化化工工原原理理 课课程程设设计计 水吸收氨气填料塔设计水吸收氨气填料塔设计 学 院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导教师 2012 年 12 月 11 日 设计任务书设计任务书 水吸收氨气填料塔设计水吸收氨气填料塔设计 （一）（一） 设计题目设计题目 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_3200_m3/h，其中含氨为_8%_（体积分数） ，混合气体的进 料温度为 25。要求： 塔顶排放气体中含氨低于_0.04%_（体积分数） ； （二）（二） 操作条件操作条件 （1）操作压力：常压 （2）操作温度：20 （3）吸收剂用量为最小用量的倍数自己确定 （三）（三） 填料类型填料类型 聚丙烯阶梯环吸收填料塔 （四）（四） 设计内容设计内容 （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。 目目 录录 前前 言言.1 第一节第一节 填料塔主体设计方案的确定填料塔主体设计方案的确定2 1.1 装置流程的确定.2 1.2 吸收剂的选择2 1.3 课程设计任务.3 1.4 填料的类型与选择3 1.4.1 填料种类的选择.4 1.4.2 填料规格的选择.6 1.4.3 填料材质的选择.6 1.5 基础物性数据.7 1.5.1 液相物性数据.7 1.5.2 气相物性数据.8 1.5.3 气液相平衡数据8 1.5.4 物料横算.8 第二节第二节 填料塔工艺尺寸的计算填料塔工艺尺寸的计算.10 2.1 塔径的计算.10 2.2 填料层高度的计算及分段12 2.3 填料层压降计算：14 第三节第三节填料塔内件的类型及设计填料塔内件的类型及设计15 3.1 液体分布装置.15 3.2 液体再分布装置.17 3.3 填料支撑装置18 3.4.流体进出口流差.20 设计一览表设计一览表21 对本设计的评述对本设计的评述.22 参考文献参考文献.23 前前 言言 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。 1 第一节第一节 填料塔主体设计方案的确定填料塔主体设计方案的确定 1.11.1 装置流程的确定装置流程的确定 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。 1.2 吸收剂的选择吸收剂的选择 吸收过程是依靠气体溶质在吸收剂中的溶解来实现的，因此，吸收剂性能 的优劣，是决定吸收操作效果的关键之一，选择吸收剂时应着重考虑以下几方 面。 (1)溶解度 吸收剂对溶质组分的溶解度要大，以提高吸收速率并减少吸收 剂的用量。 (2)选择性 吸收剂对溶质组分要有良好的吸收能力，而对混合气体中其他 组分不吸收或吸收甚微，否则不能直接实现有效分离。 (3)挥发度要低 操作温度下吸收剂的蒸气压要低，以减少吸收和再生过程 中吸收剂的挥发损失。 (4)黏度 吸收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 所选用的吸收剂应尽可能满足无毒性、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要求。 吸收剂对溶质的组分要有良好地吸收能力，而对混合气体中的其他组分不 吸收，且挥发度要低。所以本设计选择用清水作吸收剂，氨气为吸收质。水廉 价易得，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。 且氨气不作为产品，故采用纯溶剂。 附图：工业常用吸收剂附图：工业常用吸收剂 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 1.3 课程设计任务课程设计任务 1. 气体混合物成分：空气和氨 2. 空气中氨的含量: 8.0% （体积含量即为摩尔含量） 3. 混合气体流量 3200 m3/h 4. 操作温度 293K 5. 混合气体压力 101.3KPa 6. 尾气氨含量 0.04% 7. 采用清水为吸收剂 8. 填料类型：采用聚丙烯鲍尔环填料 设计步骤： （1）根据设计任务和工艺要求，确定设计方案; （2）针对物系及分离要求，选择适宜填料； （3）确定塔径、填料层高度等工艺尺寸（考虑喷淋密度） ； （4）计算塔高、及填料层的压降； （5）塔内件设计。 因为用水做吸收剂，故采用纯溶剂。 1.4 填料的类型与选择填料的类型与选择 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。 3 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。 1.4.1 填料种类的选择填料种类的选择 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 2.2 几种实体填料 2、规整填料 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。尽管其造价高，但因性能优良仍得 5 到广泛使用。 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 多的小孔，可起到粗分配板片上的液体，加强横向混和作用。波mmmm64 纹板片上轧成细小沟纹，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，本课设选择散装阶梯环填料。 1.4.2 填料规格的选择填料规格的选择 工业塔常用的散装填料主要有 Dn16Dn25Dn38 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 3-1 填料种类D/d 的推荐值 拉西环 D/d2030 鞍环 D/d15 鲍尔环 D/d1015 阶梯环 D/d8 环矩鞍 D/d8 1.4.3 填料材质的选择填料材质的选