水吸收氨填料塔课程设计报告书

.PAGE.目录1、概述31、1吸收技术概况31、2填料塔概况41、3设计方案简介52、工艺计算62、1基础物性数据62.1.1液相数据6气相数据7气液相平衡数据7物料衡算72.2填料塔的工艺尺寸的计算14塔径的计算14填料层高度计算15填料层压降计算18液体分布器简要设计183.辅助设备的计算及选型193.1吸收塔的主要接管尺寸的计算193.2气体进出口压降193.3离心泵的选择与计算194.设计一览表205.总结211、概述1、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分离,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分离方法之一,它是根据混合物中各组分在某一种溶剂中溶解度不同而达到分离的目的。氨是化工生产中极为重要的生产原料,但是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,为了避免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,本次化工原理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,使其达到排放标准。设计采用填料塔进行吸收操作是因为填料可以提供巨大的气液传质面积而且填料表面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。吸收操作广泛地用于气体混合物的分离,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,但因为危害大而仍要求高的净化率。例如用水或碱液脱除合成氨原料气中的二氧化碳,用丙酮脱除裂解气中的乙炔等。〔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干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,如干燥废气中的有机溶剂,能回收下来就很有价值,任其排放则会然大气。1、2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,并沿填料表面流下。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,在填料表面上,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部分,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。1.3设计方案简介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。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,以提高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能力,而对混合气体中其他组分不吸收或吸收甚微,否则不能直接实现有效分离。<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高。<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。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表面,其性能优劣是决定填料塔操作性能的主要因素。填料的比表面积越大,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。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。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。工业塔常用的散装填料主要有Dn16\Dn25\Dn38\Dn76等几种规格。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的推荐值拉西环D/d20~30鞍环D/d15鲍尔环D/d10~15阶梯环D/d>8环矩鞍D/d>8选用50mm聚丙烯阶梯环塔填料。其主要性能参数查表得：比表面积a：114.2空隙率：0.927填料因子：表2.1国内阶梯环特性数据材质外径d,mm25385076外径×高×厚d×H×δ25×17.5×1.438×19×150×30×1.576×37×3比表面积at,m2/m3228132.5114.289.95空隙率ε,m3/m30.900.910.9270.929个数n,个/m3815002720099803420堆积密度ρp,kg/m397.857.576.868.4干填料因子at/ε3,m-1313175.6143.1112填料因子Φ,m-12401208072塑料2、工艺计算2、1基础物性数据2.1.1液相数据水的密度：表面张力：的微分溶解热：34738J/mol气相数据混合气体的平均摩尔质量为：混合气体密度：3.混合气体黏度可近似取为空气黏度。查手册得40空气黏度：2.1.3气液相平衡数据已知20下氨在水中的溶解度系数亨利系数相平衡常数E——亨利系数H——溶解度系数Ms——相对摩尔质量m——相对平衡常数物料衡算水吸收氨气平衡关系CL——水在塔温度tm=<塔顶+塔底>/2下的比热=〔20+273.15+40+273.15/2下的比热=303.15k=30°C下的比热在30°C下的比热：查表得4.174kJ/<kg·k>=4.174*18=75.132kJ/kmol·k=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lgE=11.468-1922/T单位E:PaT：k取值：0.005,也有固定值：=当x=0,=0.005时,lgE=11.468-=4.9116E=81588.61pa=0.8059atm0.8059000当x=0.005时,<20+273.15>+2.31246=295.46klgE=11.468-=4.9629E=91812.12pa=0.9062atm0.90624.5309*4.5515*5.0226*当x=0.01时,295.46+2.31246=297.77klgE=11.468-=5.0134E=103133.56pa=1.0179atm1.01790.01020.01030.0101当x=0.015时,297.77+2.31246=300.0825klgE=11.468-=5.0631E=115637.85pa=1.1412atm1.14140.01710.01740.0152当x=0.02时,300.0825+2.31246=302.39496klgE=11.468-=5.1121E=129441.88pa=1.27743atm1.277430.02554860.02620.0205当x=0.025时,302.39496+2.31246=304.7074klgE=11.468-=5.16031E=144646.99pa=1.4275atm1.42750.035690.037020.0259当x=0.03时,304.7074+2.31246=307.0199klgE=11.468-=5.20782E=161368.46pa=1.5925atm1.59250.04780.05020.03152当x=0.035时,307.0199+2.31246=309.33236klgE=11.468-=5.25462E=179729.092pa=1.7737atm1.77370.062080.06620.0373当x=0.04时,309.33236+2.31246=311.645klgE=11.468-=5.300726E=199860.21pa=1.97237atm1.972370.0788950.08570.0434当x=0.045时,311.645+2.31246=313.96klgE=11.468-=5.3462E=221897.045pa=2.18985atm2.189850.09850.10930.0499当x=0.05时,313.96+2.31246=316.27246klgE=11.468-=5.391E=246014.7997pa=2.42792.42790.12140.13820.0569当x=0.055时,316.27246+2.31246=318.585klgE=11.468-=5.4351E=272315.05pa=2.687412.687410.147810.17340.0645当x=0.06时,318.585+2.31246=320.897klgE=11.468-=5.47855E=300987.04pa=2.9704atm2.97040.178220.21680.0730此时>,=0.1782,满足条件。计算结果列表xT/KE/atmmy*XY*0293.150.80590.80590000.005295.4620.90620.90620.00453090.00502260.00455150.010297.7741.01791.01790.01020.01010.01030.015300.0861.14141.14140.01710.01520.01740.020302.3981.27771.27770.025550.02050.02620.025304.711.42771.42770.03570.02590.037020.030307.0221.59271.59270.047780.031520.05020.035309.3341.77391.77390.06210.03730.06620.040311.4641.97261.97260.07890.04340.08570.045313.9582.19002.19000.098550.04990.10930.050316.272.42772.42770.12140.05690.13820.055318.5822.68722.68720.14780.06450.17340.060320.8942.97012.97010.17820.07300.2168根据〔X,Y*绘出X-Y图XY*000.00502260.00455150.01010.01030.01520.01740.02050.02620.02590.0370.03150.05020.03730.06220.04340.08570.04990.10930.05690.13820.06450.17040.0730.2168进塔气相摩尔比为出塔气相摩尔比为进塔惰性气体流量:由X-Y图可知X与Y有如下函数关系：其中Y=0.1765将Y=0.1765带入上述方程,解得符合条件的X值：即=0.0654最小吸收剂用量对纯溶剂吸收过程,进塔液相组成为因为吸收剂的实际用量L=<1.1~2.0>,取L=1.2则L=1.2=258.301kmol/h由全塔物料衡算有：2.2填料塔的工艺尺寸的计算塔径的计算混合气体的平均摩尔质量为;2.混合气体密度：采用埃克特泛点关联式计算泛点速度气体质量和流量液相质量流量可近似按纯水的流量计算,即：填料总比表面积：水的粘度：采用贝恩——霍夫泛点关联式=A-K——泛点气速,m/s;g——重力加速度,9.81m/s,液相、气相的密度WL=4654.58㎏/hWV=2540.59kg/h不同类型填料的A、K值散装填料类型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,;将已知数据带入上述公式可得A-K=-0.6609所以：=-0.66094.计算塔径：取泛点率为0.6,即则:其中：D-塔径,mV-操作条件下混合气体的体积流量,-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=600mm填料层高度计算1.基本数据：查表可知,0,101.325下,在空气中的扩散系数：由,则313.15,101.325下,在空气中的扩散系数：=氨气在水中的扩散系数：=6.4802脱吸因数：S=mv/L=0.754*84.8549/258.301=0.24773.气相总传质单元数：=3.7184.气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：液体质量通量为：气体质量通量为：查表知：=0.7123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40空气黏度：液膜吸收系数：=0.45568查表知：以下公式为修正计算公式：填料层高度计算：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,其中横坐标为：0.5967查表可知：纵坐标为：=根据横纵坐标值,查Eckert图可知：全塔填料层压降：液体分布器简要设计液体在乱堆填料层内向下流动时,有偏向塔壁流动的现象,偏流往往造成塔中心的填料不被润湿,降低表面利用率。根据再分布器各种规格的使用范围,最简单的液体再分布装置为截锥式再分布器。3.辅助设备的计算及选型3.1吸收塔的主要接管尺寸的计算气体进料管：注：u在10~30m/s之间,取u=15m/s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]P404查得选择热轧无缝钢管,则,在符合范围内。2.液体进料管：由于常压下塔液体进出口管速可取,故若取液体进出口流速近似为2.4175m/s,则由公式可求得液体进出口内径为采用直管进料,由《制药化工原理》[王志祥主编化学工业出版社]查得选择热轧无缝钢管,则〔在符合范围内3.2气体进出口压降〔1进口：〔2出口：3.3离心泵的选择与计算雷诺数：管内液体流速：则雷诺数3.局部阻力损失：三个标准截止阀全开;三个标准90°弯头；4.管路总压头损失填料塔压降：其它阻力压强较小,可忽略。6.扬程：7.流量：该泵扬程12.5米,流量6.3立方米/小时,转速1450转/分钟。4.设计一览表设计结果汇总设计名称水吸收氨气的填料吸收塔操作压强1atm填料数据种类填料尺寸泛点填料因子压降填料因子空隙率比表面积聚丙烯阶梯环Dn50127890.927114.2物性数据液相气相液体密度998.2kg/m混合气体的平均密度液体粘度混合气体的粘度液体表面张力940896混合气体平均摩尔质量27.2kg/kmol扩散系数扩散系数物料衡算数据Y1Y2X1X2气相流量G液相流量L最小液气比操作液气比0.17650.01060.054502540.59kg/h4654.58kg/h215.25kmol/h3.044工艺数据填料类型塔速塔径气相总传质单元数气相总传质单元高度填料层高度填料层压降塑料阶梯环2.4175m/s0.6m3.7180.2781m2.0m785pa填料塔附件气体进口管径238mm气体出口管径238mm风机离心泵选型号IS50-32-200泵合适,该泵扬程12.5米,流量6.3立方米/小时,转速1450转/分钟。5.总结课程设计使我充分理解到化工原理课程的重要性和实用性,首先培养了我们查阅资料,选用公式和数据的