水吸收氨过程的填料吸收塔设计-化工原理课程设计论.docx

华北水利水电大学 North China University of Water Resources and Electric Power 化工原理课程设计Principles of chemical engineering course design 题目 水吸收氨过程的填料吸收塔设计 The water absorption of ammonia process of stuffing absorbing tower design 学 院 环境与市政工程 专 业 应用化学 姓 名 学 号 指导教师 完成时间 2015.12.212016.1.1 中文摘要：化工原理课程设计是化工原理教学中综合性和实践性的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是使学生体察工程实际问题复杂性、学习化工设计基本知识的初次尝试。本次水吸收氨过程的填料吸收塔设计可以使同学们的综合能力得到进一步的加强，锻炼了同学们在日常生活以及以后的工作学习中的查阅有关科学文献的能力，进一步锻炼了同学们的设计能力、计算能力、表达能力，同时也培养了同学们的环保意识、节能意识。填料塔吸收净化不仅在化工领域，在一般浓度乃至低浓度的工业净化方面也发挥着不可磨灭的作用。不计其数的工程实践表明，合理的系统工艺流程与填料吸收塔的设计可以充分保证一定的净化效果。本次设计是将聚丙烯阶梯环应用于水吸收氨气的填料吸收塔的设计。在同样条件下，采用逆流方式较并流可以获得最大化的平均推动力，进而可以获得一个更大的吸收效率。另外，由于在采用逆流过程中吸收剂的流向与气体的流向是完全相反的，所以这种方式有利于进一步提高溶质的吸收率，并且能最大化的减少自手机的损耗用量。因此，无论从效率角度还是从经济角度讲采用逆流比采用并流要合适。通过一系列资料、文献以及操作条件，我们可以计算出泛点气速、空塔气速、塔径、塔的横截面积，进一步计算出传质单元高度、传质单元数，最终计算出填料吸收塔的高度。英文摘要：Principles of chemical engineering course design is the teaching of the principles of chemical engineering is a comprehensive and practical teaching link, is the bridge of theory with practice, which is to enable students to observe actual engineering problem complexity, learning basic knowledge of chemical engineering design first try. The packing of the process of the water absorption of ammonia absorption tower design can make the students comprehensive ability to further strengthen, exercise the students in their daily life and in the later work study ability to consult relevant scientific literature, further develop the students ability of design, calculation ability, expression ability, and cultivate the students consciousness of environmental protection, energy saving consciousness. Packed tower absorption in the field of chemical industry, not only in general concentration and low concentration of industrial purification also plays an indelible role. A countless number of engineering practice shows that reasonable system technological process and filler in absorption tower design can fully guarantee of purification effect. This design is to packing of polypropylene ladder ring is applied to the water absorption of ammonia absorption tower design. Under the same conditions, using the counter-current mode and flow can maximize the average driver, which can obtain a greater absorption efficiency. In addition, as a result of the sorbet in the process of using counter-current flow and the flow of gas is opposite, so this way is conducive to further improve the solute absorption rate, and can maximize reduce the wastage of the mobile phone usage. Therefore, no matter from the Angle of efficiency or from an economic point of view adopted more suitable than the adoption and flow upstream. Through a series of data, literature, and operating conditions, we can calculate the flood point gas velocity, superficial gas velocity, column diameter, cross-sectional area of the tower, and further calculate the mass transfer unit height, mass transfer unit number, finally calculate the packing the height of the absorption tower.目 录第 一章设计任务及设计方案3第 二章吸收塔的工艺计算7第三章结尾11参考文献12附录12第一章 设计任务及设计方案（一）.设计任务： 本次课程设计的任务是用清水吸收空气-氨气中的氨气，填料塔外面混合气体的流量是4000m3/h，混合气中氨的含量是6%（体积分数，下同），塔顶排放气体中含氨量低于0.02%。塔内的操作条件是常压、20,填料选用的是聚丙烯阶梯环，其规格为50251.5,、公称直径50。20时氨在水中的溶解度系数H=0.725kmol/(mkPa）（二）.设计方案简介：装置流程的确定本次设计采用逆流操作：气相自塔底进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出，即逆流操作。1.逆流操作的特点是：传质平均推动力大，传质速率快，分离效率高，吸收剂利用率高。工业生产中多采用逆流操作。2.吸收剂的选择吸收剂又叫溶剂，吸收过程是依靠气体在吸收剂中的溶解来实现的，因此，选择良好的吸收剂是吸收过程的重要一环。选择吸收剂的基本要求:（1）. 吸收剂应具有较大溶解度，以提高吸收速率减少吸收剂用量，降低输送与再生的能耗。（2）. 选择性好，吸收剂对混合气体的溶质要有良好的吸收能力，而对其它组分不吸收或吸收甚微。以提高吸收速率，减小吸收剂用量。（3）. 操作温度下吸收剂的蒸汽压要低，以为离开吸收设备的气体往往被吸收剂所饱和，吸收剂的挥发度愈大，则在吸收和再生过程中吸收剂损失愈大。（4）. 粘度要低，以利于传质与输送；有利于气液接触，提高吸收速率。（5）. 具有较好的化学稳定性及热稳定性，以减少吸收剂的降解和变质，尤其在使用化学吸收剂时。（6）. 其它，所选用的吸收剂还应满足无毒性，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。一般来说，任何一种吸收剂都难以满足以上所有要求，选用时应该针对具体情况和主要矛盾，既考虑工艺要求又兼顾到经济的合理性。因为用水做吸收剂，故采用纯溶剂。填料的选择3 填料层填料塔内充以某种特定形状的固体填料以构成填料层。填料层是塔实现气、液接触的主要部位。填料的主要作用是：填料层内空隙体积所占比例很大，填料间隙形成不规则的弯曲通道，气体通过时可达到很高的湍动程度；单位体积填料层内提供很大的固体表面，液体分布于填料表面呈膜状流下，增大了气、液之间的接触面积。填料的选择包括确定填料的种类、规格及材质等。所选填料既要满足生产工艺的要求，又要使设备投资和操作费用最低。3.1 填料种类的选择填料的选择包括确定填料的种类、规格及材质等。所选择填料既要满足生产工艺的要求，又要使设备投资和操作费用较低。填料种类的选择要考虑分离工艺的要求，通常考虑以下几个方面：(1)传质效率要高 一般而言，规整填料的传质效率高于散装填料(2)通量要大 在保证具有较高传质效率的前提下，应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料(3)填料层的压降要低(4)填料抗污堵性能强，拆装、检修方便3.2 填料规格的选择填料规格是指填料的公称尺寸或比表面积。（1）散装填料规格的选择 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，通量减少，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，使塔的分离效率降低。因此，对塔径与填料尺寸的比值要有一规定，一般塔径与填料公称直径的比值D/d应大于8。（2）规整填料规格的选择 工业上常用规整填料的型号和规格的表示方法很多，国内习惯用比表面积表示，主要有125、150、250、350、500、700等几种规格，同种类型的规整填料，其比表面积越大，传质效率越高，但阻力增加，通量减少，填料费用也明显增加。选用时应从分离要求、通量要求、场地条件、物料性质及设备投资、操作费用等方面综合考虑，使所选填料既能满足技术要求，又具有经济合理性。应予指出，一座填料塔可以选用同种类型，同一规格的填料，也可选用同种类型不同规格的填料；可以选用同种类型的填料，也可以选用不同类型的填料；有的塔段可选用规整填料，而有的塔段可选用散装填料。设计时应灵活掌握，根据技术经济统一的原则来选择填料的规格。3.3填料材质的选择本次选择的是聚丙烯阶梯环填料填料的阶梯环结构与鲍尔环填料相似，环壁上开有长方形小孔，环内有两层交错 45的十字形叶片，环的高度为直径的一半，环的一端成喇叭口形状的翻边。这样的结构使得阶梯环填料的性能在鲍尔环的基础上又有提高，其生产能力可提高约10%，压降则可降低25%，且由于填料间呈多点接触，床层均匀，较好地避免了沟流现象。阶梯环一般由塑料和金属制成，由于其性能优于其它侧壁上开孔的填料，因此获得广泛的应用。 第二章 吸收塔的工艺计算（一）、液相物性数据 =3.6144kg/(mh) （二）.气相物性数据 混合气体平均密度： 空气黏度： 273K，101.3Kpa.氨气在空气中扩散系数： （三）.物料衡算，确定塔顶、塔底的气液流量和组成20，101.3Kpa下氨气在水中的溶解度系数 进塔气相摩尔比：出塔气相摩尔比：对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成：进塔前混合气体流量G=4000m/h 进塔后惰性气体流量： 体积流量G=4035.307m/h 吸收过程属于底浓度吸收，平衡关系为直线，最小气液比可按下式计算： 取操作气掖比为最小气液比的1.5倍，可得吸收剂用量为：物质的量流量L = 338071.111kmol/h液相质量流量气相质量流量根据全塔物料衡算式:G(Y1 Y2) = L(X1 X2)最小液气比：（四）、塔径的计算1.塔径的计算采用贝恩-霍夫泛点关联式: 取泛点率为0.8 即 0.878.406m/s=61.125m/s气体体积流量塔径2.填料规格校核根据要求应选择环形填料中的聚丙烯阶梯环.由于所选用的塔径为9.4267m,又根据填料与塔径的对应关系及实际操作要求,区尺寸为38的塑料阶梯环,此填料规格如下:公称直径:50mm, 孔隙率:0.927比表面积a:114.2 填料因子:143 所以有D/d = 9.4267/0.05=188.5,即符合要求.见下图：3.液体喷淋密度校核最小的喷淋密度 t=72= 0.08 * 72 = 5.76 m3/(m2*h) = 155.801 * 18/(998.2*0.785*0.72) = 7.304m3/(m2*h)故满足最小喷淋密度的要求4.填料层高度计算4.1传质单元高度计算273K，101.3kpa下，氨气在空气中的扩散系数.由,则293K，101.3kpa下，氨气在空气中的扩散系数293K，101.3kpa下，氨气在水中的扩散系数 (查化工原理附录)Y1* = mX1 = 0.754 * 0.0685 = 0.051649气相总传质单元数为：气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：液体质量通量为:UL= WL/(0.785*D2)=2.495kg/(m/h)气体质量通量为：UV=263717.567kg/(m/h)故 = 0.001703137所以0.19449m/m气膜吸收系数： = 0.006772124液膜吸收系数= 1.088529查表得=1.45 故=0.0067721240.19449=0.001982106=1.0885290.19449=39.0240.80.5以下公式为修正计算公式： = 0.005472064 = 0.290809442则 （H为溶解度系数）= 0.005332281塔的横截面积=69.7925m由 =4.435m4.2填料层高度的计算由 Z = HOGNOG =4.4355.76758=25.582m取上下活动系数为1.5故 Z= 1.5Z = 1.525.582 = 38.373m故取填料层高度为38.373m.5 填料层压降的计算 填料层压降:气体通过填料层的压降采用Eckert关联图计算,其中横坐标为：=31.76 由Eckert图可知压降无法查出第三章结尾这次化工原理课程设计题目是水吸收氨填料吸收塔的设计。填料塔是以塔内装有大量的填料为相接触构件的气液传质设备。填料塔的结构较简单，压降低，填料易用耐腐蚀材料制造等优点。本设计中，当采用Eckert通用关联图计算泛点气速的时候误差很大，同时参考了其他的一些资料上的算法发现也有用贝恩（Bain）霍根（Hougen）关联式计算泛点气速的，所以最后采用了关联式来计算泛点速度。 在填料的选择中，经过仔细斟酌之后发现DN50计算得的结果比比较好。虽然在同类填料中，尺寸越小的，分离效率越高，但它的阻力将增加，通量减小，填料费用也增加很多。用DN38计算所得的D/d值也符合阶梯环的推荐值。本设计所设计的填料塔产能大，分离效率高