处理量2400m3h水吸收氨气填料塔设计.doc

处理量2400m3/h水吸收氨气填料塔设计一、设计任务和操作条件（一） 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_2400_m3/h，其中含氨为_8%_（体积分数），混合气体的进料温度为25。要求：塔顶排放气体中含氨低于_0.04%_（体积分数）；（二） 操作条件（1）操作压力： 常压 （2）操作温度：20（3）吸收剂用量为最小用量的1.8倍（三） 填料类型填料类型选用聚丙烯阶梯环填料，填料规格自选。（四） 设计内容（1）设计方案的确定和说明（2）吸收塔的物料衡算； （3）吸收塔的工艺尺寸计算； （4）填料层压降的计算； （5）液体分布器简要设计； （6）绘制液体分布器施工图（7）吸收塔接管尺寸计算； （8）设计参数一览表；（9）绘制生产工艺流程图（A3号图纸）； （10）绘制吸收塔设计条件图（A3号图纸）； （11）对设计过程的评述和有关问题的讨论。目 录1. 设计方案简介 11.1设计方案的确定11.2填料的选择12. 工艺计算 12.1 基础物性数据12.1.1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 22.2 填料塔的工艺尺寸的计算32.2.1 塔径的计算 32.2.2 填料层高度计算 52.2.3 填料层压降计算 72.2.4 液体分布器简要设计83. 辅助设备的计算及选型 8 3.1 填料支承设备 93.2填料压紧装置 93.3液体再分布装置94. 设计一览表 95. 后记106. 参考文献107. 主要符号说明108. 附图（工艺流程简图、主体设备设计条件图）二、设计方案1设计方案简介11设计方案的确定1.1.1吸收工艺流程的确定吸收装置的流程主要有以下几种。1.1.1.1逆流操作气相自塔底进入塔顶排出，液体反向流动，即为逆流操作。逆流操作的特点是，传质平均推动力大，传质速率快，分离程度高，吸收剂利用率高。工业上多采用逆流操作。1.1.1.2并流操作气液两相均从塔顶流向塔底，此即并流操作。其特点是系统不受液流限制，可提高操作气速，以提高生产能力。其通常用于以下情况：当吸收过程的平衡曲线较平坦时，流向对吸收推动力影响不大；易溶气体的吸收或处理的去气体不需要吸收很完全；吸收剂用量特别大，逆流操作易引起液泛。1.1.1.3吸收剂部分再循环操作在逆流操作系统中，用泵将吸收塔排出液体的一部分冷却后与补充的新鲜吸收剂一同送回塔内，即为部分再循环操作。通常用于已下情况：当吸收剂用量较小，为提高塔的液体喷淋密度；对于非等温吸收过程，为控制塔内的温升，需取出一部分热量。该流程特别适宜于平衡常数m很小的情况，通过吸收液的部分再循环，提高吸收剂的使用效率。其平均推动力要低，接需设置循环泵，操作费用增加。1.1.1.4多塔串联操作若设计的填料层高度过大，或由于所处理物料等原因需经常清理填料，为便于维修，可把填料层分装在几个串联的塔内，每个吸收塔通过的吸收剂和气体量都相等，即为多塔串联操作。此种操作因塔内需留较大空间，输液，喷淋，支撑板等辅助装置增加，使设备投资加大。综上所述，在实际应用中，根据生产任务、工艺特点，该设计选用逆流操作的流程装置。 11.1.2吸收剂的选择对于吸收操作，选择适宜的吸收剂，具有十分重要的意义。其对吸收操作过程的经济性有着十分重要的影响。一般情况下，选择吸收剂，要着重考虑如下问题：（1） 对溶质的溶解度大。（2） 对溶质有较高的选择性。（3） .挥发度要低。（4） 再生性能好。（5） 吸收剂的黏度小，有利于气液两相接触良好，提高传质速率。（6） 吸收剂应具有良好化学稳定性好，不易燃，无腐蚀性，无毒，易得，廉价等特点。用水吸收氨气属中等溶解度的吸收过程，为提高传质效率和分离效率，选用逆流吸收流程，此过程吸收剂利用率也较高。因用水作为吸收剂，且氨气不作为产品，故采用纯溶剂。采用常规逆流操作流程，流程如下：（流程说明:混合气体进入吸收塔，与水逆流接触后，得到净化气排放；吸收氨气后的水，经取样计算其组分的量，若其值符合国家废水排放标准，则直接排入地沟，若不符合，待处理之后再排入地沟。） 21.2填料的选择填料塔的基本特点是结构简单，压力降小，传质效率高，便于采用耐腐蚀材料制造等，对于热敏性及容易发泡的物料，更显出其优越性。填料的选择包括填料的种类、规格及材质等。所选的填料既要满足生产工艺的要求，又要使设备投资和操作费用低。几种典型的散装填料：（1） 拉西环填料拉西环填料于1914年由拉西（F. Rashching）发明，为外径与高度相等的圆环。拉西环填料的气液分布较差，传质效率低，阻力大，通量小，目前工业上已较少应用。（2） 鲍尔环填料鲍尔环填料是对拉西环的改进，在拉西环的侧壁上开出两排长方形的窗孔，被切开的环壁的一侧仍与壁面相连，另一侧向环内弯曲，形成内伸的舌叶，诸舌叶的侧边在环中心相搭。鲍尔环由于环壁开孔，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，鲍尔环的气体通量可增加50%以上，传质效率提高30%左右。鲍尔环是一种应用较广的填料。（3） 矩鞍填料填料矩鞍填料 将弧鞍填料两端的弧形面改为矩形面，且两面大小不等，即成为矩鞍填料。矩鞍填料堆积时不会套叠，液体分布较均匀。矩鞍填料一般采用瓷质材料制成，其性能优于拉西环。目前，国内绝大多数应用瓷拉西环的场合，均已被瓷矩鞍填料所取代。（4） 阶梯环填料阶梯环填料是对鲍尔环的改进，与鲍尔环相比，阶梯环高度减少了一半并在一端增加了一个锥形翻边。由于高径比减少，使得气体绕填料外壁的平均路径大为缩短，减少了气体通过填料层的阻力。锥形翻边不仅增加了填料的机械强度，而且使填料之间由线接触为主变成以点接触为主，这样不但增加了填料间的空隙，同时成为液体沿填料表面流动的汇集分散点，可以促进液膜的表面更新，有利于传质效率的提高。阶梯环的综合性能优于鲍尔环，成为目前所使 3 用的环形填料中最为优良的一种。（5） 金属环矩鞍填料金属环矩鞍填料 环矩鞍填料（国外称为Intalox）是兼顾环形和鞍形结构特点而设计出的一种新型填料，该填料一般以金属材质制成，故又称为金属环矩鞍填料。环矩鞍填料将环形填料和鞍形填料两者的优点集于一体，其综合性能优于鲍尔环和阶梯环。填料的种类的选择要考虑分离工艺的要求，如传质效率、通量、填料层的压降、填料的操作性能，还要便于安装、拆卸和检修。填料的规格的选择有散装填料规格和规整填料规格。填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。选择填料材质应根据吸收系统的介质，工艺物料的腐蚀性及操作温度而定。对于腐蚀性介质应采用相应的抗腐蚀性材料，如陶瓷，塑料，玻璃，石墨，不锈钢等，对于温度较高的情况，应考虑材料的耐温性能。拉西环 鲍尔环 阶梯环 弧鞍形填料 矩鞍形填料综上所述，用水吸收氨气是在t=20，P=101.3kPa的条件下进行的，其操作温度及操作压力较低，考虑到耐溶剂的腐蚀和价廉，所以工业上选用塑料散装填料。在塑料散装填料中，塑料阶梯环填料的综合性能较好，故此选用填料为散装聚丙烯DN50阶梯环填料。国内阶梯环特性数据材质外径d，mm外径高厚dH比表面积at，m2/m3空隙率，m3/m3个数n，个/m3堆积密度p，kg/m3干填料因子at/3，m-1填料因子，m-1塑料253850762517.51.43819150301.576373228132.5114.289.950.900.910.9270.92981500272009980342097.857.576.868.4313175143112240120807242工艺计算2.1 基础物性数据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，20时水的有关物性数据如下：密度为 L=998.2 kg/m3 粘度为表面张力为L=72.6dyn/cm=940896 kg/h2氨气在水中的扩散系数：DL=1.8010-9 m2/s=1.8010-93600 m2/h=6.480 10-6m2/h2.1.2气相物性的数据进塔混合气体温度为25 混合气体的平均摩尔质量为 MVM=yiMi=0.08017+0.92029=28.04g/mol混合气体的平均密度为 vm=101.328.04(8.314298)=1.146Kgm3混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得25空气的粘度为 V=1.835105Pas=0.066Kg（mh）查化工原理教材得氨气在25空气中的扩散系数为 Dv= 0.236cm2/s=0.23610-4m2/s2.1.3气液相平衡数据 20下氨在水中的溶解度系数：,常压下20时亨利系数：=998.2(0.72518.02)=76.40Kpa 相平衡常数： 52.1.4 物料衡算进塔气相摩尔比：Y1=0.080（10.080）=0.087出塔气相摩尔比：Y2=0.0004/（10.0004）=0.0004进塔惰性气相流量：V=240022.4273（273+25）（10.080）=90.302Kmolh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：（）min=对纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为 X2=0，则（）min=（0.0870.0004）(0.0870.7540)=0.751取操作液气比为最小液气比1.8倍，则=1.80.751=1.352， 因此 L=1.35290.302=122.088Kmolh由全塔物料衡算得： V（Y1Y2）=L（X1X2）， 得X1=90.302(0.0870.0004) 122.088=0.06412.2 填料塔的工艺尺寸的计算2.2.1 塔径的计算考虑到填料塔内塔的压力降,塔的操作压力为101.3 6 塔径气相质量流量为：=24001.146=2750.4Kgh液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即: =122.08818.02=2200.026/hEckert通用关联图的横坐标为图1 填料塔泛点和压降的通用关联图（引自化工原理教材）图中 、分别为气液相流率， 、分别为气液相密度，液相粘度， 液相密度核正系数实验测取的填料因子，各种填料的值载于填料性能表中g重力加速度查图1得 7 查表得 取 由 圆整塔径，取D=0.5m泛点率校核：3.3973.624100=93.7填料规格校核：液体喷淋密度校核：因填料为50mm25mm1.5mm,塔径与填料尺寸之比大于8，固取最小润湿速度为（Lw）min=0.08 m3/(mh)，查常用散装填料的特性参数表，得at=114.2m2/m3 Umin=（LW）min at =0.08114.2=9.136m3m2h U=122.08818.02998.2（0.7850.52）=11.231Umin经以上校核可知，填料塔直径选用D= 500mm是合理的。 82.2.2 填料层高度计算查表知， 0，101.3 下，在空气中的扩散系数：由，则293，101.3下，在空气中的扩散系数：液相扩散系数：Y1*=mX1=0.7540.0641=0.048 ， Y2*=mX2=0 9脱吸因数：S=mVL=0.75490.302122.088=0.558气相总传质单元数： =1（10.558）ln（10.558）（0.0870）（0.00040）=8.182气相总传单元高度采用修正的思田关联式计算： 液体质量通量为UL=122.08818.02(0.7850.52)=11210.322Kgm2h气体质量通量为Uv=24001.146 (0.7850.52)=14014.777Kgm2h气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算： 9不同材质的c值见下表材质钢陶瓷聚乙烯聚氯乙烯碳玻璃涂石蜡的表面表面张力，N/m10375613340567320查表知，=1-exp-1.45（427680940896）0.7511210.322（114.23.6） 0.111210.3222114.2（998.221.27108） -0.05 11210.3222（998.2940896114.2） 0.2=0.366 气膜吸收系数由下式计算：液膜吸收系数由下式计算：=0.550(m/h)由，查下表得：各类填料的形状系数填料类型球棒拉西环弧鞍开孔环值0.720.7511.191.45 103.3973.624100=93.750 由 得由HOG=由Z=HOGNOG=0.2788.182=2.275mZ=1.52.275=4m设计取填料层高度： Z=4m 11查表，对于阶梯环填料，hmax4.8m ，设计填料层高度：4m。2.2.3 填料层压降计算采用Eckert通用关联图计算填料层压降横坐标为：已知： 纵坐标：通用压降关联图查图上图得，PZ=1009.81=981.00Pam 12填料层压降为：P=981.005=4.905KPa2.2.4 液体分布器简要设计液体分布器的选型：该吸收塔液相负荷较大，而气相负荷相对较低。故选用槽式分布器。 分布点密度计算：按Eckert建议值，D=400时，喷淋点的密度为330点m2，D=750时，喷淋点的密度为170点m2，设计取喷淋密度为280点m2。则总布液孔数为：n=0.7850.52280=55 实际总布液孔数：54点 布液计算： 13由 取，则=3.686m3. 辅助设备的计算及选型3.1 填料支承设备支填料支承装置用于支承塔填料及其所持有的气体、液体的质量，同时起着气液流道及气体均布作用。故在设计支承板是应满足下列三个基本条件：（1）自由截面与塔截面之比不小于填料的空隙率；（2）要有足够的强度承受填料重量及填料空隙的液体；（3）要有一定的耐腐蚀性。用竖扁钢制成的栅板作为支承板最为常用，如下图中的（a）。栅板可以制成整块或分块的。一般当直径小于500mm时可制成整块；直径为600800mm时，可以分成两块；直径在9001200mm时，分成三块；直径大于1400mm时，分 13成四块；使每块宽度约在300400mm之间，以便拆装。栅板条之间的距离应约为填料环外径的0.60.7。在直径较大的塔中，当填料环尺寸较小的，也可采用间距较大的栅板，先在其上布满尺寸较大的十字分隔瓷环，再放置尺寸较小的瓷环。这样，栅板自由截面较大，如下图（c）所示。当栅板结构不能满足自由截面要求时，可采用如下图（b）所示的升气管式支承板。气相走升气管齿缝，液相由小孔及缝底部溢流而下。这类支承板，有足够齿缝时，气相的自由截面积可以超过整个塔德横截面积，所以绝不会在此造成液泛。本设计塔径D=500mm，采用结构简单、自由截面较大、金属耗用量较小，由竖扁钢制成的栅板作为支承板，将其制成整块，栅板条之间的距离约为24.7mm。为了改善边界状况，可采用大间距的栅条，然后按正方形排列的瓷质十字环，作为过渡支承，以取得较大的孔隙率。由于采用的是50mm的填料，所以可用75mm的十字环。填料支撑装置对于保证填料塔的操作性能具有重大作用。采用结构简单、自由截面较大、金属耗用量较小的栅板作为支撑板。为了改善边界状况，可采用大间距的栅条，然后按正方形排列的瓷质十字环，作为过渡支撑，以取得较大的孔隙率。由于采用的是的填料，所以可用的十字环。塔径D=500mm，设计栅板制成整块，每块宽度为400mm，每块重量不超过 700N，以便从人孔进行装卸。（a）栅板 （b）升气管式 （c）十字隔板环层 143.2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，每类又有不同的型式，填料压板自由放置于填料层上端，靠自身重量将填料压紧。它适用于陶瓷、石墨等制成的易发生破碎的散装填料。床层限制板用于金属、塑料等制成的不易发生破碎的散装填料及所有规整填料。床层限制板要固定在塔壁上，为不影响液体分布器的安装和使用，不能采用连续的塔圈固定，对于小塔可用螺钉固定于塔壁，而大塔则用支耳固定。本设计中填料塔在填料装填后于其上方安装了填料压紧栅板。3.3液体再分布装置气液两相在填料层中流动时，受阻力的影响，易发生偏流现象，导致乱堆填料层内气液分布不均，使传质效率下降。为防止偏流，可间隔一定高度在填料层内设置再分布装置，将流体先经收集后重新分布。最简单的再分布装置为截锥式再分布器，其结构简单安装方便。故选择截锥式再分布器。本设计采用的是分配锥形的再分布器，其最简单沿壁流下的液体用分配锥再将它导入中央截锥小头的直径一般为 ,本设计取5000.8=400mm，为了增加气体流过是的自由截面积，在分配锥上开设4个管孔，锥体与塔壁夹角取在，取h=80mm。 154.设计参数一览表课程设计名称水吸收丙酮填料吸收塔的设计操作条件操作温度：20操作压力：常压物性数据液相气相液体密度L998.2kg/m3混合气体平均摩尔质量 MVm28.04g/mol液体粘度L3.6kg/(mh)混合气体的平均密度Vm1.146kg/m3液体表面张力L0.001004 Pas （3.6kg/mh）混合气体的粘度Vm0.066kg/(mh)丙酮在水中的扩散系数DL6.480 10-6m2/h丙酮在空气中的扩散系数Dv0.236cm2/s重力加速度g9.81m/s2气相平衡数据丙酮在水中的亨利系数E相平衡常数m溶解度系数H76.40Kpa0.7540.725kmol/(kPam3)物料衡算数据Y1Y2X1X2气相流量V液相流量L最小液气比操作液气比0.0870.00040.0641090.302kmol/ h122.088 kmol/h0.7511.352工艺数据气相质量流量(kg/h)液相质量流量(kg/h)塔径m气相总传质单元数气相总传质单元高度m填料层高度m填料层压降Kpa2750.42200.0260.58.8120.36644.905 165. 后记经过了近一周时间的课程设计，现在终于完成了这次的课程设计。我的化工原理课程设计是水吸收氨过程填料塔的设计，这是关于吸收中填料塔的设计。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优点。在填料的选择中，从经济方面考虑采用聚丙烯阶梯环填料，填料颗粒大小，我采用试差法，来认为DN50计算得的结果比比较好。虽然在同类填料中，尺寸越小的，分离效率越高，但它的阻力将增加，通量减小，填料费用也增加很多。用DN50计算所得的D/d值也符合阶梯环推荐值。解决了上面的问题之后就是通过查找手册之类的书籍来确定辅助设备的选型，我选择栅板支承装置作为填料支撑，并选择好喷淋装置。本设计我们所设计的填料塔持液量小，填料塔结构较为简单，造价适合。不过，它的操作范围小，填料润湿效果差，当液体负荷过重时，易产生液泛，不宜处理易聚合或含有固体悬浮物的物料等。通过这次的课程设计，让我从中体会到很多。课程设计是我们在校大学生必须经过的一个过程，通过课程设计的锻炼，可以为我们即将来的毕业设计打下坚实的基础！使我充分理解到化工原理课程的重要性和实用性，更特别是对各方面的了解和设计，对实际单元操作设计中所涉及的各个方面要注意问题都有所了解。 通过这次对填料吸收塔的设计，培养了我们的能力：首先培养了我们查阅资料，选用公式和数据的能力，其次还可以从