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1、化工机械设备基础课程设计( 清水吸收氨气 ) 1 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。 塔设备按其
2、结构形式基本上可分为两类；板式塔和填料塔。 以前在工业生产 中，当处理量大时多用板式塔， 处理量小时采用填料塔。 近年来由于填料塔结构 的改进，新型的、高负荷填料的开发， 既提高了塔的通过能力和分离效能又保持 了压降小、性能稳定等特点。因此，填料塔已经被推广到大型气、液操作中，在 某些场合还代替了传统的板式塔。如今，直径几米甚至几十米的大型填料塔在工 业上已非罕见。 随着对填料塔的研究和开发， 性能优良的填料塔必将大量用于工 业生产中。 综合考察各分离吸收设备中以填料塔为代表，填料塔技术用于各类工业物系 的分离 , 虽然设计的重点在塔体及塔内件等核心部分, 但与之相配套的外部工艺 和换热系统应
3、视具体的工程特殊性作相应的改进。例如在 DMF 回收装置的扩产改 造项目中 , 要求利用原常压塔塔顶蒸汽, 工艺上可以在常压塔及新增减压塔之间 采用双效蒸馏技术 , 达到降低能耗、提高产量的双重效果，在硝基氯苯分离项目 中; 改原多塔精馏、 两端结晶工艺为单塔精馏、 端结晶流程 , 并对富间硝基氯苯母 液进行精馏分离 , 获得 99% 以上的间硝基氯苯 , 既提高产品质量 , 又取得了降低能 耗的技术效果。 过程的优缺点：分离技术就是指在没有化学反应的情况下分离出混合物中特 定组分的操作。这种操作包括蒸馏，吸收，解吸，萃取，结晶，吸附，过滤，蒸 发，干燥，离子交换和膜分离等。利用分离技术可为社
4、会提供大量的能源，化工 产品和环保设备， 对国民经济起着重要的作用。 为了使 1 填料塔的设计获得满足 分离要求的最佳设计参数和最优操作工况, 准确地计算出全塔各处的组分浓度分 布、温度分布、汽液流率分布等, 常采用高效填料塔成套分离技术。而且,20 世 纪 80 年代以来 , 以高效填料及塔内件为主要技术代表的新型填料塔成套分离工 程技术在国内受到普遍重视。由于其具有高效、低阻、大通量等优点, 广泛应用 于化工、石化、炼油及其它工业部门的各类物系分离。 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，氨对接触的皮肤组织都有腐蚀和刺激作 用，
5、可以吸收皮肤组织中的水分，使组织蛋白变性，并使组织脂肪皂化， 破坏细胞膜结构。氨的溶解度极高，所以主要对动物或人体的上呼吸道有 刺激和腐蚀作用，常被吸附在皮肤粘膜和眼结膜上，从而产生刺激和炎症。 可麻痹呼吸道纤毛和损害粘膜上皮组织，使病原微生物易于侵入，减弱人 体对疾病的抵抗力。氨通常以气体形式吸入人体，氨被吸入肺后容易通过 肺泡进入血液，与血红蛋白结合，破坏运氧功能。进入肺泡内的氨，少 部分为二氧化碳所中和，余下被吸收至血液，少量的氨可随汗液、尿液或化工机械设备基础课程设计( 清水吸收氨气 ) 2 呼吸排出体外。 短期内吸入大量氨气后会出现流泪、咽痛、咳嗽、胸闷、呼吸困难、 头晕、呕吐、乏力
6、等。若吸入的氨气过多，导致血液中氨浓度过高，就会 通过三叉神经末梢的反射作用而引起心脏的停搏和呼吸停止，危及生命。 长期接触氨气，部分人可能会出现皮肤色素沉积或手指溃疡等症状； 氨气被呼入肺后容易通过肺泡进入血液，与血红蛋白结合，破坏运氧功能。 短期内吸入大量氨气后可出现流泪、咽痛、声音嘶哑、咳嗽、痰带血丝、 胸闷、呼吸困难，可伴有头晕、头痛、恶心、呕吐、乏力等，严重者可发 生肺水肿、成人呼吸窘迫综合症，同时可能生呼吸道刺激症状。因此，吸 收空气中的氨，防止氨超标具有重要意义。 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
7、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。(1) 分离混合气体以获得一定的组分。 (2) 除去有害组分以净化气体。 (3) 制备某种气体的
8、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。化工机械设备基础课程设计( 清水吸收氨气 ) 3 一、数据计算1. 水吸收氨气填料塔工艺设计方案简介1.1 任务及操作条件混合气 (空气、 NH3 )处理量：26003/mh；进塔混合气含 NH3 7% (体积分数 )；温度 :20；进塔吸收剂 (清水)的温度 :20； NH3回收率： 96%；操作压力为常压101.3k Pa 。1.2 填料的选择塔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
9、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。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。塑料填料的材质主要包括聚丙烯、聚乙烯及聚氯乙烯等， 国内一般多采用聚丙烯材质。 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。设计选用填料塔，填料为散装聚丙烯 DN50阶梯环填料。国内阶梯环特性数据材质外径d，
10、mm 外径高厚dH比表面积at，m2/m3空隙率 ，m3/m3个数n，个 /m3堆积密度p，kg/m3干填料因子at/ 3，m-1填料因子，m-1塑料25 38 50 76 2517.51.4 38191 50301.5 76373 228 132.5 114.2 89.95 0.90 0.91 0.927 0.929 81500 27200 9980 3420 97.8 57.5 76.8 68.4 313 175.6 143.1 112 240 120 80 72 化工机械设备基础课程设计( 清水吸收氨气 ) 4 2. 工艺尺寸计算2.1 基础物性数据2.1.1液相物性数据对低浓度吸收过程
11、， 溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。由手册查的， 20水的有关物性数据如下： 密度： 1 =998.2Kgm3 粘度： L=1.005mPa S =0.001Pa S=3.6Kg（mh） 表面张力： L =72.6dyncm=940 896Kgh2 氨气在水中的扩散系数：DL=1.80 10-9m2/s=1.80 10-9 3600 m2/h=6.480 10-6m2/h 2.1.2 气相物性的数据 混合气体平均摩尔质量： MVM=yiMi=0.07017+0.93029=28.16 混合气体的平均密度：vm=RTPMVN=10028.16(8.314293)=1.166Kgm3混合气体
12、的粘度可近似取为空气的粘度，查手册的20空气的粘度： V=1.81105Pas=0.065Kg（mh）查手册得氨气在 20空气中扩散系数：Dv= 0.189 cm2/s=0.068 m2/s 2.1.3 气液相平衡数据20C下氨在水中的溶解度系数：)/(725.03kpamkmolH,常压下 20时亨利系数：SL HME=998.2(0.72518.02)=76.40Kpa 相平衡常数：756.010002.18725.02.998PHMPEmSL2.1.4 物料衡算进塔气相摩尔比： Y1= 11y1y =0.070（10.070）=0.075 化工机械设备基础课程设计( 清水吸收氨气 ) 5
13、 出塔气相摩尔比： Y2=Y1（1）=0.075（10.998）=0.00015 进塔惰性气相流量：V=260022.4273（273+20）（ 10.070）=100.6Kmolh 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：（ VL）min= 2121mXYYY 对纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为X2=0，则（ VL）min=（0.0750.00015）0.075(0.7560)=0.762 取操作液气比为最小液气比1.8 倍，则VL=1.80.762=1.354，因此L=1.372100.6=138.02Kmolh 由全塔物料衡算得：V（Y1Y2）=L（X1X2）
14、， 得 X1=100.6(0.0750.00015) 138.02=0.05456 2.2 填料塔的工艺尺寸的计算2.2.1 塔径的计算混合气体的密度：333 /166.1293315.8104 .2810100mKgRTMP V塔径气相质量流量为：V=26001.166=3032Kgh 液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即: L=138.02 18.02=2512/h 塑料阶梯环特性数据据如下化工机械设备基础课程设计( 清水吸收氨气 ) 6 用贝恩 霍根关联式计算泛点气速：2 .0v 2t2gulgL LF=81v41 LVLKA查表得比表面积：ta=114.2m2/m3 ,A=0.204
15、,K=1.75，=0.927 ，得：81v41 LVLKA=0.610 245.02 . 02L LVtFugau因此计算得：Fu= 3.93m/s 取 u =uF=1 4.23m/s =3.93m/s 由 D=u4SV= （4 26003600）（ 3.14 3.93）0.5=0.484m 圆整塔径，取D=0.5m（常用的标准塔径为400、500、600、700、800、1000、 1200、1400、1600、2000、2200）8 泛点率校核 : u=26003600(0.785 0.52)=3.68ms Fuu3.683.93100=93.60（在允许范围内）填料规格校核：Dd=500
16、50=108 液体喷淋密度校核：化工机械设备基础课程设计( 清水吸收氨气 ) 7 因填料为 50mm 25mm 1.5mm,塔径与填料尺寸之比大于8，固取最小润湿 速度为 （Lw） min=0.08 m3/(m h)， 查常用散装填料的特性参数表， 得 at=114.2m2/m3 Umin=（LW）minat =0.08114.2=9.136m3m2hU=136.22 18.02998.2（0.7850.52）=12.53U min 经以上校核可知，填料塔直径选用D= 500mm 是合理的。2.2.2 填料层高度计算查表知， 0C，100 kpa下，3NH在空气中的扩散系数：scmD/17.02 o由23 )(oo oTT PPDDG， 则 293k，100kpa下，3NH在 空 气 中 的 扩 散 系 数 ：
