环境工程原理课程设计--清水吸收氨过程填料吸收塔设计

1、环境工程原理课程设计清水吸收氨过程填料吸收塔设计目录一、前言3二、设计任务41、设计题目：清水吸收氨过程填料吸收塔设计42、设计条件43、设计内容5三、设计方案51、吸收剂的选择52、流程图及流程说明53、塔填料选择6四、基本参数61、液相物性数据62、气相物性数据63、气相平衡数据64、填料的主要参数7五、工艺计算71、物料衡算72、塔径计算83、液体喷淋密度校核94、填料层高度计算95、填料层压降计算11六、塔内件131、液体分布装置132、液体再分布装置133、填料支撑装置14七、设计结果表14八、对设计成果的评价及讨论15九、参考文献15一、前言塔设备是炼油、化工、石油化工等生产中广泛

2、应用的气液传质设备。在炼油、 石油化工、精细化工、食品、医药及环保等部门，塔设备属于使用量大应用面广 的重要单元设备。在化学工业中，经常需要将气体混合物中的各个组分加以分离, 其主要LI的是回收气体混合物中的有用物质，以制取产品，或除去工艺气体中的 有害成分，使气体净化，以便进一步加工处理，或除去工业放空尾气中的有害成 分，以免污染空气。吸收操作是气体混合物分离方法之一，它是根据混合物中各 组分在某一种溶剂中溶解度不同而达到分离的目的。塔设备按其结构形式基本上可分为两类；板式塔和填料塔。以前在工业生产 中，当处理量大时多用板式塔，处理量小时釆用填料塔。近年来由于填料塔结构 的改进，新型的、高负

3、荷填料的开发，既提高了塔的通过能力和分离效能乂保持 了压降小、性能稳定等特点。因此，填料塔已经被推广到大型气、液操作中，在 某些场合还代替了传统的板式塔。如今，直径儿米棋至儿十米的大型填料塔在工 业上已非罕见。随着对填料塔的研究和开发，性能优良的填料塔必将大量用于工 业生产中。氨是化工生产中极为重要的生产原料，但是其强烈的刺激性气味对于人体健 康和大气环境都会造成破坏和污染，氨对接触的皮肤组织都有腐蚀和刺激作用， 可以吸收皮肤组织中的水分，使组织蛋白变性，并使组织脂肪皂化，破坏细胞膜 结构。氨的溶解度极高，所以主要对动物或人体的上呼吸道有刺激和腐蚀作用， 常被吸附在皮肤粘膜和眼结膜上，从而产生

4、刺激和炎症。可麻痹呼吸道纤毛和损 害粘膜上皮组织，使病原微生物易于侵入，减弱人体对疾病的抵抗力。氨通常以 气体形式吸入人体，氨被吸入肺后容易通过肺泡进入血液，与血红蛋口结合，破 坏运氧功能。进入肺泡内的氨，少部分为二氧化碳所中和，余下被吸收至血液， 少量的氨可随汗液、尿液或呼吸排出体外。短期内吸入大量氨气后会出现流泪、咽痛、咳嗽、胸闷、呼吸困难、头晕、 呕吐、乏力等。若吸入的氨气过多，导致血液中氨浓度过高，就会通过三义神经 末梢的反射作用而引起心脏的停搏和呼吸停止，危及生命。长期接触氨气，部分人可能会出现皮肤色素沉积或手指溃疡等症状：氨气被 呼入肺后容易通过肺泡进入血液，与血红蛋口结合，破坏运

5、氧功能。短期内吸入 大量氨气后可出现流泪、咽痛、声音嘶哑、咳嗽、痰带血丝、胸闷、呼吸困难， 可伴有头晕、头痛、恶心、呕吐、乏力等，严重者可发生肺水肿、成人呼吸窘迫 综合症，同时可能发生呼吸道刺激症状。因此，吸收空气中的氨，防止氨超标具 有重要意义。因此，为了避免化学工业产生的大量的含有氨气的工业尾气直接排入大气而 造成空气污染，需要采用一定方法对于工业尾气中的氨气进行吸收，本次课程设 讣的U的是根据设计要求釆用填料吸收塔吸收的方法来净化含有氨气的丄业尾 气，使其达到排放标准。设计采用填料塔进行吸收操作是因为填料可以提供巨大 的气液传质面积而且填料表面具有良好的湍流状况，从而使吸收过程易于进行，

6、 而且，填料塔还具有结构简单、压降低、填料易用耐腐蚀材料制造等优点，从而 可以使吸收操作过程节省大量人力和物力。利用混合气体中各组分在同一种液体（溶剂）中溶解度差异而实现组分分离 的过程称为气体吸收气体吸收是一种重要的分离操作，它在化匸生产中主要用来 达到以下儿种的。（1）分离混合气体以获得一定的组分。（2）除去有害组分以净 化气体。（3）制备某种气体的溶液。一个完整的吸收分离过程，包括吸收和解吸 两个部分。典型过程有单塔和多塔、逆流和并流、加压和减压等。二、设计任务1、设计题目：清水吸收氨过程填料吸收塔设计2、设计条件 、气体混合物成分：空气和氨； 、氨的含量：4.5% （体积）； 、混合气

7、体流量：3019m3/h 、操作温度：293K： 、混合气体压力：101.3KP&： 、回收率：99.5%。3、设计内容 、确定吸收流程； 、物料衡算，确定塔顶、塔底的气液流量和组成； 、选择填料、计算塔径、填料层高度、填料的分层、塔高的确定。 、流体力学特性的校核：液气速度的求取，喷淋密度的校核，填料层压降AP 的计算。 、附属装置的选择与确定：液体喷淋装置、液体再分布器、气体进出口及液体 进出口装置、栅板。三、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设计采用逆流方式。

8、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山塔顶排除，吸收了氨气的水山填料塔的下端流 出。（如右图）3、塔填料选择选用散装填料，DN38mm聚丙烯阶梯环塔填料。四、基本参数1、液相物性数据对低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。山手册查得，20C水的有关物性数据如下：密度为P =998. 2 kg/m3粘度为 u L二 1. 005mPa S=3. 6 kg/ (m h)表面张力为oL二72. 6 dyn/cm二940896 kg/h2NH3在水中的扩散系数为DL=1. 80X10

9、-9 m2/s2、气相物性数据混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得20C空气的粘度为：Uv=l. 81X10-5 Pa S=0. 065 kg/(m h)已知在0C, 101.3kpa下，NH3在空气中的扩散系A = 0.20cm2/5p 7.由=无尸，则2935 101. 3切d下，册3在空气中的扩散系数为ini 3 293 D _=0.20x(1)()L75 =0.22&”f/s c101.3 2733、气相平衡数据20C时NH3在水中的溶解度系数为H二0. 725 kmol/(m3kPa)常压下20C时NH3在水中的亨利系数为E二76. 41kPa相平衡常数为沪0754对于纯溶剂

10、吸收过程，进塔液相组成为：*2=（清水）、吸收剂用量qvc = 3019m3/h A qnC = 37.44mol/sQnL = (l.l2.0)qnLminQnlmin=28.13mol/s取实际液气比为最小液气比的1. 5倍，则吸收剂的用量为:QnL = l-SqnLmtn =42.20mol/s塔底输出液相摩尔比：XI =皿(Y1 Y2)+X2 = 0.041492、塔径计算混合气体的密度PM _ 101 3x 10x 28.46x10-38.315x293= 1.183g/F水的密度P = 998.2kg/m3采用贝恩-霍根泛点关联式计算泛点速度:g E:Pl= 0.204z 151.

11、92x18183飞 1.75x()4 x()s3019x1.183998.2igA z42l= -0.5011出咨疋2 =0.3154Pl|03304x981x09Fx998132.5x1.183x1.0042=3.366/77/5取泛点率为0. 5,即空塔气速u = 0.5uf =0.6x3.366 = 1.683/?/5D =I 4x30193.14x1.683x3600=0.7967?/s圆整后取D = 0.8/7/D_800= 21.05 8填料规格校核:3、液体喷淋密度校核最小润湿速率是指在塔的截面上，单位长度的填料周边的最小液体体积流 量。其值可由经验公式计算（见有关填料手册），也

12、可采用一些经验值。对于直径 不超过75 mm的散装填料，可取最小润湿速率（LW） min为0. 08 m3/（m h）；对 于直径大于75 mm的散装填料，取（LW） min二0. 12 m3/（m h）。取最小润湿速率为：（4）込=12肿/（加防a, =132.5/2/F所以min =（厶V）min at = X 132.5 = 15.9d /（厂 A）0.785-)151.92x18x998.20.785x0.82-= 5.43xl06m3/(m2-A)min通过以上校核可知，填料塔直径选用D = 0.Sm合理。4. 填料层高度计算查表知，0C , 101.3如下，“比在空气中的扩散系数D

13、o =OAlcnr/sp T LDG=D（-y由尸，则293 k ,101.3灯加下，“比在空气中的扩散系数为几=2(101.3 293101 3 273)2 = 0.189 cmI 2 */5液相扩散系数Q=l80xl0S= 151.92x1* =7iO88&g/(/2) 液体质量通量为0.785x0&气体质量通量为3019x1.1830.785x0.82= 54429%g/(加 2 町查表知,所以,=1 -exp-1.45x(x(427680严 %9408967108.82998.2x940896x132.5710&87108.82 x132.5132.5x3.6 X 998.22 xl.

14、27xl0s)02 ) = 0.1333-0.05气相总传质单元数为：Y-Y2）-皿-祇2）265加气膜吸收系数山下式计算： 心=0.237(生严.(存)1(兽)0.065从 PvDv RT5442.99、o.7、，0.065二 /132.5x0.189x3600xl(T6.g PlPCS PS6% = 33dyn/cm = 427680 kg/h28.314x293U 上。/ X () X (;) X (132.5x0.0651.183x0.189xl0-4x3600=0.0899k加/? kpa)液膜吸收系数由下式计算：x 严 XEXIO*998.2Kt = 0.0095（ Ul ）j （

15、隹一）方（Zk_）3 a J PlPl Dl Pl= 0.0095x（巴兰卢 x（迸）0.2929 x 132.5 x3.699&2 xl.80xl09 x 3600= 1.2989查表得：0 = 1巧KGa =心 aw 0=0.0899x0.1333x 132.5 x 1.4511 = 2.390匕加/（F h kpa）则 KLa = KL-awM=1.2989x 0.1333x132.5 x 1.45 4= 26.6181 11KGa H KLa=2.1277kmol/（m s h kpci）12.3900.725x26.618VKyd-Q.V158.8951） SPG 2.1277x10

16、L3x0.785x0.8-914OG 八 OGZ = H： N八八=0.914 x 12.65 = 11.5621 m设计取填料层高度为：Z = 12/“=8 15,/?nvt 6m 查表：对于阶梯环填料，D 将填料层分为两段设置，每段6叫 两段间设置一个液体再分布器。5、填料层压降计算采用Eckert通用关联图讣算填料层圧降贺色严=151,92x18 x（LJ51）0 5 = 0.0264 横坐标为：叭 Pl 3019 x1.183998.2已知: p = 116/rz迤色.疋26好小6 X 1 X竺X1.004。2 =0.040 纵坐标为：s Pl981998.2=490pa/m查图得，Z

17、填料层压降为：AP = 45126 x 12pa = 5Alkpa!.OC.o.ei0_20.1Q00.WO.(W0g0.0! 0 .0X8 二0_0&6 三O OM 一O.OC2 LO.MJ t 0.01o.on 4 06iIBIiiok埃克特通用关联图六、塔内件1、液体分布装置 、液体分布器的选型：多孔环管式分布器：由多孔圆形盘管、联接管及中央进料管组成。这种分布 器气体阻力小，特别使用于液量小而气量大的填料吸收塔。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。近年来的实践表明，大直径填料塔的放大问题主要是保证液体初始分布均 匀，若能保证单位塔截面的喷淋点数LI与小塔相

18、同，大型填料塔的传质效率将不 会低于小型塔。液体分布装置的安装位置，须高于填料层表面200mm,以提供足够的自山空 间，让上升气流不受约束地穿过分布器。根据氨气易洛解的性质，可选用口询应 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山水平主管一侧引入，通过支管上的小 孔向填料层喷淋。排管式喷淋器采用塑料制造。 、分布点数量计算：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，不可能将喷淋点设讣得很多。根据Ecke

19、rt建议，Da8OO曲时, 每60c塔截面设一个喷淋点。则总布液孔数为：= 83.7840.785 xO.82n =60x10“2、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。为减小壁流现象, 当填料层较高时需进行分段，故需设置液体收集及再分布装置。最简单的液体再分布装置为截锥式再分布器。截锥式再分布器结构简单，安 装方便，但它只起到将壁流向中心汇集的作用，无液体再分布的功能，一般用于 直径小于0.6m的塔中。在通常情况下，一般将液

20、体收集器及液体分布器同时使用，构成液体收集及 再分布装置。液体收集器的作用是将上层填料流下的液体收集，然后送至液体分 布器进行液体再分布。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-一6.3、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 山截面较大、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。山于采用的是的填料，所以可用的十字