水吸收氨气填料塔设计样本

1、成绩东南大学成贤学院课程设计报告题目填料吸收塔的设计课程名称化工原理课程设计专业制药工程班级学生姓名学号设计地点东南大学成贤学院指导教师设计起止时间：20212021 年 8 8 月 2828 日至 20212021 年 9 9 月 1414 日目录课程任务设计书3第一节吸收塔简介 41.1吸收技术概况41.2吸收设备-填料塔概况41.3典型的吸收过程5第二节填料塔主体设计方案确实定62.1装置流程确实定62.2吸收剂的选择62.3填料的类型与选择72.3.1填料种类的选择72.3.2填料规格的选择82.3.3填料材质的选择8第三节填料塔工艺尺寸的计算103.1根底物性数据103.1.1液相物

2、性数据103.1.2气相物性数据103.1.3气液相平衡数据103.2物料衡算及校核113.2.1水吸收氨气平衡关系113.2.2绘制X-Y图113.2.3物料衡算163.3塔径的计算及校核183.3.1塔径的计算183.3.2塔径的校核203.4填料层高度的计算及分段203.4.1填料层高度的计算203.4.2填料层的分段233.5填料层压区箪的计算23第四节其他辅助设备的计算与选择244.1吸收塔的主要接管尺寸计算244.2气体进出口的压降计算244.3离心泵的选择与计算24附件一：1.计算结果汇总262.主要符号及说明273.参考文献284 .个人小结28附件二：1.填料塔设备图302.

3、塔设备流程图313.埃克特通用压降关联图324 .X-Y关系图见计算过程化工原理课程设计任务书一、设计工程水吸收氨气的填料吸收塔二、设计条件1 1、混合气体流量 24002400m m3标/h./h.2 2、混合气体组分含氨 15%15%, ,空气 8585% %体积比4 4、吸收率 94%94%5 5、吸收剂温度 2020C C6 6、操作压强 1 1atmatm三、设计内容1 1、确定操作流程,绘制流程图2 2、选择吸收剂、填料3 3、确定吸收平衡关系,绘制 X-YX-Y 图、进行物料衡算4 4、计算塔径、填料层高度5 5、填料层压降核算、喷淋密度计算6 6、附属设备选型和计算7 7、绘制

4、设备图第一节吸收技术简介3 3、混合气体温度40401.1 吸收技术概况在化学工业中,经常需要将气体混合物中的各个组分加以别离,其主要目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别离方法之一,它是根据混合物中各组分在某一种溶剂中溶解度不同而到达别离的目的.吸收操作广泛地用于气体混合物的别离,其在工业上的具体应用大致有以下几种:1原料气的净化.为出去原料气中所含的杂质,吸收可说是最常见的方法.就杂质的浓度来说,多数很底,但由于危害大而仍要求高的净化率.例如用水或碱液脱除

5、合成氨原料气中的二氧化碳,用丙酮脱除裂解气中的乙快等.2有用组分的回收.如从合成氨厂的放空气中用水回收氨； 从焦炉煤气中以洗油回收粗苯 包括苯、甲苯、二甲苯等蒸气和从某写枯燥废气中回收有机溶剂蒸气等.3某些产品的制取.将气体中需用的成分以指定的溶剂吸收出来,成为溶液态的产或半成品.如制酸工业中从含盐酸、氮氧化物、三氧化硫的气体制取盐酸、硝酸、硫酸；在甲醇|乙醇蒸气经氧化后,用水吸收以制成甲醛乙醛半成品等.4废气的治理.很多工业废气中含有二氧化硫、氮氧化物主要是一氧化氮及二氧化氮、汞蒸气等有害成分虽然浓度一般很底,但对人体和环境的危害甚大而必须进行治理.这类环境保护问题在我国已愈来愈受重视.选择

6、适当的工艺和溶剂进行吸收,是废气治理中应用教广的方法.当然,以上目的有时也难于截然分开,如枯燥废气中的有机溶剂,能回收下来就很有价值,任其排放那么会然大气.1.2吸收设备-填料塔概况填料塔的塔身是一直立式圆筒,底部装有填料支承板,填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上.填料的上方安装填料压板,以防被上升气流吹动.液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上,并沿填料外表流下.气体从塔底送入,经气体分布装置小直径塔一般不设气体分布装置分布后,与液体呈逆流连续通过填料层的空隙,在填料外表上,气液两相密切接触进行传质.填料塔属于连续接触式气液传质设备,两相组成沿塔高连续变化,在正常操作状态下,气相为连续相,液相

7、为分散相.当液体沿填料层向下流动时,有逐渐向塔壁集中的趋势,使得塔壁附近的液流量逐渐增大,这种现象称为壁流.壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均,从而使传质效率下降.因此,当填料层较高时,需要进行分段,中间设置再分布装置.液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两局部,上层填料流下的液体经液体收集器收集后,送到液体再分布器,经重新分布后喷淋到下层填料上.该设计填料塔中,氨气和空气混合气体,经由填料塔的下侧进入填料塔中,与从填料塔顶流下的水逆流接触,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.填料塔的设备图见附录二1.3典型的吸收过程一个完整的吸收

8、别离过程,包括吸收和解吸两个局部.典型过程有单塔和多塔、逆流和并流、加压和减压等.以煤气脱苯为例：在炼焦及制取城市煤气的生产过程中,焦炉煤气内含有少量的苯、甲苯类低碳氢化合物的蒸汽约35g/m3应予以别离回收,所用的吸收溶剂为该工业生产过程中的副产物,即焦煤油的精制品称为洗油.回收苯系物质的流程包括吸收和解吸两个大局部.含苯煤气在常温下由底部进入吸收塔,洗油从塔顶淋入,塔内装有木栅等填充物.在煤气与洗油接触过程中,煤气中的苯蒸汽溶解于洗油,使塔顶离去的煤气苯含量降至某允许值2g/m3,而溶有较多苯系物质的洗油称富油由吸收塔底排出.为取出富油中的苯并使洗油能够再次使用称溶剂的再生,在另一个称为解

9、吸塔的设备中进行与吸收相反的操作-解吸.为此,可先将富油预热到170C左右由解吸塔顶淋下,塔底通入过热水蒸气.洗油中的苯在高温下逸出而被水蒸气带走,经冷凝分层将水除去,最终可得苯类液体粗苯,而脱除溶质的洗油称贫油经冷却后可作为吸收溶剂再次送入吸收塔循环使用.第二节填料塔的主体设计方案确实定2.1 流程说明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,别离效率高,吸收剂利用率高.工业生产中多采用逆流操作.填料塔的工艺流程图见附录二2.2 吸收剂的选择吸收过程是依靠气体溶质在吸收剂中的溶解来实现的,因此,吸收剂

10、性能的优劣,是决定吸收操作效果的关键之一,选择吸收剂时应着重考虑以下几方面:(1)溶解度吸收剂对溶质组分的溶解度要大,以提升吸收速率并减少吸收剂的用量.(2)选择性吸收剂对溶质组分要有良好的吸收水平,而对混合气体中其他组分不吸收或吸收甚微,否那么不能直接实现有效别离.(3)挥发度要低操作温度下吸收剂的蒸气压要低,以减少吸收和再生过程中吸收剂的挥发损失.(4)黏度吸收剂在操作温度下的黏度越低,其在塔内的流动性越好,有助于传质速率和传热速率的提升.(5)其他所选用的吸收剂应尽可能满足无毒性、无腐蚀性,不易燃易爆、不发泡、冰点低、价廉易得以及化学性质稳定等要求.氨是化工生产中极为重要的生产原料,但是

11、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,因此吸收空气中的氨,预防氨超标具有重要意义.为了预防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,本次课程设计的目的是根据设计要求采用填料吸收塔吸收的方法来净化含有氨气的工业尾气,使其到达排放标准.设计采填料塔进行吸收操作是由于填料可以提供巨大的气液传质面积而且填料外表具有良好的湍流状况,从而使吸收过程易于进行,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.吸收剂对溶质的组分要有良好地吸收水平,而对混合气体中

12、的其他组分不吸收,且挥发度要低.所以本课程设计选择用清水作吸收剂,氨气为吸收质.水廉价易得,物理化学性能稳定,选择性好,符合吸收过程对吸收剂的根本要求.且氨气不作为产品,故采用纯溶剂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 填料的类型与选择塔填料简称为填料是填料塔的核心构件,它提供了气、液两相相接触传质与传热的外表,其性能优劣是决定填料塔操作性能的主要因素.填料的比外表积越大,气液分布也就越均匀,传质效率也越高,它与塔内件一起决定了填料塔的性质.因此,填料的选择是填料塔设计的重要环节.2.3.1

13、填料种类的选择填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.本次采用散装填料.散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体,一般以随机的方式堆积在塔内,又称为乱堆填料或颗粒填料.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.拉西环鲍尔环阶梯环弧鞍形填料矩鞍形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根底上又有提升,其生产水平可提升约10%,压降那么可降低25%,且由于填料间呈多点接触,床层均匀,较好地预

14、防了沟流现象.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.因此本次设计选用阶梯环.2.3.2填料规格的选择工业塔常用的散装填料主要有Dn16Dn25Dn38Dn76等几种规格.同类填料,尺寸越小,别离效率越高,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,使塔的别离效率降低.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.填料种类D/d的推荐值拉四环D/d2030鞍环D/d15鲍尔环D/d1015阶梯环D/d8环矩鞍D/d82.3.3填料材质的选择工业上

15、,填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类.丙烯、聚乙烯及聚氯乙烯等,国内一般多采用聚丙烯材质好,可耐一般的无机酸、碱和有机溶剂的腐蚀.其耐温性良好,可长期在100c以下使用.综合以上：选用50mm聚丙烯阶梯环塔填料.其主要性能参数查表得：比外表积a：114.2m2/m3空隙率：0.927填料因子：89m1国内阶梯环特性数据见表2.1表2.1国内阶梯环特性数据材外径外径x高x厚比外表积空隙率个数堆积密度干填料因子填料因子质d,dxHXSat,n,个pp,at/m-1,m-1mmm2/m3m3/m3/m3kg/m3塑2525X17.5X1.42280.908150097.83132403838x19

16、x1132.50.912720057.5175.61205050 x30 x1.5114.20.927998076.8143.180料7676X37X389.950.929342068.411272第三节填料塔工艺尺寸的计算3.1 根底物性数据3.1.1液相数据.272.6dyn/cm940896kg/h3.1.2 气相数据1.混合气体的平均摩尔质量为:2.混合气体密度:3.混合气体黏度可近似取为空气黏度o1)水的密度:l998.2kg/m32)黏度：l0.001pa.s3.6kg/m.h4).20CNH3：H5)6)20CNH3:Dl.20CNH3:Dv0.725kmol/m3kpa7.34

17、106m2/h2.20.225cm/sm/h7).NH3的微分溶解热：34738J/mol查手册得40C空气黏度：v19.1610pa0.0688kg/mh3).外表张力:MVMyim0.150.170.852927.2kg/kmolPM101.32510327.2103vRT8.314313.15一一一 31.0586kg/m33.1.3 气液相平衡数据20C下氨在水中的溶解度系数H0.725kmol/(m3kpa)亨利系数EHMSEmP相平衡常数PQQp9L998.2HMSP0.72518.02101.3SE亨利系数H溶解度系数Ms相对摩尔质量m相对平衡常数3.2 物料衡算及校核3.2.1

18、 水吸收氨气平衡关系(4Xm)LJ)tntn1(xnxn1)CLtntn1一x(x0.003N0.005)CLCL水在塔温度tm=(塔顶+塔底)/2下的比热=(20+273.15+40+273.15)=303.15k=30C下的比热CL在300C下的4.174kJ/(kgk)=4.174*18=75.132kJ/kmolk=75.132J/molK:氨气的微分溶解热=34738J/mol水溶液的亨利系数-温度关联式0.754/2下的比热比热：查表得lgE=11.468-1922/T单位E:PaT:kx取值：0.005,也有固定值：一x=34748*0.0052.31246CL75.1323.2

19、.2 绘制 X-Y 图当x=0,x=0.005时,lgE=11.468-一1922一=4.9116273.1520mE0.8059ymx0当x=0.005时12tlx(20+273.15)+2.31246=295.46kCLlgE=11.468-1922=4.9629295.46E=91812.12pa=0.9062atmE3ym0.9062ymx4.5309*10Y-4.5515*10P1y、,Y“X一5.0226*10当x=0.01时t2x295.46+2.31246=297.77kCLmE,y*mxPy*1y*CLtEmyYxlgE=11.468-1922297.77=5.0134E=1

20、03133.56pa=1.0179atmE=81588.61pa=0.8059atmt3Eym-1.0179ymx0.0102Y-0.0103P1y、,YX0.0101当x=0.015时14t3x297.77+2.31246=300.0825k432YX一0.0152当x=0.02时t5t4一x300.0825+2.31246=302.39496k54CLYX0.0205当x=0.025时t6t5x302.39496+2.31246=304.7074kCLYX一0.0259lgE=11.468-1922=5.0631300.0825E=115637.85pa=1.1412atmm-1.1414

21、Pymx0.01710.0174lgE=11.468-1922=5.1121302.395E=129441.88pa=1.27743atmmE1.27743Pmx0.02554860.0262lgE=11.468-1922304.7074=5.16031E=144646.99pa=1.4275atmm-1.4275Pymx0.035690.03702当x=0.03时tyt6x304.7074+2.31246=307.0199kCL、,YX0.0434当x=0.045时t10t9一x311.645+2.31246=313.96k109CLlgE=11.468-1922307.0199=5.207

22、82E=161368.46pa=1.5925atmm-1.5925ymx0.0478YyP1y0.0502YX一0.03152当x=0.035时t8t7x307.0199+2.31246=309.33236kCLlgE=11.468-=5.25462309.33236m-1.7737ymx0.06208PYX一0.0373当x=0.04时E=179729.092pa=1.7737atm一0.0662t9t8x309.33236+2.31246=311.645k98CLlgE=11.468-1922311.645=5.300726E=199860.21pa=1.97237atmEm-1.9723

23、7ymx0.0788950.0857lgE=11.468-1922320.897=5.47855E=300987.04pa=2.9704atmm巨2.9704Pymx0.178220.2168Eym2.18985ymx0.0985Y0.1093P1yYX0.0499当x=0.05时t11t10一x313.96+2.31246=316.27246kCLlgE=11.468-=5.391E=246014.7997pa=2.4279316.27246Eym2.4279ymx0.1214Y0.1382P1yY-X0.0569当x=0.055时t12t11一x316.27246+2.31246=318.

24、585kCLlgE=11.468-1922=5.4351E=272315.05pa=2.68741318.585mE2.68741ymx0.14781Yy0.1734P1y、,YX-0.0645当x=0.06时t13t12-x318.585+2.31246=320.897kCLlgE=11.468-1922313.96=5.3462E=221897.045pa=2.18985atm0.0730此时yyi,y=0.1782,满足条件.计算结果列表xT/KE/atmm*yXY0293.150.80590.80590000.005295.4620.90620.90620.00453090.00502

25、260.00455150.010297.7741.01791.01790.01020.01010.01030.015300.0861.14141.14140.01710.01520.01740.020302.3981.27771.27770.025550.02050.02620.025304.711.42771.42770.03570.02590.037020.030307.0221.59271.59270.047780.031520.05020.035309.3341.77391.77390.06210.03730.06620.040311.4641.97261.97260.07890.04

26、340.08570.045313.9582.19002.19000.098550.04990.10930.050316.272.42772.42770.12140.05690.13820.055318.5822.68722.68720.14780.06450.17340.060320.8942.97012.97010.17820.07300.2168根据X,Y*绘出X-Y图X00.0050226Y00.00455150.01010.01520.02050.02590.03150.03730.04340.04990.05690.06450.0730.01030.01740.02620.0370.

27、05020.06220.08570.10930.13820.17040.21683.2.3 物料衡算1.进塔气相摩尔比为丫1亡蓝0.17652.出塔气相摩尔比为丫2Y(1A)0.173 .进塔惰性气体流量：273V240022.4(10.15)84.8549kmol/h(27320)4 .由X-Y图可知X与Y有如下函数关系：33.805x20.4665x0.17510其中Y=0.1765将Y=0.1765带入上述方程,解得符合条件的X值:bb24ac由于吸收剂的实际用量L=(1.12.0)Lmin,取L=1.2Lmin那么L=1.2Lmin=258.301kmol/h由全塔物料衡算有：V(Y1

28、Y2)L(X1X2)V(YY2)X1X20.0545Lx1-X0.051681X16.校核x0.0654即x1=0.0654VgY2)*X1X2215.25kmol/hLmin34748t底工顶+x200.0156844CCL75.132t t 底=320.894k=47.74Ct t 底t底3.745,故符合设计要求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3.3 塔径的计算及校核3.3.1塔径的计算1.混合气体的平均摩尔质量为；yim0.150.170.852927.2kg/kmol2.混合气体密度:3.采用埃克特泛点关联式计算泛点速度24001.05862540.59kg/h液

29、相质量流量可近似按纯水的流量计算,即:258.30118.024654.58kg/h23填料总比外表积：t114.2m/m7K的粘度：L1.005mpa|s(4)采用贝恩一一霍夫泛点关联式(D气体质量和流量MVMPM101.32510327.2103vRT8.314313.15一一一 31.0586kg/m3WL21418lguF雪上：=A-K也上gLWVLuf泛点气速,m/s;g重力加速度,9.81m/s2t填料总比外表积,m2/m3填料层空隙率m3/m333L998.2kg/m,Vo.kg/m,液相、气相的密度WL=4654.58kg/hWv=2540.59kg/h不同类型填料的A、K值,

30、装填料类型AK规整填料类型AK塑料鲍尔环0.09421.75金属阶梯环0.1061.75金属鲍尔环0.11.75瓷矩鞍0.1761.75塑料阶梯环0.2041.75金属环矩鞍0.062251.75A=0.204;K=1.75,0.927;将数据带入上述公式可得1418A-K汕=-0.6609WVL2所以：lg生卷-V2=-0.6609gLF4.0292m/s4.计算塔径：取泛点率为0.6,即0.62.4175m/s4Vs424003.142.41753600其中：D-塔径,m-空气气速,即按空塔截面积计算的混合气体线速度,m/s圆整后,D=0.6m=600mm3.3.2 塔径的校核:1)D60

31、0mm2填料规格校核D/d=600/50=128,符合设计条件3校核润湿率V-操作条件下混合气体的体积流量,3/m/s0.5927m4VS4240036003.14 0.62=2.3590m/s2.35906=0.5864.02900.5,0.8,故符合设计标准LWU/要求满足LW0.08m3*1(mlh)-1U一喷淋密度,m3(m2|h)-1,LhD24那么:DULh=16.48m3|(m2|h)-1D24=t114.2m2|m3LWU/=16.48/114.2=0.14430.08m3/(mh),故符合设计要求综上所述,塔径为D=0.6m=600mm符合设计要求3.4 填料层高度的计算及分

32、段3.4.1填料层高度的计算1.根本数据:6Q氨气在水中的扩散系数：DL1.80109m2/s=6.48010m2/hY1=mX1=0.7540.05168=0.0390*Y2=mX2=02脱吸因数：S=mv/L=0.754*84.8549/258.301=0.24773.气相总传质单元数*NOG=ln1SYIY2*+S1-S丫2.丫21In10.24771-0.2477=3.718Lh=258.30118=4649.418kg卜1=4649.41833998.2m/h=406578m/h查表可知,0C,101.325kpa下,NH3在空气中的扩散系数:2.Do0.17cm/s3由DGDo()

33、()2,PTo那么313.15k,101.325kpa下,NH3在空气中的扩散系数:DGPoDo(P101.325、)101.325273.153313竺/0.2087cm2/s0.176500.010600.24774.气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算221 1exp1.45exp1.45(二产5(4(4 严(、).5(-产La atLLg gLLa at=0.71234.气膜吸收系数:注：混合气体黏度可近似取为空气黏度.查手册得40C空气黏度：v19.1106pa(s0.0688kg/rn|h5 .液膜吸收系数：awa at液体质量通量为:ULWL0.785D2*0s二1647.

34、559kg/(叶)气体质量通量为：UVWV0.785D22540.592=8990.057kg/(m2(h)0.7850.62查表知：c33dyn427680kg/h2w1expt-427680、0.751.45()9408960.116470.55916470.5592114.20.0516470.55920.2114.2 3.6998.21.27108998.2940896114.2w0.7123t81.345kG0.237(以严tvv/DVtDVRT0.7=0.2378990.057114.20.06880.10269kmol/m2|h|kpa0.0688_4114.20.0287103

35、6001.05860.028710436008.314313.151.10.102690.71227114.21.4512.5702kmol/(m3|h|pa)0.40.455680.71227114.21.4543.005/hKLKLW0.42.35904.0290100%58.6%50%6.以下公式为修正计算公式：1.4kG19.50.5kGUF19.50.0861,412.570216.4193kmol/m3|h|kpa2.2k.12.60.5kLUF12.60.0862.243.005KG43.5112/h11KGHKL111HOG16.14930.72543.511210.7987k

36、mol/m3|h|kpaVVKYKGP84.855_210.7987101.3250.7850.60.27817.填料层高度计算：ZHOGNOG0.27813.71801.032取上下活动系数为1.5NZ1.5Z2.0m3.4.2 填料层的分段3.333.00.6,需要分层,两段之间加一个液体再分布装置.3.5 填料层压降计算1.气体通过填料层的压降采用Eckert关联计算,其中0.5967D=89m-1p纵坐标为:22uPV0.2_2.41752891.0586?L=gL9.81998.22.根据横纵坐标值,查Eckert图可知:P/Z409.81=392.4pa/m填料全塔填料层压降:P=

37、392.4Z=392.42785pa21.005=0.0568横坐标为:查表可知:第四节其他辅助设备的计算与选择4.1 吸收塔的主要接管尺寸的计算1.气体进料管:,4qV42400d=V,0.2379m237.9mmu.3.14153600注：u在1030m/s之间,取u=15m/s2.液体进料管:2.4175m/s,那么由公式qvd2u可求得液体进出口内径为44qv4654.584J0.02613m26.13mmu.998.236003.142.4175采用直管进料,由?制药化工原理?王志祥主编化学工业出版社查得选才?32mm2.5mm热轧无缝钢管,那么4qv44654.58/(998.23600)uT22.26m/s在符合范围内d23.14(0.0320.00252)23 .2 气体进出口压降1212p1-u2-1.058615.7782131.7