水吸收氨化工原理課程設(shè)計.doc

化 工 原 理 課 程 設(shè) 計題目 水吸收氨氣過程填料塔吸收設(shè)計 學 院 化學化工學院 專業(yè)班級 化學工程與工藝2012級 學生姓名 學生學號 指導教師 2015年1月 20 日 課程設(shè)計任務(wù)書2014年化工原理課程設(shè)計任務(wù)書（2）一、 設(shè)計題目：水吸收氨過程填料吸收塔的設(shè)計試設(shè)計一座填料吸收塔，用于脫除混于空氣中的氨氣?；旌蠚怏w的處理量為4000、4500、5000、5500、6000、6500、7000、7500、8000、8500、9000、9500、10000 、11000、120003/h（每個學生選擇一種處理量；學號：11-25號），其中含氨為5%（體積分數(shù)），要求塔頂排放氣體中含氨低于0.02%（體積分數(shù)）。采用清水進行吸收，吸收劑的用量為最小用量的1.5倍。二、 操作條件（1）操作壓力 常壓 （2）操作溫度 20三、 填料類型選用聚丙烯階梯環(huán)填料，填料規(guī)格自選。四、 工作日每年300天，每天24小時連續(xù)運行。 五、 廠址廠址為衡陽地區(qū)。 六、 設(shè)計內(nèi)容（1）吸收塔的物料衡算； （2）吸收塔的工藝尺寸計算； （3）填料層壓降的計算； （4）液體分布器簡要設(shè)計； （5）吸收塔接管尺寸計算； （6）繪制吸收塔設(shè)計條件圖； （7）對設(shè)計過程的評述和有關(guān)問題的討論。（七） 設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)20下氨在水中的溶解度系數(shù)為H=0.725kmol/( m3.kPa)。要求：1.參照化工原理課程設(shè)計教材計算；2.手工繪圖，A1圖紙；3.打印稿，并交電子稿；4.要列出參考文獻指導教師：賀楚華； QQ郵箱：674615536學號:19號 選擇混合氣體處理流量8000 m3/h目 錄第一章 填料塔主體設(shè)計方案的確定-6 1.1裝置流程的確定-6 1.2吸收劑的選擇-6 第二章 填料的類型與選擇-6 2.1填料的類型-6 2.2填料的選擇-7第三章填料吸收塔的工藝計算-7 3.1基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)-7 3.1.1液相物性數(shù)據(jù) -7 3.1.2氣相物性數(shù)據(jù)-7 3.1.3氣液相平衡數(shù)據(jù)-8 3.2 物料衡算-8 3.3填料塔的工藝尺寸計算-9 3.3.1塔徑的計算-9 3.3.2填料規(guī)格校核-11 3.4填料層高度的計算及分段-11 3.4.1填料層高度的計算-11 3.4.2填料層的分段-14第四章 塔輔助設(shè)備的計算及選型-15 4.1 填料層壓降的計算-15 4.2 液體分布器的計算-16 4.2.1液體分布器的選型-16 4.2.2分布點密度計算-16 4.2.3布液計算-16 4.2.4液體再分布裝置-17 4.3吸收塔的主要接管尺寸的計算-17 4.5吸收塔的壓力降-19第五章設(shè)計一覽表-19 表1吸收塔的吸收劑用量計算總表-19 表2塔設(shè)備計算總表-20 表3填料計算總表-21 第六章 對設(shè)計過程的評述和有關(guān)問題的討論-22參考文獻-23 主要符號說明1.英文字母 填料層的有效傳質(zhì)比表面積（m/m）填料層的潤滑比表面積m/m吸收因數(shù) D塔徑;LS液體噴淋密度;DL、DV擴散系數(shù)，m/s； 亨利系數(shù)，KPa重力加速度，kg/(m.h)溶解度系數(shù)，kmol /(m.KPa)氣相總傳質(zhì)單元高度，mMS混合氣體摩爾質(zhì)量氣相傳質(zhì)單元數(shù)相平衡常數(shù)總壓，KPaL液相質(zhì)量流量，kg/hS氣相質(zhì)量流量,kg/h分壓，KPa氣體通用常數(shù)，kJ/(kmol.K)解吸因子溫度，0C空塔速度，m/suF液泛速度，m/sV惰性氣體流量，kmol/s混合氣體體積流量，m3/s;kL液膜吸收系數(shù) ，kmol/(m2.s.kmol/m3)kG氣膜吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)KG氣相總吸收系數(shù)，kmol/(m2.s.kpa)KL液相總吸收系數(shù)kmol/(m.s)L吸收劑用量kmol/h; kmol/s密度kg/ m2.下標液相的 氣相的x溶質(zhì)組分在液相中的摩爾分率 X溶質(zhì)組分在氣相中的摩爾比 y溶質(zhì)組分在液相中的摩爾分率 Y溶質(zhì)組分在氣相中的摩爾比 Z填料層高度 第一章 填料塔主體設(shè)計方案的確定1.1裝置流程的確定本次設(shè)計采用逆流操作：氣相自塔低進入由塔頂排出，液相自塔頂進入由塔底排出，即逆流操作。逆流操作的特點是：傳質(zhì)平均推動力大，傳質(zhì)速率快，分離效率高，吸收劑利用率高。工業(yè)生產(chǎn)中多采用逆流操作。1.2吸收劑的選擇 吸收劑又叫溶劑，吸收過程是依靠氣體在吸收劑中的溶解來實現(xiàn)的，因此，選擇良好的吸收劑是吸收過程的重要一環(huán)選擇吸收劑的基本要求:1. 吸收劑應(yīng)具有較大溶解度，以提高吸收速率減少吸收劑用量，降低輸送與再生的能耗。2. 選擇性好，吸收劑對混合氣體的溶質(zhì)要有良好的吸收能力，而對其它組分不吸收或吸收甚微。以提高吸收速率，減小吸收劑用量。 3. 操作溫度下吸收劑的蒸汽壓要低，以為離開吸收設(shè)備的氣體往往被吸收劑所飽和，吸收劑的揮發(fā)度愈大，則在吸收和再生過程中吸收劑損失愈大。4. 粘度要低，以利于傳質(zhì)與輸送；有利于氣液接觸，提高吸收速率。5. 具有較好的化學穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性，以減少吸收劑的降解和變質(zhì)，尤其在使用化學吸收劑時。6. 其它，所選用的吸收劑還應(yīng)滿足無毒性，無腐蝕性，不易燃易爆，不發(fā)泡，冰點低，廉價易得以及化學性質(zhì)穩(wěn)定等要求。按要求用清水作為吸收劑，其廉價易得，物理化學性能穩(wěn)定，選擇性好，且NH3不作為產(chǎn)品，故采用純?nèi)軇?。?章 填料的類型與選擇2.1填料的類型 塔填料（簡稱為填料）是填料塔的核心構(gòu)件，它提供了氣、液兩相相接觸傳質(zhì)與傳熱的表面，其性能優(yōu)劣是決定填料塔操作性能的主要因素。填料的比表面積越大，氣液分布也就越均勻，傳質(zhì)效率也越高，它與塔內(nèi)件一起決定了填料塔的性質(zhì)。根據(jù)填裝方式的不同，可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類。塑料階梯環(huán)特性數(shù)據(jù)材質(zhì)外徑d，mm外徑高厚dH比表面積at，m2/m3空隙率，m3/m3個數(shù)n，個/m3堆積密度p，kg/m3干填料因子at/3，m-1填料因子，m-1塑料253850762517.51.43819150301.576373228132.5114.289.950.900.910.9270.92981500272009980342097.857.576.868.4313175.6143.111217611689722.2填料的選擇 根據(jù)要求選擇的填料為散裝填料中的塑料聚丙烯DN50階梯環(huán)，所選用的填料主要參數(shù)如下： 公稱直徑：50mm 孔隙率:0.927e 比表面積a:114.2壓降填料因子:89/m-1-第三章填料吸收塔的工藝計算3.1基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)3.1.1液相物性數(shù)據(jù) 密度為： 黏度為： 表面張力 NH 3在水中的擴散系數(shù)為：3.1.2氣相物性數(shù)據(jù) 混合氣體平均密度： 混合氣體平均摩爾質(zhì)量為 Ms=yiMi=0.0517+0.9529=28.40kg/kmol 混合氣體的黏度可近似取空氣的黏度，查得20空氣的黏度為： 查表得273K，101.3Kpa氨氣在空氣中擴散系數(shù)： 經(jīng)計算 293K,101.3Kpa氨氣在空氣中擴散系數(shù)：3.1.3氣液相平衡數(shù)據(jù)20，101.3Kpa下氨氣在水中的溶解度系數(shù)： 相平衡常數(shù)： 3.2 物料衡算 由設(shè)計條件知：原料液中NH3的摩爾分數(shù)為0.05，排放氣體中NH3的摩爾分數(shù)為0.0002。進塔氣相摩爾比：出塔氣相摩爾比：對于純?nèi)軇┪者^程，進塔液相組成：進塔惰性氣體流量： 吸收過程屬于底濃度吸收，平衡關(guān)系為直線，最小氣液比可按下式計算，即： 對于純?nèi)軇┪者^程，進塔液相組成為： 取操作液氣比為 根據(jù)全塔物料衡算式: 3.3填料塔的工藝尺寸計算3.3.1塔徑的計算 氣相質(zhì)量流量為： 液相質(zhì)量流量可近似按純水的流量計算，即 空塔氣速的確定泛點氣速法 對于散裝填料，其泛點率的經(jīng)驗u/u=0.5-0.85貝恩（Bain）霍根（Hougen）關(guān)聯(lián)式 ，即： = 即：解得 其中： 泛點氣速，m/s; g 重力加速度，9.81m/s 氣相密度 常數(shù)A與K和填料形狀、材質(zhì)的關(guān)系散裝填料類型塑料鮑爾環(huán)金屬鮑爾環(huán)塑料階梯環(huán)金屬階梯環(huán)瓷矩鞍金屬環(huán)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 圓整塔徑后 D=1.0m（常用的標準塔徑為400、500、600、700、800、1000、1200、1400、1600、2000、2200）泛點率校核： （對于散裝填料，其泛點率的經(jīng)驗值為,算得的數(shù)值在(0.50-0.85)之間,所以符合求.）3.3.2填料規(guī)格校核 根據(jù)要求應(yīng)選擇環(huán)形填料中的塑料階梯環(huán).由于所選用的塔徑為1000mm,又根據(jù)填料與塔徑的對應(yīng)關(guān)系及實際操作要求,尺寸為DN50的塑料階梯環(huán),填料規(guī)格如下:公稱直徑：50mm孔隙率e:0.927比表面積a:114.2填料因子:143/m-填料常數(shù)A:0.204 所以有D/d=1000/50=20,即符合要求.見下圖： 液體淋噴密度校核：取最小濕潤速率為查手冊得 經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用D=1000mm合理。3.4填料層高度的計算及分段3.4.1填料層高度的計算 脫吸因素為 氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)是是式計算：不同材質(zhì)的值材質(zhì) 鋼 瓷 聚丙烯聚氯乙烯 碳 玻璃 石蠟表面張力/dyn.cm-175 61 3340 56 73 20查得 液體的質(zhì)量通量為 氣膜吸收系數(shù)： 氣體質(zhì)量通量為： 液膜吸收數(shù)據(jù)由下式計算： 各類填料的形狀系數(shù)填料類型球棒拉西環(huán)弧鞍開孔環(huán)值0.720.7511.191.45查上表得=1.45 故=0.13840.08=8.32 以下公式為修正計算公式： 得 則 由得 設(shè)計取填料層高度為 3.4.2填料層的分段由散裝填料分段高度推薦值查得：散裝填料分段高度推薦值填料類型h/D hmax/m拉西環(huán)2.54矩鞍5-86鮑爾環(huán)5-106階梯環(huán)8-156環(huán)矩鞍8-156塑料階梯環(huán) h/D 。 h/D=8，則 h=81000=8000 mm計算的填料層高度為8000 mm，故分段兩段，每段4000mm。第四章塔輔助設(shè)備的計算及選型4.1 填料層壓降的計算填料層壓降:氣體通過填料層的壓降采用Eckert關(guān)聯(lián)圖計算,在圖中：u-空塔氣速，m/s g-重力加速度，9.81m/s2 -填料因子，1/m -液體密度校正系數(shù)，=水/L L、V-液體、氣體的密度,kg/m3 L-液體黏度，mPas L、V-液體、氣體的質(zhì)量流量,kg/s其中橫坐標為：查下表得 DN16 DN25 DN38 DN50 DN76填料因子/m-1- 176 116 89-縱坐標為 查表得填料層壓降為4.2 液體分布器的計算4.2.1液體分布器的選型 液體分布器的性能主要由分布器的布液點密度（即單位面積上的布液點數(shù)），各布液點均勻性，各布液點上液相組成的均勻性決定，設(shè)計液體分布器主要是決定這些參數(shù)的結(jié)構(gòu)尺寸。 根據(jù)本吸收的要求和物系的性質(zhì)可選用重力型排管式液體分布器，布液孔數(shù)應(yīng)依據(jù)所用填料所需的質(zhì)量分布要求決定，噴淋點密度應(yīng)遵循填料的效率越高所需的噴淋點密度越大這一規(guī)律。4.2.2分布點密度計算Ecker的散裝填料塔分布點密度推薦值 塔徑/mm 分布點密度/（點/m2塔截面） D=400 330 D=750 170 D1200 42設(shè)計中D=1000mm,則取噴淋密度為90點/m2則總布液孔數(shù)為：n=0.785D2=0.7851290=70.65 實際總布液孔數(shù)：71點4.2.3布液計算取 =0.60 ，H=0.2 mLS=426.7818.02/3600998.2=2.1410-3m3/s由得： =42.1410-3/0.63.1471(29.810.2)1/21/2 =5.6810-3m=5.68mm取 d0為6 mm由計算得，設(shè)計布液點數(shù)為71點，直徑為6 mm 4.2.4液體再分布裝置氣液兩相在填料層中流動時，受阻力的影響，易發(fā)生偏流現(xiàn)象，導致亂堆填料層內(nèi)氣液分布不均，使傳質(zhì)效率下降。為防止偏流，可間隔一定高度在填料層內(nèi)設(shè)置再分布裝置，將流體先經(jīng)收集后重新分布。最簡單的再分布裝置為截錐式再分布器，其結(jié)構(gòu)簡單安裝方便。故選擇截錐式再分布器。本設(shè)計采用的是分配錐形的再分布器，其最簡單沿壁流下的液體用分配錐再將它導入中央截錐小頭的直徑一般為 ,本設(shè)計取10000.8=800mm，為了增加氣體流過是的自由截面積，在分配錐上開設(shè)7個管孔，錐體與塔壁夾角取在，取h=110mm。4.3 吸收塔的主要接管尺寸的計算 1、氣體進料管 由于常壓下塔氣體進出口管氣速可取1020，故若取氣體進出口流速近似為16m/s，則由公式D=可求得氣體進出口內(nèi)徑為 采用直管進料，由以下資料查得 選擇=426mm17mm熱軋無縫鋼管，則 （在符合范圍內(nèi)）氣體進出口壓降: 進口：出口： 2、液體進料管 由于常壓下塔液體進出口管速可取，故若取液體進出口流速近似為2.6m/s，則由公式D=可求得液體進出口內(nèi)徑為 采用直管進料，由化工原理第三版 王志魁主編 化學工業(yè)出版社P381查得選擇熱軋無縫鋼管，則 （在符合范圍內(nèi)）4.4 塔附屬高度的計算 取塔上部空間高度可取1.5m,塔底液相停留時間按5min考慮,則塔釜所占空間高度為: h=426.7818.02560/(120.7853600998.2)=0.82m考慮到氣相接管所占的空間高度,底部空間高度可取3.0m,所以塔的附屬高度可以取5.5m。所以塔高為 h=5.5+8=13.5m4.5吸收塔的壓力降 P=P+P1+P2=3924+147.41+73.7=4145.11Pa第五章 設(shè)計一覽表 吸收塔類型：聚丙烯階梯環(huán)吸收填料塔表吸收塔的吸收劑用量計算總表意義及符號結(jié)果混合氣體處理量VS8000m3/h氣液相平衡常數(shù)m 0.751進塔氣相摩爾分率Y1 0.0526出塔氣相摩爾分率Y2 0.0002進塔液相摩爾分率X1 0.0388最小液氣比（L/V）min 0.751混合氣體平均摩爾質(zhì)量M 28.40kg/mol混合氣體的密度1.181kg/m3混合氣體的粘度1.81105Pas吸收劑用量L 426.78kmol/h惰性氣體流量V 316.13kmol/h 表塔設(shè)備計算總表意義及符號結(jié)果塔徑D1.0 m塔高H 13.5m填料層高Z 8 m填料塔上部高度h12.5 m填料塔下部高度 3.0 m氣相總傳質(zhì)單元高度 0.498 m氣相總傳質(zhì)單元數(shù)10.79 m布液孔數(shù)n 71個泛點氣速uF 4.2 m/s塔的壓降P 3924Pa 表填料計算總表意義及符號結(jié)果填料直徑dp50mm孔隙率%0.927填料比表面積a114.2m2/m3填料因子89m-1填料常數(shù)A0.204第六章 對設(shè)計過程的評述和有關(guān)問題的討論 經(jīng)過了幾周的辛苦和忙碌，