水吸收氨气填料塔设计样本

成绩东南大学成贤学院课程设计报告题目填料吸取塔的设计课程名称化工原理课程设计专业制药工程班级学生姓名学号设计地点东南大学成贤学院指导教师设计起止时间：2023年8月28日至2023年9月14日目录课程任务设计书....................................................3第一节吸取塔简介.......................................41.1 吸取技术概况...................................................41.2 吸取设备--填料塔概况............................................41.3 典型的吸取过程..................................................5第二节填料塔主体设计方案的拟定....................................62.1装置流程的拟定..................................................62.2吸取剂的选择....................................................62.3填料的类型与选择................................................72.3.1填料种类的选择............................................72.3.2填料规格的选择...........................................82.3.3填料材质的选择............................................8第三节填料塔工艺尺寸的计算........................................103.1基础物性数据....................................................103.1.1液相物性数据............................................103.1.2气相物性数据............................................103.1.3气液相平衡数据..........................................103.2物料衡算及校核.................................................113.2.1水吸取氨气平衡关系.......................................113.2.2绘制X-Y图................................................113.2.3物料衡算.................................................163.3塔径的计算及校核...............................................183.3.1塔径的计算...............................................183.3.2塔径的校核...............................................203.4填料层高度的计算及分段...........................................203.4.1填料层高度的计算..........................................203.4.2填料层的分段.............................................233.5填料层压降的计算.................................................23第四节其他辅助设备的计算与选择...............................244.1吸收塔的重要接管尺寸计算.........................................244.2气体进出口的压降计算.............................................244.3离心泵的选择与计算...............................................24附件一：1.计算结果汇总......................................................262.重要符号及说明.....................................................273.参考文献..........................................................284.个人小结.........................................................28附件二：1.填料塔设备图......................................................302.塔设备流程图......................................................313.埃克特通用压降关联图..............................................324.X-Y关系图（见计算过程）化工原理课程设计任务书设计项目水吸取氨气的填料吸取塔设计条件1、混合气体流量2400m3(标)/h.2、混合气体组分含氨15%，空气85%（体积比）3、混合气体温度40℃4、吸取率94%5、吸取剂温度20℃6、操作压强1atm设计内容拟定操作流程，绘制流程图选择吸取剂、填料拟定吸取平衡关系，绘制X-Y图、进行物料衡算计算塔径、填料层高度填料层压降核算、喷淋密度计算附属设备选型和计算7、绘制设备图第一节吸取技术简介1.1吸取技术概况在化学工业中，经常需要将气体混合物中的各个组分加以分离，其重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，以便进一步加工解决，或除去工业放空尾气中的有害成分，以免污染空气。吸取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成分离的目的。吸取操作广泛地用于气体混合物的分离，其在工业上的具体应用大体有以下几种：（1）原料气的净化。为出去原料气中所含的杂质，吸取可说是最常见的方法。就杂质的浓度来说，多数很底，但由于危害大而仍规定高的净化率。例如用水或碱液脱除合成氨原料气中的二氧化碳，用丙酮脱除裂解气中的乙炔等。（2）有用组分的回收。如从合成氨厂的放空气中用水回收氨；从焦炉煤气中以洗油回收粗苯（涉及苯、甲苯、二甲苯等）蒸气和从某写干燥废气中回收有机溶剂蒸气等。（3）某些产品的制取。将气体中需用的成分以指定的溶剂吸取出来，成为溶液态的产或半成品。如制酸工业中从含盐酸、氮氧化物、三氧化硫的气体制取盐酸、硝酸、硫酸；在甲醇|（乙醇）蒸气经氧化后，用水吸取以制成甲醛（乙醛）半成品等。（4）废气的治理。很多工业废气中具有二氧化硫、氮氧化物（重要是一氧化氮及二氧化氮）、汞蒸气等有害成分虽然浓度一般很底，但对人体和环境的危害甚大而必须进行治理。这类环境保护问题在我国已愈来愈受重视。选择适当的工艺和溶剂进行吸取，是废气治理中应用教广的方法。当然，以上目的有时也难于截然分开，如干燥废气中的有机溶剂，能回收下来就很有价值，任其排放则会然大气。1.2吸取设备--填料塔概况填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液流量逐渐增大，这种现象称为壁流。壁流效应导致气液两相在填料层中分布不均，从而使传质效率下降。因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设立再分布装置。液体再分布装置涉及液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。该设计填料塔中，氨气和空气混合气体，经由填料塔的下侧进入填料塔中，与从填料塔顶流下的水逆流接触，在填料的作用下进行吸取。经吸取后的混合气体由塔顶排除，吸取了氨气的水由填料塔的下端流出。填料塔的设备图见附录二1.3典型的吸取过程一个完整的吸取分离过程，涉及吸取和解吸两个部分。典型过程有单塔和多塔、逆流和并流、加压和减压等。以煤气脱苯为例:在炼焦及制取城市煤气的生产过程中，焦炉煤气内具有少量的苯、甲苯类低碳氢化合物的蒸汽（约35）应予以分离回收，所用的吸取溶剂为该工业生产过程中的副产物，即焦煤油的精制品称为洗油。回收苯系物质的流程涉及吸取和解吸两个大部分。含苯煤气在常温下由底部进入吸取塔，洗油从塔顶淋入，塔内装有木栅等填充物。在煤气与洗油接触过程中，煤气中的苯蒸汽溶解于洗油，使塔顶拜别的煤气苯含量降至某允许值(<)，而溶有较多苯系物质的洗油(称富油)由吸取塔底排出。为取出富油中的苯并使洗油可以再次使用(称溶剂的再生)，在另一个称为解吸塔的设备中进行与吸取相反的操作----解吸。为此，可先将富油预热到170左右由解吸塔顶淋下，塔底通入过热水蒸气。洗油中的苯在高温下逸出而被水蒸气带走，经冷凝分层将水除去，最终可得苯类液体（粗苯），而脱除溶质的洗油（称贫油）经冷却后可作为吸取溶剂再次送入吸取塔循环使用.第二节填料塔的主体设计方案的拟定2.1流程说明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，吸取剂运用率高。工业生产中多采用逆流操作。填料塔的工艺流程图见附录二2.2吸取剂的选择吸取过程是依靠气体溶质在吸取剂中的溶解来实现的，因此，吸取剂性能的优劣，是决定吸取操作效果的关键之一，选择吸取剂时应着重考虑以下几方面：(1)溶解度吸取剂对溶质组分的溶解度要大，以提高吸取速率并减少吸取剂的用量。(2)选择性吸取剂对溶质组分要有良好的吸取能力，而对混合气体中其他组分不吸取或吸取甚微，否则不能直接实现有效分离。(3)挥发度要低操作温度下吸取剂的蒸气压要低，以减少吸取和再生过程中吸取剂的挥发损失。(4)黏度吸取剂在操作温度下的黏度越低，其在塔内的流动性越好，有助于传质速率和传热速率的提高。(5)其他所选用的吸取剂应尽也许满足无毒性、无腐蚀性，不易燃易爆、不发泡、冰点低、价廉易得以及化学性质稳定等规定。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导致破坏和污染，因此吸取空气中的氨，防止氨超标具有重要意义。为了避免化学工业产生的大量的具有氨气的工业尾气直接排入大气而导致空气污染，需要采用一定方法对于工业尾气中的氨气进行吸取，本次课程设计的目的是根据设计规定采用填料吸取塔吸取的方法来净化具有氨气的工业尾气,使其达成排放标准。设计采填料塔进行吸取操作是由于填料可以提供巨大的气液传质面积并且填料表面具有良好的湍流状况，从而使吸取过程易于进行,并且，填料塔还具有结构简朴、压减少、填料易用耐腐蚀材料制造等优点，从而可以使吸取操作过程节省大量人力和物力。吸取剂对溶质的组分要有良好地吸取能力，而对混合气体中的其他组分不吸取，且挥发度要低。所以本课程设计选择用清水作吸取剂，氨气为吸取质。水便宜易得，物理化学性能稳定，选择性好，符合吸取过程对吸取剂的基本规定。且氨气不作为产品，故采用纯溶剂。工业常用吸取剂溶质溶剂溶质溶剂氨水、硫酸丙酮蒸汽水氯化氢水二氧化碳水、碱液二氧化硫水硫化氢碱液、有机溶剂苯蒸汽煤油、洗油一氧化碳铜氨液2.3填料的类型与选择塔填料（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重要因素。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。2.3.1填料种类的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。本次采用散装填料。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，又可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。拉西环鲍尔环阶梯环弧鞍形填料矩鞍形填料填料的阶梯环结构与鲍尔环填料相似，环壁上开有长方形小孔，环内有两层交错45°的十字形叶片，环的高度为直径的一半，环的一端成喇叭口形状的翻边。这样的结构使得阶梯环填料的性能在鲍尔环的基础上又有提高，其生产能力可提高约10%，压降则可减少25%，且由于填料间呈多点接触，床层均匀，较好地避免了沟流现象。阶梯环一般由塑料和金属制成，由于其性能优于其它侧壁上开孔的填料，因此获得广泛的应用。因此本次设计选用阶梯环。2.3.2填料规格的选择工业塔常用的散装填料重要有Dn16\Dn25\Dn38\Dn76等几种规格。同类填料，尺寸越小，分离效率越高，但阻力增长，通量减小，填料费用也增长很多。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，使塔的分离效率减少。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。填料种类D/d的推荐值拉西环D/d20~30鞍环D/d15鲍尔环D/d10~15阶梯环D/d>8环矩鞍D/d>82.3.3填料材质的选择工业上，填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。塑料填料的材质重要涉及聚丙烯、聚乙烯及聚氯乙烯等，国内一般多采用聚丙烯材质。塑料填料的耐腐蚀性能较好，可耐一般的无机酸、碱和有机溶剂的腐蚀。其耐温性良好，可长期在100℃以下使用。综合以上：选用50mm聚丙烯阶梯环塔填料。其重要性能参数查表得：比表面积a：114.2空隙率：0.927填料因子：国内阶梯环特性数据见表2.1。表2.1国内阶梯环特性数据材质外径d，mm外径×高×厚d×H×δ比表面积at，m2/m3空隙率ε，m3/m3个数n，个/m3堆积密度ρp，kg/m3干填料因子at/ε3，m-1填料因子Φ，m-1塑料2538507625×17.5×1.438×19×150×30×1.576×37×3228132.5114.289.950.900.910.9270.92981500272009980342097.857.576.868.4313175.6143.11122401208072第三节填料塔工艺尺寸的计算3.1基础物性数据3.1.1液相数据1）.水的密度：2）.3）.表面张力：4）.5）.6）.7）.的微分溶解热：34738J/mol3.1.2气相数据混合气体的平均摩尔质量为：混合气体密度：3.混合气体黏度可近似取为空气黏度。查手册得40空气黏度：3.1.3气液相平衡数据已知20下氨在水中的溶解度系数亨利系数相平衡常数E——亨利系数H——溶解度系数Ms——相对摩尔质量m——相对平衡常数3.2物料衡算及校核3.2.1水吸取氨气平衡关系CL——水在塔温度tm=(塔顶+塔底)/2下的比热=（20+273.15+40+273.15）/2下的比热=303.15k=30°C下的比热在30°C下的比热：查表得4.174kJ/(kg·k)=4.174*18=75.132kJ/kmol·k=75.132J/molK:氨气的微分溶解热=34738J/mol水溶液的亨利系数-温度关联式lgE=11.468-1922/T单位E:PaT：k取值：0.005，也有固定值：=3.2.2绘制X-Y图当x=0，=0.005时，lgE=11.468-=4.9116E=81588.61pa=0.8059atm0.8059000当x=0.005时(20+273.15)+2.31246=295.46klgE=11.468-=4.9629E=91812.12pa=0.9062atm0.90624.5309*4.5515*5.0226*当x=0.01时295.46+2.31246=297.77klgE=11.468-=5.0134E=103133.56pa=1.0179atm1.01790.01020.01030.0101当x=0.015时297.77+2.31246=300.0825klgE=11.468-=5.0631E=115637.85pa=1.1412atm1.14140.01710.01740.0152当x=0.02时300.0825+2.31246=302.39496klgE=11.468-=5.1121E=129441.88pa=1.27743atm1.277430.02554860.02620.0205当x=0.025时302.39496+2.31246=304.7074klgE=11.468-=5.16031E=144646.99pa=1.4275atm1.42750.035690.037020.0259当x=0.03时304.7074+2.31246=307.0199klgE=11.468-=5.20782E=161368.46pa=1.5925atm1.59250.04780.05020.03152当x=0.035时307.0199+2.31246=309.33236klgE=11.468-=5.25462E=179729.092pa=1.7737atm1.77370.062080.06620.0373当x=0.04时309.33236+2.31246=311.645klgE=11.468-=5.300726E=199860.21pa=1.97237atm1.972370.0788950.08570.0434当x=0.045时311.645+2.31246=313.96klgE=11.468-=5.3462E=221897.045pa=2.18985atm2.189850.09850.10930.0499当x=0.05时313.96+2.31246=316.27246klgE=11.468-=5.391E=246014.7997pa=2.42792.42790.12140.13820.0569当x=0.055时316.27246+2.31246=318.585klgE=11.468-=5.4351E=272315.05pa=2.687412.687410.147810.17340.0645当x=0.06时318.585+2.31246=320.897klgE=11.468-=5.47855E=300987.04pa=2.9704atm2.97040.178220.21680.0730此时>，=0.1782，满足条件。计算结果列表xT/KE/atmmy*XY*0293.150.80590.80590000.005295.4620.90620.90620.00453090.00502260.00455150.010297.7741.01791.01790.01020.01010.01030.015300.0861.14141.14140.01710.01520.01740.020302.3981.27771.27770.025550.02050.02620.025304.711.42771.42770.03570.02590.037020.030307.0221.59271.59270.047780.031520.05020.035309.3341.77391.77390.06210.03730.06620.040311.4641.97261.97260.07890.04340.08570.045313.9582.19002.19000.098550.04990.10930.050316.272.42772.42770.12140.05690.13820.055318.5822.68722.68720.14780.06450.17340.060320.8942.97012.97010.17820.07300.2168根据（X，Y*）绘出X-Y图XY*000.00502260.00455150.01010.01030.01520.01740.02050.02620.02590.0370.03150.05020.03730.06220.04340.08570.04990.10930.05690.13820.06450.17040.0730.21683.2.3物料衡算进塔气相摩尔比为出塔气相摩尔比为进塔惰性气体流量:由X-Y图可知X与Y有如下函数关系：其中Y=0.1765将Y=0.1765带入上述方程，解得符合条件的X值：即=0.0654最小吸取剂用量对纯溶剂吸取过程，进塔液相组成为由于吸取剂的实际用量L=(1.1~2.0)，取L=1.2则L=1.2=258.301kmol/h由全塔物料衡算有：校核填料塔工艺尺寸的计算涉及塔径的计算、填料能高度的计算3.3塔径的计算及校核3.3.1塔径的计算混合气体的平均摩尔质量为;2.混合气体密度：采用埃克特泛点关联式计算泛点速度气体质量和流量液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即：填料总比表面积：水的粘度：采用贝恩——霍夫泛点关联式=A-K——泛点气速，m/s;g——重力加速度，9.81m/s,液相、气相的密度WL=4654.58㎏/hWV=2540.59kg/h不同类型填料的A、K值散装填料类型AK规整填料类型AK塑料鲍尔环0.09421.75金属阶梯环0.1061.75金属鲍尔环0.11.75瓷矩鞍0.1761.75塑料阶梯环0.2041.75金属环矩鞍0.062251.75A=0.204；K=1.75,;将已知数据带入上述公式可得A-K=-0.6609所以：=-0.66094.计算塔径：取泛点率为0.6，即则:其中：D-塔径，mV-操作条件下混合气体的体积流量，-空气气速，即按空塔截面积计算的混合气体线速度，m/s圆整后，D=0.6m=600mm3.3.2塔径的校核:1),故符合设计标准2）填料规格校核D/d=600/50=128，符合设计条件3)校核润湿率U—喷淋密度，，--填料的比表面积，-以表达的吸取剂的用量=258.30118=4649.418=4649.418998.2=406578=16.48=16.48/114.2=0.1443,故符合设计规定综上所述，塔径为D=0.6m=600mm符合设计规定3.4填料层高度的计算及分段3.4.1填料层高度的计算1.基本数据：查表可知，0，101.325下，在空气中的扩散系数：由，则313.15，101.325下，在空气中的扩散系数：=氨气在水中的扩散系数：=6.4802脱吸因数：S=mv/L=0.754*84.8549/258.301=0.24773.气相总传质单元数：=3.7184.气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：液体质量通量为：气体质量通量为：查表知：=0.7123气膜吸取系数：注：混合气体黏度可近似取为空气黏度。查手册得40空气黏度：液膜吸取系数：=0.45568查表知：以下公式为修正计算公式：填料层高度计算：3.4.2填料层的分段，需要分层，两段之间加一个液体再分布装置。3.5填料层压降计算1.气体通过填料层的压降采用Eckert关联计算，其中横坐标为：0.5967查表可知：纵坐标为：=根据横纵坐标值，查Eckert图可知：全塔填料层压降：第四节其他辅助设备的计算与选择4.1吸取塔的重要接管尺寸的计算气体进料管：注：u在10~30m/s之间，取u=15m/s采用直管进料，由《制药化工原理》[王志祥主编化学工业出版社]P404查得选择热轧无缝钢管，则，在符合范围内。2.液体进料管：由于常压下塔液体进出口管速可取，故若取液体进出口流速近似为2.4175m/s，则由公式可求得液体进出口内径为采用直管进料，由《制药化工原理》[王志祥主编化学工业出版社]查得选择热轧无缝钢管，则（在符合范围内）4.2气体进出口压降（1）进口：（2）出口：4.3离心泵的选择与计算雷诺数：管内液体流速：则雷诺数3.局部阻力损失：三个标准截止阀全开;三个标准90°弯头；4.管路总压头损失填料塔压降：其它阻力压强较小，可忽略。6.扬程：7.流量：查王志祥编《制药化工原理》P407附录21，选型号IS50-32-200泵合适，该泵扬程12.5米，流量6.3立方米/小时，转速1450转/分钟。附件一1.设计结果汇总设计名称水吸取氨气的填料吸取塔操作压强1atm填料数据种类填料尺寸泛点填料因子压降填料因子空隙率比表面积聚丙烯阶梯环Dn50127890.927114.2物性数据液相气相液体密度998.2kg/m³混合气体的平均密度液体粘度混合气体的粘度液体表面张力940896混合气体平均摩尔质量27.2kg/kmol扩散系数扩散系数填充系数填充系数物料衡算数据Y1Y2X1X2气相流量G液相流量L最小液气比操作液气比0.17650.01060.054502540.59kg/h4654.58kg/h215.25kmol/h3.044工艺数据填料类型塔速塔径气相总传质单元数气相总传质单元高度填料层高度填料层压降塑料阶梯环2.4175m/s0.6m3.7180.2781m2.0m785pa填料塔附件气体进口管径238mm气体出口管径238mm风机离心泵选型号IS50-32-200泵合适，该泵扬程12.5米，流量6.3立方米/小时，转速1450转/分钟。重要符号及其说明（1）英文字母——填料层的有效传质比表面积（m²/m³）——填料层的润滑比表面积m²/m³——吸取因数;无因次——填料直径，mm；——填料当量直径，mm——扩散系数，m²/s；塔径;——亨利系数，KPa——重力加速度，kg/(m².h)——溶解度系数，kmol/(m³.KPa)——气相传质单元高度，m——液相传质单元高度，m——气相总传质单元高度，m——液相总传质单元高度，m——气膜吸取系数,kmol/(m³.s.KPa);——吸取液质量流速kg/(m².h)——液体喷淋密度;——相平衡常数，无因次——气相传质单元数，无因次——液相传质单元数，无因次——气相总传质系数，无因次——液相总传质系数，无因次——总压