化工原理课程设计 YKK standardization office【 YKK5AB- YKK08- YKK2C- YKK18】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（2）操作条件①常压吸收：P=②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、NH3~H2O系统填料塔吸收系数经验公式：k G a=cG m WLnk L a=bWLP式中ka——气膜体积吸收系数，kmol/——液膜何种吸收系数，l/hGG——气相空塔质量流速，kg/——液相空塔流速，kg/WL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）2、（氨气—水）二成分气液平衡数据表1—3二、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，进塔混合气中各组分的量为混合气量：2020×122。
4=90.18kmol/h混合气中氨气量：90.18×8%=7.21kmol/h=7.21×17=122.64kg/h操作条件下总气量：2020×273+30273=2241.98m3/h氨气的体积流量：2241.98 m3/h×8%=179.35 m3/h其余数据同理可得出，结果见表4—1：表4—1（2）混合气进出塔的摩尔组成为：y1= y2=，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Y 1=y 1/(1-y 1)=%,即进塔时的摩尔比；Y 2=y 2/(1-y 2)=%,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(Y 1-Y 2)/(GY 1)=1-Y 2/Y 2=% 则可得NH 3出塔时的体积流量：×%)=0.4125m 3/h 混合气中氨气量：×%)=h=×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—2：2、 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注：（1） NH 3平衡分压P/（kPa ）由p NH3(mmHg)×可得； （2） y= p NH3/p 0，Y *=y/(1-y)可得，P 0=为标准大气压； （3） 吸收剂为清水，X 2=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/(P 0-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=4×106X 4-69575X 3+27895X 2+由图2-1可查得，当Y 1=时，X 1*=。
最小吸收剂用量L min =G(Y 1-Y 2)/( X 1*-X 2)=82.97×0.08696−0.00020.042944−0=167.62kmol/h取安全系数,则有安全用水量L=×L min =×=301.72 kmol/h =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+X2=82。
97×（0。
08696−0。
0002）301。
72=0.023864、操作线方程逆流吸收塔的操作线方程式为：Y=LG X+（Y2−LGX2）将已知参数代入得Y=3.6365X+0.0002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=，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。
塔径的计算公式为：D=√4V Sπu，u=（~）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=+ =5553.32kg/h进塔混合气体密度混合气体的分子量m=0.08×17+0.6×2+0.2×28+0.12×16=10.08ρG=10.0822.4×273273+30=0.4054kg/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=。
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W L W G (ρGρL)12=5553.32909.01×(0.4054995.7)12=0.12333)由关联图查得纵坐标值为u F2фFΦρGgρL μL=u F2×184×1×0.40549.81×995.7×0.78900.2=0.007283×u F2=0.133故泛点气速u F=4.273m/s（2）操作气速u==（3）塔径D=√4V Sπu =√4W G3600πuρG=√4×909.013600×3.14×2.5638×0.4054=0.556m=566mm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V S=909.010.4054=22422.55m3/hu=22422.553600×0.785×0.62=2.2040m/s uu F=2.20404.273≈0.52(符合要求)（5）核算喷淋密度d<75mm的环形填料最小润湿率为0.08m3/，最小喷淋密度：U min=0.08×155=12.4m3/(m2.h)由于U=5553.32995.7×0.785×0.6=19.74m3/(m2.h)> 12.4m3/(m2.h)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：Z=H OG×N OG=VYa∫dY∗Y1Y2（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=、m=、n=、b=、P=，由经验公式可得k Y a=P.k G a=P.cG m W L n=1×0.0367×(909.01×43.14×0.62)0.72×(5430.96×43.14×0.62)0.38=522.155kmol/m2h k X a=c̅.k L a=c̅.b.W L P=301.72+7.21−0.01665553.325/995.7×0.027×(5430.96×43.14×0.62)0.78=55.39×59.25=3281.59kmol/m2h ∴平衡线的斜率为−k X ak Y a=−6.285惰性量V= kmol/h，D=0.6mΩ=π×0.62=0.2827m2∴H OG=Vk YaΩ=82.97522.155×0.2827=0.5620m（2）传质单元数N OG的计算在图2-1把Y轴上0~0.08696分成50等分，编号如表6-1。
表6-1等分后按每个点作平行于X 轴的直线与操作线相交，由该交点作平行于Y 轴的直线与平衡曲线相交，再由该交点作X 轴的平等线交Y 轴于Y I 点，得到的数据填到表6-1的第3列。