最終版化工原理課程設計水吸收氨填料吸收塔設計

1、水吸收氨課程設計第一節(jié)前言 51.1填料塔的主體結構與特點 51.2填料塔的設計任務及步驟 51.3填料塔設計條件及操作條件 5第二節(jié)填料塔主體設計方案的確定 62.1 裝置流程的確定 62.2 吸收劑的選擇 62.3填料的類型與選擇 6231 填料種類的選擇 62.3.2 填料規(guī)格的選擇 6233填料材質的選擇 72.4基礎物性數據 7241 液相物性數據 7242 氣相物性數據 7243 氣液相平衡數據 8244 物料橫算 8第三節(jié)填料塔工藝尺寸的計算 93.1塔徑的計算 93.2填料層高度的計算及分段 103.2.1 傳質單元數的計算 10填料層的分段 123.3填料層壓降的計算 12第

2、四節(jié)填料塔內件的類型及設計 134.1塔內件類型 134.2塔內件的設計 134.2.1 液體分布器設計的基本要求： 134.2.2 液體分布器布液能力的計算 13注：141填料塔設計結果一覽表 143參考文獻 164后記及其他 16附件一：塔設備流程圖 17附件二：塔設備設計圖 17化工學院關于專業(yè)課程設計的有關要求 （草案）專業(yè)課程設計是學生學完專業(yè)基礎課及專業(yè)課之后， 進一步學習工程設計的基礎知識， 培養(yǎng)學生工程設計能力的重要教學環(huán)節(jié)， 也是學生綜合運用相關課程知識，聯(lián)系生產實際, 完成以單元操作為主的一次工程設計的實踐。為了加強我院本科學生專業(yè)課程設計這一重 要實踐教學環(huán)節(jié)的規(guī)范化管理

3、，保證專業(yè)課程設計工作有序進行及教學質量，特制定專業(yè) 課程設計的有關要求并請遵照執(zhí)行。、選題要求選題應以單元操作的典型設備為對象，進行單元操作過程中相關的設備與工藝設計，盡量從科研和生產實際中選題。為了保證專業(yè)課程設計的質量和工作量，選題要求1人1題。、設計說明書文本要求（一）、字數要求：2000字以上（二）、打印要求：用A4紙打?。蛔筮吘?厘米、右邊距2厘米、上邊距3厘米、下邊距2.5厘米；行距20磅；頁碼居中字體、字號要求（包括裝訂順序）1、封面由學院統(tǒng)一制定格式2、設計任務書3、目錄（宋體、4號），其余（宋體、小4號）4、正文（宋體、小4號字）、一級標題（宋體、3號字、加粗）、二級標題（

4、宋體、4 號字、加粗）正文內容主要包括：概述與設計方案簡介；設計條件及主要物性參數表；工藝設計計算（內容較多，應根據設計計算篇幅適當劃分為若干小節(jié)，使之條理清晰） ；輔助設備的計 算及選型；設計結果匯總表（物料衡算表，設備操作條件及結構尺寸一覽表）；設計評述（設 計的評價及學習體會）。5、參考文獻（宋體、5號字）6附錄：設計圖紙（工藝流程圖與主體設備裝配圖）三、考核方式及成績評定專業(yè)課程設計的考核與成績評定由指導教師進行?？己藘热荩嚎记凇⒂嬎悴莞寤蚬P記、說明書和圖紙的質量，獨立完成設計情況?；W院第一節(jié)前言1.1填料塔的主體結構與特點結構：圖1-1填料塔結構圖填料塔不但結構簡單，且流體通過填

5、料層的壓降較小，易于用耐腐蝕材料制造，所 以她特別適用于處理量肖，有腐蝕性的物料及要求壓降小的場合。液體自塔頂經液體分 布器噴灑于填料頂部，并在填料的表面呈膜狀流下，氣體從塔底的氣體口送入，流過填 料的空隙，在填料層中與液體逆流接觸進行傳質。因氣液兩相組成沿塔高連續(xù)變化，所 以填料塔屬連續(xù)接觸式的氣液傳質設備。1.2填料塔的設計任務及步驟設計任務：用水吸收空氣中混有的氨氣。設計步驟：（1）根據設計任務和工藝要求，確定設計方案；（2）針對物系及分離要求，選擇適宜填料；（3） 確定塔徑、填料層高度等工藝尺寸（考慮噴淋密度）；（4）計算塔高、及填料層的壓降；（5）塔內件設計。1.3填料塔設計條件及操

6、作條件1. 氣體混合物成分：空氣和氨2. 空氣中氨的含量：5.0%（體積含量即為摩爾含量）3. 混合氣體流量6000m3/h4. 操作溫度293K5. 混合氣體壓力101.3KPa6. 回收率99 %7. 采用清水為吸收劑8. 填料類型：采用聚丙烯鮑爾環(huán)填料第二節(jié)精餾塔主體設計方案的確定2.1裝置流程的確定本次設計采用逆流操作：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：傳質平均推動力大，傳質速率快，分離效率高，吸收劑利用率 高。工業(yè)生產中多采用逆流操作。2.2 吸收劑的選擇因為用水做吸收劑，故采用純溶劑。2-1工業(yè)常用吸收劑溶質溶劑溶質溶劑氨水、硫酸丙

7、酮蒸汽水氯化氫水二氧化碳水、堿液二氧化硫水硫化氫堿液、有機溶劑苯蒸汽煤油、洗油一氧化碳銅氨液2.3填料的類型與選擇填料的種類很多，根據裝填方式的不同，可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類。填料種類的選擇本次采用散裝填料。散裝填料根據結構特點不同，又可分為環(huán)形填料、鞍形填料、 環(huán)鞍形填料及球形填料等。鮑爾環(huán)是目前應用較廣的填料之一，本次選用鮑爾環(huán)。填料規(guī)格的選擇工業(yè)塔常用的散裝填料主要有 Dn 16Dn25Dn38 Dn76等幾種規(guī)格。同類填料，尺 寸越小，分離效率越高，但阻力增加，通量減小，填料費用也增加很多。而大尺寸的填 料應用于小直徑塔中，又會產生液體分布不良及嚴重的壁流，使塔的分離效率降低。因

8、 此，對塔徑與填料尺寸的比值要有一規(guī)定。常用填料的塔徑與填料公稱直徑比值D/d的推薦值列于表3-1填料種類D/d的推薦值拉西環(huán)D/d 2030鞍環(huán)D/d 15鮑爾環(huán)D/d 1015階梯環(huán)D/d>8環(huán)矩鞍D/d>8233填料材質的選擇工業(yè)上，填料的材質分為陶瓷、金屬和塑料三大類聚丙烯填料在低溫（低于0度）時具有冷脆性，在低于0度的條件下使用要慎重，可選 耐低溫性能良好的聚氯乙烯填料。綜合以上：選擇塑料鮑爾環(huán)散裝填料 Dn502.4 基礎物性數據液相物性數據對低濃度吸收過程，溶液的物性數據可近似取純水的物性數據。由手冊查得20 C水的有關物性數據如下：31.2.3.4.5.6.l 99

9、8.2kg/m黏度：|0.001 pa.s 3.6kg /m.h2表面張力為：z 72.6dyn/cm 940896kg/h320 CNH3: H 0.725kmol/m kpa6 220 CNH3: Dl 7.34 10 m /h242氣相物性數據(2-1)1混合氣體的平均摩爾質量為M vm yg 0.06 17.03040.94 2928.28182.混合氣體的平均密度vmPM VMRT101.3 28.28188.314 293(2-2)R=8.314 m3 KPa/kmol K3.混合氣體黏度可近似取為空氣黏度。查手冊得20 C時，空氣的黏度注：1N1kg m/s2 1 1Pa 1N

10、/m221kg /s m 1Pa.s=1kg/m.s2.4.3 氣液相平衡數據由手冊查得，常壓下，200C時，NH在水中的亨利系數為E=76.3kpa2O0C時,NH3在水中的溶解度：H=0.725kmol/m相平衡常數：m -0.7532(2-3)PH溶解度系數：LEMs998.2/76.3 18.02(2-4)0.726kmol/ kpa m物料橫算1. 進塔氣相摩爾比為Y 1 :0.060.06383(2-5)1 0.062.出他氣相摩爾比為Y.¥(1 A)0.06383 (10.99)0.0006383(2-6)3.進塔惰性氣體流量:V 6000273(1 0.6)234.5

11、99kmol h (2-7)22.4273 20因為該吸收過程為低濃度吸收，平衡關系為直線，最小液氣比按下式計算。即:(2-8)丫1 丫2V minYi /m X2因為是純溶劑吸收過程，進塔液相組成 X20所以min0.06383 0.00063830.06383/ 0.7530.7456選擇操作液氣比為v1.7V min1.2676(2-9)L=1.2676356 X 234.599=297.3860441kmol/h因為 V(¥-Y2)=L(X1-X2)X 1 0.0498第三節(jié)填料塔工藝尺寸的計算填料塔工藝尺寸的計算包括塔徑的計算、填料能高度的計算及分段3.1塔徑的計算 1.空

12、塔氣速的確定泛點氣速法貝恩（Bain）霍根（Hougerj）關聯(lián)式，即:即:21 41 8i1ig Ufa13V2 =A-K WlvgLWvL1(3-1)2Uf / 100、1.1836 .0.2ig - (3)1 9.81 0.917998.20.09423202.594734.411.1836 s998.2所以：U-/9.81( 100/0.917 3)( 1.1836/998.2)=UF=m/s其中：Uf泛點氣速，m/s;g重力加速度，9.81m/s 2W=5358.89572 kg/h W v=7056.6kg/hA=0.0942; K=1.75 ;取 u=0.7 uF =2.7822

13、0m/sD4 60003.14 2.7820 36000.7631(3-2)圓整塔徑后D=0.8m1.泛點速率校核：u60003.3174 m/s0.785 0.82 3600則在允許范圍內u-2. 根據填料規(guī)格校核：D/d=800/50=16根據表3-1符合3液體噴淋密度的校核：(1) 填料塔的液體噴淋密度是指單位時間、單位塔截面上液體的噴淋量。(2) 最小潤濕速率是指在塔的截面上，單位長度的填料周邊的最小液體體積流量對于直徑不超過75mm勺散裝填料，可取最小潤濕速率Lw min為0.08m3/m h。(3-3)UminLw min t 0.081008m/m? hwLL 0.75 D253

14、58.8957998.2 0.785 0.8210.6858 min(3-4)經過以上校驗，填料塔直徑設計為D=800mn合理。3.2填料層高度的計算及分段Y1* mX10.04985 0.75320.03755(3-5)(3-6)Y mX20傳質單元數的計算 用對數平均推動力法求傳質單元數N OG(丫2 丫；)丫1 丫2Ym(3-7)(3-8)0.06383 0.0006383 0.03755In0.026270.0006383=0.006895質單元高度的計算氣相總傳質單元高度采用修正的恩田關聯(lián)式計算:tw1 exp0.75cUl1.45 cllt l0.1c0.05Uf t U2/2LL

15、 VLg0.2t(3-9)即：a w/ at =0.37404748液體質量通量為：ul =WL/0.785 X 0.8X 0.8=10666.5918kg/(?h)氣體質量通I量為：Uv =60000 X 1.1761/0.64=14045.78025kg/(m2 ?h)氣膜吸收系數由下式計算:kG 0.237( Uv f7v/ v Dv 3 t DV(3-10)t vRT=0.237(14045.78025 - 100.6228 X 10-5)0.7(0.06228 - 0.081 - 1.1761) 0.3(100 X 0.081 - 8.314 - 293)液膜吸收數據由下式計算:Kl

16、 0.0095 旦LlDl(3-11=m/h因為 1.45kg kg w=8.565021kmol/(m3 h kpa)0 4Kl Kl w . =0.56613 X 100X 0.37404 X =24.56912/h因為：u/ =0.8346所以需要用以下式進行校正：1.4屹 1 9.5 0.5 kGUF(3-12 )(3-13)(3-14)=1+ 9.5(0.69999 - 0.5)1.4 8.56502=17.113580 kmol/(m3 h kpa)2.2uk 1 2.60.5 kLUF(3-15)=1+ 2.6 (0.6999- 0.5)2.2 24.569123=26.4210

17、6/hKg11 1可 hkL(3-16)=1-(1 - 17.1358+1 十 0.725 - 26.4210)=9.038478 kmol/(m3 h kpa)H OGVKg P(3-17)=234.599 - 9.03847 - 101.3 - 0.785 - 0.64=0.491182 mZ H°gN°g(3-18)=0.491182 X 9.160434=4.501360m,得Z'=1.4 X 4.501=6.30m填料層的分段對于鮑爾環(huán)散裝填料的分段高度推薦值為h/D=510。h=5X 80010X 800=48 m計算得填料層高度為7000mm,故不需分

18、段3.3填料層壓降的計算取Eckert (通用壓降關聯(lián)圖)；將操作氣速u'( = 2.8886m/s)代替縱坐標中的uF查表，DG50m塑料鮑爾環(huán)的壓降填料因子=125代替縱坐標中的.則縱標值為：(3-19)(3-20)V? L2 =0.1652L0.5VL橫坐標為:0.55358.89572 1.17617056.6998.2=0.02606查圖得981Pa/m（3-21）Z全塔填料層壓降P =981X 7=6867 Pa至此，吸收塔的物科衡算、塔徑、填料層高度及填料層壓降均已算出。第四節(jié)填料塔內件的類型及設計4.1塔內件類型填料塔的內件主要有填料支撐裝置、填料壓緊裝置、液體分布裝置

19、、液體收集再 分布裝置等。合理的選擇和設計塔內件，對保證填料塔的正常操作及優(yōu)良的傳質性能十 分重要。4.2塔內件的設計液體分布器設計的基本要求：（1）液體分布均勻（2）操作彈性大（3）自由截面積大（4）其他液體分布器布液能力的計算（1）重力型液體分布器布液能力計算（2）壓力型液體分布器布液能力計算注：（1）本設計任務液相負荷不大，可選用排管式液體分布器；且填料層不高，可不設液體再分布器(2)塔徑及液體負荷不大，可采用較簡單的柵板型支承板及壓板。其它塔附件及氣 液出口裝置計算與選擇此處從略。注：1填料塔設計結果一覽表 塔徑 填料層高度 填料規(guī)格 操作液氣比 校正液體流速 壓降 惰性氣體流量2填料

20、塔設計數據0.8m7m50mn鮑爾環(huán)1.2676356 1.7 倍最小液氣比2.78220/s6867 Pa234.599kmol/hE亨利系數,uV 氣體的粘度，1.73 10 5 Pa/s=6228 10 5kg/m.h m 平衡常數 0.7532水的密度和液體的密度之比 12g 重力加速度，m /s 9.81 =1.27108m/hV； L 分別為氣體和液體的密度，1.1836 kg/m ； 998.2 kg/m ；WL =5358.89572 kg/h WV =7056.6kg/h 分別為氣體和液體的質量流量Ky3 氣相總體積傳質系數,kmol/ m3 sZ 填料層高度，mD2塔截面積，4H OG 氣相總傳質單元高度，mNog 氣相總傳質單元數Kg 以分壓差表示推動力的總傳質系數,2kmol/ m s kPaaw 單位體積填料的潤濕面積t 填料總比表面積，m2/m3 100填料層空隙率m3/m3 91.7%kG 以分壓差表示推動力的氣膜傳質系數,2kmol / m s kPaH 溶解度系數,0.725kmol / m2kPakL 以摩爾濃度差表示推動力的液摩爾傳質系數，m/sR 氣體常數,8.314kN m/ kmol KDv 0.081m2/h;DL 7.34 10 6m2/h 氨氣在