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1、化工原理课程设计 指导教师：张先龙 目录一、摘要2二、合成氨工艺2三、填料吸收塔设计资料总结33.1、填料塔简介33.1.1、概念43.1.2、填料塔的结构43.1.3、填料塔的特性53.1.4、填料塔的工作原理53.2、填料塔的流程操作63.2.1、逆流操作63.2.2、并流操作63.2.3、单塔或多塔串联操作73.3、填料类型及特点73.4、填料塔的辅助构件（塔内件）103.4.1、液体分布器103.4.2、液体再分布器123.4.3、填料支承装置123.4.4、除沫器133.4.5、填料压板与床层限制板133.4.6、气体的进出口装置与排液装置13四、填料塔工艺尺寸的计算144.1、基础
2、物性数据144.1.1、液相物性数据144.1.2、气相物性数据144.2、气液平衡曲线174.3、最小液气比及吸收剂用量计算174.4、塔径计算184.5、填料层高度计算204.5.1、传质单元数204.5.2、传质单元高度204.5.3、液相传质系数22五、压降235.1、填料层压降23六、辅助设备及选型246.1、分布点密度计算246.2、液体喷淋装置256.3、液体再分布器256.4、填料支承装置266.5、塔顶除沫器266.6、吸收塔接管尺寸计算276.7、离心泵的选型28七、材料选择及塔总高计算297.1、吸收塔体选择297.1.1、吸收塔材料297.1.2、壁厚的计算297.2、
3、封头的选择307.2.1、封头的选型307.2.2、封头材料317.2.3、封头壁厚的计算317.3、塔支座的选择与焊接327.4、塔总高计算32八、工艺流程及塔设备的PID图33九、设计一览表34十、收获、感悟及总结35十二、参考文献37 课程设计任务书一、 设计题目：清水吸收变换气的填料塔装置设计二、 设计任务及条件： （1）生产能力：进入系统的变换气为:1260(标准状况) （2）变换气的组成（体积）：组分进塔气体，（Vol%）27.42.547.822.3 （3）塔顶出口净化气体中二氧化碳1%（体积） （4）吸收温度为30，连续操作 （5）操作压力三、 设计内容 （1）流程的确定与论证
4、； （2）吸收塔技术指标与操作指标确定，包括：塔径、填料层的高度、填料层的压力降等： （3）工艺计算、结构设计； （4）辅助设备的选型；四、 设计成果 （1）设计说明书一份 （2）工艺流程图的 （3）填料吸收塔的装配图一、摘要本次我们课程设计的任务是处理变换气量1260m/h的填料吸收塔的设计。首先，我们确定所设计的吸收塔在特定化工工艺中的作用，并对整个工艺进行分析总结，其次熟悉填料塔的结构和功能，填料的类型和选择，填料塔设计的方法和技术要求，并查阅了在填料塔设计中经常出现的问题，尽量在设计中避免这些问题。最后，根据生产任务和操作条件，进行物料衡算，确定填料吸收塔的工艺尺寸以及一些辅助设备的选
5、型。经验算校核后，我们选择逆流吸收为操作方式，并选用塑料阶梯环做填料，填料塔工艺尺寸为，塔径0.9米，填料层高度为7.53米，塔高9.41米。经过设计和计算，选用的辅助设备为溢流盘式分布器、槽式再分布器、丝网除沫器等。关键词：变换气、清水、吸收塔、校核优化二、合成氨工艺氨是最为重要的基础化工产品之一,其产量居各种化工产品的首位，主要用于农业,合成氨是氮肥工业的基础,氨本身是重要的氮素肥料,其他氮素肥料也大多是先合成氨、再加工成尿素或各种铵盐肥料。以天然气为原料合成氨在工业上大致分为三个部分，原料气的脱碳转化、净化和合成。此次我们设计就是将合成氨过程中的变换气进行净化的填料吸收塔的设计。吸收变换
6、气二氧化碳的前一工段，粗合成气由脱硫后的原料天然气中的碳氢化合物进入转化炉中的一段，在一段部分转化，接着进入二段转化炉中进一步转化。转化气再进入变换系统，一氧化碳与蒸汽反应生成氢和二氧化碳，我们要做的就是将净化变换气中的二氧化碳。变换气组成，一般天然气为原料为H2：54.5%、CH4：1.91% 、CO：2.87% 、CO2：12.38%、H2O：28.24%、 N2：0.09%，还有其它如未反应完全的C2H6、C3H8、O2等等。变换气进一步将水冷却并排掉，再进一步分离可以得到纯的H2,CO,CO2，下一步的关联产品主要有合成氨，甲醇，氨加工产品有尿素、各种铵盐(如氮肥和复合肥料)、硝酸、乌
7、洛托品、三聚氰胺等。交换气中的CO2的吸收方法主要分为三类：化学吸收法，物理吸收法和物理化学吸收法。用清水作为吸收剂吸收交换气中的CO2属于单纯的气体溶解于液相的物理吸收法，并且在吸收过程中，近似二氧化碳在交换气中的温度升高并不显著，热效应很小，近似认为是单组分等温吸收过程。填料塔结构简单，流体通过填料层的压降较小，通常用耐腐蚀的材料制作，因此，特别适用于处理量小，有腐蚀性的物料及要求压降小的场合。液体自塔顶经液体分布器喷洒于填料底部，并在填料的表面呈膜状流下，气体从塔底的气体口送入，流过填料的空隙，在填料层中与液体逆流接触进行传质。三、填料吸收塔设计资料总结3.1、填料塔简介3.1.1、概念
8、填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。3.1.2、填料塔的结构填料分规整填料和散装填料两大类。塔内件有不同形式的液体分布装置、填料固定装置或填料压紧装置、填料支承装置、液体收集再分布装置及气体分布装置等。它由外壳、填料、填料支承、液体分布器、中间支承和再分布器、气体和液体进出口接管等部件组成，塔外壳多采用金属材料，也可用塑料制作。其结构如下：填料层：提供气液接触的场所。液体分布器：均匀分布液体，以避免发生沟流现象。液体再分布器：避免壁流现象发生。支撑板：支撑填料层，使气体均匀分布。除沫器：防止塔顶气体出口处夹带液体。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正
9、常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。 3.1.3、填料塔的特性与板式塔相比，新型的填料塔性能具有如下特点：生产能力大、分离效率高、压力降小、操作弹性大、持液量小等优点。 填料塔也有一些不足之处，如填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面，使传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。填料塔适用于快速和瞬间反应的吸收过程，多用于气体的净化。该塔结构简单，易于用耐腐蚀材料制作，气液接触面积大，接触时间长，气量变化时塔的适应性强，塔阻力小，压力损失为300700Pa，与板式塔相比处理风量小，空塔气速通常为0.51.2m/s，气速过大会形成
10、液泛，喷淋密度68m3/(m2，h）以保证填料润湿，液气比控制在210L/m3。填料塔不宜处理含尘量较大的烟气，设计时应克服塔内气液分布不均的问题。3.1.4、填料塔的工作原理填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。3.2、填料塔的流程操作3.2.1、逆流操作气相自塔底进入由塔顶排出，液相反向流动，即为逆流操作
11、。逆流操作时平均推动力大，吸收剂利用率高，分离程度高，完成一定分离任务所需传质面积小，工业上多采用逆流操作。3.2.2、并流操作气液两相军从塔顶流向塔底。在以下情况下可采用并流操作。(1)易溶气体的吸收，气相中平衡曲线较平坦时，流向对吸收推动力影响不大，或处理的气体不需要吸收很完全。(2)吸收剂用量特别大，逆流操作易引起液泛。此种系统不受液流限制，可提高操作气速以提高生产能力。3.2.3、单塔或多塔串联操作若设计的填料层高度过大，或由于所处理物料等原因需经常清理填料，为便于维修，可把填料层分装在几个串联的塔内，每个吸收塔通过的吸收剂和气体量都相同，即为多塔串联系统。此种系统因塔内需留较大空间，
12、输液、喷淋、支承板等辅助装置增加，使设备投资加大。若吸收过程处理的液量很大，如果用通常的流程，则液体在塔内的喷淋密度过大，操作气速势必很小（否则易引起塔的液泛），塔的生产能力很低。实际生产中可采用气相作串联的液相作并联的混合流程。若吸收过程处理的液量不大而气相流量很大时，可用液相作串联而气相作并联的混合流程。总之，在实际应用中应根据生产任务和工艺特点，结合各种流程的优缺点选择适宜的流程。3.3、填料类型及特点 填料泛指被填充于其他物体中的物料。在化学工程中，填料指装于填充塔内的惰性固体物料，例如鲍尔环和拉西环等，其作用是为气液两相提供充分的接触面，并提高流体（主要是气相）的湍流程度有利于传质。
13、填料应能使气液接触面大、传质系数高，同时通量大且阻力小。填料的形状可分为环形、鞍形和波纹形。环形填料有拉西环、鲍尔环、阶梯环等，鞍形填料有矩鞍形和弧鞍形两种，波纹形有版形波纹和网状波纹。拉西环是古老的最典型的一种填料，形状简单。常用的拉西环是高与外径相等的圆筒，但其传质阻力大，传质效率差。鲍尔环是在普通拉西环的壁上开一层（直径为5mm以下的环）或二层（直径为50mm以上的环）长方形小窗而成，这种结构使填料层内气液分布性能大大提高，有利于气液进入环内。与拉西环相比，鲍尔环的通气能力、通气系数都有显著提高，而阻力下降了50%，因而在工业上广泛使用。鞍形填料是一种像马鞍形的敞开式填料。它的填料面积利
14、用率极好，气流通过通过填料层压降亦小，加工比鲍尔环容易，是一种优良的填料。阶梯环填料的侧端增加了翻边，不但可以增加填料环的机械强度，而且由于破坏了填料结构的对称性，因而增加了填料投放时的定向几率。又由于翻边的影响，使得填料在堆积时填料环隙之间的接触由此线性接触为主变为以点接触为主。这样，不但增加了填料颗粒之间的空隙，减少了气体穿过填料层的阻力，而且这些接触点还可以为液体沿填料表面流动的汇聚分散点，从而促进了液膜的表面更新，有利于填料传质效率的提高。填料类型填料因子，1625385076金属鲍尔环410-117160-金属环矩鞍-170150135120金属阶梯环-160140-塑料鲍尔环55028018414092塑料阶梯环-260175127-瓷矩鞍1100550200226-瓷拉西环1300832600410-塑料阶梯环特性数据表公称直径外径高厚比表面积空隙率个数堆积密度干填料因子252512.51.4228908150097.83123838191132.5912720057.51755050251.5114.292.71074054.8143
