水吸收氨过程填料吸收塔设计

1、化工原理课程设计（水吸收氨填料吸收塔） 化 工 原 理 课 程 设 计题目 水吸收氨气过程填料塔吸收设计 学 院 化学化工学院 专业班级 化学工程与工艺2012级 学生姓名 学生学号 指导教师 2015年1月 20 日 课程设计任务书2014年化工原理课程设计任务书（2）一、 设计题目：水吸收氨过程填料吸收塔的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4000、4500、5000、5500、6000、6500、7000、7500、8000、8500、9000、9500、10000 、11000、120003/h（每个学生选择一种处理量；学号：11-25号），其中含氨

2、为5%（体积分数），要求塔顶排放气体中含氨低于0.02%（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。二、 操作条件（1）操作压力 常压 （2）操作温度 20三、 填料类型选用聚丙烯阶梯环填料，填料规格自选。四、 工作日每年300天，每天24小时连续运行。 五、 厂址厂址为衡阳地区。 六、 设计内容（1）吸收塔的物料衡算； （2）吸收塔的工艺尺寸计算； （3）填料层压降的计算； （4）液体分布器简要设计； （5）吸收塔接管尺寸计算； （6）绘制吸收塔设计条件图； （7）对设计过程的评述和有关问题的讨论。（七） 设计基础数据20下氨在水中的溶解度系数为H=0.725kmol/

3、( m3.kPa)。要求：1.参照化工原理课程设计教材计算；2.手工绘图，A1图纸；3.打印稿，并交电子稿；4.要列出参考文献指导教师：贺楚华； QQ邮箱：674615536学号:19号 选择混合气体处理流量8000 m3/h目 录第一章 填料塔主体设计方案的确定-6 1.1装置流程的确定-6 1.2吸收剂的选择-6 第二章 填料的类型与选择-6 2.1填料的类型-6 2.2填料的选择-7第三章填料吸收塔的工艺计算-7 3.1基础物性数据-7 3.1.1液相物性数据 -7 3.1.2气相物性数据-7 3.1.3气液相平衡数据-8 3.2 物料衡算-8 3.3填料塔的工

4、艺尺寸计算-9 3.3.1塔径的计算-9 3.3.2填料规格校核-11 3.4填料层高度的计算及分段-11 3.4.1填料层高度的计算-11 3.4.2填料层的分段-14第四章 塔辅助设备的计算及选型-15 4.1 填料层压降的计算-15 4.2 液体分布器的计算-16 4.2.1液体分布器的选型-16 4.2.2分布点密度计算-16 4.2.3布液计算-16 4.2.4液体再分布装置-17 4.3吸收塔的主要接管尺寸的计算-17 4.5吸收塔的压力降-19第五章设计一览表-19 表1吸收塔的吸收剂用量计算总表-19 表2塔设备计算总表-20 表3填料计算总表-21 第六章 对设计过程的评述和

5、有关问题的讨论-22参考文献-23 主要符号说明1.英文字母 填料层的有效传质比表面积（m²/m³）填料层的润滑比表面积m²/m³吸收因数 D塔径;LS液体喷淋密度;DL、DV扩散系数，m²/s； 亨利系数，KPa重力加速度，kg/(m².h)溶解度系数，kmol /(m³.KPa)气相总传质单元高度，mMS混合气体摩尔质量气相传质单元数相平衡常数总压，KPaL液相质量流量，kg/hS气相质量流量,kg/h分压，KPa气体通用常数，kJ/(kmol.K)解吸因子温度，0C空塔速度，m/suF液泛速度，m/sV惰性气体流量，k

6、mol/s混合气体体积流量，m3/s;kL液膜吸收系数 ，kmol/(m2.s.kmol/m3)kG气膜吸收系数，kmol/(m2.s)KG气相总吸收系数，kmol/(m2.s.kpa)KL液相总吸收系数kmol/(m².s)L吸收剂用量kmol/h; kmol/s密度kg/ m³2.下标液相的 气相的x溶质组分在液相中的摩尔分率 X溶质组分在气相中的摩尔比 y溶质组分在液相中的摩尔分率 Y溶质组分在气相中的摩尔比 Z填料层高度 第一章 填料塔主体设计方案的确定1.1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

7、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。1.2吸收剂的选择 吸收剂又叫溶剂，吸收过程是依靠气体在吸收剂中的溶解来实现的，因此，选择良好的吸收剂是吸收过程的重要一环选择吸收剂的基本要求:    1. 吸收剂应具有较大溶解度，以提高吸收速率减少吸收剂用量，降低输送与再生的能耗。    2. 选择性好，吸收剂对混合气体的溶质要有良好的吸收能力，而对其它组分不吸收或吸收甚微。以提高吸收速率，减小吸收剂用量。     3. 操作温度

8、下吸收剂的蒸汽压要低，以为离开吸收设备的气体往往被吸收剂所饱和，吸收剂的挥发度愈大，则在吸收和再生过程中吸收剂损失愈大。    4. 粘度要低，以利于传质与输送；有利于气液接触，提高吸收速率。    5. 具有较好的化学稳定性及热稳定性，以减少吸收剂的降解和变质，尤其在使用化学吸收剂时。    6. 其它，所选用的吸收剂还应满足无毒性，无腐蚀性，不易燃易爆，不发泡，冰点低，廉价易得以及化学性质稳定等要求。按要求用清水作为吸收剂，其廉价易得，物理化学性能稳定，选择性好，且NH3

9、不作为产品，故采用纯溶剂。第2章 填料的类型与选择2.1填料的类型 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。根据填装方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。塑料阶梯环特性数据材质外径d，mm外径×高×厚d×H×比表面积at，m2/m3空隙率，m3/m3个数n，个/m3堆积密度p，kg/m3干填料因子at/3，m-1填料因子，m-1塑料2538507625×17.5

10、15;1.438×19×150×30×1.576×37×3228132.5114.289.950.900.910.9270.92981500272009980342097.857.576.868.4313175.6143.111217611689722.2填料的选择 根据要求选择的填料为散装填料中的塑料聚丙烯DN50阶梯环，所选用的填料主要参数如下： 公称直径：50mm      孔隙率:0.927e  比表面积a:114.2  压降填料因子:89/m-1

11、-第三章填料吸收塔的工艺计算3.1基础物性数据3.1.1液相物性数据 密度为： 黏度为： 表面张力 NH 3在水中的扩散系数为：3.1.2气相物性数据 混合气体平均密度： 混合气体平均摩尔质量为 Ms=yiMi=0.05×17+0.95×29=28.40kg/kmol 混合气体的黏度可近似取空气的黏度，查得20空气的黏度为： 查表得273K，101.3Kpa氨气在空气中扩散系数： 经计算 293K,101.3Kpa氨气在空气中扩散系数：3.1.3气液相平衡数据20，101.3Kpa下氨气在水中的溶解度系数： 相平衡常数： 3.2 物料衡算 由设计条件知：原料液中NH3的摩尔

12、分数为0.05，排放气体中NH3的摩尔分数为0.0002。进塔气相摩尔比：出塔气相摩尔比：对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成：进塔惰性气体流量： 吸收过程属于底浓度吸收，平衡关系为直线，最小气液比可按下式计算，即： 对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为： 取操作液气比为 根据全塔物料衡算式: 3.3填料塔的工艺尺寸计算3.3.1塔径的计算 气相质量流量为： 液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即 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u/u=0.5-0.85贝恩（Bain）霍根（Hougen）关联式 ，即： = 即：解得 其中： 泛点气速，m/s; g 重力加速度，9.81m/s

13、气相密度 常数A与K和填料形状、材质的关系散装填料类型塑料鲍尔环金属鲍尔环塑料阶梯环金属阶梯环瓷矩鞍金属环矩鞍 A0.09420.10.2040.1060.1760.06275 K1.751.751.751.751.751.75查上表得 A=0.204； K=1.75；取u=0.7=2.94m/s由 圆整塔径后 D=1.0m（常用的标准塔径为400、500、600、700、800、1000、1200、1400、1600、2000、2200）泛点率校核： （对于散装填料，其泛点率的经验值为,算得的数值在(0.50-0.85)之间,所以符合求.）3.3.2填料规格校核 根据要求应选择环形填料中的塑

14、料阶梯环.由于所选用的塔径为1000mm,又根据填料与塔径的对应关系及实际操作要求,尺寸为DN50的塑料阶梯环,填料规格如下: 公称直径：50mm      孔隙率e:0.927 比表面积a:114.2  填料因子:143/m-  填料常数A:0.204  所以有D/d=1000/50=20,即符合要求.见下图：  液体淋喷密度校核：取最小湿润速率为查手册得 经以上校核可知，填料塔直径选用D=1000mm合理。3.4填料层高度的计算及分段3.4.1填料层高

15、度的计算 脱吸因素为 气相总传质单元高度采用修正的恩田关联是是式计算：不同材质的值材质 钢 瓷 聚丙烯聚氯乙烯 碳 玻璃 石蜡表面张力/dyn.cm-175 61 3340 56 73 20查得 液体的质量通量为 气膜吸收系数： 气体质量通量为： 液膜吸收数据由下式计算： 各类填料的形状系数填料类型球棒拉西环弧鞍开孔环值0.720.7511.191.45查上表得=1.45 故=0.13840.08=8.32 以下公式为修正计算公式： 得 则 由得 设计取填料层高度为 3.4.2填料层的分段由散装填料分段高度推荐值查得：散装填料分段高度推荐值填料类型h/D hmax/m拉西环2.54矩鞍5-86

16、鲍尔环5-106阶梯环8-156环矩鞍8-156塑料阶梯环 h/D 。 h/D=8，则 h=8×1000=8000 mm计算的填料层高度为8000 mm，故分段两段，每段4000mm。第四章塔辅助设备的计算及选型4.1 填料层压降的计算填料层压降:气体通过填料层的压降采用Eckert关联图计算,在图中：u-空塔气速，m/s g-重力加速度，9.81m/s2 -填料因子，1/m -液体密度校正系数，=水/L L、V-液体、气体的密度,kg/m3 L-液体黏度，mPa·s L、V-液体、气体的质量流量,kg/s其中横坐标为：查下表得 DN16 DN25 DN38 DN50 DN

17、76填料因子/m-1- 176 116 89-纵坐标为 查表得填料层压降为4.2 液体分布器的计算4.2.1液体分布器的选型 液体分布器的性能主要由分布器的布液点密度（即单位面积上的布液点数），各布液点均匀性，各布液点上液相组成的均匀性决定，设计液体分布器主要是决定这些参数的结构尺寸。 根据本吸收的要求和物系的性质可选用重力型排管式液体分布器，布液孔数应依据所用填料所需的质量分布要求决定，喷淋点密度应遵循填料的效率越高所需的喷淋点密度越大这一规律。4.2.2分布点密度计算Ecker的散装填料塔分布点密度推荐值 塔径/mm 分布点密度/（点/m2塔截面） D=400 330 D=750 170

18、D1200 42设计中D=1000mm,则取喷淋密度为90点/m2则总布液孔数为：n=0.785D2=0.785×12×90=70.65 实际总布液孔数：71点4.2.3布液计算取 =0.60 ，H=0.2 mLS=426.78×18.02/3600998.2=2.14×10-3m3/s由得： =4×2.14×10-3/0.6×3.14×71×(2×9.81×0.2)1/21/2 =5.68×10-3m=5.68mm取 d0为6 mm由计算得，设计布液点数为71点，直径为6

19、mm 4.2.4液体再分布装置气液两相在填料层中流动时，受阻力的影响，易发生偏流现象，导致乱堆填料层内气液分布不均，使传质效率下降。为防止偏流，可间隔一定高度在填料层内设置再分布装置，将流体先经收集后重新分布。最简单的再分布装置为截锥式再分布器，其结构简单安装方便。故选择截锥式再分布器。本设计采用的是分配锥形的再分布器，其最简单沿壁流下的液体用分配锥再将它导入中央截锥小头的直径一般为 ,本设计取1000×0.8=800mm，为了增加气体流过是的自由截面积，在分配锥上开设7个管孔，锥体与塔壁夹角取在，取h=110mm。4.3 吸收塔的主要接管尺寸的计算 1、气体进料管 由于常压下塔气体

20、进出口管气速可取1020，故若取气体进出口流速近似为16m/s，则由公式D=可求得气体进出口内径为 采用直管进料，由以下资料查得 选择=426mm×17mm热轧无缝钢管，则 （在符合范围内）气体进出口压降: 进口：出口： 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2.6m/s，则由公式D=可求得液体进出口内径为 采用直管进料，由化工原理第三版 王志魁主编 化学工业出版社P381查得选择热轧无缝钢管，则 （在符合范围内）4.4 塔附属高度的计算 取塔上部空间高度可取1.5m,塔底液相停留时间按5min考虑,则塔釜所占空间高度为: h=426.78

21、5;18.02×5×60/(12×0.785×3600×998.2)=0.82m考虑到气相接管所占的空间高度,底部空间高度可取3.0m,所以塔的附属高度可以取5.5m。所以塔高为 h=5.5+8=13.5m4.5吸收塔的压力降 P=P+P1+P2=3924+147.41+73.7=4145.11Pa第五章 设计一览表 吸收塔类型：聚丙烯阶梯环吸收填料塔表吸收塔的吸收剂用量计算总表意义及符号结果混合气体处理量VS8000m3/h气液相平衡常数m 0.751进塔气相摩尔分率Y1 0.0526出塔气相摩尔分率Y2 0.0002进塔液相摩尔分率X1 0

22、.0388最小液气比（L/V）min 0.751混合气体平均摩尔质量M 28.40kg/mol混合气体的密度1.181kg/m3混合气体的粘度1.81×105Pa·s吸收剂用量L 426.78kmol/h惰性气体流量V 316.13kmol/h 表塔设备计算总表意义及符号结果塔径D1.0 m塔高H 13.5m填料层高Z 8 m填料塔上部高度h12.5 m填料塔下部高度 3.0 m气相总传质单元高度 0.498 m气相总传质单元数10.79 m布液孔数n 71个泛点气速uF 4.2 m/s塔的压降P 3924Pa 表填料计算总表意义及符号结果填料直径dp50mm孔隙率%0.927填料比表面积a114.2m