化工原理课程设计氨气填料吸收塔设计.docx

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化工原理课程设计氨气填料吸收塔设计

化工原理课程设计任务书

设计题目

填料吸收塔设计—15

主要内容

1、设计方案简介：

对给定或选定的工艺流程、主要设备进行简要论述；

2、主要设备的工艺设计计算：

物料衡算、能量衡算、工艺参数的选定、填料塔结构设计和工艺尺寸的设计计算；

3、辅助设备的选型

4、绘流程图：

以单线图的形式描绘，标出主体设备和辅助设备的物料方向、物流量、能流量。

5、吸收塔的设备工艺条件图

6、编写设计计算说明书

设计参数

用清水吸收空气中的NH3气体，混合气体处理量5000m3/h，其中NH3含量为0.14kg/m3干空气（标态），干空气温度为25℃，相对湿度为70%，要求净化气中NH3含量不超过0.07%（体积分数），气体入口温度40℃，入塔吸收剂中不含NH3，水入口温度30℃。

设计计划进度

布置任务，学习课程设计指导书，其它准备……………0.5天

主要工艺设计计算…………………………………………2.5天

辅助设备选型计算／绘制工艺流程图……………………1.0天

绘制主要设备工艺条件图…………………………………1.0天

编写设计计算说明书（考核）……………………………1.0天

合计：

（1周）………………………………………………6.0天

主要参考文献

1.《化工原理课程设计》，贾绍义等编，天津大学出版社，2002.08

2.《化工原理》（上、下册），夏清，陈常贵主编，天津大学出版社，2005.01

3.《化工原理课程设计》，大连理工大学编，大连理工大学出版社，1994.07

4.《化工工艺设计手册》（第三版）（上、下册），化学工业出版社，2003.08

5.《化学工程手册》（第二版）（上、下卷），时钧等主编，化学工业出版社，1998.11

6.《化工设备机械基础》，董大勤编，化学工业出版社，2003.01

7.《化工数据导引》，王福安主编，化工出版社，1995.10

8.《化工工程制图》，魏崇光等主编，化学工业出版社1994.05

9.《现代填料塔技术指南》，王树楹主编，中国石化出版社，1998.08

设计文件要求

1.设计说明书不得少于7000字，A4幅面；

2.工艺流程图为A2幅面；

3.设备工艺条件图为A3幅面；

备注

目   录

一前言………………………………………………………………………………………3

二设计任务…………………………………………………………………………………4

三设计条件…………………………………………………………………………………4

四设计方案…………………………………………………………………………………5

1．吸收剂的选择…………………………………………………………………………5

2．流程图及流程说明……………………………………………………………………5

3．塔填料的选择…………………………………………………………………………7

五工艺计算…………………………………………………………………………………11

1．物料衡算，确定塔顶、塔底的气液流量和组成……………………………………11

2．塔径的计算……………………………………………………………………………12

3.填料层高度计算………………………………………………………………………14

4.填料层压降计算………………………………………………………………………16

5.液体分布装置…………………………………………………………………………17

6.液体再分布装置………………………………………………………………………19

7.填料支撑装置…………………………………………………………………………20

8.流体进出口装置………………………………………………………………………21

9.水泵及风机的选型……………………………………………………………………22

六设计一览表………………………………………………………………………………23

七对本设计的评述…………………………………………………………………………23

八参考文献…………………………………………………………………………………24

九主要符号说明……………………………………………………………………………24

十致谢………………………………………………………………………………………25

一前言

在石油化工、食品医药及环境保护等领域，塔设备属于使用量大应用面广的重要单元设备。

塔设备广泛用于蒸馏、吸收、萃取、洗涤、传热等单元操作中。

所以塔设备的研究一直是国内外学者普遍关注的重要课题。

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。

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。

因此，吸收空气中的氨，防止氨超标具有重要意义。

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空气。

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。

二设计任务

完成填料塔的工艺设计与计算，有关附属设备的设计和选型，绘制吸收系统的工艺流程图和填料塔装置图，编写设计说明书。

三设计条件

查表知，25下水的饱和蒸气压为3.169KPa，干空气的密度为1.185kg/m3，20下氨气的密度为0.7601kg/m3。

水蒸气的饱和分压为：

湿空气的湿度：

湿空气的比体积：

标准状态下，

氨气的体积分数=

回收率=

综上所述，本课程设计中填料塔的主要设计参数如下：

1、气体混合物成分：

空气和氨气；

2、氨的含量：

19.68％（体积）；

3、混合气体流量：

5000m3/h；

4、操作温度：

303K；

5、混合气体压力：

101.3KPa；

6、回收率：

99.64％。

四设计方案

4.1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。

所以本课程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。

4.2流程选择及流程说明

吸收装置的流程主要有以下几种：

（1）逆流操作气相自塔底进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出，此即逆流操作。

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。

工业生产中多用逆流操作。

（2）并流操作气、液两相均从塔顶流向，此即并流操作。

并流操作的特点是，系统不受液流限制，可提高操作气速，以提高生产能力。

并流操作通常用于以下情况：

当吸收过程的平衡曲线较平坦时，流向对推动力影响不大；易溶气体的吸收或处理的气体不需吸收很完全；吸收剂用量特别大，逆流操作易引起液泛。

（3）吸收剂部分再循环操作在逆流操作系统中，用泵将吸收塔排除液体的一部分冷却后与补充的新鲜吸收剂一同送回塔内，即为部分再循环操作。

通常用于以下操作：

当吸收剂用量较小，为提高塔的液体喷淋密度；对于非等温吸收过程，为控制塔内的温升，需取出一部分热量。

该流程特别适宜于相平衡常数m值很小的情况，通过吸收液的部分再循环，提高吸收剂的使用效率。

应当指出，吸收剂部分再循环操作较逆流操作的平均推动力要低，且需设置循环泵，操作费用增加。

（4）多塔串联操作若设计的填料层高度过大，或由于所处理物料等原因需经常清理填料，为便于维修，可把填料层分装在几个串联的塔内，每个吸收塔通过的吸收剂和气体量都相等，即为多塔串联操作。

此种操作因塔内需留较大空间，输液、喷淋、支撑板等辅助装置增加，使设备投资加大。

（5）串联-并联混合操作若吸收过程处理的液量很大，如果用通常的流程，则液体在塔内的喷淋密度过大，操作气速势必很小（否则易引起塔的液泛），塔的生产能力很低。

实际生产中可采用气相作串联、液相作并联的混合流程；若吸收过程处理的液量不大而气相流量很大时，可采用液相作串联、气相作并联的混合流程。

列出几种常见的吸收过程如图1。

（a）并流（b）逆流

图1吸收流程

用水吸收NH3属高溶解度的吸收过程，为提高传质效率和分离效率，所以本设计选用逆流吸收流程。

该填料塔中，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。

4.3塔填料选择

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。

4.3.1填料性能评价

填料种类的选择要考虑分离工艺的要求，通常考虑一下几个方面：

（1）传质效率传质效率即分离效率，它有两种表的方法：

一是以理论级