水吸收氨填料塔設(shè)計(jì)

.18/19WORD完美格式環(huán)境工程原理課程設(shè)計(jì)清水吸收氨的填料塔裝置設(shè)計(jì)說明書院〔系別：資源與環(huán)境學(xué)院專業(yè)：環(huán)境工程年級(jí)班：姓名：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)老師：前言：課程設(shè)計(jì)是比較綜合性和實(shí)踐性較強(qiáng)的教學(xué)環(huán)節(jié),是理論聯(lián)系實(shí)際的橋梁,是使學(xué)生體察工程實(shí)際問題復(fù)雜性、學(xué)習(xí)化工設(shè)計(jì)基本知識(shí)的初次嘗試。通過課程設(shè)計(jì),要求學(xué)生能綜合利用本課程和前修課程的基本知識(shí),進(jìn)行融會(huì)貫通的獨(dú)立思考,在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成指定的化工設(shè)計(jì)任務(wù),從而得到化工工程設(shè)計(jì)的初步訓(xùn)練。通過課程設(shè)計(jì),要求學(xué)生了解工程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容,掌握化工設(shè)計(jì)的程序和方法,培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程實(shí)際問題的能力。同時(shí),通過課程設(shè)計(jì),還可以使學(xué)生樹立正確的設(shè)計(jì)思想,培養(yǎng)實(shí)事求是、嚴(yán)肅認(rèn)真、高度責(zé)任感的工作作風(fēng)。課程設(shè)計(jì)是增強(qiáng)工程觀念,培養(yǎng)提高學(xué)生獨(dú)立工作能力的有益實(shí)踐。經(jīng)過學(xué)習(xí),我知道,填料塔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。這次課程設(shè)計(jì)我把聚丙烯階梯填料應(yīng)用于水吸收氨過程的工藝設(shè)計(jì)以及工程問題。目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)書3二、設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介31、方案的確定42、填料的類型與選擇43、設(shè)計(jì)步驟4三、工藝計(jì)算41、基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)52、工藝尺寸計(jì)算6四、輔助設(shè)備的計(jì)算及選型151、除霧沫器152、液體分布器簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)163、填料支承裝置184、填料限制裝置18五、設(shè)計(jì)結(jié)果匯總20六、工藝流程圖21七、課程設(shè)計(jì)總結(jié)22八、主要符號(hào)說明22九、參考文獻(xiàn)23十、附圖<氨氣吸收塔條件圖>24.一設(shè)計(jì)任務(wù)書〔一設(shè)計(jì)題目水吸收NH3過程填料吸收塔的設(shè)計(jì)：試設(shè)計(jì)一座填料吸收塔,用于脫除焙燒爐送出的混合氣體<先冷卻>中的NH3,其余為惰性組分,采用清水進(jìn)行吸收?；旌蠚怏w的處理量m3/h10800混合氣體NH3含量〔體積分?jǐn)?shù)5.5%NH3的回收率不低于96%吸收劑的用量與最小用量之比1.6〔二操作條件〔1操作壓力常壓〔2操作溫度20℃〔三設(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(jiǎn)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(duì)設(shè)計(jì)過程的評(píng)述和有關(guān)問題的討論。二設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介2.1方案的確定用水吸收NH3屬中等溶解度的吸收過程,為提高傳質(zhì)效率,選用逆流吸收流程。因用水作為吸收劑,且NH3不作為產(chǎn)品,故采用純?nèi)軇?.2填料的類型與選擇對(duì)于水吸收NH3的過程,操作溫度及操作壓力較低,工業(yè)上通常選用塑料散裝填料。在塑料散裝填料中,塑料階梯環(huán)填料的綜合性能較好,故此選用DN38聚丙烯階梯環(huán)填料。階梯環(huán)是對(duì)鮑爾環(huán)的改進(jìn)。與鮑爾環(huán)相比,階梯環(huán)高度減少了一半,并在一端增加了一個(gè)錐形翻邊。由于高徑比減少,使得氣體繞填料外壁的平均路徑大為縮短,減少了氣體通過填料層的阻力。錐形翻邊不僅增加了填料的機(jī)械強(qiáng)度,而且使填料之間由線接觸為主變成以點(diǎn)接觸為主,這樣不但增加了填料間的空隙,同時(shí)成為液體沿填料表面流動(dòng)的匯集分散點(diǎn),可以促進(jìn)液膜的表面更新,有利于傳質(zhì)效率的提高。階梯環(huán)的綜合性能優(yōu)于鮑爾環(huán),成為目前所使用的環(huán)形填料中最為優(yōu)良的一種。

2.3設(shè)計(jì)步驟本課程設(shè)計(jì)從以下幾個(gè)方面的內(nèi)容來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)〔一吸收塔的物料衡算；〔二填料塔的工藝尺寸計(jì)算；主要包括：塔徑,填料層高度,填料層壓降；〔三設(shè)計(jì)液體分布器及輔助設(shè)備的選型；〔四繪制有關(guān)吸收操作圖紙。三、工藝計(jì)算

3.1基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)液相物性數(shù)據(jù)對(duì)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(cè)查得,20℃時(shí)水的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度為ρL=998.2kg/m3粘度為μL=0.001Pa·s=3.6kg/<m·h>表面張力為σL=72.6dyn/cm=940896kg/h2NH3在水中的擴(kuò)散系數(shù)為DL=2.04×10-9m2/s=7.344×10〔依Wilke-Chang計(jì)算,查《化學(xué)工程基礎(chǔ)》氣相物性數(shù)據(jù)設(shè)進(jìn)塔混合氣體溫度為20℃,混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為MVm=ΣyiMi=0.05×17.03+0.95×29=28.40g/mol混合氣體的平均密度為ρVm=1.1806kg/m3

混合氣體的粘度可近似取為空氣的粘度,查手冊(cè)得20℃空氣的粘度為μV=1.81×10-5Pa?s=0.065kg/<m?h>查手冊(cè)得NH3在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為DV=0.255cm2/s=0.081m2氣液相平衡數(shù)據(jù)由手冊(cè)查得,常壓下20℃時(shí)NH3在水中的亨利系數(shù)為E=76.41kPa相平衡常數(shù)為m=E/P=76.41/101.3=0.754溶解度系數(shù)為H=ρ/EM=998.2/76.41×18.02=0.7254kmol/kPam3物料衡算<l>.進(jìn)塔混合氣中各組分的量近似取塔平均操作壓強(qiáng)為101.3kPa,故：混合氣量＝=441.7混合氣NH3中量＝441.7×0.055＝24.29kmol／h＝24.29×17.03=413.66kg／h設(shè)混合氣中惰性氣體為空氣,則混合氣中空氣量＝441.71-24.29＝417.42kmol／h＝417.42×29＝12105.18kg／h<2>．混合氣進(jìn)出塔的摩爾組成 y1=0.055y2==0.002323〔3混合氣進(jìn)出塔摩爾比組成進(jìn)塔氣相摩爾比為

Y1===0.0582出塔氣相摩爾比為Y2=0.0582×〔1-0.96=0.002328〔4出塔混合氣量出塔混合氣量=417.42+24.29×0.04=418.3916kmol/h=12105.18+441.7×0.04=12122.848kg/h〔5吸收劑〔水的用量L該吸收過程屬低濃度吸收,平衡關(guān)系為直線,最小液氣比可按下式計(jì)算對(duì)于純?nèi)軇┪者^程,進(jìn)塔液相組成為X2=0=0.724取操作液氣比為

=1.6×0.724=1.158L=1.158×417.42=483.432kmol/h<6>塔底吸收液組成X1=0.0482<7>操作線方程依操作線方程=Y=1.158X+0.002328

3.2填料塔的工藝尺寸的計(jì)算塔徑的計(jì)算采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算泛點(diǎn)氣速。氣相質(zhì)量流量為wv=10800×1.1806=12751.4kg/h液相質(zhì)量流量可近似按純水的流量計(jì)算,即WL=483.432×18.02=8711.4kg/h其中：ρL=998.2kg/m3ρV=1.1806kg/m3g=9.81m/s2=1.27×108mWV=12751.4kg/hWL=8711.4kg/hμL=0.001Pa·s〔1采用Ecekert通用關(guān)聯(lián)圖法計(jì)算泛點(diǎn)氣速uF。通用填料塔泛點(diǎn)和壓降的通用關(guān)聯(lián)圖如下：圖一填料塔泛點(diǎn)和壓降的通用關(guān)聯(lián)圖〔引自《化工原理》圖中u0——空塔氣速,m/s；

φ——濕填料因子,簡(jiǎn)稱填料因子,1/m；

ψ——水的密度和液體的密度之比；

g——重力加速度,m/s2；

ρV、ρL——分別為氣體和液體的密度,kg/m3；

wV、wL——分別為氣體和液體的質(zhì)量流量,kg/s。

此圖適用于亂堆的顆粒形填料,如拉西環(huán)、弧鞍形填料、矩鞍形填料、鮑爾環(huán)等,其上還繪制了整砌拉西環(huán)和弦柵填料兩種規(guī)整填料的泛點(diǎn)曲線。對(duì)于其他填料,尚無(wú)可靠的填料因子數(shù)據(jù)。Eckert通用關(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)為

0.5=0.5=0.0235查圖一查得縱坐標(biāo)值為

0.2=0.3表一散裝填料泛點(diǎn)填料因子平均值填料類型填料因子,1/mDN16DN25DN38DN50DN76金屬鮑爾環(huán)410—117160—金屬環(huán)矩鞍—170150135120金屬階梯環(huán)——160140—塑料鮑爾環(huán)55028018414092塑料階梯環(huán)—260170127—瓷矩鞍1100550200226—瓷拉西環(huán)1300832600410—〔《化工原理課程設(shè)計(jì)》附錄十一查得：==3.826〔2操作氣速由以下公式計(jì)算塔徑：〔《化工原理課程設(shè)計(jì)》對(duì)于散裝填料,其泛點(diǎn)率的經(jīng)驗(yàn)值為u/uF=0.5~0.85取u=0.7uF=0.7×3.826=2.678m/s

〔3塔徑由==1.19

圓整塔徑,取D=l.2m。

〔4泛點(diǎn)率校核：

=2.653m/s=68.71%<在允許范圍內(nèi)

〔5填料規(guī)格校核：

=31.57〉8

〔6液體噴淋密度校核：

取最小潤(rùn)濕速率為

〔Lwmin=0.08m3/m·h

查填料手冊(cè)得

塑料階梯環(huán)比表面積at=114.2m2/m3Umin=〔Lwminat=0.08×114.2=9.136m3/m2·h

=9.413m3/m2h〉Umin

經(jīng)以上校核可知,填料塔直徑選用D=1200mm合理。填料層高度計(jì)算<1>傳質(zhì)單元數(shù)NOGY1*=mX1=0.754×0.0482=0.0362解吸因數(shù)為:=0.651氣相總傳質(zhì)單元數(shù)為:==6.412〔2傳質(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)算查表二:常見材質(zhì)的臨界表面張力值材質(zhì)碳瓷玻璃聚丙烯聚氯乙烯鋼石蠟表面張力,mN/m56617333407520得=33dyn/cm=427680kg/h2液體質(zhì)量通量為:=7755.88kg/<m2h>氣膜吸收系數(shù)由下式計(jì)算：=0.3533氣體質(zhì)量通量為:氣體質(zhì)量通量:=11279.61=0.133kmol/<m2hkpa>液膜吸收系數(shù)由下式計(jì)算:=0.468m/h查表三:常見填料塔的形狀系數(shù)填料類型球形棒形拉西環(huán)弧鞍開孔環(huán)Ψ值0.720.7511.191.45本設(shè)計(jì)填料類型為開孔環(huán)所以Ψ=1.45,則=0.133×114.2×0.3533×1.451.1=8.075kmol/<m3.h.kpa>=0.468×114.2×0.3533×1.450.4=21.908l/h又因u/uF=68.71﹪＞50﹪需要按下式進(jìn)行校正,即可得：KG/a=[1+9.5<0.6871-0.5>1.4]×8.075=15.41kmol/<m3.h.kpa>KL/a=[1+2.6<0.6871-0.5>2.2]×21.908=23.33l/h則由〔3填料層高度的計(jì)算由根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),填料層的設(shè)計(jì)高度一般為

Z′＝<1.2~1.5>Z<4-19>

式中Z′——設(shè)計(jì)時(shí)的填料高度,m；

Z——工藝計(jì)算得到的填料層高度,m。得:=1.25×2.898=3.6m設(shè)計(jì)取填料層高度為

=3.6m查：表四散裝填料分段高度推薦值填料類型h/DHmax/m拉西環(huán)2.5≤4矩鞍5～8≤6鮑爾環(huán)5～10≤6階梯環(huán)8～15≤6環(huán)矩鞍5～15≤6對(duì)于階梯環(huán)填料,,取,則h=8×1200=9600mm3600mm<9600mm故只需一段,段高3.6m。填料層壓降計(jì)算采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算填料層壓降。橫坐標(biāo)為:表五散裝填料壓降填料因子平均值填料類型填料因子,1/mDN16DN25DN38DN50DN76金屬鮑爾環(huán)306-11498-金屬環(huán)矩鞍-13893.47136金屬階梯環(huán)--11882-塑料鮑爾環(huán)34323211412562塑料階梯環(huán)-17611689-瓷矩鞍環(huán)700215140160-瓷拉西環(huán)1050576450288-查表得,Φp=125m-1縱坐標(biāo)為:查Eckert通用關(guān)聯(lián)圖得:△P/Z=200*9.81=1962Pa/m填料層壓降為:△P=1962×3.6=7063.2Pa

四、輔助設(shè)備的計(jì)算及選型1.除霧沫器穿過填料層的氣體有時(shí)會(huì)夾帶液體和霧滴,因此需在塔頂氣體排出口前設(shè)置除沫器,以盡量除去氣體中被夾帶的液體霧沫,NH3溶于水中易于產(chǎn)生泡沫為了防止泡沫隨出氣管排出,影響吸收效率,采用除沫裝置,根據(jù)除沫裝置類型的使用范圍,該填料塔選取絲網(wǎng)除沫器。絲網(wǎng)除霧沫器：一般取絲網(wǎng)厚度H=100或150mm,氣體通過除沫器的壓降約為120~250pa。通過絲網(wǎng)除沫器的最大速

實(shí)際氣速為最大氣速的0.75~0.8倍所以實(shí)際氣速u=0.75×2.4701=1.85m/s2.液體分布器簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)〔1液體分布器的選型該吸收塔液相負(fù)荷較大,而氣相負(fù)荷相對(duì)較低,故選用槽式液體分布器。分布點(diǎn)密度計(jì)算表六Eckert的散裝填料塔分布點(diǎn)密度推薦值塔徑,mm分布點(diǎn)密度,點(diǎn)/m2塔截面D=400330D=750170D≥120042按Eckert建議值,因該塔液相負(fù)荷較大,設(shè)計(jì)取噴淋點(diǎn)密度為140點(diǎn)/m2。布液點(diǎn)數(shù)為n=0.785×1.22×140=132.9≈158點(diǎn)按分布點(diǎn)幾何均勻與流量均勻的原則,進(jìn)行布點(diǎn)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)結(jié)果為：二級(jí)槽共設(shè)七道,在槽側(cè)面開孔,槽寬度為80mm,槽高度為210mm。兩槽中心矩為160mm。分布點(diǎn)采用三角形排列,實(shí)際設(shè)計(jì)布點(diǎn)數(shù)為n=158點(diǎn).圖二槽式液體分布器二級(jí)槽的布液點(diǎn)示意圖〔3布液計(jì)算由重力型液體分布器布液能力計(jì)算由式中Ls——液體流量,m3/s；

n——開孔數(shù)目<分布點(diǎn)數(shù)目>；

φ——孔流系數(shù),通常取φ＝0.55～0.60；

d0——孔徑,m；

△H——開孔上方的液位高度,m。

取=0.60,=160mm,則設(shè)計(jì)取d0=4mm液體分布器的安裝一般高于填料層表面150~300mm<取決于操作彈性>,槽式分布器主槽分槽高度均取210mm,主槽寬度為塔徑的0.7~0.8,這里取塔徑的0.7,分槽寬度由液體量及停留時(shí)間確定,最低液位為50mm為宜,最高液位由操作彈性塔內(nèi)允許高度及造價(jià)確定,一般為200mm左右。2.液體再分布器升氣管式液體再分布器在離填料頂面一定距離處,噴淋的液體便開始向塔壁偏流,然后沿塔壁下流,塔中心處填料的不到好的潤(rùn)濕,形成所謂的"干錐體"的不正常現(xiàn)象,減少了氣液兩相的有效接觸面積。因此每隔一定的距離設(shè)置液體再分布裝置,以克服此現(xiàn)象。由于塔徑為1200mm,因此可選用升氣管式再分布器,分布外徑1180mm,升氣管數(shù)8。3填料支承裝置填料支承結(jié)構(gòu)用于支承塔內(nèi)填料及其所持有的氣體和液體的重量之裝置。對(duì)填料的基本要求是：有足夠的強(qiáng)度以支承填料的重量;提供足夠的自由截面以使氣液兩相流體順利通過,防止在此產(chǎn)生液泛；有利于液體的再分布；耐腐蝕,易制造,易裝卸等。常用填料支承板有柵板式和氣體噴射式。這里選用分塊梁式支承板。4.填料限定裝置為防止在上升氣流的作用下填料床層發(fā)生松動(dòng)或者跳動(dòng),需在填料層上方設(shè)置填料壓緊裝置。對(duì)于塑料散裝填料,本設(shè)計(jì)選用創(chuàng)層限制板。3．氣體和液體的進(jìn)出口裝置管道的公稱通徑758090100120130140160185205235260315〔1氣體和液體的進(jìn)出口直徑的計(jì)算由公式Vs為流體的體積流量,m3/su為適宜的流體流速,m/s.常壓氣體進(jìn)出口管氣速可取10~20m/s；液體進(jìn)出口速度可取0.8~1.5m/s〔必要時(shí)可加大。選氣體流速為15m/s由VS=10800/3600=3m3/s代入上公式得d=504mm圓整之后,氣體進(jìn)出口管徑為d=520mm選液體流速為2.0m/s,由VS=483.432×18.02／〔3600×998.2=0.0024m3/s代入上公式得d=39mm,圓整之后液體進(jìn)出口管徑為d=40mm〔2底液出口管徑：選擇d=25mm〔3泵的選型由計(jì)算結(jié)果可以選用：IS100-80-125型的泵〔4塔附屬高的確定塔的附屬空間高度主要包括塔的上部空間高度,安裝液體分布器和液體再分度器所需的空間高度,塔的底部空間高度以及塔的群坐高度。塔的上部空間高度是指塔填料層以上,應(yīng)有一足夠的空間高度,以使隨氣流攜帶的液滴能夠從氣相中分離出來(lái),該高度一般取1.2-1.5。安裝液體再分布器所需的塔空間高度依據(jù)所用分布器的形式而定一般需要1-1.5m的高度。塔的底部空間高度是指塔底最下一塊塔板到塔底封頭之間的垂直距離。該空間高度含釜液所占的高度及釜液面上方的氣液分離高度的兩部分。釜液所占空間高度的確定是依據(jù)塔的釜液流量以及釜液在塔內(nèi)的停留時(shí)間確定出空間容積,然后根據(jù)該容積和塔徑計(jì)算出塔釜所占的空間高度。塔底液相液相停留時(shí)間按1min考慮,則塔釜液所占空間為考慮到氣相接管所占的空間高度,底部空間高度可取1.0米,所以塔的附屬空間高度可以取1.9米?！?人孔公稱壓力公稱直徑密封面型標(biāo)準(zhǔn)號(hào)常壓450mm平面<FS>HG21515-95五、設(shè)計(jì)結(jié)果匯總課程設(shè)計(jì)名稱水吸收NH3填料吸收塔的設(shè)計(jì)操作條件操作溫度20攝氏度操作壓力：常壓物性數(shù)據(jù)液相氣相液體密度998.2kg/m3混合氣體平均摩爾質(zhì)量28.40kg/kmol液體粘度3.6kg/<mh>混合氣體的平均密度1.1806kg/m3液體表面張力940896混合氣體的粘度0.065kg/<mh>NH3在水中的擴(kuò)散系數(shù)7.344×10-6m2/hNH3在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)0.081m2/h重力加速度1.27×108m/h氣相平衡數(shù)據(jù)NH3在水中的亨利系數(shù)E相平衡常數(shù)m溶解度系數(shù)H76.41kpa0.7540.7254kmol/kPam3物料蘅算數(shù)據(jù)Y1Y2X1X2氣相流量G液相流量L最小液氣比操作液氣比0.05820.0023230.04820417.42kmol/h483.432kmol/h0.7241.158工藝數(shù)據(jù)氣相質(zhì)量流量液相質(zhì)量流量塔徑氣相總傳質(zhì)單元數(shù)氣相總傳質(zhì)單元高度填料層高度填料層壓降12751.48711.41.2m6.4120.452m3.6m7063.2pa填料塔附件除沫器液體分布器填料限定裝置填料支承板液體再分布器絲網(wǎng)式二級(jí)槽式床層限制版分塊梁式升氣管式六、工藝流程圖下圖是本設(shè)計(jì)的工藝流程簡(jiǎn)圖圖二工藝流程簡(jiǎn)圖七、課程設(shè)計(jì)總結(jié)本次課程設(shè)計(jì)是在生產(chǎn)實(shí)習(xí)后進(jìn)行的,是對(duì)化學(xué)工程的過程設(shè)計(jì)及設(shè)備的選擇的一個(gè)深層次的鍛煉,也是對(duì)實(shí)際操作的一個(gè)加深理解。在設(shè)計(jì)過程中遇到的問題主要有：〔1未知條件的選??；<2>文獻(xiàn)檢索的能力；〔3對(duì)吸收過程的理解和計(jì)算理論的運(yùn)用；〔4對(duì)實(shí)際操作過程中設(shè)備的選擇和條件的最優(yōu)化；〔5對(duì)工藝流程圖的理解以及繪制簡(jiǎn)單的流程圖和設(shè)備結(jié)構(gòu)；〔6還有一些其他的問題,例如計(jì)算的準(zhǔn)確度等等。當(dāng)然,在本次設(shè)計(jì)中也為自己再次重新的復(fù)習(xí)化工這門學(xué)科提供了一個(gè)動(dòng)力,對(duì)化工設(shè)計(jì)過程中所遇到的問題也有了一個(gè)更深的理解。理論和實(shí)際的結(jié)合也是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn),為日后從事相關(guān)工作打下了一定的基礎(chǔ)。最后,深感要完成一個(gè)設(shè)計(jì)是相當(dāng)艱巨的一個(gè)任務(wù),如何細(xì)節(jié)的出錯(cuò)都有可能造成實(shí)際操作中的經(jīng)濟(jì)損失甚至生命安全八、主要符號(hào)說明at——填料的總比表面積,m2/m3aW——填料的潤(rùn)濕比表面積,m2/m3d——填料直徑,m；D——