化工原理水吸收氨过程填料吸收塔精馏塔设计课程设计x

1、化工原理-水吸收氨过程填料吸 收塔精馏塔设计一课程设计化工原理课程设计题目：水吸收氨过程填料吸收塔设计班级：学号：姓名：目录一、任务书.5 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 7性数据可查有关手册6 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 二、吸收塔的物料衡算6 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 一1、液相物性数据6 HYPERLINK l bookmark77 o Current Document 2、气相物性数据7 HYP

2、ERLINK l bookmark89 o Current Document 3、气液相平衡数据7 HYPERLINK l bookmark93 o Current Document 4、物料衡算7 HYPERLINK l bookmark97 o Current Document 三、吸收塔的塔体工艺尺寸计算81、塔径的计算8 HYPERLINK l bookmark133 o Current Document 2、填料层高度的计算及分段101）传质单元数的计算103）填料层的分段12 HYPERLINK l bookmark148 o Current Document 四、填料层压降的计算

3、13五、液体分布器简要设计14一基本要求： 14 HYPERLINK l bookmark155 o Current Document 2、分布点密度计算15 HYPERLINK l bookmark162 o Current Document 六、吸收塔接管尺寸计算15 HYPERLINK l bookmark165 o Current Document 1、气体进料管15 HYPERLINK l bookmark168 o Current Document 2、液体进料管16七、绘制生产工艺流程图17八、绘制吸收塔设计条件图18九、对设计过程的评述和有关问题的讨论.18一、任务书1、设计题

4、目：水吸收氨过程填料吸收塔设计试设计一座填料吸收塔，用于脱除混于空气中的氨气。要求混合气体处理 量为3000蛔h，其中含氨为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。2、操作条件（1） 操作压力常压（2）操作温度20C。3、填料类型选用聚丙烯阶梯环填料，填料规格自选。4、工作日每年300天，每天24小时连续生产。5、厂址厂址为万州地区。6、设计内容（1）吸收塔的物料衡算；（2）吸收塔的塔体工艺尺寸计算；（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）绘制生产工艺流程图；（7）

5、绘制吸收塔设计条件图；对设计过程的评述和有关问题的讨论。7、物性数据可查有关手册。20 C下氨在水中的溶解度系数为H=0.725Kmol/(m3.KPa)。二、吸收塔的物料衡算常用填料塔径与填料公称直径出值.D/d的推荐值列于下表:D/d的推荐值填料种类D/d的推荐值拉西环D/d 2030鞍形环D/d 15鲍尔环D/d 1015阶梯环D/d8环矩鞍D/d8本设计采用阶梯环，填料规格即为D/d8本方案采用散装填料，选用聚丙烯阶梯环作为填料设计填料塔，规格为38mmx19mmx1mm，聚丙烯阶梯环即为塑料类填料，其主要参数如下:聚丙烯阶梯环的特性数据表填料类 型公称直径DN/mm外径*高/壁厚(m

6、m)比表面积 at(m2/m3)塑料阶 梯环3838x19x1132.5空隙率/%个数 n/m-3堆积密度 (kg/m3)干填料 因子 m-1912720057.5175.61、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 C水的有关物性数据如下：1) p = 998.2kg / m3黏度：h = 0.001 pa s = 3.6kg/(m h)表面张力为: =72.6dyn / cm = 940896kg / h220C NH : H = 0.725kmol / m3 - kpa20C氨气在空气中的扩散系数D = 0.189( cm 2/s)20OC氨气

7、在水中的扩散系数Dl = 1.76X109妇2/ J2、气相物性数据1）混合气体的平均摩尔质量为:M = 0.05 x 17 + 0.95 x 29 = 28.4(kg / kmol)2)混合气体的平均密度为:PM 101.3x 103 x 28.4x 10-3f =83E t(kg/eR=8.314 m3 - KPa / (kmol - K)3)混合气体黏度可近似取为空气黏度。查手册得20OC时，空气的黏度 h = 1.81 x 10-5 pa - s = 6516 x 10-5 kg / (m - h)注：1N = 1kg .m / s2 1Pa = 1N / m2 = 1kg /(s2

8、m)1Pas=1kg/(ms)3、气液相平衡数据20C, 101.3Kpa下氨气在水中的溶解度系数H=0.725kmol/m3.kpa998 .2相平衡常数：m = 0.754P HM P 0.785 x 18 x 101 .34、物料衡算进塔气相摩尔比:y =。.051 1 - 0.05=0.0526出塔气相摩尔比：Y2 = 0.0002 /(1 - 0.0002) = 0.000211对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成：X2=0 2混合气体流量：G=(3000 x273)x (293x22.4) = 124.79kmol/h进塔惰性气体流量:GB= 124.79x(1 - 0.05) = 1

9、18.55kmol/h(金)=Yi- Y 2 = 0.0526-0.0002 =0751Gb ms y 1/m - X2 (0.0526/0.754) - 0可得吸收剂用量为:氐孔5 x0.751 x 118-55 = 133.55kmo血根据全塔物料衡算式:Gb % - Y2) = L s (X1 - X2)X1 = GB (Y1 - Y2)/ Ls+ X2= (0.0526 - 0.0002)/(0.751 x1.5) = 0.0685液气比：WL/Wv = (133.55 x18)/(3000 x1.181) = 0.678三、吸收塔的塔体工艺尺寸计算填料塔工艺尺寸的计算包括塔径的计算、

10、填料层高度的计算及分段1、塔径的计算1）工3 空塔气速的确定一一泛点气速法对于散装填料，其泛点率的经验值u/u =0.50.85根据贝恩（Bain）霍根（Hougen）关联式，即：lg日0.2L=A-K、1，4J由 Wl=2403.9 蛔/h； WV=3543kg/h查得比表面积：at=132.5m2/m3A=0.204,K=i.75, = 0.91人-K（）1/4（土）1/8 = -0.48 w P贝U二匕）（匕川0.2 = 0.33g 3 P LL解得：u F=7.890m/s其中：U泛点气速,m/s;Fg重力加速度，981m/s2a填料总比表面积，m2 /m3 -填料层空隙率m3 /m3

11、取泛点率为0.7u=0.7uf=0.7 x789=5523m/s=0.438mD_；4x3000/3600=3 弋 3.14x5.523圆整塔径后取D=0.5m=500mm2）泛点速率校核：u =光=3000/3600/（0.785 x 0.52）= 4.246m / s m/s兀D 2u/uf=4.246/7.890=0.538 （在允许范围内 05085）3）根据填料规格校核：D/d=500/38=13 84）液体喷淋密度的校核：a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。b.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

12、装填料，可取最小润湿速率 （L）为0.08m3/（m - h）填料总比表面积气=132.5m 2/m3U . = (L a = 0.08X 132.5 = 10.6m3/m2.hUTL： : 133.55X 18/99&2 = 12.27m3 /(m2.h) U0.785D20.785 X 0.52min经过以上校验，填料塔直径设计为D=500mm合理。2、填料层高度的计算及分段Yi*=mXi =0.754 x0.0685 = 0.051649匕=mX 2 = 01）传质单元数的计算用对数平均推动力法求传质单元数 脱吸因数为：- Y *12_- Y *22S=mV/L=0.754/(0.751

13、x1.5)=0.669+ S =13.36州 N = ln (1-S) 则：og 1-S2）传质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:沮 U 2a H5kP2 g J、L /U2 /Pb a )2L L L t查聚丙烯阶梯环临界表面张力值表ac =33dyn/cm=427680kg/h2材质碳瓷聚内烯聚氯乙烯铜石蜡一衣-面张力，mN /m5&517333=407520液体质量通量为:U =Wl/(0.785xD2)=133.55X18/(0.785X0.52)=L12249.17kg/(m2.h)气体质量通量为：UV=WV/(0.785xD2)=3000 x1.181/(

14、0.78x0.52)=18053.50kg/(武 h)求得：aw/at=0.362贝J：aw=47.965气膜吸收系数由下式计算：k = 0.237仕)0.7巴 3 _l_vg a R p - _ 八 RT )t v v V，代入数据解得：k =0.1726m/sG液膜吸收数据由下式计算：K = 0.0095.二3 .斗2 .里3l a R)p _ )p) K w LL LL /代入数据解得：Kl =05271m/s阶梯环填料是一种由应用价值分析技术开发出来的一种改进的开孔环填料，国外称之为CascedMini-Ring (缩写上CMR)常见填料的形状系数表填 料类型球形棒形拉西环弧鞍IT孔环

15、0. 720. 751L 191. 45查表可知，w = L45Ka = Ka 1 = 0.1726x47965x1.451.1=1246kmol/(m3hkPa) Ka = KLa/ 4 =0.5271x47.965x1.4504=29.33kmol/(m3hkPa) 修正的恩田公式只适用于u /u小于等于0.5的情况, F因为：u U = 0.5380.5/ F所以需要用以下式进行校正：f u - 0.5 r顷FJ代入数据解得：kG a =13.68kmol/(m 3hkPa)(、2 2u - 0.5UFk a =1 + 9.51 + 2.6代入数据解得：L =29.39 kmol/(m3

16、 hkPa)KGa =111 -+ k a Hk a代入数据解得：k a =8.33kmol/(m3 h*kPa)V V h =og KaQ KyPe=11855/(833x101.3x0785x052)=0,716Z = HogNog =0716x1336=9566m根据设计经验，填料层的设计高度一般为z=(1215)Z本次取安全系数为1.5：则Z =15xZ=15x9566=14.349m设计取填料层高度为15m3)填料层的分段对于阶梯环散装填料的分段高度推荐值为h/D=815, hmaxv 6m取 h/D=10 则 h=10 x0.5=5m计算得填料层高度为15m故：填料层需要分为3段，

17、高度分别为5m四、填料层压降的计算I 1.21 Ji2 = 0.0242在流动参数FP中，知道匕=3000m3 /h，匕=2.53m3 /hp =2Lx竺=1.21kg/m3故 FP=g 22.4 2933000根据Eckert图（通用压降关联图），将操作气速U代替纵坐标中的uF查表， Dn = 38mm聚丙烯阶梯环的压降填料因子 =175.6代替纵坐标中的 p.则纵标值为：Y= 0.223Wx 土 3.2 =0.223 g P L L又日=1mPa.s,甲=1故 u = 3.21m / su = 0.7 x 3.21 = 2.247m / s2=0.223 x 0.72 = 0.109在图中

18、，查 Y=0.109,X=0.0242 的点，知压降 Ap/z -1000Pa/m故全塔填料层压降Ap =1000 x 15 = 15kPa通用压降关联图至此，吸收塔的物料衡算、塔径、填料层高度及填料层压降均已算出。五、液体分布器简要设计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；本设计任务液相负荷不大，该吸收塔塔径较小，D=500mm。而多孔直管式喷淋 器使用于D=600mm以下的塔。因此本实验采用多孔直管式喷淋器作为液体的喷 淋装置。且填料层不高，可不设液体再分布器。2、分布点密度计算Eckert的散装填料塔喷淋点密度推荐值塔径，mm喷淋点密度，

19、点/m2塔截面D=400330D=500285D=600246D=750175D=120042按Eckert建议值,D=500mm时,喷淋点密度为285 点/m2o总布液孔数为:n=0.785 X 0.52 X 285=101.956 点按分布点几何均匀与流量均匀的原则，进行布点设计。设计为：11道环圆孔，每道孔分布五个孔，实际设计布点数n=55.六、吸收塔接管尺寸计算1、气体进料管由于常压下塔气体进出口管气速可取1220，故若取气体进出口流速近似为16m/s,则由公式 可求得气体进出口内径为74 q-4 x 3000d =，气7 = ;= 0.258m = 258mm、：兀u 3.14 x

20、16 x 3600采用直管进料，由附表查得选择中27mmx6.5mm轧无缝钢管，则=15.704m / s4q _4x3000（在符合范围内）一 3.14x(0.27A0.0065 x3600气体进出口压降:进口： Ap =1Pu2 =1 x1.181x15.7042 = 145.627Pa122出口. Ap2 = 0.5x2pu2 = 0.5x2x 1.181 x 15.7042 = 72.813Pa2、液体进料管I由于常压下塔液体进出口管速可取1-3 m / s，故若取液体进出口流速近似为1.5m/s，则由公式%=4d2u可求得液体进出口内径为4 q 、 4 x 2403.9d =1 = 0.0238 m = 23.8 mm 兀u 998.2x 3600 x 3.14 x 1.5采用直管进料，由附表查得选择32 mm x 2.5mm 热轧无缝钢管，则,_4q _4x 2403.9匕潢998.2x 3600