水吸收氨過程填料吸收塔的設(shè)計計算書

36555噸/年水吸收氨填料吸收塔的設(shè)計計算書王棟（渭南師范學(xué)院化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院07級應(yīng)用化學(xué)一班）摘要：根據(jù)設(shè)計任務(wù)書，設(shè)計了一個年處理量36555噸混合氣體的水吸收氨填料吸收塔。進行了填料的選擇與塔的工藝計算與校核。當(dāng)填料選用聚丙烯D50階梯環(huán)，填料層高度N為3000mm,塔徑為700mm，滿足設(shè)計要求。關(guān)鍵詞：水吸收氨；填料塔；吸收1填料吸收塔技術(shù)的綜述1.1引言填料塔是以塔內(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。而塔填料塔內(nèi)件及工藝流程又是填料塔技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。從塔填料、塔內(nèi)件以及工藝流程，特別是塔填料三方面對填料塔技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢作了介紹，說明了塔填料及塔內(nèi)件在填料塔技術(shù)中的重要性。與板式塔相比，新型的填料塔性能具有如下特點：（1）生產(chǎn)能力大；（2）分離效率高;（3）壓降??；（4）操作彈性大；（5）持液量小。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，聚丙烯填料具有質(zhì)輕、價廉、耐蝕、不易破碎及加工方便等優(yōu)點，但其明顯的缺點是表面潤濕性能差。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.為此，對聚丙烯填料表面進行處理，以提高其潤濕及傳質(zhì)性能的研究日益受到人們的重視.1.2填料塔技術(shù)填料塔的塔身是一直立式圓筒，底部裝有填料支承板，填料以亂堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安裝填料壓板，以防被上升氣流吹動。液體從塔頂經(jīng)液體分布器噴淋到填料上，并沿填料表面流下。氣體從塔底送入，經(jīng)氣體分布裝置分布后，與液體呈逆流連續(xù)通過填料層的空隙，在填料表面上，氣液兩相密切接觸進行傳質(zhì)。填料塔屬于連續(xù)接觸式氣液傳質(zhì)設(shè)備，兩相組成沿塔高連續(xù)變化，在正常操作狀態(tài)下，氣相為連續(xù)相，液相為分散相。當(dāng)液體沿填料層向下流動時，有逐漸向塔壁集中的趨勢，使得塔壁附近的液流量逐漸增大，這種現(xiàn)象稱為壁流。壁流效應(yīng)造成氣液兩相在填料層中分布不均，從而使傳質(zhì)效率下降。因此，當(dāng)填料層較高時，需要進行分段，中間設(shè)置再分布裝置。液體再分布裝置包括液體收集器和液體再分布器兩部分，上層填料流下的液體經(jīng)液體收集器收集后，送到液體再分布器，經(jīng)重新分布后噴淋到下層填料上。填料塔具有生產(chǎn)能力大，分離效率高，壓降小，持液量小，操作彈性大等優(yōu)點。填料塔也有一些不足之處，如填料造價高；當(dāng)液體負(fù)荷較小時不能有效地潤濕填料表面，使傳質(zhì)效率降低；不能直接用于有懸浮物或容易聚合的物料；對側(cè)線進料和出料等復(fù)雜精餾不太適合等1.2.1填料的類型填料的種類很多，根據(jù)裝填方式的不同，可分為散裝填料和規(guī)整填料。1.2.2填料的幾何特性填料的幾何特性數(shù)據(jù)主要包括比表面積、空隙率、填料因子等，是評價填料性能的基本參數(shù)。1.3填料的選擇填料的選擇包括填料種類的選擇、填料規(guī)格的選擇（散裝填料規(guī)格的選擇、規(guī)整填料規(guī)格的選擇）、填料材質(zhì)的選擇等，所選填料既要滿足生產(chǎn)工藝的要求，又要使設(shè)備投資和操作費用最低。1.4填料塔的內(nèi)件填料塔的內(nèi)件主要有填料支承裝置、填料壓緊裝置、液體分布裝置、液體收集再分布裝置等。合理地選擇和設(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。1.5工藝流程的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢填料塔技術(shù)用于各類工業(yè)物系的分離，雖然設(shè)計的重點在塔體及塔內(nèi)件等核心部分，但與之相配套的外部工藝和換熱系統(tǒng)應(yīng)視具體的工程特殊性作相應(yīng)的改進。例如在DMF回收裝置的擴產(chǎn)改造項目中，要求利用原常壓塔塔頂蒸汽,工藝上可以在常壓塔及新增減壓塔之間采用雙效蒸餾技術(shù),達到降低能耗、提高產(chǎn)量的雙重效果，在硝基氯苯分離項目中；改原多塔精餾、兩端結(jié)品工藝為單塔精餾、端結(jié)品流程，并對富間硝基氯苯母液進行精餾分離，獲得99%以上的間硝基氯苯,既提高產(chǎn)品質(zhì)量，又取得了降低能耗的技術(shù)效果。2設(shè)計方案簡介塔設(shè)備是化工、石油化工、生物化工、制藥等生產(chǎn)過程中廣泛采用的氣液傳質(zhì)設(shè)備，根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式，可分為板式塔和填料塔兩大類。板式塔內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的塔板，氣體以鼓泡或噴射形式穿過板上的液層，進行傳質(zhì)與傳熱。在正常操作下，氣相為分散相，液相為連續(xù)相，氣相組成呈階梯變化，屬逐級接觸逆流操作過程。填料塔內(nèi)裝有一定高度的填料層，液體自塔頂沿填料表面下流，氣體逆流向上流動，氣液兩相密切接觸進行傳質(zhì)與傳熱。在正常操作下，氣相為連續(xù)相，液相為分散相，氣相組成呈連續(xù)變化，屬微分接觸逆流操作過程。工業(yè)上，塔設(shè)備主要用于蒸餾和吸收傳質(zhì)單元操作過程。蒸餾過程多選用板式塔，而吸收過程多選用填料塔。2.1設(shè)計方案的確定用水吸收NH’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填料的選擇對于水吸收NH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3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Dn50聚丙烯階梯環(huán)填料。Dn50聚丙烯階梯環(huán)主要參數(shù)填料類型公稱直徑DN/mm外徑X高X厚dXhXl比表面積at(m2/m3)空隙率/%個數(shù)n/m3堆積密度/(kg/m3)干填料因子4/m-1塑料階梯環(huán)5050X25X1.5114.292.71074054.81432.3操作條件：因為氨易溶于水，且吸收屬于低濃度吸收，逆流吸收流程，所以操作條件選用常溫常壓，即操作壓力：101.3KPa操作溫度：293K2.4符號含義

E一亨利系數(shù)，kPau一氣體的粘度， V m一平衡常數(shù)w一水的密度和液體的密度之比g—重力加速度，m2/sp;p一分別為氣體和液體的密度，kg/m3；kg/m3；V Lww分別為氣體和液體的質(zhì)量流量kg/hKYa氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)，kmo1"m°Z一填料層高度，mz，一填料層取整高度、 Q=—D2Q一塔截面積， 4Hog氣相總傳質(zhì)單元高度，mNog氣相總傳質(zhì)單元數(shù)Kg一以分壓差表示推動力的總傳質(zhì)系數(shù)，kmO1/（”2m-版）aw一單位體積填料的潤濕面積a——填料總比表面積，m2/m3￡--填料層空隙率m3/m3kG一以分壓差表示推動力的氣膜傳質(zhì)系數(shù)，kmO1/"2-S-"H—溶解度系數(shù)，kmol/(m2-kPa)kL—以摩爾濃度差表示推動力的液摩爾傳質(zhì)系數(shù)，m/sr——氣體常數(shù)，8.314kN-m/(kmol-K)D;D一氨氣在空氣中中的擴散系數(shù)及氨氣在水中的擴散系數(shù)；m2/hal--液體的表面張力，kg/h2￡ 溶質(zhì)回收率a廣-填料材質(zhì)的臨界表面張力，W--填料形狀系數(shù)U—液體質(zhì)量通量 L U—氣體質(zhì)量通量h—填料塔高2.6流程示意圖3.工藝計算3.1基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)3.1.1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《化學(xué)工程手冊》查得，20°C時水的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度為p=998.2kg/m3粘度為七=0.001Pa-s=3.6kg/(m-h)表面張力為b=72.6dyn/cm=940896kg/h2NH3在水中的擴散系數(shù)為Dl=1.76x10-9m2/s=6.336x10-6m2/h3.1.2氣相物性數(shù)據(jù)混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為M=XyM=0.045x17.031+0.955x29=28.46混合氣體的平均密度為p=PMVm=1°L325x2846=上甘/m3七RT8.314x293混合氣體的粘度可近似取為空氣的粘度，查《化學(xué)工程手冊》得20C空氣的粘度為R=1.81x10-5Pa-s=0.065kg/(m-h)查《化工原理》215頁并計算得NH3在空氣中的擴散系數(shù)為-4-D=1.76x10-5cm2/s=0.0637m2/h3.1.3氣液相平衡關(guān)系由題目已經(jīng)20°C下氨在水中溶解度系數(shù)為H=0.725kmol/(kPa-m3)則常壓下20C時nh在水中的亨利系數(shù)為E=-^E=-^l3998.2=76.41kPaHM0.725x18.02相平衡常數(shù)為3.2物料衡算進塔氣相摩爾比為Y= J1 = —=0.04711 1-y1-0.045出塔氣相摩爾比為￡= 進塔氣的溶質(zhì)量被吸收的溶質(zhì)量 G(Y1-Y2)=1-%=0的￡= 進塔氣的溶質(zhì)量GY1Y?

GY1Y=2.355x10-4進塔惰性氣體流量為4000 x22.4 273+4000 x22.4 273+20273 / (1-0.045)=158.9kmol/h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算，即min對于純?nèi)軇┪者^程，進塔液相組成為X=02，LA<V7min0.0471-2.355x10-4 =0.750.0471/0.754-0由《化工原理》229頁適宜液-氣比取最小液-氣比的1.1—2.0倍，故操作液氣比可取L—L—=1.8V=1.8x0.75=1.35minL=1.35x158.9=214.53kmol/h=0.0347158.9x(0.0471-2.355x10-4=0.0347214.53

物料衡算匯總表水空氣氨氣合計進口氣體摩爾流量kmol/h\158.97.5166.4質(zhì)量流量kg/h\4607.5128.54736體積流量m3/h\38201804000出口氣體摩爾流量kmol/h\158.90.04158.94質(zhì)量流量kg/h\4607.50.684608.18體積流量m3/h\38200.93820.9進口液體摩爾流量kmol/h214.53\0214.53質(zhì)量流量kg/h3865.83\03865.83體積流量m3/h5157.5\05157.5進口液體摩爾流量kmol/h214.53\7.46221.99質(zhì)量流量kg/h3865.83\127.823993.65體積流量m3/h5157.5\179.15336.13.3填料塔的工藝尺寸的計算3.3.1塔徑計算采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計算泛點氣速。氣相質(zhì)量流量為w=4000x1.184=4736kg/h液相質(zhì)量流量可近似按純水的流量計算，即w=178.76x18.02=3865.83kg/hEckert通用關(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)為3865.83查通用關(guān)聯(lián)圖得(1.184)0.5=0.028147361998.2)141頁散裝填料泛點填料因子平均值表得性工』日0.2=0.21gpLL141頁散裝填料泛點填料因子平均值表得。=127mt,W=1=3.70m/s_:0.21gp,_:=3.70m/sFV。wp口。?2 V127xlx1.184x10.2由空塔器速為（0.5—0.85）u=0.8Uf=0.8x3.70=2.96m/sD=叵S=,4x4000/360^=0692''兀u\ 3.14x2.96 .圓整塔徑，取D=0.7m泛點率校核:4000/3600u= =2.89m/s0.785x0.72u2.89x100%3.70=78.1%（在允許范圍內(nèi)）合理經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用D=700mm合理填料規(guī)格校核：D700—= =14>8（在允許范圍內(nèi)）d503.3.2液體噴淋密度校核:3.3.2液體噴淋密度校核:取最小潤濕速率為(L) =0.08m3/m-h查Dn5W聚'丙烯階梯環(huán)填料參數(shù)表得a=114.2m2/m3U=(L)a=0.08x114.2=9.136m3/m2-h3865.83/998.20.785x0.72U= =0.785x0.72min3.3.3填料層高度計算Y*=mX1=0.754x0.0469=0.035Y*=mX=0脫吸因數(shù)為2mV0.754x158.9S= = =0.56214.53

氣相總傳質(zhì)單元數(shù)為NOGNOG——In(1-S) xIn(1一0.56)1-0.560.0471+0.562.355x10-410.19氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計算:a \bUU2a U2 〕=1一exp〈一1.45(--)0.75(—)0.1(—t^~t)-0.05( l— xIn(1一0.56)1-0.560.0471+0.562.355x10-410.19氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計算:a \bUU2a U2 〕=1一exp〈一1.45(--)0.75(—)0.1(—t^~t)-0.05( l—)0.2.a [ba日p2gpbaJ查《化工原理課程設(shè)計》143頁聚丙烯的臨界便面張力值表得b=33dyn;cm=427680kgh2液體質(zhì)量通量為3865.83 =10050.25kg/(m2?h)a(427680)0.75(10050.25)0.1—w=1一exp(一1.45xa、940896-Jx、114.2x3.6jx0.785x0.72t0.210050.252x998.22x1.27x108JL(10050.252x114.2)-0.05"998.2x940896x114.2)}=0.5氣膜吸收系數(shù)由下式計算:k=0.237( )0.7(工GPyDv)13(^DV)RT氣體質(zhì)量通量為4000x1.1840.785x0.7212312.49kg/(m2?h)12312.49=0.237x( )0.70.065114.2x0.065( )1.184x0.0637114.2x0.0637

x( )8.314x293=0.121kmol/(m2-h-kPa)液膜吸收系數(shù)由下式計算:)-12(空)13PL10050.250.0095x( 0.5x114.2x3.6)3x(3.6998.2x6.336x10-6)-23.6x1.27x108( 998.2)312.95mh1.1，查《化工原理課程設(shè)計》143頁常見條件形狀系數(shù)表得ka=kaw1-1=0.121x0.5x114.5x1.451.1=10.42kmol/(m2?h?kPa)0.4=12.95X0.5X114.2X1.450.40.4=12.95u——=63.32%>50%kGa[1+9.5(u—一0.5)uFk'a=[1+2.6(u—-0.5)2.2u——=63.32%>50%kGa[1+9.5(u—一0.5)uFk'a=[1+2.6(u—-0.5)2.2]ka得k'ak'a=HOG1+9.5x(0.7811+2.6x(0.781k'aV-0.5A-0.5戶x10.42=27.16x857.9=994.5127.16 0.725x994.5158.9KaP。/og=0.16x10.19kmol/(m3-h-kPa)26.32kmol!(m3DhUkPa)=0.16m26.32x0.785x0.72x101.325=1.63mZ'=1.5x1.63=2.45m設(shè)計取填料層高度為查《化工原理課程設(shè)計》145頁散裝填料分段高度推薦值表，對于階梯環(huán)填料，h對于階梯環(huán)填料，max—=8~15,h<6mmDmaxh=8x700=5600mm計算得填料層高度為3000mm，故不需分段。3.4填料層壓降計算采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計算填料層壓降橫坐標(biāo)為與（土）0.5=0.0281wP查《化工原理課程設(shè)計》146頁Dn50聚丙烯階梯環(huán)填料因子平均值得4=89m-1縱坐標(biāo)為u24pWPv02=2.8892x89x1 1.184成=009gP七9.81x998.2x^查?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖得AP/Z=900Pa/m填料層壓降為

AP=900x3=2700Pa3.4.1液體分布器的選型該吸收塔液相負(fù)荷較大，而氣相負(fù)荷相對較低，故選用槽式液體分布器3.4.2分布點密度計算按Eckert建議值，D=700mm時，噴淋點密度為200點/m2布液點數(shù)為n=0.785x0.72x200=109.9點任110點按分布點幾何均勻與流量均勻的原則，進行布點設(shè)計。設(shè)計結(jié)果為：二級槽共設(shè)七道，在槽面開孔，點采用三角形排列，n=110點，布液點示意圖如下圖所示槽寬度為80mm，槽高度為210mm，兩槽中心矩為160mm。分布實際設(shè)計布點數(shù)為3.5布液計算n=110點，布液點示意圖如下圖所示槽寬度為80mm，槽高度為210mm，兩槽中心矩為160mm。分布實際設(shè)計布點數(shù)為由L=—d2n^/2gAH取4=0.60AH=340mm

2=2.84x10-34x3865.83/(998.22=2.84x10-34LgAH)d03.14x110x0.672x4LgAH)d0設(shè)計取d0=2.84mm操作壓力操作溫度氣液流體填料形式塔徑填料層高度填料塔總高常壓常溫混合氣，水塑料階梯環(huán)700mmY

1 Y操作壓力操作溫度氣液流體填料形式塔徑填料層高度填料塔總高常壓常溫混合氣，水塑料階梯環(huán)700mmY

1 Y 2 X

1 X2

填料層壓降0.0471-42.355x1040.034702700Pa3000mm5600mm布液點數(shù)110d 0 塔頂高度 800mm塔底高度2.84mm800mm4、設(shè)計體會通過本次設(shè)計，我對填料吸收的工藝流程、設(shè)備有了更深一步的了解，對填料吸收的計算有了進一步掌握。在動手查閱資料文獻的過程中我不僅學(xué)到了很多專業(yè)知