第19组_(水吸收氨填料吸收塔的设计)

1、 2013级过程装备与控制专业化工原理课程设计说明书 题 目：水吸收氨填料塔的设计姓 名：张超班 级： 过控2班指导老师：丁文捷学 号：12013243762完成时间：2015年12月10日目 录1、设计任务书································

2、83;···········································（4）2、主要设备设计计算和说明水吸收氨的工艺流程··&#

3、183;·················································&#

4、183;············（5）基础数据····································&

5、#183;···········································（5）物料衡算·····

6、··················································

7、·························（6）确定塔径和相关参数·······················

8、··········································（9）计算填料层高度······&#

9、183;·················································&#

10、183;·············（11）计算填料层压降··································

11、83;···································（16）混合气体和吸收剂入口管径的计算···········&#

12、183;···································（16）填料塔主要内件和附属设备选型···········&#

13、183;······································（17）3工艺设计计算结果汇总表········

14、3;·················································

15、3;····(18) 后记············································

16、83;··········································（19） 参考文献······

17、··················································

18、·························（19）一、设计任务书设计题目水吸收氨填料塔设计设计条件1、气体混合物成分：空气和氨；2、氨的含量：6（体积）；3、混合气体流量： 5000m3/h；4、操作温度：293K；5、混合气体压力：101.3KPa；6、回收率： 99.0。设计要求1、完成填料塔的工艺设计与计算，有关附属设备的设计和选型；

19、2、绘制吸收系统的工艺流程图和填料塔装置图；3、编写设计说明书。二、水吸收氨气的工艺流程吸收剂水要循环使用 吸收剂对溶质的组分要有良好地吸收能力，而对混合气体中的其他组分不吸收，且挥发度要低。所以本设计选择用清水作吸收剂，氨气为吸收质。水廉价易得，物理化学性能稳定，选择性好，符合吸收过程对吸收剂的基本要求。出于经济上的考虑，水一定要循环使用，因此设计时必须考虑吸收与解吸的组合操作。为了保证氨气的回收率，宜采用气-液逆流操作吸收流程。为使水溶剂循环使用，并充分回收解吸的氨气，采用减压解吸。填料的选择 阶梯环是对鲍尔环的改进，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

20、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间隙，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。故此吸收过程采用聚丙烯阶梯环填料。水吸收氨气的流程 原料气从填料塔的底部进入，与塔上喷淋的水在填料层内逆流接触，原料气中的大部分氨气被水吸收，出塔的原料气可放空。吸收的氨气的水溶液，从填料塔的底部引出，进入解吸塔的下段减压解吸，解吸出水溶液中的氨气，解吸后的水溶液循环至填料塔的底部。三、基础数据 混合气量：5000m3/h=6312

21、.5kg/h原料气的组成及分压见下表 表1 原料气的组成及分压 原料气 氨气 空气体积分数/% 6 94组分分压/kPa 6.078 95.222氨在水中的溶解度关系已知20下氨在水中的溶解度系数X氨=0.725×6.078×22.4=98.707Nm3氨/m3水水在20下的性质表面张力为：L=72.6 dyn/cm=940896 kg/h2查水的理化数据知，水的蒸气压与操作总压比很小，故忽略水的挥发。四、物料衡算 (1)原料气各组分在水中的溶解度关系操作压力101.3kpa，温度20 并且取其相对吸收饱和度均为80%，并将计算结果列于表2： 表2 组分溶解度与溶解气体组成

22、的体积分数组分 氨气 空气分压/kpa 6.0789 5.222溶解度/Nm3/m3水 98.707 0.0173溶解量/Nm3氨/m3水 70.9656 0.01384溶解气组成的百分数/% 99.98 0.02因为溶解气中氨占到了99.98%，空气在水中的溶解度很小，故可将空气当作惰气而忽略不计，只考虑氨气的溶解吸收。进塔吸收液中氨的残值取0.8Nm3氨/m3水，故计算氨的实际溶解量要将其扣除。空气本身溶解度就很小，经解吸后的残值忽略不计。水对氨气的实际溶解能力为：70.9656-0.8=70.1656Nm3氨/m3水(2)溶剂夹带量以0.3Nm3氨/m3水计，各组分夹带量如下：NH3:

23、0.018+70.1656=70.1836Nm3/m3水 99.585%空气：0.282+0.01384=0.29584Nm3/m3水 0.415% 70.4794Nm3/m3水(3)对NH3做物料衡算：V1=V2+V3V1y1=V2y2+V3y3V2=V1-V3=4701.58m3/h（4）计算水的循环量因每1m3水带出氨气70.1836Nm3，故有：操作的气液比为：V1/L=5000/4.1865=1194.31Nm3/m3=0.9616（5）带出气体的质量流量夹带气量：4.1865×0.3=1.25595m3夹带气的平均分子量：M1=17×6%+29×94%

24、=28.28kg/h夹带气的质量流量：1.25595÷22.4×28.28=1.5856kg/h溶解气量：298.42-1.25595=297.164m3/h溶解气的平均分子量：Ms=17×99.98%+29×0.02%=17kg/mol溶解气的质量流量： 297.164÷22.4×17=225.53kg/h带出气体的总质量流量：225.53+1.5865=227.1156kg/h（6）验算吸收液中氨的残量为0.8Nm3/m3水时净化气中氨的含量 取阻力降为6KPa，则塔顶压力为101.3-6=95.3kpa，此时 XCO2=95.3

25、×0.726×0.06%×22.4=0.9299Nm3/m3水>0.8Nm3/m3水要使回收率达到99%，则入塔吸收液中氨的极限浓度为0.9299Nm3/m3水，本设计取值正好在其所要求的范围之内，故选取值满足要求。（7）出塔气体的组成出塔气体的体积流量应为入塔气体的体积流量与水带走气体的体积流量之差。NH3:5000×6%-70.1836×4.1865=2.8272m3/h空气：5000×94%-0.29584×4.1865=4698.7614m3/h出塔气的平均分子量：M2=17×0.06%+29

26、5;99.94%=28.99kg/kmol出塔气的质量流量：LV2=4701.59÷22.4×28.99=6084.78kg/h 五、确定塔径和相关参数计算公式： u=(0.60.8)uF由物料衡算知：入塔气：V1=5000Nm3/h=6312.5kg/h V1=1.179kg/m3 M1=28.28kg/kmol出塔气：V2=6084.71kg/h=4701.59kg/h V2=1.205kg/m3 M2=28.99kg/kmol出塔液：L1=5792.42kg/h L1=998.2kg/m3入塔液：L2=4181.51kg/h L2=998.2kg/m3选38.5

27、15;19×1.0塑料阶梯环填料，其填料因子=166/m，空隙率=0.91，比表面积at=132.5m2/m3,，Bain-Hougen关联式常数A=0.204，K=1.75。求泛点气速，并确定操作气速u泛点气速uF可由Eckert通用关联图或Bain-Hougen关联式两种方法求取，现选用Bain-Hougen关联式求解uF。uF=3.943m/s取u=0.8uF=3.1544m/s求取塔径取D=800mm，此时塔的截面积=0.785D2=0.5026m2核算操作气速则其在允许范围之内。核算径比D/d=800/38.5=20.78>8满足阶梯环径比要求。校核喷淋密度Umin=

28、（LW)minat=0.08×132.5=10.6m3/（m2.h）U=5792.42/998/0.5026=11.548>10.6m3/（m2.h） （满足要求）五、计算填料层高度因为水吸收氨气为气膜控制，故选用1.传质单元高度的计算（1） 氨气在两相中的扩散系数氨气在气相中的扩散系数首先计算氨气在各组分中的扩散系数，然后再计算其在混合气体中的扩散系数。计算公式如下：DG = DNH3-空气= 氨气在液相中的扩散系数由威尔基公式得：=2.6, MB=1.005×10-3Pa.s, VbA=25.8cm3/mol（2）氨气在两相中的黏度 气相黏度 =0.06366kg

29、/(m.h) 液相黏度由于水中其他组分的浓度极小，可认为液相为纯水。故L=1.005×10-3Pa.s=3.618kg/（m.h）（3) 气液两相的Sc数（4） 吸收液与填料塔的表面张力 吸收液：=72.8×10-3N/m=72.8×12960=943488kg/h2 填料: C=33mN/m =427680kg/h2 (聚丙烯塑料）（5）惰性气体的对数平均分压PBm 塔底压力 :P1=101.3KPa 塔顶压力 : P2=95.3KPa PB1=P1（1-yNH3,1）=101.3×（1-0.06）=95.222KPa PB2=P2（1-yNH3,2)

30、=95.3×(1-0.0006)=95.2428KPa (6)气相的摩尔流率 GM1=5000/（22.4×0.5026）=444.1192Kmol/（m2.h)（7）填料塔的当量直径（8）气相质量流率G G=5000×28.28/（22.4×0.5026）=12559.6896Kg/（m2.h）（9）液相质量流率L L=5792.42/0.5026=11524.91Kg/（m2.h） (10) 有效传质比表面积aw因此aw=0.3664×132.5=48.548m2/m3（11）气相传质系数 由修正的恩田公式得：（12）液相传质系数由修正恩田

31、公式得： 由于u>0.5uF故还需校正，校正如下：(13)总传质系数因此KGa=12.634(14)总传质单元高度2、传质单元数的计算Y1=y1/1-y1)=0.06/(1-0.06)=0.06383Y2=y1×(1-)=0.06×（1-0.99）=0.0006383X2=（0.8/22.4）/（998/18）=6.44110-4X1=0.057763、填料层的有效传质高度及分段数 考虑到公式的误差，取安全系数为1.2，得到填料层总高ZZ=1.2H=1.2×4.9959=5.99508m实际取6m，分一段就可。六、计算填料层压降查埃克脱通用关联图全塔压降：P

32、/z=100×9.81pa/m 全塔压降：P=100×9.81×6=5.886kpa七、混合气体和吸收剂入口管径的计算 常温下管道中气体的流速一般控制在在1020m/s V1=5000m3/h=1.3889m3/s 气=15m/s 所以混合气体的管径取377mm，壁厚为9mm验算： 液体入口管径的计算 常温下管道中水的流速一般在0.51.5m/s之间 所以混合气体的管径取45mm，壁厚为2mm验算： 八、填料塔主要内件和附属设备选型初始液体分布器：溢流盘式分布器液体再分布器：槽盘式液体分布器填料支承板：多块梁式支承板填料压板：网板型压板除雾沫器：金属丝网除雾器气体入塔分布器：栅条形分布器解吸塔：真空解吸塔其余略。九 设计一览表 经上述论述和计算得填料吸收塔设计一览表（见表4.1）表4.1 填