化工原理 水吸收氨填料塔设计

1、 广东石油化工学院 化工原理课程设计题 目 : 水吸收氨填料塔的设计 指导教师 : 李 燕 成绩 评阅教师 目 录第一节前言51.1填料塔的主体结构与特点51.2填料塔的设计任务及步骤51.3填料塔设计条件及操作条件5第二节 填料塔主体设计方案的确定62.1装置流程的确定62.2 吸收剂的选择62.3填料的类型与选择62.3.1 填料种类的选择62.3.2 填料规格的选择62.3.3 填料材质的选择72.4 基础物性数据72.4.1 液相物性数据72.4.2 气相物性数据72.4.3 气液相平衡数据82.4.4 物料横算8第三节 填料塔工艺尺寸的计算93.1 塔径的计算93.2 填料层高度的计

2、算及分段103.2.1 传质单元数的计算103.2.3 填料层的分段123.3 填料层压降的计算12第四节填料塔内件的类型及设计134.1 塔内件类型134.2 塔内件的设计134.2.1 液体分布器设计的基本要求：134.2.2 液体分布器布液能力的计算13注：1填料塔设计结果一览表142 填料塔设计数据一览143 参考文献164 对本设计的评述或有关问题的分析讨论16第一节 前言1.1 填料塔的主体结构与特点结构：图1-1 填料塔结构图填料塔不但结构简单，且流体通过填料层的压降较小，易于用耐腐蚀材料制造，所以她特别适用于处理量肖，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

3、于填料顶部，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。因气液两相组成沿塔高连续变化，所以填料塔属连续接触式的气液传质设备。1.2 填料塔的设计任务及步骤设计任务：用水吸收空气中混有的氨气。 设计步骤：（1）根据设计任务和工艺要求，确定设计方案;（2）针对物系及分离要求，选择适宜填料；（3）确定塔径、填料层高度等工艺尺寸（考虑喷淋密度）；（4）计算塔高、及填料层的压降；（5）塔内件设计。1.3 填料塔设计条件及操作条件1. 气体混合物成分：空气和氨2. 空气中氨的含量: 5.0% （体积含量即为摩尔含量）3. 混合气体流量2547m3/h

4、4. 操作温度293K5. 混合气体压力101.3KPa6. 回收率99.98%7. 采用清水为吸收剂8. 填料类型：采用聚丙烯鲍尔环填料第二节 精馏塔主体设计方案的确定2.1 装置流程的确定本次设计采用逆流操作：气相自塔低进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出，即逆流操作。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。2.2 吸收剂的选择因为用水做吸收剂，故采用纯溶剂。2-1 工业常用吸收剂溶质 溶剂溶质溶剂氨水、硫酸丙酮蒸汽水氯化氢水二氧化碳水、碱液二氧化硫水硫化氢碱液、有机溶剂苯蒸汽煤油、洗油一氧化碳铜氨液2.3填料的类型与选择填

5、料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。2.3.1 填料种类的选择本次采用散装填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。鲍尔环是目前应用较广的填料之一，本次选用鲍尔环。2.3.2 填料规格的选择工业塔常用的散装填料主要有Dn16Dn25Dn38 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，通量减小，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。常用填料的塔径与填料公称直径比值D/d的推荐值列于。表3-1填料

6、种类D/d的推荐值拉西环D/d2030鞍环D/d15鲍尔环D/d1015阶梯环D/d>8环矩鞍D/d>82.3.3 填料材质的选择工业上，填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类聚丙烯填料在低温（低于0度）时具有冷脆性，在低于0度的条件下使用要慎重，可选耐低温性能良好的聚氯乙烯填料。综合以上：选择塑料鲍尔环散装填料 Dn502.4 基础物性数据2.4.1 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。由手册查得 20 水的有关物性数据如下：1. 2. 3. 表面张力为:4. 5. 6. 2.4.2 气相物性数据1. 混合气体的平均摩尔质量为 (2-1)2. 混合气

7、体的平均密度由 (2-2)R=8.314 3. 混合气体黏度可近似取为空气黏度。查手册得20时，空气的黏度注： 1 1Pa.s=1kg/m.s2.4.3 气液相平衡数据由手册查得，常压下，20时，NH在水中的亨利系数为 E=76.3kpa在水中的溶解度: H=0.725kmol/m相平衡常数： (2-3) 溶解度系数: (2-4) 2.4.4 物料横算1. 进塔气相摩尔比为 (2-5) 2. 出塔气相摩尔比为 (2-6) 3. 进塔惰性气体流量:. (2-7) 因为该吸收过程为低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比按下式计算。即： (2-8)因为是纯溶剂吸收过程，进塔液相组成所以 选择操作液气

8、比为 （2-9）L=1.27984×100.138=128.1610297kmol/h因为V(Y1-Y2)=L(X1-X2) X1第三节 填料塔工艺尺寸的计算填料塔工艺尺寸的计算包括塔径的计算、填料能高度的计算及分段3.1 塔径的计算1. 空塔气速的确定泛点气速法对于散装填料，其泛点率的经验值u/u=0.50.85贝恩（Bain）霍根（Hougen）关联式 ，即：=A-K （3-1）即： 所以：其中：泛点气速，m/s;g 重力加速度，9.81m/sWL=2306.898535/h WV=3002.6kg/hA=0.0942； K=1.75；取u=0.7 （3-2） 圆整塔径后 D=0

9、.6m1. 泛点速率校核： 则在允许范围内2. 根据填料规格校核：D/d=600/50=12根据表3-1符合3. 液体喷淋密度的校核：(1) 填料塔的液体喷淋密度是指单位时间、单位塔截面上液体的喷淋量。(2) 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。对于直径不超过75mm的散装填料，可取最小润湿速率。 （3-3） （3-4）经过以上校验，填料塔直径设计为D=600mm 合理。3.2 填料层高度的计算及分段 （3-5） （3-6） 3.2.1 传质单元数的计算用对数平均推动力法求传质单元数 （3-7） （3-8） = =0.0031263.2.2 质单元高度的计算气相

10、总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算： （3-9）即：w/t =0.34369529液体质量通量为： =/0.785×0.6×0.6=8172.193047kg/(h)气体质量通量为： =2547×1.1787/0.36=8339.3025kg/(h)气膜吸收系数由下式计算： （3-10） =0.237(10623.3159÷100×0.062280.06228÷1.1787÷0.081(100×0.081÷8.314÷293)=0.1250394926kmol/(h kpa)液膜吸收数据由下

11、式计算： (3-11）=0.53980137m/h因为0.12503×0.343695××100 （3-12）=6.46684742kmol/(m3 h kpa) =0.539801×100×0.34369529× （3-13） =21.52556kmol/h因为： =0.6324所以需要用以下式进行校正： （3-14） =19.5(0.63240.5 6.46684=10.089773kmol/(m3 h kpa) （3-15） =1 2.6 (0.63240.521.52556=22.18031884/h （3-16） =1

12、47;(1÷10.089773+1÷0.726÷22.18031884) =6.203057 kmol/(m3 h kpa) （3-17） =100.138÷6.203057÷101.3÷0.36÷0.785=0.56291m （3-18）=0.56291×18.53617054=10.45277m,得 =1.2×10.45277=12.548m设计取填料层高度为=13m3.2.3 填料层的分段对于鲍尔环散装填料的分段高度推荐值为h/D=510。h=5×60010×600=36 m计算

13、得填料层高度为13000mm，故需分段3.3 填料层压降的计算取 Eckert (通用压降关联图)；将操作气速(2.8886m/s) 代替纵坐标中的查表，DG50mm塑料鲍尔环的压降填料因子125代替纵坐标中的则纵标值为：=0.1255 (3-19) 横坐标为：0.0264 (3-20)查图得 981Pa/m (3-21)全塔填料层压降 =981×13=12753Pa至此，吸收塔的物科衡算、塔径、填料层高度及填料层压降均已算出。第四节 填料塔内件的类型及设计4.1 塔内件类型填料塔的内件主要有填料支撑装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体收集再分布装置等。合理的选择和设计塔内件，对保

14、证填料塔的正常操作及优良的传质性能十分重要。4.2 塔内件的设计 4.2.1 液体分布器设计的基本要求： （1）液体分布均匀 （2）操作弹性大 （3）自由截面积大（4）其他4.2.2 液体分布器布液能力的计算 （1）重力型液体分布器布液能力计算 （2）压力型液体分布器布液能力计算注：(1)本设计任务液相负荷不大，可选用排管式液体分布器；且填料层不高，可不设液体再分布器。 (2)塔径及液体负荷不大，可采用较简单的栅板型支承板及压板。其它塔附件及气液出口装置计算与选择此处从略。 注：1填料塔设计结果一览表塔径0.6m填料层高度13m 填料规格50mm鲍尔环操作液气比1.2798 1.7倍最小液气比

15、校正液体流速2.77913/s压降12753 Pa惰性气体流量100.138kmol/h2 填料塔设计数据一览E亨利系数， 气体的粘度，1.73=6228 平衡常数 0.7532 水的密度和液体的密度之比 1 重力加速度， 9.81 =1.27 分别为气体和液体的密度，1.1787；998.2； =2306.898535/h =3002.6kg/h分别为气体和液体的质量流量气相总体积传质系数， 填料层高度，13 塔截面积，=0.785×=0.2826气相总传质单元高度，0.56391 气相总传质单元数,18.5362以分压差表示推动力的总传质系数，0.12503单位体积填料的润湿面积

16、,0.34369 100 91.7%以分压差表示推动力的气膜传质系数，溶解度系数，0.725以摩尔浓度差表示推动力的液摩尔传质系数，0.5398气体常数，氨气在空气中中的扩散系数及氨气在水中的扩散系数; 液体质量通量为： =/0.785×0.6×0.6=8172.193047kg/(h)气体质量通量为： =2547×1.1787/0.36=8339.3025kg/(h)3 参考文献1 夏清.化工原理（下）M. 天津:天津大学出版社, 2005.2 贾绍义,柴诚敬. 化工原理课程设计M. 天津:天津大学出版社, 2002.3 华南理工大学化工原理教研室著化工过程及设备设计M广州: 华南理工大学出版社, 1986.4 周军.张秋利 化工AutoCAD制图应用基础 。北京. 化学工业出版社。4、对本设计的评述或