化工原理课程设计说明书

目 录

一、设计任务书 …………………………………………………………………… 二、工艺流程示意图 ……………………………………………………………… 三、操作流程方案的确定及其填料选择的论证 ……………………………… 1. 操作方式的选择 ……………………………………………………………… 2. 塔型的选择 …………………………………………………………………… 3. 填料的选择 ………………………………………………………………… 4. 吸收剂的选择 ……………………………………………………………… 四、工艺及填料塔计算 …………………………………………………………… 1. 操作要求及原始数 …………………………………………………………… 2. 物料衡算 ……………………………………………………………………… 3. 气液相平衡曲线 ……………………………………………………………… 4. 吸收剂（水）的用量 ………………………………………………………… 5. 塔底吸收浓度 ………………………………………………………………… 6. 操作线方程 …………………………………………………………………… 7. 塔径的计算 ………………………………………………………………… 8. 填料层高度的计算 …………………………………………………………… 9. 填料层压降的计算 …………………………………………………………… 五、填料吸收塔主要附属装置的计算与选型 ………………………………… 1. 填料支承装置 ……………………………………………………………… 2. 液体喷淋装置 ……………………………………………………………… 3. 液体再分布装置 …………………………………………………………… 4. 管口结构 ……………………………………………………………………… 5. 法兰 ……………………………………………………………………………

6. 支座 …………………………………………………………………………… 7. 封头 ……………………………………………………………………………

8. 手孔 …………………………………………………………………………… 9. 筒体 ……………………………………………………………………………

六、附属设备选型 ………………………………………………………………… 1. 风机 …………………………………………………………………………… 2. 泵 ……………………………………………………………………………… 七、设计结果概要 ………………………………………………………………… 八、总结 …………………………………………………………………………… 附录 ……………………………………………………………………………

图一 …………………………………………………………………………… 图二 …………………………………………………………………………… 图三 …………………………………………………………………………… 图四 …………………………………………………………………………… 图五 …………………………………………………………………………… 图六 …………………………………………………………………………… 图七 …………………………………………………………………………… 图八 ……………………………………………………………………………

一、设计任务书

1. 设计内容：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. 设计项目

(1) 流程的确定及其塔型的选择依据； (2) 吸收剂的选择及其用量流程的确定； (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；

(5) 喷淋密度的校核、压力降的计算等； (6) 吸收塔附属装置选型：

(7) 喷淋器、支承板、液体再分布器等； (8) 附属设备选型：泵、风机。

4. 操作要求

(1) 常压吸收：P=101.3kPa (2) 混合气体进塔温度：30℃ (3) 吸收水进塔温度：20℃

5. 完成工作

(1) 选定吸收方案及流程； (2) 进行填料塔的工艺计算；

(3) 结构和附属设备的选型设计； (4) 绘制填料塔的装配图；

(5) 将设计结果编写成设计说明书。

6. 应缴交的文件

(1) 课程设计说明书一份

(2)填料吸收塔的装置图纸一张

7. 进程安排

(1) 理论计算：11月23日 星期一 至11月26日 星期四 (2) 绘图：11月27日 星期五 至12月1日 星期二

(3) 说明书撰写：12月2日 星期三 至12月3日 星期四 (4) 答辩、交稿：12月4日 星期五

8. 参考文献

(1) 王志魁，《化工原理》，北京，化学工业出版社，2005年

(2) 李功样、陈兰英、崔英德，《常用化工单元设备设计》，广州，华南理工大学

出版社，2003年

(3) 冯开平、左宗义，《画法几何与机械制图》，广州，华南理工大学出版社，2007

年

(4) 魏崇关，郑晓梅，《化工工程制图》，北京，化学工业出版社，1992年。 (5) 玉玮，王立业 编，《化工设备机械基础》，大连，大连理工大学出版社，

19年。

(6) 化工设备设计手册《金属设备》

(7) 化工设备设计手册《材料与零部件》

(8) 化学工程手册，北京，化学工业出版社，19年。

二、工艺流程示意图

三、流程方案的确定及其填料选择的论证

1. 操作方式的选择

图：单塔吸收

采用常规逆流单塔吸收流程

气液两厢在塔内的流动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果，因此逆流优于并流。

2. 塔型的选择

在化工分离过程的操作中，填料塔是最常用的气液传质设备之一，它可用于吸收、解吸、精馏和液-液萃取等化工单元过程。填料塔具有结构简单，便于用耐腐蚀性材料制造以及压降小等优点，采用新型高效填料可以取得良好的经济效果，因而具有广泛的适用性。

填料塔用于吸收和解吸操作中，吸收、解吸和气体洗涤过程绝大多数使用填料塔。对于我们这次的设计要求，设计一用于脱除合成氨尾气中的氨气填料吸收塔。由于有氨气的存在，且选取以水为吸收剂，所以容易生成有腐蚀性的氨水。另外，通过计算后得出设计的压降为2040Pa，压降较小。综上所诉，本次设计任务选用填料塔。

3. 填料的选择

填料是填料塔的核心构件，它提供了塔内气—液两相接触而进行传质或传热的表面，与塔的结构一起决定了填料塔的性能。现代工业填料大体分为实体填料和网体填料两大类，而按装填方式可分为乱推填料和规整填料。 其中，乱推填料中包括鲍尔环、拉西环和阶梯环等。 （1）鲍尔环

鲍尔环的结构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。 （2）拉西环

拉西环是一外径与高相等的圆环。由于构造简单，制造容易，曾得到了广泛的应用，其流体力学性能及传质规律已有较详细的研究。由于其存在较严重的塔壁偏流和沟流现象，传质效率很低。 （3）阶梯环

阶梯环是对鲍尔环的改进后发展起来的新型环形填料。环壁上开有窗口，环内有一层互相交错的十字形翅片，翅片交错45°角。圆筒一端为向外翻卷的喇叭口，其高度约为全高的1/5，而直筒高度为填料直径的一半。由于两端形状不对称，在填料中各环相互呈点接触，增大了填料的空隙率，使填料的表面积得以充分利用，因此可使压降降低，传质效果提高。

结果本次设计任务，由于设备的操作温度较低，所以考虑用塑料填料，塑料填料具有价格低廉、性能稳定、耐腐蚀等优点。另外，通过计算比较塔径（D=700mm）与填料直径（d）之比D/d 〉10，满足鲍尔环要求。综上所诉，本次设计任务选用塑料鲍尔环乱推。

4. 吸收剂的选择

本次设计选用清水作为吸收剂，其理由包括①混合气体中包括NH3、H2、N2、CH4+Ar，其中氨气在水中的溶解度大，相对而言其余气体在水中溶解度很少，可以忽略；②在本次设计的操作温度下，水的蒸气压和粘度都较低；③水无毒性、腐蚀性、不易燃、不发泡、价格低廉、取用方便、化学性质稳定。因此，我选用水作为本次设计的吸收剂。

四、工艺及填料塔计算

设计用水吸收含NH3的常压填料塔，其任务及操作条件为：

任务：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。

1. 操作要求及原始数据 （1）操作要求：

a) 混合气体（NH3、H2、N2、CH4+Ar）处理量为3380m3/h

b) 进塔混合气含氨气6%、氢气60%、氮气20%、CH4+Ar 14% （体积分数） c) 混合气体进塔温度为30℃；吸收水进塔温度：20℃ d) 操作压力：101.3K/Pa

（2）原始数据：

（氨气---水）二成分气液平衡数据 温度（℃） pNH3(mmHg) 序号 x（NH3液相摩尔分率） （液相） （NH3平衡分压） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

2. 物料衡算

（1） 若近似取塔的平均操作压强为101.3KPa，进塔混合气中各组分的量为

混合气体的平均摩尔质量为

MV=17×0.06+28×0.2+2×0.6+16×0.14=10.06kg/mol

混合气量（30℃）：3380/22.4=150.kmol/h=150.×10.06=1517.95kg/h 混合气中氨气量：150.×0.06=9.05kmol/h=9.05×17=153.91kg/h 混合气中H2量：150.×0.06=90.534kmol/h=90.534×2=181.07kg/h 混合气中N2量：150.×0.02=30.178kmol/h=30.178×28=844.98kg/h 混合气中CH4+Ar量：150.×0.014=21.125=21.125×16=337.99kg/h

（2） 混合气体进出塔的摩尔组成 y1=0.0638 y2=0.0002 （3） 混合气进出塔的摩尔比组成

惰性气体量V：90.534+30.178+21.125=141.837kmol/h

181.07+844.98+337.99=13.04kg/h

Y1=9.05/141.837=0.0638kmol 氨气/kmol 惰气

Y2=0.0002/（1-0.0002）=0.0002kmol 氨气/kmol 惰气

22.32 24. 26.95 29.27 31.58 33. 36.20 38.51 40.80 43.12 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040 0.045 0.050 2.93 6.97 12.09 18.39 26.00 35.10 45.86 58.50 73.21 90.29

（4） 出塔混合气量

出塔混合气量为：141.837+9.05×0.02%=141.839kmol/h

13.04+153.91×0.02%=13.071kg/h

流量 进塔气量 出塔气量 m3/h kmol/kg/h m3/h kmol/h 成分 h H2 2250.86 90.534 181.07 2250.86 90.534 N2 750.29 30.178 844.98 950.29 30.178 CH4+Ar 525.20 21.125 337.99 525.20 21.125 NH3 225.09 9.050 153.91 0.05 0.0018 总量 3751.43 150. 1517.95 3526.39 141.839

3. 气液相平衡曲线 序号 t/℃ X X p(NH3)/Kpa y Y ρ 1 22.32 0.005 0.0050 0.3906 0.0039 0.0039 997.62 2 24. 0.010 0.0101 0.9293 0.0092 0.0093 997.04 3 26.95 0.015 0.0152 1.6119 0.0160 0.0162 996.46 4 29.27 0.020 0.0204 2.4518 0.0243 0.0249 995.88 5 31.58 0.025 0.0256 3.46 0.0343 0.0355 995.15 6 33. 0.030 0.0309 4.6796 0.0463 0.0485 994.34 7 36.20 0.035 0.0363 6.1142 0.0605 0.04 993.53 8 38.51 0.040 0.0417 7.7994 0.0772 0.0837 992.72 9 40.80 0.045 0.0471 9.7606 0.0966 0.1069 991.87 10 43.12 0.050 0.0526 12.0378 0.1192 0.1353 990.92 kg/h 181.07 844.98 337.99 0.03 13.07 E/kPa m(=E/P) H(=ρ/ME) 78.1 0.771 0.709 92.9 0.917 0.596 107.5 1.061 0.515 122.6 1.210 0.451 138.7 1.369 0.399 156.0 1.0 0.3 174.7 1.724 0.316 195.0 1.925 0.283 216.9 2.141 0.2 240.8 2.377 0.229 0.1632y = 465.x + 6.7187x + 0.9517x - 0.00130.14R2 = 10.120.10.080.060.040.02X00.00000.01000.02000.03000.04000.05000.0600

计算其中一组数据（第一组）：

查《化工原理》，通过温度t=22.32℃查出对应的值为997.62kg/m-3

Y平衡线 X-Y图

yNH3P分P总x0.3906101.30.0050.0039

X1x10.0050.0050

Yy1y0.003910.00390.0039

EPNH3(kPa)XEP总78.10.39060.00578.1kPa

m101.30.771

HEM997.6278.1180.709kmol

氨气/（kPa•m3 溶液）

4. 吸收剂（水）的用量L

由平衡曲线X-Y图查得：

当Y1=0.0638时，代入y = 465.x3 + 6.7187x2 + 0.9517x - 0.0013

得，

X1*=0.0361（最大浓度）

代入V=141.837 kmol/h ；y1=0.0638 ；y2=0.0002 ；X2=0 最小吸收剂用量Lmin= VY1Y2XX2*1141.8370.06380.00020.03610249.885kmol/h

取安全系数1.8，则

L=1.8×249.885=449.792kmol/h=449.792×18=8096.260kg/h

5. 塔底吸收液浓度X1

物料衡算式 V(Y1-Y2)=L(X1-X2)

代入V=141.837 kmol/h ；y1=0.0638 ；y2=0.0002 ；X2=0 ；L=449.792 kmol/h

得，

6. 操作线方程

逆流吸收塔的操作线方程式为：Y449.792X(0.0002141.837X1V(Y1Y2)LXL2141.837(0.06380.0002)449.7920.02006

LVX(Y2LVX2)

将已知参数L=8096.260kg/h ；y2=0.0002 ；V=141.837 kmol/h ；X2=0 代入

Y449.792 0)141.837代入得： Y=3.171X+0.0002

得到两端点分别为：B（0，0.0002） ； T（0.0101，0.0322） 将两点连接画出操作线为BT直线(附图六)

7. 塔径的计算

因塔底气液负荷大，故按塔底条件计算：塔底混合气体温度为30℃： 作t-X图：

t-Xy = 436.65x + 20.288R2 = 0.999850.0045.0040.0035.0030.0025.0020.0015.0010.005.000.00tX0.0000.0100.0200.0300.0400.0500.060

由于X1=0.02006 代入方程y=436.65x+20.288 得出温度t=29.05℃

查得塔底吸收液温度为29.05℃。设计压力取为塔的操作压力为101.3kPa。 塔径的计算公式为：D4Vsu ，u=(0.5~0.85)uF

（1）采用埃克特通用关联图计算泛点气速uF

a) 有关数据计算

塔底混合气体质量流量 WG=181.07+844.98+337.99+153.91=1517.95kg/h 吸收液的质量流量

WL=L+153.91×0.9998=8096.2604+153.8792=8250.1396kg/h

进塔混合气体的平均密度为

ρG=

1517.95kg/h3 0.4046kg/m33总进塔气量（m/h）3751.43m/h总进塔气量(kg/h)由《化工原理》查得吸收液（水）的密度为ρL=995.94kg/m3 ；

吸收液黏度为µL= 0.8023mPa·s

经比较，选Dg50mm塑料鲍尔环（米字型）。 查《常用化工单位设备设计》，得 填料外径 高×厚 比表面积 填料因子 填料因子 (d) （H×δ） (at) (φF) (φP) （mm） （mm） (m2/m3) (m-1 ) (m-1 ) 50 48×1.8 106.4 140 125 其泛点填料因子ΦF=140m-1，比表面积at=106.4m2/m3

b) 关联图的横坐标值

8250.13960.40462()()0.1095WGL1517.95995.942WLG11

c) 由图查得纵坐标值为0.14 ，即

uFFGgL20.2LuF14010.40469.81995.942(0.8023)0.20.14

故泛点气速 uF=（2）操作气速

0.140.00555.045m/s

u=0.55uF=0.55×5.045=2.7748m/s

（3）塔径

VsWG1517.950.4046G3157.730m/h3

D4Vsu43157.730/36003.143.0270.6623m662.3mm

圆整塔径为0.7m（即D=700mm）。

那么，塔径与填料直径的比值D/d=700/50=14＞10(满足鲍尔环要求) （4）核算气速

Vs=3751.730m3/h

u3751.73036000.7850.7uuF2.7095.0450.22.709m/s

(符合要求)

（5）核算喷淋密度

d＜75mm的环形填料最小润湿率为0.08m3/（m2 ·h），最小喷淋密度：

Umin=0.08×106.4=8.512 m3/（m2 ·h）

由于 故满足要求。

8. 填料层高度的计算

NH3-H2O平衡体系不符合亨利定律，因而不能用总传质速率方程来求填料层高度，而是采用膜传质速率方程来求解，并且要用图解积分的方法求传质单元数。

气体总传质高度 HOG2U8250.1396995.940.7850.7221.536m/(mh)32＞Umin

VKYa

20.7D塔截面积 3.1442

7 0.3m842

（1） 查《常用化工单位设备设计》，得填料尺寸： 填料尺寸c m n b /mm ≥38.0 0.0367 0.72 0.38 0.027

氨吸收系统的体积吸收分系数经验公式为

kGacGWLkLabWLpmnP 0.78

式中kGa——气膜体积吸收分系数，kmol/(m3·h·atm) kLa——液膜体积吸收分系数，l/h G ——气相空塔质量流速，kg/(m2·h) WL ——液相空塔质量流速，kg/(m2·h)

由经验公式，得

KYapKGapCGWmnL1517.9510.03670.38470.728250.13960.38470.38630.66

惰性气体 V=141.837kmol/L 气体总传质高度

nVHOGVKYa141.837630.66(符合要求) 0.58460.3847cL(kg/h)氨气（进 kmol/L）-氨气（出 kmol/L）449.7929.050.001856.4430mol/Lm/L8096.2604/995.94 由经验公式，得

KXacKLacbWLp直线斜率：kKXaKYa8250.139656.44300.0270.384732.66630.665.770.7832.66



（2）利用图解积分法算出NG

a) 在X-Y坐标中绘出平衡线与操作线；（附图七、八）

b) 从操作线上作斜率为-kXa/kYa的线段交平衡线于（Xi, Y i),取点计算 1/( Y-Y

i) ；以Y对1/( Y-Y i)作图，得到一条函数曲线；有曲线包围的面积即为NG的定积分值。 Y Y* 1/（Y-Y*） 项数 单数项 双数项 首尾项 0.0002 0.0000 5555.5556 f0 5555.5556 0.0018 0.0002 632.9114 f1 632.9114 0.0034 0.0005 342.4658 f2 342.4658 0.0050 0.0010 247.5248 f3 247.5248 0.0066 0.0017 204.0816 f4 204.0816 0.0082 0.0024 173.0104 f5 173.0104

0.0098 0.0114 0.0130 0.0146 0.0162 0.0178 0.0194 0.0210 0.0226 0.0242 0.0256 0.0272 0.0288 0.0304 0.0320 0.0336 0.0352 0.0368 0.0384 0.0400 0.0416 0.0432 0.0448 0.04 0.0480 0.0496 0.0512 0.0528 0.04 0.0560 0.0576 0.0592 0.0608 0.0624 0.00 0.0031 148.8095 0.0038 132.2751 0.0046 118.4834 0.00 108.6957 0.0061 99.0099 0.0068 91.0747 0.0076 85.0340 0.0084 79.4913 0.0093 74.9625 0.0102 71.2251 0.0100 .1026 0.0108 60.9756 0.0115 57.8035 0.0127 56.4972 0.0135 .01 0.0142 51. 0.0152 50.0000 0.0161 48.3092 0.0170 46.7290 0.0182 45.8716 0.0192 44.29 0.0200 43.1034 0.0210 42.0168 0.0222 41.3223 0.0233 40.4858 0.0244 39.6825 0.02 38.7597 0.0279 40.1606 0.0291 39.5257 0.0303 38.9105 0.0314 38.1679 0.0328 37.8788 0.0339 37.1747 0.0353 36.9004 0.0368 36.77 f6 f7 f8 f9 f10 f11 f12 f13 f14 f15 f16 f17 f18 f19 f20 f21 f22 f23 f24 f25 f26 f27 f28 f29 f30 f31 f32 f33 f34 f35 f36 f37 f38 f39 f40 148.8095 132.2751 118.4834 108.6957 99.0099 91.0747 85.0340 79.4913 74.9625 71.2251 .1026 60.9756 57.8035 56.4972 .01 51. 50.0000 48.3092 46.7290 45.8716 44.29 43.1034 42.0168 41.3223 40.4858 39.6825 38.7597 40.1606 39.5257 38.9105 38.1679 37.8788 37.1747 36.9004 36.77 36.77 2077.3668 1663.0741 5592.3203 N=9.1 辛普森数值积分公式

YY12dYYY1Y0Y*Y1Y23nf1f0fn4(f1f3...fn1)2(f2f4...fn2)1Y1Y1*

f0*0

填料层高度为 ZHOGNOG0.58469.15m .取25%的富余量，则完成设计任务需Dg50mm塑料鲍尔环的填料层高度为

Z=1.25×5.32=6.m

9. 填料层压降的计算

在埃克特关联图上，取横坐标值0.1095；

当气速u=2.709m/s，Dg塑料鲍尔环填料的压降填料因子φP=125 ；

水1时，L图上纵坐标值为 u2PV0.22.70912510.404602gL0.8023.0.0L9.81995.94 填料层压降 P3006.641P9a 9

P248 图5-29 《化工原理》3

五、填料吸收塔主要附属装置的计算与选型

1. 填料支承装置

填料支承结构是用于支承塔内填料及其所持有的气体和液体的重量之装置。对填料的基本要求是：有足够的强度以支承填料的重量；提供足够的自由截面以使气、液两相流体顺利通过，防止在此产生液泛；有利于液体的再分布；耐腐蚀，易制造，易装卸等。

常用的填料支承板主要有栅板式和气体喷射式等结构。

本次设计我采用栅板式支承板，由于塔径为700mm，所以将栅板分成两块。 栅板尺寸： 公称直径 填料环 栅板尺寸 Dg 直径 D Lo R L h×S n t l 700 50 680 339 340 679 40×6 6 45 270 对应的支持圈尺寸： 塔公称直径 D1 D2 厚度S 质量/kg Dg 碳钢 碳钢 700 696 596 8 63.50

2. 液体喷淋装置

《常用化工单位设备设计》P113-117 L2 18 《常用化工单位设备设计》P115表3-11 P117表3-13 《常用化工单位设备设计》P118-119

液体喷淋装置的作用是为了能有效地分布液体，提高填料表面的有效利用率。当液体喷淋装置设计不合理时，将导致液体分布不均，减少填料湿润面积，增加液体沟流和壁流现象，直接影响填料的处理能力和分离效率。选择液体喷淋装置的原则是能使液体均匀地分散开来，使整个塔截面的填料表面很好的湿润，结构简单，制造和检修方便。

液体喷淋装置的结构形式有管式喷淋器、蓬头式喷淋器盘式喷淋器、冲击式喷淋器。

本次设计的塔径D为700mm，因此我选择多孔管式喷淋器，其结构是在直管底部钻有3~5排φ3~8mm的小孔，液体由小孔喷淋而下。孔的总截面积大致与进液管的截面积想等。

3. 液体再分布装置

填料塔内当液体沿填料层下流时，往往会产生壁流现象，使塔中心填料得不到良好的润湿，减少了气液接触的有效面积。为了克服这种现象，当填料层过高时，应将填料层分段装填，并在塔内每两段填料之间安装液体再分布装置，使液体重新分布。 液体再分布器的形式多样，常用的结构有截锥式再分布器和槽形再分布器等。 本次设计的塔径D为700mm，填料层高度Zo为6.m，我将填料分成两段，分段高度为3.32m，符合塑料填料Zo值的标准（Zo不宜超过3~4.5m）。液体再分布器选用b型的截锥式再分布器（适用于直径为800mm以下的塔），截锥上方加装支承板，截锥下方隔一段距离再装填料，可分段卸出填料。截锥体与塔壁的夹角取45°，截锥下口直径为0.7D。

4. 管口结构

流体的进出口结构设计，首先要确定的是管口直径。根据管口所输送气体或液体的流量大小，有以下式计算管口直径：

d4VS

u 式中 VS——流体的体积流量，m3/s;

u——适宜的流量速度，m/s;常压塔气体进出口管气速可取10~20m/s(高压塔

气速低于此值)；液体进出口速度可取0.8~1.5m/s(必要时可加大些)，对必要时可加大些)，对高粘度的液体可取0.5~1.0m/s。

（1）液体进出口管径

V13SL8026.2604995.94136000.00224m/s

L3600

位设备设计》P121-122 图3-24 《常用化工单

取u=0.9 m/s；d4VSu40.002243.140.90.0565m56.5mm

按标准管规定进行圆整，d取57mm。

接管尺寸：管径×厚度（d×S）为57×3.5mm 《常用化工单位设备设计》 核算流速：u4Vs0.00224d243.140.05720. m/s（符合要求）

实际流速为：u=0. m/s

（2） 气体进出口管径

Vs3751.73336001.042m/s

取u=19 m/s； d4VS41.042u3.14190.23m2.3mm

按标准管规定进行圆整，d取273mm。

接管尺寸：管径×厚度（d×S）为273×8mm 核算流速：u4Vs41.042d23.140.273217.8 m/s

实际流速为：u=17.8 m/s

（3）进出口装置设计

a) 气体进口装置设计时，使进气管伸到塔的中心线位置，管端切成45°向下的

斜口。

b) 液体出口管直接通向喷淋装置

（4）接管长度h 公称直径≤15 20~50 70~350 70~500 dg/mm 接管长度/mm 80 100 150 150 公称压力/MPa ≤4.0 ≤1.6 ≤1.6 ≤1.0 液体进出口管径为57mm，接管长度选用120mm；

气体进出口管径为273mm，接管长度选用150mm。

5. 法兰

法兰是使管子与管子相互连接的零件，连接于管端。法兰上有孔眼，螺栓使两法兰紧连，法兰间用衬垫密封。法兰按其所联接的部件可分为容器法兰及管法兰。按结构型式分，有整体法兰、活套法兰和螺纹法兰。常见的整体法兰有平焊法兰及对焊法兰。由于本次设计的压力为常压，所以选用板式平焊钢制管法兰和甲型平焊压力容器法兰。 具体规格为

（1） 液体进出口管

选用板式平焊钢制管法兰，规格尺寸如下：

P124-127 表3-18 《常用化工单位设备设计》P124-127 表3-18 《常用化工单位设备设计》P124-127 表3-19 《常用化工单位设备设计》 P256附表5

公称 直径 DN 管子直径A1 连接尺寸 法兰 外径 D 螺栓孔中心圆直径 K 110 螺栓孔 直径 螺栓孔 数量 螺纹 Th 法兰 厚度 C 法兰 内径 B1 坡口 法兰理宽度 论重量 b kg L n PN0.6MPa(6bar) 14 4 M12 16 59 — 1.51 50 57 140 （2） 气体进出口管、手孔

选用板式平焊钢制管法兰，规格尺寸如下： 公称 直径 DN 管子直径A1 法兰 外径 D 250 273 375 螺栓孔中心圆直径 K 335 连接尺寸 螺栓孔 直径 L 18 螺栓孔 数量 n 12 M16 24 276 — 8.96 螺纹 Th 法兰 厚度 C 法兰 内径 B1 坡口 法兰理宽度 论重量 b kg 《常用化工单位设备设计》 P256附表5 PN0.6MPa(6bar)

（3） 筒体

选用甲型平焊压力容器法兰，规格尺寸如下： 公称直径 法兰/mm 螺柱 DN/mm D’ D1 D2 D3 D4 δ d 规格 数量 PN0.25MPa 700 815 780 750 740 737 36 18 M16 28 6. 支座 支座用以支承容器或设备的重量，并使其固定于一定位置的支承部件。还要承受操作时的振动与地震载荷。本次设计我选用耳式支座（B型），耳式支座游底板、筋板和垫板组成。 尺寸规格： 支座号 支座主体允许载荷[Q]kN 30 《常用化工单位设备设计》 P245 附表2（A） 《常用化工单位设备设计》P269 附表13 支座 质量 kg B型 8.3 适用容器公称直径 DN 700~1400 高度 H l1 200 160 底板 筋板 垫板 螺栓 b1 105 δ1 s1 50 l2 205 b2 125 δ2 8 l3 250 b3 200 δ3 8 e d 螺纹 3 10 30 30 M24

7. 封头

本次设计采用标准椭圆形封头。形成这种封头的母线是由1/4椭圆线和平行于回转轴的短直线光滑连接而成，故它由半个椭圆球和一个高度为h0的圆柱短节构成。 选取的尺寸规格为 公称直径 曲面高度 直边高度 内表面积 容积 厚度 质量 DN h1 h0 F V δp G 23mm mm mm m m mm kg 700 175 40 0.619 0.060 10 50

8. 手孔

本次设计选用平盖平焊法兰手孔，尺寸如下 密封面型式 A 公称压力Pg kg/cm2 10 公称直径 Dg 250 273×8 390 350 190 84 26 18 20 dw×S D D1 H1 H2 b b1 b2 螺栓螺母 数量 12 螺栓 直径长度 M20×70 质量 kg 40.9 材料《常用化工单位设备设计》 P239 附表1（A） 标准图号 类别 Ⅰ JB5-79-1 《常用化工单位设备设计》 P274附表19 9. 筒体

本次设计的塔径为700mm，选取筒体尺寸如下 公称直径 一米高的容积 一米高的内表DN V 面积FB （mm） （m3） （m2） 700 0.385 2.20

一米高筒节钢板理论重量（kg） 厚度 6 105 《化工工程制图》 附录 筒体

六、附属设备选型

1. 风机

风机主要对气体起输送作用，所以选取离心通风机，输送与空气相近的气体选用

4-72型离心通风机，再根据实际风量与实验条件下的风压HT,选择适合的风机。

实际风压Hu20.404617.82T22pa

风压HTHT0.40461.20521.5pa

根据风量Q=3751.43m3/h，风压HT=125pa，选用F4-72-12型防腐风机。

2. 泵

输送吸收剂管路所需压头的的估计

HZu22gpgHf

据初步的平立面布置，取△Z=12m液柱 据操作条件，△p=0,△u≈0, la15m d=57mm

查《化工原理》，截止阀全开时，当量长度与管径之比为le/d为300 ; 两个弯头，90度，当量长度与管径之比为le/d为35×2

∑le=（300+35×2）/57=6.49

无缝钢管的管壁绝对粗糙度ε=0.35mm,则ε/d=0.35/57=0.0061

P86-91 P43 表1-2 P81 P359饱和水的物理性质 《化工原理》《化工原理》 《化工原理》

20°时，水的密度为998.2kg/m3，黏度为0.001Pa·s

Redu0.0450.998.20.00144.0410

查《化工原理》得λ=0.032

Hf《化工原理》 0.2laleud2P40图1-28 0.5m

2g0.032156.490.057 29.81H=12+0.5=12.5m

根据流量Q=8096.2604/998.2=8.11m3/h,压头H=13m，在《化工原理》选泵IS50-32-125

七、设计结果概要

1. 设计概要

课程设计名称：用水吸收含NH3的常压填料塔设计

操作条件：混合气体（NH3、H2、N2、CH4+Ar）处理量为3380m3/h

进塔混合气含氨气6%、氢气60%、氮气20%、CH4+Ar 14% （体积分数） 混合气体进塔温度为30℃；吸收水进塔温度：20℃ 操作压力：101.3K/Pa

2. 计算数据结果

（1） 物料衡算及物性计算结果： 流量 进塔气量 出塔气量 m3/h kmol/kg/h m3/h kmol/h kg/h 成分 h H2 2250.86 90.534 181.07 2250.86 90.534 181.07 N2 750.29 30.178 844.98 950.29 30.178 844.98 CH4+Ar 525.20 21.125 337.99 525.20 21.125 337.99 NH3 225.09 9.050 153.91 0.05 0.0018 0.03 总量 3751.43 150. 1517.95 3526.39 141.839 13.07

（2）气液相平衡数据： 序号 t/℃ X X p(NH3)/Kpa y Y ρ E/kPa m(=E/P) H(=ρ/ME) 1 22.32 0.005 0.0050 0.3906 0.0039 0.0039 997.62 78.1 0.771 0.709 2 24. 0.010 0.0101 0.9293 0.0092 0.0093 997.04 92.9 0.917 0.596

3 4 5 6 7 8 9 10 26.95 29.27 31.58 33. 36.20 38.51 40.80 43.12 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040 0.045 0.050 0.0152 0.0204 0.0256 0.0309 0.0363 0.0417 0.0471 0.0526 1.6119 2.4518 3.46 4.6796 6.1142 7.7994 9.7606 12.0378 0.0160 0.0243 0.0343 0.0463 0.0605 0.0772 0.0966 0.1192 0.0162 0.0249 0.0355 0.0485 0.04 0.0837 0.1069 0.1353 996.46 995.88 995.15 994.34 993.53 992.72 991.87 990.92 107.5 122.6 138.7 156.0 174.7 195.0 216.9 240.8 1.061 1.210 1.369 1.0 1.724 1.925 2.141 2.377 0.515 0.451 0.399 0.3 0.316 0.283 0.2 0.229 0.1632y = 465.x + 6.7187x + 0.9517x - 0.00130.14R2 = 10.120.10.080.060.040.02X00.00000.01000.02000.03000.04000.05000.0600

（3） 吸收剂（水）用量L为8096.260kg/h； （4） 塔底吸收液浓度X1为0.02006； （5） 操作线方程为Y=3.171X+0.0002； （6） 塔径为700mm；

（7） 填料层高度为6.m，分段后填料层高度为3.32m； （8） 填料层压降为1992Pa。

Y平衡线 X-Y图

八、总结

随着填料塔设计说明的撰写完成，为期两个星期的化工原理课程设计接近尾声了。记得两个星期前的自己，对化工原理不是很了解，面对着即将来临的化工原理课程设计感到十分的紧张，担心着自己的能力。但通过两个星期的训练。我对化工原理关于填料塔的设计方面有了更深一步的了解，对课程设计也有了一定的接触与了解。

本次课程设计的任务是设计用于脱除合成氨尾气中氨气的填料吸收塔，吸收塔的知识我们在化工原理课上已经掌握了一部分，这次的课程设计正是我们对填料吸收塔知识的巩固与加深了解。

设计安排我们在第一个星期一至星期四要完成理论计算，由于之前对书本上的知识掌握不好，导致在设计时候要用上大量的时间理解与掌握基础知识，再开始理论计算。在计算过程中，通过老师的悉心教导与同学的指导，我还是能在规定时间内完成计算任务。 但在计算的过程中还是出现了许多困难。计算NOG的时候，由于我们这次设计的体系不符合亨利定律，所以我们要选用图解积分法算出传质单元数NOG值。而图解积分法要我们手绘出图线，通过图线读取需要的数据，在计算过程中这部分内容确实运用了我们大量的时间。另外在塔径与填料层压降的计算中，由于选取塔径的多少影响到压降的高低，就这一问题我运用了大量的时间计算塔径与核算气速，保证最后数据的准确性。

基本完成理论计算后，我们立即就开展第二部分绘图任务，用一张A1图纸绘制出填料塔装备图。画图之前我们先要进行一系列的填料塔主要附属装置尺寸的计算与附属装置的选型。当我第一眼看到范图时，感觉难度不大，三个工作天应该能将图画好。但事实上在画图过程中会产生各种各样的问题。首先选取绘图的比例，通过不断地思考最终订下了1：10的比例，随着比例的确定，其他零部件的尺寸也就定下来了。这是困难出现了，面对着许多的化工手册和化工书籍，感觉无从下手。特别在选取法兰时，面对着各种各式的法兰，不知如何选择。最后通过老师的指导，给我们讲解各零部件的功能与选择原则后，我对这一方面也加深了了解。绘图基本完成后，紧接着就是标记与明细栏的绘制。在明细栏的绘制中，开始时发现好多重量、尺寸规格都查不到，后来通过查阅更多的零配件手册，总算查出大部分的零件尺寸，完成了明细栏的绘制。绘图的几天时间内，白天我都一直在画图课室绘图，晚上在宿舍绘图，尽量充分利用时间，终于也在规定的时间内完成了装备图的绘制工作。

完成装备图的绘制工作后，紧接着就是说明书的撰写。说明书的撰写就是将我们之前的工作重新理清一遍，把计算过程与查阅的资料整理清晰，编写成一本有阅读价值与实用价值的说明书。在说明书的撰写方面，我采用打印版。撰写说明书前，我先拿来之前的计算过程与附属装置的选取资料认真重新看一遍，力求理清所以的思路再开始撰写。我总共运用了两天的时间完成说明书，说明书中的一字一句都是自己亲手打上去，计算公式过程采用软件编写，后期制作完成。

通过两个星期的设计学习，课程设计任务在老师的指导与同学的讨论中顺利完成。过程中我学会了填料吸收塔的设计流程，懂得了查阅装备零部件的方法，增强了计算的能力，提高了绘制装备图的能力，巩固了化工原理的部分知识，提升了自身的课程设计能力。

最后，我要感谢老师的悉心教导，每次当我遇到问题时，无论之前有多少人问过同样的问题，老师都能耐心地重复对我讲解。谢谢您，！