化学专业论文定稿水吸收氨过程填料吸收塔的设计

1、分类号 单位代码 11395 密 级 学 号 0706210156 学生毕业设计（论文） 题 目 水吸收氨过程填料吸收塔的设计 作 者 院 (系) 化学与化工学院 专 业 化学工程与工艺 指导教师 刘侠 答辩日期 2011年5月21日 榆 林 学 院 毕业设计（论文）诚信责任书 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） ，是本人在导师的指导下独立，是本人在导师的指导下独立 进行研究所取得的成果。毕业设计（论文）中凡引用他人已经发表或未发表的进行研究所取得的成果。毕业设计（论文）中凡引用他人已经发表或未发表的 成果、数据、观点等，均已明确注明出处。尽我所知，除

2、文中已经注明引用的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。尽我所知，除文中已经注明引用的 内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果撰写过的研究成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人毕业设计（论文）与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。本人毕业设计（论文）与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 论文作者签名论文作者签名: 年年 月月 日日 摘 要 本设计任务是用 20清水吸收空气中混有的氨气以达到排放标准

3、，空气中氨的体 积含量为 5%，水吸收过程属于低含量气体吸收过程，为提高传质效率选逆流吸收流程。 填料选择 DN50mm，聚丙烯阶梯环填料。 根据设计任务和设计条件首先对相关物性数据进行了计算，然后对填料吸收塔的 塔径、填料层高度、填料层压降、进出口压降、液体分布器布液能力以及填料主要接 管尺寸进行了计算。然后对填料塔流体力学性能进行了校核符合设计要求，最终确定 了填料吸收塔的结构和工艺尺寸。最后绘制了填料吸收塔的设备图。 关 键 词：填料塔，聚丙烯，吸收，逆流 论文类型：工程设计 ABSTRACT This design task is uses 20 of water absorb amm

4、onia in air to achieve emissions standards, the volume of ammonia in air is 5%, water absorption of ammonia in the air is a low concentration of gas absorption, to improve mass transfer efficiency, this design use counter-current absorption process. Select DN50mm, polypropylene ladder ring packing.

5、According to design task and design conditions, first to related to physical data were calculated, then calculate the diameter of packing absorbing column, the height of packing layer, the press drop of packing layer and entrance and exit, liquid distributor assign liquid ability and packing column

6、mainly tube size was calculated. Then checks the fluid mechanics performance of packed column and meet the design requirement final ascertain the structure and technology dimension of packing absorbing column. Finally drafting packing absorbing column equipment drawing. Key words: Packed column; Pol

7、ypropylene; Absorb; Countercurrent Thesis: Engineering Design 目录 目 录 1 绪论 -1 1.1 简述-1 1.1.1 塔设备简述 -1 1.1.2 吸收操作简述-1 1.1.3 空气中氨的危害 -2 1.1.4 填料塔的主体结构与特点简述 -2 1.2 填料塔的设计任务及步骤-3 1.3 填料塔设计条件及操作条件-3 2 填料塔主体设计方案的确定-5 2.1 装置流程的确定-5 2.2 吸收剂的选择-5 2.3 填料的类型与填料的选择-6 2.3.1 填料性能评价 -6 2.3.2 填料种类的选择 -7 2.3.3 填料规格的选

8、择 -8 2.3.4 填料材质的选择 -8 2.4 基础物性数据-9 2.4.1 液相物性数据-9 2.4.2 气相物性数据-10 2.4.3 气液相平衡数据-10 2.4.4 物料横算-10 3 填料塔工艺尺寸的计算-12 3.1 塔径的计算-12 3.2 填料层高度的计算及分段-14 3.2.1 传质单元数的计算-14 3.2.2 传质单元高度计算-15 3.2.3 填料层的分段-17 3.3 填料层压降计算-18 3.4 填料塔附属高度计算-19 4 填料塔内件的类型及设计-20 4.1 塔内件类型-20 4.2 塔内件的设计及选用-20 4.2.1 液体分布装置-20 4.2.2 液体

9、收集及再分布装置-21 4.2.3 填料支承装置-21 4.2.4 填料压紧装置-22 4.2.5 吸收塔主要接管尺寸选择与计算-23 4.3 其他附属装置选型-23 目录 工艺设计计算结果汇总与主要符号说明-24 结论-27 参考文献-28 附录-29 致谢-30 榆林学院毕业论文 0 1 绪论 1.1 简述 1.1.1 塔设备简述 塔设备是石油、化工、医药、轻工等生产中的重要设备之一，在塔设备内可进行 气液或液液两相间的充分接触，实施相间传质，因此在生产过程中常用塔设备进行精 馏、吸收、解吸、气体的增湿及冷却等单元操作过程1。 塔设备在生产过程中维持一定的压力、温度和规定的气、液流量等工艺

10、条件，为 单元操作提供了外部条件。塔设备的性能对产品质量、产量、生产能力和原材料消耗， 以及三废处理与环境保护等方面，都有重要影响。 为了适应生产的发展需求，人们已经研究出不同结构的塔设备。根据生产的单元 操作可以把塔设备分为吸收塔、解吸塔、精馏塔和萃取塔等，而目前最常用的分类是 根据塔内气液接触构件的结构形式把塔设备分为填料塔和板式塔 1.1.2 吸收操作简述 混合物的分离，总是根据混合物中各组分间某种物理和化学性质的差异而进行的。 根据不同性质上的差异，可以开发出不同的分离方法。吸收操作仅为其中之一，它根 据混合物组分在某种溶剂中溶解度的不同而达到分离的目的2。混合气体中，能够溶解 的组分

11、称为吸收物质或溶质，以 A 表示；不被溶解的组分称为惰性组分或载体，以 B 表示；吸收操作所用的溶剂称为溶剂，以 S 表示；吸收操作所得到的溶液称为吸收液 或溶液，其成分为溶剂 S 和溶质 A；排出的气体称为吸收尾气，其主要成分除惰性气 体 B 外，还含有未溶解的溶质 A3。 根据处理气体的浓度，气体吸收一般分为低含量气体的吸收和高含量气体的吸收2 气体的吸收常在吸收塔中进行，根据气、液两相的流动方向，分为逆流操作和并流操 作两类，工业生产中以逆流操作为主，吸收剂从塔顶加入自上向下流动，与从下向上 流动的气体接触，吸收了吸收质的液体从塔底排出，净化后的气体从塔顶排出。图 1.1 为逆流操作的吸

12、收塔示意图。 图 1.1 吸收操作示 意图 水吸收氨过程填料吸收塔的设计 1 1.1.3 空气中氨的危害 氨在国民经济中占有重要的地位，在农业生产方面，氨用于制造化肥；在化学纤 维和塑料工业中，则以氨、硝酸和尿素作为氮元素的来源生产己内酰胺、尼龙-6、丙 烯腈等单体和脲醛树脂等产品。氨在常温常压下是无色气体，具有特殊的刺激性臭味, 能刺激人体感官粘膜，空气中含氨大于 0.02%时即会引起人体慢性中毒4。可见氨是化 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。 （1）吸入氨的危害： 轻度吸入氨中毒表现有鼻炎、咽炎、喉痛、声音嘶哑。 急性轻度中毒：

13、咽干、咽痛、声音嘶哑、咳嗽、咳痰，胸闷及轻度头痛，头 晕、乏力。 急性中度中毒上述症状加重，呼吸困难，有时痰中带血丝，轻度发绀，眼结 膜充血明显，喉水肿，肺部有干湿性哕音。 急性重度中毒：剧咳，咯大量粉红色泡沫样痰，气急、心悸、呼吸困难，喉 水肿进一步加重，明显发绀，或出现急性呼吸窘迫综合症、较重的气胸和纵隔气肿 等。 严重吸入中毒可出现喉头水肿、声门狭窄以及呼吸道粘膜脱落，可造成气管 阻塞，引起窒息。吸入高浓度的氨可直接影响肺毛细血管通透性而引起肺水肿，可 诱发惊厥、抽搐、嗜睡、昏迷等意识障碍。个别病人吸入极浓的氨气可发生呼吸心 跳停止。 （2）氨对眼睛和皮肤的危害： 低浓度的氨对眼和潮湿的

14、皮肤能迅速产生刺激作用。潮湿的皮肤或眼睛接触 高浓度的氨气能引起严重的化学烧伤。急性轻度中毒：流泪、畏光、视物模糊、眼结 膜充血。 皮肤接触可引起严重疼痛和烧伤，并能发生咖啡样着色。被腐蚀部位呈胶状 并发软，可发生深度组织破坏5。 因此，吸收空气中的氨，防止氨超标具有重要意义。 1.1.4 填料塔的主体结构与特点简述 填料塔由塔体、液体分布器、填料压紧装置、塔填料、液体在分布器、填料支撑装 置等构成。其结构见图 1.2 榆林学院毕业论文 2 填料塔是化工分离过程的主体设备之一，与板式塔相比，具有生产能力大、分离 效率高、压降小、操作弹性大、塔内持液量小等突出特点，因而在化工生产中得到了 广泛的

15、应用6。由于填料塔填料易于用耐腐蚀材料制造，使填料塔在处理腐蚀性物料时 具有很大优势。近年来填料塔洗涤吸收净化工艺不但应用在化工领域，在低浓度气体 吸收方面也能很好地发挥作用。填料塔是最常用的一类气液传质设备，其具有分离效 率高、处理能力大、压降小、耐腐蚀等特点,因此选用填料塔作为吸收设备7。 1.2 填料塔的设计任务及步骤 设计任务：用水吸收空气中混有的氨气以达到排放标准。 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。 1.3 填

16、料塔设计条件及操作条件填料塔设计条件及操作条件 （1）气体混合物成分：空气和氨 （2）空气中氨的含量:：5.0% （体积含量即为摩尔含量） （3）混合气体流量 9000m3/h 图 1.2 填料塔结构图 水吸收氨过程填料吸收塔的设计 3 （4）操作温度 293K （5）混合气体压力 101.3KPa （6）回收率 99 % （7）采用清水为吸收剂 （8）填料类型：采用聚丙烯阶梯环填料 榆林学院毕业论文 4 2 填料塔主体设计方案的确定 2.1 装置流程的确定 吸收装置的流程主要有以下几种。 （1）逆流操作 气相自塔底进入塔顶排出，液相自塔顶进入塔底排出，此即逆流操 作。逆流操作的特点是，传质平

17、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。 （2）并流操作 气液两相均从塔顶流向塔底，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 气体不需要吸收很完全；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，用泵将吸收塔排出液体的一部分 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。通常用于以下情况： 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

18、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。应予指出，吸收剂部分再循环操作较逆流 操作的平均推动力要低，且需要设置循环泵，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要经常 清理调料，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。此种操作因塔内需要留较大空间，输液、喷 淋、支承板等辅助装置增加，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

19、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8。 用水吸收空气中的氨气属低浓度气体吸收，为提高传质效率，本设计选用逆流吸收 流程。 2.2 吸收剂的选择 吸收操作是气液两相之间的接触传质过程，吸收操作的成功与否在很大程度上决 定于溶剂的性质。评价溶剂的优劣的主要依据包括以下几点： （1） 溶剂应对混合气体中被分离组分（下称溶质）有较大的溶解度； （2） 溶剂对混合气体中其他组分的溶解度要小，即溶剂应具有较高的选择性； （3） 溶质在溶剂中的溶解度应对温度的变化比较敏感，即不仅在低温下溶解度要 大，平衡分压要小，而且随温度升高，溶解度应迅速下降

20、，平衡分压迅速上 升。这样，被吸收的气体容易解吸，溶剂再生方便； （4） 溶剂的蒸气压要低，以减少吸收和再生过程中溶剂的挥发损失； 水吸收氨过程填料吸收塔的设计 5 （5） 溶剂应具有较好的化学稳定性，以免使用过程中发生变质； （6） 溶剂应有较低的黏度，且吸收过程中不易产生泡沫，以实现吸收塔内良好的 气液接触和塔顶的气液分离； （7） 溶剂应尽可能满足廉价、易得、无毒、不易燃烧等经济和安全条件。 实际上很难找到一个理想溶剂能满足所有这些要求，因此，应对可供选择的溶 剂做全面的评价，以便做出经济、合理的选择2。表 2.1 给出几种工业常用吸收剂。 表表 2.1 几种工业常用吸收剂几种工业常用吸

21、收剂 溶 质吸 收 剂 氨水、硫酸 丙酮蒸汽水 氯化氢水 二氧化碳水、碱液、碳酸丙烯酯 二氧化硫水 硫化氢碱液、砷碱液、有机溶剂 苯蒸汽煤油、洗油 丁二烯乙醇、乙腈 二氯乙烯煤油 一氧化碳铜氨液 综上所述，考虑吸收剂的选用要求可以看出水最适合作溶剂，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。所以，本设计选择水 作溶剂，且氨气不作为产品，故采用纯溶剂。 2.3 填料的类型与填料的选择 填料的种类很多，性能上各有差异。根据填料的结构及其使用方式可分为散装填 料和规整填料两大类。本设计选择散装填料。 2.3.1 填料性能评价 塔填料是填料塔的重要组成部分，是提供他内气

22、液联想接触的场所，填料塔对填 料的要求具体表现在以下几个方面： （1）比表面积要大。比表面积是指单位堆积体积填料所具有的表面积 m2/m3。 （2）能提供大的流体通量。即所选用的填料结构要敞开，使属于死角区域的空间 小，有效的空隙率大。 （3）液体的再分布性能好，具体要求有以下四个方面： 填料在塔内装填之后，整个床层结构均匀； 填料在塔内的堆放形式应有利于液体向四周均匀分布； 榆林学院毕业论文 6 填料本身的结构要保证同一截面上的填料在接受上面流下的液体之后，不仅 能垂直往下传递，而且能横向传递； 减轻液体向壁面的偏流。 （4）要有足够的机械强度，有良好的化学稳定性。 （5）重量轻，来源易，价

23、格低廉9。 实际使用上，一般是从气液相通量、分离效率、压力降及抗堵塞能力方面评价填 料性能，其基本规律如下 （1）分离能力 同一系列填料中，小尺寸的填料比表面积大，具有较高的分离能 力； （2）处理能力和压力降 同一系列填料中，空隙率大者具有较小的压力降，和较 大的处理量，金属和塑料材质的填料与陶瓷填料相比，具有较小的压力降和较大的处 理量； （3）抗堵塞能力 比表面积小的填料具有较大的空隙率，具有较强的抗堵塞能力； 金属和塑料材料的填料抗堵塞能力优于陶瓷填料6。 2.3.2 填料种类的选择 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

24、。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

25、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

26、。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 水吸收氨过程填料吸收塔的设计 7 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

27、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8。几种常见实体填料如图 2.1： 对于不同类型的散堆填料，同样尺寸、材质的鲍尔环在同样的压力降下，处理量 比 拉西环大 50%以上，分离效率可以提高 30%以上；在同样的操作条件下，阶梯环的处 理量可以比鲍尔环大 20%左右，效率比鲍尔环高 5% 10%；而弧鞍，矩鞍型填料则具 有更大的处理量和分离效率。若以拉西环的处理量进行对比，则在相同的压力降下几 种散堆填料的处理能力如表 2.2 所示6。 表表 2.2 常用散堆填料的相对处理能力常用散堆填料的相

28、对处理能力 填料尺寸253850 拉西环100100100 矩鞍132120123 鲍尔环155160150 阶梯环170176165 弧鞍205202195 综合考虑填料的处理能力、压力降、分离效率以及经济因素，本设计选择阶梯环 填料。 拉西环 鲍尔环 阶梯环 弧鞍型填料 矩鞍型填料 图 2.1 几种实体填料 榆林学院毕业论文 8 2.3.3 填料规格的选择 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

29、塔的分离 效率降低8。填料规格的选择是一个较为复杂的问题，因为能够满足设计要求的塔填料 不止一种，要在众多的塔填料中选择出最适宜的塔填料，需做出全面的技术经济评价 以较少的投资获得最佳的经济技术指标。由于涉及的因素太多，因而这是一项繁重而 复杂的工作，一般做法是根据经验选出几种可能选用的填料，然后进行全面评价，最 终做出选择。 本设计处理量不大，所用的塔直径不会太大，可选用 DN50mm。 2.3.4 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. （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

30、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；不锈钢填料耐腐蚀性强，一般能耐 以外常见物系的腐蚀，但其造价较高；钛材、特种合金钢等材质制成的填料造价级cl 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（0.21.0mm），与同种类型、同种规格的陶瓷、塑料填

31、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

32、提高表面润湿性能8。所以本设计选用聚丙烯填料。 综上所述选用 50mm 聚丙烯阶梯环塔填料，查化工手册得其主要性能参数： 比表面积 at：114.2 水吸收氨过程填料吸收塔的设计 9 空隙率 ：0.927 干填料因子： 填料因子： 压降填料因子： 2.4 基础物性数据 2.4.1 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水的物性数据。由手册查得，20 时水的有关物性数据如下： （1）密度： （2）黏度： （3）表面张力为: （4）20下氨气在水中的溶解度系数: C （5）20下氨气在空气中的扩散系数： C （6）20下氨气在水中的扩散系数： C 2.4.2 气相物性数据 （1）混

33、合气体的平均摩尔质量为 （2.1） （2）混合气体的平均密度 （2.2） R=8.314 （3）混合气体黏度可近似取为空气黏度。查手册得 20时，空气的黏度C 注： 2.4.3 气液相平衡数据 对于稀溶液来说： 亨利系数 （2.3） 相平衡常数： （2.4） 榆林学院毕业论文 10 E亨利系数； H溶解度系数； Ms溶剂的相对摩尔质量； m相平衡常数。 2.4.4 物料横算 （1）进塔气相摩尔比为 （2.5） （2）出塔气相摩尔比为 （2.6） （3）进塔混合气体流量 （2.7） （4）进塔惰性气体流量 （2.8） 因为该吸收过程为低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比按下式计算。即： （2.

34、9） （2.10） 对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为：(清水)0 2 X 最小液气比： （2.11） 取操作液气比为最小液气比的 1.7 倍 水吸收氨过程填料吸收塔的设计 11 （2.12） 则可得吸收剂用量为： （2.13） 则： （2.14） G单位时间内通过吸收塔的惰性气体量， L单位时间内通过吸收塔的溶解剂， Y1、Y2分别为进塔及出塔气体中溶质组分的摩尔比， , X1、X2分别为进塔及出塔液体中溶质组分的摩尔比， , 榆林学院毕业论文 12 3 填料塔工艺尺寸的计算 填料塔工艺尺寸的计算包括塔径的计算、填料层高度的计算及分段和填料层压降 的计算。 3.1 塔径的计算 （1）空塔气速

35、的确定泛点气速法 有关数据计算 气体质量流量： （3.1） 液相质量流量可近似为纯水的质量流量，即 （3.2） 液体密度校正系数： 对于散装填料，其泛点率的经验值 贝恩（Bain）霍根（Hougen）关联式 ，即： （3.3） A,K 关联常数。可由表 3.1 查取 表表 3.1 不同类型填料的不同类型填料的 A，K 值值 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0.062251.75 查得 A=0.204；K=1.75 即： 所以： 计算得： 水吸收氨

36、过程填料吸收塔的设计 13 取 则 （3.4） （2）计算塔径 （3.5） D塔径，m； 操作条件下混合气体的体积流量，； 空塔气速，即按空塔截面积计算的混合气体线速度，； 根据国内容器公称直径标准(JB 1153-71)，直径在 1m 以下间隔为 100mm，直径在 1m 以上时，间隔为 200mm9。 因此圆整塔径后 D=1.0m （3）泛点率校核： （3.6） （3.7） 则 在允许范围内 （4）填料规格校核： （3.8） 根据表 3.2 符合 表表 3.2 塔径与填料公称直径的比值塔径与填料公称直径的比值 D/d 推荐值推荐值 填料种类 D/d 的推荐值 拉西环 鞍环 鲍尔环 阶梯环

37、环矩鞍 （5）液体喷淋密度的校核： 榆林学院毕业论文 14 填料塔的液体喷淋密度是指单位时间、单位塔截面上液体的喷淋量； 最小润湿速率是指在塔的截面上，单位长度的填料周边的最小液体体积流量。 对于直径不超过 75mm 的散装填料，可取最小润速 。 为使填料能获得良好的润湿，塔内液体喷淋量应不低于某一极限值，此极限值称最小 喷淋密度，以表示。 （3.9） 所以 （3.10） 式中液体喷淋密度，； 液体喷淋量，； D填料塔直径，m。 经过以上校核可知，填料塔设计为 1.0m 合理。 3.2 填料层高度的计算及分段 （3.11） （3.12） 3.2.1 传质单元数的计算 用吸收因数法计算传质单元数

38、 （3.13） 对于相平衡关服从足亨利定律的情况对上式进行积分，积分结果可整理为 （3.14） 式中 称为解吸因数，用 S 表示；A 为吸收因数。 水吸收氨过程填料吸收塔的设计 15 （3.15） （3.16） 传质单元数为： 3.2.2 传质单元高度计算 气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算： （3.17） 常见材质的临界表面张力值见表 3.3 表表 3.3 常见材质的临界表面张力值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， 56 61 73 33 40 75 20 查表 3-3 得 液体质量通量为 （3.18） 气相传质系数由下式计算： （3

39、.19） 气体质量通量为 榆林学院毕业论文 16 （3.20） 液相传质系数由下式计算： （3.21） 由 （3.22） 式中 为填料形状系数，常见填料的形状系数见表 3.4 表表 3.4 常见填料的形状系数常见填料的形状系数 填料类型 球 形 棒 形 拉西环 弧 鞍 开孔环 值 0.72 0.75 1 1.19 1.45 查表 3-4 得 则 由修正的恩田公式计算出后，可按下式计算气相总传质单元高度 HOG ： （3.23） 其中 （3.24） 式中H溶解度系数，:； 塔截面积，m2。 因为 ，修正的恩田公式需按下式校正，即 （3.25） 水吸收氨过程填料吸收塔的设计 17 （3.26） 所

40、以 由 （3.27） 式中设计时的填料高度，m； 工艺计算得到的填料层高度，m 取安全系数为 1.2 设计时取填料层高度为 3.2.3 填料层的分段 为使填料层内气液两相能够处于良好的分布状态，每经过一定高度的填料层以后 应对液体进行收集并进行再分布。否则，塔内塔内流体的不良分布将会使填料效率下 降。对于散装填料，一般推荐的分段高度值见表 3.5 表表 3.5 散装填料分段高度推荐值散装填料分段高度推荐值 填料类型 拉西环2.5 矩鞍 鲍尔环 阶梯环 环矩鞍 取 则 （3.28） 设计填料高度为：9000mm 榆林学院毕业论文 18 因此将填料层分为两段设置，每段 4.5m，两段间设置一个液体

41、再布器。 3.3 填料层压降计算 采用 Eckert 通用关联图计算填料层压降 横坐标为 （3.29） 已知压降填料因子 将操作气速代替得纵坐标 （3.30） 查图 3.1 得 图 3.1 Eckert 通用关联图 泛点气速， ； 重力加速度，9.81 ； 填料因子， ； 液体密度校正系数， ；液体、气体的密度，； 液体粘度，；液体、气体的质量流量， 水吸收氨过程填料吸收塔的设计 19 （3.31） 3.4 填料塔附属高度计算 液体流量 （3.32） 塔上部空间高度可取 1.8m，其中液体分布器高度约为 1.6m，塔底液相停留时间按 3min 考虑，则塔釜液所占空间高度为 （3.33） 考虑到

42、气相接管所占空间高度，底部空间高度可取 0.6m，所以塔的附属空间高度 因此，填料塔总高度 榆林学院毕业论文 20 4 填料塔内件的类型及设计 4.1 塔内件类型 填料塔的内件主要有填料支承装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体收集再 分布装置等。合理的选择和设计塔内件，对保证填料塔的正常操作及优良的传质性能 十分重要。 4.2 塔内件的设计及选用 4.2.1 液体分布装置 液体分布器的作用：液体分布装置设于填料层顶部，用于将塔顶液体均匀分布在 填料表面上，液体的分布装置性能对填料塔效率影响很大，特别是大直径、低填料层 的填料塔，尤其需要性能良好的液体分布装置。 由于液体在填料塔内分布均匀，可

43、以增大填料的润湿表面积，以提高分离效果。 因此，液体在塔顶的初始均匀喷淋，是保证填料塔达到预期分离效果的重要条件。从 喷淋密度考虑，应保证每 60的塔截面上约有一个喷淋点，这样，可以防止塔内壁 流和沟流现象. 常用的液体分布装置有莲蓬式、盘式、齿槽式及多孔管式分布器等。 莲蓬式喷淋器 液体经半球形喷头的小孔喷出。小孔直径为 310m，做同心圆排列， 喷洒角不超过。这种喷淋器结构简单，但只适用于直径小于 600mm 的塔中，且小 孔易堵塞。 盘式分布器 盘低开有筛孔的称为塞孔式，盘底装有垂直短管的称为溢流管式。液 体加至分布盘上，经筛孔或溢流短管流下。筛孔式的 液体分布效果好，而溢流管式自 由截

44、面积较大，且不易堵塞。盘式分布器常用于直径较大的塔中，基本可保证液体分 布均匀，但其制造较麻烦。 齿槽式分布器 液体先经过主干齿槽向其下个条形做第一级分布，然后再向填料层 上面分布。这种分布自由截面积大，不易堵塞，多用于直径较大的填料塔。 多孔环管式分布器 由多孔圆形盘管、联接管及中央进料管组成。这种分布器气体 阻力小，特别使用于液量小而气量大的填料吸收塔。 液体在塔顶的初始均匀喷淋，是保证填料塔达到预期分离效果的重要条件。 近年来的实践表明，大直径填料塔的放大问题主要是保证液体初始分布均匀，若 能保证单位塔截面的喷淋点数目与小塔相同，大型填料塔的传质效率将不会低于小型 塔。 液体分布装置的安

45、装位置，须高于填料层表面 200mm,以提供足够的自由空间，让 上升气流不受约束地穿过分布器10。 （1）本设计任务液相负荷不大且氨气极易溶解，可选用重力型排管式液体分布器，排 水吸收氨过程填料吸收塔的设计 21 管式液体分布器能提供足够均匀的液体分布和空出足够大的气体通道（自由截面一般 在 70%以上） ，也便于制成分段可拆结构。取布液孔数为 100 个/m2，则总布液孔数为 （4.1） （2）液体分布器布液能力计算 （4.2） 式中液体流量， ； 开孔数目； 孔流系数，通常取； 孔径，m； 开孔上方的液位高度，m。 取 （4.3 ） 4.2.2 液体收集及再分布装置 实践表明，当喷淋液体沿

46、填料层向下流动时，不能保持喷淋装置所提供的原始均 匀分布状态，液体有向塔壁流动的趋势。因而导致壁流增加、填料主体的流量减小、 塔中心的填料不被润湿，影响了流体沿塔横截面分布的均匀性，降低传质效率。所以， 设置再分布装置是十分必要的。 对于此塔可采用百叶窗式液体收集器与管式液体分布器组合使用，其所用的管式液 体分布器与液体初始分布器具有相同结构。 4.2.3 填料支承装置 填料支承装置的作用是支承填料以及填料层内液体的重量，由于填料支承装置本 身对塔内气液的流动状态也会产生影响，因此作为填料支承装置，除考虑其对流体流 动的影响外，一般情况下填料支承装置应满足如下要求： （1）有足够的强度和刚度，

47、以支持填料及所持液体的重量（持液量） ； （2）有足够的开孔率（一般要大于填料的空隙率） ，以防止首先在支撑处发生液泛； （3）结构上应有利于气液相的均匀分布，同时不至于产生较大的阻力（一般阻力不大 于 20Pa） ； （4）结构简单，易于加工制造安装和维修6。 用竖扁钢制成的栅板作为支承板最为常用，如图 4.1 中的(a)。栅板可以制成整块 榆林学院毕业论文 22 或分块的。一般当直径小于 500mm 时可制成整块；直径为 600800mm 时，可以分成 两块；直径在 9001200mm 时，分成三块；直径大于 1400mm 时，分成四块；使每块 宽度约在 300400mm 之间，可以通过人

48、孔进行装卸。栅板条之间的距离应约为填料 环外径的 0.60.7。在直径较大的塔中，当填料环尺寸较小的，也可采用间距较大的栅 板，先在其上布满尺寸较大的十字分隔瓷环，再放置 尺寸较小的瓷环。这样，栅板自由截面较大，如图4-1(c)所示 (a) 栅板 (b) 升气管式 (c) 十字隔板环层 图 4.1 填料支承板 当栅板结构不能满足自由截面要求时，可采用如图4-1(b)所示的升气管式支承板。 气相走升气管齿缝，液相由小孔及缝底部溢流而下。这类支承板，有足够齿缝时，气 相 的自由截面积可以超过整个塔的横截面积，所以绝不会在此造成液泛。 本设计塔径 D=1000mm，采用结构简单、自由截面较大、金属耗

49、用量较小，由竖 扁钢制成的栅板作为支承板，将其分成三块，每块宽 333.33mm 且需要将其搁置在焊 接于塔壁的支持圈或支持块上，栅板条之间的距离约为 24.7mm。为了改善边界状况， 可采用大间距的栅条，然后整砌一、二层按正方形排列的瓷质十字环，作为过渡支承， 以取得较大的孔隙率。由于采用的是 50mm 的填料，所以可用 75mm 的十字环 4.2.4 填料压紧装置 为保证填料塔在工作状态下填料床能够稳定，防止高气相负荷或负荷突然变动时 填料层发生松动，破坏填料层结构，甚至造成填料损失，必须在填料层顶部设置填料 水吸收氨过程填料吸收塔的设计 23 限定装置。填料限定可分为类：一类是将放置于填

50、料上端，仅靠自身重力将填料压紧 的填料限定装置，称为填料压板；一类是将填料限定在塔壁上，称为床层限定板。填 料压板常用于陶瓷填料，以免陶瓷填料发生移动撞击，造成填料破碎。床层限定板多 用于金属和塑料填料，以防止由于填料层膨胀，改变其开始堆积状态而造成的流体分 布不均匀的现象。一般要求压板和限制板自由截面分率大于 70%11。 本设计任务由于使用聚丙烯填料，故选用床层限定板。 4.2.5 吸收塔主要接管尺寸选择与计算 填料塔的气体进口既要防止液体倒灌，更要有利于气体的均匀分布，对 500mm 直 径以下的小塔，可使进气管伸到塔中心位置，管端切成 450向下斜口或切成向下切口， 使气流折转向上。对

51、 1.5m 以下直径的塔，管的末端可制成下弯的锥形扩大器，或采用 其它均布气流的装置。 气体出口装置既要保证气流畅通，又要尽量除去被夹带的液沫。最简单的装置是在 气体出口处装一除沫挡板，或填料式、丝网式除雾器，对除沫要求高时可采用旋流板 除雾器。 为防止塔内与塔外气体串通，常压吸收塔可采用液封装置。 对于直径 1.5m 以下的塔，液体进口管口末端可制成向下的喇叭形扩大口，防止淋 下的液体进入管内，同时还要使气体分散均匀。液体进口管应直接通向喷淋装置，可 选用直管。 常压塔气体进出口管气速可取 1020m/s（高压塔的气速低于此值） ；液体进出口 管气速可取 0.81.5m/s（必要时可加大些）

52、 。管径依所选气速决定后，应按标准管规格 进行圆整，并规定其厚度。 气体进气口气速取 20m/s，液体进液口流速取 1.2m/s， 气体进出口管径： （4.4） 液体进出口管径： （4.5） 按标准管规格进行圆整后得：气体进出口管径 ，壁厚为 15mm 液体进出口管径 ，壁厚为 4.5mm 4.3 其他附属装置选型 本装置由于直径较小，可采用简单的进气分布装置。由于对排放的净化气体中的液 榆林学院毕业论文 24 相夹带要求不严，可不设置除沫装置。 水吸收氨过程填料吸收塔的设计 25 工艺设计计算结果汇总与主要符号说明 吸收塔的吸收剂用量计算总表吸收塔的吸收剂用量计算总表 表表-1 项目符号数值与计量单位 混合气体处理量V 气液相平衡常数 进塔气相摩尔比 出塔气相摩尔比 进塔液相摩尔分率0 出塔液相摩尔分率 最小液气比 混合气体的平均摩尔质量 混合气体的平均密度 吸收剂用量 气相质量流量 液相质量流量 塔设备计算总表塔设备计算总表表表-2 项目符号数值与计量单位 塔径 填料层高度 填料塔上部空间高度 填料塔下部空间高度 塔附属高度 塔高 传质单元