《化工原理》课程设计设计题目：水吸收氨填料塔设计专业班级：学生姓名：学号：指导教起止日期：前言在炼油、石油化工、精细化工、食品、医药及环保等部门，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。
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。
因此，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：分离混合气体以获得一定的组分；除去有害组分以净化气体；制备某种气体的溶液。
一个完整的吸收分离过程，包括吸收和解吸两个部分。
典型过程有单塔和多塔、逆流和并流、加压和减压等。
第一章概述1.1任务及操作条件①混合气(空气、NH3 )处理量:h10000；m3②进料组成:进塔混合气含NH3 7% (体积分数)；③操作温度:20℃；④NH3回收率：95%；⑤分离要求:塔顶NH3含量≤0.02%；⑤操作压力:100kPa；⑥年开工时间:300天×24h1.2设计方案的确定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。
由于水廉价经济，本设计采用清水吸收氨气。
为了提高传质效率，选用逆流吸收流程。
1.3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。
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。
拉西环 鲍尔环 阶梯环 弧鞍形填料 矩鞍形填料 对于水吸收氨气的过程，操作温度及操作压力较低，工业上通常选用塑料散装填料。
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。
在塑料散装填料中，塑料阶梯环填料的综合性能较好，故此选用50N D 聚丙烯阶梯环填料。
[1][2]表1-1国内阶梯环特性数据材质 外径 d ，mm 外径×高×厚 d ×H ×δ 比表面积 a t ，m 2/m 3空隙率 ε，m 3/m 3个数n ，个/m 3堆积密度 ρ，kg/m 3干填料因子 a t /ε3，m -1填料因子Φ，m -1塑料 25 38507625×17.5×1.4 38×19×1 50×30×1.5 76×37×3228 132.5 114.2 89.950.90 0.91 0.927 0.92981500 27200 9980 342097.8 57.5 76.8 68.4313 175.6 143.1 112240 120 80 72四、基础物性数据（一）液相物性数据对低浓度吸收过程，溶液的物性数据可以近似地取纯水的物性数据，由手册查得20℃时的水的有关物性如下密度：3/2.998m kg L =ρ黏度：h)/(m 6.3001.0⋅=⋅=kg s Pa L μ表面张力：2/9408966dyn/.72h kg cm L ==σ氨气在水中的扩散系数为：h m s D L /1034.6/cm 1076.126-2-5⨯=⨯=（二）气相物性数据混合气体的平均摩尔质量为.28282949.060.017i =⨯+⨯=∑=M y M i vm混合气体的平均密度为)(kg/m 17.1293314.84.281003=⨯⨯==RT pM vm vm ρ 混合空气的黏度可近似取为空气的的黏度，查手册得20℃空气的黏度为：h)/(m 065.0a 1081.15⋅=⋅⨯=-kg s P L μ查手册得氨气在空气中的扩散系数为h m s D V /0612.0/17cm .022==（三）气液相平衡数据查手册得氨气的溶解度系数为)m Pa 725km ol/(k .03⋅=H计算得亨利系数为)kPa (41.7602).18725.(02.998)(=⨯==S LHM E ρ相平衡常数为764.010041.76m ===P E五、物料衡算进塔气体摩尔比为0638.00.06)-0.06/(1)y -/(1111===y Y出塔气体的摩尔比00383.0)94.01(0638.0)1(12=-⨯=Φ-=A Y Y进塔惰性气体流量为）（kmol/h 1.387)06.01(101100202732734.2210000=-⨯⨯+⨯=V 该吸收过程属于低浓度，平衡关系为直线，醉最小气液比按下式计算，即)X -/m (Y / )Y -(Y /2121min =）（V L对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为02=X0.71820)-764(0.0638/0. / 0.003828)-(0.0638(L/V )min ==去实际液气比为最小液气比的1.8倍， 则可以得到吸收剂用量为min 8(L/V ).1/=V L)kmol/(42.5007182.01.3878.1h L =⨯⨯=由公式得)()(2121X X L Y Y V -=-046.0500.420.003828)/-(0.06381.3871=⨯=X六、填料塔的工艺尺寸的计算（一）塔径的计算采用Eckert 通用关联图计算泛点气速。
气相质量流量为）（h W V kg/1170017.110000=⨯=液相质量可近似按水的流量计算，即）（h W L kg/9017.5718.0242.500=⨯=Eckert 通用关联图的横坐标为260.02.998.1711170057.90175.05.0m =⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛L v VL W W ρρ查Eckert 图得13.0)/(/ /2.0LL V f =μρρφψμ）（g查表得-1170m =φ，则()()[]）（s g L m/29.3117.11170 / 2.99881.922.022.05.02.05.02.0L V f =⨯⨯⨯⨯⨯=⎪⎪⎭⎫⎝⎛=μφψρρμ操作气速：/s)(63.229.38.08.0u m u f =⨯== 塔径：()）（m 16.1360063.214.3100004/45.05.0s =⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯⨯==u V D π 圆整塔径，取2m .1=D泛点率校核(m /s)46.2)1.2/4/(360010000u 2=⨯⨯=π%8.7446/3.29.2u/==f u （允许的范围为0.5—0.85内）填料规格校核858.3138/1200d />==D经以上校核可知，填料塔直径选用mm D 1400=合理。
（二）填料层高度计算3510.0640.0764.01*1=⨯==mX Y0*2=Y脱吸因子为591.042.500/1.873764.0/m =⨯==L V S气相传质单元数为[][]59.30.591830351/0.003.0591.0-1ln )591.01/(1S)Y -)/(Y Y -S)(Y -(1ln )1/(1*22*21=+⨯-=+-=）（S N OG气相总传质单元数高度采用修正的恩田关联式计算⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=2.0205.0-221.075.045.1-exp -1a W g a W a W a a L L L L L L L c w δρρμδδ查表得2c /427680/33h kg cm dyn ==δ液体质量通量为[]h)/(m 9.5860)1.44 / /(57.901722⋅=⨯=kg W L π=⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=2.0205.-08221.075.0132.5940896998.29.58601027.19408962.9985.1329.58606.35.1329.58609408964276801.45-exp -15.132w a37.6)/m (m 32气膜吸收系数计算1.1317.0237.0ψρμμ⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=RT aD D a W k V V V V VVG 气相质量流率为[]h)kg/(m 3.10350)2.1785.0/(1170022⋅=⨯=L W查表得，45.1=ψ，则[]kPa)h kmol/(m 1645.045.1293314.80612.05.1320612.017.1065.0065.05.1323.10350237.021.1317.0⋅⋅=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=G k 液膜吸收计算4.0315.0320095.0ψρρμμω⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫⎝⎛=-L L L L L L L L g u D a W k ）（s m/ 440.045.1998.21027.16.31034.62.9986.36.36.379.58600095.04.03185.0-6-32=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯= 则 w G Ga a k k =得 []kPa)h /(m 185.66.371645.03⋅⋅=⨯=kmol k Gaw L La a k k =h k La /148.167.36440.0=⨯=因为 %50%8.74/>=F u u由 []Ga Ga k k 1.4F '0.5)-(u/u 5.91+= ，[]La La k k 2.2f '0.5)-(u/u 6.21+= []kPa)h /(m 52.143'⋅⋅=kmol k Ga ，[]kPa)h /(m 10.183'⋅⋅=kmol k La则 ''111LaGa Ga Hk k K +=计算得[]kPa)h /(m 89.63⋅⋅=kmol K Ga气相总传质单元高度为0.497(m))1.20.785100/(6.891.387)/(2=⨯⨯⨯=Ω=P K V H Ga OG计算填料层的高度为)m (78.159.3497.0=⨯==OG OG N H Z设计填料层的高度为）（m 49.278.14.1'=⨯=Z圆整后，取3m Z '=查表得散装填料层分段高度推荐值15~8/=D h , mm h 6max ≤ ， 取10/=D h 则）（mm 12000120010=⨯=h 计算得填料层高度为mm 3000，小于mm 14000，故不需要分段。