化工原理课程设计

.

Word 文档 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+Ar

2020 8 60 20 12

（2）操作条件

① 常压吸收：P0=101.3kPa

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；

.

Word 文档 （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：

kGa=cGmWLn

kLa=bWLP

式中

kGa——气膜体积吸收系数，kmol/m2.h.atm

kLa——液膜何种吸收系数，l/h

G——气相空塔质量流速，kg/m2.h

WL——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 0．78

2、（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） pNH3(mmHg)

（NH3平衡分压）

1 22.32 0.005 2.93

2 24.64 0.01 6.97

.

Word 文档 3 26.95 0.015 12.09

4 29.27 0.02 18.39

5 31.58 0.025 26

6 33.89 0.03 35.1

7 36.2 0.035 45.86

8 38.51 0.04 58.5

9 40.8 0.045 73.21

10 43.12 0.05 90.29

二、工艺流程示意图（带控制点）

.

Word 文档

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

.

Word 文档 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。

.

Word 文档 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

成分 进塔气量

m3/h kmol/h kg/h

H2 1345.19 54.11 108.22

N2 448.40 18.04 505

CH4+Ar 269.04 10.82 173.15

.

Word 文档 NH3 179.35 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/h

H2 1345.19 54.11 108.22

N2 448.40 18.04 505

CH4+Ar 269.04 10.82 173.15

NH3 0．4125 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

.

Word 文档 序号 t/（℃） X

(摩尔分率) X NH3平衡分压P/(kPa) m E/kPa H y Y*

1 22.32 0.005 0.005025 0．39 0.77 78 0.71 0.004 0.003871

2 24.64 0.01 0.010101 0．93 0.92 93 0.60 0.009 0.009258

3 26.95 0.015 0.015228 1．61 1.06 107.3 0.52 0.016 0.016169

4 29.27 0.02 0.020408 2．45 1.21 122.5 0.45 0.024 0.024804

5 31.58 0.025 0.025641 3．46 1.37 138.4 0.40 0.034 0.035431

6 33.89 0.03 0.030928 4．67 1.54 155.7 0.36 0.046 0.048433

7 36.2 0.035 0.036269 6．10 1.72 174.3 0.32 0.060 0.064234

8 38.51 0.04 0.041667 7．78 1.92 194.5 0.29 0.077 0.083415

9 40.8 0.045 0.04712 9．74 2.14 216.4 0.26 0.096 0.106626

10 43.12 0.05 0.052632 12．01 2.37 240.2 0.23 0.119 0.134857

注：

（1） NH3平衡分压P/（kPa）由pNH3(mmHg)×0.133可得；

（2） y= pNH3/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