化工原理課程設計——水吸收氨氣

1、<p>　　填料吸收塔設計任務書</p><p><b>　　1 設計題目</b></p><p>　　試設計一座填料吸收塔，采用清水吸收混于空氣中的氨氣。混合氣體的處理量為____4300____m3/h，其中含氨為____6%____（體積分數(shù)），混合氣體的進料溫度為25℃。要求：</p><p>　　塔頂排放氣體中含氨低于___

2、0.04%_____（體積分數(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 設計內(nèi)容</b></p><p>　　4.1設計方案的選擇及流程說明</p><p><b>　　4.2工藝計算</b></p><p>　　4.3主要設備尺寸計算</p><p><b>　　(1) 塔徑的確定<

4、/b></p><p>　　(2) 填料層的高度計算</p><p>　　(3) 總塔高、總壓降及接管尺寸的確定</p><p>　　4.4 輔助設備選型與計算</p><p>　　4.5 設計結果匯總</p><p><b>　　4.6 設計評述</b></p><p&

5、gt;<b>　　5設計基礎數(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. 設計方案簡介 ……………………………………………………………………1</p><p>　　1

6、.1設計方案的確定………………………………………………………………1</p><p>　　1.2填料的選擇……………………………………………………………………2</p><p>　　2. 工藝計算 …………………………………………………………………………2</p><p>　　2.1 基礎物性數(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算……………………………………………………3</p><p>　　2.2.1 塔徑的計算 ……………………………………………………………4</p><p>　　2.2.2 填料層高度計算 ………………………………………………………5</p><p>　　2.2.3 填料層壓降計算 ……

9、…………………………………………………6</p><p>　　2.2.4 液體分布器簡要設計…………………………………………………7</p><p>　　3. 輔助設備的計算及選型 ………………………………………………………8 3.1 填料支承設備 ……………………………………………………………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. 設計一覽表…………………………………………………………………… 9</p><p>　　5. 后記………………………………………………………………………………10</p&g

11、t;<p>　　6. 參考文獻…………………………………………………………………………10</p><p>　　7. 主要符號說明……………………………………………………………………10</p><p>　　8. 附圖（工藝流程簡圖、主體設備設計條件圖）</p><p><b>　　1．.設計方案簡介</b></p>

12、<p>　　1．1設計方案的確定</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，為提高傳質效率和分離效率，所以，本實驗選用逆流吸收流程。</p><p>　　1．1．2吸收劑的選擇</p><p>　　對填料吸收塔，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平均推動力大，傳質速率快，分高效率高，吸收劑利用率高的特點在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應用。</p><p>　　吸收過程是依靠氣體溶質在吸收劑中的溶解來實現(xiàn)的，因此，吸收劑性能的優(yōu)劣，是決定吸收操作效果的關鍵之一，選擇吸收劑時應著重考慮以下幾方面。</p><p>　?、傥談哂休^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，吸收劑對混合氣體的溶質要有良好的吸收能力，而對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停詾殡x開吸收設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停岳趥髻|與輸送；有利于氣液接

15、觸，提高吸收速率。</p><p>　　⑤具有較好的化學穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性，以減少吸收劑的降解和變質，尤其在使用化學吸收劑時。</p><p>　　一般說來，任何一種吸收劑都難以滿足以上所有要求，選用時應針對具體情況和主要矛盾，既考慮工藝要求又兼顧到經(jīng)濟合理性。</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計的重要環(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。填料的材質分為陶瓷、金屬和塑料三大類。工業(yè)生產(chǎn)對填料的基本要求如下：</p><p>　　1．2．1傳質分離效率高</p><p>　　①填料的比表面積a大，及單位體積填料具有表面積要大，因為它是汽液兩相接觸傳質的基礎。</p><p>　　②填料表面的安排合理，以防止填料表面的疊合和出現(xiàn)干區(qū)，同

19、時有利于汽液兩相在填料層中的均勻流動并能促進汽液兩相的湍動和表面更新，從而使填料表面真正用于傳質的有效面積增大，總體平均的傳質系數(shù)和推動力增高。</p><p>　　③填料表面對于液相潤濕性好，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，尤其是表面狀況。塑料的潤濕性比較差，往往需要進行適當?shù)谋砻嫣幚恚饘俦砻嬲持募庸び糜椭杞?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，可減少流體的流動阻力。</p><p&

21、gt;　?、劬哂凶銐虻臋C械強度，陶瓷填料容易破碎，只有在強腐蝕性場合才采用。</p><p><b>　　④重量輕，價格低</b></p><p>　　⑤具有適當?shù)哪臀g性能。</p><p>　　⑥不被固體雜物堵塞其表面不會結垢。</p><p>　　根據(jù)本設計的要求，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．工藝計算</b></p><p>　　2．1基礎物性計算　</p><p>　　2.1.1液相物性的數(shù)據(jù)</p><p>　　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℃時水的有關物性數(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>　　查手冊得 NH3在空氣中的擴散系數(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>　　進塔氣相摩爾比為 </p><p><b>

27、;　　出塔氣相摩爾比</b></p><p>　　進塔惰性氣相流量 </p><p>　　該吸收過程屬低濃度吸收，平衡關系為直線，最小液氣比可按下式計算，即</p><p>　　對純?nèi)軇┪者^程，進塔液相組成為</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算</p><p>　　2.2.1 塔徑的計算</p><p><b>　　氣相質量流量</b></p><p>　　液相質量流量可近似按純水的流量計算，即 </p><p>　　用貝恩—霍根關聯(lián)式計算泛點氣速：</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 填料層高度計算 </p><p><b>　　脫吸因數(shù)為</b></p><p><b>　　=11.967</b></p><p>　　氣相總傳質單元高度采用修正的恩田關聯(lián)式計

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 填料層壓降計算</p><p>　　采用Eckert通用關聯(lián)圖計算填料層壓降。</p><p>　　橫坐標為 =0.023</p><p

36、>　　查表7得，ΦP=89m-1</p><p><b>　　縱坐標為</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 液體分布器簡要設計</p>

37、<p>　　（1）液體分布器的選型</p><p>　　液體分布器設置于填料塔內(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填料塔效率影響很大，分布器的設計不當，液體預分布不均，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計十分重要。特別對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密度（即單位面積上的布液點數(shù)），各布液點均勻性，各布液點上液相組成的均勻性決定，設計液體分布器主要是決定這些參數(shù)的結構尺寸。對液體分布器的選型和設計，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，并且其液體負荷為中等以下，所以選擇多孔直管式噴淋器。</p><p>　?。?）分布點密度計算</p><p>　　按Eckert建議值，D=750時，噴淋點密度為170點/m2，所以根據(jù)需要取噴淋點密度為170點/m2</p><p><b>　　布液點數(shù)為：</b></p><p><b

40、>　?。?）布液計算：</b></p><p><b>　　由 </b></p><p>　　取 △H=160mm</p><p>　　設計取=4.0 mm</p><p>　　3. 輔助設備的計算及選型 </p><p>　　3.1．填料支承設備</p>

41、<p>　　填料支承設備應滿足3個基本條件：①使起液能順利通過.設計時應取盡可能大的自由截面。②要有足夠的強度承受填料的重量，并考慮填料孔隙中的持液重量。③要有一定的耐腐蝕性能。本設計根據(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)生松動或者跳動，需在填料層上方設置填料壓緊裝置。對于散裝填料本設計選

42、用壓緊柵板。</p><p>　　3.3．填料塔接管尺寸計算</p><p>　　為防止流速過大引起管道沖蝕，磨損，震動和噪音，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 則進液管管子內(nèi)徑 d=D-2 =38-2×2.5=33mm</p><p><b>　　（2）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>　　就計算的結果可以選用：50-32-125型的泵</p><p><b>　　4. 設計一覽表</b></p><p>　　表⒈吸收塔的吸收劑用量計算總表</p><p><b>　　表⒉塔設備計算總表</b></

49、p><p><b>　　5. 后記</b></p><p>　　本設計的任務是用水吸收氨氣的填料吸收塔的設計。填料塔是以塔內(nèi)裝有大量的填料為相接觸構件的氣液傳質設備。填料塔的結構較簡單，壓降低，填料易用耐腐蝕材料制造等優(yōu)點。</p><p>　　在本設計中，遭遇很多難題。第一個就是如何通過關聯(lián)圖讀出縱坐標，還有一個就是后邊關于填料層的相關計算，公式

50、越來越長，數(shù)值越來越難算，整個設計進行得很艱難。</p><p>　　還有因為臨近考試，為了騰出更多的時間來復習，所以趕得比較匆忙。在做的過程中，接觸了那么多的計算，而且一不小心就容易一步錯步步錯，這讓我懂得在生產(chǎn)過程中絕對不能馬虎。還有通過這個課程設計，我也學到了很多東西。雖然我們在理論課中對這章的學習幾乎沒有，但是當我做完這個設計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，同時提高了解決

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

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

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