化工原理課程設(shè)計水吸收氨填料吸收塔設(shè)計

1、目錄第1節(jié)前言31.1填料塔的主體結(jié)構(gòu)與特點31.2填料塔的設(shè)計任務(wù)及步驟31.3填料塔設(shè)計條件及操作條件4第2節(jié)精餾塔主體設(shè)計方案的確定42.1裝置流程的確定42.2吸收劑的選擇52.3填料的類型與選擇5填料種類的選擇5填料規(guī)格的選擇5填料材質(zhì)的選擇62.4基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)6液相物性數(shù)據(jù)6氣相物性數(shù)據(jù)7氣液相平衡數(shù)據(jù)7物料橫算8第3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11傳質(zhì)單元數(shù)的計算11傳質(zhì)單元高度的計算11填料層的分段143.3填料層壓降的計算14第4節(jié)填料塔內(nèi)件的類型及設(shè)計154.1塔內(nèi)件類型154.2塔內(nèi)件的設(shè)計16液體分布器設(shè)計的基本要求：16液體分

2、布器布液能力的計算16注：161.填料塔設(shè)計結(jié)果一覽表162.填料塔設(shè)計數(shù)據(jù)一覽183.參考文獻194.后記及其他19附件一：塔設(shè)備流程圖19附件二：塔設(shè)備設(shè)計圖19表索引表 21工業(yè)常用吸收劑5表 22 常用填料的塔徑與填料公稱直徑比值D/d的推薦值6圖索引圖 11 填料塔結(jié)構(gòu)圖4圖 31 Eckert圖16第1節(jié) 前言1.1 填料塔的主體結(jié)構(gòu)與特點結(jié)構(gòu)圖 11所示：圖 11填料塔結(jié)構(gòu)圖填料塔不但結(jié)構(gòu)簡單，且流體通過填料層的壓降較小，易于用耐腐蝕材料制造，所以她特別適用于處理量小，有腐蝕性的物料及要求壓降小的場合。液體自塔頂經(jīng)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

3、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(zhì)。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(zhì)設(shè)備。1.2 填料塔的設(shè)計任務(wù)及步驟設(shè)計任務(wù)：用水吸收空氣中混有的氨氣。設(shè)計步驟：（1） 根據(jù)設(shè)計任務(wù)和工藝要求，確定設(shè)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(nèi)件設(shè)計。1.3 填料塔設(shè)計條件及操作條件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5916m³/h4. 操作溫度293K5. 混合氣

4、體壓力101.3KPa6. 采用清水為吸收劑7. 填料類型：采用聚丙烯鮑爾環(huán)填料第2節(jié) 精餾塔主體設(shè)計方案的確定1.4 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。1.5 吸收劑的選擇因為用水做吸收劑，故采用純?nèi)軇?。工業(yè)常用吸收劑如Error! Reference source not found.所示：表 01工業(yè)常用吸收劑溶質(zhì)溶劑溶質(zhì)溶劑氨水、硫酸丙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

5、銅氨液1.6 填料的類型與選擇填料的種類很多，根據(jù)裝填方式的不同，可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類。1.6.1 填料種類的選擇本次采用散裝填料。散裝填料根據(jù)結(jié)構(gòu)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(yīng)用較廣的填料之一，本次選用鮑爾環(huán)。1.6.2 填料規(guī)格的選擇工業(yè)塔常用的散裝填料主要有Dn16Dn25Dn38 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(yīng)用于小直徑塔中，又會產(chǎn)生液體分布不良及嚴重的壁流，使塔的分離效率降低。因此，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

6、D/d的推薦值如表 22所示。表 02 常用填料的塔徑與填料公稱直徑比值D/d的推薦值填料種類D/d的推薦值拉西環(huán)D/d2030鞍環(huán)D/d15鮑爾環(huán)D/d1015階梯環(huán)D/d>8環(huán)矩鞍D/d>81.6.3 填料材質(zhì)的選擇工業(yè)上，填料的材質(zhì)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 Dn501.7 基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)1.7.1 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 20 水的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：1. 密度：2.3. 表面張力:20

7、 氨的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：1. 溶解度系數(shù)：2. 氨氣在水中的擴散系數(shù)：3. 氨氣在空氣中的擴散系數(shù)：1.7.2 氣相物性數(shù)據(jù)1. 混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為 (2-) 混合氣體的平均密度（2-)R=8.314 2. 混合氣體黏度可近似取為空氣黏度。查手冊得20時，空氣的黏度：注： 1Pa.s=1kg/m.s1.7.3 氣液相平衡數(shù)據(jù)由手冊查得，常壓下，20時，NH在水中的亨利系數(shù)為 E=76.3kpa在水中的溶解度系數(shù): H=0.725相平衡常數(shù)： （2-) 溶解度系數(shù): （2-)1.7.4 物料橫算1. 進塔氣相摩爾比為：（2-)2. 出塔氣相摩爾比為：（2-)3. 進塔惰性氣體流量:（2-)

8、因為該吸收過程為低濃度吸收，平衡關(guān)系為直線，最小液氣比按下式計算。即：（2-)因為是純?nèi)軇┪者^程，進塔液相組成所以 選擇操作液氣比為 （2-) L=1.4252×233.78=333.18kmol/h因為V(Y1-Y2)=L(X1-X2) X1=0.03679第2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2.1 塔徑的計算1. 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)驗值u/u=0.50.85貝恩（Bain）霍根（Hougen）關(guān)聯(lián)式 ，即：=A-K （3-1）即：所以：/9.81（100/0.917）（1.1811/998.2）=

9、0.2338=3.866m/s其中：l 泛點氣速，m/s;l g 重力加速度，9.81m/sllll WL=5997.24/h ；WV=6987.39kg/hl A=0.0942； K=1.75；取u=0.7 =2.7062m/s（3-2） 圓整塔徑后 D=0.9m2. 泛點速率校核：則在允許范圍內(nèi)3. 根據(jù)填料規(guī)格校核：D/d=900/50=18根據(jù)表3-1符合4. 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的散裝填料，可取最小潤濕速率。（3-3）（

10、3-4）經(jīng)過以上校驗，填料塔直徑設(shè)計為D=900mm 合理。2.2 填料層高度的計算及分段（3-5）（3-6） 2.2.1 傳質(zhì)單元數(shù)的計算用對數(shù)平均推動力法求傳質(zhì)單元數(shù)=10.2342m（3-7）（3-8）=0.0051232.2.2 傳質(zhì)單元高度的計算氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計算：（3-9）=0.3575液體質(zhì)量通量為：氣體質(zhì)量通量為：氣膜吸收系數(shù)由下式計算：（3-10）=0.1280kmol/(hkpa)液膜吸收數(shù)據(jù)由下式計算： (3-11） =0.5785m/h因為0.1280×0.3575×100×（3-12）=6.8864 kmol/(m

11、3hkpa)=0.5785×0.3575×100×（3-13）=24.00 kmol/(m3hkpa)因為： =0.669所以需要用以下式進行校正：（3-14） =12.3157 kmol/(m3·h·kpa)（3-15） =1+9.5×(0.669-0.5)2.2×24.00 =28.5634 kmol/(m3·h·kpa)（3-16）=7.7228kmol/(m3hkpa)（3-17） （3-18）=0.4700×10.2342=4.810074m,得=1.4×4.810074=6

12、.7341m故取填料層高度為7m。2.2.3 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=510h=5×90010×900=59 m計算得填料層高度為7000mm，故不需要分段。2.3 填料層壓降的計算取 Eckert (通用壓降關(guān)聯(lián)圖)；將操作氣速(2.5845m/s) 代替縱坐標中的查表，DG50mm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) 橫坐標為：(3-20) 查圖得1275.3Pa/m (3-21)全塔填料層壓降 =1275.3×7=8.93Kpa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。Eck

13、ert圖如圖 31 Eckert圖圖 31所示：圖 21 Eckert圖第3節(jié) 填料塔內(nèi)件的類型及設(shè)計3.1 塔內(nèi)件類型填料塔的內(nèi)件主要有填料支撐裝置、填料壓緊裝置、液體分布裝置、液體收集再分布裝置等。合理的選擇和設(shè)計塔內(nèi)件，對保證填料塔的正常操作及優(yōu)良的傳質(zhì)性能十分重要。3.2 塔內(nèi)件的設(shè)計3.2.1 液體分布器設(shè)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3.2.2 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(shè)計任務(wù)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(shè)液體再分布

14、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(shè)計結(jié)果一覽表吸收塔類型（塑料鮑爾環(huán)）填料吸收塔混合氣體處理量（m3/h）5916塔徑D（m）0.9填料層高度Z（m）7氣相總傳質(zhì)單元高度（m）0.4700氣相總傳質(zhì)單元數(shù)10.2432泛點氣速（m/s）3.866泛點率0.669壓降（kpa）8.93操作壓力（kpa）101.3操作溫度（）20填料直徑（mm）50孔隙率0.917填料比表面積a(/m3)100填料常數(shù)A0.0942填料常數(shù)K1.75惰性氣體流量(kmol/h)233.78校正液體流速(m/s)2.58

15、45操作液氣比(1.9倍最小液氣比)1.42522. 填料塔設(shè)計數(shù)據(jù)一覽E亨利系數(shù)（kpa）76.3氣體的粘度，1.736228平衡常數(shù)0.7532水的密度和液體的密度之比1重力加速度9.81 1.27液體的密度 ()998.210091.7%溶解度系數(shù)()0.725氣體常數(shù)()8.314氨氣在空氣中中的擴散系數(shù)氨氣在水中的擴散系數(shù) （）3. 參考文獻1 夏清.化工原理（下）M. 天津:天津大學(xué)出版社, 2005.2 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, 2002.3 華南理工大學(xué)化工原理教研室著化工過程及設(shè)備設(shè)計M廣州: 華南理工大學(xué)出版社, 1986.4 周軍.張秋利 化工Au