化工原理课程设计水吸收氨

1、吉林化工学院化 工 原 理 课 程 设 计题目 处理量为7600m3/h氨气吸收塔的工艺设计 教 学 院 专业班级 学生姓名 学生学号 指导教师 课程设计任务书1、设计题目：处理量为m3/h氨气吸收塔的工艺设计；试设计一座填料吸收塔，用于脱除混于空气中的氨气。混合气体的处理量为7600（m3/h），其中含空气为96，氨气为4（体积分数），要求塔顶排放气体中含氨低于0.01（体积分数），采用清水进行吸收，吸收剂的用量为最小用量的1.5倍。（20C氨在水中的溶解度系数为H0.725kmol/m3.kPa）2、工艺操作条件：（1）操作平均压力 常压（2）操作温度 t=20 （3）每年生产时间：720

2、0h。（4）选用填料类型及规格自选。3、设计任务：完成吸收的工艺设计与计算，有关附属设备的设计和选型，用2号图纸手绘吸收系统的工艺流程图和工艺条件图，编写设计说明书（用电子版）。目录摘要1第1章 绪 论21.1 吸收技术的概况2（1）根据给定的分离任务，确定吸收方案；21.2 吸收设备的发21.3 吸收在工业生产中的应用4第2章 设计方案62.1 吸收剂的选择62.2 吸收流程的选择62.2.1 吸收工艺流程的选择62.2.2 工艺流程简图72.3 吸收塔设备及填料的选择72.3.1 吸收塔设备的选择72.3.2填料的选择82.4操作参数的选择82.4.1操作温度的选择82.4.2操作压力的选

3、择92.4.3吸收因子的选择9第3章 吸收塔的工艺计算113.1 基础物性数据113.1.1 液相物性数据113.1.2 气相物性数据113.2 物料衡算113.3.1塔径的计算133.3.2泛点率校核133.3.4传质单元数的计算143.3.5 传质单元高度的计算143.4塔附属高度的计算163.5.1 液体分布器163.5.2液体再分布器163.6 其它附属塔内件选择163.7 吸收塔的流体力学参数计算173.7.1吸收塔的压力降173.7.2 吸收塔的泛点率173.7.3气体动能因子183.8 附属设备的计算与选择183.8.1离心泵的选择与计算18 3.8.2 吸收塔的主要接管尺寸的计

4、算18工艺设计计算结果汇总与主要符号说明19对设计过程的评述和有关问题的讨论22主要参考文献23附 录24结束语26化工原理课程设计教师评分表27课程设计任务书1、设计题目：年处理量为吨氨气的工艺设计；试设计一座填料吸收塔，用于脱除混于空气中的氨气。混合气体的处理量为7600（m3/h），其中含空气为96，氨气为4（体积分数），要求塔顶排放气体中含氨低于0.01（体积分数），采用清水进行吸收，吸收剂的用量为最小用量的1.5倍。（20C氨在水中的溶解度系数为H0.725kmol/m3.kPa）2、工艺操作条件：（1）操作平均压力 常压（2）操作温度 t=20 （3）每年生产时间：7200h。（4

5、）选用填料类型及规格自选。3、设计任务：完成干燥器的工艺设计与计算，有关附属设备的设计和选型，绘制吸收系统的工艺流程图和吸收塔的工艺条件图，编写设计说明书。4、参考书：（1）化工原理教研室.化工原理课程设计指导书，吉林化工学院编；（2）谭天恩.麦本熙.化工原理下册，化学工业出版社出版；（3）匡国柱.史启才.化工单元过程及设备课程设计；（4）化工设计全书编辑委员会.金国淼等编.吸收设备化学工业出版社；（5）陈丙恒等编化工原理下册，化学工业出版社出版；（6）其它参考书。 摘要 本设计是用清水来吸收氨气。吸收是利用气体混合物中的各组分在液体中的溶解度不同来分离气体混合物的。 设计使用的填料是D50塑

6、料阶梯环，其优点为成本低,生产能力大，阻力小，质量轻。塔径为1000mm，填料规格校核率为208，符合要求，泛点率69.99% ，在50%-80%之间。填料层高度为8m，散装填料分段高度推荐值h/D=8-15m,并且hmax6,本设计采用分段操作,段与段间使用多孔盘式液体再分布器，这样做能增强吸收效率。气体动能因子F为2.929在常用范围内。填料塔是气液呈连续连续性接触的气液传质设备,本设计选用了液沫装置、筛网装置、填料支撑板及其他附属塔内件。液沫装置可以防止填料由于气流过大而发液泛现象；筛网装置防止填料上浮；选用的填料支撑板为扁钢条制作的格棚。 关键词: 清水 吸收 塑料阶环 液体分布器 第

7、1章 绪论 1.1 吸收技术概况 气体吸收过程是化工生产中常用的气体混合物的分离操作，其基本原理是利用混合物中各组分在特定的液体吸收剂中的溶解度不同，实现各组分分离的单元操作。吸收是用来分离气体混合物的,是利用混合气体中各组分在吸收剂中的溶解度的差异而实现分离的操作。在吸收过程中,混合气体与合适的液体吸收剂在吸收设备中充分接触,气体中易溶解的组分被溶解,不能溶解的组分仍保留在气相中,这样混合气体就实现了分离。吸收作为一种重要的物质分离操作被广泛地应用在化工、石化等工业生产过程中。通过吸收可以回收混合气体中的有用组分,例如用液态烃吸收石油裂解气中的乙烯和丙烯,用洗油吸收焦炉煤气中的芳烃物质,用硫

8、酸处理焦炉气以回收其中的氨等;还可以通过吸收除去混合气体中的有害组分使其净化,例如用水或碱液除去合成氨原料气中的二氧化碳,用丙酮除去石油裂解气中的乙炔,以及除去工业废气中的二氧化硫、硫化氢等有害物质。有时还通过吸收来直接生产化工产品,例如用水吸收二氧化氮以制取硝酸,用水吸收氯化氢以制取盐酸,用水吸收甲醛以制取福尔马林溶液等。吸收剂将混合气体中溶质组分吸收后所得到的溶液是混合溶液,在生产中常需要使溶质从吸收后的溶液中重新释放出来,实现最终分离,而液相的吸收剂有可得以再生重新使用。这种使溶质组分从溶液中脱出的过程称为解吸,是吸收的逆过程,也是一种通过相际间传质而实现物质分离的单元操作。在化工生产中

9、,吸收和解吸是常用的联合操作,共同构成了一个完整的工艺流程。可用于吸收操作的设备种类很多，如填料塔、板式塔、喷洒塔等，工业上较多的使用填料塔。适用于吸收操作的设备同样也适用于解吸操作。目前，解吸设备也多用填料塔。填料塔的结构简单，压降低，填料易用耐腐蚀材料制造，尤其近年来国内外对填料的研究与开发技术较快，一些性能优良的新型填料不断涌现，对大型填料的理论与应用研究也不断深入。所以，填料塔的应用前景也将更加广阔。实际生产中，吸收过程所用的吸收剂常需回收利用，故一般来说，完整的吸收过程应包括吸收和解吸两部分，因而在设计上应将两部分综合考虑。作为吸收过程的工艺设计，其一般性问题是在给定混合气体处理量、

10、混合气体组成、温度、压力以及分离要求的条件下，完成以下工作：（1）根据给定的分离任务，确定吸收方案；（2）根据流程进行过程的物料衡算，确定工艺参数；（3）依据物料及热量衡算进行过程的设备选型或设备设计；（4）绘制工艺流程图及主要设备的工艺条件图；（5）编写工艺设计说明书。1.2 吸收设备的发展吸收用塔设备与精馏需要的塔设备具有相似的原则要求，用较小直径的塔设备完成规定的处理量，塔板或填料层阻力要小，具有良好的传质性能，合适的操作弹性，结构简单，造价低，便于安装、操作和维修等。对于吸收过程来说，一般采用填料塔。随着化工产业的发展，大规模的吸收设备已广泛用于实际生产中。具有很高的吸收效率，且在节能

11、方面也日趋完善。填料塔的工艺设计内容是在明确了装置的处理量、操作温度及操作压力及相应的相平衡关系的条件下，完成填料塔的工艺尺寸及其他塔内件设计。在以后的化学工业的生产中，对吸收设备的要求及效率将会有更高的要求，所以日益完善的吸收设备会逐渐应用于实际的工业生产中。在吸收过程中，质量交换是在两相接触面上进行的。因此，吸收设备应具有较大的气液接触面，按吸收表面的形成方式，吸收设备可分为下列几类：（1）表面吸收器 吸收器中两相间的接触面是静止液面（表面吸收器本身的液面）或流动的液膜表面（膜式吸收器）。这类设备中的接触表面在相当大的程度上决定于吸收器构件的几何表面。这类设备还可分为以下几种基本类型： 水

12、平液面的表面吸收器：在这类吸收器中，气体在静止不动或缓慢流动的液面上通过，液面即为传质表面，由于传质表面不大，所以此种表面吸收器只适用于生产规模较小的场合。通常将若干个气液逆流运动的吸收器串联起来使用。为了能使液体自流，可将吸收器排列成阶梯式，即沿流体的流向，后一个吸收器低于前一个吸收器。水平液面的表面吸收器的效率极低，现在应用已很有限。只有从体积量不大的气体中吸收易溶组分，并同时需要散除热量的情况下才采用它们。这类吸收器有时还用于吸收高浓度气体混合物中的某些组分。 液膜吸收器：在液膜吸收器中，气液两相在流动的液膜表面上接触。液膜是沿着圆管或平板的纵向表面流动的。已知有三种类型的液膜吸收器：列

13、管式吸收器：液膜沿垂直圆管的内壁流动；板状填料吸收器：填料是一些平行的薄板，液膜沿垂直薄板的两测流动； 升膜式吸收器：液膜向上（反向）流动。目前，液膜吸收器应用比较少，其中最常见的是列管式吸收器，常用于从高浓度气体混合物同时取出热量的易溶气体（氯化氢，二氧化硫）的吸收。填料吸收器 填料吸收器是装有各种不同形状填料的塔。喷淋液体沿填料表面流下，气液两相主要在填料的润湿表面上接触。设备单位体积内的填料表面积可以相当大，因此，能在较小的体积内得到很大的传质表面。但在很多情况下，填料的活性接触表面小于其几何表面。 填料吸收器：填料吸收器一般作成塔状，塔内装有支撑板，板上堆放填料层。喷淋的液体通过分布器

14、洒向填料。在吸收器内，填料在整个塔内堆成一个整体。有时也将填料装成几层，每层的下边都设有单独的支撑板。当填料分层堆放时，层与层之间常装有液体再分布装置。在填料吸收器中，气体和液体的运动经常是逆流的。而很少采用并流操作。但近年来对在高气速条件下操作的并流填料吸收器给予另外很大的关注。在这样高的气速下，不但可以强化过程和缩小设备尺寸，而且并流的阻力降也要比逆流时显著降低。这样高的气速在逆流时因为会造成液泛，是不可能达到的。如果两相的运动方向对推动力没有明显的影响，就可以采用这种并流吸收器。填料吸收器的不足之处是难于除去吸收过程中的热量。通常使用外接冷却器的办法循环排走热量。曾有人提出在填料层中间安

15、装冷却元件从内部除热的设想，但这种结构的吸收器没有得到推广。 机械液膜吸收器：机械液膜吸收器可分为两类。在第一类设备中，机械作用用来生成和保持液膜。属于这一类的有圆盘式液膜吸收器。当圆盘转到液面上方时，便被生成的液膜所覆盖，吸收过程就在这一层液膜表面上进行。圆盘的圆周速度为0.20.3米/秒。这种吸收器的传质系数与填料吸收器相近。 第一类设备没有什么明显的优点，并由于有转动部件的存在而使结构复杂化，同时还增加了能量消耗。因此这类设备没有得到推广。 第二类设备的实用意义较大。在这类设备中，转子的转动用来使两相混合，促使传质过程得到强化。这种设备称之为“转子液膜塔”，常用于热稳定性较差物质的精馏。

16、显然，这种设备也可用于吸收操作。（2）鼓泡吸收器在这种吸收器中，接触表面是随气流而扩展。在液体中呈小气泡和喷射状态分布。这样的气体运动（鼓泡）是以其通过充满液体的设备（连续的鼓泡）或通过具有不同形式塔板的塔来实现。在充填填料的吸收器中，也可看到气体和液体相互作用的特征。这一类吸收器也包括以机械搅拌混合液体的鼓泡吸收器。鼓泡吸收器中，接触表面是由流体动力状态（气体和液体的流量）所决定的。（3）喷洒吸收器喷洒吸收器中的接触表面是在气相介质中喷洒细小液滴的方法而形成的。接触表面取决于流体动力学状态（液体流量）。这一类的吸收器有：吸收器中液体的喷洒是用喷雾器（喷洒或空心的吸收器）；用高速气体运动流的高

17、速并流喷洒吸收器；或用旋转机械装置的机械喷洒吸收器。在这些不同形式的设备中，现在最通用的是填料及鼓泡塔板吸收器。1.3 吸收在工业生产中的应用 在化工生产中，气体吸收操作广泛应用于直接生产化工产品、分离气体混合物、原料气的精制及从废气中回收组分或除去有害物质等。大致分为以下几种：A 气体净化B 分离气体混合物C 生化工程D 气体净化制取化工产品E从气体里回收有用的组分 总的来说，主要是用于原料气的净化、有用组份的回收 、废弃的治理 、一些产品的制取。第2章 设计方案吸收过程的设计方案主要包括吸收剂的选择、吸收流程的选择、解吸方法选择、设备类型选择、操作参数的选择等内容。2.1 吸收剂的选择在填

18、料吸收塔的设计中，选择合适的吸收剂，对物系的有效分离、流程的确定、溶剂的用量或循环量、设备的尺寸大小等都有至关重要的影响，也直接决定了分离操作的经济效益。对吸收剂的选择，一般有以下几方面考虑：（1）溶解度大 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需用量。（2）选择性好 吸收剂对溶质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或吸收甚微，否则不能直接实现有效的分离。（3）挥发度要低 操作温度下吸收剂的蒸汽压要低，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率的提高。 （5）其他 所选用

19、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。一般很难有一种吸收剂满足以上所有要求，所以，经综合考虑，我们采用清水作为吸收剂进行吸收氨气。物理吸收剂和化学吸收剂的特性物理吸收剂化学吸收剂（1）吸收容量正比于溶质分压（2）吸收热效应很小（近于等温）（3）常用降压闪蒸解吸（4）适于溶质含量高，而净化度要求不太高的场合（5）对设备腐蚀性小，不易变质（1）吸收容量对溶质分压不太敏感（2）吸收热效应显著（3）用低压蒸汽气提解吸（4）适于溶质含量不高，而净化度要求很高的场合（5）对设备腐蚀性大，易变质2.2 吸收流程的选择2.2.1 吸收工艺流程的选择工

20、业上使用的吸收流程多种多样，可以从不同角度进行分类，从所选用的吸收剂的种类看，有仅用一种吸收剂的一步吸收流程和使用两种吸收剂的两步吸收流程，从所用的塔设备数量看，可分为单塔吸收流程和多塔吸收流程，从塔内气液两相的流向可分为逆流吸收流程、并流吸收流程等基本流程，此外，还有用于特定条件下的部分溶剂循环流程。经过考虑，本人采用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。此操作的特点：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。2.3 吸收塔设备及填料的选择2.3.1 吸收塔设备的选择对于吸收过程，能够完成其分离任务的塔设备有多种，如何从众多的塔设备中选出合适的类型是进行

21、工艺设计的首要工作。而进行这一项工作则需对吸收过程进行充分的研究后，并经多方案对比方能得到较满意的结果。一般吸收用塔设备与精馏过程所需要的塔设备具有相同的原则要求，即用较小直径的塔设备完成规定的处理量,塔板或填料层阻力要小，具有良好的传质性能，具有合适的操作弹性，结构简单，造价低，易于制造、安装、操作和维修等。但吸收过程一般具有操作液起比大的特点，因而更适用于填料塔。此外,填料塔阻力小，效率高，有利于过程节能，所以对于吸收过程来说，以采用填料塔居多。但在液体流率很低难以充分润湿填料，或塔径过大，使用填料塔不经济的情况下，以采用板式塔为宜。因此，经过多方面考虑之后，该过程处理量不大，所以用的塔直

22、径不会太大，以采用填料塔较为适宜。2.3.2填料的选择 各种填料的结构差异较大，具有不同的优缺点，因此在使用上应根据具体情况选择不同的塔填料。在选择塔填料时，应该考虑如下几个问题： (1) 选择填料材质 选择填料材质应根据吸收系统的介质以及操作温度而定，可选用塑料，金属，陶瓷等材料。对于腐蚀性介质应采用相应的抗腐蚀性材料，对于温度较高的情况应考虑材料的耐温性能。(2) 填料类型的选择 填料类型的选择是一个比较复杂的问题。一般来说，同一类填料塔中，比表面积大的填料虽然具有较高的分离效率，但是由于在同样的处理量下，所需要的塔径较大，塔体造价升高。(3) 填料尺寸的选择 实践表明，填料塔的塔径与填料

23、直径的比值应保持不低于某一下限值，以防止产生较大的壁效应，造成塔的分离效率下降。填料尺寸大，成本低，处理量大，但是效率低，使用大于50mm的填料，其成本的降低往往难以抵偿其效率降低所造成的成本增加。经慎重考虑，选用50mm塑料阶梯环塔填料。其主要性能参数为：比表面积 121.8空隙率 0.915泛点填料因子 120 个数 9980堆积密度 76.8干填料因子 120平均填料因子 100D/DN82.4操作参数的选择2.4.1操作温度的选择对于物理吸收而言,降低操作温度,对吸收有利.但低于环境温度的操作温度因其要消耗大量的制冷动力而一般是不可取的,所以一般情况下,取常温吸收较为有利.对于特殊条件

24、的吸收操作方可采用低于或高于环境的温度操作.对于化学吸收,操作温度应根据化学反应的性质而定,既要考虑温度对化学反应速度常数的影响,也要考虑对化学平衡的影响,使吸收反应具有适宜的反应速度.对于再生操作,较高的操作温度可以降低溶质的溶解度,因而有利于吸收剂的再生.2.4.2操作压力的选择对于物理吸收,加压操作一方面有利于提高吸收过程的传质推动力而提高过程的传质速率,另一方面,也可以减小气体的体积流率,减小吸收塔径.所以操作十分有利.但工程上,专门为吸收操作而为气体加压,从过程的经济性角度看是不合理的,因而若在前一道工序的压力参数下可以进行吸收操作的情况下,一般是以前道工序的压力作为吸收单元的操作压

25、力.对于化学吸收,若过程由质量传递过程控制,则提高操作压力有利,若为化学反应过程控制,则操作压力对过程的影响不大,可以完全根据前后工序的压力参数确定吸收操作压力,但加大吸收压力依然可以减小气相的体积流率,对减小塔径仍然是有利的.对于减压再生(闪蒸)操作,其操作压力应以吸收剂的再生要求而定,逐次或一次从吸收压力减至再生操作压力,逐次闪蒸的再生效果一般要优于一次闪蒸效果.2.4.3吸收因子的选择吸收因子是一个关联了气体处理量,吸收剂用量以及气液相平衡常数的综合的过程参数.式中 -气体处理量, . m-气体相平衡常数.吸收因子的值的大小对过程的经济性影响很大,选取较大的吸收因子,则过程的设备费用降低

26、而操作费用升高,在设计上,两者的数值应以过程的总费用最低为目标函数进行优化设计后确定.从经验上看,吸收操作的目的不同,该值也有所不同.一般若以净化气体或提高溶质的回收率为目的,则值宜在1.22.0之间,一般情况可近似取=1.4.而对于以制取液相产品为目的吸收操作, 值可以取小于1.工程上更常用的确定吸收剂用量(或气提气用量)的方法是利用求过程的最小液气比(对于再生过程求最小气液比),进而确定适宜的液气比,即 对于低浓度气体吸收过程,由于吸收过程中气液相量变化较小,则有 综上 ，因此，根据具体情况选为20。 采用常压101.325kPa。第3章 吸收塔的工艺计算3.1 基础物性数据3.1.1 液

27、相物性数据 液体表面张力：L=72.6dyn/cm=940896kg/h2(查自：化工单元过程及设备课程设计)氨气在水中扩散系数：DL= (查自：化工原理下册 第二版) 20水的黏度: (查自：化工原理实验) 20水的黏度: (查自：化工原理实验) 重力加速度：(查自：化工原理实验) 液体的相对分子质量：3.1.2 气相物性数据 平均分子量： 混合气体密度： 混合气体粘度可近似取空气的黏度系数：（查自：化工单元过程及设备课程设计）氨在空气中的扩散系数为： （查自：化工原理第四版）通用气体常数：(查自：化工原理实验) 3.1.3 气液相平衡数据 20氨在水中的溶解度系数:(查自：化工原理第四版)

28、 亨利系数：(查自：化工原理第四版) 相平衡常数：(查自：化工原理第四版) 3.2 物料衡算混合气体流量qV=7600m3/h,混合气体氨气摩尔分数y1=0.04，吸收剂用量为最小用量的1.5倍，即：L=1.5Lmin,系统平衡关系为：。因为所用吸收剂是水，所以X2=0.进塔气相摩尔比：有塔顶排放气体中含氨低于0.01%得：最高出塔气相摩尔比： 进塔惰性气体流量为： 最小液气比：实际液气比：液相出口摩尔比： ：通过吸收塔的吸收剂流量3.3 干填料塔的工艺尺寸的计算3.3.1塔径的计算 填料塔直径的计算采用式子计算 计算塔径关键是确定空塔气速 ,采用泛点气速法确定空塔气速. 泛点气速是填料塔操作

29、气速的上限,填料塔的操作空塔气速必须小于泛点气速才能稳定操作.首先计算气相和液相的质量流量： 气相质量流量为 液相质量流量可以近似按纯水的流量计算，即kg/h 泛点气速的计算可以采用EcKert通用关联图查图计算,但结果不准确,且不能用于计算机连续计算,因此可采用贝恩-霍根公式计算: 式中 代入以上数据解得泛点气速 取则塔径圆整后取 3.3.2泛点率校核经计算,50%8环矩鞍D/d8（查自：化工单元过程及设备课程设计）表3 贝恩（Bain）-霍根（Hougen）关联式中的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金属丝网波纹填料0.301.75金属鲍尔环0.11.75塑料丝网波纹填料0.42011.75塑料阶梯环0.2041.75金属网孔波纹填料0.1551.47金属阶梯环0.1061.75金属孔板波纹填料0.2911.75瓷矩鞍0.1761.75塑料孔板波纹填料0.2911.563金属