化工原理课程设计水吸收氨填料吸收塔设计

1、目录第1节前言31.1填料塔的主体结构与特点31.2填料塔的设计任务及步骤31.3填料塔设计条件及操作条件4第2节精馏塔主体设计方案的确定42.1装置流程的确定42.2吸收剂的选择52.3填料的类型与选择5填料种类的选择5填料规格的选择5填料材质的选择62.4基础物性数据6液相物性数据6气相物性数据7气液相平衡数据7物料横算8第3节填料塔工艺尺寸的计算93.1塔径的计算93.2填料层高度的计算及分段11传质单元数的计算11传质单元高度的计算11填料层的分段143.3填料层压降的计算14第4节填料塔内件的类型及设计154.1塔内件类型154.2塔内件的设计16液体分布器设计的基本要求：16液体分

2、布器布液能力的计算16注：161.填料塔设计结果一览表162.填料塔设计数据一览183.参考文献194.后记及其他19附件一：塔设备流程图19附件二：塔设备设计图19表索引表 21工业常用吸收剂5表 22 常用填料的塔径与填料公称直径比值D/d的推荐值6图索引图 11 填料塔结构图4图 31 Eckert图16第1节 前言1.1 填料塔的主体结构与特点结构图 11所示：图 11填料塔结构图填料塔不但结构简单，且流体通过填料层的压降较小，易于用耐腐蚀材料制造，所以她特别适用于处理量小，有腐蚀性的物料及要求压降小的场合。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

3、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，所以填料塔属连续接触式的气液传质设备。1.2 填料塔的设计任务及步骤设计任务：用水吸收空气中混有的氨气。设计步骤：（1） 根据设计任务和工艺要求，确定设计方案;（2） 针对物系及分离要求，选择适宜填料；（3） 确定塔径、填料层高度等工艺尺寸（考虑喷淋密度）；（4） 计算塔高、及填料层的压降；（5） 塔内件设计。1.3 填料塔设计条件及操作条件1. 气体混合物成分：空气和氨2. 空气中氨的含量: 5.0% （体积含量即为摩尔含量）3. 混合气体流量5916m³/h4. 操作温度293K5. 混合气

4、体压力101.3KPa6. 采用清水为吸收剂7. 填料类型：采用聚丙烯鲍尔环填料第2节 精馏塔主体设计方案的确定1.4 装置流程的确定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。1.5 吸收剂的选择因为用水做吸收剂，故采用纯溶剂。工业常用吸收剂如Error! Reference source not found.所示：表 01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

5、铜氨液1.6 填料的类型与选择填料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。1.6.1 填料种类的选择本次采用散装填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。鲍尔环是目前应用较广的填料之一，本次选用鲍尔环。1.6.2 填料规格的选择工业塔常用的散装填料主要有Dn16Dn25Dn38 Dn76等几种规格。同类填料，尺寸越小，分离效率越高，但阻力增加，通量减小，填料费用也增加很多。而大尺寸的填料应用于小直径塔中，又会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率降低。因此，对塔径与填料尺寸的比值要有一规定。常用填料的塔径与填料公称直径比值

6、D/d的推荐值如表 22所示。表 02 常用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/d2030鞍环D/d15鲍尔环D/d1015阶梯环D/d>8环矩鞍D/d>81.6.3 填料材质的选择工业上，填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类聚丙烯填料在低温（低于0度）时具有冷脆性，在低于0度的条件下使用要慎重，可选耐低温性能良好的聚氯乙烯填料。综合以上：选择塑料鲍尔环散装填料 Dn501.7 基础物性数据1.7.1 液相物性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 水的有关物性数据如下：1. 密度：2.3. 表面张力:20

7、 氨的有关物性数据如下：1. 溶解度系数：2. 氨气在水中的扩散系数：3. 氨气在空气中的扩散系数：1.7.2 气相物性数据1. 混合气体的平均摩尔质量为 (2-) 混合气体的平均密度（2-)R=8.314 2. 混合气体黏度可近似取为空气黏度。查手册得20时，空气的黏度：注： 1Pa.s=1kg/m.s1.7.3 气液相平衡数据由手册查得，常压下，20时，NH在水中的亨利系数为 E=76.3kpa在水中的溶解度系数: H=0.725相平衡常数： （2-) 溶解度系数: （2-)1.7.4 物料横算1. 进塔气相摩尔比为：（2-)2. 出塔气相摩尔比为：（2-)3. 进塔惰性气体流量:（2-)

8、因为该吸收过程为低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比按下式计算。即：（2-)因为是纯溶剂吸收过程，进塔液相组成所以 选择操作液气比为 （2-) L=1.4252×233.78=333.18kmol/h因为V(Y1-Y2)=L(X1-X2) X1=0.03679第2节 填料塔工艺尺寸的计算填料塔工艺尺寸的计算包括塔径的计算、填料能高度的计算及分段2.1 塔径的计算1. 空塔气速的确定泛点气速法对于散装填料，其泛点率的经验值u/u=0.50.85贝恩（Bain）霍根（Hougen）关联式 ，即：=A-K （3-1）即：所以：/9.81（100/0.917）（1.1811/998.2）=

9、0.2338=3.866m/s其中：l 泛点气速，m/s;l g 重力加速度，9.81m/sllll WL=5997.24/h ；WV=6987.39kg/hl A=0.0942； K=1.75；取u=0.7 =2.7062m/s（3-2） 圆整塔径后 D=0.9m2. 泛点速率校核：则在允许范围内3. 根据填料规格校核：D/d=900/50=18根据表3-1符合4. 液体喷淋密度的校核：(1) 填料塔的液体喷淋密度是指单位时间、单位塔截面上液体的喷淋量。(2) 最小润湿速率是指在塔的截面上，单位长度的填料周边的最小液体体积流量。对于直径不超过75mm的散装填料，可取最小润湿速率。（3-3）（

10、3-4）经过以上校验，填料塔直径设计为D=900mm 合理。2.2 填料层高度的计算及分段（3-5）（3-6） 2.2.1 传质单元数的计算用对数平均推动力法求传质单元数=10.2342m（3-7）（3-8）=0.0051232.2.2 传质单元高度的计算气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：（3-9）=0.3575液体质量通量为：气体质量通量为：气膜吸收系数由下式计算：（3-10）=0.1280kmol/(hkpa)液膜吸收数据由下式计算： (3-11） =0.5785m/h因为0.1280×0.3575×100×（3-12）=6.8864 kmol/(m

11、3hkpa)=0.5785×0.3575×100×（3-13）=24.00 kmol/(m3hkpa)因为： =0.669所以需要用以下式进行校正：（3-14） =12.3157 kmol/(m3·h·kpa)（3-15） =1+9.5×(0.669-0.5)2.2×24.00 =28.5634 kmol/(m3·h·kpa)（3-16）=7.7228kmol/(m3hkpa)（3-17） （3-18）=0.4700×10.2342=4.810074m,得=1.4×4.810074=6

12、.7341m故取填料层高度为7m。2.2.3 填料层的分段对于鲍尔环散装填料的分段高度推荐值为h/D=510h=5×90010×900=59 m计算得填料层高度为7000mm，故不需要分段。2.3 填料层压降的计算取 Eckert (通用压降关联图)；将操作气速(2.5845m/s) 代替纵坐标中的查表，DG50mm塑料鲍尔环的压降填料因子125代替纵坐标中的则纵标值为：(3-19) 横坐标为：(3-20) 查图得1275.3Pa/m (3-21)全塔填料层压降 =1275.3×7=8.93Kpa至此，吸收塔的物科衡算、塔径、填料层高度及填料层压降均已算出。Eck

13、ert图如图 31 Eckert图图 31所示：图 21 Eckert图第3节 填料塔内件的类型及设计3.1 塔内件类型填料塔的内件主要有填料支撑装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体收集再分布装置等。合理的选择和设计塔内件，对保证填料塔的正常操作及优良的传质性能十分重要。3.2 塔内件的设计3.2.1 液体分布器设计的基本要求：（1） 液体分布均匀（2） 操作弹性大（3） 自由截面积大（4） 其他3.2.2 液体分布器布液能力的计算（1） 重力型液体分布器布液能力计算（2） 压力型液体分布器布液能力计算注：(1) 本设计任务液相负荷不大，可选用排管式液体分布器；且填料层不高，可不设液体再分布

14、器。 (2) 塔径及液体负荷不大，可采用较简单的栅板型支承板及压板。其它塔附件及气液出口装置计算与选择此处从略。注：1. 填料塔设计结果一览表吸收塔类型（塑料鲍尔环）填料吸收塔混合气体处理量（m3/h）5916塔径D（m）0.9填料层高度Z（m）7气相总传质单元高度（m）0.4700气相总传质单元数10.2432泛点气速（m/s）3.866泛点率0.669压降（kpa）8.93操作压力（kpa）101.3操作温度（）20填料直径（mm）50孔隙率0.917填料比表面积a(/m3)100填料常数A0.0942填料常数K1.75惰性气体流量(kmol/h)233.78校正液体流速(m/s)2.58

15、45操作液气比(1.9倍最小液气比)1.42522. 填料塔设计数据一览E亨利系数（kpa）76.3气体的粘度，1.736228平衡常数0.7532水的密度和液体的密度之比1重力加速度9.81 1.27液体的密度 ()998.210091.7%溶解度系数()0.725气体常数()8.314氨气在空气中中的扩散系数氨气在水中的扩散系数 （）3. 参考文献1 夏清.化工原理（下）M. 天津:天津大学出版社, 2005.2 贾绍义,柴诚敬. 化工原理课程设计M. 天津:天津大学出版社, 2002.3 华南理工大学化工原理教研室著化工过程及设备设计M广州: 华南理工大学出版社, 1986.4 周军.张秋利 化工Au