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1、设计题目3000Nm3/h含氨5%填料吸收塔的设计试设计一座填料吸收塔，用于脱出混于空气中的氨气。混合气体的处理量为3000Nm3/h，其中含氨为5% (体积 分数)，采用清水进行吸收。要求塔顶排放气体中含氨低于0.02% (体积分数)。操作条件(1) 操作压力101.33 kPa (常压)；(2) 操作温度20C；(3) 吸收剂用量为最小用量的1.9倍填料类型：选用聚丙烯阶梯环填料。工作日：每年300天，每天24小时连续运行厂址：合肥设计内容(1) 设计方案的说明及流程说明；(2) 吸收塔的物料衡算；吸收塔的工艺尺寸计算；(3) 填料层压降的计算；(4) 液体分布器简要设计；(5) 吸收塔接
2、管尺寸计算；(6) 绘制生产工艺流程图；(7) 绘制吸收塔设计条件图；(8) 绘制液体分布器施工图；(9) 对设计过程的评述和有关问题的讨论。目录第1章设计方案的简介1.1选定塔型1.2确定填料吸收塔的具体方案1.2.1装置流程的确定1.2选择吸收剂1.3操作温度与压力的确定1.3.1操作温度的确定1.3.2操作压力的确定第2章 填料的类型与选择2.1.1散装填料2.1.2规整填料2.2填料的选择2.2.1填料种类的选择2.2.2填料规格的选择2.2.3填料材质的选择第3章填料塔工艺尺寸3.1设计基础数据3.1.1液相物性数据3.1.2气相物性数据3.2.3气液相平衡数据3.2.4物料衡算第4
3、章填料塔的工艺尺寸的计算4.1塔径的计算4.2填料层高度计算4.3填料塔压降的计算第5章液体分布器简要设计5.1液体分布器5.2液体再分布器5.3塔底液体保持管高度第6章 吸收塔接管尺寸计算6.1气体进料管6.2液体进料管6.3离心泵的选型 6.4风机的选型第7章塔体附件设计7.1塔的支座7.2其他附件附图1填料塔工艺图附图2工艺流程图附录1吸收塔设计条件图附录2符号说明附录3设计一览表附录4 Eckert通用关联图参考文献第1章设计方案的简介1.1选定塔型塔器是关键设备，例如在气体吸收、液体精馏（蒸馏）、萃取、吸附、增湿中、离子交换 等过程中都有体现。通常我们将塔分为板式塔和填料塔两大类。其
4、中填料塔是一个圆筒塔体，塔内装载一层或多层填料，气相由下而上，液相由上而下接 触，传热和传质主要在填料表面进行，填料的选择是填料塔的关键。填料塔制造方便，结构简单，采用材料可是耐腐蚀的材料或者金属以及塑料，在塔径较小的情况较有效，使用金属材料省，一次投料较少，塔高较低。表1-1板式塔与填料塔对比序号填料塔板式塔600 mm以下时，安装1800 mm以下，造价低，直径大则价高困难用小填料时，小塔的效率高，塔径增大，效率下效率较稳定。大塔板效率2降，所需高度急增比小塔板有所提高3空塔速度（生产能力）低空塔速度高4大塔检修费用高，劳动量大检修清理比填料塔容易压降小，对阻力要求小的场合较适用（如：真空
5、5操作）压降比填料塔大6对液相喷淋量有一定要求气液比的适应范围大内部结构简单，便于非金属材料制作，可用于腐多数不便于非金属材料7蚀较严重的场合的制作8持液量小持液量大吸收塔设计基本原则是：生产能力大，有足够的弹性；满足工艺要求，分离效率高；运行可靠性高，操作、维修方便，少出故障；结构简单，加工方便，造价较低；塔压降小。综上考虑，吸收3000 Nm3h含5%的氨的生产任务较小，我们采用填料吸收塔完成该项生 产任务。它结构简单，造价较低，便于采用耐蚀材料使得寿命较长。1.2确定填料吸收塔的具体方案装置流程主要有以下几种：（1）逆流操作 气相自塔底进入由塔顶排出，液相由塔顶流入由塔底流出，其传质速率
6、快， 分离效率、吸收剂利用率高。工业生产中多采用此操作。（2）并流操作气液两相均由塔顶流向塔底，其系统不受液流限制，可提高操作气速，以 提高生产能力。通常用于以下情况：当吸收过程的平衡曲线较平坦时，液流对推动力影响不大； 易溶气体的吸收或吸收的气体不需吸收很完全；吸收剂用量很大，逆流操作易引起液泛。（3）吸收剂部分循环操作在逆流操作过程中，用泵将吸收塔排除的一部分冷却后与补充 的新鲜吸收剂一同送回塔内，通常以下情况使用：当吸收剂用量较少，为提高塔的喷淋密度，对 于非等温吸收过程，为控制塔内的温度升高，需取出一部分热量。该流程特别适用于相平衡常数 m较小的情况，通过吸收液的部分再循环，提高吸收剂
7、的利用率。需注意吸收剂的部分再循环较 逆流操作费用的平均推动力较小，且需设置循环泵，操作费用提高。由于氨在水中的溶解度很大。逆流操作时平均推动力大，传质速率快，分离效率高，吸收 剂利用率高。逆流操作是完成该项任务的最佳选择。在生产工艺流程图中，吸收剂水由离心泵输送至填料塔的塔顶，经液体分布器均匀的分布 在填料上，使填料整个的充分润湿。气体由风机从塔底送入，含少量氨气的空气经过填料时，与 填料上的吸收剂水相接触，此时在填料的表面发生传质过程实现氨的吸收。吸收剂水通过填料吸 收氨后由塔底排除，而带有少量氨的空气完成吸收后氨的含量已在0.02%以下由塔顶放空。1.2选择吸收剂吸收过程是依靠气体溶质在
8、溶剂中的溶解来实现的，因此，吸收剂的性能的和优劣，是决 定吸收操作效果的关键之一，选择时有以下考虑方面：溶解度吸收剂对溶质组分的溶解度要大，以提高吸收速率并减少吸收剂的用量。选择性吸收剂对溶质组分要有良好的选择吸收能力，而对混合气体中的其他组分不吸收 或吸收甚微，否则不能直接实现有效的分离。挥发度要低操作温度下吸收剂的蒸汽压要低，要减少吸收和再生过程中吸收剂的挥发和 损失。粘度 吸收剂在操作温度下的粘度越低，其在塔内的流动性越好，有助于传质速率和传热 速率的提高。其他 所选的吸收剂尽量的满足无毒性、无腐蚀性、不易燃易爆、不发泡、冰点低、廉价 易得以及化学性质稳定等要求。在吸收空气中少量的氨时，
9、水是最理想的溶剂，由于氨在水中的溶解度很大。常温常压下， 水的挥发度很小、粘度较小、价格低廉等。1.3操作温度与压力的确定由于吸收过程的气液平衡关系可知，温度降低可增加溶质组分的溶解度。即低温有利于吸 收，当操作温度的低限应由吸收系统的具体情况决定。由吸收过程的气液平衡关系可知，压力升高可增加溶质组分的溶解度，即加压有利于吸收。 但随着操作压力的升高，对设备的加工制造要求提高，且能耗增加因此需结合具体工艺的条件综 合考虑，以确定操作压力。在该任务中，由于在常温常压下操作且在此条件下氨的溶解度很大，且受温度与压力的影 响不大，在此不做过多的考虑。第2章填料的类型与选择2.1填料的类型填料种类很多
10、，根据装填方式不同，可分为散装填料和规整填料两大类。散装填料是一个个具有一定集合形状和尺寸的颗粒体一般以随机的方式堆积在塔内的，又 称为乱堆填料和颗粒填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料、和环鞍 的填料等。以下是典型的散装填料：拉西环填料 拉西环填料是最早提出的工业填料，其结构为外径与高度相等的圆环，可用 陶瓷、塑料、金属等材质制成。拉西环填料的气液分布较差、传质效率低、阻力大、通量小，目 前工业上用得较少。鲍尔环填料鲍尔环是在拉西环的基础上改进而得。其结构为在拉西环的侧壁上开出两排 长方形的窗口，被切开的环壁的一侧仍与壁面相连，另一侧向环内弯曲，形成内伸的舌叶诸舌叶 的
11、侧边与环中间相搭，可用陶瓷、塑料、金属制造鲍耳环由于环内开孔，大大提高了环内空间及 环内表面的利用率气流阻力小，液体分布均匀。与拉西环相比通量可提高50%以上，传质效率 提高30%左右。鲍尔环是目前应用较广的填料之一。阶梯环填料阶梯环是对鲍尔环的改进。鲍尔环相比阶梯环高度减少了一半，并在一端增 加了一个锥形的翻边由于高径比减少，使得气体绕填料外外壁的平均路径大为缩短，减少了气体 通过填料层的阻力。锥形翻边不仅提高了填料的机械强度，而且使填料之间由线接触为主变为点 接触为主，这样不但增加了填料层之间的空隙，同时成为液体沿填料表面流动的汇集分散点，可 以促进液膜的表面更新。有利于传质效率的提高。阶
12、梯环的综合性能优于鲍尔环，成为目前环形 填料中最为优良的一种。规整填料是按一定的的几何图形排列，整齐堆砌的填料。规整填料种类很多，根据其几何 结构分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料。工业上使用的绝大多数规整填料为波纹填料。波纹填 料按结构分为网波纹填料和板波纹填料可用陶瓷、塑料、金属制造。金属丝波纹填料是网波纹填料的主要形式，是由金属丝制成。其特点是压降低、分离效率 高，特别适用于精密精馏及真空精馏装置，为难分离物系、热敏性的精馏提供了有效的手段。尽 管造价高，但性能优越仍得到了广泛应用。金属板波纹填料是板填料的主要形式。该填料的波纹板片上冲压有许多4mm6mm的小 孔，可起到粗分配板片上的液体
13、、加强横向混合的作用。波纹板片上扎成细小沟纹，可起到细分 配板片上的液体、增强表面润湿性能的作用。金属孔板波纹填料强度高，耐腐蚀性强，特别适用 于大直径塔及气液负荷较大的场合。波纹填料的优点是结构紧凑，阻力小，传质效率高，处理能力大，比表面积大。其缺点是 不适用于处理粘度大、易聚合或有悬浮物的物料，且装卸、清洗困难、造价高。2.2填料的选择填料的选择包括确定填料的种类、规格及材质等。所选的填料既要满足工艺的要求，又要 设备投资和操作费用低。填料种类的选择要考虑到分离工艺的要求，有以下几方面：传质效率传质效率即分离效率。它的表示方法有两种：一是每个理论级当量的填料层高 度，即HETP值；二是每个
14、单元相当的填料层高度既HTU值。在满足工艺要求的条件下，应选 用传质效率高，即HETP(HTU)值低的填料。通常在相同的液体负荷下，填料的泛点气速或气相动能因子愈大，则通量愈大，塔的处理 能力愈大。因此，在选择填料种类的时，在保证具有较高的传质效率的前提下，应选择具有较高 泛点气速或气相动能因子的填料。填料层的压降 填料层的压降是填料的主要应用性能，填料层的压降愈低，动力消耗愈低， 操作费用愈小。选择低压降的填料对热敏系的分离尤为重要。比较填料的压降有两种方法，一是 比较填料层单位高度的压降AP/Z ；另一是比较填料层单位传质效率的比压降AP/Nf填料的操作性能填料的操作性能主要是指操作弹性、
15、抗污堵性及抗热敏性等。所选填料 应具有较大的操作弹性，以保证塔内气液负荷发生波动时维持操作稳定。同时，还应有一定的抗 堵、抗热敏能力，以适应物料的变化及塔内温度的变化。此外，所选的要便于安装、拆卸和检修。通常，散装填料与规整填料的规格表示方法不同，选择方法也有所不同，选择的方法亦不 尽相同，现在分别加以介绍。散装调料规格的选择散装填料的规格通常是指填料的公称直径。工业塔常用的散装填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等几种规格。同类填料，尺寸越小，分离效率越高， 但阻力增加，通量减小，填料费用也增加很多。而大尺寸的填料应用于小直径塔中，又会产生液 体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率低。因此对塔径与填料尺寸的比值要有一规定，米用 填料的塔径与填料公称直径比值D/d的推荐值列如下表：表2-1填料的塔径与填料公称直径比值填料种类D/d的推荐值拉西环D/d 20 30鞍环D/d 15
