化工原理課程設(shè)計(jì) 水吸收氨過程填料吸收塔設(shè)計(jì)

1、徐州工程學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)題目 水吸收氨過程填料吸收塔設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)老師 學(xué) 院 專業(yè)班級 學(xué) 號 完成時間 目 錄第一節(jié)前言31.1填料塔的設(shè)計(jì)任務(wù)及步驟31.2填料塔設(shè)計(jì)條件及操作條件3第二節(jié) 填料塔主體設(shè)計(jì)方案的確定32.1裝置流程的確定32.2 吸收劑的選擇32.3填料的類型與選擇32.3.1 填料種類的選擇42.3.2 填料規(guī)格的選擇42.3.3 填料材質(zhì)的選擇42.4 基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)42.4.1 液相物性數(shù)據(jù)42.4.2 氣相物性數(shù)據(jù)52.4.3 物料橫算5第三節(jié) 填料塔工藝尺寸的計(jì)算63.1 塔徑的計(jì)算73.2 填料層高度的計(jì)算及分段73.2.1 傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算

2、73.2.2 填料層的分段83.3 填料層壓降的計(jì)算9第四節(jié)填料塔內(nèi)件的類型及設(shè)計(jì)104.1 塔內(nèi)件類型104.2 塔內(nèi)件的設(shè)計(jì)10注：1填料塔設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表102 填料塔設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)一覽113 參考文獻(xiàn)12附件一：塔設(shè)備流程圖12附件二：塔設(shè)備設(shè)計(jì)圖13第一節(jié) 前言1.1 填料塔的設(shè)計(jì)任務(wù)及步驟設(shè)計(jì)任務(wù)：用水吸收空氣中混有的氨氣。 設(shè)計(jì)步驟：（1）根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和工藝要求，確定設(shè)計(jì)方案;（2）針對物系及分離要求，選擇適宜填料；（3）確定塔徑、填料層高度等工藝尺寸（考慮噴淋密度）；（4）計(jì)算塔高、及填料層的壓降；（5）塔內(nèi)件設(shè)計(jì)。1.2 填料塔設(shè)計(jì)條件及操作條件1. 氣體混合物成分：空氣和氨2. 空

3、氣中氨的含量: 5.0%（體積分?jǐn)?shù))，要求塔頂排放氣體中含氨低于0.02%;）3. 混合氣體流量6000m3/h4. 操作溫度293K5. 混合氣體壓力101.3KPa6. 采用清水為吸收劑，吸收劑的用量為最小用量的1.5倍。7. 填料類型：采用聚丙烯鮑爾環(huán)填料第二節(jié) 精餾塔主體設(shè)計(jì)方案的確定2.1 裝置流程的確定本次設(shè)計(jì)采用逆流操作：氣相自塔低進(jìn)入由塔頂排出，液相自塔頂進(jìn)入由塔底排出，即逆流操作。逆流操作的特點(diǎn)是：傳質(zhì)平均推動力大，傳質(zhì)速率快，分離效率高，吸收劑利用率高。工業(yè)生產(chǎn)中多采用逆流操作。2.2 吸收劑的選擇因?yàn)橛盟鑫談什捎眉內(nèi)軇?.3填料的類型與選擇填料的種類很多，根據(jù)裝

4、填方式的不同，可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類。 填料種類的選擇本次采用散裝填料。散裝填料根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，又可分為環(huán)形填料、鞍形填料、環(huán)鞍形填料及球形填料等。鮑爾環(huán)是目前應(yīng)用較廣的填料之一，本次選用鮑爾環(huán)。 填料規(guī)格的選擇工業(yè)塔常用的散裝填料主要有Dn16Dn25Dn38 Dn76等幾種規(guī)格。同類填料，尺寸越小，分離效率越高，但阻力增加，通量減小，填料費(fèi)用也增加很多。而大尺寸的填料應(yīng)用于小直徑塔中，又會產(chǎn)生液體分布不良及嚴(yán)重的壁流，使塔的分離效率降低。因此，對塔徑與填料尺寸的比值要有一規(guī)定。常用填料的塔徑與填料公稱直徑比值D/d的推薦值列于。表3-1填料種類D/d的推薦值拉西環(huán)D/d2030鞍

5、環(huán)D/d15鮑爾環(huán)D/d1015階梯環(huán)D/d>8環(huán)矩鞍D/d>8 填料材質(zhì)的選擇工業(yè)上，填料的材質(zhì)分為陶瓷、金屬和塑料三大類聚丙烯填料在低溫（低于0度）時具有冷脆性，在低于0度的條件下使用要慎重，可選耐低溫性能良好的聚氯乙烯填料。綜合以上：選擇塑料鮑爾環(huán)散裝填料 Dn502.4 基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù) 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(guān)物性數(shù)據(jù)如下：1. 2. 3. 表面張力為:4. 5. 6. 氣相物性數(shù)據(jù)1. 混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為 (2-1)2. 混合氣體的平均密度由 (2-2)R=8.314 3. 混合氣體黏度可近似取為空

6、氣黏度。查手冊得20時，空氣的黏度注： 1 1Pa.s=1kg/m.s2.4.3 物料橫算1. 進(jìn)塔氣相摩爾比為 (2-5) 2. 出他氣相摩爾比為 (2-6) 3. 進(jìn)塔惰性氣體流量: (2-7) 因?yàn)樵撐者^程為低濃度吸收，平衡關(guān)系為直線，最小液氣比按下式計(jì)算。即： (2-8)因?yàn)槭羌內(nèi)軇┪者^程，進(jìn)塔液相組成所以 選擇操作液氣比為 （2-9）L=1.2676356×234.599=297.3860441kmol/h因?yàn)閂(Y1-Y2)=L(X1-X2) X1第三節(jié) 填料塔工藝尺寸的計(jì)算填料塔工藝尺寸的計(jì)算包括塔徑的計(jì)算、填料能高度的計(jì)算及分段3.1 塔徑的計(jì)算1. 空塔氣速的確

7、定泛點(diǎn)氣速法對于散裝填料，其泛點(diǎn)率的經(jīng)驗(yàn)值u/u=0.50.85貝恩（Bain）霍根（Hougen）關(guān)聯(lián)式 ，即：=A-K （3-1）即： 所以：/9.81（100/0.917）（1.1836/998.2）=0.246053756 UF=3.974574742m/s其中：泛點(diǎn)氣速，m/s;g 重力加速度，9.81m/s，WL=5358.89572/h WV=7056.6kg/hA=0.0942； K=1.75；取u=0.7 =2.78220m/s （3-2） 圓整塔徑后 D=0.8m1. 泛點(diǎn)速率校核： m/s 則在允許范圍內(nèi)2. 根據(jù)填料規(guī)格校核：D/d=800/50=16根據(jù)表3-1符合3

8、. 液體噴淋密度的校核：(1) 填料塔的液體噴淋密度是指單位時間、單位塔截面上液體的噴淋量。(2) 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。對于直徑不超過75mm的散裝填料，可取最小潤濕速率。 （3-3） （3-4）經(jīng)過以上校驗(yàn)，填料塔直徑設(shè)計(jì)為D=800mm 合理。3.2 填料層高度的計(jì)算及分段 （3-5） （3-6） 傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算用對數(shù)平均推動力法求傳質(zhì)單元數(shù) （3-7） （3-8） = =0.006895 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： （3-9）即：w/t =0.37404748液體質(zhì)量通量為： =WL/0.785×

9、;0.8×0.8=10666.5918kg/(h)氣體質(zhì)量通量為： =60000×1.1761/0.64=14045.78025kg/(h)氣膜吸收系數(shù)由下式計(jì)算： （3-10） =0.152159029kmol/(h kpa)液膜吸收數(shù)據(jù)由下式計(jì)算： (3-11）=0.566130072m/h因?yàn)?.15215×0.3740×1.451.1×100 =8.565021kmol/(m3 h kpa) （3-12） （3-13） =24.56912/h因?yàn)椋?=0.8346所以需要用以下式進(jìn)行校正： （3-14） =19.5(0.699990.5

10、)1.4 8.56502=17.113580 kmol/(m3 h kpa) （3-15） =1 2.6 (0.69990.5)2.2 24.569123=26.42106/h （3-16） =1÷(1÷17.1358+1÷0.725÷26.4210) =9.038478 kmol/(m3 h kpa) （3-17） =234.599÷9.03847÷101.3÷0.785÷0.64=0.491182 m （3-18）=0.491182×9.160434=4.501360m,得 =1.4×4.5

11、01=6.30m3. 填料層的分段對于鮑爾環(huán)散裝填料的分段高度推薦值為h/D=510。h=5×80010×800=48 m計(jì)算得填料層高度為7000mm，故不需分段3.3 填料層壓降的計(jì)算取 Eckert (通用壓降關(guān)聯(lián)圖)；將操作氣速(2.8886m/s) 代替縱坐標(biāo)中的查表，DG50mm塑料鮑爾環(huán)的壓降填料因子125代替縱坐標(biāo)中的則縱標(biāo)值為：=0.1652 (3-19) 橫坐標(biāo)為： =0.02606 (3-20)查圖得 981Pa/m (3-21)全塔填料層壓降 =981×7=6867 Pa至此，吸收塔的物科衡算、塔徑、填料層高度及填料層壓降均已算出。第四節(jié)

12、填料塔內(nèi)件的類型及設(shè)計(jì)4.1 塔內(nèi)件類型填料塔的內(nèi)件主要有填料支撐裝置、填料壓緊裝置、液體分布裝置、液體收集再分布裝置等。合理的選擇和設(shè)計(jì)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。4.2 塔內(nèi)件的設(shè)計(jì)液體分布器設(shè)計(jì)的基本要求：（1）液體分布均勻（2）操作彈性大（3）自由截面積大（4）其他液體分布器布液能力的計(jì)算 （1）重力型液體分布器布液能力計(jì)算 （2）壓力型液體分布器布液能力計(jì)算1填料塔設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表塔徑0.8m填料層高度7m 填料規(guī)格50mm鮑爾環(huán)操作液氣比1.2676356 1.7倍最小液氣比校正液體流速2.78220/s壓降6867 Pa惰性氣體流量234.599kmol

13、/h2 填料塔設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)一覽E亨利系數(shù)， 氣體的粘度，1.73=6228 平衡常數(shù) 0.7532 水的密度和液體的密度之比 1 重力加速度， 9.81 =1.27 分別為氣體和液體的密度，1.1836；998.2； =5358.89572/h =7056.6kg/h分別為氣體和液體的質(zhì)量流量氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)， 填料層高度， 塔截面積，氣相總傳質(zhì)單元高度， 氣相總傳質(zhì)單元數(shù)以分壓差表示推動力的總傳質(zhì)系數(shù)，單位體積填料的潤濕面積 100 91.7%以分壓差表示推動力的氣膜傳質(zhì)系數(shù)，溶解度系數(shù)，0.725以摩爾濃度差表示推動力的液摩爾傳質(zhì)系數(shù)，氣體常數(shù)，氨氣在空氣中中的擴(kuò)散系數(shù)及氨氣在水中的擴(kuò)散系數(shù); 液體質(zhì)量通量為： =WL/0.785×0.8×0.8=10666.5918kg/(h)氣體質(zhì)量通量為： =60000×1.1761/0.6