化工原理課程設(shè)計(jì)水吸收氨填料吸收塔設(shè)計(jì)正式版

1、化工原理課程設(shè)計(jì)水吸收氨氣過程填料塔的設(shè)計(jì)學(xué) 院 專 業(yè) 制藥工程 班 級 姓 名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 2013 年 1 月 15 日目 錄設(shè)計(jì)任務(wù)書4第一節(jié)前言51.1填料塔的有關(guān)介紹51.2塔內(nèi)填料的有關(guān)介紹5第二節(jié) 填料塔主體設(shè)計(jì)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72.4 液相物性數(shù)據(jù)72.5 氣相物性數(shù)據(jù)82.6 氣液相平衡數(shù)據(jù)82.7 物料橫算8第三節(jié) 填料塔工藝尺寸的計(jì)算93.1 塔徑的計(jì)算93.2 填料層高度的計(jì)算及分段103.2.1 傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算113.2.2 傳質(zhì)單元高度的計(jì)算113.2.3 填料層的分段12第四節(jié) 填料層壓降的

2、計(jì)算13第五節(jié)填料塔內(nèi)件的類型及設(shè)計(jì)13第六節(jié) 填料塔液體分布器的簡要設(shè)計(jì)14參考文獻(xiàn)15對本設(shè)計(jì)的評述及心得15附表：附表1填料塔設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表16附表2 填料塔設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)一覽16附件一：塔設(shè)備流程圖182化工原理課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)書(一)、設(shè)計(jì)題目：水吸收氨氣過程填料吸收塔的設(shè)計(jì)試設(shè)計(jì)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7500 m3/h，其中含氨氣為5（體積分?jǐn)?shù)），要求塔頂排放氣體中含氨低于0.02（體積分?jǐn)?shù)）。采用清水進(jìn)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

3、。(四)工作日每年300天，每天24小時連續(xù)進(jìn)行。(五)廠址廠址為衡陽地區(qū)(六)設(shè)計(jì)內(nèi)容1.吸收塔的物料衡算；2.吸收塔的工藝尺寸計(jì)算；3.填料層壓降的計(jì)算；4.液體分布器簡要設(shè)計(jì)5.吸收塔接管尺寸計(jì)算；6.繪制吸收塔設(shè)計(jì)條件圖；7.對設(shè)計(jì)過程的評述和有關(guān)問題的討論。(七)操作條件20氨氣在水中的溶解度系數(shù)為H0.725kmol/（m3kPa）。第一節(jié) 前言1.1 填料塔的有關(guān)介紹填料塔洗滌吸收凈化工藝不單應(yīng)用在化工領(lǐng)域 ,在低濃度工業(yè)廢氣凈化方面也能很好地發(fā)揮作用。工程實(shí)踐表明 ,合理的系統(tǒng)工藝和塔體設(shè)計(jì) ,是保證凈化效果的前提。本文簡述聚丙烯階梯填料應(yīng)用于水吸收氨過程的工藝設(shè)計(jì)以及工程問題

4、。填料塔是以塔內(nèi)的填料作為氣液兩相間接觸構(gòu)件的傳質(zhì)設(shè)備，它是化工類企業(yè)中最常用的氣液傳質(zhì)設(shè)備之一。填料塔的主體結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖1 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，所以它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，氣體從塔底的氣體口送入，流過填料的空隙，在填料層中與液體逆流接觸進(jìn)行傳質(zhì)。因氣液兩相組成沿塔高連續(xù)變化，所以填料塔屬于連續(xù)接觸式的氣液傳質(zhì)設(shè)備。1.2 塔內(nèi)填料的有關(guān)介紹聚丙烯材質(zhì)填料作為塔填料的重要一類，在化工上應(yīng)用較為廣泛，與其他材質(zhì)的填料相比，聚丙烯填料具

5、有質(zhì)輕、價廉、耐蝕、不易破碎及加工方便等優(yōu)點(diǎn)，但其明顯的缺點(diǎn)是表面潤濕性能差。研究表明，聚丙烯填料的有效潤濕面積僅為同類規(guī)格陶瓷填料的 40 % ，由于聚丙烯填料表面潤濕性能差，故傳質(zhì)效率較低，使應(yīng)用受到一定的限制. 聚丙烯階梯環(huán)填料為外徑是高度的兩倍的圓環(huán) ,在側(cè)壁上開出兩排長方形的窗孔 , 并在一端增加了一個錐形翻邊，被切開的環(huán)壁的一側(cè)仍與壁面相連 ,另一側(cè)向環(huán)內(nèi)彎曲 ,形成內(nèi)伸的舌葉 ,各舌葉的側(cè)邊在環(huán)中心相搭。鮑爾環(huán)由于環(huán)壁開孔 ,大大提高了環(huán)內(nèi)空間及環(huán)內(nèi)表面的利用率 ,氣流阻力小 ,液體分布均勻。階梯環(huán)與鮑爾環(huán)相比 ,其高度減少了一半 ,并在一端增加了一個錐形翻邊。聚丙烯階梯環(huán)的結(jié)構(gòu)

6、圖如下：圖2 聚丙烯階梯環(huán)結(jié)構(gòu)圖第二節(jié) 精餾塔主體設(shè)計(jì)方案的確定2.1 裝置流程的確定本次設(shè)計(jì)采用逆流操作：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，即逆流操作。逆流操作的特點(diǎn)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。2.2 吸收劑的選擇因?yàn)橛盟鑫談什捎眉內(nèi)軇?。? 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(jī)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(jù)裝填方式的不同，可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類。本次采用散裝填料。工業(yè)塔常用的散裝填料主要有

7、Dn16Dn25Dn38 Dn50Dn76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(fèi)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(yán)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。常用填料塔徑與填料公稱直徑比值D/d的推薦值列于下表。表2：常用填料的D/d的推薦值填料種類D/d的推薦值拉西環(huán)D/d2030鞍形環(huán)D/d15鮑爾環(huán)D/d1015階梯環(huán)D/d8環(huán)矩鞍D/d8工業(yè)上，填料的材質(zhì)分為陶瓷、金屬和塑料三大類。聚丙烯階梯環(huán)即為塑料類填料。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

8、溫性能良好的聚氯乙烯填料。本方案選用聚丙烯階梯環(huán)作為填料設(shè)計(jì)填料塔，規(guī)格為50mm25 mm1.5 mm，其主要參數(shù)如下：表3：聚丙烯階梯環(huán)的特性數(shù)據(jù)填料類型公稱直徑DN/mm外徑高/壁厚比表面積at（m2/m3）空隙率/%個數(shù)n/m-3堆積密度（kg/m3）干填料因子m-1塑料階梯環(huán)5050251.5114.292.71074054081432.4 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. 2. 3. 表面張力為:4. 5. 6. 2.5 氣相物性數(shù)據(jù)1. 混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為: (2-1)2. 混合氣體的平均密度為

9、：由 (2-2)R=8.314 3. 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：1 1Pas=1kg/（ms）2.6 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: H=0.725kmol/m相平衡常數(shù)： (2-3) 溶解度系數(shù): (2-4) 2.7 物料衡算1. 進(jìn)塔氣相摩爾比為 (2-5) 2. 出塔氣相摩爾比為 (2-6) 3. 進(jìn)塔惰性氣體流量: (2-7) 因?yàn)樵撐者^程為低濃度吸收，平衡關(guān)系為直線，最小液氣比按下式計(jì)算。即： (2-8)因?yàn)槭羌內(nèi)軇┪者^程，進(jìn)塔液相組成所以 選擇操作液氣比為 （2-9）吸收劑

10、用量：L=1.0844296.383=321.398kmol/h因?yàn)閂(Y1-Y2)=L(X1-X2) 故 X1第三節(jié) 填料塔工藝尺寸的計(jì)算填料塔工藝尺寸的計(jì)算包括塔徑的計(jì)算、填料層高度的計(jì)算及分段3.1 塔徑的計(jì)算1. 空塔氣速的確定泛點(diǎn)氣速法對于散裝填料，其泛點(diǎn)率的經(jīng)驗(yàn)值u/u=0.50.85根據(jù)貝恩（Bain）霍根（Hougen）關(guān)聯(lián)式 ，即：=A-K （3-1）即： 解得：F=8.785m/s其中：泛點(diǎn)氣速，m/s;g 重力加速度，9.81m/sWL=5791.592/h WV=8861.415kg/hA=0.204； K=1.75；取u/uF=0.7 =6.150m/s （3-2）

11、圓整塔徑后 D=0.7m1. 泛點(diǎn)速率校核： m/s 則在允許范圍內(nèi)2. 根據(jù)填料規(guī)格校核：D/d=700/50=14 8，根據(jù)表2可知符合要求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的散裝填料，可取最小潤濕速率。 （3-3） （3-4）經(jīng)過以上校驗(yàn)，填料塔直徑設(shè)計(jì)為D=700mm 合理。3.2 填料層高度的計(jì)算及分段 （3-5） （3-6） 3.2.1 傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算用對數(shù)平均推動力法求傳質(zhì)單元數(shù) （3-7） （3-8） = =0.0072

12、86則：3.2.2 傳質(zhì)質(zhì)單元高度的計(jì)算氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計(jì)算： （3-9）即：w/t =0.4062 則w=46.387液體質(zhì)量通量為： =5791.592 /(0.7850.72)=15056.78kg/(h)氣體質(zhì)量通量為： =8861.415/(0.7850.72)=23037.61kg/(h)氣膜吸收系數(shù)由下式計(jì)算： （3-10） 代入數(shù)據(jù)解得：=0.2197 m/s液膜吸收數(shù)據(jù)由下式計(jì)算： (3-11）代入數(shù)據(jù)解得：=0.6137 m/s查表可知，0.219746.3871.451.1 =15.34kmol/(m3hkPa) （3-12） =0.613746.3

13、871.450.4=33.03 kmol/(m3hkPa) (3-13）因?yàn)椋?=0.621所以需要用以下式進(jìn)行校正： （3-14）代入數(shù)據(jù)解得：=22.92 kmol/(m3 hkPa) （3-15） 代入數(shù)據(jù)解得：=36.04 kmol/(m3 hkPa) （3-16）代入數(shù)據(jù)解得：=12.21kmol/(m3 h kPa) （3-17） 代入數(shù)據(jù)解得： =0.623 m =0.62312.21=4.317m （3-18） 取上下活動系數(shù)為1.5， 則 =1.54.317=6.476 m3.2.3 填料層的分段對于階梯環(huán)散裝填料的分段高度推薦值為h/D=815。h=870015700=5.

14、610.5 m計(jì)算得填料層高度為7 m，故不需分段第四節(jié) 填料層壓降的計(jì)算根據(jù)Eckert 圖(通用壓降關(guān)聯(lián)圖)，將操作氣速代替縱坐標(biāo)中的查表，Dn 50mm聚丙烯階梯環(huán)的壓降填料因子143代替縱坐標(biāo)中的p則縱標(biāo)值為：=0.1642 (3-19) 橫坐標(biāo)為： (3-20) 圖3：通用壓降關(guān)聯(lián)圖查圖得： 1509.81=1471.5 Pa/m (3-21)則:全塔填料層壓降 =1471.57=10300.5 Pa至此，吸收塔的物料衡算、塔徑、填料層高度及填料層壓降均已算出。第五節(jié) 填料塔液體分布器的簡要設(shè)計(jì)5.1 液體分布器設(shè)計(jì)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

15、；（4）其他本設(shè)計(jì)任務(wù)液相負(fù)荷不大，可選用排管式液體分布器；且填料層不高，可不設(shè)液體再分布器。 5.2 分布點(diǎn)密度計(jì)算按Eckert建議值,D=700mm時,噴淋點(diǎn)密度為265點(diǎn)/m2。本設(shè)計(jì)的塔徑為700mm，根據(jù)需要取噴淋點(diǎn)密度為265點(diǎn)/m2布液點(diǎn)數(shù)為：n=0.7850.72265=101.9102點(diǎn)第六節(jié) 吸收塔的主要接管尺寸的計(jì)算6.1氣體進(jìn)料管 由于常壓下塔氣體進(jìn)出口管氣速可取1220，故若取氣體進(jìn)出口流速近似為18m/s，則由公式可求得氣體進(jìn)出口內(nèi)徑為 采用直管進(jìn)料，由附表查得選擇熱軋無縫鋼管，則 （在符合范圍內(nèi)）氣體進(jìn)出口壓降: 進(jìn)口：出口： 6.2 液體進(jìn)料管 由于常壓下塔液

16、體進(jìn)出口管速可取1-3，故若取液體進(jìn)出口流速近似為2.6m/s，則由公式可求得液體進(jìn)出口內(nèi)徑為 采用直管進(jìn)料，由附表查得選擇熱軋無縫鋼管，則 （在符合范圍內(nèi)）參考文獻(xiàn)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(jì)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(jì)M廣州: 華南理工大學(xué)出版社, 1986.4 周軍.張秋利 化工AutoCAD制圖應(yīng)用基礎(chǔ) 。北京. 化學(xué)工業(yè)出版社。對本設(shè)計(jì)的評述及心得經(jīng)過了幾天時間的努力，終于完成了這次的化工原理課程設(shè)計(jì)，現(xiàn)將在此過程中的一些心得述及如下：在過去的一年里

17、，我們學(xué)習(xí)了化工原理這一門課程?；ぴ硎腔瘜W(xué)類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，它的內(nèi)容是講述化工單元操作的基本原理、典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理、操作性能和設(shè)計(jì)計(jì)算?；卧僮魇墙M成各種化工生產(chǎn)過程、完成一定加工目的的基本過程，其特點(diǎn)是化工生產(chǎn)過程中以物理變化為主，包括流體流動過程、傳熱過程和傳質(zhì)過程。在這里面，我們主要學(xué)習(xí)了流體輸送、流體流動、機(jī)械分離、傳熱、傳質(zhì)過程導(dǎo)論、吸收、蒸餾、氣-液傳質(zhì)設(shè)備，以及干燥等。這次我的課程設(shè)計(jì)題目是水吸收氨過程填料塔的設(shè)計(jì)，這是關(guān)于吸收中填料塔的設(shè)計(jì)。填料塔是以塔內(nèi)裝有大量的填料為相接觸構(gòu)件的氣液傳質(zhì)設(shè)備。填料塔的結(jié)構(gòu)較簡單，壓降低，填料易用耐腐蝕材料制造等優(yōu)點(diǎn)。通

18、過這次的課程設(shè)計(jì)，讓我從中體會到很多。課程設(shè)計(jì)是我們在校大學(xué)生必須經(jīng)過的一個過程，通過課程設(shè)計(jì)的鍛煉，可以為我們即將來的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)！為此，我感覺能圓滿完成這次課程設(shè)計(jì)任務(wù)，給我?guī)砹撕艽蟮男判?，讓我對自己的將來充滿了自信！將來一定是美好的 附表：附表1 填料塔設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表塔徑0. 7 m填料層高度7 m填料規(guī)格Dn50 mm聚丙烯階梯環(huán)操作氣液比1.0844校正液體流速6.150 m/s壓降10300.5 Pa惰性氣體流量296.383 kmol/h附表2 填料塔設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)一覽E亨利系數(shù)， 氣體的粘度， 1.81=6516 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 分別為氣體和液體的密度，=1.1836；=998.2； =5791.592kg