唐名扬填料塔设计

1、宁波理工学院 过程工程原理课程设计题 目 氨气 填料吸收塔设计 姓 名 唐名扬 学 号 3130519072 专业班级 2013级化学工程与工艺 131 班 指导教师 危 凤 分 院 生物与化学工程学院 完成日期 2016 年 4 月 5 日 16过程工程原理课程设计任务书学生姓名_唐名扬_ 学号_3130519072_专业班级_2013级化学工程与工艺131班1.设计题目：吸收氨过程填料塔的设计设计一座填料吸收塔，用于脱除混合气中的_氨气_。混合气处理量_40_kNm3/h，其中含氨_5%_(体积分数)，要求塔顶排放气中含氨低于_0.05%_(体积分数)。2.操作条件  （1）操作

2、压力  常压   （2）操作温度  203.工作日  每天24小时连续运行，年运行300天。4.厂址  宁波地区5.设计内容  （1）吸收塔物料衡算；  （2）吸收塔工艺尺寸计算；  （3）填料层压降计算；  （4）液体分布器简要设计；  （5）吸收塔接管尺寸计算；（6）流体输送机械型号选择；（7）绘制生产工艺流程图；  （8）绘制吸收塔设计图；  （9）对设计过程的评述和有关问题的讨论。1 设计方案简介 1.1吸收技术简介：填料塔是一种重要的化工设备，也

3、是化工工艺实验经常使用的设备之一；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；不足之处有：填料造价高、当液体负荷较小时不能有效的湿润填料表面时传质效率下降、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。 1.2吸收流程：液体自塔顶经液体分布器喷洒于填料顶部，并在填料的表面呈膜状流下，气体从塔底的气体口送入，流过填料的空隙，在填料层中与液体逆流接触进行传质，因气液两相组成沿塔高连续变化。1.3吸收剂：在氨气吸收塔中吸收剂的选择有很多，例如我们可以选择液体吸收剂水、醋酸、硫酸等，也可以选择固体吸收剂五氧化二磷。吸收剂的选择有很多要求，

4、0;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，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，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，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，并且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。若使用醋酸或硫酸作为本吸收塔的吸收剂，在吸收过程中除了产生氮气、一氧化碳等气体，还会产生少量的氨气，具有刺激性的气味，会慢慢从制品中放出，同时还会产生对人体有害的甲酰胺

5、，导致员工工作环境恶化，故将醋酸和硫酸列为备用吸收剂，暂时不予考虑。五氧化二磷为固体吸收剂，虽然吸收效果远高于水作为吸收剂的吸收效果，但由于运输不便，价格过高，同时该吸收塔为24小时连续循环运行的吸收塔，对吸收剂的用量巨大，对吸收能力要求不是极其苛刻，故将五氧化二磷列为备用吸收剂。因此，在此方案中采用水作为吸收剂，用于脱除混于空气中的氨气，水作为吸收剂有诸多的优点和便利，首先水对氨的吸收能力很强，而且水是一种无毒无害无污染的吸收剂，符合绿色化学的要求，同时宁波地区经济发达，水资源运输设施齐备，生产所需的用水通过管道运输，运输成本低，并且该厂位于宁波地区，水资源丰富，易得，写在最后但同样很重要的

6、一点是水物理化学性质稳定，且选择性好。1.4填料：塔填料的选择包括确定填料的种类、规格及材料。填料的种类主要从传质效率、通量、填料层的压降来考虑，填料规格的选择常要符合填料的塔径与填料公称直径比值D/d大于8。填料按装填方式分乱堆填料和整砌填料，按使用效率分为普通填料和高效填料。在此填料塔中宜使用乱堆填料、普通填料。填料的种类有很多，常用填料有鲍尔环、阶梯环、弧鞍填料、海尔环填料等。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，

7、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。图1 鲍尔环聚丙烯阶梯环填料是对鲍尔环的改进，与鲍尔环比，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。图2 阶梯环属鞍形填料的一种，其形状如同马鞍，一般采用瓷质材料制成。弧鞍填料的特点是表面全部敞开，

8、不分内外，液体在表面两侧均匀流动，表面利用率高，流道呈弧形，流动阻力小。其缺点是易发生套叠，致使一部分填料表面被重合，使传质效率降低。弧鞍填料强度较差，容破碎，工业生产中应用不多。 图3 弧鞍填料海尔环填料是用聚丙烯注塑成型的一种新型开孔填料，它最早是在国外被开发出来的。后来我国对这种填料进行了研究，并且成功的地开发出国产海尔环填料。聚丙烯海尔环的独特造型，使它不仅具有通量大，压降低，耐腐蚀及抗撞击性能好等优点以外，还具有填料间不会嵌套，壁流效应小和气液分布均匀等优点。这种填料适用于气体吸收、冷却及气体净化等过程。 图4 海尔环填料对于水吸收氨的过程，操作温度及操作压力较低，工业上通常采用塑料

9、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DN38聚丙烯阶梯环填料。阶梯环是对鲍尔环的改进，与鲍尔环相比，阶梯环的高度减少了一半，斌仔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半径路程大为缩短，减少了气体通过填料层的阻力。锥形翻边不仅增加了填料间的空隙，同时成为了液体沿填料表面流动的汇聚分散点，可以促进膜的表面更新，有利于传质效率的提高。阶梯环的综合性优于鲍尔环，成为目前所使用的环形填料中最为优良的一种。1.5初步流程图 图5 氨气吸收塔的初步流程图水吸收氨气吸收塔初步流程图如上图，利用鼓风机将需要吸收的氨气由图中所示位置鼓如吸收塔内，同时离心泵抽出的清

10、水从塔顶由喷淋的方式喷洒，在吸收塔内以逆流进行气液接触，达到吸收的目的。同时塔顶、塔底取样，测量氨的含量，并在各个入口处测量温度，以便进行衡算分析。2  工艺计算2.1 基础物性数据2.1.1 液相物性数据 水的密度 L= 998.2kg/m3 水的黏度 L=1.0050mPa.s 水的表面张力 L=72.6×10-3N/m=940896kg/h2 氨在水中的扩散系数DL=2.04×10-9m2/s=7.344×10-6m2/h2.1.2 气相物性数据  混合气体的平均摩尔质量Mv=0.05×17+0.95×29=28.4g

11、/mol 混合气的平均密度 v= 混合气体的黏度课近似的取为空气的黏度，查手册得20空气的黏度为 v=1.81×10-5Pa.s=0.065kg/(m×h) 查手册得氨在0.101.3kPa空气中的扩散系数为 0.17cm2/s 根据关系式换算出20是空气中的扩散系数： Dv=0.189cm2/s=0.06804m2/h2.1.3 气液相平衡数据  由资料查得，常压下20时NH3在水中的亨利系数E=76.3kPa 相平衡常数m=76.3/101.3=0.7532 溶解度系数 H=0.72682.1.4 物料衡算 图6 物料衡算示意图 进塔气相摩尔比 出塔气相摩尔比

12、 混合气体流量 惰性气体摩尔流量 气液比公式 进塔液相组成 X2=0 取操作液气比为1.4 L=1.0444×1696.47=1771.79kmol/h 2.2 填料塔的工艺尺寸的计算2.2.1 塔径的计算 采用Eckert通用关联图计算泛点气速。 图7 填料塔泛点和压降通用关联图（Eckert通用关联图）横坐标为 纵坐标为、分别为气相的密度和液相的密度，kg/m3；为空塔气速，m/s；为湿填料因子，1/m；为液体密度校正系数，为液体黏度，mPa.s 液体流量WL= 气体流量WV=kg/h 根据关联图坐标可得=0.22 对于25X12.5X1.4的阶梯环填料因子=172m-1 =1

13、m/s 取空塔气速为0.8，则=0.8=0.8×3.25=2.6m/s 根据标准吸收塔径圆整为2.6m。 符合要求泛点率校核 m/s 2.2.2 填料层高度计算 填料塔的高度为气相总船只单元高度与气相总传质单元数的乘积： 解吸因数，带入 得 气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算： 湿润比表面积，是总填料的比表面积、为填料材料的临界表面张力，为液体质量通量，为液体的表面张力，为液体的黏度，g为重力加速度。 表1 不同材质的表面张力材质钢陶瓷聚乙烯聚氯乙烯碳玻璃涂石蜡表面表面张力75613340567320 计算得 =0.25 其中氨气在空气中的扩散系数为0.068，混合气体的黏度

14、可近似取为空气的黏度，所以取 故设计填料塔高度为4m2.2.3 填料层压降计算 将实际空塔速u代入方程=0.068 查图7得 压降2.2.4 吸收塔接管口径的计算 吸收塔的管径分为气体管径和液体管径，根据经验液体的常见经济流速为0.5-3m/s,气体常见的经济流速为8-20m/s,在此吸收塔设计中，预选液体流速为2m/s,气体流速选为20m/s，因为每小时对气体进料接管因为该吸收塔吸收气体为氨气，故具有一定的腐蚀性，不考虑无缝钢管，所以在接管的选择上使用聚丙烯管材，该管材有较好的抗腐蚀性，且价格便宜，重量轻。 表2 聚丙烯管材(PPR管)规格及尺寸公差(GB/T13019)(单位：mm)公称外

15、径mm500560630710800900公称压力MPA0.30.30.30.30.30.3壁厚mm14.215.917.82522.625.5经计算，气体进料管的管径为0.84m,故参照上图，选用内径为900mm，壁厚为25.5mm。使用该内径求得气体的气体流速在常见经济流速范围内，所以可行。对液体进料接管，取流速为1.5m/sm因为液体为水，水作为一个无腐蚀性切常用的吸收剂，运输可以使用无缝钢管，故液体进料接管选用无缝钢管，以下为常用无缝钢管尺寸图。表3 常用无缝钢管尺寸选择内径32mm，壁厚2.8mm的无缝钢管作为液体进料接管。在液体经济流速范围，故可行。3 辅助设备的计算及选型4 设计

16、一览表5 对本设计的评述 6 参考文献7 主要符号说明8 附图（带控制点的吸收艺流程简图、吸收塔设计图)附2. 设计任务书序号学号姓名处理气体处理量(10kNm3/h)原料气含量(%)吸收率(%笑梅二氧化硫0.539923150521002高丰环二氧化硫0.639933150521003王璐二氧化硫0.739843130519001曹培佳二氧化硫0.839953130519003高雅二氧化硫0.53.59863130519005黄娟二氧化硫0.63.59873130519009施秋秋二氧化硫0.73.59883130519010滕艳慧二氧化硫0.83.59893130519064黄迪辉二氧化硫0.6499103130519069林志坚二氧化硫0.6498113130519071施立成氨气3.5599123130519072唐名扬氨气4599133130519074王新鑫氨气4.5599143130519075翁浩杰氨气5599153130519080张敏氨气3.55.598163130614039刘斯缘氨气45.598173130519083陈扬氨气4.55.598183130519084方嗣焱氨气55.598193130519085管乙蓉氨气44.595203130519086黄佳佳氨气45.5958.主要参考文献1 张家荣