最新水吸收氨填料塔设计Word下载.docx
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NH3的回收率不低于
96%
吸收剂的用量与最小用量之比
1.6
（二）操作条件
（1）操作压力常压
（2）操作温度20℃
（三）设计内容
（1）吸收塔的物料衡算；
（2）吸收塔的工艺尺寸计算；
（3）填料层压降的计算；
（4）液体分布器简要设计；
（5）吸收塔接管尺寸计算；
（6）绘制吸收塔设计条件图；
（7）对设计过程的评述和有关问题的讨论。
二设计方案简介
2.1方案的确定
用水吸收NH3属中等溶解度的吸收过程，为提高传质效率，选用逆流吸收流程。
因用水作为吸收剂，且NH3不作为产品，故采用纯溶剂。
2.2填料的类型与选择
对于水吸收NH3的过程，操作温度及操作压力较低，工业上通常选用塑料散装填料。
在塑料散装填料中，塑料阶梯环填料的综合性能较好，故此选用DN38聚丙烯阶梯环填料。
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空隙，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，成为目前所使用的环形填料中最为优良的一种。
2.3设计步骤
本课程设计从以下几个方面的内容来进行设计
（一）吸收塔的物料衡算；
（二）填料塔的工艺尺寸计算；
主要包括：
塔径，填料层高度，填料层压降；
（三）设计液体分布器及辅助设备的选型；
（四）绘制有关吸收操作图纸。
三、工艺计算
3.1基础物性数据
3.1.1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，20℃时水的有关物性数据如下：
密度为ρL=998.2kg/m3
粘度为μL=0.001Pa·
s=3.6kg/（m·
h）
表面张力为σL=72.6dyn/cm=940896kg/h2
NH3在水中的扩散系数为DL=2.04×
10-9m2/s=7.344×
10-6m2/h
（依Wilke-Chang
计算，查《化学工程基础》）
3.1.2气相物性数据
设进塔混合气体温度为20℃，
混合气体的平均摩尔质量为
MVm=ΣyiMi=0.05×
17.03+0.95×
29=28.40g/mol
混合气体的平均密度为ρVm=1.1806kg/m3
混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得20℃空气的粘度为
μV=1.81×
10-5Pa•s=0.065kg/（m•h）
查手册得NH3在空气中的扩散系数为
DV=0.255cm2/s=0.081m2/h
3.1.3气液相平衡数据
由手册查得，常压下20℃时NH3在水中的亨利系数为
E=76.41kPa
相平衡常数为
m=E/P=76.41/101.3=0.754
溶解度系数为
H=ρ/EM=998.2/76.41×
18.02=0.7254kmol/kPam3
3.1.4物料衡算
（l）.进塔混合气中各组分的量
近似取塔平均操作压强为101.3kPa，故：
混合气量＝
=441.7
混合气NH3中量＝441.7×
0.055＝24.29kmol／h
＝24.29×
17.03=413.66kg／h
设混合气中惰性气体为空气，则混合气中空气量＝441.71-24.29＝417.42kmol／h
＝417.42×
29＝12105.18kg／h
（2）．混合气进出塔的摩尔组成
y1=0.055
y2=
=0.002323
（3）混合气进出塔摩尔比组成
进塔气相摩尔比为
Y1=
=
=0.0582
出塔气相摩尔比为
Y2=0.0582×
（1-0.96）=0.002328
（4）出塔混合气量
出塔混合气量=417.42+24.29×
0.04=418.3916kmol/h
=12105.18+441.7×
0.04=12122.848kg/h
（5）吸收剂（水）的用量L
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
对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为X2=0
=0.724
取操作液气比为
=1.6×
0.724=1.158
L=1.158×
417.42=483.432kmol/h
（6）塔底吸收液组成X1
=0.0482
（7）操作线方程
依操作线方程
Y=1.158X+0.002328
3.2填料塔的工艺尺寸的计算
3.2.1塔径的计算
采用Eckert通用关联图计算泛点气速。
气相质量流量为wv=10800×
1.1806=12751.4kg/h
液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即
WL=483.432×
18.02=8711.4kg/h
其中：
ρL=998.2kg/m3
ρV=1.1806kg/m3
g=9.81m/s2=1.27×
108m/h2
WV=12751.4kg/h
WL=8711.4kg/h
μL=0.001Pa·
s
（1）采用Ecekert通用关联图法计算泛点气速uF。
通用填料塔泛点和压降的通用关联图如下：
图一填料塔泛点和压降的通用关联图（引自《化工原理》）
图中u0——空塔气速，m/s；
φ——湿填料因子，简称填料因子，1/m；
ψ——水的密度和液体的密度之比；
g——重力加速度，m/s2；
ρV、ρL——分别为气体和液体的密度，kg/m3；
wV、wL——分别为气体和液体的质量流量，kg/s。
此图适用于乱堆的颗粒形填料，如拉西环、弧鞍形填料、矩鞍形填料、鲍尔环等，其上还绘制了整砌拉西环和弦栅填料两种规整填料的泛点曲线。
对于其他填料，尚无可靠的填料因子数据。
Eckert通用关联图的横坐标为
0.5=
0.5=0.0235
查图一查得纵坐标值为
0.2=0.3
表一散装填料泛点填料因子平均值
填料类型
填料因子，1/m
DN16
DN25
DN38
DN50
DN76
金属鲍尔环
410
—
117
160
金属环矩鞍
170
150
135
120
金属阶梯环
140
塑料鲍尔环
550
280
184
92
塑料阶梯环
260
127
瓷矩鞍
1100
200
226
瓷拉西环
1300
832
600
（《化工原理课程设计》附录十一）
查得：
=3.826
（2）操作气速
由以下公式计算塔径：
（《化工原理课程设计》）
对于散装填料，其泛点率的经验值为u/uF=0.5~0.85
取u=0.7uF=0.7×
3.826=2.678m/s
（3）塔径
由
=1.19
圆整塔径，取D=l.2m。
（4）泛点率校核：
=2.653m/s
=68.71%（在允许范围内）
（5）填料规格校核：
=31.57〉8
（6）液体喷淋密度校核：
取最小润湿速率为
（Lw）min=0.08m3/m·
h
查填料手册得
塑料阶梯环比表面积at=114.2m2/m3
Umin=（Lw）minat=0.08×
114.2=9.136m3/m2·
=9.413m3/m2h〉Umin
经以上校核可知，填料塔直径选用D=1200mm合理。
3.2.2填料层高度计算
（1）传质单元数NOG
Y1*=mX1=0.754×
0.0482=0.0362
解吸因数为:
=0.651
气相总传质单元数为:
=6.412
（2）传质单元高度的计算
气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算
查表二:
常见材质的临界表面张力值
材质
碳
瓷
玻璃
聚丙烯
聚氯乙烯
钢
石蜡
表面张力,mN/m
56
61
73
33
40
75
20
得
=33dyn/cm=427680kg/h2
液体质量通量为:
=7755.88kg/（m2h）
气膜吸收系数由下式计算：
=0.3533
气体质量通量为:
气体质量通量:
=11279.61
=0.133kmol/（m2hkpa）
液膜吸收系数由下式计算:
=0.468m/h
查表三:
常见填料塔的形状系数
球形
棒形
拉西环
弧鞍
开孔环
Ψ值
0.72
0.75
1
1.19
1.45
本设计填料类型为开孔环所以Ψ=1.45,则
=0.133×
114.2×
0.3533×
1.451.1=8.075kmol/（m3.h.kpa）
=0.468×
1.450.4=21.908l/h
又因
u/uF=68.71﹪＞50﹪
需要按下式进行校正，即
可得：
KG/a=[1+9.5（0.6871-0.5）1.4]×
8.075=15.41kmol/（m3.h.kpa）
KL/a=[1+2.6（0.6871-0.5）2.2]×
21.908=23.33l/h
则
（3）填料层高度的计算
根据设计经验，填料层的设计高度一般为
Z′＝（1.2~1.5）Z（4-19）
式中Z′——设计时的填料高度，m；
Z——工艺计算得到的填料层高度，m。
得:
=1.25×
2.898=3.6m
设计取填料层高度为
=3.6m
查：
表四散装填料分段高度推荐值
h/D
Hmax/m
2.5
≤4
矩鞍
5～8
≤6
鲍尔环
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