吸收氨过程填料塔的设计吸收塔设计完整版

1、目 录1. 设计任务书12. 设计方案简介22.1 吸收流程的确定22.2 吸收剂的选择22.3 操作温度与压力32.4 塔填料的选择32.5 初步流程图43. 工艺计算43.1 基础物性数据43.1.1 液相物性的数据43.1.2 气相物性数据53.1.3 气液相平衡数据53.1.4 物料衡算63.2 填料塔的工艺尺寸的计算73.2.1 塔径的计算73.2.2 填料层高度计算83.2.3 填料层压降计算103.2.4 吸收塔接管尺寸的计算114. 辅助设备的计算及选型124.1 除沫器124.2 液体分布装置134.3 液体再分布器154.4 填料压紧装置164.5 填料支承装置164.6

2、气体的进出口装置184.7封头的选择184.8人孔的选择184.9 法兰的选择194.10 塔底液保持管高度214.11 塔附属高度计算224.12 离心泵的选型224.13 风机的选型235、设计一览表246、对本实验的评述25参考文献26主要符号说明271. 设计任务书1.设计题目：吸收氨过程填料塔的设计试设计一座填料吸收塔，用于脱除混于空气中的氨气。混合气体的处理量为3.2万Nm3/h，其中含氨为7%（体积分数），要求塔顶排放气体中含氨低于0.02%（体积分数）。2操作条件  （1）操作压力  常压   （2）操作温度   20

3、3工作日  每天24小时连续运行。4厂址  宁波地区5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）吸收塔接管尺寸的计算；  （6）绘制生产工艺流程图；  （7）绘制吸收塔设计图；  （9）对设计过程的评述和有关问题的讨论。6设计基础数据20下氨在水中的溶解度系数为H=0.725kmol/(m3.kPa)。2. 设计方案简介2.1 吸收流程的确定 吸收流程主要有逆流操作、并流操作、吸收剂部分再循环操作、多塔

4、串联操作、串联并联混合操作五种。通过分析五种吸收流程的特点，确定本实验采用逆流操作。 气相自塔底进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出，逆流操作有利于提高传质效率，传质平均推动力大，传质速率快，分离效率高，吸收剂的利用率高。2.2 吸收剂的选择 吸收剂的选择应考虑以下几方面:(1) 溶解度 吸收剂对溶质组分的溶解度要大，以提高吸收速率减少吸收剂用量。(2) 选择性 吸收剂对溶质组分要有良好的吸收能力，对混合气体的其他组分吸收甚微。(3) 挥发度 操作温度下吸收剂的蒸汽压要低，以减小吸收和再生过程中吸收剂的会发损失。(4) 黏度 吸收剂在操作温度下的黏度越低，在塔内的流动性越好，有助于传质速率

5、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、廉价易得及化学性质稳定等要求。对氨气的吸收一般吸收剂选择水或酸溶液。根据以上原则，本设计采用水作为吸收剂。 氨气易溶于水，且水对混合气体的吸收选择性较好，黏度低，在塔内流动性好，不易挥发。与酸溶液相比，酸溶液易腐蚀设备且成本比水高，所以采用水作为吸收剂。2.3 操作温度与压力 操作温度：20 操作压力：常压2.4 塔填料的选择 填料的选择包括填料类型、规格、材质等选择填料的类型有拉西环、鲍尔环、阶梯环、弧鞍填料、矩鞍填料、环矩鞍填料、球形填料，花环填料、金属丝网波纹填料等。对比得阶梯环综合性

6、能较好（可增加填料间的空隙，有利于传质效率的提高）。 填料的规格通常指填料的公称直径，一般应满足填料塔直径上至少放置8块以上的填料，即D/d>8。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。 填料的材质主要有陶瓷、金属、塑料三种材质。对比得塑料填料质轻、价廉、耐腐蚀性较好。国内一般采用聚丙烯材质。 综合以上结论，本设计采用聚丙烯阶梯环填料。2.5 初步流程图3. 工艺计算3.1 基础物性数据 液相物性的数据   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时水的有关五行数据如下：密度为 L=998.2 kg/m3粘度为 L=0.00

7、1 pas=3.6 kg/(mh)表面张力为 L=72.6 dyn/cm =940896 kg/h2氨气在水中的扩散系数为                               气相物性数据  混合气体的平均摩尔质量为 混合气体的平均密度为 混合气体的黏度可近似的取为空气的黏度，查手册得20空

8、气的黏度为 查手册得氨气在空气中的扩散系数为 101.3kp,0时 D0=0.17cm2/s 3.1.3 气液相平衡数据  由题得，20下氨在水中的溶解度系数为H=0.725kmol/(m3.kPa)。 常压下20时氨气在水中的亨利系数为 相平衡常数为 物料衡算 进塔气相摩尔比为 出塔气相摩尔比为 混合气体处理量换算，常温，20时 进塔惰性气流量为 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，即 对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为 取操作液气比为 3.2 填料塔的工艺尺寸的计算 塔径的计算 采用Eckert通用关联图1计算泛点气速。气相质量流量为 液相质量流量可近

9、似按纯水的流量计算 Eckert通用关联图的横坐标为 查Eckert通用关联图得 选用DN50塑料阶梯环 查散装填料泛点填料因子平均值表1得 取 由 圆整塔径，取D=2.2m 泛点率校核： （在允许范围内） 填料规格校核： 查塔径与填料公称直径的比值D/d的推荐值表1得 液体喷淋密度校核： 取最小润湿速率为 查塑料阶梯环特性数据【1】得 经以上校核计算可知，填料塔直径D=2.2m，填料采用DN50聚丙烯阶梯环填料合理3.2.2 填料层高度计算 脱吸因数为 气相总传质单元数为 气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算： 查常见材质的临界便面张力值表1得液体质量通量为 气膜吸收系数由下式计算：

10、气体质量通量为 液膜吸收系数由下式计算： 由 ，查常见填料的形状系数表1得 由 ，得 则 由 由 得到填料层高度后，还应留出一定的安全系数 设计取填料层高度为 查表得，对于阶梯环填料，取 ，则 计算得填料层高度为6000mm，故不需分段。 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 查散装填料压降填料因子平均值表得 纵坐标为 查埃克特通用关联图得 填料层压降为 吸收塔接管尺寸的计算 液体进管体积： 液体经济流速为0.53m/s，取2m/s 液体进管横截面： 进液管口径：根据HG/T 20592-2009选择进液钢管内径为DNB为40mm，外径为45mm。 气体进出管体积：

11、 气体经济流速取35m/s 气体进出管横截面：气体管口径：按标准不锈钢管管径规格选择钢管内径为DNB为600mm，外径为630mm。进口压降：出口压降：4. 辅助设备的计算及选型填料塔操作性能的好坏，与塔内辅助设备的选型和设计紧密相关。合理的选型与设计，可保证塔的分离效率、生产能力及压降要求。塔的辅助设备包括喷淋装置、气体分布器、液体分布器、填料支承装置、填料压紧装置等。4.1 除沫器当空塔气速较大，塔顶溅液严重，以及工艺过程不允许出塔气体夹带雾滴的情况下，设置除沫器，从而减少液体的夹带损失，确保气体的纯度，保证后续设备的正常操作。 常用的除沫器装置有折板除沫器、丝网除沫器、以及旋流板除沫器。

12、除沫器型式一般是根据所分离液滴的直径、要求的捕沫效率及给定的压力降来确定。 次次设计采用丝网除沫器。丝网除沫器具有比表面积大，重量轻，空隙率大以及使用方便等优点。尤，其是它具有除沫效率高，压力降小的特点，从而成为一种广泛使用的除沫装置。丝网除沫器不宜用于气液中含有粘结物或固体物的场合，以免除沫器发生堵塞。 丝网规格选择高效性网，效率高，网较密。选用上装式丝网除沫器根据手册参数【3】（1）通过除沫器的气速：K一般取0.080.11，此处取0.11 （符合气速要求）（2）除沫器直径：（3）除沫器高度： 主要保证除沫器有足够的拦液表面和气液停留时间。所以根据表4.12可知上装式丝网除沫器，丝网厚度1

13、50mm，安装厚度410mm，有效直径2100mm。表4.1 上装式丝网除沫器基本参数2塔径Mm主要外形尺寸，mm丝网厚度H安装厚度H1除沫器有效直径D质量,kg220010036021002081504102424.2 液体分布装置液体分布装置的作用是为了能有效地分布液体，提高填料表面的有效利用率。当液体分布装置设计不合理时，将导致液体分布不均，减少填料润湿 面积,增加液体沟流和壁流现象，直接影响填料的处理能力和分离效率。因此选择液体喷淋装量的原则是能使液体均匀地分散开来，使整个塔截面的填料表面很好地润湿，结构简单，制造和检修方便。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

14、条件。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。主要的分布装置有多孔型和溢流型两大类，以及冲击式分布器，而目前常用的液体分布装置有莲蓬式、盘式、齿槽式及多孔式分布器等。其中溢流型分布器有溢流盘式和溢流槽式两类。本设计选用溢流槽式分布器，其适合大流量操作且适合塔径D1000mm的场合。（1）溢流槽式分布器选型 由查表4得，由于塔径为2200 mm，所以，喷淋槽外径为20 mm，数量为6根，中心距为300 mm。分配槽数量为2根，即双槽式，中心距为850 mm。（2）分布

15、点密度计算 表4.2 Eckert的散装填料塔喷淋点密度推荐值塔径，mm喷淋点密度，点/m2塔截面D=400330D=500285D=600246D=750170D120042按Eckert建议值，D1200 mm时，喷淋点密度为42点/m2，故喷淋点密度为42点/m2， 布液点数为： n=0.785×2.22×42=160点重力型液体分布器的送液能力依下式计算：式中，LS液体的体积流量，m3/s；n开孔数目（分布点数目）；孔流系数，多孔型分布器通常可取0.600.62；d0孔径，m；H开孔上方的液位高度，m。取=0.60，H=160mm，则= 0.00866m = 8.6

16、6mm设计取d0 = 9mm。4.3 液体再分布器 实践表明，当喷淋液体沿填料层向下流动时，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重要的。液体分布器分为截锥形再分布器、边圈槽型再分布器、改进截锥形再分布器:(1)截锥式再分布器 截锥式再分布器分为两种，其中一个是将截锥体固定在塔壁上，其上下均可装满填料，锥体不占空间，是最简单的一种。另一个是在截锥上方设支承板，截锥以下隔一段距离再放填料，需分段卸出填料时可用此型。截锥体与塔壁的夹角一般

17、取为35-40°，截锥下口直径D1=（0.70.8）D。截锥型再分布器适于直径800mm以下的塔应用。(2)边圈槽形再分布器 壁流液汇集于边圈槽中，再由溢流管引入填料层。边槽宽度为50100mm，可依塔径大小选取，溢流管直径为1632mm，一般取34根溢流管。此型结构简单，气体通过截面较大，可用于3001000mm直径的塔中，其缺点是喷洒不够均匀。(3) 改进截锥形再分布器 此型既改善了液体分布情况，又有较大的自由截面积，适用于600mm以下塔径。 此次设计吸收塔填料层不需分层，所以无需设计液体再分布器。4.4 填料压紧装置填料上方安装压紧装置可防止在气流的作用下填料床层发生松动和跳

18、动。填料压紧装置分为填料压板和床层限制板两大类，每类又有不同的型式。填料压板自由放置于填料层上端，靠自身重量将填料压紧。它适用于陶瓷、石墨等制成的易发生破碎的散装填料。床层限制板用于金属、塑料等制成的不易发生破碎的散装填料及所有规整填料。床层限制板要固定在塔壁上，为不影响液体分布器的安装和使用，不能采用连续的塔圈固定，对于小塔可用螺钉固定于塔壁，而大塔则用支耳固定。本设计采用丝网压板(见图4.1)11，宽度为2170mm,厚度为150mm,分2块，设置自由截面积为90%，用金属丝编织成的大孔金属网与扁钢圈焊接而成的丝网压板，在扁钢圈外周下侧，焊以限位台肩，利用焊在塔壁上的限位板，来控制压板的上

19、限位置，但压板不可固定在塔壁上。图4.1 丝网压板4.5 填料支承装置 对填料支承装置的基本要求是：有足够的强度以支承填料的重量；提供足够大的自由截面，尽量减小气液两相的流动阻力；有利于液体的再分布；耐腐蚀性好；便于用各种材料制造；以及安装拆卸方便等。 填料塔的液泛气速主要取决于支承板与第一层填料之间的有效空隙率的大小。有效空率降低的原因，除与填料形式有关外，更取决于支承板的结构。 常用的填料支承板大体可分为两类，一类为气液逆流通过的平板型支承板，板上有筛孔或为栅板式，另一类为气体喷射型支承板。图4.2 填料支撑板本设计选用梁式气体喷射型支承板。其结构强度好，装卸方便，可提供大于塔截面的自由截

20、面，且允许气液负荷较大，采用气液分道，既有利于气体的均匀分配，又避免了液体在板上聚集 2 。表4.3 支承板结构尺寸 (mm)塔径 DN支承板外径支承板分块数主支承梁数支承圈宽度支承圈厚度22002160750144.6 气体的进出口装置 填料塔的气体进口装置尽量使气体分散均匀且压力降要小，同时还能防止塔内下流的液体流入气体管路中。常用的办法是使进气管伸至塔的中心线位置,管端为向下的45o切口或向下的缺口。这样气体从切口或缺口处折转向上。由于这种进气管不能使气体分布均匀，所以只能用于直径在500mm以下的塔中。对于直径较大的塔，进气管的末端为向下的喇叭口，对于直径更大的塔，则应采取气体均布措施

21、。这里选用管端为45o向下的缺口。4.7封头的选择一般认为，填料塔的椭圆度并不影响填料塔的性能，只是影响塔内件及填料的安装。散装填料的安装并不受塔椭圆度的影响。查JB1154-73可知不同公称直径的塔体椭圆形封头型式与尺寸如表4.45。表4.4 椭圆形封头型式与尺寸公称直径D（mm）曲面高度h1（mm） 直边高度h2 （mm）内表面积F(m2)容积V（m3）2200550405.521.55根据表3.3得到一般工业上2200mm的塔径的封头规格为曲面高度550mm，直边高度40mm，内表面积为5.52m2，容积为1.55m3。4.8人孔的选择孔是安装或检修人员进出塔器的唯一通道。对于直径大于8

22、00mm的填料塔，人孔可设为每段填料层的上、下方，同时兼填料装卸孔用。因此本设计需要2个人孔。塔器直径大于1600mm，小于3000mm的常压人孔直径应为500mm。依照图4.38，查表4.5得，其规格为：dw×s=530mm×6mm，D=620mm，D1=585mm，B=300mm,b=14mm，b1=10mm，b2=12mm，H1=160mm，H=290mm。螺栓螺母数量20mm，螺栓规格M16mm×50mm。图4.3人孔型式表4.5人孔尺寸表4.9 法兰的选择 石油化工上用的法兰标准有两个，一个是压力容器法兰，另一个是管法兰标准。压力容器法兰分平焊法兰和对焊

23、法兰两类。平焊法兰又分为甲、乙两种。公称直径为2200mm的筒体时，符合要求的只有乙型平焊法兰。乙型平焊法兰要符合平密封面、凹凸密封面等六种的类型之一。此时法兰的部分规格如表4.69：表4.6 0.6MPa压力容器乙型平焊法兰连接尺寸表 依照表4.6和图4.4选择压力容器法兰为2200mm时的规格。查文献其垫片尺寸为外径2276mm，内径2256mm，厚度如图4.49。选择的数量各两个。图4.4平密封面14图4.5压力容器法兰垫片14图4.6板式平焊钢制管法兰4.10 塔底液保持管高度塔底液体保持管高度可以根据液体的流率及布液孔的直径选定。塔底液位保持管高度与所需的布液孔直径两者之间的关系如下

24、7：布液孔直径为8.2mm,液体保持管高度为 k为孔流系数，其值由小孔液体流动雷诺数决定，在雷诺数大于1000的情况下,可取0.60-0.62。液位高度的确定应和布液孔径协调设计,使各项参数均在一定范围。对于重力式排管液体分布器，液位保持管的高度由液体最大流率下的最高液位决定，一般取最高液位的1.12-1.15倍。若取1.15倍，则液体保持管高度为h=1.15×0.90=1.035m4.11 塔附属高度计算取塔上部空间高度2.5m,塔底液相停留时间按5min考虑,则塔釜所占空间高度为考虑到气相接管及法兰占用的空间高度,底部空间高度可取2.5m,所以塔的附属高度可以取4m。填料层高度为

25、6m。 所以塔高为： H=4+6=10m H=1.25×10=12.5m4.12 离心泵的选型 管内液体流速： u=2.00m/s 则雷诺数；根据柏拉休斯（Blasius）式3：直管阻力系数：查弯头管和阀件阻力系数数据3得：（全开标准阀）=6.0；（标准90°，弯头）=0.75若取弯头为三个,则局部阻力损失：=6.0+0.75×3=8.25管路总压头损失： 填料塔压降为：扬程： 流量：选型号IS80-65-125泵合适，选该泵扬程20m，流量50m3/h，转速2900r/min。 4.13 风机的选型设计任务中混合气体处理量为32000Nm3/h。换算为常压常温下

26、，气体流量为：因为填料塔压降：P=2648.7 Pa全风压计算：考虑到运送过程中的损失，取安全系数1.2 Pt=1.2×3.365=4.038kpa参考通风机选型实用手册，风机选择型号为LGX75-12A，机号为NO16，转速1450r/min，序号为2，流量是35786m3/h，全压15387Pa，所需功率224.3kw，配用电机型号Y355M-4,数量一台，并贮备两台备用。5、设计一览表名称设计结果工作天数300天，每天24小时操作温度20操作压力常压气体处理量32000Nm3/h处理气氨气含量7%体积分数排放气中氨气含量0.02%体积分数吸收剂水填料塑料阶梯环DN50流程逆流最

27、小液气比0.752吸收剂用量1998.171kmol/h吸收剂进塔摩尔比0吸收剂出塔摩尔比0.0499塔径D2200mm气相总传质单元数NOG10.5030气相总传质单元高度HOG0.4699m填料层高度Z6m每段填料层高度6m填料层压降P2648.7Pa塔底液保持高度0.9m塔高13.2m气体出口管径630mm钢管气体进口管径630mm钢管液体进出口管径40mm钢管填料塔上部高度h12.5m填料塔下部高度好h2.5m布液孔数n160个泛点气速uF3.629m/s6、对本实验的评述通过这次的课程设计，让我从中体会到很多。课程设计是我们在校大学生必须经过的一个过程，通过课程设计的锻炼，可以为我们

28、即将来的毕业设计打下坚实的基础！使我充分理解到化工原理课程的重要性和实用性，更特别是对各方面的了解和设计，对实际单元操作设计中所涉及的各个方面要注意问题都有所了解。 通过这次对填料吸收塔的设计，培养了我们的能力：首先培养了我们查阅资料，选用公式和数据的能力，其次还可以从技术上的可行性与经济上的合理性两方面树立正确的设计思想，分析和解决工程实际问题的能力，最后熟练应用计算机绘图的能力以及用简洁文字，图表表达设计思想的能力。不仅让我将所学的知识应用到实际中，而且对知识也是一种巩固和提升充实。在老师和同学的帮助下，及时的按要求完成了设计任务，通过这次课程设计，使我获得了很多重要的知识，同时也提高了自己的实际动手和知识的灵活运用能力。在本次设计计算过程中，遇到了很多问题，参考了许多例子，同时认真向身边的老师同学请教，不断对设计计算过程进行修改，得到更加合理的设计方案。本次课程设计中所用到的众多直接或间接的知识与经验使我受益匪浅，为我今后的学习与工作打下了坚实的基础。参考文献1贾绍义，柴诚敬.化工单元操作课程设计M.天津：天津大学出版社，2011.92路秀林，王者相.化工设备设计全书塔设备M.北京：化学工业出版社，20043邹华生，钟理，