化工課程設計---氨空混合物 吸收塔設計

1、<p>　　過程工程原理課程設計</p><p>　　題 目處理量為3.5萬Nm3/h的氨空混合物 吸收塔設計</p><p>　　姓 名 　　 </p><p>　　學 號 　　 </p><p>　　專業(yè)班級

2、 化學工程與工藝101班 　　 </p><p>　　指導教師 　　 </p><p>　　學 院 生物與化學工程分院 　　 </p><p>　　完成日期 2013年 4月9 日

3、 </p><p>　　過程原理課程設計任務書</p><p>　　1.設計題目：吸收氨過程填料塔的設計</p><p>　　試設計一座填料吸收塔，用于脫除混于空氣中的氨氣。混合氣體的處理量為3.5萬Nm3/h，其中含氨為4%（體積分數(shù)），要求塔頂排放氣體中含氨低于0.02%（體積分數(shù)）。</p><p><b>　　2．操作條

4、件</b></p><p>　?。?）操作壓力  常壓</p><p>　　（2）操作溫度   20℃</p><p><b>　　3．工作日</b></p><p>　　每天24小時連續(xù)運行。</p><p><b>　　4．廠址</b&

5、gt;</p><p><b>　　寧波地區(qū)</b></p><p><b>　　5．設計內(nèi)容</b></p><p>　?。?）吸收塔的物料衡算；</p><p>　?。?）吸收塔的工藝尺寸計算；</p><p>　?。?）填料層壓降的計算；</p><

6、p>　?。?）液體分布器簡要設計；</p><p>　?。?）吸收塔接管尺寸的計算；</p><p>　?。?）繪制生產(chǎn)工藝流程圖；</p><p>　?。?）繪制吸收塔設計圖；</p><p>　?。?）對設計過程的評述和有關(guān)問題的討論。</p><p><b>　　6．設計基礎數(shù)據(jù)</b>

7、;</p><p>　　20℃下氨在水中的溶解度系數(shù)為H=0.725kmol/(m3.kPa)。</p><p>　　附：設計說明書的目錄</p><p><b>　　目    錄</b></p><p><b>　　1 設計方案簡介</b></p>&l

8、t;p><b>　　2  工藝計算 </b></p><p>　　2.1 基礎物性數(shù)據(jù)</p><p>　　2.1.1 液相物性的數(shù)據(jù)                   &

9、#160;            </p><p>　　2.1.2 氣相物性數(shù)據(jù)  </p><p>　　2.1.3 氣液相平衡數(shù)據(jù) </p><p>　　2.1.4 物料衡算</p><p>　　2.2 填料塔的

10、工藝尺寸的計算</p><p>　　2.2.1 塔徑的計算 </p><p>　　2.2.2 填料層高度計算</p><p>　　2.2.3 填料層壓降計算 </p><p>　　2.2.4 吸收塔接管口徑的計算</p><p>　　3 輔助設備的計算及選型</p><p><b>

11、　　4 設計一覽表</b></p><p>　　5 對本設計的評述 </p><p><b>　　6 參考文獻</b></p><p><b>　　7 主要符號說明</b></p><p>　　8 附圖（帶控制點的工藝流程簡圖、主體設備設計圖）</p>

12、<p><b>　　1.吸收方案的確定</b></p><p><b>　　1.1吸收劑的選擇</b></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經(jīng)濟合理性。工業(yè)上常用的吸收劑列于下</p><p>　　表1 工業(yè)上常用吸收劑</

13、p><p>　　本方案選擇水作為吸收劑，因為氨在水中的溶解度大，且水的揮發(fā)性小，粘度小，物理和化學性質(zhì)穩(wěn)定，對溶質(zhì)的選擇性好，又廉價易得，符合吸收過程對吸收劑的選擇要求。因氨氣不作為產(chǎn)品，故采用純?nèi)軇?lt;/p><p>　　1.2吸收流程的確定</p><p>　　吸收裝置的流程主要選擇逆流與并流操作。</p><p>　?。?）逆流操作 氣相自

14、塔底進入由塔頂排出，液相自塔頂進入由塔底排出，此即逆流操作。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。</p><p>　　并流操作 氣液兩相均從塔頂流向塔底，即并流操作。并流操作的</p><p>　　特點是，系統(tǒng)不受液流限制，可提高操作氣速，以提高生產(chǎn)能力。易溶氣體的吸收或待處理不需要吸收很完全。</p><

15、;p>　　用水吸收氨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，選用逆流吸收流程。</p><p>　　1.3操作的溫度和壓力</p><p>　　操作壓力以選擇常壓為最佳，吸收壓力高能提高吸收過程的推動力，但是降低了吸收劑的選擇性，同時吸收塔的造價也會升高。因此，選擇常壓兼顧了吸收和經(jīng)濟兩個方面。</p><p>　　操作溫度為常溫20℃，由于吸收

16、分物理和化學吸收，低溫易于物理，氨氣的溶解度增大，但低于常溫會增加操作費用。高溫時，反應速度加快，但傳質(zhì)推動力會降低。因此，常溫吸收比較合適。一般情況下，常溫吸收過程的操作費用最經(jīng)濟。</p><p><b>　　1.4塔填料的選擇</b></p><p>　　填料的選擇包括確定填料的種類、規(guī)格及材質(zhì)等。所選填料既要滿足生產(chǎn)工藝的要求，又要使設備投資和操作費用較低。&

17、lt;/p><p><b>　　1.41填料的類型</b></p><p>　　填料分為散裝和規(guī)整。</p><p>　　(1)規(guī)整填料 規(guī)整填料是按一定的幾何圖形排列，整齊堆砌的填料。規(guī)整填料種類很多，根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)可分為格柵填料、波紋填料、脈沖填料等。規(guī)整填料大多都是金屬，成本較高，而且多用于精密精餾。</p><p>

18、;　　(2)散裝填料 散裝填料是一個個具有一定幾何形狀和尺寸的顆粒體，一般以隨機的方式堆積在塔內(nèi)，又稱為亂堆填料或顆粒填料。散裝填料根據(jù)結(jié)構(gòu)特點不同，可分為環(huán)形填料、鞍形填料、環(huán)鞍形填料及球形填料等。散裝填料大多成本較低，符合經(jīng)濟合理性。</p><p>　　綜上所述，本次設計選擇散裝填料。</p><p>　　1.42填料材質(zhì)的選擇</p><p>　　工業(yè)上

19、，填料的材質(zhì)分為陶瓷、金屬和塑料三大類。</p><p>　　陶瓷塑料 陶瓷填料具有良好的耐腐蝕性及耐熱性，一般能耐熱除氫氟酸以外的常見的各種無機酸、有機酸的腐蝕，對強堿介質(zhì)，可選用耐堿配方制造耐堿陶瓷填料。陶瓷填料因其質(zhì)脆、易碎，不宜在高沖擊強度下使用。陶瓷填料價格便宜，具有良好的表面潤濕性能，工業(yè)上，主要用于氣體吸收、氣體洗滌、液體萃取等過程。</p><p>　　金屬填料　金屬填料可

20、用多種材質(zhì)制成，金屬材質(zhì)的選擇主要根據(jù)物系的腐蝕性和金屬材質(zhì)的耐腐蝕性來綜合考慮。金屬填料可制成薄壁結(jié)構(gòu)（0.2~1.0mm），與同種類型、同種規(guī)格的陶瓷、塑料填料相比，他的通氣量大、氣體阻力小，且具有很高的抗沖擊性能，能在高溫、高壓、高沖擊強度下使用，工業(yè)應用主要以金屬填料為主。</p><p>　　塑料填料 塑料填料的材質(zhì)主要包括聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）及聚氯乙烯等，國內(nèi)一般多采用聚丙烯材質(zhì)。塑料填料的

21、耐腐蝕性能較好，可耐一般的無機酸、堿和有機溶劑的腐蝕。其耐溫性良好，可長期在100℃以下使用。</p><p>　　塑料填料具有質(zhì)輕、價廉、耐沖擊、不易破碎等優(yōu)點，多用于吸收、解吸、萃取、除塵等裝置中。塑料填料的缺點是表面潤濕性能差，在某些特殊應用場合，需要對其表面進行處理，以提高表面潤濕性能。所以本次設計選用聚丙烯填料。</p><p>　　綜上所述，對于水吸收氨過程，在20℃常壓下進行

22、，采用工藝上采用塑料亂堆填料。</p><p>　　1.5填料規(guī)格的選擇</p><p>　　國內(nèi)階梯環(huán)特性數(shù)據(jù)見表1.1[1]</p><p>　　1.1 國內(nèi)階梯環(huán)特性數(shù)據(jù)</p><p>　　塑料階梯環(huán)的綜合性能比較好，所以選擇D50 聚丙烯階梯環(huán)填料。</p><p><b>　　1.6初步流程圖&

23、lt;/b></p><p><b>　　2物性數(shù)據(jù)</b></p><p>　　2.1.1 液相物性的數(shù)據(jù) </p><p><b>　　水：</b></p><p><b>　　密度</b></p><p>　　=998.2 kg/m3<

24、/p><p><b>　　粘度</b></p><p>　　=0.001 Pa·s=3.6 kg/(m·h)</p><p><b>　　表面張力</b></p><p>　　=73 dyn/cm=940 896 kg/h2</p><p>　　NH3在水中的

25、擴散系數(shù)為</p><p>　　2.1.2 氣相物性數(shù)據(jù) </p><p>　　混合氣體的平衡摩爾質(zhì)量</p><p>　　=0.04×17+0.96×29=28.52 g/mol</p><p><b>　　混合氣體的平均密度</b></p><p>　　=101.

26、3*28.52/(273+20)/8.314=1.186kg/m3</p><p>　　混合氣體的粘度可近似取為空氣的粘度，查書[2]得20℃空氣的粘度為:</p><p>　　查書[2]得NH3在空氣中的擴散系數(shù)為</p><p>　　2.1.3 氣液相平衡數(shù)據(jù) </p><p>　　查表知，20℃下氨在水中的溶解度系數(shù)：H=0.

27、725kmol/(m3·kPa)</p><p>　　亨利系數(shù)：=76.38KPa</p><p><b>　　相平衡常數(shù)：</b></p><p>　　2.1.4 物料衡算</p><p><b>　　進塔氣相摩爾比</b></p><p><b>　　

28、=0.042</b></p><p><b>　　出塔氣相摩爾比</b></p><p>　　Y2==0.0002</p><p><b>　　進塔惰性氣相流量</b></p><p>　　G=1397.61 </p><p>　　吸收過程屬于低濃度吸收，最小液氣

29、比可按下式計算</p><p>　　對于純?nèi)軇┑奈者^程，進塔液相組成為：</p><p><b>　　X2=0</b></p><p>　　取液氣操作比為1.5</p><p><b>　　=1.125</b></p><p>　　L=G1.125=1397.611.125

30、=1572.31kmol/h</p><p><b>　　塔底吸收液組成：</b></p><p><b>　　X=</b></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>　　*注（條件所給為0℃下的體積流量，需

31、轉(zhuǎn)化為20℃下的流量，即3.5萬化為32610m3/h）</p><p>　　采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計算泛點氣速</p><p><b>　　氣相的質(zhì)量流量</b></p><p>　　=32610×1.186=38675kg/h</p><p>　　液相的質(zhì)量流量（可以近似用純水的流量計算）</p&

32、gt;<p>　　=1572.31×18.02=28333kg/h</p><p>　　采用?？颂胤狐c關(guān)聯(lián)式計算泛點速度：</p><p>　　即：其中，空隙率和比表面積值在表1.1中均可查得。且粘度已知。</p><p>　　K取值可由表2.1[2]</p><p>　　2.1不同類型填料的A、K值</p>

33、;<p>　　取泛點率為0.8，即</p><p><b>　　則 </b></p><p>　　圓整后取 D=2.0m。</p><p><b>　　泛點率校核：</b></p><p>　?。▽τ谏⒀b填料，其泛點率的經(jīng)驗值為）</p><p>　　填料規(guī)格

34、校核： 在允許范圍內(nèi)</p><p>　　液體噴淋密度校核：根據(jù)一些經(jīng)驗值，d＜75mm 散裝填料的最小潤濕速率(MWR)可取最小潤濕速率</p><p><b>　　所以 </b></p><p>　　經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用合理。</p><p>　　2.2.2填料層高度的計算</p><

35、;p><b>　　液體質(zhì)量通量為</b></p><p><b>　　氣體質(zhì)量通量為</b></p><p><b>　　脫吸因數(shù)為：</b></p><p>　　氣相總傳質(zhì)單元數(shù)為：</p><p>　　氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計算：</p>

36、<p>　　不同材質(zhì)的бc值見表2.2[3]</p><p>　　2.2 不同材質(zhì)的бc值</p><p><b>　　查表知，</b></p><p>　　氣膜吸收系數(shù)由下式計算：</p><p>　　液膜吸收系數(shù)由下式計算：</p><p>　　表2.3 各類填料的形狀系數(shù)<

37、/p><p>　　查表2.3[3]得：</p><p><b>　　則</b></p><p><b>　　>0.5</b></p><p><b>　　由 </b></p><p><b>　　得</b></p>

38、<p><b>　　則 </b></p><p><b>　　由 </b></p><p><b>　　由 </b></p><p>　　Z——填料層高度，m</p><p>　　設計取填料層高度為：</p><p><b>　　

39、對于階梯環(huán)填料，</b></p><p>　　將填料層分為2段設置，每段3.5m，兩段間設置一個液體再分布器。</p><p>　　2.2.3填料層壓降計算</p><p>　　采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計算填料層壓降</p><p><b>　　橫坐標為：</b></p><p>&

40、lt;b>　　已知：</b></p><p><b>　　縱坐標為：</b></p><p>　　圖2.1通用壓降關(guān)聯(lián)圖</p><p>　　查圖2.1[4]得，</p><p><b>　　填料層壓降為：</b></p><p>　　*注（此處讀圖將引起較

41、大誤差）</p><p>　　2.2.4吸收塔接管口徑計算</p><p>　　氣體進氣口氣速取60m/s，液體進液口流速取1.2m/s</p><p><b>　　氣體進出口管直徑：</b></p><p><b>　　液體流量： </b></p><p>　　液體進出口管