水吸收氨气填料塔设计样本.doc

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1、成绩 东南大学成贤学院课 程 设 计 报 告题 目 填料吸收塔的设计 课 程 名 称 化工原理课程设计 专 业 制 药 工 程 班 级 学 生 姓 名 学 号 设 计 地 点 东南大学成贤学院 指 导 教 师 设计起止时间： 2012 年8月 28日至 2012 年 9 月 14 日 目 录课程任务设计书.3第一节 吸收塔简介.41.1吸收技术概况. 41.2吸收设备-填料塔概况.41.3典型的吸收过程.5第二节 填料塔主体设计方案的确定.62.1 装置流程的确定.62.2 吸收剂的选择.62.3 填料的类型与选择.7 2.3.1填料种类的选择.72.3.2 填料规格的选择. 82.3.3 填

2、料材质的选择.8第三节 填料塔工艺尺寸的计算. 103.1 基础物性数据.103.1.1 液相物性数据. 103.1.2 气相物性数据. 103.1.3 气液相平衡数据. 10 3.2 物料衡算及校核. 11 3.2.1水吸收氨气平衡关系. 11 3.2.2绘制X-Y图.11 3.2.3物料衡算.163.3 塔径的计算及校核.18 3.3.1塔径的计算.18 3.3.2塔径的校核.203.4 填料层高度的计算及分段.203.4.1填料层高度的计算.203.4.2 填料层的分段.233.5 填料层压降的计算.23第四节其他辅助设备的计算与选择. 244.1 吸收塔的主要接管尺寸计算.244.2

3、气体进出口的压降计算.244.3 离心泵的选择与计算.24 附件一： 1.计算结果汇总. 26 2.主要符号及说明.27 3.参考文献. 28 4. 个人小结. 28 附件二： 1.填料塔设备图. 30 2.塔设备流程图. 313.埃克特通用压降关联图. 32 4.X-Y关系图（见计算过程） 化工原理课程设计任务书一、 设计项目 水吸收氨气的填料吸收塔二、 设计条件1、混合气体流量 2400 m3 (标)/h.2、混合气体组分含氨 15 %，空气 85 %（体积比）3、混合气体温度 40 4、吸收率 94 %5、吸收剂温度 20 6、操作压强 1 atm三、 设计内容1、 确定操作流程，绘制流

4、程图2、 选择吸收剂、填料3、 确定吸收平衡关系，绘制X-Y图、进行物料衡算4、 计算塔径、填料层高度5、 填料层压降核算、喷淋密度计算6、 附属设备选型和计算7、绘制设备图 第一节 吸收技术简介1.1 吸收技术概况在化学工业中，经常需要将气体混合物中的各个组分加以分离，其主要目的是回收气体混合物中的有用物质，以制取产品，或除去工艺气体中的有害成分，使气体净化，以便进一步加工处理，或除去工业放空尾气中的有害成分，以免污染空气。吸收操作是气体混合物分离方法之一，它是根据混合物中各组分在某一种溶剂中溶解度不同而达到分离的目的。 吸收操作广泛地用于气体混合物的分离，其在工业上的具体应用大致有以下几种

5、：（1）原料气的净化。为出去原料气中所含的杂质，吸收可说是最常见的方法。就杂质的浓度来说，多数很底，但因为危害大而仍要求高的净化率。例如用水或碱液脱除合成氨原料气中的二氧化碳，用丙酮脱除裂解气中的乙炔等。（2）有用组分的回收。如从合成氨厂的放空气中用水回收氨；从焦炉煤气中以洗油回收粗苯（包括苯、甲苯、二甲苯等）蒸气和从某写干燥废气中回收有机溶剂蒸气等。（3）某些产品的制取。将气体中需用的成分以指定的溶剂吸收出来，成为溶液态的产或半成品。如制酸工业中从含盐酸、氮氧化物、三氧化硫的气体制取盐酸、硝酸、硫酸；在甲醇|（乙醇）蒸气经氧化后，用水吸收以制成甲醛（乙醛）半成品等。（4）废气的治理。很多工业

6、废气中含有二氧化硫、氮氧化物（主要是一氧化氮及二氧化氮）、汞蒸气等有害成分虽然浓度一般很底，但对人体和环境的危害甚大而必须进行治理。这类环境保护问题在我国已愈来愈受重视。选择适当的工艺和溶剂进行吸收，是废气治理中应用教广的方法。 当然，以上目的有时也难于截然分开，如干燥废气中的有机溶剂，能回收下来就很有价值，任其排放则会然大气。1.2 吸收设备-填料塔概况 填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气体分布

7、装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液流量逐渐增大，这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质效率下降。因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。 该设计填料塔中，氨气和空气混合气体，经由填料塔的下侧进入

8、填料塔中，与从填料塔顶流下的水逆流接触，在填料的作用下进行吸收。经吸收后的混合气体由塔顶排除，吸收了氨气的水由填料塔的下端流出。填料塔的设备图见附录二1.3 典型的吸收过程一个完整的吸收分离过程，包括吸收和解吸两个部分。典型过程有单塔和多塔、逆流和并流、加压和减压等。以煤气脱苯为例:在炼焦及制取城市煤气的生产过程中，焦炉煤气内含有少量的苯、甲苯类低碳氢化合物的蒸汽（约35）应予以分离回收，所用的吸收溶剂为该工业生产过程中的副产物，即焦煤油的精制品称为洗油。回收苯系物质的流程包括吸收和解吸两个大部分。含苯煤气在常温下由底部进入吸收塔，洗油从塔顶淋入，塔内装有木栅等填充物。在煤气与洗油接触过程中，

9、煤气中的苯蒸汽溶解于洗油，使塔顶离去的煤气苯含量降至某允许值(8环矩鞍D/d82.3.3 填料材质的选择工业上，填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。塑料填料的材质主要包括聚丙烯、聚乙烯及聚氯乙烯等，国内一般多采用聚丙烯材质。塑料填料的耐腐蚀性能较好，可耐一般的无机酸、碱和有机溶剂的腐蚀。其耐温性良好，可长期在100以下使用。综合以上：选用50mm聚丙烯阶梯环塔填料。其主要性能参数查表得：比表面积a：114.2 空隙率：0.927填料因子：国内阶梯环特性数据见表2.1。表2.1 国内阶梯环特性数据材质外径d，mm外径高厚dH比表面积at，m2/m3空隙率，m3/m3个数n，个/m3堆积密度p，

10、kg/m3干填料因子at/3，m-1填料因子，m-1塑料253850762517.51.43819150301.576373228132.5114.289.950.900.910.9270.92981500272009980342097.857.576.868.4313175.6143.11122401208072 第三节 填料塔工艺尺寸的计算3.1 基础物性数据3.1.1 液相数据1）.水的密度： 2）.3）.表面张力：4）.5）.6）.7）.的微分溶解热：34738J/mol3.1.2 气相数据1. 混合气体的平均摩尔质量为：2. 混合气体密度：3.混合气体黏度可近似取为空气黏度。查手册得

11、40空气黏度：3.1.3 气液相平衡数据已知20下氨在水中的溶解度系数亨利系数 相平衡常数 E亨利系数 H溶解度系数 Ms相对摩尔质量 m相对平衡常数 3.2 物料衡算及校核 3.2.1 水吸收氨气平衡关系 CL水在塔温度tm=(塔顶+塔底)/2下的比热 =（20+273.15+40+273.15）/2下的比热 = 303.15k = 30C下的比热在30C下的比热：查表得 4.174kJ/(kgk)=4.174*18=75.132kJ/kmolk=75.132J/molK:氨气的微分溶解热 =34738J/mol 水溶液的亨利系数-温度关联式lgE=11.468-1922/T 单位 E: P

12、a T：k取值：0.005，也有固定值：=3.2.2 绘制X-Y图当x=0，=0.005时，lgE=11.468-=4.9116 E=81588.61pa=0.8059atm0.8059 0 0 0当x=0.005时(20+273.15)+2.31246=295.46klgE=11.468-=4.9629 E=91812.12pa=0.9062atm0.9062 4.5309* 4.5515* 5.0226*当x=0.01时295.46+2.31246=297.77klgE=11.468-=5.0134 E=103133.56pa=1.0179atm1.0179 0.0102 0.0103 0

13、.0101当x=0.015时297.77+2.31246=300.0825klgE=11.468-=5.0631 E=115637.85pa=1.1412atm1.1414 0.0171 0.0174 0.0152当x=0.02时300.0825+2.31246=302.39496klgE=11.468-=5.1121 E=129441.88pa=1.27743atm1.27743 0.0255486 0.0262 0.0205当x=0.025时302.39496+2.31246=304.7074klgE=11.468-=5.16031 E=144646.99pa=1.4275atm1.427

14、5 0.03569 0.03702 0.0259当x=0.03时304.7074+2.31246=307.0199klgE=11.468-=5.20782 E=161368.46pa=1.5925atm1.5925 0.0478 0.0502 0.03152当x=0.035时307.0199+2.31246=309.33236klgE=11.468-=5.25462 E=179729.092pa=1.7737atm1.7737 0.06208 0.0662 0.0373当x=0.04时309.33236+2.31246=311.645klgE=11.468-=5.300726 E=199860

15、.21pa=1.97237atm1.97237 0.078895 0.0857 0.0434当x=0.045时311.645+2.31246=313.96klgE=11.468-=5.3462 E=221897.045pa=2.18985atm2.18985 0.0985 0.1093 0.0499当x=0.05时313.96+2.31246=316.27246klgE=11.468-=5.391 E=246014.7997pa=2.42792.4279 0.1214 0.1382 0.0569当x=0.055时316.27246+2.31246=318.585klgE=11.468-=5.4

16、351 E=272315.05pa=2.687412.68741 0.14781 0.1734 0.0645当x=0.06时318.585+2.31246=320.897klgE=11.468-=5.47855 E=300987.04pa=2.9704atm2.9704 0.17822 0.2168 0.0730此时，=0.1782，满足条件。 计算结果列表xT/KE/atmmy*XY*0 293.15 0.80590.80590 0 0 0.005 295.4620.9062 0.90620.0045309 0.00502260.00455150.010 297.774 1.01791.01

17、790.01020.01010.01030.015 300.0861.14141.14140.01710.01520.01740.020 302.398 1.27771.27770.025550.0205 0.02620.025 304.71 1.42771.4277 0.03570.02590.037020.030 307.022 1.59271.5927 0.047780.031520.05020.035 309.334 1.77391.77390.06210.0373 0.0662 0.040 311.464 1.97261.97260.07890.04340.08570.045 313

18、.958 2.19002.19000.098550.04990.10930.050 316.27 2.42772.42770.12140.05690.13820.055 318.582 2.68722.68720.14780.06450.17340.060 320.894 2.97012.97010.17820.07300.2168根据（X，Y*）绘出X-Y图XY*000.00502260.00455150.01010.01030.01520.01740.02050.02620.02590.0370.03150.05020.03730.06220.04340.08570.04990.10930

19、.05690.13820.06450.17040.0730.21683.2.3 物料衡算1. 进塔气相摩尔比为 2. 出塔气相摩尔比为 3. 进塔惰性气体流量: 4. 由X-Y图可知X与Y有如下函数关系：其中Y=0.1765将Y=0.1765带入上述方程，解得符合条件的X值：即=0.06545. 最小吸收剂用量对纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为因为吸收剂的实际用量L=(1.12.0) ，取L=1.2 则L=1.2 =258.301kmol/h由全塔物料衡算有： 6. 校核 填料塔工艺尺寸的计算包括塔径的计算、填料能高度的计算3.3 塔径的计算及校核3.3.1 塔径的计算1. 混合气体的平均摩尔质

20、量为;2.混合气体密度：3. 采用埃克特泛点关联式计算泛点速度（1） 气体质量和流量（2） 液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即：（3） 填料总比表面积： 水的粘度：（4） 采用贝恩霍夫泛点关联式=A-K 泛点气速，m/s; g 重力加速度，9.81m/s,液相、气相的密度WL=4654.58/h WV=2540.59kg/h不同类型填料的A、K值散装填料类型AK规整填料类型AK塑料鲍尔环0.09421.75金属阶梯环0.1061.75金属鲍尔环0.11.75瓷矩鞍0.1761.75塑料阶梯环0.2041.75金属环矩鞍0.062251.75A=0.204； K=1.75,;将已知数据带入上

21、述公式可得A-K=-0.6609所以：=-0.66094.计算塔径：取泛点率为0.6，即则:其中：D-塔径，mV-操作条件下混合气体的体积流量，-空气气速，即按空塔截面积计算的混合气体线速度，m/s圆整后，D=0.6m=600mm3.3.2 塔径的校核:1),故符合设计标准2）填料规格校核D/d=600/50=128，符合设计条件3)校核润湿率U喷淋密度， ，-填料的比表面积，-以表示的吸收剂的用量=258.30118=4649.418=4649.418998.2=406578=16.48=16.48/114.2=0.1443,故符合设计要求综上所述，塔径为D=0.6m=600mm符合设计要求

22、 3.4 填料层高度的计算及分段3.4.1 填料层高度的计算1.基本数据：查表可知， 0，101.325下，在空气中的扩散系数：由，则313.15，101.325下，在空气中的扩散系数： =氨气在水中的扩散系数：=6.4802脱吸因数：S=mv/L=0.754*84.8549/258.301=0.24773.气相总传质单元数： =3.7184.气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：液体质量通量为：气体质量通量为：查表知： =0.71234. 气膜吸收系数： 注：混合气体黏度可近似取为空气黏度。查手册得40空气黏度：5. 液膜吸收系数：=0.45568查表知：6. 以下公式为修正计算公式：

23、 7. 填料层高度计算： 3.4.2 填料层的分段，需要分层，两段之间加一个液体再分布装置。3.5 填料层压降计算1.气体通过填料层的压降采用Eckert关联计算，其中横坐标为：0.5967查表可知：纵坐标为：=2. 根据横纵坐标值，查Eckert图可知：全塔填料层压降： 第四节 其他辅助设备的计算与选择4.1 吸收塔的主要接管尺寸的计算1. 气体进料管：注：u在1030m/s之间，取u=15m/s采用直管进料，由制药化工原理 王志祥主编 化学工业出版社P404查得选择热轧无缝钢管，则，在符合范围内。2.液体进料管：由于常压下塔液体进出口管速可取，故若取液体进出口流速近似为2.4175m/s，

24、则由公式可求得液体进出口内径为采用直管进料，由制药化工原理 王志祥主编 化学工业出版社查得选择热轧无缝钢管，则 （在符合范围内）4.2气体进出口压降（1）进口：（2）出口：4.3离心泵的选择与计算1. 雷诺数：管内液体流速： 则雷诺数2.3.局部阻力损失： 三个标准截止阀全开 ; 三个标准90弯头 ；4.管路总压头损失 5. 填料塔压降： 其它阻力压强较小，可忽略。6.扬程 ：7.流量： 查 王志祥 编制药化工原理P407附录21，选型号IS50-32-200泵合适，该泵扬程12.5米，流量6.3立方米/小时，转速1450转/分钟。附件一1. 设计结果汇总 设计名称水吸收氨气的填料吸收塔操作压

25、强1atm填料数据种类填料尺寸泛点填料因子压降填料因子空隙率比表面积聚丙烯阶梯环Dn50127890.927114.2物性数据液相气相液体密度998.2kg/ m混合气体的平均密度液体粘度混合气体的粘度液体表面张力940896混合气体平均摩尔质量27.2kg/kmol扩散系数扩散系数填充系数填充系数物料衡算数据Y1Y2X1X2气相流量G液相流量L最小液气比操作液气比0.17650.01060.054502540.59kg/h4654.58kg/h215.25kmol/h3.044工艺数据填料类型塔速塔径气相总传质单元数气相总传质单元高度填料层高度填料层压降塑料阶梯环2.4175m/s0.6m3

26、.7180.2781m2.0m785pa填料塔附件气体进口管径238mm气体出口管径238mm风机离心泵选型号IS50-32-200泵合适，该泵扬程12.5米，流量6.3立方米/小时，转速1450转/分钟。2. 主要符号及其说明（1）英文字母填料层的有效传质比表面积（m/m）填料层的润滑比表面积m/m吸收因数;无因次填料直径，mm；填料当量直径，mm扩散系数，m/s； 塔径;亨利系数，KPa重力加速度，kg/(m.h)溶解度系数，kmol /(m.KPa)气相传质单元高度 ，m液相传质单元高度，m气相总传质单元高度，m液相总传质单元高度，m气膜吸收系数, kmol /(m.s.KPa);吸收液

27、质量流速kg/(m.h)液体喷淋密度;相平衡常数，无因次气相传质单元数，无因次液相传质单元数，无因次气相总传质系数，无因次 液相总传质系数，无因次总压，KPa分压，KPa气体通用常数，kJ/(kmol.K)解吸因子温度，0C空塔速度，m/s液泛速度，m/s惰性气体流量，kmol/s混合气体体积流量，m3/s;液膜吸收系数 ，kmol/(m2.s.kmol/m3)气膜吸收系数，kmol/(m2.s)气相总吸收系数kmol/(m.s)液膜吸收系数，kmol/(m2.s)气相总吸收系数，kmol/(m2.s.kpa)液相总吸收系数kmol/(m.s)吸收剂用量kmol/h; kmol/s是吸收液量 kmol/h吸收液质量流量kg/h；吸收液流量，m/s密度kg/ m填料因子， m-1 ;（2）下标液相的 气相的1塔底 2塔顶x溶质组分在液相中的摩尔分率 无因次X溶质组分在气相中的摩尔比 无因次y溶质组分在液相中的