吸收氨過(guò)程填料塔的設(shè)計(jì)

1、寧波理工學(xué)院過(guò)程工程原理課程設(shè)計(jì)題目3.8萬(wàn)Nm³/h 氨氣吸收塔設(shè)計(jì)姓名王興江學(xué)號(hào) 3090501028專業(yè)班級(jí)化學(xué)工程與工藝091班指導(dǎo)教師張艷輝學(xué)院生物與化學(xué)工程分院完成日期過(guò)程原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書1.設(shè)計(jì)題目：吸收氨過(guò)程填料塔的設(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3.8萬(wàn)Nm3/h，其中含氨為5.2%（體積分?jǐn)?shù)），要求塔頂排放氣體中含氨低于0.025%（體積分?jǐn)?shù)）。2操作條件（1）操作壓力 常壓（2）操作溫度 203工作日每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。4廠址寧波地區(qū)5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；（

2、4）液體分布器簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)；（5）吸收塔接管尺寸的計(jì)算；（6）繪制生產(chǎn)工藝流程圖；（7）繪制吸收塔設(shè)計(jì)圖；（9）對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程的評(píng)述和有關(guān)問(wèn)題的討論。6設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)20下氨在水中的溶解度系數(shù)為H=0.725kmol/(m3.kPa)。附：設(shè)計(jì)說(shuō)明書的目錄目 錄1設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介2 工藝計(jì)算2.1 基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)2.2 填料塔的工藝尺寸的計(jì)算2.2.1 塔徑的計(jì)算2.2.2填料層高度計(jì)算2.2.3 填料層壓降計(jì)算2.2.4 吸收塔接管口徑的計(jì)算3 輔助設(shè)備的計(jì)算及選型4 設(shè)計(jì)一覽表5 對(duì)本設(shè)計(jì)的評(píng)述6 參考文獻(xiàn)7 主要符號(hào)說(shuō)明8 附圖（帶控制點(diǎn)的工藝流程簡(jiǎn)圖、主體設(shè)備設(shè)計(jì)圖）1.設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介：工程概況試設(shè)計(jì)一

3、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3.8萬(wàn)Nm3/h，其中含氨為5.2%（體積分?jǐn)?shù)），要求塔頂排放氣體中含氨低于0.025%（體積分?jǐn)?shù)）。1.1吸收劑的選擇用填料吸收塔吸收空氣中的氨氣，選擇用水作為吸收劑，由于水的化學(xué)性能穩(wěn)定，選擇性好，且對(duì)氨氣的吸收性較好，不用后處理，且廠址在寧波沿海地區(qū)，水資源相對(duì)豐富，廉價(jià)易得，符合吸收過(guò)程對(duì)吸收劑的基本要求。1.2吸收流程的確定由于使用填料塔吸收，填料塔內(nèi)有一定高度的填料層，液體自塔頂沿填料表面下流，氣體逆流而上，氣液接觸，進(jìn)行傳質(zhì)傳熱。所以采用逆流操作過(guò)程，能滿足氣液接觸和傳質(zhì)過(guò)程的要求，有助于吸收。1.3操作的溫度和壓力由于

4、大處理量氨氣，且是低濃度，水對(duì)氨氣在常溫，常壓下吸收效果好，不需要進(jìn)行高溫，加壓，造成成本的相對(duì)增加。所以操作在常壓，20進(jìn)行即可。1.4塔填料的選擇采用散裝填料，并使用綜合性能較好的金屬環(huán)矩鞍填料，而且工業(yè)應(yīng)用普遍，實(shí)踐性能好。對(duì)于本吸收，由于吸收量大，估計(jì)所需的塔徑較大，塔高也較高，環(huán)矩鞍無(wú)論在直徑比上，還是填料分段高度上都有很好的選擇性。1.5填料規(guī)格的選擇參照化學(xué)工程手冊(cè)，選擇公稱直徑為76mm的金屬環(huán)矩鞍。主要特性如下：比表面積a=57.6m2m3空隙率=97%干填料因子=63m11.6初步的流程圖2.工藝計(jì)算2.1基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)對(duì)低濃度吸收過(guò)程，溶液的物性數(shù)據(jù)可取純水的物性數(shù)據(jù)?；旌?/p>

5、氣體的黏度可取為空氣的黏度?；旌蠚怏w處理量為3.8萬(wàn)Nm3/h,相當(dāng)于20處理量為4.1萬(wàn)m3/h?？諝夂退奈镄猿?shù)如下：空氣：=1.8110-5Pas=0.065kg/(mh)=1.205kg/m3L=998.2kg/m3水： -5L=100.410Pas查表知，20 C下氨在水中的溶解度系數(shù)H=0.725kmol/(m3kpa) 亨利系數(shù)E=相平衡常數(shù)m=EPLHMS998.2=0.754HMSP0.72518.02101.3L進(jìn)塔氣相摩爾比為：Y1=出塔氣相摩爾比為：Y2=0.052(10.052)0.0002510.052=0.0549 =2.637×104對(duì)于純?nèi)軇┪者^(guò)

6、程，進(jìn)塔液相組成為：X2=0(清水) 混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為：=0.052×17+ 10.052 ×29=28.376 M混合氣體流量：4.1×104×273293×122.4=1695.7kmol/混合氣體流量：V=1695.7× 10.052 =1607.6kmol/ 最小液氣比:LY1Y2Y1Y20.05490.0002637=0.750 min=VX20m0.754取實(shí)際液氣比為最小液氣比的1.5倍，則可得吸收劑用量為： L=0.750×1607.6×1.5=1808.5kmol/V(Y1Y2)0.054

7、92.637×104X1=0.0486液氣比wlwv=1808.5×1841000×1.183=0.6712.2 填料塔的工藝尺寸的計(jì)算2.2.1 塔徑的計(jì)算混合氣體的密度：101.3×103×28.376×103PMG=1.180kg/m³ 采用貝恩-霍根泛點(diǎn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算泛點(diǎn)速度：uF2atGlog ×××0.2 L1808.5×180.25=0.2041.75× 1.1830.125× =0.442 uF2atG×××0.2=0.36

8、14 LuF=6.89m/s取泛點(diǎn)率為0.6，即u=0.6uF=0.6×6.89=4.134m/s4Vs4×41000 D= =1.87m 圓整塔徑，取D=1.9m泛點(diǎn)率校核：41000/3600u=4.15m/s uuF=4.156.89=0.602（在0.5到0.85范圍之間）Dd187076 填料規(guī)格校核：=選用金屬環(huán)矩鞍散裝填料液體噴淋密度校核：取最小潤(rùn)濕速率為：(LW)min查附錄5得（注1）：at=57.6m2/m3所以得 =0.12m3/(mh) =24.6>15Umin=(LW)minat=0.1257.6=6.912m3/(m2h)L1808.5&#

9、215;18×998.2U=1.15×107m3/ m2 >Umin 經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用D=1.9m合理2.2.2 填料層高度計(jì)算填料層的計(jì)算查表知（注2）， 0 C，101.3 kpa下，NH3在空氣中的擴(kuò)散2D=0.17cm/s 系數(shù)o由DGPT=Do(o)()2PTo，k3則293，101.33kpa下，NH3在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為101.32932DG=Do()()=0.189cm2/s101.3273-92D=1.8010m/s 液相擴(kuò)散系數(shù)L液體質(zhì)量通量為UL=氣體質(zhì)量通量為Uv=1808.5×180.785×1.941000

10、×1.1830.785×1.9=11487.2kg/(m2) =17115.58kg/(m2)Y10=mX1=0.754×0.0486=0.0366 Y20=mX2=0脫吸因數(shù)為S=單元數(shù)為：NOG=Y1-Y2*1=Ln(1-S)+S1-SY2-Y2*mVL0.754×1607.61808.5=0.6702所以氣相總傳質(zhì)10.0549-0Ln(1-0.6702)+0.6702=12.85291-0.67020.0002637-0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：awULUaUL=1-exp-1.45(c)0.75()0.1(L2t)-0.05(

11、)0.2 atLatLLLatLg22查表5-13(注1)知，c所以，=75dyn/cm=972000kg/h2aw9720000.7511487.20.111487.2257.6-0.05=1-exp-1.45()()()28at94089657.63.6998.21.271011487.22()0.2=0.662998.294089657.6aw=38.11m2/m3氣膜吸收系數(shù)由下式計(jì)算：查手冊(cè)可知（注2）:氨氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)Dv=0.06804m2/ 混合氣體的黏度可近似取為空氣的黏度: v=0.065kg/(mh)GUaD=0.237(V)0.7(V)3(tV)atvVDVRT1

12、117115.580.70.06557.60.06804=0.237()()3()57.60.0651.1830.068048.314293=0.1295kmol/(m2hkpa)液膜吸收系數(shù)由下式計(jì)算：L=0.0095(ULawL)(223LLDL)-12g3(L)L1-11487.233.63.61.2710832=0.0095()()()38.113.6998.2998.21.8010-93600=0.5941m/h11查表得：則Ga=Gaw1.1=0.129538.111.191.1=5.976kmol/(m3hkpa)La=Law0.4=0.594138.111.190.4=24.2

13、73uuF=1.19 =0.602>0.5'a=1+9.5(G'a=1+2.6(Lu-0.5)1.4GauFu-0.5)2.2LauF所以可以由得到:'a=1+9.5(0.602-0.5)1.45.976=8.30kmol/(m3hkpa)G'a=1+2.6(0.602-0.5)2.224.273=24.69L1+'aHLaG111+8.300.72524.69=5.671kmol/(m3hkpa) Ga=所以=HOG=VKYaV1607.6=0.987m2GaP5.671101.30.7851.9由Z=HOGNOG=0.98712.8529=12

14、.686m Z'=1.2512.68615.857m設(shè)計(jì)取填料層高度為：Z2.2.3 填料層壓降計(jì)算 =15.9m采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算填料層壓降 橫坐標(biāo)為：L(V)0.5=0.675(1.183)0.5=0.0232 VL998.2查表5-18得(注1)：P=120m-1 u2PV0.24.349212011.183縱坐標(biāo)為：L=3.60.2=0.354 gL9.81998.2查圖得，PZ=274.689.81=2694.61pa/m=2694.6115.9pa=42844.31pa 填料層壓降為：P選用槽式液體分布器，D1200mm,噴淋密度為42點(diǎn)/m2 因該塔液相負(fù)荷較

15、大，設(shè)計(jì)取噴淋點(diǎn)密度為120點(diǎn)/m2 布液點(diǎn)數(shù):n=340點(diǎn)2.2.4 吸收塔接管口徑的計(jì)算4Vsd= 氣體管徑;低壓氣體，根據(jù)經(jīng)濟(jì)流速范圍，選用20m/s的氣體流速 d= 4×41000÷36003.14×20=0.852m=852mm選用內(nèi)徑為900mm,壁厚為19.5mm，有效長(zhǎng)度為4000mm的承插式鑄鐵管293273=17.82m/s 23.140.9003600438000211u'=1.17417.822=186.40Pa 22u'=4Vd2進(jìn)口壓降：P1=出口壓降：P2=0.521u'=0.5186.40=93.2Pa 2液

16、體管徑：液體為水，根據(jù)經(jīng)濟(jì)流速范圍，選用2.0m/s的液體流速 液體流量V=1808.5×18÷998.2÷3600=0.00906m3/s d=0.076m=76mm選用外徑為83mm,壁厚為3mm的熱軋無(wú)縫鋼管410004L998.2=2.45m/s 2d3.140.077236004u''進(jìn)口阻力：wf1出口阻力：wf22.452=0.5=0.5=1.50N 222.452=1=1=3.00N 22u2u2離心泵的選擇： u2壓頭：he=z+g2gpz的估算：裙座高度hf 5m，進(jìn)氣口高度2m,填料層高度16m，再分器高度1m，噴頭與填料層表

17、面高度0.5m，故z25m hf：對(duì)于全管路，忽略管壁損失，根據(jù)進(jìn)出口的阻力，由于可能用到2-3個(gè)彎頭，有可能引起彎頭損失，故計(jì)算：hf=進(jìn)口阻力+出口阻力+彎頭阻力=(1.5+3.0+1.5)/9.81=0.510mpu22.452=0 =0.306 m 2g2×9.81ghe=25.816 mQV=41000=41.07m3/h 998.2根據(jù)壓頭和流量查IS型離心泵的型譜,考慮到效率，選用型號(hào)為IS100-80-160離心泵，其轉(zhuǎn)速為2900 r/min ,流量為60m3/h.風(fēng)機(jī)的選擇：流量為41000m3/h全壓=42844.31+186.4+93.2=43123pa431

18、23pa根據(jù)流量和全壓?？紤]到效率，選用風(fēng)機(jī)類型：8-09單吸機(jī)號(hào)26.5傳動(dòng)類型：A 轉(zhuǎn)速：1450 r/min3 輔助設(shè)備的計(jì)算及選型液體分布器設(shè)計(jì)液體在塔頂?shù)某跏季鶆驀娏?，是保證填料塔達(dá)到預(yù)期分離效果的重要條件。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(guò)分布器。根據(jù)該物系性質(zhì)，可選用目前應(yīng)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(jié)構(gòu)。液體引入排管噴淋器的方式采用液體由水平主管一側(cè)引入，通過(guò)支管上的小孔向填料層噴淋。由于液體的最大負(fù)荷低于25m3/(m2 h)，按照設(shè)計(jì)參考數(shù)據(jù)可提供良好的液體分布：主管直徑-50mm,支管排數(shù)-5,排管外緣直徑-160mm，最大體積流量-12.5m3/h填料支撐裝置填料支撐裝置對(duì)于保證填料塔的操作性能具有重大作用。采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自由截面較大、金屬耗用量較小的柵板作為支撐板。為了改善邊界狀況，可采用大間距的柵條，然后整砌一、二層按正方形排列的瓷質(zhì)十字環(huán)，作為過(guò)渡支撐，以取得較大的孔隙率。由于采用的是16mm的填