一、设计任务书1、设计题目：填料吸收塔的设计2、设计任务：试设计一填料吸收塔，用于脱除合成氨尾气中的氨气，要求塔顶排放气体中含氨低于200ppm，采用清水进行吸收3、工艺参数与操作条件（1）工艺参数表1—1尾气处理量（Nm3/h）混合气组成（%）NH3 H2 N2 CH4+Ar2020 8 60 20 12（2）操作条件①常压吸收：P0=101.3kPa②混合气体进塔温度：30℃③吸收水进塔温度：20℃。

4、设计项目：（1）流程的确定及其塔型选择；（2）吸收剂用量的确定；（3）填料的类型及规格的选定；（4）吸收塔的结构尺寸计算及其流体力学验算，包括：塔径、填料层高度及塔高的计算；喷淋密度的校核、压力降的计算等；（5）吸收塔附属装置选型：喷淋器、支承板、液体再分布器等；（6）附属设备选型：泵、风机附：1、NH3H2O系统填料塔吸收系数经验公式：k G a=cG m W L nk L a=bW L P式中k G a——气膜体积吸收系数，kmol/m2.h.atmk L a——液膜何种吸收系数，l/hG——气相空塔质量流速，kg/m2.hW L——液相空塔流速，kg/m2.h表1—2，查手册（李功样《常用化工单元设备设计》华南理工大学出版社得）填料尺寸（mm） c m n B P 12．5 0．0615 0．9 0．39 0．11 0．65 25．0 0．139 0．77 0．2 0．03 0．78 ≥38.0 0．0367 0．72 0．38 0．027 0．782、（氨气—水）二成分气液平衡数据表1—3序号温度（℃）（液相）x（NH3液相摩尔分率）p NH3(mmHg)（NH3平衡分压）1 22.32 0.005 2.932 24.64 0.01 6.973 26.95 0.015 12.094 29.27 0.02 18.395 31.58 0.025 266 33.89 0.03 35.17 36.2 0.035 45.868 38.51 0.04 58.59 40.8 0.045 73.2110 43.12 0.05 90.29二、工艺流程示意图（带控制点）三、流程方案的确定及其填料选择的论证1、塔型的选择：塔设备是能够实现蒸馏的吸收两种分离操作的气液传质设备，广泛地应用于化工、石油化工、石油等工业中，其结构形式基本上可以分为板式塔和填料塔两大类。

在工业生产中，一般当处理量较大时采用板式塔，而当处理量小时多采用填料塔。

填料塔不仅结构简单，而且阻力小，便于用耐腐蚀材料制造，对于直径较小的塔，处理有腐蚀性的物料或要求压降较小的真空蒸馏系统，填料塔都具有明显的优越性。

根据本设计任务，是用水吸收法除去合成氨生产尾气的氨气，氨气溶于水生成了具有腐蚀性的氨水；本设计中选取直径为600mm，该值较小，且Φ800mm 以下的填料塔对比板式塔，其造价便宜。

基于上述优点，因此本设计中选取填料塔。

2、填料塔的结构填料塔的主要构件为：填料、液体分布器、填料支承板、液体再分器、气体和液体进出口管等。

3、操作方式的选择对于单塔，气体和液体接触的吸收流程有逆流和并流两种方式。

在逆流操作下，两相传质平均推动力最大，可以减少设备尺寸，提高吸收率和吸收剂使用效率，因此逆流优于并流。

因此，本设计采用逆流。

4、吸收剂的选择（1）水对由 NH3、H2、N2 、CH4+Ar组成的混合气中的NH3的溶解度很大，而对除NH3外的其它组成基本上不吸收或吸收甚微；（2）在操作温度下水的蒸气压小、粘度较低、不易发泡，可以减速少溶剂的损失，操作高效稳定。

（3）水具有良好的化学稳定性和热稳定性，不易燃、不易爆，安全可靠；（4）水无腐蚀性、无毒性、无环境污染；（5）水价廉易得，十分经济。

因此选用水作为吸收剂。

5、填料的选择鲍尔环的构造是在拉西环的壁上开两排长方形窗口，被切开的环壁形成叶片，一边与壁相连，另一端向环内弯曲，并在中心处与其他叶片相搭。

鲍尔环的构造提高了环内空间和环内表面的有效利用率，使气体阻力降低，液体分布有所改善，提高了传质效果；其结构简单，制造容易，价格低廉，因此本设计采用塑料鲍尔环。

四、工艺及填料塔计算1、物料衡算（1）近似取塔平均操作压强为101.3kPa，进塔混合气中各组分的量为混合气量：混合气中氨气量：操作条件下总气量：m3氨气的体积流量： m3/h m3/h其余数据同理可得出，结果见表4—1：表4—1流量进塔气量成分m3/h kmol/h kg/h H21345.19 54.11 108.22N2448.40 18.04 505 CH4+Ar 269.04 10.82 173.15NH3179.35 7.21 122.64总计2241.98 90.18 909.01（2）混合气进出塔的摩尔组成为：y1=0.08 y2=0.0002，y1为混合气进塔的摩尔组成；y2为混合气出塔的摩尔组成。

（3）混合气进出塔的摩尔比组成Y1=y1/(1-y1)=8.696%,即进塔时的摩尔比；Y2=y2/(1-y2)=0.02%,即出塔时的摩尔比。

（4）出塔混合气量可求得氨气回收率η=G(Y1-Y2)/(GY1)=1-Y2/Y2=99.77%则可得NH3出塔时的体积流量：179.35×(1-99.77%)=0.4125m3/h混合气中氨气量：7.21×(1-99.77%)=0.0166kmol/h=0.0166×17=0.2821kg/h 而其余气体即视为惰性气体，溶解度很小，可忽略不计，即和进塔时的气量一样，结果见表4—2：表4—2流量成分出塔气量m3/h kmol/h kg/hH21345.19 54.11 108.22N2448.40 18.04 505 CH4+Ar 269.04 10.82 173.15NH30．4125 0．0166 0．2821总计2063．04 82．99 786．65 2、热量衡算与气液平衡曲线表4—3 各液相浓度下的吸收液温度及相平衡数据序号t/（℃）X(摩尔分率)XNH3平衡分压P/(kPa)m E/kPa H y Y*1 22.32 0.005 0.0050250．39 0.77 78 0.71 0.004 0.0038712 24.64 0.01 0.0101010．93 0.92 93 0.60 0.009 0.0092583 26.95 0.015 0.0152281．61 1.06 107.3 0.52 0.016 0.0161694 29.27 0.02 0.0204082．45 1.21 122.5 0.45 0.024 0.0248045 31.58 0.025 0.0256413．46 1.37 138.4 0.40 0.034 0.0354316 33.89 0.03 0.0309284．67 1.54 155.7 0.36 0.046 0.0484337 36.2 0.035 0.0362696．10 1.72 174.3 0.32 0.060 0.0642348 38.51 0.04 0.0416677．78 1.92 194.5 0.29 0.077 0.0834159 40.8 0.045 0.047129．74 2.14 216.4 0.26 0.096 0.10662610 43.12 0.05 0.05263212．01 2.37 240.2 0.23 0.119 0.134857注：（1） NH3平衡分压P/（kPa）由p NH3(mmHg)×0.133可得；（2） y= p NH3/p0，Y*=y/(1-y)可得，P0=101.3kPa为标准大气压；（3）吸收剂为清水，X2=0。

查相关资料得知，氨气溶于水的亨利系数E可用右式计算：E=P/x由上式计算相应的E值，且m=E/P，分别将相应的E值及相平衡常数m的计算值列于表4-3的第6、7列。

由Y*=y/(1-y)=P/(P0-P)关系求取对应m及X的Y*，结果列于表4-3第9列。

①根据X- Y*数据，用Excel作表拟合绘制平衡曲线OE如图2-1，拟合曲线方程为：Y=4×106X4-69575X3+27895X2+639.3X-0.033由图2-1可查得，当Y1=0.08696时，X1*=0.042944。

最小吸收剂用量L min=G(Y1-Y2)/( X1*-X2)=取安全系数 1.8,则有安全用水量L=1.8×L min=167.62×1.8==5430.96kg/h②根据X-t数据，用Excel作图得图2-2，X-t图如下：图2-2 X-t图③根据x-P数据，用Excel作图得图2-3，x-P图如下：图2-3 x-P④根据X-H数据，用Excel作图得图2-4，X-H图如下：图2-4 X-H3、塔吸收液浓度X1物料衡算式：G（Y1-Y2）=L（X1-X2）所以 X1=G（Y1-Y2）/L+X24、操作线方程逆流吸收塔的操作线方程式为：Y=（Y2X2）将已知参数代入得将以上操作线绘于图2-1中，为BT直线。

5、塔径的计算因塔底气液负荷大，故按塔底条件计算：塔底混合气体温度30℃，X1=0.02386，由图2-3 X-t图查得塔底吸收30.70℃,设计压力取为塔的操作压力101.3kPa。

塔径的计算公式为：，u=（0.5~0.85）u f图5-1通用关联图，出自手册（李功样《常用化工单元设备设计》华南理工大学出版社）图5-1通用关联图（1）采用埃克特通用关联图计算泛点气速u f1)有关数据计算塔底混合气体质量流量W G=909.01kg/h吸收液的质量流量W L=5430.96+122.64- 0.2821)=5553.32kg/h进塔混合气体密度混合气体的分子量ρG m3由手册（李功样《常用化工单元设备设计》华南理工大学出版社）可查得吸收液（水）的密度为995.7kg/m3；吸收液粘度为μL=0.7890mPa.m。

经比较，选D=38mm的塑料鲍尔环（米）。

查表可得，其填料因子фF=184m-1，比表面积a t=155m2/m3。

2)关联图的横坐标值3)由关联图查得纵坐标值为0.133故泛点气速u F=4.273m/s（2）操作气速u=0.5u F=2.5638（3）塔径则取塔径为0.6m即为D=600mm，那么D/d=600/50=12＞10，满足鲍尔环的要求。

（4）核算气速（5）核算喷淋密度的环形填料最小润湿率为0.08m3/(m2.h)，最小喷淋密度：由于故满足要求。

6、填料层高度的计算由图1可见，平衡曲线的弯曲程度不大，本设计采用传质单元数法分两段计算吸收塔的填料层高度：（1）传质单元高度H OG的计算由表1-2查得相关参数数据，c=0.0367、m=0.72、n=0.38、b=0.027、P=0.78，由经验公式可得∴平衡线的斜率为惰性量V=82.97 kmol/h，D=0.6m∴（2）传质单元数的计算在图2-1把Y轴上分成50等分，编号如表6-1。