水吸收氨化工原理課程設(shè)計的報告

...wd......wd......wd...化工原理課程設(shè)計題目水吸收氨氣過程填料塔吸收設(shè)計學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院專業(yè)班級化學(xué)工程與工藝2012級學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號指導(dǎo)教師2015年1月20日課程設(shè)計任務(wù)書2014年化工原理課程設(shè)計任務(wù)書〔2〕一、設(shè)計題目：水吸收氨過程填料吸收塔的設(shè)計試設(shè)計一座填料吸收塔，用于脫除混于空氣中的氨氣?；旌蠚怏w的處理量為4000、4500、5000、5500、6000、6500、7000、7500、8000、8500、9000、9500、10000、11000、120003/h〔每個學(xué)生選擇一種處理量；學(xué)號：11-25號〕，其中含氨為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)〕。采用清水進展吸收，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。四、工作日每年300天，每天24小時連續(xù)運行。五、廠址廠址為衡陽地區(qū)。六、設(shè)計內(nèi)容〔1〕吸收塔的物料衡算；

〔2〕吸收塔的工藝尺寸計算；

〔3〕填料層壓降的計算；

〔4〕液體分布器簡要設(shè)計；

〔5〕吸收塔接收尺寸計算；

〔6〕繪制吸收塔設(shè)計條件圖；

〔7〕對設(shè)計過程的評述和有關(guān)問題的討論?！财摺吃O(shè)計根基數(shù)據(jù)20℃下氨在水中的溶解度系數(shù)為H=0.725kmol/(m3.kPa)。要求：1.參照?化工原理課程設(shè)計?教材計算；2.手工繪圖，A1圖紙；3.打印稿，并交電子稿；4.要列出參考文獻指導(dǎo)教師：賀楚華QQ郵箱：674615536@qq學(xué)號:19號選擇混合氣體處理流量8000m3/h目錄第一章填料塔主體設(shè)計方案確實定-------------------------61.1裝置流程確實定---------------------------------------------61.2吸收劑的選擇-----------------------------------------------6第二章填料的類型與選擇---------------------------------------62.1填料的類型-------------------------------------------------62.2填料的選擇-------------------------------------------------7第三章填料吸收塔的工藝計算-----------------------------------73.1根基物性數(shù)據(jù)-----------------------------------------------73.1.1液相物性數(shù)據(jù)---------------------------------------73.1.2氣相物性數(shù)據(jù)-----------------------------------------73.1.3氣液相平衡數(shù)據(jù)---------------------------------------83.2物料衡算---------------------------------------------------83.3填料塔的工藝尺寸計算---------------------------------------93.3.1塔徑的計算-------------------------------------------93.3.2填料規(guī)格校核-----------------------------------------113.4填料層高度的計算及分段-------------------------------------113.4.1填料層高度的計算-------------------------------------113.4.2填料層的分段-----------------------------------------14第四章塔輔助設(shè)備的計算及選型-------------------------------154.1填料層壓降的計算------------------------------------------154.2液體分布器的計算------------------------------------------164.2.1液體分布器的選型------------------------------------164.2.2分布點密度計算--------------------------------------164.2.3布液計算--------------------------------------------164.2.4液體再分布裝置 -------------------------------------174.3吸收塔的主要接收尺寸的計算--------------------------------174.5吸收塔的壓力降--------------------------------------------19第五章設(shè)計一覽表----------------------------------------------19表1吸收塔的吸收劑用量計算總表--------------------------------19表2塔設(shè)備計算總表--------------------------------------------20表3填料計算總表----------------------------------------------21第六章對設(shè)計過程的評述和有關(guān)問題的討論------------------22參考文獻-------------------------------------------------------23主要符號說明1.英文字母—填料層的有效傳質(zhì)比外表積〔m2/m3〕——填料層的潤滑比外表積m2/m3——吸收因數(shù)D－－塔徑;LS——液體噴淋密度;DL、DV——擴散系數(shù)，m2/s；——亨利系數(shù)，KPa——重力加速度，kg/(m2.h)——溶解度系數(shù)，kmol/(m3.KPa)——氣相總傳質(zhì)單元高度，mMS－－混合氣體摩爾質(zhì)量——氣相傳質(zhì)單元數(shù)——相平衡常數(shù)——總壓，KPaωL－－液相質(zhì)量流量，kg/hωS－－氣相質(zhì)量流量,kg/h△——分壓，KPa——氣體通用常數(shù)，kJ/(kmol.K)——解吸因子——溫度，0C——空塔速度，m/suF——液泛速度，m/sV——惰性氣體流量，kmol/s——混合氣體體積流量，m3/s;kL——液膜吸收系數(shù)，kmol/(m2.s.kmol/m3)kG——氣膜吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)KG——氣相總吸收系數(shù)，kmol/(m2.s.kpa)KL——液相總吸收系數(shù)kmol/(m2.s)L——吸收劑用量kmol/h;kmol/s——密度kg/m32.下標(biāo)——液相的——氣相的x——溶質(zhì)組分在液相中的摩爾分率X——溶質(zhì)組分在氣相中的摩爾比y——溶質(zhì)組分在液相中的摩爾分率Y——溶質(zhì)組分在氣相中的摩爾比Z——填料層高度第一章填料塔主體設(shè)計方案確實定1.1裝置流程確實定本次設(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，別離效率高，吸收劑利用率高。工業(yè)生產(chǎn)中多采用逆流操作。1.2吸收劑的選擇吸收劑又叫溶劑，吸收過程是依靠氣體在吸收劑中的溶解來實現(xiàn)的，因此，選擇良好的吸收劑是吸收過程的重要一環(huán)

選擇吸收劑的基本要求:

1.吸收劑應(yīng)具有較大溶解度，以提高吸收速率減少吸收劑用量，降低輸送與再生的能耗。

2.選擇性好，吸收劑對混合氣體的溶質(zhì)要有良好的吸收能力，而對其它組分不吸收或吸收甚微。以提高吸收速率，減小吸收劑用量。

3.操作溫度下吸收劑的蒸汽壓要低，以為離開吸收設(shè)備的氣體往往被吸收劑所飽和，吸收劑的揮發(fā)度愈大，那么在吸收和再生過程中吸收劑損失愈大。

4.粘度要低，以利于傳質(zhì)與輸送；有利于氣液接觸，提高吸收速率。

5.具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性，以減少吸收劑的降解和變質(zhì)，尤其在使用化學(xué)吸收劑時。

6.其它，所選用的吸收劑還應(yīng)滿足無毒性，無腐蝕性，不易燃易爆，不發(fā)泡，冰點低，廉價易得以及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等要求。按要求用清水作為吸收劑，其廉價易得，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，選擇性好，且NH3不作為產(chǎn)品，故采用純?nèi)軇?。填料的類型與選擇2.1填料的類型塔填料〔簡稱為填料〕是填料塔的核心構(gòu)件，它提供了氣、液兩相相接觸傳質(zhì)與傳熱的外表，其性能優(yōu)劣是決定填料塔操作性能的主要因素。填料的比外表積越大，氣液分布也就越均勻，傳質(zhì)效率也越高，它與塔內(nèi)件一起決定了填料塔的性質(zhì)。根據(jù)填裝方式的不同，可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類。塑料階梯環(huán)特性數(shù)據(jù)材質(zhì)外徑d，mm外徑×高×厚d×H×δ比外表積at，m2/m3空隙率ε，m3/m3個數(shù)n，個/m3堆積密度ρp，kg/m3干填料因子at/ε3，m-1填料因子Φ，m-1塑料2538507625×17.5×1.438×19×150×30×1.576×37×3228132.5114.289.950.900.910.9270.92981500272009980342097.857.576.868.4313175.6143.111217611689722.2填料的選擇根據(jù)要求選擇的填料為散裝填料中的塑料聚丙烯DN50階梯環(huán)，所選用的填料主要參數(shù)如下：公稱直徑：50mm孔隙率:0.927

比外表積a:114.2壓降填料因子:89/m-1第三章填料吸收塔的工藝計算3.1根基物性數(shù)據(jù)3.1.1液相物性數(shù)據(jù)密度為：黏度為：外表張力NH3在水中的擴散系數(shù)為：3.1.2氣相物性數(shù)據(jù)混合氣體平均密度：混合氣體平均摩爾質(zhì)量為Ms=ΣyiMi=0.05×17+0.95×29=28.40kg/kmol混合氣體的黏度可近似取空氣的黏度，查得20℃空氣的黏度為：查表得273K，101.3Kpa氨氣在空氣中擴散系數(shù)：經(jīng)計算293K,101.3Kpa氨氣在空氣中擴散系數(shù)：3.1.3氣液相平衡數(shù)據(jù)20℃，101.3Kpa下氨氣在水中的溶解度系數(shù)：MACROBUTTONMTEditEquationSection2SEQMTEqn\r\hSEQMTSec\r1\hSEQMTChap\h相平衡常數(shù)：物料衡算由設(shè)計條件知：原料液中NH3的摩爾分?jǐn)?shù)為0.05，排放氣體中NH3的摩爾分?jǐn)?shù)為0.0002。進塔氣相摩爾比：出塔氣相摩爾比：對于純?nèi)軇┪者^程，進塔液相組成：進塔惰性氣體流量：吸收過程屬于底濃度吸收，平衡關(guān)系為直線，最小氣液比可按下式計算，即：對于純?nèi)軇┪者^程，進塔液相組成為：取操作液氣比為根據(jù)全塔物料衡算式:3.3填料塔的工藝尺寸計算3.3.1塔徑的計算氣相質(zhì)量流量為：液相質(zhì)量流量可近似按純水的流量計算，即空塔氣速確實定——泛點氣速法對于散裝填料，其泛點率的經(jīng)歷u/u=0.5-0.85貝恩〔Bain〕—霍根〔Hougen〕關(guān)聯(lián)式，即：=即：解得其中：——泛點氣速，m/s;g——重力加速度，9.81m/s氣相密度常數(shù)A與K和填料形狀、材質(zhì)的關(guān)系散裝填料類型塑料鮑爾環(huán)金屬鮑爾環(huán)塑料階梯環(huán)金屬階梯環(huán)瓷矩鞍金屬環(huán)矩鞍A0.09420.10.2040.1060.1760.06275K1.751.751.751.751.751.75查上表得A=0.204；K=1.75；取u=0.7=2.94m/s由圓整塔徑后D=1.0m〔常用的標(biāo)準(zhǔn)塔徑為400、500、600、700、800、1000、1200、1400、1600、2000、2200〕泛點率校核：〔對于散裝填料，其泛點率的經(jīng)歷值為,算得的數(shù)值在(0.50--0.85)之間,所以符合求.〕3.3.2填料規(guī)格校核根據(jù)要求應(yīng)選擇環(huán)形填料中的塑料階梯環(huán).由于所選用的塔徑為1000mm,又根據(jù)填料與塔徑的對應(yīng)關(guān)系及實際操作要求,尺寸為DN50的塑料階梯環(huán),填料規(guī)格如下:公稱直徑：50mm孔隙率:0.927比外表積a:114.2填料因子:143/m

填料常數(shù)A:0.204所以有D/d=1000/50=20,即符合要求.見以以下圖：液體淋噴密度校核：取最小濕潤速率為查手冊得經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用D=1000mm合理。3.4填料層高度的計算及分段3.4.1填料層高度的計算脫吸因素為氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)是是式計算：不同材質(zhì)的值材質(zhì)鋼瓷聚丙烯聚氯乙烯碳玻璃石蠟外表張力/dyn-175613340567320查得液體的質(zhì)量通量為氣膜吸收系數(shù)：氣體質(zhì)量通量為：液膜吸收數(shù)據(jù)由下式計算：各類填料的形狀系數(shù)填料類型球棒拉西環(huán)弧鞍開孔環(huán)Ψ值0.720.7511.191.45查上表得=1.45故=0.13840.08=8.32以下公式為修正計算公式：得那么由得設(shè)計取填料層高度為3.4.2填料層的分段由散裝填料分段高度推薦值查得：散裝填料分段高度推薦值填料類型h/Dhmax/m拉西環(huán)2.54矩鞍5--86鮑爾環(huán)5--106階梯環(huán)8--156環(huán)矩鞍8--156塑料階梯環(huán)h/D。h/D=8，那么h=8×1000=8000mm計算的填料層高度為8000mm，故分段兩段，每段4000mm。第四章塔輔助設(shè)備的計算及選型4.1填料層壓降的計算填料層壓降:氣體通過填料層的壓降采用Eckert關(guān)聯(lián)圖計算,在圖中：u---空塔氣速，m/sg---重力加速度，9.81m/s2φ---填料因子，1/mψ---液體密度校正系數(shù)，ψ=ρ水/ρLρL、ρV---液體、氣體的密度,kg/m3μL---液體黏度，mPa·sωL、ωV---液體、氣體的質(zhì)量流量,kg/s其中橫坐標(biāo)為：查下表得DN16DN25DN38DN50DN76填料因子/m-1-------17611689-------縱坐標(biāo)為 查表得填料層壓降為4.2液體分布器的計算4.2.1液體分布器的選型液體分布器的性能主要由分布器的布液點密度〔即單位面積上的布液點數(shù)〕，各布液點均勻性，各布液點上液相組成的均勻性決定，設(shè)計液體分布器主要是決定這些參數(shù)的構(gòu)造尺寸。根據(jù)本吸收的要求和物系的性質(zhì)可選用重力型排管式液體分布器，布液孔數(shù)應(yīng)依據(jù)所用填料所需的質(zhì)量分布要求決定，噴淋點密度應(yīng)遵循填料的效率越高所需的噴淋點密度越大這一規(guī)律。4.2.2分布點密度計算Ecker的散裝填料塔分布點密度推薦值塔徑/mm分布點密度/〔點/m2塔截面〕D=400330D=750170D≥120042設(shè)計中D=1000mm,那么取噴淋密度為90點/m2那么總布液孔數(shù)為：n=0.785D2=0.785×12×90=70.65實際總布液孔數(shù)：71點4.2.3布液計算取=0.60，△H=0.2mLS=426.78×18.02/3600／998.2=2.14×10-3m3/s由得：={4×2.14×10-3/[0.6×3.14×71×(2×9.81×0.2)1/2]}1/2=5.68×10-3m=5.68mm取d0為6mm由計算得，設(shè)計布液點數(shù)為71點，直徑為6mm4.2.4液體再分布裝置 氣液兩相在填料層中流動時，受阻力的影響，易發(fā)生偏流現(xiàn)象，導(dǎo)致亂堆填料層內(nèi)氣液分布不均，使傳 質(zhì)效率下降。為防止偏流，可間隔一定高度在填料層內(nèi)設(shè)置再分布裝置，將流體先經(jīng)收集后重新分布。最簡單的再分布裝置為截錐式再分布器，其構(gòu)造簡單安裝方便。應(yīng)選擇截錐式再分布器。本設(shè)計采用的是分配錐形的再分布器，其最簡單沿壁流下的液體用分配錐再將它導(dǎo)入中央截錐小頭的直徑一般為,本設(shè)計取1000×0.8=800mm，為了增加氣體流過是的自由截面積，在分配錐上開設(shè)7個管孔，錐體與塔壁夾角取在，取h=110mm。4.3吸收塔的主要接收尺寸的計算1、氣體進料管由于常壓下塔氣體進出口管氣速可取10～20，故假設(shè)取氣體進出口流速近似為16m/s，那么由公式D=可求得氣體進出口內(nèi)徑為采用直管進料，由以下資料查得選擇φ=426mm×17mm熱軋無縫鋼管，那么〔在符合范圍內(nèi)〕氣體進出口壓降:進口：出口：2、液體進料管由于常壓下塔液體進出口管速可取，故假設(shè)取液體進出口流速近似為2.6m/s，那么由公式D=可求得液體進出口內(nèi)徑為采用直管進料，由?化工原理?第三版[王志魁主編化學(xué)工業(yè)出版社]P381查得選擇熱軋無縫鋼管，那么〔在符合范圍內(nèi)〕4.4塔附屬高度的計算取塔上部空間高度可取1.5m,塔底液相停留時間按5min考慮,那么塔釜所占空間高度為:h=426.78×18.02×5×60/(12×0.785×3600×998.2)=0.82m考慮到氣相接收所占的空間高度,底部空間高度可取3.0m,所以塔的附屬高度可以取5.5m。所以塔高為h=5.5+8=13.5m4.5吸收塔的壓力降P=△P+△P1+△P2=3924+147.41+73.7=4145.11Pa第五章設(shè)計一覽表吸收塔類型：聚丙烯階梯環(huán)吸收填料塔表⒈吸收塔的吸收劑用量計算總表意義及符號結(jié)果混合氣體處理量VS8000m3/h氣液相平衡常數(shù)m0.751進塔氣相摩爾分率Y10.0526出塔氣相摩爾分率Y20.0002進塔液相摩爾分率X10.0388最小液氣比〔L/V〕min0.751混合氣體平均摩爾質(zhì)量M28.40kg/mol混合氣體的密度ρ1.181kg/m3混合氣體的粘度μ1.81×10—5Pa·s吸收劑用量L426.78kmol/h惰性氣體流量V316.13kmol/h表⒉塔設(shè)備計算總表意義及符號結(jié)果塔徑D1.0m塔高H13.5m填料層高Z8m填料塔