水吸收氨填料塔设计范例

水吸收氨填料塔设计

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设计说明书

目 录

一 前言………………………………………………………………………………………3 二 设计任务…………………………………………………………………………………3 三 设计条件…………………………………………………………………………………3 四 设计方案…………………………………………………………………………………3 1．吸收剂的选择………………………………………………………………………3 2．流程图及流程说明…………………………………………………………………3 3．塔填料的选择………………………………………………………………………4 五 工艺计算…………………………………………………………………………………4 1．物料衡算，确定塔顶、塔底的气液流量和组成…………………………………4 2．塔径的计算…………………………………………………………………………5 3.填料层高度计算……………………………………………………………………6 4.填料层压降计算……………………………………………………………………8 5.液体分布装置………………………………………………………………………8 6.液体再分布装置……………………………………………………………………9 7.填料支撑装置………………………………………………………………………10 8.气体的入塔分布……………………………………………………………………10 六 设计一览表……………………………………………………………………………10 七 对本设计的评述………………………………………………………………………11 八 参考文献………………………………………………………………………………11 七 主要符号说明…………………………………………………………………………14 八 附图（带控制点的工艺流程简图、主体设备设计条件图）

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二、设计任务：

完成填料塔的工艺设计与计算，有关附属设备的设计和选型，绘制吸收系统的工艺流程图和填料塔装置图，编写设计说明书。

三、设计条件

1、气体混合物成分：空气和氨； 2、氨的含量： 4.5％（体积）； 3、混合气体流量： 4000m3/h； 4、操作温度：293K；

5、混合气体压力：101.3KPa； 6、回收率： 99.8％。 四、设计方案

1．吸收剂的选择 根据所要处理的混合气体，可采用水为吸收剂，其廉价

易得，物理化学性能稳定，选择性好，符合吸收过程对吸收剂的基本要求。

2．流程图及流程说明

该填料塔中，氨气和空气混合后， 经由填料塔的下侧进入填料塔中，与从 填料塔顶流下的清水逆流接触，在填料 的作用下进行吸收。经吸收后的 混合气

体由塔顶排除，吸收了氨气的水 由填料 塔的下端流出。（如右图所示）

3．塔填料选择 该过程处理量不大，所用的塔直径不会太大，可选用38mm

聚丙烯阶梯环塔填料，其主要性能参数如下：

比表面积a：132.5m2/m3 空隙率：0.91

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干填料因子：175m1

五、工艺计算

对低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。混合气体的黏度可近似取为空气的黏度。 空气和水的物性常数如下： 空气：

1.81105Pas0.065kg/(mh)3

1.205kg/m水：

L998.2kg/mL100.41053

Pas1． 物料衡算，确定塔顶、塔底的气液流量和组成

查表知，20C下氨在水中的溶解度系数H0.725kmol/(m3kpa) 亨利系数ELHMS

mEP相平衡常数

LHMSP998.20.72518.02101.30.04510.0450.04712

0.754进塔气相摩尔比为：Y1出塔气相摩尔比为：Y2

0.000094240.045(10.998)10.045

对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为：X20(清水)

混合气体的平均摩尔质量为：M0.04517(10.045)2928.46(kg/kmol) 混合气体流量：4000273293122.4166.382(kmol/h)

惰性气体流量：V166.382(10.045)158.895(kmol/h)

(LV)minY1Y2Y1mX2Y1Y2X1X20.047120.000094240.047120.7540最小液气比：



0.752取实际液气比为最小液气比的1.5倍，则可得吸收剂用量为：

L0.752158.8951.5179.233(kmol/h)

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X1V(Y1Y2)L0.7521.50.041690.047120.00009424

液气比

LV179.2331840001.1830.682

2．塔径计算

混合气体的密度 GPMRT101.31028.46108.315293331.183kg/m

3采用贝恩-霍根泛点关联式计算泛点速度：

lg[uFg2at3GLL]179.2331840001.18310.20.2041.75(0.481uFatGgLuF32)4(1.183998.21)8

L0.20.330430.33049.810.91998.2132.51.1831.0040.23.942m/s取泛点率为0.6，即u0.6uF0.63.9422.365m/s

D4VSu440003.142.36536000.7736m/s

圆整后取 D0.8m 泛点率校核：

uuuF36002.212m/s 20.7850.82.2123.9420.56114000 （在允许的范围内）

Dd8003821.058填料规格校核：

液体喷淋密度校核：

取最小润湿速率为：(LW)min0.08m3/(mh)

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at132.5m/m2

所以 Umin(LW)minat0.08132.510.6m3/(m2h)

ULh0.785D2179.23318998.20.7850.82

6.4110m/(mh)Umin632经以上校核可知，填料塔直径选用D0.8m合理。

3． 填料层高度计算 查表知， 0C由DGDo(则

PoP)(，101.3 kpa下，NH3在空气中的扩散系数Do0.17cm2/s

TTo3)2，

293k，101.3kpa下，NH101.3101.329327333在空气中的扩散系数为

DGDo()()20.189cm2/s

液相扩散系数DL1.80109m2/s 液体质量通量为UL气体质量通量为UVY1mXY2mX12179.233180.7850.840001.1830.7850.8226421.56kg/(mh) 9418.79kg/(mh)

220.7540.041690.031430mVL0.7540.7521.5

脱吸因数为S0.6684气相总传质单元数为：

NOG11S110.6684Ln[(1S)Y1Y2Y2Y2S]

0.0471200.0000942400.6684]15.425Ln[(10.6684)

气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：

awat1exp{1.45(cL)0.75(ULatL)0.1(ULat2Lg2)0.05(U2LLLat)0.2}

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查表知，c33dyn/cm427680kg/h2

aw1exp{1.45(6421.562427680940896)0.2所以，

at()0.75(6421.56132.53.6)0.1(6421.56132.5998.21.2710282)0.05

998.2940896132.5}0.2929气膜吸收系数由下式计算：

G0.237(0.237(UVatv)0.7(VVDV)0.71)(3atDVRT)0.065149418.79132.50.0652(1.1830.189103600)3(132.50.1893600108.31429340.1095kmol/(mhkpa)液膜吸收系数由下式计算：

L0.0095(0.0095(0.3983U2LawL)3(LLDL2)12(LgL1)33.6126421.560.2929132.53.6)3(998.21.801093600)(3.61.2710998.281)3

查表得：1.45 则

uuFGaGawLaLaw0.56110.5

1.10.10950.2929132.51.450.39830.2929132.51.451.16.3952kmol/(mhkpa)17.9351h30.40.4

a[19.5(GuuFuuF0.5)0.5)1.4]Ga由

a[12.6(L 得，

2.2]Laa[19.5(0.56110.5)Ga[12.6(0.56110.5)L1.4]6.39527.6087kmol/(mhkpa)]17.93518.0341h32.2

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Ga11aG1HLa110.72518.0344.8097kmol/(mhkpa)3则

1

7.6087HOGV由

KYa158.8954.8097101.30.7850.82V

0.648mGaP由 ZHOGNOG0.64815.4259.9954m

Z1.209.995411.99m

hD8~15,hmax6m设计取填料层高度为：Z12m 查表：对于阶梯环填料，

将填料层分为两段设置，每段6m，两段间设置一个液体再分布器。

4．填料层压降计算：

采用Eckert通用关联图计算填料层压降 横坐标为：

LV(VL)0.5179.2331840001.183(1.183998.2)0.50.0235

查表得：P116m1 纵坐标为：查图得，

uPg2VL0.2L2.212211619.811.183998.21.0040.20.0686

PZ451.26pa/m

填料层压降为：P451.2613pa5.86kpa

5.液体分布装置

液体分布器的选型：

液体在塔顶的初始均匀喷淋，是保证填料塔达到预期分离效果的重要条件。 液体分布装置的安装位置，须高于填料层表面200mm,以提供足够的自由空间，让上升气流不受约束地穿过分布器。根据该物系性质，可选用目前应用较为广泛的多孔型布液装置中的排管式喷淋器。多孔型布液装置能提供足够均匀的液体分布和空出足够大的气体通道（自由截面一般在70%以上），也便于制成分段可拆结构。

液体引入排管喷淋器的方式采用液体由水平主管一侧引入，通过支管上的小

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孔向填料层喷淋。

由于液体的最大负荷低于25m3/(m2h)，按照设计参考数据可提供良好的液体分布：主管直径---50mm,支管排数---5,排管外缘直径---760mm，最大体积流量---12.5m3/h

排管式喷淋器采用塑料制造。

分布点密度计算：

为了使液体初始分布均匀，原则上应增加单位面积上的喷淋点数。但是，由于结构的限制，不可能将喷淋点设计得很多。根据Eckert建议，当D750mm时，每60cm2塔截面设一个喷淋点。则总布液孔数为：

n0.7850.860104283.7384

布液计算：

由 LSLS4don22gH3

3179.233183600998.2m/s1.772m/s

取0.60，H160mm

do4LSn2gH1.772则 0.785840.629.810.16

0.0036m6.液体再分布装置

实践表明，当喷淋液体沿填料层向下流动时，不能保持喷淋装置所提供的原始均匀分布状态，液体有向塔壁流动的趋势。因而导致壁流增加、填料主体的流量减小，影响了流体沿塔横截面分布的均匀性，降低传质效率。所以，设置再分布装置是十分重要的。可选用多孔盘式再分布器。分布盘上的孔数按喷淋点数确定，孔径为3.6mm。为了防止上一填料层来的液体直接流入升气管，应在升气管上设帽盖。它的设计数据如下：分布盘外径---785mm，升气管数量---6.

7.填料支撑装置

填料支撑装置对于保证填料塔的操作性能具有重大作用。采用结构简单、自由截面较大、金属耗用量较小的栅板作为支撑板。为了改善边界状况，可采用大间距的栅条，然后整砌一、二层按正方形排列的瓷质十字环，作为过渡支撑，以取得较大的孔隙率。由于采用的是38mm的填料，所以可用75mm的十字环。

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塔径D800mm，设计栅板由两块组成。且需要将其搁置在焊接于塔壁的支持圈或支持块上。分块式栅板，每块宽度为400mm，每块重量不超过700N，以便从人孔进行装卸。

8.气体的入塔分布

设计位于塔底的进气管时，主要考虑两个要求：压力降要小和气体分布要均匀。由于填料层压力降较大，减弱了压力波动的影响，从而建立了较好的气体分布；同时，本装置由于直径较小，可采用简单的进气分布装置。

由于对排放的净化气体中的液相夹带要求不严，可不设除液沫装置。

六、设计一览表

填料吸收塔设计一览表

吸收塔类型：聚丙烯阶梯环吸收填料塔 混合气处理量：10万m3/h 工艺参数 名称 物料名称 操作压力，kPa 操作温度，℃ 流速，m/s 液体密度，kg/m3 流量，kg/h 塔径，mm 填料层高度，mm 压降，KPa 操作液气比 分布点数 黏度，kg/(m*h) 表面张力，kg/h 3.6 940896 清水 101．3 20 ———— 998.2 800 12000 5.86 0.682 84 0.065 ———— 氨气 101.3 20 0.991 - 10 -