化工原理課程設計水吸收氨填料吸收塔設計

水吸收氨課程設計目 錄第一節(jié)前言............................................................51.1填料塔的主體結(jié)構與特點..........................................51.2填料塔的設計任務及步驟..........................................51.3填料塔設計條件及操作條件........................................5第二節(jié)填料塔主體設計方案的確定..........................................62.1裝置流程的確定..................................................62.2吸收劑的選擇...................................................62.3填料的類型與選擇.................................................62.3.1填料種類的選擇..........................................62.3.2填料規(guī)格的選擇..........................................62.3.3填料材質(zhì)的選擇..........................................72.4基礎物性數(shù)據(jù)....................................................72.4.1液相物性數(shù)據(jù)...........................................72.4.2氣相物性數(shù)據(jù)...........................................72.4.3氣液相平衡數(shù)據(jù).........................................82.4.4物料橫算...............................................8第三節(jié)填料塔工藝尺寸的計算..............................................93.1塔徑的計算.......................................................93.2填料層高度的計算及分段..........................................103.2.1傳質(zhì)單元數(shù)的計算.......................................103.2.3填料層的分段...........................................123.3填料層壓降的計算................................................12第四節(jié)填料塔內(nèi)件的類型及設計.........................................134.1塔內(nèi)件類型......................................................134.2塔內(nèi)件的設計....................................................134.2.1液體分布器設計的基本要求：............................134.2.2 液體分布器布液能力的計算 13注： 141填料塔設計結(jié)果一覽表 . 142填料塔設計數(shù)據(jù)一覽 143參考文獻 164后記及其他 16附件一：塔設備流程圖 17附件二：塔設備設計圖 17化工學院關于專業(yè)課程設計的有關要求 （草案）專業(yè)課程設計是學生學完專業(yè)基礎課及專業(yè)課之后，進一步學習工程設計的基礎知識，培養(yǎng)學生工程設計能力的重要教學環(huán)節(jié)，也是學生綜合運用相關課程知識，聯(lián)系生產(chǎn)實際，完成以單元操作為主的一次工程設計的實踐。為了加強我院本科學生專業(yè)課程設計這一重要實踐教學環(huán)節(jié)的規(guī)范化管理，保證專業(yè)課程設計工作有序進行及教學質(zhì)量，特制定專業(yè)課程設計的有關要求并請遵照執(zhí)行。一、選題要求選題應以單元操作的典型設備為對象，進行單元操作過程中相關的設備與工藝設計，盡量從科研和生產(chǎn)實際中選題。為了保證專業(yè)課程設計的質(zhì)量和工作量，選題要求1人1題。二、設計說明書文本要求(一)、字數(shù)要求：2000字以上(二)、打印要求：用A4紙打??；左邊距3厘米、右邊距2厘米、上邊距3厘米、下邊距2.5厘米；行距20磅；頁碼居中字體、字號要求（包括裝訂順序）：1、封面由學院統(tǒng)一制定格式2、設計任務書3、目錄（宋體、4號），其余（宋體、小 4號）4、正文（宋體、小4號字）、一級標題（宋體、3號字、加粗）、二級標題（宋體、4號字、加粗）正文內(nèi)容主要包括：概述與設計方案簡介；設計條件及主要物性參數(shù)表；工藝設計計算（內(nèi)容較多，應根據(jù)設計計算篇幅適當劃分為若干小節(jié)，使之條理清晰） ；輔助設備的計算及選型；設計結(jié)果匯總表（物料衡算表，設備操作條件及結(jié)構尺寸一覽表） ；設計評述（設計的評價及學習體會）。5、參考文獻（宋體、5號字）6、附錄：設計圖紙（工藝流程圖與主體設備裝配圖）三、考核方式及成績評定專業(yè)課程設計的考核與成績評定由指導教師進行。考核內(nèi)容：考勤、計算草稿或筆記、說明書和圖紙的質(zhì)量，獨立完成設計情況?；W院二〇一〇年十二月一日第一節(jié) 前言1.1填料塔的主體結(jié)構與特點結(jié)構：圖1-1填料塔結(jié)構圖填料塔不但結(jié)構簡單，且流體通過填料層的壓降較小，易于用耐腐蝕材料制造，所以她特別適用于處理量肖，有腐蝕性的物料及要求壓降小的場合。液體自塔頂經(jīng)液體分布器噴灑于填料頂部，并在填料的表面呈膜狀流下，氣體從塔底的氣體口送入，流過填料的空隙，在填料層中與液體逆流接觸進行傳質(zhì)。因氣液兩相組成沿塔高連續(xù)變化，所以填料塔屬連續(xù)接觸式的氣液傳質(zhì)設備。1.2填料塔的設計任務及步驟設計任務：用水吸收空氣中混有的氨氣。設計步驟：（1）根據(jù)設計任務和工藝要求，確定設計方案 ;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）計算塔高、及填料層的壓降；5）塔內(nèi)件設計。1.3填料塔設計條件及操作條件氣體混合物成分：空氣和氨空氣中氨的含量:5.0%（體積含量即為摩爾含量）混合氣體流量6000m3/h操作溫度293K混合氣體壓力101.3KPa回收率99%采用清水為吸收劑填料類型：采用聚丙烯鮑爾環(huán)填料第二節(jié)精餾塔主體設計方案的確定2.1裝置流程的確定本次設計采用逆流操作：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，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 吸收劑的選擇因為用水做吸收劑，故采用純?nèi)軇?-1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、有機溶劑苯蒸汽煤油、洗油一氧化碳銅氨液2.3填料的類型與選擇填料的種類很多，根據(jù)裝填方式的不同，可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類。2.3.1 填料種類的選擇本次采用散裝填料。散裝填料根據(jù)結(jié)構特點不同，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)是目前應用較廣的填料之一，本次選用鮑爾環(huán)。2.3.2 填料規(guī)格的選擇工業(yè)塔常用的散裝填料主要有 Dn16\Dn25\Dn38\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，填料費用也增加很多。而大尺寸的填料應用于小直徑塔中，又會產(chǎn)生液體分布不良及嚴重的壁流，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/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>82.3.3 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 基礎物性數(shù)據(jù)2.4.1 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)。 由手冊查得20 ℃水的有關物性數(shù)據(jù)如下：1.l998.2kg/m32.黏度：l0.001pa.s3.6kg/m.hz72.6dyn/cm940896kg/h23.表面張力為:20CNH3:H0.725kmol/m3kpa5.20CNH3:Dl7.34106m2/h6.20CNH3:Dv0.225cm2/sm2/h2.4.2氣相物性數(shù)據(jù)混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為Mvm yimi 0.06 17.0304 0.94 29 28.2818 (2-1)混合氣體的平均密度由PMVM101.328.2818(2-2)vm1.1761kg3RT8.314293mR=8.314m3KPa/kmolK混合氣體黏度可近似取為空氣黏度。查手冊得20C時，空氣的黏度注：1N 1kgm/s211Pa 1N/m2 1kg/s2m1Pa..s=1kg/m.s2.4.3 氣液相平衡數(shù)據(jù)由手冊查得，常壓下，200C時，NH在水中的亨利系數(shù)為 E=76.3kpa3200C時,NH3在水中的溶解度:H=0.725kmol/m相平衡常數(shù)：mE(2-3)0.7532PHL998.2/76.318.02溶解度系數(shù):EMS(2-4)0.726kmol/kpam32.4.4 物料橫算進塔氣相摩爾比為Y1y10.060.06383(2-5)1y110.062.出他氣相摩爾比為Y2Y1(1A)0.06383(10.99)0.0006383(2-6)3.進塔惰性氣體流量6000273234.599kmol(2-7):V(10.6)22.427320h因為該吸收過程為低濃度吸收，平衡關系為直線，最小液氣比按下式計算。即：LY1Y2(2-8)VminY1/mX2因為是純?nèi)軇┪者^程，進塔液相組成X20所以LY1Y20.063830.0006383VminY1X20.063830.7456m0.753選擇操作液氣比為L1.7L1.2676（2-9）VVminL=1.2676356×234.599=297.3860441kmol/h因為V(Y1-Y2)=L(X1-X2) X 1 0.0498第三節(jié) 填料塔工藝尺寸的計算填料塔工藝尺寸的計算包括塔徑的計算、填料能高度的計算及分段3.1 塔徑的計算空塔氣速的確定——泛點氣速法對于散裝填料，其泛點率的經(jīng)驗值 u/uf=0.5~0.85貝恩（Bain）—霍根（Hougen）關聯(lián)式 ，即：uF2a1wL1418lgV2V（3-1）g3L=A-KwVLLuF211即：1001.18360.23202.5941.183689.81(0.9173)998.21]0.09421.754734.4998.2lg[所以：uF2/9.81（100/0.9173）（1.1836/998.2）=UF=m/s其中：uf——泛點氣速，m/s;g——重力加速度，9.81m/s2WL=5358.89572㎏/hWV=7056.6kg/hA=0.0942；K=1.75；取u=0.7uF=2.78220m/s4Vs460000.7631（3-2）D3.142.78203600圓整塔徑后D=0.8m1.泛點速率校核：u60003.3174m/s0.820.7853600則u在允許范圍內(nèi)uF根據(jù)填料規(guī)格校核：D/d=800/50=16根據(jù)表3-1符合液體噴淋密度的校核：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。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Lwmin為0.08m3/mh。UminLwmint0.081008m3/m2h（3-3）wL5358.895710.6858minU2998.20.7850.82L0.75D經(jīng)過以上校驗，填料塔直徑設計為 D=800mm合理。3.2 填料層高度的計算及分段Y1*mX10.049850.75320.03755Y2*mX203.2.1 傳質(zhì)單元數(shù)的計算用對數(shù)平均推動力法求傳質(zhì)單元數(shù)NOGY1Y2YMY1Y1*(Y2Y2*)YMY1Y1*lnYY*22

（3-4）（3-5）（3-6）（3-7）（3-8）=

0.06383 0.00063830.03755ln

0.026270.0006383=0.0068953.2.2 質(zhì)單元高度的計算氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關聯(lián)式計算：t1 exp 1.45w即：αw/αt=0.3 7404748

0.750.120.050.2cUlULtUL2/LVt（3-9）ltlL2g液體質(zhì)量通量為：uL=WL/0.785×0.8×0.8=10666.5918kg/(㎡?h)氣體質(zhì)量通量為：uV=60000×1.1761/0.64=14045.78025kg/(㎡?h)氣膜吸收系數(shù)由下式計算：UV0.71tDV（3-10）)vDV3RTtv=0.237 (14045.78025÷100.6228×10-5)0.7(0.06228÷0.081÷1.1761)0.3(100×0.081÷8.314÷293)液膜吸收數(shù)據(jù)由下式計算：211KL0.0095UL3L2Lg3）LDL(3-11wlL=m/h因為1.451.1（3-12）KGKGW=8.565021kmol/(m3hkpa)KLKLW0.4=0.56613×100×0.37404×1.450.4（3-13）=24.56912/h因為：uuF=0.8346所以需要用以下式進行校正：u1.4kG'19.50.5kGuF=[1 ＋9.5(0.69999－0.5)1.4]8.56502=17.113580kmol/(m3hkpa)u2.2kl'12.60.5kLuF=[1＋2.6(0.6999－0.5)2.2]24.569123=26.42106/hKG111KG'HKL'

（3-14）（3-15）（3-16）=1÷(1÷17.1358+1÷0.725÷26.4210)=9.038478kmol/(m3hkpa)VV（3-17）HOGKGPKY=234.599÷9.03847÷101.3÷0.785÷0.64=0.491182mZHOGNOG（3-18）=0.491182×9.160434=4.501360m,得Z'=1.4×4.501=6.30m3.2.3 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=5~10。h=5×800～10×800=4～8m計算得填料層高度為 7000mm，，故不需分段3.3 填料層壓降的計算取Eckert(通用壓降關聯(lián)圖)；將操作氣速u'(＝2.8886m/s)代替縱坐標中的uF查表，DG50mm塑料鮑爾環(huán)的壓降填料因子＝125代替縱坐標中的．則縱標值為：u2P?V?L0.2=0.1652(3-19)gL橫坐標為：WL0.50.5V5358.895721.1761WVL7056.6998.2=0.02606(3-20)查圖得P981Pa/m (3-21)Z全塔填料層壓降 P=981×7=6867Pa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)填料塔內(nèi)件的類型及設計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。4.2 塔內(nèi)件的設計4.2.1 液體分布器設計的基本要求：（1）液體分布均勻（2）操作彈性大（3）自由截面積大（4）其他4.2.2 液體分布器布液能力的計算（1）重力型液體分布器布液能力計算（2）壓力型液體分布器布液能力計算注：(1)本設計任務液相負荷不大，可選用排管式液體分布器；且填料層不高，可不設液體再分布器。塔徑及液體負荷不大，可采用較簡單的柵板型支承板及壓板。其它塔附件及氣液出口裝置計算與選擇此處從略。注：填料塔設計結(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1.26763561.7倍最小液氣比校正液體流速2.78220/s壓降6867Pa惰性氣體流量234.599kmol/h2填料塔設計數(shù)據(jù)一覽E—亨利系數(shù)，uV—氣體的粘度， 1.73 105Pa/s=6228105kg/m.hm—平衡常數(shù) 0.7532—水的密度和液體的密度之比 1g—重力加速度， m2/s 9.81=1.27 108m/hV;L—分別為氣體和液體的密度，1.1836kg/m3；998.2kg/m3；WL=5358.89572㎏/hWV=7056.6kg/h—分別為氣體和液體的質(zhì)量流量KYa—氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)，kmol/m3s—填料層高度，mD2—塔截面積， 4HO