水吸收氨过程填料塔的设计

1、淮阴工学院课程设计说明书作者：学号：系（院）：生命科学与化学工程学院专业：化学工程与工艺题目：水吸收氨过程填料塔的设计指导者：2014年6月淮阴工学院化工原理课程设计任务书（III）专业：化学工程与工艺班级:化工学号:姓名:设计日期：2014年6月16日2014年6月27日设计题目：水吸收氨过程填料塔的设计设计条件:混合气处理量570m3/h、其中含氨为8%（体积分数），要求塔顶排放气体中含氨低于0.08%（体积分数），采用清水进行吸收，操作压力为常压，操作温度为20C,该温度下氨在水中的溶解度系数为H=0.725kmol/（m3.kPa）。设计内容：1、吸收塔的物料衡算；2、吸收塔填料层压降

2、的计算；3、吸收塔的工艺条件及有关物性数据的计算;4、吸收塔的相关工艺尺寸计算；5、绘制吸收塔设计条件图。指导教师：2014年6月6日目录1引言41.1 目的要求41.2 填料塔结构及原理42塔设计任务及内容43确定设计方案53.1 流程图及流程说明53.2 填料及吸收剂的选择54工艺计算54.1吸收塔物料横算64.2塔径的计算64.3填料层的计算75填料塔压降的计算106液体分布器设计117填料支撑装置118气体的入塔分布119设计一览表1110设计小结1311参考文献12CAD工程制图1引言1.1 目的要求1、化工原理课程设计涉及本门课程的主要内容，通过课程设计学生不仅巩固和深化了有关化工

3、过程及设备方面的知识，而且可用它们去分析和解决化工设备在操作、安装、检修等方面的实际问题，以增强学生理论联系实际的观点。2、通过化工原理课程设计使学生建立工程观点和经济观点，使学生具有辨证的科学思维方法。3、通过查阅技术资料、选用公式、搜集数据、讨论工艺参数与结构尺寸问的相互影响等，培养学生分析问题和解决问题的能力。4、提高学生文字表达能力及掌握撰写技术文件的能力。1.2 填料塔结构及原理塔体：一般取为圆筒形，可由金属、塑料或陶瓷制成，金属筒体内壁常衬以防腐材料。填料：大致可分为散装填料和规整填料两大类，是传热和传质的场所。塔内件：包括填料支承与压紧装置、液体与气体分布器、液体再分布器以及气体

4、除沫器等。操作原理：液体经塔顶喷淋装置均匀分布于填料上，依靠重力作用沿填料表面自上而下流动，并与在压强差推动下穿过填料空隙的气体相互接触，发生传热和传质。2填料塔设计任务及内容混合气处理量570m3/h,其中含氨为8%（体积分数），要求塔顶排放气体中含氨低于0.08%（体积分数），采用清水进行吸收。操作压力为常压，操作温度为20C,该温度下氨在水中的溶解度系数为H=0.725kmol/（m3kPa）。设计内容：1、吸收塔的物料衡算；2、吸收塔填料层压降的计算；3、吸收塔的工艺条件及有关物性数据的计算；4、吸收塔的相关工艺尺寸计算；5、绘制吸收塔设计条件图。3确定设计方案3.1 流程图及流程说明

5、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由塔顶排除，吸收了氨气的水由填料塔的下端流出。(如右图所示)3.2 填料及吸收剂的选择该过程处理量不大，所用的塔直径不会太大，可选用16*8.9*1.0聚丙烯阶梯环塔填料，其主要性能参数如下：比表面积at：370m2/m3空隙率名：0.85干填料因子中：602.6m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。4工艺计算对低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。混合气体的黏度可近似

6、取为空气的黏度。空气和水的物性常数如下：火气=1.8110*Pas=0.065kg/(mh)二.1.205kg/m3、=998.2kg/m3水：LL=100.410Pas4.1吸收塔物料横算查表知，20C下氨在水中的溶解度系数H=0.725kmol/(m3kpa)亨利系数E-HMSS相平衡常数：LHMsP998.20.72518.02101.3=0.754进塔气相摩尔比为：Y1=0.08=0.086961-0.08出塔气相摩尔比为：丫2=0.0008=8.006410-41-0.0008对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为：X2=0(清水)混合气体的平均摩尔质量为：M=0.0817(1-0.08

7、)29=28.04(kg/kmol)2731混合气体流重：570=23.71(kmol/h)29322.4混合气体流量：V=23.71(1-0.08)=21.81(kmol/h)最小液气比:Y-丫2丫1丫2X1-X2丫1_X2m_-40.08696-8.0064100.08696八00.754=0.7471取实际液气比为最小液气比的1.5倍，则可得吸收剂用量为:L7747121.811.5=24.44(kmol/h)_-4X1=0.07688V(Y-丫2)_0.08696-8.006410L0.74711.5液气比24.4418=0.662v5701.1664.2塔径的计算3-3混合气体的密度

8、：VPM101.31028.04103=1.166kg/mRT8.315293采用贝恩-霍根泛点关联式计算泛点速度:2Ufiggat；V=0.204-1.75(0.6619)"(1166户998.2=-0.47472、+l0.2=0.3352g'：LUf0.33529.810.903998.23701.1661.0040.2=2.3542m/s取泛点率为0.6,即u=0.6uF=0.6M2.354=1.4125m/sD45703.141.8193600-0.3330m/s圆整后取D=0.4m泛点率校核：5703600=1.2606m/suUf1.26062.3542=0.53

9、55（在0.5到0.8范围之间）填料规格校核：2=生0=258d16液体喷淋密度校核：3取取小润湿速率为：(Lw)min=0.08m/(mh)at=370m/m0.7850.42所以得Umin=(Lw)minat=098370=29.6m3/(m2h)Lh_20.785D=3.4962106m3/(m2h)24.4418998.2一一一20.7850.4U>Umin,故满足最小喷淋密度的要求4. 3填料层的计算查表知，0'C,101.3kpa下，NH3在空气中的扩散系数Do=0.17cm2/s由Dg=Do（：）（J）"则293k,101.3kpa下，NH3在空气中的扩散

10、系数为-32.=0.189cm/s4.3、 3、/293、2Dg=D0()()2101.3273液相扩散系数DL=1.8010.m2/s液体质量通量为UL=气体质量通量为UVWl20.785D2W20.785D224.441820.7850.425701.16620.7850.42=3502.55Kg/(m3h)=5291.56Kg/(m2h)Yi=mX=0.7540.07688=0.05797Y2=mX2=0脱吸因数为S=mVL0.754二0.67280.74711.5所以气相总传质单元数为:nog1-SLn(1-S)YSY20.08696-0aw=1-exp-1.45工严(Ulat-严（L

11、Ul，：L2g)-0.05*2Ln(1-0.6728)-40.6728=10.9701-0.67288.006410-0气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算:查表知，Cc=33dyn/cm=427680kg/h2所以,awat=1-exp-1.45(427680940896严5(3502.553703.6、0.1,3502.552370、-0.05)(ZQ)998.221.271083502.552998.2940896370)0.2=0.1729气膜吸收系数由下式计算:10.237(-U)°.7()3atvPVDV0.237(5291.563700.065)071/0.065

12、、5/(4)3(1.1660.1891036003700.1893600108.314293_4-)_20.1002kmol/(mhkpa)液膜吸收系数由下式计算:1'.L=0.0095(Ul2)3(4Lg；)2(q)3：'L=0.0095(3502.550.17293703.62)3(3.6_9998.21.801036001)0(813.61.2710工)3998.2=0.1905查表得：-=1.35则Ga=Gaw'1.1=010020.17293701.351.1=8.917kmol/(m3hkpa)La=Law，°4=0.19050.17293701.

13、3+4=13.7412不1.2606=0.53552.3542,-Ga=19.5<-0.5)1.4ga所以可以由Uf得到“a=12.6(8-0.5)2.2aUfga=19.5(0.5355-0.5)1.48.917=9.7082kmol/(m3hkpa)'La=12.6(0.5355-0.5)2.213.7412=13.76431h所以“a1GaHLa1.1二9.70820.72513.7643=4.9209kmol/(m3hkpa)VV21.81HOG=2=0.3483mKYa1'GaP14.9209101.30.7850.42由Z=H0GNog=0.348310.97

14、0=3.8209m取上下活动系数为1.5Z=1.53.8209=5.7313m设计取填料层高度为：6m.5填料塔压降的计算采用Eckert通用关联图计算填料层压降横坐标为：W(-V)0.5=1.103(11166)05=0.03770WV998.2查表得：iP-115.68mJ纵坐标为:L,J：2=0.021911.26062115.6811.166021.0049.81998.2Eckert图P图得，=245.25pa/m填料层压降为：；P=245.256=1471.5Pa6液体分布器设计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。液体分布装置的安装位置，须高于填料层表

15、面200mm,以提供足够的自由空间，让上升气流不受约束地穿过分布器。根据该物系性质，可选用目前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由水平主管一侧引入，通过支管上的小孔向填料层喷淋。由于液体的最大负荷低于25m3/（m2，h）,按照设计参考数据可提供良好的液体分布：主管直径-50mm,支管排数-5,排管外缘直径-160mm,最大体积流量-12.5m3/h7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、自由截面较大

16、、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。由于采用的是弧6mm的填料，所以可用475mm的十字环。8气体的入塔分布设计位于塔底的进气管时，主要考虑两个要求：压力降要小和气体分布要均匀。由于填料层压力降较大，减弱了压力波动的影响，从而建立了较好的气体分布；同时，本装置由于直径较小，可采用简单的进气分布装置。由于对排放的净化气体中的液相夹带要求不严，可不设除液沫装置。9设计一览表塔径1填料塔设计结果一览表0.4m填料规格16*8,9*1.0聚丙烯阶梯环塔填料操作液气比0.6621.5倍最小液气

17、比压降981Pa2填料塔设计数据一览E号利系数）Uv气体的木占度,1.73M10,Pa/s=6228M10'kg/m.hm一平衡常数0.7532中，一、一、一一水的密度和液体的密度之比12,og重力加速度，m/s9.81=1.27=<10m/h33此；Pl-分别为气体和液体的密度，1.1836kg/m；998.2kg/m;Wl=5358.89572kg/hWv=7056.6kg/h一分别为气体和液体的质量流量3KYa-气相总体积传质系数，kmol/（ms）Z填料层高度，m二2j=Dc塔截面积，4Hog一气相总传质单元高度，mN0G一气相总传质单元数2Kg-以分压差表示推动力的总传

18、质系数，"0"（m$kPa）aw一单位体积填料的润湿面积%-填料总比表面积，m2/m%-以分压差表示推动力的气膜传质系数，km01/kPa）100填料层空隙率m3/m391.7%H溶解度系数,kmol/m2kPa0.725m/sk.kL以摩尔浓度差表示推动力的液摩尔传质系数,R一气体常数,8.314kNm/kmolKDv=0.081m2/h;DL=7.34Ml0m2/h氨气在空气中中的扩散系数及氨气在水中的扩散系数；3-液体的表面张力,二940896kg/h2仃c-填料材质的临界表面张力，=427680kg/h2;W填料形状系数开孔鲍尔环=1.45液体质量通量为：Ul=WL/0.785>0.80.8=10666.5918kg/(m2?h)气体质量通量为：Uv=60000M.1761/0.64=14045.78025kg/(itf?h)10设计小结通过本次的课程设计，我们受到一次化工设计专业技术方面的基本训练，从而了解和掌握化工计算的基本知识、基本方法，培养我