课程设计-非等温填料吸收塔(1)

1、 非等温吸收填料塔设计 化工原理课程设计氨气为能灼伤人体皮肤、眼睛、呼吸器官的粘膜，人吸入过多能引起肺肿胀，以致死亡 。用自来水吸收工业尾气中含有的氨气，避免尾气直接排放到大气中污染环境且被人体吸入 。选题意义及依据选题意义及依据填料吸收塔具有生产能力大、分离效率高、压力降小、操作弹性大、持液量小等诸多优点。而且可以节约大量人力、财力和物力 。 1.任务要求 混合气体为含氨10%（体积分数）的空气，流量3000m3/h，温度40，吸收剂采用自来水，温度25，操作压力为1atm，吸收率为98% 。 2.主要内容 （1）选择合适的填料，计算塔径、填料层高度等数据 （2）压降核算，喷淋密度计算 （3

2、）附属设备的选型及计算 （4）绘制设备图二.工艺计算自来水在吸收氨的过程中放出大量的热，此次设计为非等温吸收，各物性参数会随组成变化而变化。因此在计算过程中取对应的平均值。工艺内容包括：（1）确定气液平衡关系 （2）确定吸收剂用量及操作线方程（3）填料的选择 （4）确定塔径（5）管路及辅助设备的计算 1.气液平衡关系 此吸收过程为非等温吸收，而气液平衡关系是温度的函数 ，所以应按照非等温吸收的热衡算，根据液相浓度和温度的变化情况，定出实际的平衡关系。 非等温吸收热效应包括：溶解热潜热反应热。 为简化计算，做三点假设： 不考虑热损失 吸收剂带走的潜热不计 气相带走的热量不计 即假定吸收过程中所释

3、放出的热量全部用来加热液体。u 平衡关系的确定常采用近似法，将吸收塔按液相浓度x的变化分成若干段，每段浓度变化为x。对第i段作热量衡算： 假设浓度变化范围为x=（00.1），分为20段，即每段浓度变化为x=0.005，溶质被吸收时放出的热量： ，液相温度由t i-1升至ti 时吸收的热量。根据前面的假设，吸收过程中放出热量全部用于液相升温，即 则有 )(11iidxxLHQ11iiLiidttLCxxLHxCHtxxCHttLdiiiLdii111)(由上式逐段计算出每个 下的液相温度 ，建立吸收塔中液相浓度x与温度t的对应关系 。对于氨气在水中的微分溶解热 可查有关数据手册。当x0.1时，也

4、可按如下经验公式计算： 实际的平衡关系用如下的公式计算吸收是在常压下进行，气相可视为理想气体，按道尔顿分压定律，计算与相平衡的 ：根据计算结果，以x为横坐标，y为纵坐标，在坐标纸上绘出非等温吸收的平衡关系曲线 ， 如图：ixitdHxHd6250349001750lg1.1 lg8.92pxTiy ipyp 操 2.吸收剂的用量 ，此次课程设计取值为1.9 3.操作线的确定 由设计任务书得到 ，而 。由y1=0.1在平衡曲线中读出x1=0.0413，然后计算 ，V=Vs/(1-y1),由此确定L。对于高浓度气体的逆流吸收，其操作线方程为： 将以上计算结果代入操作线方程可求得y。根据xy的关系，

5、画出操作线。如图： 1212(1.1 2.0)(YYLVXX)1111yyY21AYY 1110.0431xXx22221111yxyLxLyVxyVx三、塔径计算 1.泛点气速计算 ：泛点气速，m/s ：空塔气速，m/s 泛点气速目前工程上常采用Eckert通用关联图或Bain & Hougen关联式计算。Bain & Hougen关联式: 泛点气速，m/s 重力加速度，9.81 液体黏度， 填料总比表面积， 填料层空隙率， 气相，液相密度 Fu0.5 0.85uFuuLVLL211843Vlg()()()()FLtVauWAKgWFu g ta ,VLL23/mm2/m s

6、mPa s 33/mm3/kg m 液相，气相质量流量 kg/h 关联常数 （1）操作温度的确定 塔顶温度：25 塔底液相组成 得x1=0.015，从平衡曲线中读得液相出口温度 。因此， （2）关联式中未知数 , , , , 的计算 a.在此操作温度下查氨水的密度还需要知道氨水的质量分数 ，由 求得 =1.42% 则 查得 ,LVWW,A K 1110.111 0.0022016.9614xx231.945t 2531.94528.472528.472tLVLWVWL1170.01511718x1.420.7123L997.5/kg mb. 气体温度不变，故为进气温度40，T=273.15+4

7、0=313.15K kg/kmol kg/kmol kg/kmol 所以 c. 0022.4mVmMPTPT129 (1 0.1) 17 0.1 27.8M 229 (1 0.0022) 17 0.0022 28.97M 1227.8 28.9728.38522MMM328.385 101.3 273.151.1053/22.4101.3 313.15Vkg m22332NHNH+(+WW22H OH OLH OWWWW300010.10.002217579.468418.0222.410.00223.0265/360023600kgs（0.1-）33()22NHNHVWWWWWW300030

8、001 0.1(1 0.1) 29 0.1 1722.422.41 0.00220.844/36002 3600kg s（0.1-0.0022）17)d. 所以因此将以上计算结果代入Bain & Hougen关联式:得uF=3.61m/s 2.塔径取空塔气速为泛点气速的70%.即 mlglgiix228.47H Ot48.2710 10.Pas 21 (1 0.015)0.99252H Ox l28.47t 4l1.32 10.Pa s 3( )00.0150.00752NHlx4L8.15 10.Pa s L211841.10533.02651.1053lg143 () 0.8150

9、.204 1.75()()9.81997.50.844997.5FuF0.7u0.7 3.612.527/um s4sVDu :操作条件下混合气体体积流量，m3/s D:塔径，m 所以 圆整后塔径D=0.7m校核：再计算空塔气速 此结果在（0.5-0.85）范围之间 因此经以上校核可知，填料塔直径选D=0.7m合理四. 喷淋密度计算sV4 30000.6483.14 3600 2.527Dm2244 30002.166/3.14 0.73600SVum sD2.166100%60%3.61Fuu236004LLMUSD 液体喷淋密度是指单位塔截面积上，单位时间内喷淋的液体体积，以U表示。为保证

10、填料层的充分润湿，必须保证液体喷淋密度大于某一极限值，该极限值称为最小喷淋密度，以Umin表示: 式中： 最小喷淋密度，m3/m2.s 最小润湿速率，m3/m.s 填料的比表面积，m2/m3 对于直径不超过75mm的散装填料，可取最小润湿速率(LW)min为0.08 m3/(mh ) ；对于直径大于 75mm的散装填料，取(LW)min =0.12 m3/(mh ) l 计算过称如下：（塑料阶梯环）则因为UUmin所以填料塔直径选用D=0.7m满足要求32min()0.08/(. )wLmm hminmin()WULminUmin()WL23114.2/mm 32minmin()0.08 11

11、4.29.136/()wULmmh 3225 7 9 .4 6 8 41 8 .0 22 7 .2/()0 .7 8 50 .79 9 7 .5Ummh 五.单位高度填料层压降 填料层压降的计算方法这次课设采用的是Eckert通用关联图方法 -液相密度校正系数 - 填料因子，1/ma.横坐标b.纵坐标查得20和30水的密度为998.2kg/m3 ，995.7 kg/m3121vL2vLW3.02651.1053() ()0.1194W0.844997.5利用内插法求得操作温度下水的密度，即 得 =995.9kg/m3纵坐标所以根据其横纵坐标在Eckert联图上读得 单位高度填料层压降在1454

12、90Pa/m,所以压降合理 。六.填料层高度的计算 20995.628.4730H20H2995.90.9984997.5H OL220.24 0.2LL()3.61143 0.9984 0.9099 1.1053()(8.15 10 )0.05079.81997.5VFug 30 9.81294.3/pPa mZ（1）传质系数的计算 由于氨水是易溶性气体，属于气膜控制，无需算液相传质系数。a.有效面积（润湿面积） a 填料的润湿比表面积，m2/m3 填料的总比表面积， m2/m3 填料材质的临界表面张力，N/m 液体的表面张力，N/m 液体的质量通量，Kg/(m2.h) 液体粘度，Pa.s

13、0.052221 exp1.45LctLLtLtLLLtU aUUaaaga ata cLLU L 液体密度，Kg/ m3 重力加速度, m/s2利用内插法可得20时质量分数为0.71%溶液的表面张力为 ，所以氨水的表面张力为 由于氨水其他温度下的表面张力不能查到，但是氨水和水的表面张力变化趋势接近，故可以近似利用水的表面张力的变化来求得氨水相应质量分数下的表面张力。同理利用内插法得水在28.47下的表面张力为 Lg 372.5572.5565.740.457.720.450.71NH3372.31 10/NHN m2328.4771.4 10/H ON m则由 得所以（2

14、）恩田修正公式 a. 3333(28.47)72.6 1071.4 1072.31 10NH3328.4771.11 10/NHN m223.02657.8682/0.74LLWUkgm sA0.750.050.20.1322342333 107.86827.8682 114.27.86821 exp 1.45114.271.11 10114.2 8.15 10997.5 9.81997.5 71.11 10114.2a 2356.92/amm10.730.237()()()VVtVGtVVVUa DkaDRT1212iiiViiyMyM 30.100.00220.05112NHy311 0.

15、05110.9489NHyy 空气40气体则b.c.所以 51.12 10.Pas51.91 10.Pa s空气5550.0511 1.12 10170.9489 1.91 10291.8787 100.0511170.948929VPa s 53600 1.8787 100.06763/( . )Vkgm h 3012010() ()VPTDDPT200.17/Dcms32522101.3313.150.17()()0.2078/2.087 10/101.3273.15VDcmsms2224 36000.844 4 36007899.129/(. )3.14 0.73.14 0.7VVWUk

16、g m h 10.7535427899.1290.06763114.2 2.087 100.237114.2 0.067631.1053 2.087 108.314 313.153.9713 10/()Gkkmol m s kp （2）填料层高度a.b. NOG需用图解积分法求出。曲线与y 围成的面积即为定积分 积分面积图：12OGOGYYYVdYZHNK aYYOG43000 40.946101.3 3.9713 1056.92 3.14 3600yGVVHmKaP Ka 121(1)(1)yOGyNdyyy由图读得积分面积即 图解积分法具有的误差，为了安全取填料层的实际高度为在此次设计中取

17、七.填料吸收塔附属设备的选型（1）液体分布装置 在本次设计过程中选择盘式分布装置 （2）液体再分布装置 塔径为0.7m，壁流现象几乎没有影响，所以此次设计可以不用液体 再分布装置 。（3）填料支承装置 在此设计中选用的是散装填料，所以支撑装置选用驼峰型支撑装置。（4）辅助设备的选型 a.液体管路的内径，即：某些流体在管路中的常用流速范围列于下表中：20.005 2534297.875SmZ7.875 0.9467.4497OGOGNHm(1.3 1.5)ZZ1.3ZZZ1.3 7.44979.6846m流体的类别及情况 流速范围，m/s 水及低粘度流体 1.53.0 常压气体 1020 吸入管路排出管路因为所以b.气体管路的管径取流速为18m/s3L 18.02=0.002909/995.9 3600SVms44 0.0029090.0383.14 2.5SVdmuLWSLV氨水氨水L3000(1-0.1)0.1-0.002217L18.0222.41-0.0022W360036003000(1-0.1)0.1-0.002217579.468418.0222.41-0.002236003600=2.9625kg/s出4 0.00296