化工原理課程設(shè)計(jì)——水吸收氨氣

1、<p>　　填料吸收塔設(shè)計(jì)任務(wù)書</p><p><b>　　1 設(shè)計(jì)題目</b></p><p>　　試設(shè)計(jì)一座填料吸收塔，采用清水吸收混于空氣中的氨氣?；旌蠚怏w的處理量為____4300____m3/h，其中含氨為____6%____（體積分?jǐn)?shù)），混合氣體的進(jìn)料溫度為25℃。要求：</p><p>　　塔頂排放氣體中含氨低于___

2、0.04%_____（體積分?jǐn)?shù)）；</p><p><b>　　2 操作條件</b></p><p>　　2.1 操作壓力 常壓</p><p>　　2.2 操作溫度 20℃</p><p><b>　　3 填料類型</b></p><p>　　選用聚丙烯階梯環(huán)填料，

3、填料規(guī)格自選</p><p><b>　　4 設(shè)計(jì)內(nèi)容</b></p><p>　　4.1設(shè)計(jì)方案的選擇及流程說明</p><p><b>　　4.2工藝計(jì)算</b></p><p>　　4.3主要設(shè)備尺寸計(jì)算</p><p><b>　　(1) 塔徑的確定<

4、/b></p><p>　　(2) 填料層的高度計(jì)算</p><p>　　(3) 總塔高、總壓降及接管尺寸的確定</p><p>　　4.4 輔助設(shè)備選型與計(jì)算</p><p>　　4.5 設(shè)計(jì)結(jié)果匯總</p><p><b>　　4.6 設(shè)計(jì)評(píng)述</b></p><p&

5、gt;<b>　　5設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)</b></p><p>　　20℃下氨在水中的溶解度系數(shù)為H=0.725kmol/(m3*kPa).</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1. 設(shè)計(jì)方案簡介 ……………………………………………………………………1</p><p>　　1

6、.1設(shè)計(jì)方案的確定………………………………………………………………1</p><p>　　1.2填料的選擇……………………………………………………………………2</p><p>　　2. 工藝計(jì)算 …………………………………………………………………………2</p><p>　　2.1 基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)…………………………………………………………………2</p>

7、;<p>　　2.1.1液相物性的數(shù)據(jù) ………………………………………………………1</p><p>　　2.1.2氣相物性的數(shù)據(jù) ………………………………………………………2</p><p>　　2.1.3氣液相平衡數(shù)據(jù) ………………………………………………………2</p><p>　　2.1.4 物料衡算 ………………………………………………………

8、………3</p><p>　　2.2 填料塔的工藝尺寸的計(jì)算……………………………………………………3</p><p>　　2.2.1 塔徑的計(jì)算 ……………………………………………………………4</p><p>　　2.2.2 填料層高度計(jì)算 ………………………………………………………5</p><p>　　2.2.3 填料層壓降計(jì)算 ……

9、…………………………………………………6</p><p>　　2.2.4 液體分布器簡要設(shè)計(jì)…………………………………………………7</p><p>　　3. 輔助設(shè)備的計(jì)算及選型 ………………………………………………………8 3.1 填料支承設(shè)備 ……………………………………………………………8</p><p>　　

10、3.2填料壓緊裝置……………………………………………………………… 8</p><p>　　3.3液體再分布裝置………………………………………………………………8</p><p>　　4. 設(shè)計(jì)一覽表…………………………………………………………………… 9</p><p>　　5. 后記………………………………………………………………………………10</p&g

11、t;<p>　　6. 參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………10</p><p>　　7. 主要符號(hào)說明……………………………………………………………………10</p><p>　　8. 附圖（工藝流程簡圖、主體設(shè)備設(shè)計(jì)條件圖）</p><p><b>　　1．.設(shè)計(jì)方案簡介</b></p>

12、<p>　　1．1設(shè)計(jì)方案的確定</p><p>　　1．1．1裝置流程的確定：</p><p>　　用水吸收NH3屬高溶解度的吸收過程，為提高傳質(zhì)效率和分離效率，所以，本實(shí)驗(yàn)選用逆流吸收流程。</p><p>　　1．1．2吸收劑的選擇</p><p>　　對(duì)填料吸收塔，其吸收裝置的流程主要有逆流操作、并流操作、吸收劑部分再循環(huán)

13、操作、多塔串聯(lián)操作和串聯(lián)-并聯(lián)混合操作。逆流操作由于其傳質(zhì)平均推動(dòng)力大，傳質(zhì)速率快，分高效率高，吸收劑利用率高的特點(diǎn)在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。</p><p>　　吸收過程是依靠氣體溶質(zhì)在吸收劑中的溶解來實(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。</p><p>　?、傥談?yīng)具有較大溶解度，以提高吸收速率減少吸收劑用量，降低輸送與再生

14、的能耗。 </p><p>　?、谶x擇性好，吸收劑對(duì)混合氣體的溶質(zhì)要有良好的吸收能力，而對(duì)其它組分不吸收或吸收甚微。以提高吸收速率，減小吸收劑用量。 </p><p>　?、鄄僮鳒囟认挛談┑恼羝麎阂?，以為離開吸收設(shè)備的氣體往往被吸收劑所飽和，吸收劑的揮發(fā)度愈大，則在吸收和再生過程中吸收劑損失愈大。</p><p>　?、苷扯纫?，以利于傳質(zhì)與輸送；有利于氣液接

15、觸，提高吸收速率。</p><p>　　⑤具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性，以減少吸收劑的降解和變質(zhì)，尤其在使用化學(xué)吸收劑時(shí)。</p><p>　　一般說來，任何一種吸收劑都難以滿足以上所有要求，選用時(shí)應(yīng)針對(duì)具體情況和主要矛盾，既考慮工藝要求又兼顧到經(jīng)濟(jì)合理性。</p><p>　　用水吸收氨氣屬易溶解的吸收過程，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

16、氨氣不作為產(chǎn)品，故采用純?nèi)軇?lt;/p><p>　　1．1．3吸收操作參數(shù)的選擇 </p><p>　　吸收塔的操作參數(shù)主要指操作壓力和操作溫度</p><p>　　1．1．4操作溫度與壓力的確定</p><p><b>　　操作溫度：20℃</b></p><p><b>　　操作

17、壓力：常壓</b></p><p><b>　　1．2填料的選擇</b></p><p>　　塔填料(簡稱為填料)是填料塔中氣液接觸的基本構(gòu)件，其性能的優(yōu)劣是決定填料塔操作性能的主要因素，因此，塔填料的選擇是填料塔設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。</p><p>　　填料的選擇包括確定填料的種類，規(guī)格及材料。填料的種類主要從傳質(zhì)效率，通量，填料層的

18、壓降來考慮，填料規(guī)格的選擇常要符合填料的塔徑與填料公稱直徑比值D/d。填料的材質(zhì)分為陶瓷、金屬和塑料三大類。工業(yè)生產(chǎn)對(duì)填料的基本要求如下：</p><p>　　1．2．1傳質(zhì)分離效率高</p><p>　?、偬盍系谋缺砻娣ea大，及單位體積填料具有表面積要大，因?yàn)樗瞧簝上嘟佑|傳質(zhì)的基礎(chǔ)。</p><p>　?、谔盍媳砻娴陌才藕侠?，以防止填料表面的疊合和出現(xiàn)干區(qū)，同

19、時(shí)有利于汽液兩相在填料層中的均勻流動(dòng)并能促進(jìn)汽液兩相的湍動(dòng)和表面更新，從而使填料表面真正用于傳質(zhì)的有效面積增大，總體平均的傳質(zhì)系數(shù)和推動(dòng)力增高。</p><p>　　③填料表面對(duì)于液相潤濕性好，潤濕性好易使液體分布成膜，增大有效比表面積。潤濕性取決于填料的材質(zhì)，尤其是表面狀況。塑料的潤濕性比較差，往往需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?，金屬表面粘著的加工用油脂需?jīng)過酸洗或堿洗清除。</p><p>　

20、　1．2．2壓降小，氣液通量大</p><p>　?、偬盍系目紫堵师糯髩航稻托?，通量大。一般孔隙率大，則填料的比表面積小。分離效率將變差。散裝填料的尺寸大，孔隙率大，比表面積小，規(guī)整填料波紋片的峰高增大，孔隙率大，比表面積也大。如果填料的表面積安排合理，可以緩解a和ε的矛盾，達(dá)到最佳性能。</p><p>　?、跍p少流道的截面變化，可減少流體的流動(dòng)阻力。</p><p&

21、gt;　?、劬哂凶銐虻臋C(jī)械強(qiáng)度，陶瓷填料容易破碎，只有在強(qiáng)腐蝕性場合才采用。</p><p><b>　?、苤亓枯p，價(jià)格低</b></p><p>　?、菥哂羞m當(dāng)?shù)哪臀g性能。</p><p>　?、薏槐还腆w雜物堵塞其表面不會(huì)結(jié)垢。</p><p>　　根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，選擇用塑料散裝填料。在塑料散裝填料中，塑料階梯環(huán)填料

22、的綜合性能較好，故選用DN50聚丙烯階梯環(huán)填料。</p><p><b>　　2．工藝計(jì)算</b></p><p>　　2．1基礎(chǔ)物性計(jì)算　</p><p>　　2.1.1液相物性的數(shù)據(jù)</p><p>　　對(duì)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(cè)查得，20℃時(shí)水的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：</p&g

23、t;<p>　　密度為 ρL=998.2 kg/m3</p><p>　　粘度為 μL=0.001 Pa?S=3.6 kg/（m?h）</p><p>　　表面張力為 σL=72.6 dyn/cm=940896 kg/h2</p><p>　　NH3在水中的擴(kuò)散系數(shù)為 DL=1.76×10-9 m2/s=6.336×10-6

24、m2/h</p><p>　　2.1.2氣相物性的數(shù)據(jù)</p><p>　　混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為 Mvm=0.06×17.03+0.94×29=28.28</p><p>　　混合氣體的平均密度為 ρvm=1.156kg/m3</p><p>　　混合氣體的粘度可近似取為空氣的粘度，查手冊(cè)得20℃空氣的粘度為 <

25、;/p><p>　　μv =1.81×10-5 Pa?S=0.065 kg/(m?h)</p><p>　　查手冊(cè)得 NH3在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為 Dv=0.225 cm2/s=0.081m2/h</p><p>　　2.1.3氣相平衡數(shù)據(jù)</p><p>　　20℃時(shí)NH3在水中的溶解度系數(shù)為 H=0.725 kmol/(m3?k

26、Pa)</p><p>　　常壓下20℃時(shí)NH3在水中的亨利系數(shù)為 </p><p>　　E=76.41 kPa</p><p>　　相平衡常數(shù)為m= E/P =0.754</p><p>　　2.1.4 物料衡算</p><p>　　進(jìn)塔氣相摩爾比為 </p><p><b>

27、;　　出塔氣相摩爾比</b></p><p>　　進(jìn)塔惰性氣相流量 </p><p>　　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(jì)算，即</p><p>　　對(duì)純?nèi)軇┪者^程，進(jìn)塔液相組成為</p><p><b>　　X2=0</b></p><p>　　

28、取操作液氣比為1.5，即</p><p>　　2.2 填料塔的工藝尺寸的計(jì)算</p><p>　　2.2.1 塔徑的計(jì)算</p><p><b>　　氣相質(zhì)量流量</b></p><p>　　液相質(zhì)量流量可近似按純水的流量計(jì)算，即 </p><p>　　用貝恩—霍根關(guān)聯(lián)式計(jì)算泛點(diǎn)氣速：</p

29、><p>　　=0.204-1.7××=-0.480查附錄五得空隙率 =0.927 , 散裝填料的特性參數(shù) t=114.2 m2/m3</p><p>　　計(jì)算得 = 4.549m/s</p><p>　　取u =0.6 =2.729 m/s</p><p><b>　　由</b></p>

30、<p>　　圓整塔徑，取 D=0.7m</p><p><b>　　泛點(diǎn)率校核：</b></p><p>　　在（50%~80%）之間，滿足DN50聚丙烯階梯環(huán)填料徑比要求</p><p><b>　　填料規(guī)格校核</b></p><p><b>　　液體噴淋密度校核<

31、/b></p><p><b>　　取最小濕潤速率</b></p><p>　　查附錄五得，at=114.2m2/m3</p><p>　　Umin=(Lw)minat=0.08×114.2=9.136m3/m2·h</p><p><b>　　U= ＞Umin</b>&l

32、t;/p><p>　　經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用D=0.7m合理</p><p>　　2.2.2 填料層高度計(jì)算 </p><p><b>　　脫吸因數(shù)為</b></p><p><b>　　=11.967</b></p><p>　　氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計(jì)

33、算：</p><p><b>　　氣膜吸收系數(shù)</b></p><p><b>　　液膜吸收系數(shù)</b></p><p><b>　　查表得，故：</b></p><p><b>　　則 </b></p><p><b&g

34、t;　　故 </b></p><p><b>　　由 </b></p><p>　　為留出一定安全系數(shù)，取</p><p>　　故取填料層高度為8m</p><p>　　查表，對(duì)于階梯環(huán)填料，=8～15,hmax≤6m</p><p><b>　　取=8，則</b&

35、gt;</p><p>　　h=8×0.7=5.6m</p><p>　　故填料層需要分成兩段，分別是6m,2m</p><p>　　2.2.3 填料層壓降計(jì)算</p><p>　　采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算填料層壓降。</p><p>　　橫坐標(biāo)為 =0.023</p><p

36、>　　查表7得，ΦP=89m-1</p><p><b>　　縱坐標(biāo)為</b></p><p>　　查圖得ΔP/Z=75×9.81Pa/m</p><p>　　填料層壓降為ΔP=75×9.81×8=5.886KPa</p><p>　　2.2.4 液體分布器簡要設(shè)計(jì)</p>

37、<p>　?。?）液體分布器的選型</p><p>　　液體分布器設(shè)置于填料塔內(nèi)，用于將塔頂液體均勻的分布在填料表面上，初始分布器的好壞對(duì)填料塔效率影響很大，分布器的設(shè)計(jì)不當(dāng)，液體預(yù)分布不均，填料層的有效濕面積減小而偏流現(xiàn)象和溝流現(xiàn)象增加，即使填料性能再好也很難得到滿意的分離效果。因而液體分布器的設(shè)計(jì)十分重要。特別對(duì)于大直徑低填料層的填料塔，特別需要性能良好的液體分布器。</p>&l

38、t;p>　　液體分布器的性能主要由分布器的布液點(diǎn)密度（即單位面積上的布液點(diǎn)數(shù)），各布液點(diǎn)均勻性，各布液點(diǎn)上液相組成的均勻性決定，設(shè)計(jì)液體分布器主要是決定這些參數(shù)的結(jié)構(gòu)尺寸。對(duì)液體分布器的選型和設(shè)計(jì)，一般要求：液體分布要均勻；自由截面率要大；操作彈性大；不易堵塞，不易引起霧沫夾帶及起泡等；可用多種材料制作，且操作安裝方便，容易調(diào)整水平。</p><p>　　該吸收塔的塔徑為700mm而多孔直管式噴淋器的適用范

39、圍為600≦D≦800，并且其液體負(fù)荷為中等以下，所以選擇多孔直管式噴淋器。</p><p>　?。?）分布點(diǎn)密度計(jì)算</p><p>　　按Eckert建議值，D=750時(shí)，噴淋點(diǎn)密度為170點(diǎn)/m2，所以根據(jù)需要取噴淋點(diǎn)密度為170點(diǎn)/m2</p><p><b>　　布液點(diǎn)數(shù)為：</b></p><p><b

40、>　?。?）布液計(jì)算：</b></p><p><b>　　由 </b></p><p>　　取 △H=160mm</p><p>　　設(shè)計(jì)取=4.0 mm</p><p>　　3. 輔助設(shè)備的計(jì)算及選型 </p><p>　　3.1．填料支承設(shè)備</p>

41、<p>　　填料支承設(shè)備應(yīng)滿足3個(gè)基本條件：①使起液能順利通過.設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)取盡可能大的自由截面。②要有足夠的強(qiáng)度承受填料的重量，并考慮填料孔隙中的持液重量。③要有一定的耐腐蝕性能。本設(shè)計(jì)根據(jù)需要，選擇孔管型支承裝置。</p><p>　　3.2．填料壓緊裝置</p><p>　　為防止在上升氣流的作用下填料床層發(fā)生松動(dòng)或者跳動(dòng)，需在填料層上方設(shè)置填料壓緊裝置。對(duì)于散裝填料本設(shè)計(jì)選

42、用壓緊柵板。</p><p>　　3.3．填料塔接管尺寸計(jì)算</p><p>　　為防止流速過大引起管道沖蝕，磨損，震動(dòng)和噪音，液體流速一般不超</p><p>　　3m/s ，氣體流速一般不超過100m/s </p><p>　　常用管道的公稱通徑、外徑、壁厚</p><p>　　公稱通徑（mm） 管子

43、外徑(mm) 常用碳鋼管壁厚(mm)</p><p>　　15 18 3</p><p>　　20 25 3</p><p>　　25

44、 32 3.5</p><p>　　32 38 3.5</p><p>　　40 45 3.5</p><p>　　50

45、 57 3.5</p><p>　　80 89 4</p><p>　　150 165 6</p><p><b>　?。?

46、）進(jìn)液管</b></p><p>　　根據(jù)管道的公稱通徑、外徑、壁厚表得，公稱通徑=32mm，δ=2.5mm碳鋼管， 管子外徑D=38mm 則進(jìn)液管管子內(nèi)徑 d=D-2 =38-2×2.5=33mm</p><p><b>　?。?）底液出口管</b></p><p>　　根據(jù)管道的公稱通徑，外徑，壁厚表得，公稱通徑=32

47、mm，δ=2.5mm碳鋼管 ，管子外徑D=38mm 則 底液出口管管子內(nèi)徑 d=D-2 =38-2×2.5=33mm</p><p>　　（3）塔頂氣體出口管</p><p>　　根據(jù)管道的公稱通徑，外徑，壁厚表得公稱通徑=150mm，δ=6mm碳鋼管，管子外徑D=165mm 則管子內(nèi)徑 d=D-2 =165-2×6=153mm </p><p&g

48、t;<b>　?。?）泵的選型</b></p><p>　　就計(jì)算的結(jié)果可以選用：50-32-125型的泵</p><p><b>　　4. 設(shè)計(jì)一覽表</b></p><p>　　表⒈吸收塔的吸收劑用量計(jì)算總表</p><p><b>　　表⒉塔設(shè)備計(jì)算總表</b></

49、p><p><b>　　5. 后記</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)的任務(wù)是用水吸收氨氣的填料吸收塔的設(shè)計(jì)。填料塔是以塔內(nèi)裝有大量的填料為相接觸構(gòu)件的氣液傳質(zhì)設(shè)備。填料塔的結(jié)構(gòu)較簡單，壓降低，填料易用耐腐蝕材料制造等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中，遭遇很多難題。第一個(gè)就是如何通過關(guān)聯(lián)圖讀出縱坐標(biāo)，還有一個(gè)就是后邊關(guān)于填料層的相關(guān)計(jì)算，公式

50、越來越長，數(shù)值越來越難算，整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行得很艱難。</p><p>　　還有因?yàn)榕R近考試，為了騰出更多的時(shí)間來復(fù)習(xí)，所以趕得比較匆忙。在做的過程中，接觸了那么多的計(jì)算，而且一不小心就容易一步錯(cuò)步步錯(cuò)，這讓我懂得在生產(chǎn)過程中絕對(duì)不能馬虎。還有通過這個(gè)課程設(shè)計(jì)，我也學(xué)到了很多東西。雖然我們?cè)诶碚撜n中對(duì)這章的學(xué)習(xí)幾乎沒有，但是當(dāng)我做完這個(gè)設(shè)計(jì)回過頭來想一想自己還是收獲蠻大的，不僅我初步涉略到了一些生產(chǎn)問題，同時(shí)提高了解決

51、問題的能力。</p><p><b>　　6.參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]華南理工大學(xué)，涂偉萍，陳佩珍，程達(dá)芳 編.化工過程及設(shè)備設(shè)計(jì).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003</p><p>　　[2] 柴誠敬，劉國維，李阿娜. 化工原理課程設(shè)計(jì). 天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，1995</p><p>　　匡國柱,

52、史啟才主編. 化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì).化學(xué)工業(yè)出版社，2002 </p><p>　　王志魁 編.化工原理（第三版）. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009 </p><p>　　[3]鄭津澤,榮其伍,桑芝富 編.過程設(shè)備設(shè)計(jì).北京: 化學(xué)工業(yè)出版社，2004</p><p>　　[4]王靜康 編.化工過程設(shè)計(jì).北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006</p>&

53、lt;p>　　王志魁 編.化工原理（第三版）. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009</p><p><b>　　7.主要符號(hào)說明</b></p><p><b>　　7.1、英文字母</b></p><p><b>　　7.2.下標(biāo)</b></p><p><b>