化工原理课程设计-水吸收氨气

1、填料吸收塔设计任务书设计题目试设计一座填料吸收塔，采用清水吸收混于空气中的氨气。混合气体的处理量为4300m3/h,其中含氨为6%(体积分数)，混合气体的进料温度为25C。要求：塔顶排放气体中含氨低于_0.04%(体积分数)；操作条件2.1操作压力常压2.2操作温度20C填料类型选用聚丙烯阶梯环填料，填料规格自选设计内容设计方案的选择及流程说明工艺计算主要设备尺寸计算塔径的确定填料层的高度计算总塔高、总压降及接管尺寸的确定辅助设备选型与计算设计结果汇总设计评述5设计基础数据20C下氨在水中的溶解度系数为H=0.725kmol/(m3*kPa).目录设计方案简介11.1设计方案的确定11.2填料

2、的选择2工艺计算2基础物性数据22.1.1液相物性的数据12.1.2气相物性的数据22.1.3气液相平衡数据22.1.4物料衡算3填料塔的工艺尺寸的计算32.2.1塔径的计算42.2.2填料层高度计算52.2.3填料层压降计算6TOC o 1-5 h z2.2.4液体分布器简要设计7辅助设备的计算及选型83.1填料支承设备83.2填料压紧装置83.3液体再分布装置8设计一览表9 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 后记10 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 参考文献10 HYPERLINK l b

3、ookmark14 o Current Document 主要符号说明10附图（工艺流程简图、主体设备设计条件图）1.设计方案简介11设计方案的确定111装置流程的确定：用水吸收NH3属高溶解度的吸收过程，为提高传质效率和分离效率，所以，本实验选用逆流吸收流程。112吸收剂的选择对填料吸收塔，其吸收装置的流程主要有逆流操作、并流操作、吸收剂部分再循环操作、多塔串联操作和串联-并联混合操作。逆流操作由于其传质平均推动力大，传质速率快，分高效率高，吸收剂利用率高的特点在工业生产中得到广泛应用。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，吸收剂性能的优劣，是决定吸收操作效果的关键之一，选择

4、吸收剂时应着重考虑以下几方面。吸收剂应具有较大溶解度，以提高吸收速率减少吸收剂用量，降低输送与再生的能耗。选择性好，吸收剂对混合气体的溶质要有良好的吸收能力，而对其它组分不吸收或吸收甚微。以提高吸收速率，减小吸收剂用量。操作温度下吸收剂的蒸汽压要低，以为离开吸收设备的气体往往被吸收剂所饱和，吸收剂的挥发度愈大，则在吸收和再生过程中吸收剂损失愈大。粘度要低，以利于传质与输送；有利于气液接触，提高吸收速率。具有较好的化学稳定性及热稳定性，以减少吸收剂的降解和变质，尤其在使用化学吸收剂时。一般说来，任何一种吸收剂都难以满足以上所有要求，选用时应针对具体情况和主要矛盾，既考虑工艺要求又兼顾到经济合理性

5、。用水吸收氨气属易溶解的吸收过程，为提高传质效率，选用逆流吸收流程，因用水作为吸收剂，且氨气不作为产品，故采用纯溶剂。113吸收操作参数的选择吸收塔的操作参数主要指操作压力和操作温度114操作温度与压力的确定操作温度：20C操作压力：常压12填料的选择塔填料（简称为填料）是填料塔中气液接触的基本构件，其性能的优劣是决定填料塔操作性能的主要因素，因此，塔填料的选择是填料塔设计的重要环节。填料的选择包括确定填料的种类，规格及材料。填料的种类主要从传质效率，通量，填料层的压降来考虑，填料规格的选择常要符合填料的塔径与填料公称直径比值D/d。填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。工业生产对填料的基本要

6、求如下：121传质分离效率高填料的比表面积a大，及单位体积填料具有表面积要大，因为它是汽液两相接触传质的基础。填料表面的安排合理，以防止填料表面的叠合和出现干区，同时有利于汽液两相在填料层中的均匀流动并能促进汽液两相的湍动和表面更新，从而使填料表面真正用于传质的有效面积增大，总体平均的传质系数和推动力增高。填料表面对于液相润湿性好，润湿性好易使液体分布成膜,增大有效比表面积。润湿性取决于填料的材质，尤其是表面状况。塑料的润湿性比较差，往往需要进行适当的表面处理，金属表面粘着的加工用油脂需经过酸洗或碱洗清除。122压降小，气液通量大填料的孔隙率大压降就小，通量大。一般孔隙率大，则填料的比表面积小

7、。分离效率将变差。散装填料的尺寸大，孔隙率大，比表面积小，规整填料波纹片的峰高增大，孔隙率大，比表面积也大。如果填料的表面积安排合理，可以缓解a和的矛盾，达到最佳性能。减少流道的截面变化，可减少流体的流动阻力。具有足够的机械强度，陶瓷填料容易破碎，只有在强腐蚀性场合才采用。重量轻，价格低具有适当的耐蚀性能。不被固体杂物堵塞其表面不会结垢。根据本设计的要求，选择用塑料散装填料。在塑料散装填料中，塑料阶梯环填料的综合性能较好，故选用DN50聚丙烯阶梯环填料。2工艺计算21基础物性计算2.1.1液相物性的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,20C时水的有关物性数据

8、如下：密度为PL=998.2kg/m3粘度为口L=0.001PaS=3.6kg/(mh)表面张力为oL=72.6dyn/cm=940896kg/h2NH3在水中的扩散系数为DL=1.76X10-9m2/s=6.336X10-6m2/h2.1.2气相物性的数据混合气体的平均摩尔质量为Mvm=0.06X17.03+0.94X29=28.28混合气体的平均密度为Pvm=1.156kg/m3混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得20C空气的粘度为口v=1.81x10-5PaS=0.065kg/(mh)查手册得NH3在空气中的扩散系数为Dv=0.225cm2/s=0.081m2/h2.1.3气相平

9、衡数据20C时NH3在水中的溶解度系数为H=0.725kmol/(m3kPa)常压下20C时NH3在水中的亨利系数为E=76.41kPa相平衡常数为m=E/P=0.7542.1.4物料衡算进塔气相摩尔比为Y二006=0063811-0.06出塔气相摩尔比Y二00004=0.000421-0.0004进塔惰性气相流量鬻X孟%Xd-0.06)=168沁1/h该吸收过程属低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算，即(L)YY0.06380.0004M一门II=1厂=0.749(V丿XgX(0.0638/0.754)0对纯溶剂吸收连程，进塔液相组成为X2=0取操作液气比为1.5，即LL=1.

10、5().=1.5x0.749=1.124VVminL=1.124X168.12=188.97Kmo1/hV(YY)二L(XX)12120.568V(YY)12+XL填料塔的工艺尺寸的计算2.2.1塔径的计算气相质量流量v二4300 x1.156二4970.8kg/h液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即o二188.97x18.02二3405.23kg/hL用贝恩霍根关联式计算泛点气速：1gu2-F-gapT气83p液卩.2液igFUiZ9.810.9273(w)AK液W丿气娱C01X1002i=0.204-1.7X0.6854X(1156A一8=-0.480查附录五得空隙率83=0.927,散

11、装填料的特性参数t=114.2998.2丿m2/m3计算得uF=4.549m/s取u=0.6u彳=2.729m/s由D.4x4300/G.14x2.729x3600圆整塔径，取D=0.7m泛点率校核：u=4300=3.250(n/s)3600 x0.75x0.723.250=x4.549100%二71.4%uf在（50%80%）之间，满足DN50聚丙烯阶梯环填料径比要求填料规格校核D700=148d50液体喷淋密度校核取最小湿润速率（L）=0.08m3/m2-hWmin查附录五得，a=114.2m2/mstU=(L)a=0.08X114.2=9.136ms/m2hminwmintU=珈5.23

12、/998.2=a?u0.785x0.62min经以上校核可知，填料塔直径选用D=0.7m合理2.2.2填料层高度计算Y*1mX二0.754x0.0568二0.04281Y*2脱吸因数为mX二020.754x168.120.667mVs=L188.97nog二ln(-S)Y2-Y21-0.667InG-0.667)需汀0+0.667=11.967气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：awv=1-expat-1.45、0.75(U七ap.tL0.1U2aLtlPL2g丿-0.05U2Lpga,LLt丿0.2=1一exp1.45(427680、940896丿0.75(8852.8、114.2x

13、3.6丿0.1(8852.8x114.2、998.22x1.27x108丿0.058852.820.2二0.480气膜吸收系数k=0.237G(UVIaty丿tv0.7二0.237(998.2x940896x114.2丿IPD丿VV(aD)IRT丿(12922.920.70.065(114.2x0.081)1114.2x0.065丿11.156x0.081丿I8.314x293丿二0.147液膜吸收系数k=0.0095Lru)Ia巴丿wL(yLIpd丿LL=0.00958852.83.6、-1(23.6x1.27x108)、0.480 x114.2x3.6丿二0.3875.998.2x6.33

14、6x10-6丿998.2查表得屮=1.45故：kaG二ka屮1.1GW二0.147x0.480 x114.2x1.451.1二12.126Kmol/(n3hkpa)ka=ka屮0.4=0.3875x0.480 x114.2x1.450.4=24.6451/hLLW二71.4%50%1+9.5(-0.5Id丿1.4kaG+9.5().7140.12.126=25.431Kmol/(n3hkpa)1+9.5、0.5u2.2kaL+9.5().7140.5)2124.6451=32.522Kmol/(n3hkpa1+kaHkaGL1+25.4310.725x24.645110.494Kmol/(n3

15、h-kpa)H=OGKa0KaPGYG168.12_10.494x101.3x0.785x0.72二0.4112mZ二HN二0.4112x11.967二OGOG4.921m为留出一定安全系数，取z=1.5Z=1.5X4.921=7.382m故取填料层高度为8mh查表，对于阶梯环填料，=815,h6mDnaxh取-=8,则Dh=8X0.7=5.6m故填料层需要分成两段，分别是6m,2m2.2.3填料层压降计算采用Eckert通用关联图计算填料层压降。w(o、0.5横坐标为亠-V=0.023wIp丿VL查表7得，=89m-1Pu2Qp3.2502x89x11.156.纵坐标为丄二卩0.2二XX10

16、.2二0.111gpl9.81998.2L查图得AP/Z=75X9.81Pa/m填料层压降为AP=75X9.81X8=5.886KPafl.DM5O.OB出上O.CM0.Q20.伽O.ftOL务00A001o.ooa2.2.4液体分布器简要设计液体分布器的选型液体分布器设置于填料塔内，用于将塔顶液体均匀的分布在填料表面上，初始分布器的好坏对填料塔效率影响很大，分布器的设计不当，液体预分布不均，填料层的有效湿面积减小而偏流现象和沟流现象增加，即使填料性能再好也很难得到满意的分离效果。因而液体分布器的设计十分重要。特别对于大直径低填料层的填料塔，特别需要性能良好的液体分布器。液体分布器的性能主要由

17、分布器的布液点密度(即单位面积上的布液点数)，各布液点均匀性，各布液点上液相组成的均匀性决定，设计液体分布器主要是决定这些参数的结构尺寸。对液体分布器的选型和设计，一般要求：液体分布要均匀；自由截面率要大；操作弹性大；不易堵塞，不易引起雾沫夹带及起泡等；可用多种材料制作，且操作安装方便，容易调整水平。该吸收塔的塔径为700mm而多孔直管式喷淋器的适用范围为600WDW800，并且其液体负荷为中等以下，所以选择多孔直管式喷淋器。分布点密度计算按Eckert建议值，D=750时，喷淋点密度为170点/m2，所以根据需要取喷淋点密度为170点/m2布液点数为：n=0.785X0.72X170沁65（

18、3）布液计算：由Ls=4d0叭时取二0.6H=160mm(4X3405.23/998.2x3600)2八心“=,=0.0042m13.14x65x0.6J2x9.81x0.16丿设计取d0=4.0mm3.辅助设备的计算及选型3.1填料支承设备填料支承设备应满足3个基本条件：使起液能顺利通过设计时应取尽可能大的自由截面。要有足够的强度承受填料的重量，并考虑填料孔隙中的持液重量。要有一定的耐腐蚀性能。本设计根据需要，选择孔管型支承装置。3.2填料压紧装置为防止在上升气流的作用下填料床层发生松动或者跳动，需在填料层上方设置填料压紧装置。对于散装填料本设计选用压紧栅板。3.3填料塔接管尺寸计算为防止流

19、速过大引起管道冲蚀，磨损，震动和噪音，液体流速一般不超3m/s，气体流速一般不超过100m/s常用管道的公称通径、外径、壁厚公称通径(mm)15202532405080150管子外径(mm)18253238455789165常用碳钢管壁厚(mm)333.53.53.53.5461）进液管根据管道的公称通径、外径、壁厚表得，公称通径=32mm,6=2.5mm碳钢管,管子外径D=38mm则进液管管子内径d=D-2=38-2X2.5=33mm（2）底液出口管根据管道的公称通径，外径，壁厚表得，公称通径=32mm,5=2.5mm碳钢管,管子外径D=38mm则底液出口管管子内径d=D-2=38-2X2.

20、5=33mm（3）塔顶气体出口管根据管道的公称通径，外径，壁厚表得公称通径=150mm,子外径D=165mm则管子内径d=D-2=165-2X6=153mm8=6mm碳钢管，管（4）泵的选型就计算的结果可以选用：50-32-125型的泵4.设计一览表表1吸收塔的吸收剂用量计算总表意义及符号结果混合气体处理量G4300m3/h气液相平衡常数m0.754进塔气相摩尔比y10.0638出塔气相摩尔比y20.0004进塔惰性气相流量V168.12kmol/h进塔液相摩尔分率x10.568最小液气比（L/V）min0.749混合气体平均摩尔质量M28.28g/mol混合气体的密度P1.156kg/m3混

21、合气体的粘度口1.81X10-5PaS吸收剂用量L188.97Kmol表2塔设备计算总表意义及符号结果塔径D0.7m气膜吸收系数kG0.147液膜吸收系数kL0.385填料层高度8m气相总传质单元高度HOG0.4112m气相总传质单元数NOG11.967m布液孔数n65个泛点气速uf3.250m/s泛点率ff71.4%填料层压降为AP5.886KPa50mm0.927114.2m2/m389m-1填料直径dp孔隙率%填料比表面积a填料因子后记本设计的任务是用水吸收氨气的填料吸收塔的设计。填料塔是以塔内装有大量的填料为相接触构件的气液传质设备。填料塔的结构较简单，压降低，填料易用耐腐蚀材料制造等

22、优点。在本设计中，遭遇很多难题。第一个就是如何通过关联图读出纵坐标，还有一个就是后边关于填料层的相关计算，公式越来越长，数值越来越难算，整个设计进行得很艰难。还有因为临近考试，为了腾出更多的时间来复习，所以赶得比较匆忙。在做的过程中，接触了那么多的计算，而且一不小心就容易一步错步步错，这让我懂得在生产过程中绝对不能马虎。还有通过这个课程设计，我也学到了很多东西。虽然我们在理论课中对这章的学习几乎没有，但是当我做完这个设计回过头来想一想自己还是收获蛮大的，不仅我初步涉略到了一些生产问题，同时提高了解决问题的能力。参考文献1华南理工大学，涂伟萍，陈佩珍，程达芳编.化工过程及设备设计.北京:化学工业出版社,20032柴诚敬，刘国维，李阿娜.化工原理课程设计.天津：天津科学技术出版社，1995匡国柱,史启才主编.化工单元过程及设备课程设计.化学工业出版社，2002王志魁编.化工原理（第三版）.北京：化学工业出版社，20093郑津泽,荣其伍,桑芝富编.过程设备设计.北京:化学工业出版社，20044王静康编.化工过程设计.北京:化学工业出版社,2006王志魁编.化工原理（第三版）.北京：化学工业出版社，2009主要符号说明7.1、英文字母a填料层的有效传质比表