水吸收氨气的填料吸收塔设计毕业论文.docx

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水吸收氨气的填料吸收塔设计毕业论文

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水吸收氨气的填料吸收塔设计毕业论文

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内蒙古科技大学

本科生课程设计说明书

题目：

水吸收氨气的填料吸收塔设计

学生姓名：

学号：

专业：

化学工程与工艺

班级：

10-化工-3-班

指导老师：

赫文秀

绪论

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。

本次课程设计最主要的目的是使我们对化工原理有一定的感性和理性认识；对水吸收氨等方面的相关知识做进一步的理解；培养和锻炼我们的思维实践能力，使我们的理论知识与实践充分地结合，能自主分析问题和解决问题。

目录TOC\o"1-3"\h\z\u

HYPERLINK\l"_Toc360603505"1设计方案的确定PAGEREF_Toc360603505\h1

HYPERLINK\l"_Toc360603506"1.1流程选择及说明PAGEREF_Toc360603506\h1

HYPERLINK\l"_Toc360603507"1.2吸收剂的选择PAGEREF_Toc360603507\h2

HYPERLINK\l"_Toc360603508"2填料的选择PAGEREF_Toc360603508\h4

HYPERLINK\l"_Toc360603509"2.1填料性能评价PAGEREF_Toc360603509\h4

HYPERLINK\l"_Toc360603510"2.2装填类型的选择PAGEREF_Toc360603510\h4

HYPERLINK\l"_Toc360603511"2.2.1规整填料PAGEREF_Toc360603511\h5

HYPERLINK\l"_Toc360603512"2.2.2散装填料PAGEREF_Toc360603512\h5

HYPERLINK\l"_Toc360603513"3工艺计算PAGEREF_Toc360603513\h9

HYPERLINK\l"_Toc360603514"3.1气液平衡PAGEREF_Toc360603514\h9

HYPERLINK\l"_Toc360603515"3.1.1非等温吸收的热量衡算PAGEREF_Toc360603515\h9

HYPERLINK\l"_Toc360603516"3.1.2平衡关系的确定PAGEREF_Toc360603516\h10

HYPERLINK\l"_Toc360603517"3.2物料衡算PAGEREF_Toc360603517\h12

HYPERLINK\l"_Toc360603518"3.2.1吸收剂用量PAGEREF_Toc360603518\h13

HYPERLINK\l"_Toc360603519"3.3操作线的计算PAGEREF_Toc360603519\h14

HYPERLINK\l"_Toc360603520"3.3.1操作线温度的计算PAGEREF_Toc360603520\h14

HYPERLINK\l"_Toc360603521"3.3.2操作线方程的确定PAGEREF_Toc360603521\h14

HYPERLINK\l"_Toc360603522"3.4塔径计算PAGEREF_Toc360603522\h15

HYPERLINK\l"_Toc360603523"3.4.1泛点率校核：

PAGEREF_Toc360603523\h17

HYPERLINK\l"_Toc360603524"3.4.2液体喷淋密度校核PAGEREF_Toc360603524\h17

HYPERLINK\l"_Toc360603525"3.5填料层高度的计算PAGEREF_Toc360603525\h18

HYPERLINK\l"_Toc360603526"3.5.1传质系数的计算PAGEREF_Toc360603526\h20

HYPERLINK\l"_Toc360603527"3.5.2填料层压降计算PAGEREF_Toc360603527\h22

HYPERLINK\l"_Toc360603528"4填料吸收塔附件设计及选型PAGEREF_Toc360603528\h25

HYPERLINK\l"_Toc360603529"4.1液体分布装置PAGEREF_Toc360603529\h25

HYPERLINK\l"_Toc360603530"4.2填料支撑装置PAGEREF_Toc360603530\h26

HYPERLINK\l"_Toc360603531"4.3辅助设备的选型PAGEREF_Toc360603531\h27

HYPERLINK\l"_Toc360603532"4.3.1管径的计算PAGEREF_Toc360603532\h27

HYPERLINK\l"_Toc360603533"4.3.2泵的选型PAGEREF_Toc360603533\h28

HYPERLINK\l"_Toc360603534"5设计一览表PAGEREF_Toc360603534\h30

HYPERLINK\l"_Toc360603535"参考文献PAGEREF_Toc360603535\h31

HYPERLINK\l"_Toc360603536"课程设计心得PAGEREF_Toc360603536\h32

1设计方案的确定

1.1流程选择及说明

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。

几种常见的吸收过程如下图所示：

并流（b）逆流

图2-1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。

1.2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。

因为本设计氨气为吸收质，所以选择用清水作吸收剂，水廉价易得，物理化学性能稳定，而且氨气极易溶于水，符合吸收过程对吸收剂的基本要求。

因此本课程设计用水吸收氨气，即水作为吸收剂是最佳选择。

2填料的选择

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。

2.1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：

一是以理论级进行计算的表示方法，以每个理论级当量的填料层高度表示，即HETP值；另一方面是以传质速率进行计算的表示方法，以每个传质单元相当高度表示，即HTU值。

在满足工艺要求的前提下，应选用传质效率高，即HEYP（或HTU值）低的填料。

对于常用的工业填料，其HEYP（或HTU值）可由有关手册或文献中查到，也可以通过一些经验公式来估算。

（2）通量在相同的液体负荷下，填料的泛点气速愈高或气相动能因子愈大，则通量愈大，塔的处理能力亦越大。

因此在选择填料种类时，在保证具有较高传质效率的前提下，应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料。

对于大多数常用填料其泛点气速或气相动能因子可由有关手册或文献中查到，也可以通过一些经验公式来估算。

（3）填料层的压降填料层的压降是填料的主要应用性能，填料层的压降越低，动力消耗越低，操作费用越小。

选择低压降的填料对热敏性物系的分离尤为重要。

所以要比较填料的压降。

（4）填料的操作性能填料的操作性能主要指操作弹性、抗污堵性及抗热敏性等。

所选填料应具有较大的操作弹性，以保证塔内气、液负荷发生波动时维持操作稳定。

同时，还应具有一定的抗污堵、抗热敏能力，以适应物料的变化及塔内温度变化。

此外，所选的填料要便于安装、拆卸和检修。

2.2装填类型的选择

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。

2.2.1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的小孔，可起到粗分配板片上的液体，加强横向混和作用。

波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。

2.2.2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。

还有弧鞍填料，矩鞍填料，环矩鞍填料等。

几种实体填料如下图所示：

图2-2几种典型填料

综上所述，经分析各填料特点、性能，本课程设计选择散装阶梯环填料。

2.3填料材质的分析与选择

工业上，填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类：

（1）陶瓷填料陶瓷填料具有良好的耐腐蚀性及耐热性，一般能耐除氢氟酸以外的常见的各种无机酸、有机酸的腐蚀，对强碱介质，可以选用耐碱配方制造的耐碱陶瓷填料。

陶瓷填料因其质脆、易碎，不易在高冲击强度下使用。

陶瓷填料价格便宜，具有很好的表面润湿性，工业上，主要用于气体吸收、气体洗涤、液体萃取等过程。

（2）金属填料金属填料可用多种材质制成，金属材料的选择主要根据物系的腐蚀性和金属材质的耐腐蚀性来综合考虑。

碳钢填料造价低，且具有良好的表面湿润性能，对于无腐蚀或低腐蚀性物系应优先考虑使用；钛材、特种合金钢等材质制成的填料造价级高，一般只在某些腐蚀性极强的物系下使用。

金属填料可制成薄壁结构（0.2~0.1mm），与同种类型、同种规格的陶瓷、塑料填料相比，它的通量大、气体阻力小，且具有很高的抗冲击性能，能在高温、高压、高冲击强度下使用，工业应用主要以金属填料为主。

（3）塑料填料塑料填料的材质主要包括聚丙烯、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。

聚丙烯填料在低温（低于0℃）时具有冷脆性，在低于0℃的条件下使用要谨慎，可选用耐低温性能好的聚氯乙烯填料。

塑料填料具有轻质、廉价、耐冲击、不易破碎等优点，多用于吸收、解吸、萃取、除尘等装置中。

塑料填料的缺点是表面润湿性能较差，在某些特殊应用场合，需要对其表面进行处理，以提高表面润湿性能。

经以上分析得本次课程设计选用聚丙烯填料。

2.4填料规格的选择

通常，散装填料与规整填料的规格标示方法不同，选择地方法亦不尽相同。

（1）散装填料规格的选择散装填料的规格通常是指填料的公称直径。

工业塔常用的散装填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、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塔径中，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。

考虑到本课程设计处理量，所用的塔直径可选用25mm。

（2）规整填料规格的选择工业上常用规整填料的型号和规格的表示方法很多，国内习惯用比表面积表示，主要有125、150、250、350、500、700等几种规格。

同种类型的规整填料，其比表面积越大，传质效率越高，但阻力增加，通量减小，填料费用也明显增加。

选用时应从分类要求、通量要求、场地要求、物料性质及设备投资、操作费用等方面综合考虑，使所选填料既能满足工艺要求，又具有经济合理性。

应当指出，一座填料塔可以选用同种类型、同一规格的填料，也可以使用同种类型、不同规格的填料；可以选用同种类型的填料，也可以选用不同类型的填料；有的塔段可选用规整填料，而有的塔段可选用散装填料。

综上所述选用25mm聚丙烯阶梯环塔填料（乱堆），其主要性能参数查表2.1得：

比表面积at：

228m2/m3

空隙率ε：

0.90m3/m3

干填料因子∅：

313m-1

表2-1阶梯环性能参数

3工艺计算

3.1气液平衡

用水吸收NH3会产生很大的热效应，使塔内的温度显著升高，对气液平衡关系和吸收速率产生明显影响。

所以此吸收过程为非等温吸收。

3.1.1非等温吸收的热量衡算

用水吸收NH3，会产生很大的热效应，使塔内温度显著升高，对气液平衡关系和吸收速度产生明显影响，这种吸收过程称为非等温吸收。

非等温吸收过程的热效应主要包括：

（1）不考虑热损失；

（2）吸收剂带走的潜热不计；

（3）气相带走的热量不计。

上面的三点假设过程所释放出的热量全部用来加热液体。

对于高浓度气体的非等温吸收，由塔顶到塔底的浓度及为温度变化较大，平衡的确定常采用近似法。

将吸收塔按液相浓度（全塔浓度变化范围）x的变化分成若干段，每段浓度变化为∆x，对第i段作热量衡算：

溶质被吸收时放出的热量：

Q1=LHd（xi-xi-1）（3-1）

液相温度由升至时吸收的热量：

Q2=LCL（ti-ti-1）（3-2）

根据前面的假设，吸收过程中放出热量全部用于液相升温，故：

Q1=Q2（3-3）

LHdxi-xi-1=LCL（ti-ti-1）（3-4）

ti=ti-1+HdCL（xi-xi-1）（3-5）

ti,ti-1——第i段两端的液相温度，℃；

∆x——第i段两端的液相浓度差；

L——溶液流率，kmol/h（由于∆x很小，L可视为常数）；

CL——溶液的平均比热，kJ/（kmol∙℃）。

在塔顶液相浓度x2、温度t2已知的情况下，可利用（3-5）式逐段计算出每个xi下的液相温度ti，建立吸收塔钟液相浓度x与温度t的对应关系。

具体计算关系式为：

QUOTEHd=34900-625×Hd（3-6）

QUOTEti=ti-1+HdCL（Xi-Xi-1）（3-7）

ti,ti-1——第i段两端的液相温度，℃；

L——溶液流速，kmol/h（由于xi-xi-1很小，L可视为常数）；

CL——溶液的平均比热，kJ/（kmol∙℃）；

Hd——溶质的微分溶解热，kJ/kmol（取xi与xi-1之间的平均数）。

CL=Cp×M（3-8）

=4.174×18=75.132kg/（kmol∙℃）

QUOTElogp=1.1logx-1750T+8.92（3-9）

x——氨在溶液中的摩尔分数；

T——溶液温度，K；

P——溶液上方氨的平均分压，mmHg。

yi*=pp（3-10）

QUOTEXi=Xi1-Xi（3-11）

3.1.2平衡关系的确定

对氨在溶液中的摩尔分率由0.00～0.10取11个分点，且xi-xi-1=0.01。

由相关关系式计算相关未知量：

（以第一段x=0.00～0.01为例）

Hd=34900-6250x

=34900-6250×0.00+0.012=34868.75kJ/kmol

ti=ti-1+HdCLXi-Xi-1

=20+34868.7575.132×0.01=24.6410℃

Logp=1.1logx-1750T+8.92

=1.1×log0.01-1750273.15+24.6410+8.92

解得：

p=6.97mmHg

换算得：

p=6.79×133=927.01pa

yi*=pp=927.01101.33=0.009148

Xi=Xi1-Xi=0.011-0.01=0.0101

以下段依次计算，可得结果如下表：

表3-1气液平衡数据表

由上表所得出的xi及值yi*，以xi为横坐标，yi*为纵坐标作图如下：

图3-1气液平衡图

3.2物料衡算

空气和水的物性常数如下：

查手册得

40℃空气

（1）黏度：

μL=1.91×10-5pa∙s

（2）密度：

ρL=1.128kg/m3

20℃水

（1）密度：

ρL=998.2kg/m3

（2）黏度：

μL=100.5×10-5pa∙s

（3）表面张力为：

σt=72.6dyncm=940896kg/h3

已知20℃下氨在水中的溶解度系数H=0.725kmol/（m3∙kpa）

混合气体的平均摩尔质量为：

Mvm=yiMi（3-12）

=0.75×29+0.25×17=26kg/m3

进塔气相摩尔比为：

Y1=y11-y1=0.251-0.25=0.33

出塔气相摩尔比为：

Y2=y21-y2=0.061-0.06=0.0638

对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为：

X2=0（清水）

由“图3-1”查的当y*=0.25时，对应的x*=0.0763，

则计算得：

X1*=x1*1-x1*=0.07631-0.0763=0.0823

惰性气体流量：

V=vs22.41-y1（3-13）

=240022.41-0.25=80.36kmol/h

最小吸收剂用量：

Lmin=VY1-Y2X*-X2（3-14）

=80.36×0.33-0.06380.0823-0=262.854kmol/h

3.2.1吸收剂用量

吸收剂的用量直接影响吸收塔的尺寸、塔底液相浓度以及操作费用等，故应从工艺和经济两方面权衡。

一般，根据生产经验，吸收剂用量在如下范围内比较合适：

LV=（1.1~2.0）LVmin（3-15）

所以，该设计的吸收