度吸收过程， 溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。 混合气体的黏度 可近似取为空气的黏度。空气和水的物性常数如下：空气：1.81 10 5Pa s 0.065kg/(m h)1.205kg/m3水：3L 998.2kg/m35L 100.4 10 5Pa s1、物料衡算 、进出塔

11、的汽液相组成V氨=0.045 V 总 V 空=0.955 V 总丫仁n氨/n 空气=0.045/0.955=0.047回收率错误!未找到引用源。二错误!未找到引用源。3查表知，20 C下氨在水中的溶解度系数H 0.725kmol/（m kpa） 相平衡常数错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。则 错误! 未找到引用源。进塔气相摩尔比为：错误!未找到引用源。出塔气相摩尔比为： 错误!未找到引用源。对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为： X20（清水） 、吸收剂用量错误!未找到引用源。 二错误!未找到引用源。错误! 未找到引用源。错误! 未找到引用源。取实际液气比为最小液气比的 1.5 倍，则吸

12、收剂的用量为：错误! 未找到引用源。塔底输出液相摩尔比：错误!未找到引用源2、塔径计算混合气体的密度PMGRT33101.3 1028.46 10!.!83kg/m38.315 293水的密度错误!未找到引用源。采用贝恩-霍根泛点关联式计算泛点速度:2u fatglg3 gL0'20.204 1.751 1(151.92 18)4(1.183 屮(3019 1.183)(998.2)0.50112UFatG 0.23Lg L0.3154Uf0.3304 981 0.913 9982 3.366m/s0 2132.5 1.183 1.004取泛点率为0.5，即空塔气速u °.5

13、山°6 3.366 1.683m/s4 30194Vs3.14 1.683 36000.7967m/s圆整后取 D 0.8m填料规格校核:D 800 d 3821.0583、液体喷淋密度校核最小润湿速率是指在塔的截面上，单位长度的填料周边的最小液体体积流 量。其值可由经验公式计算(见有关填料手册)，也可采用一些经验值。对于直径 不超过75 mm的散装填料，可取最小润湿速率(LW) min为0.08 m3/(m h);对 于直径大于75 mm的散装填料，取(LW) min=0.12 m3/(m h)。3取最小润湿速率为：（LW）min0.12m /（m h）at 132.5m2/m3所

14、以U min32(Lw)min at 0.08 132.5 15.9m /(m h)Lh20.785 D151.92 18 998.220.785 0.8635.43 10 m /(m h) U min通过以上校核可知，填料塔直径选用 D 0.8m合理。4、填料层高度计算查表知，0 C ，101.3 kpa下，NH3在空气中的扩散系数D。20.17cm / sDg由Do(詈)(£)P To则293 k ，101.3 kpa下，NH3在空气中的扩散系数为Dg3-（需巒20.189cm /s92液相扩散系数Dl 1.80 10 m /sUl液体质量通量为151.92 卑7108.8kg

15、/(m2 h)0.785 0.8Uv气体质量通量为3019 1.1835442.99kg /(m h)0.785 0.8气相总传质单元数为:N OG12.65mY1 Y2(Y1 mX1) (Y2 mX2) ,Y1 mX1InY2 mX2气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算:aw 1 expat21.45 ()0.75 ( Ul、0.1 从 atLatL2g)0.05Lat查表知,33dyn/cm2427680 kg/hawexp 1.45at(427680)0.75(940896)7108.8(132.5 3.6)0.127108.8132.5 ) 0.051.27 108 )(998.

16、2227108.8所以，(998.2 940896 132.5)0'20.1333气膜吸收系数由下式计算:g0.237(出)0.7 (at vvDv（欝5442.990.237 (132.5 0.06520.0899kmol/(m h kpa)°.7(1.18310.189 10 4 3訂0.065(132.5 0.189 3600 10)8.314 293液膜吸收系数由下式计算:2L 0.0095 ()3 (a w LUl0.00957108.8LL Dl21.2989查表得:GakGa(0.2929 132.5 3.61.45aw0.4aw1.111 1 Ga H La3

17、.6(998.2 1.80 10 90.0899 0.1333 132.51.2989 0.1333 132.511 12.3900.725 26.61836001 8 1)2(3.6 1.27 10 y998.21.11.450.41.452.1277kmol /(m3 h kpa)2.390kmol/(m3 h kpa)26.61HoG KYaVGa P158.89522.1277 101.3 0.785 0.80.914mH OG N OG0.914 12.6511.5621m设计取填料层高度为：Z 12m查表：对于阶梯环填料,8 15,hmax6m将填料层分为两段设置，每段6m两段间设

18、置一个液体再分布器5、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:151.92 1830191.183(口83),0.0264998.2已知： P1116m 1纵坐标为:0.2L21.6839.81116 1證 1.0040.20.040P查图得，Z490 pa /m填料层压降为:P 451.2612 pa 5.42 kpaO.K. I!-4-U53埃克特通用关联图六、塔内件1、液体分布装置、液体分布器的选型：多孔环管式分布器：由多孔圆形盘管、联接管及中央进料管组成。这种分布 器气体阻力小，特别使用于液量小而气量大的填料吸收塔。液体在塔顶的初始均匀喷淋，是保证填料塔达到预期

19、分离效果的重要条件。近年来的实践表明，大直径填料塔的放大问题主要是保证液体初始分布均 匀，若能保证单位塔截面的喷淋点数目与小塔相同， 大型填料塔的传质效率将不 会低于小型塔。液体分布装置的安装位置，须高于填料层表面 200mm以提供足够的自由空 间，让上升气流不受约束地穿过分布器。 根据氨气易溶解的性质，可选用目前应 用较为广泛的多孔型布液装置中的排管式喷淋器。多孔型布液装置能提供足够均 匀的液体分布和空出足够大的气体通道（自由截面一般在 70鸠上），也便于制成分段可拆结构。液体引入排管喷淋器的方式采用液体由水平主管一侧引入，通过支管上的小 孔向填料层喷淋。排管式喷淋器采用塑料制造。、分布点数

20、量计算：为了使液体初始分布均匀，原则上应增加单位面积上的喷淋点数。但是，由 于结构的限制，不可能将喷淋点设计得很多。根据Eckert建议，当D 800mm时,2每60cm塔截面设一个喷淋点。则总布液孔数为:0.7850.826010 483.7842、液体再分布装置实践表明，当喷淋液体沿填料层向下流动时，不能保持喷淋装置所提供的原 始均匀分布状态，液体有向塔壁流动的趋势。因而导致壁流增加、填料主体的流 量减小，影响了流体沿塔横截面分布的均匀性， 降低传质效率。为减小壁流现象， 当填料层较高时需进行分段，故需设置液体收集及再分布装置。最简单的液体再分布装置为截锥式再分布器。截锥式再分布器结构简单，安 装方便，但它只起到将壁流向中心汇集的作用， 无液体再分布的功能，一般用于 直径小于0.6m的塔中。在通常情况下，一般将液体收集器及液体分布器同时使用，构成液体收集及 再分布装置。液体收集器的作用是将上层填料流下的液体收集，然后送至液体分 布器进行液体再分布。可选用多孔盘式再分布器。分布盘上的孔数按喷淋点数确定，孔径为3.6mm为了防止上一填料层来的液体直接流入升气管，应在升气管上设帽盖。 它的设计数据如下：分布盘外径-785mm，升气管数量-6.3、填料支撑装置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