水吸收氨填料吸收塔设计课程设计.doc

合 肥 学 院 hefeihefei u universityniversity 化化 工工 原原 理理 课课 程程 设设 计计 题题 目目: : 水吸收氨填料吸收塔设计水吸收氨填料吸收塔设计 系系 别别: : 生物与环境工程系生物与环境工程系 任务书 水吸收氨填料吸收塔设计 （一）设计任务 试设计一座填料吸收塔，用于脱出混于空气中的氨气。混合气体的处理为（自己确 定） ，其中含氨 5%，要求塔顶排放气体中含氨低于 0.02%。采用清水进行吸收，吸 收剂的用量为最小量的 1.1-2.0 倍。 （二）操作条件 1、操作压力 常压 2、操作温度 20 （三）填料类型 陶瓷拉西环、金属鲍尔环、陶瓷矩鞍，填料规格自选 （四）工作日 每年 300 天，每天 24 小时连续运行 （五）厂址 安徽地区 （六）设计内容 1、吸收塔的物料衡算 2、吸收塔的工艺尺寸计算 3、填料层压降的计算 4、液体分布器简要设计 5、绘制生产工艺流程图 6、绘制吸收塔设计条件图 7、对设计过程的评述和有关问题的讨论 （七）设计基础数据 20下氨在水中的溶解度系数为 h=0.725kmol/(m3*kpa). 目录目录 一、一、 文献综述文献综述4 4 （一）填料塔技术4 4 （二）填料塔的流体力学性能5 5 1填料层的持液量5 5 2填料层的压降5 5 3液泛5 5 4液体喷淋密度和填料表面的润湿5 5 5返混5 5 （三）填料塔的内件5 5 1填料支承装置5 5 2填料压紧装置5 5 3液体分布装置6 6 4液体收集及再分布装置6 6 二、流程的确定与说明二、流程的确定与说明 6 6 （一）吸收装置的流程确定6 6 （二）填料的选择6 6 三、三、 工艺计算工艺计算 .7 7 （一）基础物性数据6 6 1液相物性数6 6 2气相物性数据7 7 3气相平衡数据7 7 4混合气体的处理量7 7 （二）填料塔的工艺尺寸的计算7 7 1物料衡算7 7 2. 塔径计算8 8 3填料层高度计算9 9 4. 填料层压降计算1111 5. 液体分布器简要设计1111 四、设计结果概要四、设计结果概要.1212 五、五、主要符号说明主要符号说明.1212 六、参考文献六、参考文献.1313 七、七、对本设计的评述及心得对本设计的评述及心得1313 一、一、 文献综述文献综述 填料塔洗涤吸收净化工艺不单应用在化工领域 ,在低浓度工业废气净化方面也 能很好地发挥作用。工程实践表明 ,合理的系统工艺和塔体设计 ,是保证净化效果的 前提。本文简述陶瓷矩鞍填料应用于水吸收氨过程的工艺设计以及工程问题。 （一）填料塔技术（一）填料塔技术 填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备，它是化工类企业 中最常用的气液传质设备之一。而塔填料塔内件及工艺流程又是填料塔技术发展的 关键。从塔填料、塔内件以及工艺流程,特别是塔填料三方面对填料塔技术的现状与 发展趋势作了介绍,说明了塔填料及塔内件在填料塔技术中的重要性。与板式塔相比， 新型的填料塔性能具有如下特点：（1）生产能力大；（2）分离效率高；（3）压降 小；（4）操作弹性大；（5）持液量小。 填料塔由塔体、填料、填料支承板、液体分布器、液体再分布器、气体和液体 进出口接管等部件组成。 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。 填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大等优点。 填料塔也有一些不足之处，如填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿填料 表面，使传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧线进料和 出料等复杂精馏不太适合等。 （二）填料塔的流体力学性能（二）填料塔的流体力学性能 填料塔的流体力学性能主要包括填料层的持液量、填料层的压降、液泛、填料 表面的润湿及返混等。 1、填料层的持液量 填料层的持液量是指在一定操作条件下，在单位体积填料层内所积存的液体体 积，以(m3 液体)/(m3 填料)表示。总持液量为静持液量和动持液量之和，即 填料 层的持液量可由实验测出，也可由经验公式计算。一般来说，适当的持液量对填料 塔操作的稳定性和传质是有益的，但持液量过大，将减少填料层的空隙和气相流通 截面，使压降增大，处理能力下降。 2、填料层的压降 在逆流操作的填料塔中，从塔顶喷淋下来的液体，依靠重力在填料表面成膜状 向下流动，上升气体与下降液膜的摩擦阻力形成了填料层的压降。填料层压降与液 体喷淋量及气速有关，在一定的气速下，液体喷淋量越大，压降越大；在一定的液 体喷淋量下，气速越大，压降也越大。将不同液体喷淋量下的单位填料层的压降 dp/z 与空塔气速 u 的关系标绘在对数坐标纸。 3、液泛 在泛点气速下，持液量的增多使液相由分散相变为连续相，而气相则由连续相 变为分散相，此时气体呈气泡形式通过液层，气流出现脉动，液体被大量带出塔顶， 塔的操作极不稳定，甚至会被破坏，此种情况称为淹塔或液泛。影响液泛的因素很 多，如填料的特性、流体的物性及操作的液气比等。 4、液体喷淋密度和填料表面的润湿 填料塔中气液两相间的传质主要是在填料表面流动的液膜上进行的。要形成液 膜，填料表面必须被液体充分润湿，而填料表面的润湿状况取决于塔内的液体喷淋 密度及填料材质的表面润湿性能。 5、返混 在填料塔内，气液两相的逆流并不呈理想的活塞流状态，而是存在着不同程度 的返混。造成返混现象的原因很多，如：填料层内的气液分布不均；气体和液体在 填料层内的沟流；液体喷淋密度过大时所造成的气体局部向下运动；塔内气液的湍 流脉动使气液微团停留时间不一致等。 （三）填料塔的内件（三）填料塔的内件 填料塔的内件主要有填料支承装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体收集 再分布装置等。合理地选择和设计塔内件，对保证填料塔的正常操作及优良的传质 性能十分重要。 1、填料支承装置 填料支承装置的作用是支承塔内的填料，常用的填料支承装置有如图片 3-14 所 示的栅板型、孔管型、驼峰型等。支承装置的选择，主要的依据是塔径、填料种类 及型号、塔体及填料的材质、气液流率等。 2、填料压紧装置 填料上方安装压紧装置可防止在气流的作用下填料床层发生松动和跳动。填料 压紧装置分为填料压板和床层限制板两大类。 3、液体分布装置 液体分布装置的种类多样，有喷头式、盘式、管式、槽式及槽盘式等。 4、液体收集及再分布装置 液体沿填料层向下流动时，有偏向塔壁流动的现象，这种现象称为壁流。壁流 将导致填料层内气液分布不均，使传质效率下降。为减小壁流现象，可间隔一定高 度在填料层内设置液体再分布装置。 二、二、 流程的确定与说明流程的确定与说明 （一）吸收装置的流程确定（一）吸收装置的流程确定 逆流操作：气相自塔底进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出。逆流操 作特点是，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 中多采用逆流操作。 （二）填料的选择（二）填料的选择 填料的选择塔填料（简称为填料）是填料塔中的气液接触的基本构件，其优劣 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。 拉西环填料的气液分布较差，传质速率低，阻力大，通量小，目前工业上已很少应 用。鲍尔环填料由于环壁开孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率，气流阻 力小，液体分布均匀。与拉西环相比，其通量可增加 50%以上，传质效率提高 30%左 右，鲍尔环是目前应用比较广的填料之一。陶瓷矩鞍由于其具有高的密度和优异的 耐酸耐热性能，并且能耐除氢氟酸以外的各种无机酸、有机酸及有机溶剂腐蚀。陶 瓷矩鞍的形状有利于液体分布和增加民气体通道，它采用连续挤出的工艺进行加工， 与同种材质的拉西环填料相比，具有通量大、压降低、效率高等优点。比鲍尔环阻 力小、通量大、效率高、填料强度和刚性较好，是目前应用最广的一种散堆填料。 综上所述该课程设计选择陶瓷矩鞍填料，规格为 60mm30 mm4mm，其主要参数 如下： 填料类型 公称直径 dn/mm 外径高 厚 比表面积 at（m2/m3 ） 空隙率 /% 堆积个数 n/m-3 堆积密度 （kg/m3） 干填料因 子 m-1 陶瓷矩鞍38 603041310.80419680502252.0 三、工艺计算 （一）基础物性数（一）基础物性数据据 1 液相物性数 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，20 水的有关物性数据如下： 密度为 l=998.2 kg/m3 粘度为 l=0.001 pas=3.6 kg/（mh） 表面张力为 l=72.6 dyn/cm=940896 kg/h2 nh3在水中的扩散系数为 dl=1.7610-9 m2/s=6.33610-6m2/h 2 气相物性数据 混合气体的平均摩尔质量为 vm m0.05 17.030.952928.40 混合气体的平均密度为 3 1.181kg / m vm p 混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得 20空气的粘度为: 5 1.81 100.065 kg / m h v pa s 查手册得 nh3 在空气中的扩散系 522 d1.795x10 cm / s0.0646m / h v 3 气相平衡数据 已知 20时 nh3 在水中的溶解度系数为 h=0.725 kmol/(m3kpa), 常压下 20时 nh3在水中的亨利系数为 e=76.41kpa 相平衡常数为 m=0.754 4 混合气体的处理量为 100000kg/h （二）填料塔的工艺尺寸计算（二）填料塔的工艺尺寸计算 1. 物料衡算 1 1 5 2 0.05 0.05 0.0526 10.05 =0.05260.00021.052 10 101.3kpa20 273.15 100000 10.053951.73/ 22.4 293.15 kom h 进塔混合气体各组分的含量 y 进塔气相摩尔比为：y 出塔气相摩尔比为：y 塔内平均操作压强为，温度为 故混合气体中惰性气体的量为 12 min12 / yyl gymx 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 2 5 min 0 0.05261.052 10 0.7538 0.0526 / 0.7540 1.50.7538 1.51.13 x l g l g 对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为 取操作液气比为倍，则 1212 12 1 1.13 3951.734465.45/ v yyl xx 0.0465 / lkom h yy x l g 由全塔物料衡算式 可得： 2. 塔径计算 5 101.181118100/ v wkg h 采用埃克通用关联图计算泛点气速气相质量流量为 0.5 : 0.0234 0.21 vl vl pw wp 液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即 查图可知对应纵坐标为 1/2 2 0.2 5 0.21 9.81 998.2 17.2/ 252 0.0234 1.181 1 0.80.8 17.213.8/ 44 10 /3600 1.6013 3.14 13.8 d=1.8m vp f l f s u um s g uum s v m u 取 由d = 圆整塔径 5 2 10 /3600 u=10.92/ 0.785 1.8 10.92 100%63.49% 17.2 /1800/3847.378 f m s u u d d 泛点率校核 在允许范围内 填料规格校核 32 w min minw min 2 l0.08/. l0.081 13110.6 80467.4 / 998.2 31.710.6 0.785 1.8 d=1800mm t mm h ua u 液体喷淋密度校核： 取最小润湿速率为 经以上校核可知，填料塔直径选用合理 3. 填料层高度计算 1 2 12 22 5 w 0.7540.04650.0351 0 m0.7543951.73 s=0.667 4465.45 1 nln1 1 10.05260 ln10.6670.66722.3 10.6671.052 10 1ex og t ymx ymx v l yy ss syy a 脱吸因数为： 气相总传质单元数为 气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算： 0.050.20.10.75 22 2 2 2 l 2 0.75 w p1.45 =61dyn/cn=790560kg/h 80467.4 u =31637.7/ 0.785 1.8 79056031637. =1exp1.45 940896 cltll ltllltl c t uauu aag kgmh a 查材料得 液体质量通量为 0.050.2 0.1 22 28 731637.713131637.7 =0.684 131 3.6998.2940896 131998.21.27 10 0.71/3 v g 522 v 0.71/3 u =0.237 u =101.181/ 0.785 1.846433.9/ 46433.90.065131 0.035 0.2370.2 131 0.0651.181 0.0358.314 293.15 vtv tvvv g a d k adrt kgmh k 气膜吸收系数由下式计算 气体质量通量为 2 16/komlmh kpa 2/31/21/3 w 0.0095 lll l llll ug k d 液膜吸收系数由下式计算 1 3 2/3-1/2 8 6 1.1 g 1.11.1 g 0.4 31637.73.63.6 1.27 10 0.00950.678/ 0.648 131 3.6998.2 6.336 10998.2 . =1.19 0.26 0.648 131 1.1926.73 0.678 0.648 gw gw llw m h ak a ak a k ak a 、 由k，查常见填料的形状系数表得 则k 0.4 1.4 2.2 1.4 3 2.2 g 131 1.1961.7 63.49%50% 1 9.50.5 12.60.5 k1 9.5 0.63490.526.7342.1/ 12.6 0.63490.561.763.66 k f gg f ll f g l u u u ak a u u kak a u akomlmh kpa ka a 由k 得 则 og y 2 11 21.77 1111 41.263.33 v h= k 3951.73 0.704m 21.77 0.785 1.8101.325 0.704 22.315.6992m 1.25 z=1.25 15.699219.624m z=20m 58, max6 gl g ogog kahka v ak ap zhn h hm d : 由 取的安全系数，得 设计区填料层高度为 查散装填料分段高度推介表。对于矩鞍填料 5 m h d 。 取，则 5 180012000hmm 计算得填料层高度为200000m m , 故需要分段 4. 填料层压降计算 0.5 1 0.0234 252.0 vl vl p pw wp m 采用埃克通用关联图计算填料层压降 横坐标为 查散装填料因子平均值表得 l 22 0.20.2 v l 10.92140 0.02341.181 1 =0.047 9.81998.2 p/z=245.25pa/m p=245.25 20=4905pa p f u u g 纵坐标为 查埃克通用关联图得 填料层压降为 5. 液体分布器简要设计 （1）液体分布器的选型 该吸收塔液相负荷较大，而气相负荷相对较低，故选用槽式液相分布器。 （2）分布点密度计算 2 2 2 d120042/ m , m 8002035 按埃克建议值 时，喷淋点密度为点因该塔液相负荷较大， 设计取喷淋点密度为800点/ 布液点数为: n=0. 785 1. 8点 （3）布液计算 2 2 2 d120042/ m , m 8002035 按埃克建议值 时，喷淋点密度为点因该塔液相负荷较大， 设计取喷淋点密度为800点/ 布液点数为: n=0. 785 1. 8点 2 0 1/2 0 1/2 0 l2 4 =0.6h=160mm 4 2 4 80467.4/998.2 3600 0.0036 3.14 2035 0.6 2 9.81 0.16 4.0 s s d ng h l d ng h m mm 由 取， 设计取d （4）液体分布器装置的安装 对于此填料塔而言，由于塔径为 1800mm，填料层高度为 15700mm，为了提高塔 效率，故将其填料分为三层。 四、设计结果概要四、设计结果概要 吸收剂（水）流量: 80467.4 kmol/h 塔径：1800mm 塔高：20000mm 填料层压降：245.25pa/m 全塔填料层压降：4905pa 五、五、主要符号说明主要符号说明 3 3 0 2 l 2 v 3 og og 2 g l / m / m m m dm /s dm /s epa hm kmol/ hm n kkm t w a d m km -填料的总比表面积， -填料的润湿比表面积， -筛孔直径， d -塔径， -液体扩散系数， -气体扩散系数， -亨利系数，k -填料层分段高度， h -溶解度系数，（kpa） -气相总传质单元高度， -气相总传质单元数 -气膜吸收系数，km ol /