化工原理課程設(shè)計說明書(水吸收氨氣填料塔)

1、華北水利水電大學(xué)North China University of Water Resources and Electric Power課程設(shè)計題目 水吸收氨過程的填料吸收塔設(shè)計學(xué) 院 專 業(yè) 姓 名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 完成時間 教務(wù)處制化工原理課程設(shè)計任務(wù)書課程設(shè)計名稱化工原理課程設(shè)計專業(yè)班級（學(xué)生人數(shù)）指導(dǎo)教師本學(xué)期承擔(dān) 相應(yīng)課程教 學(xué)任務(wù)情況化工原理課程設(shè)計是本課程教學(xué)中綜合性和實踐性較強(qiáng)的教學(xué)環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)系實際的橋梁，是使學(xué)生體察工程實際問題復(fù)雜性、學(xué)習(xí)化工設(shè)計基 本知識的初次嘗試。通過本課程設(shè)計，要求學(xué)生了解工程設(shè)計的基本內(nèi)容， 掌握化工設(shè)計的程序和方法，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程實際

2、問題的能力。同 時，還可以使學(xué)生樹立正確的設(shè)計思想，培養(yǎng)實事求是、嚴(yán)肅認(rèn)真、高度責(zé) 任感的工作作風(fēng)。本次設(shè)計任務(wù)：水吸收氨過程的填料吸收塔設(shè)計1、處理能力2000 m3/h的空氣-氨混合氣體2、設(shè)備形式課程設(shè)計目的及任務(wù)填料吸收塔3、操作條件 混合氣含氨量6% （體積分?jǐn)?shù)，下同），塔頂排放氣體中含氨量低于0.02%。 操作壓力-常壓操作溫度-20 C填料類型填料選用聚丙烯階梯環(huán)，規(guī)格自選。4、設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)20 c時氨在水中的溶解度系數(shù) H=0.725 kmol/（m3爾Pa）設(shè)計中需要學(xué)生自己做出決策，即自己定方案、選擇流程、查取資料、進(jìn)行過程和設(shè)備計算，并要求對自己的選擇做出論證和核算，經(jīng)過

3、反復(fù)的分析比較，擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設(shè)計。本次設(shè)計要求具體如下：吸收塔的物料衡算； 課程設(shè)計要求吸收塔的工藝尺寸計算；填料層壓降的計算；液體分布器簡要設(shè)計；整理設(shè)計計算結(jié)果列表；對設(shè)計過程的評述和有關(guān)問題的討論；金糊麟塔孰跳耨幾個方面得到較好的培養(yǎng)和訓(xùn)練：1、熟悉查閱文獻(xiàn)資料、收集有關(guān)數(shù)據(jù)，正確選用公式；2、在兼顧技術(shù)上先進(jìn)性、可行性，經(jīng)濟(jì)上合理性的前提下，綜合分析設(shè)計任務(wù)要求，確定化工工藝流程，進(jìn)行設(shè)備選型，并提出保證過程正常、安全 課程設(shè)計目標(biāo) 運行所需的檢測和計量參數(shù)，同時還需考慮到操作維修的方便和環(huán)境保護(hù)的要求；3、準(zhǔn)確而迅速地進(jìn)行過程計算及主要設(shè)備的工藝設(shè)計計算；4、用精煉的

4、語言、簡潔的文字、清晰的圖表來表達(dá)自己的設(shè)計思想和計算 結(jié)果。1王志魁.化工原理M,北京：化學(xué)工業(yè)出版社,20092姚玉英，化工原理下冊M,天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社,20053唐盛偉.化工原理課程設(shè)計參考資料-填料吸收塔M,北京：化學(xué)工業(yè)參考文獻(xiàn) 出版社，2000及資料 4賈紹義，柴誠敬.化工原理課程設(shè)計M,天津：天津大學(xué)出版社,20025周軍，張秋利.化工AutoCAD制圖應(yīng)用基礎(chǔ)M.北京：化學(xué)工業(yè)出版 社，2008目錄中文摘要1英文摘要2第1章設(shè)計方案簡介4第2章工藝計算及主體設(shè)備選型 42.1 基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)42.1.1 液相物性數(shù)據(jù)42.1.2 氣相物性數(shù)據(jù)42.1.3 氣液相平衡數(shù)據(jù)

5、52.1.4 物料衡算52.2 填料塔工藝尺寸的計算 62.2.1 塔徑的計算62.2.2 填料層高度的計算82.2.3 填料層壓降的計算 10第3章輔助設(shè)備的計算及選型 113.1 液體分布器113.1.1 液體分布器選型 113.1.2 布液計算113.2 填料支撐裝置113.3 填料塔緊裝置 123.4 氣液體進(jìn)出口裝置12附錄14水吸收氨過程的填料吸收塔設(shè)計（中文）摘要在化工生產(chǎn)過程中，原料氣的凈化、氣體產(chǎn)品的精制、治理有害 氣體、保護(hù)環(huán)境等方面都廣泛應(yīng)用到了氣體吸收。 本次化工原理課程 設(shè)計的目的是根據(jù)設(shè)計要求采用填料吸收塔的方法處理含有氨氣的 空氣，采用填料吸收塔吸收操作是因為填料

6、可以提供巨大的氣液傳質(zhì) 面積而且填料表面具有良好的湍流狀況， 從而使吸收易于進(jìn)行；填料 塔有通量大、阻力小、壓降低、操作彈性大、塔內(nèi)持液量小、耐腐蝕、 結(jié)構(gòu)簡單、分離效率高等優(yōu)點，從而使吸收操作過程節(jié)省大量人力和 物力。在設(shè)計中，以水吸收混合氣中的氨氣，在給定的操作條件下對填 料吸收塔進(jìn)行物料衡算。本設(shè)計包括設(shè)計方案的選取、主要設(shè)備的工 藝設(shè)計計算-物料衡算、設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝尺寸的設(shè)計計算、 主 要設(shè)備的工藝條件圖等內(nèi)容。關(guān)鍵詞：吸收、填料塔、氨氣最新可編輯word文檔Design of packed absorption tower in the process of water abs

7、orption of ammoniaAbstractIn the chemical production process, raw material gas purification, gas products refined, harmful gas treatment, environmental protection, etc., are widely applied to gas absorption. The purpose of the course design of chemical engineeringprinciple is according to the design

8、 requirementsof the packed absorption tower by ammonia containing air handling, using packing absorption tower absorption operation because of packing can be provided with a huge gas-liquid mass transfer area and the filler surface has good turbulence conditions, so that the absorption is easy;packe

9、d tower with high flux, small resistance,pressure drop, high operating flexibility tower to a small amount of liquid, corrosion resistancesimple structure, separation and high efficiency, so that absorption process Save a lot of manpower and material resources.In the design, mixed gas of ammonia wat

10、er absorption, under the given operating conditions on the filler absorbing tower of material balance. This design includes selection of design scheme and main equipment of the process design calculation, material balance calculation, equipment, size of the structure design and process design and ca

11、lculation, the process conditions of main equipment such as map content.Keywords: absorption, packed tower, ammonia第1章設(shè)計方案簡介用水吸收氨氣為提高傳質(zhì)效率，選用逆流吸收流程；逆流操作氣 相自塔底進(jìn)入由塔頂排出，液相自塔頂進(jìn)入由塔底排出。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。填料選擇的是聚丙烯階梯環(huán)，屬于塑料填料；塑料填料的耐腐 蝕性能較好，并且具有質(zhì)輕、價廉、耐沖擊、不易破碎等優(yōu)點。階梯 環(huán)填料屬于散裝填料，規(guī)格選用 Dn50聚丙烯階

12、梯環(huán)填料。氨氣在水 中溶解度較大，故吸收劑選用清水；溫度在填料的適宜溫度下選擇20 Co第2章工藝計算及主體設(shè)備選型2.1 基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)2.1.1 液相物性數(shù)據(jù)對低濃度吸收過程，溶液的物性數(shù)據(jù)可近似取純水的物性數(shù)據(jù)。由手冊查得，20c時水的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度：pL = 998.2kg/m3;粘度： 瓦=1.0mPa s = 3.6kg/(m h)表面張力： 6=940896kg / h2 ;NH在水中的擴(kuò)散系數(shù)：DL =6.336 10“m2/h2.1.2 氣相物性數(shù)據(jù)進(jìn)塔前混合氣體的流量2000 m3/h為標(biāo)況下，所以0c時氣體 有關(guān)物性數(shù)據(jù)由手冊查得如下：混合氣體的平均摩爾量：M =

13、0.94 乂 29+0.06父17 = 28 .28 g/mol ；混合氣體的平均密度:7GPMRT101.3 28.288.314 273.15=1.26kg/m3;2)進(jìn)塔后操作溫度為20 C, 20c時氣體有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下:混合氣體的平均密度：Pg =M= 101.3x28.28 1.175kg/m3 ;RT 8.314 293.15NH在20c空氣中的擴(kuò)散系數(shù)：DG =8.28父10-2加；混合氣體粘度可近似取為空氣的粘度;混合氣體的粘度：% =1.81x10-5Pa ,s=0.065kg/(m h);2.1.3 氣液相平衡數(shù)據(jù)已知20c時氨在水中白溶解度系數(shù) H=0.725 kmol

14、/(m 3? kPa)常壓下20c時氨在水中的亨利系數(shù) 為:ps998.2E = = 76.406KPaHMS 0.785 18MS為溶劑的摩爾質(zhì)量，kg/kmol; p s為溶劑即水的密度，kg/m3相平衡常數(shù)為：m =淮。0.754P 101.32.1.4.物料衡算G-惰性氣體的流量，km%； L純吸收劑的流量，km%;Y, Y2一進(jìn)出吸收塔氣體的摩爾比;X, X2一出塔及進(jìn)塔液體中溶質(zhì)物質(zhì)量的比進(jìn)塔氣體摩爾比：Y1 =yi1-y11-0.06出塔氣體摩爾比：小之T黑2T0.02% 進(jìn)塔惰性氣體的流量：G =2000 1-0.06 =83.93kmol/h22.4該吸收過程屬低濃度吸收，平

15、衡關(guān)系為直線，最小液氣比可按下式111計算，即(人)=Y-Y2 (G )min Y/m-X2 '對于純?nèi)軇┪者^程，進(jìn)塔液相組成為:X2 = 0代入數(shù)值，得:(L)min= 0.7516*0.064-0.00020.064-00.754 0取實際液氣比為最小液氣比的1.8倍，即=1.8(-)mm G G有： =1.8x0.7516 =1.35 G得：L = 83.93 1.35 113.3kmol/h由GY1-Y2UX1-X2 ),求得吸收液出塔濃度為:X1 =G(Y1-Y2)+ X2 =83.93(0.064-0.0002)+0、0.047 L113.32.2 填料塔的工藝尺寸的計算

16、2.2.1 塔徑的計算 氣相質(zhì)量流量為G'=2000X1.26 =2520kg/h ；液相質(zhì)量流量可近似按純水的流量計算，即L'=113.3M18.02 =2041.67kg/h ;填料的泛點氣速可用經(jīng)驗方程式計算，即貝恩 -霍根關(guān)聯(lián)式121lg_g0.2式中:uf 泛點氣速，m/s; g重力加速度，9.8m/s2;at 填料總比表面積，m/m3; £填料層空隙率，%A、K-一關(guān)聯(lián)常數(shù)；常數(shù)A和B與填料的形狀及材質(zhì)有關(guān)，本次所選的塑料階梯環(huán)填料的A K值經(jīng)查手冊得：A=0.204, K=1.75本次選用的是Dn50聚丙烯階梯環(huán)填料，所以at =114.2m2/m3 ,

17、名=92.7% , PG =1.175kg/m3, pL = 998.2kg/m3,回=1.0mPa s代入關(guān)聯(lián)式:lguF2 143|L 9.81.175、02 IM12 1 = 0.204 -1.75 黑<998.2 !0.250.1252041.67 1p.175 ;< 2520 .J<998.2；解得：UF=4.25m/s,空塔氣速一般取泛點氣速的 50V80%取 u =0.8uf =0.8父4.25 =3.4m/s ；293:0.47m4 2000/36002733.14 3.4（注：VS為操作條件下混合氣體流量，即 20c下氣體流量，m/s）圓整塔徑，取D=0.5

18、m。泛點率校核：2932000 /3600u 二273-2- = 3.038m/s0.785 0.52= 338-00% -71.48% (在允許的范圍之內(nèi))Uf 4.25填料規(guī)格校核：D =500 =1。8 d 50液體噴淋密度校核：選擇填料直徑為50mm小于75mm取最小潤濕速率為3.,_2.3(LW)min -0.08m3/m h . at -114.2m2/m3Umin =(Lw)minat =0.08 114.2 =9.136m3/m2 h .液體噴淋計算式為Lb.2 0.785D2式中U -液體噴淋密度,m3/(m2 h ); Lb液體噴淋量，m3/h;D-塔填料直徑，m數(shù)據(jù)代入得

19、:2932000 293/998.2U )270.785 0.5210.4 U min經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用 D=500m喻理。2.2.2填料層高度計算mX1 =0.754 父 0.057 =0.043 ; Y2 = mX2 = 0脫吸因數(shù)為:c mG 0.754 83.93 , S =0.559113.3氣相總傳質(zhì)單元數(shù)為一 1N0G =tg1 -Li * mG Y1-Y2ln (1-)IL. L Y2 -Y2+ mG ILd"-0.559 . 0.559 :11?35氣相總傳質(zhì)單元數(shù)采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式 計算:氣膜傳質(zhì)系數(shù):kG =0.237Ugat Mg 1/3MGat

20、 DgPgDgRT氣膜傳質(zhì)系數(shù):kL =0.0095UlIaW Ml0.51/3Mi g<PlDl JkGa = kG aw啖.1 ； kLa = kLawy 0.4其中0.1aw =1 - exp J-1.45atSl2U L at_ 2)(at 瓦 J I Pl g-0.05Ul20.21*L Lat式中氣體質(zhì)量通量:Ug液體質(zhì)量通量:Ul2000 1.26 0.785 0.52 113.3 18.02 0.785 0.52=12840.76kg/m2 h=10403.39kg/m2 h(1L=3.6kg/(m h)% = 0.065kg/(m，h)=1.175kg/m3(20 C)

21、 ; Pl =998.2kg/m3Dl= 6.336 x10*m2/h ; DG = 8.28父10為2/h(20 C)=940896kg /h2 ; g =1.27 M108m/h2at = 114.2m2/ m3填料材質(zhì)的臨界表面張力（查表得）-2二 C = 427680kg/h代入得:awat-0.0510403.39 Y1.75210403.392 114.2= 1-exp-1.45''S；j 28<940896 J <114.23.6 )998.22 父 1.27M 108 J427680210403.392998.2父 940846M 114.2)= 1

22、-ex/-1.45 0.554 1.38 1.59 0.25 =0.36/07 /1/3 f-2、, c .12840 .761 00.0651 1 114.2 黑 8.28 乂 10kG =0.237 I 2 !<114.20.065 ) <1.175 父8.28 父 10- ) (8.314 293/= 0.237 184.76 0.875 3.88 10-3= 0.1 4 9m o/lm2 h kPa2/30.581/310403.39:3.613.6".27 M108kL =0.0095 6 <0.36114.23.6 J<998.2 6.336 x1

23、0- J 1998.2 J= 0.0095 17.28 0.042 76.75= 0.529m/hkGa =kGaw，1.1 =0.149 0.36 114.2 1.451.1 = 9.22kmol/m3 h kPakLa =kLaw -0.4 =0.529 0.36 114.2 1.45 0.4 = 25.231 / h因為 H =71.48% >50%,所以需要按下式進(jìn)行校正，即Uf一1.4 一 u 門 /日k'Ga= 1+9.5 -0.5kGa ; k'L a = 1+2.6 -0.5kLa得LluFJ |_<UF）k'Ga= 1 9.5 0.7148

24、-0.5 1.41 9.22 =2.1 9.22 = 19.36kmol/m3 h kPak'L a = 1 2.6 0.7148 -0.5 2.2 kLa = 1.09 25.23 = 27.5l /h11貝U KGa = = = 9.8kmol / m s kPaGa 1111+ +kba Hk'L a 19.36 0.725 27.5C-塔截面積，m2；, G83.93八H 0G2 = 0.431mKGaP'19.8 101.3 0.785 0.52工藝計算得到的填料層高度：Z = HOGNOG = 0.431 M 11.235 =4.84m設(shè)計時的填料高度：Z1

25、 =1.2x4.84 =5.81m設(shè)計取填料層高度為：Z=6m;取h=8, h =8500=4000；計算得填料層高度為6000m倘分成兩段,D每段3米；2.2.3填料層壓降的計算采用?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖 計算填料層壓降;0.50.5橫坐標(biāo)： 工 巫）=2041 .67 L1Z5=0.81父0.034 =0.0278;G' 1PL J 2520 <998.2 J縱坐標(biāo):u2 與WPg 0.2（3.4 六89乂1/1.175 ylp2P，G，瓦 二 L1）gPl9.81<998.2 J其中散裝填料壓降填料因子平均值：辦=89m水的密度與凝體密度比值：中=* =1; ：L溶液粘度：

26、瓦=1.0mPa,s；空塔氣速：u=3.4m/s；重力加速度：g =9.81m2/s ；根據(jù)橫縱坐標(biāo)查關(guān)聯(lián)圖得：:P =120OPa第3章輔助設(shè)備的計算及選型3.1 液體分布器3.1.1 液體分布器選型該吸收塔塔徑較小D=500mm而多孔直管式噴淋器適用于 600mm 以下的塔，因此在本次設(shè)計中我采用多孔直管式噴淋器作為液體的噴 淋裝置。分布點密度計算：按Ecket建議值，D=500miW,噴淋點密度為285點/m2;布液點數(shù)：n =0.785x0.52x285 =56點。按分布點幾何均勻與流量均勻的原則，進(jìn)行布點設(shè)計。設(shè)計結(jié)果為：分布為11道環(huán)圓孔，每道孔分布5個孔，實際設(shè)計布點數(shù)為n=55

27、點。3.1.2布液計算由LS = -d02n、2gLH4取 =0.60, H =160mm0。5,4Lsde =.，：nndj2g&H ,2041.674 -0.00352m 3.52mm998.2 36003.14 55 0.6 .2 9.81 0.16設(shè)計取d0 = 4mm3.2 填料支承裝置支承板是用以支承填料和塔內(nèi)持液的部件。常用的填料支承板有 柵板型、孔管型、駝峰型等。對于散裝填料，通常選用孔管型、駝峰 型支承板。設(shè)計中，為防止在填料支承裝置處壓降過大甚至發(fā)生液泛， 要求填料支承裝置的自由截面積應(yīng)大于 75%在本次設(shè)計中，選用的 是孔管型支承裝置。3.3 填料壓緊裝置為防止在

28、上升氣流的作用下填料床層發(fā)生松動或跳動，需在填 料層上方設(shè)置填料壓緊裝置。填料壓緊裝置有壓緊柵板、壓緊網(wǎng)板、 金屬壓緊器等不同類型。對于散裝填料，可選用壓緊網(wǎng)板，也可選用 壓緊柵板。設(shè)計中，為防止在填料壓緊裝置處壓降過大甚至發(fā)生液泛， 要求填料壓緊裝置的自由截面積應(yīng)大于 70%在本次設(shè)計中，選用的 是壓緊柵板。3.4 氣液體進(jìn)出口裝置填料塔的氣體進(jìn)口既要防止液體倒灌， 更要有利于氣體的均勻分 布。對500m茂徑以下的小塔，可使進(jìn)氣管伸到塔中心位置，管端切 成45°向下斜口或切成向下切口，使氣流折轉(zhuǎn)向上。對 1.5m以下直 徑的塔，管的末端可制成下彎的錐形擴(kuò)大器，或采用其它均布?xì)饬鞯?

29、裝置。氣體出口裝置既要保證氣流暢通，又要盡量除去被夾帶的液沫。最簡單的裝置是在氣體出口處裝一除沫擋板，或填料式、絲網(wǎng)式除霧器，對除沫要求高時可采用旋流板除霧器。液體出口裝置既要使塔底液體順利排出，又能防止塔內(nèi)與塔外氣 體串通，常壓吸收塔可采用液封裝置。常壓塔氣體進(jìn)出口管氣速可取 1020m/s （高壓塔氣速低于此值）；液體進(jìn)出口氣速可取0.71. 5m/s （必要時可加大些）。選擇原料氣流速u=20m/s管線直徑D =. 4VS,二 u=4 2146.52- 0195m（3600 3.14 20） 一根據(jù)管材規(guī)范，該直徑 D應(yīng)選取Dn =200mm的管材，其內(nèi)徑為0.2m,其實際流速為：u =42146.52/2、=18.99m/s （符合標(biāo)準(zhǔn)）（3600 3.14 0.22）氣體進(jìn)口直徑?。篋=0.2m 選擇吸收劑流速u=1.5m/s管線直徑D= 4 2041.67=0 022(m)D(3600 998.2 3.14 1.5) 0.022(m)根據(jù)管材規(guī)范，該直徑 D應(yīng)選取DN=25mm的管材，其內(nèi)徑為25mm其實際流速為:=