環(huán)境工程原理課程設計-清水吸收氨過程填料吸收塔設計

1、環(huán)境工程原理課程設計清水吸收氨過程填料吸收塔設計 目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc282009870 一、前言 PAGEREF _Toc282009870 h 3 HYPERLINK l _Toc282009871 二、設計任務 PAGEREF _Toc282009871 h 4 HYPERLINK l _Toc282009872 1、設計題目：清水吸收氨過程填料吸收塔設計 PAGEREF _Toc282009872 h 4 HYPERLINK l _Toc282009873 2、設計條件 PAGEREF _Toc282009873 h 4 HYPERLI

2、NK l _Toc282009874 3、設計內(nèi)容 PAGEREF _Toc282009874 h 5 HYPERLINK l _Toc282009875 三、設計方案 PAGEREF _Toc282009875 h 5 HYPERLINK l _Toc282009876 1、吸收劑的選擇 PAGEREF _Toc282009876 h 5 HYPERLINK l _Toc282009877 2、流程圖及流程說明 PAGEREF _Toc282009877 h 5 HYPERLINK l _Toc282009878 3、塔填料選擇 PAGEREF _Toc282009878 h 5 HYPER

3、LINK l _Toc282009879 四、基本參數(shù) PAGEREF _Toc282009879 h 6 HYPERLINK l _Toc282009880 1、液相物性數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc282009880 h 6 HYPERLINK l _Toc282009881 2、氣相物性數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc282009881 h 6 HYPERLINK l _Toc282009882 3、氣相平衡數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc282009882 h 6 HYPERLINK l _Toc282009883 4、填料的主要參數(shù) PAGEREF _Toc282009883 h 6 H

4、YPERLINK l _Toc282009884 五、工藝計算 PAGEREF _Toc282009884 h 7 HYPERLINK l _Toc282009885 1、物料衡算 PAGEREF _Toc282009885 h 7 HYPERLINK l _Toc282009886 2、塔徑計算 PAGEREF _Toc282009886 h 8 HYPERLINK l _Toc282009887 3、液體噴淋密度校核 PAGEREF _Toc282009887 h 8 HYPERLINK l _Toc282009888 4、填料層高度計算 PAGEREF _Toc282009888 h 9

5、 HYPERLINK l _Toc282009889 5、填料層壓降計算 PAGEREF _Toc282009889 h 11 HYPERLINK l _Toc282009890 六、塔內(nèi)件 PAGEREF _Toc282009890 h 12 HYPERLINK l _Toc282009891 1、液體分布裝置 PAGEREF _Toc282009891 h 12 HYPERLINK l _Toc282009892 2、液體再分布裝置 PAGEREF _Toc282009892 h 13 HYPERLINK l _Toc282009893 3、填料支撐裝置 PAGEREF _Toc28200

6、9893 h 13 HYPERLINK l _Toc282009894 七、設計結果表 PAGEREF _Toc282009894 h 14 HYPERLINK l _Toc282009895 八、對設計成果的評價及討論 PAGEREF _Toc282009895 h 14 HYPERLINK l _Toc282009896 九、參考文獻 PAGEREF _Toc282009896 h 15一、前言塔設備是煉油、化工、石油化工等生產(chǎn)中廣泛應用的氣液傳質設備。在煉油、石油化工、精細化工、食品、醫(yī)藥及環(huán)保等部門，塔設備屬于使用量大應用面廣的重要單元設備。在化學工業(yè)中，經(jīng)常需要將氣體混合物中的各個組

7、分加以分離，其主要目的是回收氣體混合物中的有用物質，以制取產(chǎn)品，或除去工藝氣體中的有害成分，使氣體凈化，以便進一步加工處理，或除去工業(yè)放空尾氣中的有害成分，以免污染空氣。吸收操作是氣體混合物分離方法之一，它是根據(jù)混合物中各組分在某一種溶劑中溶解度不同而達到分離的目的。塔設備按其結構形式基本上可分為兩類；板式塔和填料塔。以前在工業(yè)生產(chǎn)中，當處理量大時多用板式塔，處理量小時采用填料塔。近年來由于填料塔結構的改進，新型的、高負荷填料的開發(fā)，既提高了塔的通過能力和分離效能又保持了壓降小、性能穩(wěn)定等特點。因此，填料塔已經(jīng)被推廣到大型氣、液操作中，在某些場合還代替了傳統(tǒng)的板式塔。如今，直徑幾米甚至幾十米的

8、大型填料塔在工業(yè)上已非罕見。隨著對填料塔的研究和開發(fā)，性能優(yōu)良的填料塔必將大量用于工業(yè)生產(chǎn)中。氨是化工生產(chǎn)中極為重要的生產(chǎn)原料，但是其強烈的刺激性氣味對于人體健康和大氣環(huán)境都會造成破壞和污染， 氨對接觸的皮膚組織都有腐蝕和刺激作用，可以吸收皮膚組織中的水分，使組織蛋白變性，并使組織脂肪皂化，破壞細胞膜結構。氨的溶解度極高，所以主要對動物或人體的上呼吸道有刺激和腐蝕作用，常被吸附在皮膚粘膜和眼結膜上，從而產(chǎn)生刺激和炎癥?？陕楸院粑览w毛和損害粘膜上皮組織，使病原微生物易于侵入，減弱人體對疾病的抵抗力。氨通常以氣體形式吸入人體，氨被吸入肺后容易通過肺泡進入血液，與血紅蛋白結合，破壞運氧功能。進入肺

9、泡內(nèi)的氨，少部分為二氧化碳所中和，余下被吸收至血液，少量的氨可隨汗液、尿液或呼吸排出體外。短期內(nèi)吸入大量氨氣后會出現(xiàn)流淚、咽痛、咳嗽、胸悶、呼吸困難、頭暈、嘔吐、乏力等。若吸入的氨氣過多，導致血液中氨濃度過高，就會通過三叉神經(jīng)末梢的反射作用而引起心臟的停搏和呼吸停止，危及生命。長期接觸氨氣，部分人可能會出現(xiàn)皮膚色素沉積或手指潰瘍等癥狀；氨氣被呼入肺后容易通過肺泡進入血液，與血紅蛋白結合，破壞運氧功能。短期內(nèi)吸入大量氨氣后可出現(xiàn)流淚、咽痛、聲音嘶啞、咳嗽、痰帶血絲、胸悶、呼吸困難，可伴有頭暈、頭痛、惡心、嘔吐、乏力等，嚴重者可發(fā)生肺水腫、成人呼吸窘迫綜合癥，同時可能發(fā)生呼吸道刺激癥狀。因此，吸收

10、空氣中的氨，防止氨超標具有重要意義。因此，為了避免化學工業(yè)產(chǎn)生的大量的含有氨氣的工業(yè)尾氣直接排入大氣而造成空氣污染，需要采用一定方法對于工業(yè)尾氣中的氨氣進行吸收，本次課程設計的目的是根據(jù)設計要求采用填料吸收塔吸收的方法來凈化含有氨氣的工業(yè)尾氣，使其達到排放標準。設計采用填料塔進行吸收操作是因為填料可以提供巨大的氣液傳質面積而且填料表面具有良好的湍流狀況，從而使吸收過程易于進行，而且，填料塔還具有結構簡單、壓降低、填料易用耐腐蝕材料制造等優(yōu)點，從而可以使吸收操作過程節(jié)省大量人力和物力。利用混合氣體中各組分在同一種液體(溶劑)中溶解度差異而實現(xiàn)組分分離的過程稱為氣體吸收氣體吸收是一種重要的分離操作

11、，它在化工生產(chǎn)中主要用來達到以下幾種目的。(1)分離混合氣體以獲得一定的組分。(2)除去有害組分以凈化氣體。(3)制備某種氣體的溶液。一個完整的吸收分離過程，包括吸收和解吸兩個部分。典型過程有單塔和多塔、逆流和并流、加壓和減壓等。二、設計任務1、設計題目：清水吸收氨過程填料吸收塔設計2、設計條件 = 1 * GB3 、氣體混合物成分：空氣和氨； = 2 * GB3 、氨的含量：4.5（體積）； = 3 * GB3 、混合氣體流量：3019m3/h = 4 * GB3 、操作溫度：293K； = 5 * GB3 、混合氣體壓力：101.3KPa； = 6 * GB3 、回收率：99.5%。3、設

12、計內(nèi)容 = 1 * GB3 、確定吸收流程； = 2 * GB3 、物料衡算，確定塔頂、塔底的氣液流量和組成； = 3 * GB3 、選擇填料、計算塔徑、填料層高度、填料的分層、塔高的確定。 = 4 * GB3 、流體力學特性的校核：液氣速度的求取，噴淋密度的校核，填料層壓降P的計算。 = 5 * GB3 、附屬裝置的選擇與確定：液體噴淋裝置、液體再分布器、氣體進出口及液體進出口裝置、柵板。三、設計方案1、吸收劑的選擇根據(jù)所要處理的混合氣體，可采用水為吸收劑，其廉價易得，物理化學性能穩(wěn)定，選擇性好，符合吸收過程對吸收劑的基本要求。2、流程圖及流程說明該設計采用逆流方式。該填料塔中，氨氣和空氣混

13、合后，經(jīng)由填料塔的下側進入填料塔中，與從填料塔頂流下的清水逆流接觸，在填料的作用下進行吸收。經(jīng)吸收后的混合氣 體由塔頂排除，吸收了氨氣的水由填料塔的下端流出。（如右圖）3、塔填料選擇 選用散裝填料，DN38mm聚丙烯階梯環(huán)塔填料。四、基本參數(shù)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水的有關物性數(shù)據(jù)如下：密度為 QUOTE =998.2 kg/m3粘度為L=1.005mPaS=3.6 kg/（mh）表面張力為 L=72.6 dyn/cm=940896 kg/h2NH3在水中的擴散系數(shù)為 DL=1.8010-9 m2/s2、氣相物性數(shù)據(jù)混合氣體的粘度

14、可近似取為空氣的粘度，查手冊得20空氣的粘度為: v=1.8110-5 PaS=0.065 kg/(mh)已知在0，101.3kpa下，NH3在空氣中的擴散系由，則293，101.3下，在空氣中的擴散系數(shù)為3、氣相平衡數(shù)據(jù) 20時NH3在水中的溶解度系數(shù)為 H=0.725 kmol/(m3kPa)常壓下20時NH3在水中的亨利系數(shù)為E=76.41kPa 相平衡常數(shù)為m=0.7544、填料的主要參數(shù)本方案選用塑料階梯環(huán)DN38mm, 其主要性能參數(shù)如下：比表面積a：132.5 空隙率：0.91干填料因子：五、工藝計算對低濃度吸收過程，溶液的物性數(shù)據(jù)可近似取純水的物性數(shù)據(jù)?；旌蠚怏w的黏度可近似取為

15、空氣的黏度?？諝夂退奈镄猿?shù)如下：空氣：水：1、物料衡算 = 1 * GB3 、進出塔的汽液相組成V氨=0.045 V總 V空=0.955 V總Y1=n氨/n空氣=0.045/0.955=0.047回收率 QUOTE QUOTE 查表知，20下氨在水中的溶解度系數(shù)相平衡常數(shù) QUOTE QUOTE 則 QUOTE 進塔氣相摩爾比為： QUOTE 出塔氣相摩爾比為： QUOTE 對于純?nèi)軇┪者^程，進塔液相組成為：(清水) = 2 * GB3 、吸收劑用量 QUOTE QUOTE QUOTE QUOTE 取實際液氣比為最小液氣比的1.5倍，則吸收劑的用量為： QUOTE 塔底輸出液相摩爾比：

16、QUOTE 2、塔徑計算混合氣體的密度 水的密度 QUOTE 采用貝恩-霍根泛點關聯(lián)式計算泛點速度：取泛點率為0.5，即空塔氣速圓整后取 填料規(guī)格校核： 3、液體噴淋密度校核 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。其值可由經(jīng)驗公式計算(見有關填料手冊)，也可采用一些經(jīng)驗值。對于直徑不超過75 mm的散裝填料，可取最小潤濕速率(LW) min為0.08 m3/(mh)；對于直徑大于75 mm的散裝填料，取(LW) min=0.12 m3/(mh)。 取最小潤濕速率為：所以 通過以上校核可知，填料塔直徑選用合理。4、填料層高度計算查表知， 0，101.3 下，在空氣中

17、的擴散系數(shù)由，則293，101.3下，在空氣中的擴散系數(shù)為液相擴散系數(shù)液體質量通量為氣體質量通量為氣相總傳質單元數(shù)為：氣相總傳質單元高度采用修正的恩田關聯(lián)式計算：查表知，所以，氣膜吸收系數(shù)由下式計算：液膜吸收系數(shù)由下式計算：查表得：則由 由 設計取填料層高度為：查表：對于階梯環(huán)填料，將填料層分為兩段設置，每段6m，兩段間設置一個液體再分布器。5、填料層壓降計算采用Eckert通用關聯(lián)圖計算填料層壓降橫坐標為：已知： 縱坐標為：查圖得，填料層壓降為：?？颂赝ㄓ藐P聯(lián)圖六、塔內(nèi)件1、液體分布裝置 = 1 * GB3 、液體分布器的選型：多孔環(huán)管式分布器:由多孔圓形盤管、聯(lián)接管及中央進料管組成。這種分

18、布器氣體阻力小，特別使用于液量小而氣量大的填料吸收塔。液體在塔頂?shù)某跏季鶆驀娏?，是保證填料塔達到預期分離效果的重要條件。近年來的實踐表明，大直徑填料塔的放大問題主要是保證液體初始分布均勻，若能保證單位塔截面的噴淋點數(shù)目與小塔相同，大型填料塔的傳質效率將不會低于小型塔。液體分布裝置的安裝位置，須高于填料層表面200mm,以提供足夠的自由空間，讓上升氣流不受約束地穿過分布器。根據(jù)氨氣易溶解的性質，可選用目前應用較為廣泛的多孔型布液裝置中的排管式噴淋器。多孔型布液裝置能提供足夠均勻的液體分布和空出足夠大的氣體通道（自由截面一般在70%以上），也便于制成分段可拆結構。液體引入排管噴淋器的方式采用液體由

19、水平主管一側引入，通過支管上的小孔向填料層噴淋。排管式噴淋器采用塑料制造。 = 2 * GB3 、分布點數(shù)量計算：為了使液體初始分布均勻，原則上應增加單位面積上的噴淋點數(shù)。但是，由于結構的限制，不可能將噴淋點設計得很多。根據(jù)Eckert建議，當時，每塔截面設一個噴淋點。則總布液孔數(shù)為：2、液體再分布裝置實踐表明，當噴淋液體沿填料層向下流動時，不能保持噴淋裝置所提供的原始均勻分布狀態(tài)，液體有向塔壁流動的趨勢。因而導致壁流增加、填料主體的流量減小，影響了流體沿塔橫截面分布的均勻性，降低傳質效率。為減小壁流現(xiàn)象，當填料層較高時需進行分段，故需設置液體收集及再分布裝置。 最簡單的液體再分布裝置為截錐式再分布器。截錐式再分布器結構簡單，安裝方便，但它只起到將壁流向中心匯集的作用，無液體再分布的功能，一般用于直徑小于0.6m的塔中。 在通常情況下，一般將液體收集器及液體分布器同時使用，構成液體收集及再分布裝置。液體收集器的作用是將上層填料流下的液體收集，然后送至液體分布器進行液體再分布?？蛇x用多孔盤式再分布器。分布盤上的孔數(shù)按噴淋點數(shù)確定，孔徑為3.6mm。為了防止上一填料層來的液體直接流入升氣管，應在升氣管上設帽蓋。它的設計數(shù)據(jù)如下：分布盤外徑785mm，升氣管數(shù)量6.3、填料支撐裝置填料支撐裝置對于保證填料塔的操作性能具有重大作用。采用結構簡單、自由截面較大、