水吸收氨填料塔課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)

.PAGE.目錄1、概述31、1吸收技術(shù)概況31、2填料塔概況41、3設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介52、工藝計(jì)算62、1基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)62.1.1液相數(shù)據(jù)6氣相數(shù)據(jù)7氣液相平衡數(shù)據(jù)7物料衡算72.2填料塔的工藝尺寸的計(jì)算14塔徑的計(jì)算14填料層高度計(jì)算15填料層壓降計(jì)算18液體分布器簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)183.輔助設(shè)備的計(jì)算及選型193.1吸收塔的主要接管尺寸的計(jì)算193.2氣體進(jìn)出口壓降193.3離心泵的選擇與計(jì)算194.設(shè)計(jì)一覽表205.總結(jié)211、概述1、1吸收技術(shù)概況在化學(xué)工業(yè)中,經(jīng)常需要將氣體混合物中的各個(gè)組分加以分離,其主要目的是回收氣體混合物中的有用物質(zhì),以制取產(chǎn)品,或除去工藝氣體中的有害成分,使氣體凈化,以便進(jìn)一步加工處理,或除去工業(yè)放空尾氣中的有害成分,以免污染空氣。吸收操作是氣體混合物分離方法之一,它是根據(jù)混合物中各組分在某一種溶劑中溶解度不同而達(dá)到分離的目的。氨是化工生產(chǎn)中極為重要的生產(chǎn)原料,但是其強(qiáng)烈的刺激性氣味對(duì)于人體健康和大氣環(huán)境都會(huì)造成破壞和污染,因此,為了避免化學(xué)工業(yè)產(chǎn)生的大量的含有氨氣的工業(yè)尾氣直接排入大氣而造成空氣污染,需要采用一定方法對(duì)于工業(yè)尾氣中的氨氣進(jìn)行吸收,本次化工原理課程設(shè)計(jì)的目的是根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用填料吸收塔吸收的方法來(lái)凈化含有氨氣的工業(yè)尾氣,使其達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)采用填料塔進(jìn)行吸收操作是因?yàn)樘盍峡梢蕴峁┚薮蟮臍庖簜髻|(zhì)面積而且填料表面具有良好的湍流狀況,從而使吸收過(guò)程易于進(jìn)行,而且,填料塔還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壓降低、填料易用耐腐蝕材料制造等優(yōu)點(diǎn),從而可以使吸收操作過(guò)程節(jié)省大量人力和物力。吸收操作廣泛地用于氣體混合物的分離,其在工業(yè)上的具體應(yīng)用大致有以下幾種：〔1原料氣的凈化。為出去原料氣中所含的雜質(zhì),吸收可說(shuō)是最常見(jiàn)的方法。就雜質(zhì)的濃度來(lái)說(shuō),多數(shù)很底,但因?yàn)槲：Υ蠖砸蟾叩膬艋省＠缬盟驂A液脫除合成氨原料氣中的二氧化碳,用丙酮脫除裂解氣中的乙炔等?！?有用組分的回收。如從合成氨廠的放空氣中用水回收氨；從焦?fàn)t煤氣中以洗油回收粗苯〔包括苯、甲苯、二甲苯等蒸氣和從某寫(xiě)干燥廢氣中回收有機(jī)溶劑蒸氣等。〔3某些產(chǎn)品的制取。將氣體中需用的成分以指定的溶劑吸收出來(lái),成為溶液態(tài)的產(chǎn)或半成品。如制酸工業(yè)中從含鹽酸、氮氧化物、三氧化硫的氣體制取鹽酸、硝酸、硫酸；在甲醇|〔乙醇蒸氣經(jīng)氧化后,用水吸收以制成甲醛〔乙醛半成品等?！?廢氣的治理。很多工業(yè)廢氣中含有二氧化硫、氮氧化物〔主要是一氧化氮及二氧化氮、汞蒸氣等有害成分雖然濃度一般很底,但對(duì)人體和環(huán)境的危害甚大而必須進(jìn)行治理。這類(lèi)環(huán)境保護(hù)問(wèn)題在我國(guó)已愈來(lái)愈受重視。選擇適當(dāng)?shù)墓に嚭腿軇┻M(jìn)行吸收,是廢氣治理中應(yīng)用教廣的方法。當(dāng)然,以上目的有時(shí)也難于截然分開(kāi),如干燥廢氣中的有機(jī)溶劑,能回收下來(lái)就很有價(jià)值,任其排放則會(huì)然大氣。1、2填料塔概況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(dòng)。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〔小直徑塔一般不設(shè)氣體分布裝置分布后,與液體呈逆流連續(xù)通過(guò)填料層的空隙,在填料表面上,氣液兩相密切接觸進(jìn)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(dòng)時(shí),有逐漸向塔壁集中的趨勢(shì),使得塔壁附近的液流量逐漸增大,這種現(xiàn)象稱(chēng)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(shí),需要進(jìn)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。該設(shè)計(jì)填料塔中,氨氣和空氣混合氣體,經(jīng)由填料塔的下側(cè)進(jìn)入填料塔中,與從填料塔頂流下的水逆流接觸,在填料的作用下進(jìn)行吸收。經(jīng)吸收后的混合氣體由塔頂排除,吸收了氨氣的水由填料塔的下端流出。1.3設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介本次設(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(dòng)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。吸收劑的選擇：吸收過(guò)程是依靠氣體溶質(zhì)在吸收劑中的溶解來(lái)實(shí)現(xiàn)的,因此,吸收劑性能的優(yōu)劣,是決定吸收操作效果的關(guān)鍵之一,選擇吸收劑時(shí)應(yīng)著重考慮以下幾方面：<1>溶解度吸收劑對(duì)溶質(zhì)組分的溶解度要大,以提高吸收速率并減少吸收劑的用量。<2>選擇性吸收劑對(duì)溶質(zhì)組分要有良好的吸收能力,而對(duì)混合氣體中其他組分不吸收或吸收甚微,否則不能直接實(shí)現(xiàn)有效分離。<3>揮發(fā)度要低操作溫度下吸收劑的蒸氣壓要低,以減少吸收和再生過(guò)程中吸收劑的揮發(fā)損失。<4>黏度吸收劑在操作溫度下的黏度越低,其在塔內(nèi)的流動(dòng)性越好,有助于傳質(zhì)速率和傳熱速率的提高。<5>其他所選用的吸收劑應(yīng)盡可能滿足無(wú)毒性、無(wú)腐蝕性,不易燃易爆、不發(fā)泡、冰點(diǎn)低、價(jià)廉易得以及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等要求。工業(yè)常用吸收劑溶質(zhì)溶劑溶質(zhì)溶劑氨水、硫酸丙酮蒸汽水氯化氫水二氧化碳水、堿液二氧化硫水硫化氫堿液、有機(jī)溶劑苯蒸汽煤油、洗油一氧化碳銅氨液塔填料〔簡(jiǎn)稱(chēng)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)與傳熱的表面,其性能優(yōu)劣是決定填料塔操作性能的主要因素。填料的比表面積越大,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)。因此,填料的選擇是填料塔設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。填料的種類(lèi)很多根據(jù)裝填方式的不同,可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類(lèi)。本次采用散裝填料。階梯環(huán)一般由塑料和金屬制成,由于其性能優(yōu)于其它側(cè)壁上開(kāi)孔的填料,因此獲得廣泛的應(yīng)用。因此本次設(shè)計(jì)選用階梯環(huán)。工業(yè)塔常用的散裝填料主要有Dn16\Dn25\Dn38\Dn76等幾種規(guī)格。填料的塔徑與填料公稱(chēng)直徑比值D/d的推薦值。填料種類(lèi)D/d的推薦值拉西環(huán)D/d20~30鞍環(huán)D/d15鮑爾環(huán)D/d10~15階梯環(huán)D/d>8環(huán)矩鞍D/d>8選用50mm聚丙烯階梯環(huán)塔填料。其主要性能參數(shù)查表得：比表面積a：114.2空隙率：0.927填料因子：表2.1國(guó)內(nèi)階梯環(huán)特性數(shù)據(jù)材質(zhì)外徑d,mm25385076外徑×高×厚d×H×δ25×17.5×1.438×19×150×30×1.576×37×3比表面積at,m2/m3228132.5114.289.95空隙率ε,m3/m30.900.910.9270.929個(gè)數(shù)n,個(gè)/m3815002720099803420堆積密度ρp,kg/m397.857.576.868.4干填料因子at/ε3,m-1313175.6143.1112填料因子Φ,m-12401208072塑料2、工藝計(jì)算2、1基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)2.1.1液相數(shù)據(jù)水的密度：表面張力：的微分溶解熱：34738J/mol氣相數(shù)據(jù)混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為：混合氣體密度：3.混合氣體黏度可近似取為空氣黏度。查手冊(cè)得40空氣黏度：2.1.3氣液相平衡數(shù)據(jù)已知20下氨在水中的溶解度系數(shù)亨利系數(shù)相平衡常數(shù)E——亨利系數(shù)H——溶解度系數(shù)Ms——相對(duì)摩爾質(zhì)量m——相對(duì)平衡常數(shù)物料衡算水吸收氨氣平衡關(guān)系CL——水在塔溫度tm=<塔頂+塔底>/2下的比熱=〔20+273.15+40+273.15/2下的比熱=303.15k=30°C下的比熱在30°C下的比熱：查表得4.174kJ/<kg·k>=4.174*18=75.132kJ/kmol·k=75.132J/molK:氨氣的微分溶解熱=34738J/mol水溶液的亨利系數(shù)-溫度關(guān)聯(lián)式lgE=11.468-1922/T單位E:PaT：k取值：0.005,也有固定值：=當(dāng)x=0,=0.005時(shí),lgE=11.468-=4.9116E=81588.61pa=0.8059atm0.8059000當(dāng)x=0.005時(shí),<20+273.15>+2.31246=295.46klgE=11.468-=4.9629E=91812.12pa=0.9062atm0.90624.5309*4.5515*5.0226*當(dāng)x=0.01時(shí),295.46+2.31246=297.77klgE=11.468-=5.0134E=103133.56pa=1.0179atm1.01790.01020.01030.0101當(dāng)x=0.015時(shí),297.77+2.31246=300.0825klgE=11.468-=5.0631E=115637.85pa=1.1412atm1.14140.01710.01740.0152當(dāng)x=0.02時(shí),300.0825+2.31246=302.39496klgE=11.468-=5.1121E=129441.88pa=1.27743atm1.277430.02554860.02620.0205當(dāng)x=0.025時(shí),302.39496+2.31246=304.7074klgE=11.468-=5.16031E=144646.99pa=1.4275atm1.42750.035690.037020.0259當(dāng)x=0.03時(shí),304.7074+2.31246=307.0199klgE=11.468-=5.20782E=161368.46pa=1.5925atm1.59250.04780.05020.03152當(dāng)x=0.035時(shí),307.0199+2.31246=309.33236klgE=11.468-=5.25462E=179729.092pa=1.7737atm1.77370.062080.06620.0373當(dāng)x=0.04時(shí),309.33236+2.31246=311.645klgE=11.468-=5.300726E=199860.21pa=1.97237atm1.972370.0788950.08570.0434當(dāng)x=0.045時(shí),311.645+2.31246=313.96klgE=11.468-=5.3462E=221897.045pa=2.18985atm2.189850.09850.10930.0499當(dāng)x=0.05時(shí),313.96+2.31246=316.27246klgE=11.468-=5.391E=246014.7997pa=2.42792.42790.12140.13820.0569當(dāng)x=0.055時(shí),316.27246+2.31246=318.585klgE=11.468-=5.4351E=272315.05pa=2.687412.687410.147810.17340.0645當(dāng)x=0.06時(shí),318.585+2.31246=320.897klgE=11.468-=5.47855E=300987.04pa=2.9704atm2.97040.178220.21680.0730此時(shí)>,=0.1782,滿足條件。計(jì)算結(jié)果列表xT/KE/atmmy*XY*0293.150.80590.80590000.005295.4620.90620.90620.00453090.00502260.00455150.010297.7741.01791.01790.01020.01010.01030.015300.0861.14141.14140.01710.01520.01740.020302.3981.27771.27770.025550.02050.02620.025304.711.42771.42770.03570.02590.037020.030307.0221.59271.59270.047780.031520.05020.035309.3341.77391.77390.06210.03730.06620.040311.4641.97261.97260.07890.04340.08570.045313.9582.19002.19000.098550.04990.10930.050316.272.42772.42770.12140.05690.13820.055318.5822.68722.68720.14780.06450.17340.060320.8942.97012.97010.17820.07300.2168根據(jù)〔X,Y*繪出X-Y圖XY*000.00502260.00455150.01010.01030.01520.01740.02050.02620.02590.0370.03150.05020.03730.06220.04340.08570.04990.10930.05690.13820.06450.17040.0730.2168進(jìn)塔氣相摩爾比為出塔氣相摩爾比為進(jìn)塔惰性氣體流量:由X-Y圖可知X與Y有如下函數(shù)關(guān)系：其中Y=0.1765將Y=0.1765帶入上述方程,解得符合條件的X值：即=0.0654最小吸收劑用量對(duì)純?nèi)軇┪者^(guò)程,進(jìn)塔液相組成為因?yàn)槲談┑膶?shí)際用量L=<1.1~2.0>,取L=1.2則L=1.2=258.301kmol/h由全塔物料衡算有：2.2填料塔的工藝尺寸的計(jì)算塔徑的計(jì)算混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為;2.混合氣體密度：采用?？颂胤狐c(diǎn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算泛點(diǎn)速度氣體質(zhì)量和流量液相質(zhì)量流量可近似按純水的流量計(jì)算,即：填料總比表面積：水的粘度：采用貝恩——霍夫泛點(diǎn)關(guān)聯(lián)式=A-K——泛點(diǎn)氣速,m/s;g——重力加速度,9.81m/s,液相、氣相的密度WL=4654.58㎏/hWV=2540.59kg/h不同類(lèi)型填料的A、K值散裝填料類(lèi)型AK規(guī)整填料類(lèi)型AK塑料鮑爾環(huán)0.09421.75金屬階梯環(huán)0.1061.75金屬鮑爾環(huán)0.11.75瓷矩鞍0.1761.75塑料階梯環(huán)0.2041.75金屬環(huán)矩鞍0.062251.75A=0.204；K=1.75,;將已知數(shù)據(jù)帶入上述公式可得A-K=-0.6609所以：=-0.66094.計(jì)算塔徑：取泛點(diǎn)率為0.6,即則:其中：D-塔徑,mV-操作條件下混合氣體的體積流量,-空氣氣速,即按空塔截面積計(jì)算的混合氣體線速度,m/s圓整后,D=0.6m=600mm填料層高度計(jì)算1.基本數(shù)據(jù)：查表可知,0,101.325下,在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)：由,則313.15,101.325下,在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)：=氨氣在水中的擴(kuò)散系數(shù)：=6.4802脫吸因數(shù)：S=mv/L=0.754*84.8549/258.301=0.24773.氣相總傳質(zhì)單元數(shù)：=3.7184.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：液體質(zhì)量通量為：氣體質(zhì)量通量為：查表知：=0.7123氣膜吸收系數(shù)：注：混合氣體黏度可近似取為空氣黏度。查手冊(cè)得40空氣黏度：液膜吸收系數(shù)：=0.45568查表知：以下公式為修正計(jì)算公式：填料層高度計(jì)算：填料層壓降計(jì)算1.氣體通過(guò)填料層的壓降采用Eckert關(guān)聯(lián)計(jì)算,其中橫坐標(biāo)為：0.5967查表可知：縱坐標(biāo)為：=根據(jù)橫縱坐標(biāo)值,查Eckert圖可知：全塔填料層壓降：液體分布器簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)液體在亂堆填料層內(nèi)向下流動(dòng)時(shí),有偏向塔壁流動(dòng)的現(xiàn)象,偏流往往造成塔中心的填料不被潤(rùn)濕,降低表面利用率。根據(jù)再分布器各種規(guī)格的使用范圍,最簡(jiǎn)單的液體再分布裝置為截錐式再分布器。3.輔助設(shè)備的計(jì)算及選型3.1吸收塔的主要接管尺寸的計(jì)算氣體進(jìn)料管：注：u在10~30m/s之間,取u=15m/s采用直管進(jìn)料,由《制藥化工原理》[王志祥主編化學(xué)工業(yè)出版社]P404查得選擇熱軋無(wú)縫鋼管,則,在符合范圍內(nèi)。2.液體進(jìn)料管：由于常壓下塔液體進(jìn)出口管速可取,故若取液體進(jìn)出口流速近似為2.4175m/s,則由公式可求得液體進(jìn)出口內(nèi)徑為采用直管進(jìn)料,由《制藥化工原理》[王志祥主編化學(xué)工業(yè)出版社]查得選擇熱軋無(wú)縫鋼管,則〔在符合范圍內(nèi)3.2氣體進(jìn)出口壓降〔1進(jìn)口：〔2出口：3.3離心泵的選擇與計(jì)算雷諾數(shù)：管內(nèi)液體流速：則雷諾數(shù)3.局部阻力損失：三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)截止閥全開(kāi);三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)90°彎頭；4.管路總壓頭損失填料塔壓降：其它阻力壓強(qiáng)較小,可忽略。6.揚(yáng)程：7.流量：該泵揚(yáng)程12.5米,流量6.3立方米/小時(shí),轉(zhuǎn)速1450轉(zhuǎn)/分鐘。4.設(shè)計(jì)一覽表設(shè)計(jì)結(jié)果匯總設(shè)計(jì)名稱(chēng)水吸收氨氣的填料吸收塔操作壓強(qiáng)1atm填料數(shù)據(jù)種類(lèi)填料尺寸泛點(diǎn)填料因子壓降填料因子空隙率比表面積聚丙烯階梯環(huán)Dn50127890.927114.2物性數(shù)據(jù)液相氣相液體密度998.2kg/m混合氣體的平均密度液體粘度混合氣體的粘度液體表面張力940896混合氣體平均摩爾質(zhì)量27.2kg/kmol擴(kuò)散系數(shù)擴(kuò)散系數(shù)物料衡算數(shù)據(jù)Y1Y2X1X2氣相流量G液相流量L最小液氣比操作液氣比0.17650.01060.054502540.59kg/h4654.58kg/h215.25kmol/h3.044工藝數(shù)據(jù)填料類(lèi)型塔速塔徑氣相總傳質(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塑料階梯環(huán)2.4175m/s0.6m3.7180.2781m2.0m785pa填料塔附件氣體進(jìn)口管徑238mm氣體出口管徑238mm風(fēng)機(jī)離心泵選型號(hào)IS50-32-200泵合適,該泵揚(yáng)程12.5米,流量6.3立方米/小時(shí),轉(zhuǎn)速1450轉(zhuǎn)/分鐘。5.總結(jié)課程設(shè)計(jì)使我充分理解到化工原理課程的重要性和實(shí)用性,首先培養(yǎng)了我們查閱資料,選用公式和數(shù)據(jù)的