水吸收氨填料塔的设计

目录一、设计条件 2二、设计方案的确定 2三、填料的选择 2四、基础物性数据 2（一）DN50的聚丙烯鲍尔环特性数据 2（二）液相物性数据 2（二） 气相物性数据 3（三） 气液相平衡数据 3五、物料衡算 3六、 填料塔工艺尺寸的计算 4（一） 塔径的计算 4（二） 填料层高度的计算 5七、 填料层压降的计算 7八、 液体分布器简要设计 8(一) 液体分布器及液体再分布器的选型 8(二) 分布点密度的计算 8(三) 布液计算 8九、 填料塔接管尺寸的计算 8（一）气体进料管 8（二）液体进料管 9十、 离心泵的计算和选择 9十一、设计结果一览表 10十二、参考文献 11十三、对本设计的评述及心得体会 11水吸收氨填料塔设计化工原理课程设计任务书 5（化工11-5/6班）一、设计题目题目：水吸收氨填料塔的设计。工艺参数：原料含氨 (5+*0.05* 学号)％(体积分数)塔顶氨含量为： <0.02％，(体积分数)塔的生产能力为： 质量流量=（3000+0.2*学号）kg/h基本条件：顶压强为常压，操作温度 20℃。二、设计内容 ：设计方案的确定及流程说明；塔的工艺计算：物料衡算；塔高、塔径；填料层压降的计算；。液体分布器简要计算;(6）接管尺寸计算；绘制装置工艺流程图、塔设备结构简图；设计结果一览表；对本设计的评述或有关问题的分析讨论。三、设计要求：1、设计完成后，必须提交设计成果，其中设计成果包括设计说明书一份。2、设计说明书包括：封面、目录、设计任务书、设计计算书、设计结果汇总表、装置工艺流程图、塔设备装置工艺流程图、塔设备结构简图、参考文献及设计自评表等。3、设计计算书主要包括： 设计内容四、参考书目:1、姚玉英 . 化工原理 ,上册,1版.天津:天津大学出版社 ,19992、柴诚敬.化工原理课程设计 .1版.天津:天津大学出版社 ,19943、匡国柱.化工单元过程及设备课程设计 .1版.北京:化学工业出版社 ,20024、李功祥.常用化工单元设备设计 .1版.广州:华南理工大学出版社 ,20031水吸收氨填料塔设计一、设计条件塔的生产能力3001kg/h进料组成(质量分率)/%氨气空气5.25%94.75%分离要求塔顶NH3含量≤0.02%(体积分数)基本条件顶压强为常压，操作温度20℃回收率99.6%二、设计方案的确定用水吸收NH3属于易溶气体的吸收，为提高传质效率，选用逆流吸收流程。因用水作为吸收剂价格经济低廉，且 NH3不作为产品，故采用纯溶剂。三、填料的选择对于水吸收 NH3的过程，操作温度及操作压力较低，工业上通常选用塑料散装填料。在塑料散装填料中，塑料鲍尔环填料的综合性能较好，故选用DN50的聚丙烯鲍尔环填料。四、基础物性数据（一）DN50的聚丙烯鲍尔环特性数据公称直径DN：50mm外径*高*厚（d*h*s）：50mm*50mm*1.5mm比表面积a：100m2/m3空隙率ε：91.7％=0.917个数n：6300m-3堆积密度ρ：76kg/m3干填料因子Ф：130m-1（二）液相物性数据对低浓度吸收过程，溶液的物性数据可以近似取纯水的物性数据。由手册查得，20℃时水的有关物性数据如下2水吸收氨填料塔设计密度：黏度：

998.2kg/m3L 0.001Pas 3.6kg/(mh)表面张力： L 72.6dyn/cm 940896kg/h2氨气在水中的扩散系数为： DL 1.7610-5cm2/s 6.34 10-6m2/h（二）气相物性数据混合气体的平均摩尔质量为Mvm yiMi 0.052517.03 0.9475 29 28.37混合气体的平均密度为pMvm101.328.371.180kg/m3vm8.314293RT混合空气的黏度可近似取为空气的的黏度，查手册得 20℃空气的黏度为1.81105Pas 0.065kg/(mh)查手册得氨气在空气中的扩散系数为DV 0.189cm2/s 0.068m2/h（三）气液相平衡数据查手册得，常压下 20℃时氨气在水中的亨利系数为76.4kPa相平衡常数为m EP 76.4101.3 0.754溶解度系数为H LEMS 998.2(76.4 18.02) 0.725kmol/(kPam3)五、物料衡算进塔气体摩尔比为Y1 y1/(1-y1) 0.0525/(1-0.0525) 0.0554出塔气体的摩尔比为3水吸收氨填料塔设计Y2 y2(1 y2) 0.0002(1 0.0002) 0.0002进塔混合气体体积流量为VS30012543.22m3/h1.180进塔混合气体摩尔流量为3001VS 105.78kmol/h28.37进塔惰性气体流量为V 105.78 (1 0.0525) 100.23kmol/h纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为X2 0该吸收过程属低浓度吸收，平衡关系为直线，最小气液比为（L/V） (Y-Y)/(Y/m-X) (0.0554-0.0002)(0.05540.754 0) 0.751min 1 2 1 2取操作液气比为最小液气比的 1.7倍，则操作液气比为L/V 1.7(L/V)min 1.7 0.751 1.277L 1.277 100.23 127.99kmol/h由物料衡算V(Y1 Y2) L(X1 X2)得X1 (VL)(Y1 Y2) X2 (11.277) (0.0554 0.0002) 0 0.0432六、填料塔工艺尺寸的计算（一）塔径的计算气相质量流量为WV 3001kg/h液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即WL 127.99 18.02 2306.38kg/h采用贝恩-霍根关联式计算泛点速度：211uf48atv0.2WLvlg3LAKgLWvL代入数据4水吸收氨填料塔设计21001.18030.21418uf0.001100.09422306.381.180lg0.9173998.21.75998.29.813001解得uf3.957ms取u0.7uf0.73.9572.770m/s1242543.2212塔径D4Vs0.570mu3.142.7703600圆整塔径，取D0.6m泛点率校核：u 2543.22/(3600 3.14/4 0.62) 2.50m/su/uf(2.50/3.957)100％63.18%（在允许范围内）填料规格校核：D/d600/50128液体喷淋密度校核：取最小润湿速率为LWmin0.08m3mh则Umin(LW)miant0.081008m3m2h2306.38998.2U8.18Umin3.140.624经以上校核可知，填料塔直径选用 D 600mm合理。（二）填料层高度的计算Y1*mX10.7540.04320.0326Y2*mX20脱吸因数为Sm0.754LV0.5901.277气相总传质单元数为NOG1Y1Y2S10.05540ln(1-S)Y2Y2ln（1-0.590）0.00020.59011.5551S10.59005水吸收氨填料塔设计气相总传质单元数高度采用修正的恩田关联式计算：aw0.750.1UL2at0.05UL20.21exp1.45cULatatL2gLLatLL查表得c33dyn/cm427680kg/h2液体质量通量为UL2306.388161.29kgm2h3.140.624aw0.750.18161.2921000.058161.2920.21exp1.454276808161.29at9408961003.6998.221.27108998.2940896100=0.344气膜吸收系数由下式计算：UV0.713atDVkG0.237VVDVRTatV气体质量通量为UV300110619.25kgm2h3.140.62则40.713kG0.23710619.250.0651000.0680.1095kmolm2hkPa1000.0651.1800.0688.314293液膜吸收系数由下式计算：UL231213kL0.0095LLgaWLDLLL8161.29233.6121.27108130.00953.60.5009mh998.26.3410-6998.20.3441003.6查表得1.45，则kGakGaw1.10.10950.3441001.451.15.669kmolm3hkPakLakLaw0.40.50090.3441001.450.419.9921h因为u/uf63.18%50%，故需进行校正由'11.4，kL'a12.6(u/uf-0.5)2.2kLa，得kGa9.5(u/fu-0.5)kGa6水吸收氨填料塔设计kG'a19.50.63180.51.45.6698.825kmolm3hkPa，kL'a12.60.63180.52.219.99220.5941h则KGa11115.547kmolm3hkPa11kG'aHkL'a8.8250.72520.594气相总传质单元高度为HOGVV100.230.631mKYaKGaP3.145.547101.3240.6填料层高度为ZHOGNOG0.63111.5557.291m取Z' 1.4Z，则设计填料层高度为Z' 1.4 7.291 10.207m圆整设计填料层高度，取 Z' 11m查表得，鲍尔环散装填料分段高度推荐值： h/D 5~10, hmax 6mm取h/D10，则h 10 600 6000mm计算所得填料层高度为 11000mm，大于6000mm，故需分2段，每段为5500mm。七、填料层压降的计算采用Eckert通用关联图计算填料层压降。WL0.51.1800.5横坐标为：V2306.380.026WV3001998.2L查表得：p125m-1，则纵坐标为：u2pV0.22.50212511.1801030.2gL9.810.0010.0941L998.2查图得：p9.81797.06Pa/m81.25Z填料层压降为：p797.06118767.66Pa7水吸收氨填料塔设计八、液体分布器简要设计(一) 液体分布器及液体再分布器的选型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。由于此次设计填料层高度为11m需分段，故根据实际情况选取多孔盘式液体再分布器。为防止上一填料层来的液体直接流入升气管，应于升气管上设盖帽。(二) 分布点密度的计算按Eckert建议值，D≈600mm时，喷淋点密度为240点／m2，所以设计取喷淋点密度为240点／m2。布液点数为：n3.140.6224067.8点4取布液点数为68点。(三) 布液计算12由LS2d04LS4d0n2g得n2g取0.60，200mm，则42306.38998.2360012d03.18103m3.14680.6029.810.2设计取d0 4mm。九、填料塔接管尺寸的计算（一）气体进料管由于常压下塔气体进出口管气速可取 10～20m/s，故若取气体进出口流速近似8水吸收氨填料塔设计为16m/s，则由公式qV4d2u可求得气体进出口内径为d4qV42543.223600103237.16mmu3.1416采用直管进料，查附录可知，应选择 273mm 17mm热轧无缝钢管，则u"4qV42543.2236002215.75ms(在符合范围内)d23.140.2730.017气体进出口压降:进口：p11vu"211.18015.752146.36Pa22出口：p20.51vu"20.511.18015.75273.18Pa22（二）液体进料管由于常压下塔液体进出口管速可取1~3ms，故若取液体进出口流速近似为2.6m/s，则由公式qV4d2u可求得液体进出口内径为d4qV4127.9918.02998.2360010317.73mmu3.142.6采用直管进料，查附录可知，应选择25mm3mm热轧无缝钢管，则u"4qV4127.9918.02998.236002.26ms(在符合范围内)d23.140.0250.00322十、离心泵的计算和选择管内液体流速：u 2.26ms雷诺准数为：du0.0250.00322.26998.2Re0.00142863L摩擦系数为：0.3164Re0.25 0.3164 428630.25 0.02209水吸收氨填料塔设计局部阻力损失：三个标准截止阀全开三个标准90°弯头管路总压头损失：

1 36.4 19.22 3 0.75 2.25Hflu20.02201219.22.252.262d2g0.003229.2m0.0259.81填料塔压降：PPP1P2P8767.66146.3673.1808987.2Pa其它阻力压降较小可忽略。扬程：HeZP118987.2Hf9.2021.12mg998.29.81流量：Q WL 127.9918.02 2.31m3h998.2查附录可知，选型号IS50-32-160泵较合适，该泵扬程32米，流量12.5立方米/小时，转速2900转/分钟。注：(1)本设计任务液相负荷不大，可选用排管式液体分布器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。十一、设计结果一览表吸收塔类型：名称操作压力/kPa操作温度/℃-1流速/m·s质量流量/kg·h-1摩尔流量/kmol·h-1

DN=50mm聚丙烯鲍尔环散装填料吸收塔塔的生产能力：3001kg/h工艺参数清水混合气体101.3101.320202.2615.75998.21.1802306.383001127.99105.7810水吸收氨填料塔设计进料管管径/mm19239出口管径/mm19239扩散系数/m2·h-16.34×10-60.068黏度/kg·m-1·h-13.60.065表面张力/kg·h-2940896塔径/mm600填料层高度/mm11000分布点数/点68填料层压降/Pa8767.66填料塔压降/Pa8987.2十二、参考文献1）常用化工单元设备的设计 .陈英南主编 .华东理工大学出版社， 2005塔的工艺计算.石油化学工业规划设计院.北京：石油化学工业出版社，19973）化工设备全书 -塔设备设计.化工设备技术全书编辑委员会 .上海：上海科学技术出版社，19884）化学工程手册 汽液传质设备分册 .时钧，汪