水吸收氨气填料塔设计

.z前言在近代工业的开展中，塔设备已成为一个非常重要的单元设备，广泛应用于炼油、化工、制药等过程工业上，对吸收、蒸馏和洗涤有着不可或缺的作用。它性能的优劣、技术水平的上下直接影响到产品的质量、产量、回收率、经济效益等各个方面。所以研究新型的的塔设备和强化气液两相传质过程及工业生产有着重要的意义。塔设备主要可分为两种：板式塔和填料塔。板式塔和填料塔在过去几十年中的开展速度有快有慢，竞争能力时有强弱。但总的来说，工业生产中因为处理量大所以还是以板式塔为主。而对于填料塔，一般都是用于小量原料的处理。但是在近些年来，人们对填料塔进展了大量的研究，却得了突破性的进展，目前应用规模的填料塔最大直径可达14~20m，突破了仅限于小塔的传统观念，并在现代化工生产中得到更为普遍的应用。对于新型的填料塔来说，它还具有以下几个优点：生产能力大，在需要论技术的别离过程中能耗小，可以更容易满足经济的应用热泵得要求。别离效率高压降小操作弹性大持液量小利用填料塔去别离化工过程中的产物或者处理工业生产中对环境有害的污染物已越来越普遍，而且也趋于主流，对人们的日常生过也起着非常大的作用。在使用填料塔进展别离物质时，必须事先对整个填料塔进展系统的计算与设计。结合能效、操作条件、经济等方面去考虑。充分了解到填料塔中个局部的物料情况和工作效益。使整个填料塔别离过程能符合平安、环保、节能和高效益，能真正用于工业生产中。氨是工业生产中一种极为重要的生产原料，在国民经济中占有重要地位。除液氨可直接作为肥料外，农业上使用的氮肥，例如尿素、硝酸铵、磷酸铵、氯化铵以及各种含氮复，都是以氨为原料的。合成氨是大宗化工产品之一，世界每年合成氨产量已到达1亿吨以上，其中约有80%的氨用来生产化学肥料，20%作为其它化工产品的原料。但这种极为重要的化工原料却对人的生命有着严重的危害，如果在工业生产中操作有失误，会威胁这生产人员的性命平安。氨是一种碱性物质，它对接触的皮肤组织都有腐蚀和刺激作用。可以吸收皮肤组织中的水分，使组织蛋白变性，并使组织脂肪皂化，破坏细胞膜构造。氨的溶解度极高，所以主要对动物或人体的上呼吸道有刺激和腐蚀作用，减弱人体对疾病的抵抗力。低浓度的氨对眼和潮湿的皮肤能迅速产生刺激作用。潮湿的皮肤或眼睛接触高浓度的氨气能引起严重的化学烧伤。急性轻度中毒：流泪、畏光、视物模糊、眼结膜充血。高浓度蒸气对眼睛有强刺激性，可引起疼痛和烧伤，导致明显的炎症并可能发生水肿、上皮组织破坏、角膜混浊和虹膜发炎。轻度病例一般会缓解，严重病例可能会长期持续，并发生持续性水肿、疤痕、永久性混浊、眼睛膨出、白障、眼睑和眼球粘连及失明等并发症。屡次或持续接触氨会导致结膜炎。轻度吸入氨中毒表现有鼻炎、咽炎、喉痛、发音嘶哑。氨进入气管、支气管会引起咳嗽、咯痰、痰有血。严重时可咯血及肺水肿，呼吸困难、咯白色或血性泡沫痰，双肺布满大、中水泡音。患者有咽灼痛、咳嗽、咳痰或咯血、胸闷和胸骨后疼痛等。严重吸入中毒可出现喉头水肿、声门狭窄以及呼吸道粘膜脱落，可造成气管阻塞，引起窒息。吸入高浓度的氨可直接影响肺毛细血管通透性而引起肺水肿，可诱发惊厥、抽搐、嗜睡、昏迷等意识障碍。个别病人吸入极浓的氨气可发生呼吸心跳停顿。所以，在有关氨的工业生产中为了防止含有氨的工业废气直接排入空气中，造成大气污染，影响人们的生命**，必须要对含有氨的工业废气进展吸收处理后才能排放。一般的生产氨的工厂中，都有尾气处理这一关键步骤。对于吸收尾气后得到的氨溶液可以把氨解吸重新再利用，或者制造成氨水，作为其他工业生产中的原料。在氨气吸收中，因为氨在水中的溶解体积比是1:700,。溶解度非常的大，而水又是廉价易得的物质，所以利用水来吸收氨气是一个符合经济效益和产物预算的方法。在本章得课程设计的过程中，就是研究和设计水吸收氨气的吸收塔。1水吸收氨气填料塔的设计条件及方案说明1.1任务及操作条件①混合气体〔空气、NH3〕处理量：2800m/h；②进塔混合气体中含NH310%〔体积分数〕，温度25℃；③进塔吸收剂：清水，温度：25℃④塔顶排放气体中NH3的含量0.04%⑤操作压力为常压：101.3Pa，操作温度：20℃1.2吸收填料塔的简介及各装置作用填料塔的塔身为直立圆筒，顶部有封头，封口焊接有排气管，用于吸收后的气体排放，底部装有进料口和支承板，用于固定塔身。塔身里堆放有填料，对于塔径大的吸收塔可在塔身焊接有手孔或人孔，便于对塔安装和清洗。填料塔塔身装有填料支撑装置，用于支撑塔的填料，而且保证气液两相能顺利通过。塔的液体进口处装有液体分布器，这样能使液体在填料均匀分布，可以增大填料的湿润外表积，提高别离效率。填料层每隔一定高度都安装液体再分装置，用于减小壁流现象。液体分布器上方通常安装有除沫装置，用于除去出口气流中的因气流过大造成液沫夹带的液滴。在填料层上方安装有填料压板，它能防止高压降、瞬时负荷波动等情况下，填料层发生松动或跳动。本课程设计是利用清水来吸收混合在空气中的氨气。混合气体从塔下方的进气口进入，清水由塔上方的进液口处进入，两相在通过填料层时，相互作用，发生传质。最终经过吸收后的气体由塔顶的排气口排出，含有大量氨组分的水则有塔底流出。1.3填料的选择从整个填料塔的装置来看，塔填料是填料塔的核心构件，是气液两相进展热和质交换的场所，它为气液两相间热、质传递提供了有效的相界面。塔填料的性质决定了填料塔的操作，只有优良的塔填料再辅以理想的塔件，才有望构成高效率，低本钱的填料塔。所以，塔填料选择得适宜与否是能否设计出一个好填料塔的关键性因素。在现代工业中，塔填料一般可分为两大类：规整填料和散堆填料。在材质上又有金属填料、瓷填料和朔料填料。一般在选择填料时要从它们的传质效率、通量、填料层的压降和价格等方面来综合考虑，而且填料规格〔公称尺寸或比外表积〕要符合填料塔的要求，塔径与填料尺寸的比值要有一规定，一般塔径与填料公称直径的比值D/d应大于8。规整填料虽然是空隙大、生产能力大、压降小但是由于它造价较高，而且易堵塞、难清洗，所以没有特殊生产要求就不常用。对于散堆填料中，常用的有拉西环填料、鲍尔环填料、阶梯环填料、弧鞍形填料。拉西环易生产且很廉价，但是经常使液体存在严重的沟流和壁流，造成传质效率不高。鲍尔环是对拉西环进展改进得到的，它的气通量比拉西环增加50%以上，传质效率提高30%左右，而阶梯环是比鲍尔环更进一步改进所得到的，是目前所使用的环形填料中最为优良的一种，而弧鞍填料堆积时易发生叠合，降低传质效率，不作首选。对于瓷填料来说它有很好的耐腐蚀性及耐热性，瓷填料价格廉价，具有很好的外表润湿性能，但是它质脆，容易压碎。而金属填料的通量大、气体阻力小，且具有很高的抗冲击性能，能在高温、高压、高冲击强度下使用，但是容易腐蚀，造价比拟高。塑料填料的材质主要包括聚丙烯〔PP〕、聚乙烯〔PE〕及聚氯乙烯〔PVC〕等，国一般多采用聚丙烯材质。塑料填料的耐腐蚀性能较好，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100°C以下使用。而且质轻、价廉，具有良好的韧性，耐冲击、不易碎。综合所有塔填料的优缺点比拟和经济效益比照，本次课程设计所选取的塔填料为朔料阶梯环，材质为聚丙烯，外径为50mm。2吸收塔工艺计算2.1根底物性参数及计算液相物性参数在吸收氨气过程中，使用清水作为吸收剂，且操作温度在20℃，所以查阅?化工物性数据手册?[4]得出：密度：=998.23kg/m3粘度：=1.0050mPa-s外表力：=72.88mN/m氨气在水中的扩散系数：DL=1.7610-9m2/s-1气相物性参数计算混合气体的平均摩尔质量：0.1×17+0.9×29=27.8g/mol∵PV=NRT∴摩尔体积Vmol=即平均密度为：==1.156kg/m3物料衡算查阅物性手册[4]可知道20℃时，氨气的亨利系数是：E=76.99kPa所以相平衡常数m===0.76即系统相平衡关系为：Y*=0.76***=：Y1=0.111Y2=0.0004*2=0所以*1===0.146进塔前混合气体氨组分的摩尔比：Y1===0.111出塔气氨组分的摩尔比：Y2===0.0004混合气体的摩尔流量==kmol/h=116.44kmol/h即惰性气体的摩尔流量V=116.44×0.9=104.79kmol/h所以最小液气比〔〕min===0.758取实际液气比为最小液气比的2倍得：=2()min=2×0.758=1.516即可以求出实际液体摩尔流量：L=1.516×V=1.516×104.79=158.86kmol/h求得真实液体摩尔流量，进展全塔物料衡算：V(Y1－Y2)=L(*1－*2)所以：*1==求得实际吸收后的摩尔比为：*1=0.0732.2填料塔工艺尺寸计算2.2.1填料塔塔径计算由上述的计算已得出混合气体的平均摩尔质量：=27.8g/mol所以气体的质量流量WG=Q·=2800×1.156kg/h=3236.8kg/h因为氨气的相对分子质量与水的相差很小，且水吸收氨气后，氨气在水中的摩尔比也很小，所以吸收后的液体平均摩尔质量可视为水的摩尔质量:M=18g/mol密度：=998.23kg/m3即液体的质量流量WL=L·M=158.86×18kg/h=2859.51kg/h贝恩-霍根的泛点关联式：lg=A－1.75其中：a—填料的比外表积—填料的孔隙率取决于填料的常数朔料阶梯环特性数据参考表：填料名称公称直径/mm个数/(1/m3)堆积密度/(kg/m3)孔隙率/(m3/m3)比外表积/(m2/m3)填料因子/(干)m-1朔料阶梯环258150097.80.9228312.8239382720057.50.91132.5175.8501074054.30.927114.2143.176342068.40.92990112.3常用散堆填料A值：填料名称A填料名称A瓷拉西环0.022瓷阶梯环0.2943朔料鲍尔环0.0942朔料阶梯环0.204金属鲍尔环0.1金属阶梯环0.106瓷矩鞍0.176金属环矩鞍0.06225通过查表[1]可知直径为50mm的朔料鲍尔环(m)：a=114.2m2/m3=0.927A=0.204所以：lg=0.204－1.75×计算得：lg=－0.5247即=10-0.49=0.2987所以：=0.2987×即==4.202m/s取泛点气速的0.8倍作为填料塔的操作气速得到操作气速u=0.8=0.8×4.202=3.362m/s又因为填料塔径D==2800÷3600=0.778m3/s所以D===0.5429m将计算值取圆整得到实际塔径：D=0.6m实际气体流速：u==2.75m/s所以泛点率校核==65.4%〔在符合围〕因为填料的公称直径为50mm，即(Lw)min=0.08Umin=(Lw)min·a=0.08×114.2=9.136U==10.14＞9.136600÷50=12＞8经过校核，填料塔直径选用0.6m是适宜的。所以塔的总截面积S==3.14÷4×=0.2826m2填料层的高度计算由前述可知塔液相和气相的物性：=998.23kg/m3=1.156kg/m3=1.005mPa·s=1.81×10-5Pa·s=72.88mN/m又因为气相的扩散系数用麦克斯韦尔——吉利兰公式[1]求得===1.791×10-5m2/s所以气相扩散系数：DG=1.791×10-5m2/s液相扩散系：DL=1.76×10-9m2/s气液两相的流率为==kg/m2·s=2.811kg/m2·s==kg/m2·s=3.182kg/m2·s采用修正的恩田传质系数关联式：kG=0.237查表可知:a=114.2m2/m31.45=33所以：kG==0.237×170.27×0.9862×8.396×10-7×1.505=5.029×10-5(kmol/m2·s·kPa)又填料湿外表积：因为：==0.552==1.377==1.591==0.249所以：=40.4(m2/m)再采用修正的田恩关联式[1]求液相传质系数kL==0.0095×=0.0095×16.86×0.0418×0.0215×1.16=1.67×10-4(m/s)所以：=5.029×10-5×40.4=2.03×10-3kmol/(m3·s·kPa)=1.67×10-4×40.4=6.75×10-3(1/s)又因为=65.4%＞50%，所以需要校正。==3.435×10-3kmol/(m3·s·kPa)==7.04×10-3(1/s)==2.047×10-3kmol/(m3·s·kPa)==0.4967(m)因为解吸因素：S==0.501==9.888Z==0.4967×9.888=4.91m考虑到计算公式的偏差，实际上应取=4.91×1.2=5.89m取Z=6m阶梯环中，hma*＜6m取h=5D=5×0.6=3m所以可将填料层分成2段，每段3米，两段填料层之间安装一个液体再分布器。填料层压降计算埃克特泛点气速关联图如下：又因为：==0.03查表得：朔料鲍尔环的泛点填料因子：=89==0.162所以查Eckert图可知道=155×9.81=1520.5Pa·m-1即=1520.5×6=9123.3Pa3附属设备的设计3.1液体初始分布器工艺设计分布点密度计算：根据Eckert的建议值[2]可知，当D=750mm时，喷淋点密度为170点/m2,D=400mm时，喷淋点密度为330点/m2因为课程所设计的塔径为600mm，所以可以设喷淋点密度为280点/m2即布液数为：n=280×0.785×0.62≈80布液计算：因为：且所以孔径取则=0.0066m=6.6mm3.2液体再分布器塔径D=0.6m，填料层高度为6m，为了防止吸收液在填料层中产生偏流或壁流，所以将填料层分成两段，每段3米，中间安装再分布装置。因为塔径为0.6m，所以可以选择华兴再分布器。根据花型再分布器的主要尺寸表查[3]的：600mm的塔径，应选用锥径为440mm,锥体高度为32mm的的花型再分布器。直接固定在填料层外表。3.3除沫、填料支承及压紧装置丝网除沫器是最常用的除沫器，而且除沫效率高，压降比拟在120~250Pa,比拟适中。本设计中选用盘型下装式丝网除沫器，厚度为100mm。因为通过丝网最大气速:取k=0.2，=5.87m/s取实际气速为最大气速的0.7倍，得：u==0.7×5.87=4.11m/s又因为除沫器的直径==0.49m圆整为0.5m所以除沫器的直径为0.5m。3.4填料支承及紧压装置在选择填料支承装置时，一定要满足：有足够的强度和刚度，以支持填料及其所持液体的重量有足够的开孔率，防止在支承装置处发生液泛。构造上应有利于气液相的均匀分布，同时不至于产生较大的阻力〔一般阻力不大于20Pa〕构造简单易于加工制造和安装。因为本次设计的填料塔塔径是600mm，属于小型塔，所以选择的是栅格形支承装置。选取栅条间距为填料外径的0.8倍，提高栅格的自由截面率，并可预先在栅格板上放铺一层较大尺寸的填料，再放入小尺寸填料。即栅条的间隔d=0.8×50mm=40mm，每块栅板宽度为400mm。以“C〞字型安装支撑梁，栅板统一由人孔安装与拆卸。填料限定装置主要使填料床保持稳定，防止高气相负荷或负荷变动时填料层发生松动，破坏填料层或造成填料流失。填料限定装置主要分为两种，一种是靠重力来压紧填料层，称为填压料板，另一种是床层限定板，主要用于瓷填料。本次设计采用栅条形压板，栅条间隔为填料直径的0.8倍，即d=0.8×50=40mm，每平方米1100N。4吸收塔高及接收尺寸计算4.1吸收塔的塔高计算塔上上部空间高度，可取为1.2m，液体分布器约为0.8m,液体再分布器的空间高度越为0.9m。考虑到气相接收所占空间高度，底部空间高度可取1.3米。假设塔底液相停留时间按3min考虑，则塔釜液所占空间高度为：=0.51m所以塔附属高度=4.71m即总的塔高H=6+4.71=10.71m4.2液体进料管计算为了防止流速过大引起管道冲蚀、磨损、震动和噪音，查阅书籍建议液体流速一般为0.5~3m/s,因为该吸收在低浓度下进展，即液体进出口径一样所以选取液体进出口流速为1m/s，所以根据公式：==0.032m=32mm查普通无缝钢管表〔GB8163—87〕，可选用38mm×3mm的无缝钢管，径为d=38－3×2=32mm4.3气体进料管计算进气体积为：2800m3/h查阅书籍可知气体流速一般为10~30m/s,取气体流速u=20m/s所以进气管的径d===0.223m=223mm查无缝钢管〔GB8163—87〕表，可选用273mm×25mm的无缝钢管,径d=273－25×2=223mm。对气体流速进展校核：=19.92m/s校核在符合围。5风机和离心泵的计算与选择5.1离心泵的计算和选择进液管的管径为32mm，所以液体的实际流速=0.99m/sRe===34166.6查表[5]得无缝钢管的相对粗糙度，相对粗糙度=0.00313雷诺数Re=34166.6,=0.00313所以查得摩擦系数=0.026查表得截止阀全开时阻力系数0.6，两个90°的弯头总阻力系数2×0.75=1.5设吸入管伸进水里0.3m，横接收3.5m所以总管长L=9.51+0.3+3.5=13.31m即管路的压头损失：=6.33m对吸液面和喷液面列伯努利方程得：所以：=9.51+6.33+m=15.89m选用IS50－32－125型离心泵，必须汽蚀余量2.0~2.5因为20℃时，水的饱和蒸汽压=2.335kPa101.3kPa吸入管长1.3米，接有一个90°的弯头，即吸入管路的压头损失为：=0.87m离心泵最大允许安装高度：=6.74m即离心泵的最大允许安装高度为6.74m，本设计取安装高度为1.5m。5.2风机的计算和选择选择风机时，要根据所输送气体的性质与风压围，确定风机的材料和类型，然后根据技术的风量和系统所要求的风压，参照风机样本选用适合的风机型号。在选用风机时风压要把操作条件下的数字换成风机实验操作下得风压HT。设风机进口处为截面1-1,，塔底处截面为2-2,，由这两面列伯努利方程可得离心通风机的风压为：由于和很少，所以可以忽略，风机的进出口管路很短，所以也可以忽略不计。即=9123.3－=8951.7Pa所以=9293.4Pa根据气体的流量和风压，应选择Y250M－2风机，流量：5532m/3，=76.2%，功率W=27kw，转速2900r。6设计—栏表吸收塔类型聚丙烯阶梯环吸收填料塔〔混合气体处理量2800m3/s〕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孔隙率比外表积聚丙烯阶梯环DN50127m-189m-10.927114.2物性数据液相气相液体密度998.23kg/m3混合气体平均密度1.156kg/m3液体粘度1.005mPa·s混合气体粘度1.81×10-5Pa·s液体外表力72.88mN/m混合气体平均摩尔质量27.8g/mol扩散系数1.76×10-9m2/s扩散系数1.76×10-9m2/s填充系数填充系数物料衡算数据Y1Y2*1*2气相摩尔流量液相摩尔流量0.1110.00040.0730104.79kmol/h158.86kmol/h工艺数据填料类型塔高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朔料阶梯环10.71m0.6m9.8880.4967m6m9123.3Pa辅助设备数据液体分布器点数80点气体进出口管径273mm×25mm液体进料管径38mm×3mm离心泵型号IS50－32－125风机型号Y250M－27结语在本次课程设计中，可让我们大概清楚认识到在工业生产中，塔设备的重要性和设计一个适宜的吸收塔大概所需要的步骤，让我们清楚了解到吸收塔中的每个部件和作用，以及每个塔附属装置的选择和计算。这次的填料塔在开场