水吸收氨填料塔课程设计.doc

目录目录 1 1 概述 概述 3 1 1 吸收技术概况 3 1 2 填料塔概况 4 1 3 设计方案简介 5 2 2 工艺计算 工艺计算 6 2 1 基础物性数据 6 2 1 1 液相数据 6 2 1 2 气相数据 7 2 1 3 气液相平衡数据 7 2 1 4 物料衡算 7 2 2 填料塔的工艺尺寸的计算 14 2 2 1 塔径的计算 14 2 2 2 填料层高度计算 15 2 2 3 填料层压降计算 18 2 2 4 液体分布器简要设计 18 3 3 辅助设备的计算及选型辅助设备的计算及选型 19 3 1 吸收塔的主要接管尺寸的计算 19 3 2 气体进出口压降 19 3 3 离心泵的选择与计算 19 4 4 设计一览表设计一览表 20 5 5 总结总结 21 2 1 概述 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 3 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 4 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 5 比表面积 a 114 2 32 mm 空隙率 0 927 填料因子 1 89m 表2 1 国内阶梯环特性数据 材 质 塑 料 外径 d m m 25 38 50 76 外径 高 厚 d H 25 17 5 1 4 38 19 1 50 30 1 5 76 37 3 比表面积 at m2 m3 228 132 5 114 2 89 95 空隙率 m3 m 3 0 90 0 91 0 927 0 929 个数 n 个 m3 81500 27200 9980 3420 堆积密度 p kg m 3 97 8 57 5 76 8 68 4 干填料因子 at 3 m 1 313 175 6 143 1 112 填料因子 m 1 240 120 80 72 2 工艺计算 工艺计算 2 1 基础物性数据 2 1 1 液相数据 水的密度 3 998 2 l kg m 0 001 3 6 l pa skg m h 黏度 表面张力 2 72 6 940896 dyn cmkgh 3 3 20 0 725 CNHHkmol mkpa 62 3 20 7 34 10 l CNHDmh 22 3 20 0 225 v CNHDcmsmh 的微分溶解热 34738J mol 3 NH 2 1 2 气相数据 1 混合气体的平均摩尔质量为 0 15 0 170 852927 2 VMii My mkg kmol 6 2 混合气体密度 33 3 101 325 1027 2 10 1 0586 8 314313 15 v PM kg m RT 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 C 6 19 1 100 0688 v pa skg m h 2 1 3 气液相平衡数据 已知 20下氨在水中的溶解度系数C 725 0 3 kpamkmolH 亨利系数 相平衡常数 S L HM E 754 0 3 10102 18725 0 2 998 PHM P E m S L 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 2 1 4 物料衡算 水吸收氨气平衡关系 11 nnLnn xxCtt 11 nnnn L ttxx C 1nn L ttx C 0 0030 005 x 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 L C 4 174 18 75 132kJ kmol k 75 132J mol K 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 Pa T k 1 E mymx P y Y y L C tEmyY x 7 取值 0 005 也有固定值 x L x C 34748 0 0052 31246 75 132 当 x 0 0 005 时 lgE 11 468 4 9116 x 1922 273 1520 E 81588 61pa 0 8059atm 0 8059 0 0 0 E m P ymx 1 y Y y Y X m 当 x 0 005 时 20 273 15 2 31246 295 46k 21 L ttx C lgE 11 468 4 9629 E 91812 12pa 0 9062atm0 9062 1922 295 46 E m P 4 5309 4 5515 5 0226 ymx 3 10 1 y Y y 3 10 Y X m 3 10 当 x 0 01 时 295 46 2 31246 297 77k 32 L ttx C lgE 11 468 5 0134 E 103133 56pa 1 0179atm 1922 297 77 1 0179 0 0102 0 0103 0 0101 E m P ymx 1 y Y y Y X m 当 x 0 015 时 297 77 2 31246 300 0825k 43 L ttx C lgE 11 468 5 0631 E 115637 85pa 1 1412atm 1922 300 0825 1 1414 0 0171 0 0174 0 0152 E m P ymx 1 y Y y Y X m 当 x 0 02 时 300 0825 2 31246 302 39496k 54 L ttx C lgE 11 468 5 1121 E 129441 88pa 1 27743atm 1922 302 395 1 27743 0 0255486 0 0262 0 0205 E m P ymx 1 y Y y Y X m 当 x 0 025 时 302 39496 2 31246 304 7074k 65 L ttx C 8 lgE 11 468 5 16031 E 144646 99pa 1 4275atm 1922 304 7074 1 4275 0 03569 0 03702 0 0259 E m P ymx 1 y Y y Y X m 当 x 0 03 时 304 7074 2 31246 307 0199k 76 L ttx C lgE 11 468 5 20782 E 161368 46pa 1 5925atm 1922 307 0199 1 5925 0 0478 0 0502 0 03152 E m P ymx 1 y Y y Y X m 当 x 0 035 时 307 0199 2 31246 309 33236k 87 L ttx C lgE 11 468 5 25462 E 179729 092pa 1 7737atm 1922 309 33236 1 7737 0 06208 0 0662 0 0373 E m P ymx 1 y Y y Y X m 当 x 0 04 时 309 33236 2 31246 311 645k 98 L ttx C lgE 11 468 5 300726 E 199860 21pa 1 97237atm 1922 311 645 1 97237 0 078895 0 0857 0 0434 E m P ymx 1 y Y y Y X m 当 x 0 045 时 311 645 2 31246 313 96k 109 L ttx C lgE 11 468 5 3462 E 221897 045pa 2 18985atm 1922 313 96 2 18985 0 0985 0 1093 0 0499 E m P ymx 1 y Y y Y X m 当 x 0 05 时 313 96 2 31246 316 27246k 1110 L ttx C lgE 11 468 5 391 E 246014 7997pa 2 4279 1922 316 27246 2 4279 0 1214 0 1382 0 0569 E m P ymx 1 y Y y Y X m 9 当 x 0 055 时 316 27246 2 31246 318 585k 1211 L ttx C lgE 11 468 5 4351 E 272315 05pa 2 68741 1922 318 585 2 68741 0 14781 0 1734 0 0645 E m P ymx 1 y Y y Y X m 当 x 0 06 时 318 585 2 31246 320 897k 1312 L ttx C lgE 11 468 5 47855 E 300987 04pa 2 9704atm 1922 320 897 2 9704 0 17822 0 2168 0 0730 E m P ymx 1 y Y y Y X m 此时 0 1782 满足条件 y 1 yy 计算结果列表 xT KE atmm y X Y 0 293 15 0 80590 80590 0 0 0 005 295 4620 9062 0 90620 0045309 0 00502260 0045515 0 010 297 774 1 01791 01790 01020 01010 0103 0 015 300 0861 14141 14140 01710 01520 0174 0 020 302 398 1 27771 27770 025550 0205 0 0262 0 025 304 71 1 42771 4277 0 03570 02590 03702 0 030 307 022 1 59271 5927 0 047780 031520 0502 0 035 309 334 1 77391 77390 06210 0373 0 0662 0 040 311 464 1 97261 97260 07890 04340 0857 0 045 313 958 2 19002 19000 098550 04990 1093 0 050 316 27 2 42772 42770 12140 05690 1382 0 055 318 582 2 68722 68720 14780 06450 1734 0 060 320 8942 97012 97010 17820 07300 2168 10 根据 X Y 绘出 X Y 图 XY 00 0 00502260 0045515 0 01010 0103 0 01520 0174 0 02050 0262 0 02590 037 0 03150 0502 0 03730 0622 0 04340 0857 0 04990 1093 0 05690 1382 0 06450 1704 0 0730 2168 1 进塔气相摩尔比为 1 1 1 0 15 0 1765 11 0 15 y Y y 2 出塔气相摩尔比为 21 1 0 17 A YY 3 进塔惰性气体流量 273 240022 4 1 0 15 84 8549 27320 Vkmol h 4 由 X Y 图可知 X 与 Y 有如下函数关系 2 33 8050 46650 17510 xx 其中 Y 0 1765 将 Y 0 1765 带入上述方程 解得符合条件的 X 值 11 即 0 0654 2 4 2 bbac x a 0 0654x 1x 5 最小吸收剂用量 min L 对纯溶剂吸收过程 进塔液相组成为 2 0 x 1212 minmin 2 112 215 25 YYV YYL Lkmol h V XX XX 因为吸收剂的实际用量 L 1 1 2 0 取 L 1 2 min L min L 则 L 1 2 258 301kmol h min L 由全塔物料衡算有 1212 12 12 1 1 1 0 0545 0 05168 1 V YYL XX V YY XX L X x X 2 2 填料塔的工艺尺寸的计算 2 2 1 塔径的计算 1 混合气体的平均摩尔质量为 0 15 0 170 85 2927 2 VMii My mkg kmol 2 混合气体密度 33 3 101 325 1027 2 10 1 0586 8 314 313 15 v PM kg m RT 3 采用埃克特泛点关联式计算泛点速度 1 气体质量和流量 2400 1 05862540 59 V Wkg h 2 液相质量流量可近似按纯水的流量计算 即 258 301 18 024654 58 L Wkg h 3 填料总比表面积 23 114 2 t mm 水的粘度 1 005 L mpa s 12 4 采用贝恩 霍夫泛点关联式 A K 2 2 1 3 lg VF L L ua g 1 41 8 VL VL w w 泛点气速 m s f u g 重力加速度 9 81m s 2 23 t m m 填料总比表面积 33 m m 填料层空隙率 液相 气相的密度 33 998 2 1 0586 LV kg mkg m WL 4654 58 h WV 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 75 A 0 204 K 1 75 0 927 将已知数据带入上述公式可得 A K 0 6609 1 41 8 VL VL w w 所以 0 6609 2 2 1 3 lg VF L L ua g 4 0292 F m s 4 计算塔径 取泛点率为 0 6 即 0 62 4175 F m s 则 44 2400 0 5927m 3 14 2 4175 3600 S V D 计 其中 D 塔径 m 13 V 操作条件下混合气体的体积流量 3 m s 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 2 2 2 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 C kpa 3 NHscmD 17 0 2 o 由 则 313 15 101 325下 在空气中的扩散系数 2 3 o o o T T P P DDG kkpa 3 NH 2 3 o o o T T P P DDG 3 2 2 313 15 0 170 2087cm s 273 15 101 325 101 325 氨气在水中的扩散系数 6 480smDL 1080 1 29 6 2 10 m h 1 1 2 2 mX 0 754 0 05168 0 0390 mX 0 Y Y 2 脱吸因数 S mv L 0 754 84 8549 258 301 0 2477 3 气相总传质单元数 1 2 OG 2 2 Y 1 N ln1 S S 1 S Y 10 17650 ln1 0 24770 2477 1 0 24770 01060 Y Y 3 718 4 气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算 45 1 exp 1 2 0 2 05 0 2 2 1 075 0 tLL L L tL Lt L L c t w a U g aU a U a a 液体质量通量为 2 L L 22 W4654 58 U 16470 559kg m h 0 785 D0 785 0 6 气体质量通量为 2 V V 22 W2540 59 U 8990 057kg m h 0 785 D0 785 0 6 查表知 2 c 33dyn427680kg h 0 050 2 0 1 22 w 8 t 16470 55916470 559114 216470 559 1 exp1 45 114 2 3 6998 2 1 27 10998 2 940896 114 2 0 75 427680 940896 0 7123 14 wt 0 712381 345 4 气膜吸收系数 1 0 7 3 0 237 VtV GvvV tv UD kD RT 1 0 7 4 3 4 2 8990 0570 0688114 2 0 0287 103600 0 237 114 2 0 06881 0586 0 0287 1036008 314 313 15 0 10269kmol m h kpa 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 C 6 19 1 100 0688 v pa skg m h 5 液膜吸收系数 0 45568 211 323 0 0095 LLL L wlLLL Ug K D 查表知 1 45 1 1 GGW KK 1 1 3 0 10269 0 71227 114 2 1 45 12 5702 kmolm h pa 0 4 LLW KK 0 4 0 45568 0 71227 114 2 1 45 43 005 h 2 3590 100 58 6 50 4 0290 F 6 以下公式为修正计算公式 1 4 1 9 50 5 GG F u kk u 1 4 3 19 5 0 08612 5702 16 4193 kmolm h kpa 15 2 2 12 60 5 lL F u kk u 2 2 12 6 0 08643 005 43 5112 h 1 11 G GL K KHK 3 1 11 16 14930 725 43 5112 10 7987 kmolm h kpa OG YG VV H KKP 2 84 855 0 2781 10 7987 101 325 0 785 0 6 7 填料层高度计算 OGOG ZHN 0 2781 3 71801 032 1 5 1 52 0mZZ 取上下活动系数为 2 2 3 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 0 5 VL VL W W 查表可知 1 p 89m 纵坐标为 2 0 2 L L VP g u 2 2 2 417589 1 0586 1 005 0 0568 9 81 998 2 2 根据横纵坐标值 查 Eckert 图可知 40 9 81 392 4pa mP Z 填料 全塔填料层压降 392 4 392 4 2785paPZ 16 2 2 4 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 1 气体进料管 44 2400 d 0 2379237 9 3 14 15 3600 V q mmm u 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2456 5mmmm 在符合范围内 22 44 2400 3600 15 778 3 14 0 2450 0065 2 V q um s d 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13 m s 2 4175m s 则由公式可求得液体进出口内径为 2 4 V qd u 44654 58 4 0 0261326 13 998 2 3600 3 14 2 4175 V q dmmm u 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322 5mmmm 在符合范围内 22 44 4654 58 998 2 3600 2 26 3 14 0 0320 0025 2 V q um s d 3 2 气体进出口压降 1 进口 22 1 11 1 0586 15 778131 77 22 puPa 2 出口 22 2 11 0 60 61 0586 15 77879 062 22 puPa 3 3 离心泵的选择与计算 1 雷诺数 管内液体流速 2 26 um s 17 则雷诺数 5 4 0 026 2 26 998 2 5 842 10 1 004 10 e L du R 2 0 25 0 31640 0114 e R 3 局部阻力损失 三个标准截止阀全开 1 3 6 419 2 三个标准 90 弯头 2 3 0 752 25 4 管路总压头损失 2 2 2 122 26 0 011421 45 6 9537 0 0262 9 81 f lu H dg m 5 填料塔压降 12 785 131 7779 062995 8 ppppppa 其它阻力压强较小 可忽略 6 扬程 995 8 26 9549 056 998 2 9 81 ef P HzHm g 7 流量 2 4654 58 4 663 998 2 L L W Qmh 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 Dn50127 1 m 89 1 m 0 927114 2 23 mm 物性数据 液相气相 液体密度 998 2kg m 混合气体的 平均密度 3 1 0586 kg m 液体粘度混合气体的 18 1 005mpa s 粘度 0 0688 kg m h 液体表面张力 94089