最終版化工原理課程設(shè)計(jì)水吸收氨填料吸收塔設(shè)計(jì)

1、水吸收氨課程設(shè)計(jì)第一節(jié)前言 51.1填料塔的主體結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 51.2填料塔的設(shè)計(jì)任務(wù)及步驟 51.3填料塔設(shè)計(jì)條件及操作條件 5第二節(jié)填料塔主體設(shè)計(jì)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(lèi)型與選擇 6231 填料種類(lèi)的選擇 62.3.2 填料規(guī)格的選擇 6233填料材質(zhì)的選擇 72.4基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù) 7241 液相物性數(shù)據(jù) 7242 氣相物性數(shù)據(jù) 7243 氣液相平衡數(shù)據(jù) 8244 物料橫算 8第三節(jié)填料塔工藝尺寸的計(jì)算 93.1塔徑的計(jì)算 93.2填料層高度的計(jì)算及分段 103.2.1 傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算 10填料層的分段 123.3填料層壓降的計(jì)算 12第

2、四節(jié)填料塔內(nèi)件的類(lèi)型及設(shè)計(jì) 134.1塔內(nèi)件類(lèi)型 134.2塔內(nèi)件的設(shè)計(jì) 134.2.1 液體分布器設(shè)計(jì)的基本要求： 134.2.2 液體分布器布液能力的計(jì)算 13注：141填料塔設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表 143參考文獻(xiàn) 164后記及其他 16附件一：塔設(shè)備流程圖 17附件二：塔設(shè)備設(shè)計(jì)圖 17化工學(xué)院關(guān)于專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)的有關(guān)要求 （草案）專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)是學(xué)生學(xué)完專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課及專(zhuān)業(yè)課之后， 進(jìn)一步學(xué)習(xí)工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)， 培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計(jì)能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)， 也是學(xué)生綜合運(yùn)用相關(guān)課程知識(shí)，聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)際, 完成以單元操作為主的一次工程設(shè)計(jì)的實(shí)踐。為了加強(qiáng)我院本科學(xué)生專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)這一重 要實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的規(guī)范化管理

3、，保證專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)工作有序進(jìn)行及教學(xué)質(zhì)量，特制定專(zhuān)業(yè) 課程設(shè)計(jì)的有關(guān)要求并請(qǐng)遵照?qǐng)?zhí)行。、選題要求選題應(yīng)以單元操作的典型設(shè)備為對(duì)象，進(jìn)行單元操作過(guò)程中相關(guān)的設(shè)備與工藝設(shè)計(jì)，盡量從科研和生產(chǎn)實(shí)際中選題。為了保證專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)的質(zhì)量和工作量，選題要求1人1題。、設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)文本要求（一）、字?jǐn)?shù)要求：2000字以上（二）、打印要求：用A4紙打印；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(yè)碼居中字體、字號(hào)要求（包括裝訂順序）1、封面由學(xué)院統(tǒng)一制定格式2、設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)3、目錄（宋體、4號(hào)），其余（宋體、小4號(hào)）4、正文（宋體、小4號(hào)字）、一級(jí)標(biāo)題（宋體、3號(hào)字、加粗）、二級(jí)標(biāo)題（

4、宋體、4 號(hào)字、加粗）正文內(nèi)容主要包括：概述與設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介；設(shè)計(jì)條件及主要物性參數(shù)表；工藝設(shè)計(jì)計(jì)算（內(nèi)容較多，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算篇幅適當(dāng)劃分為若干小節(jié)，使之條理清晰） ；輔助設(shè)備的計(jì) 算及選型；設(shè)計(jì)結(jié)果匯總表（物料衡算表，設(shè)備操作條件及結(jié)構(gòu)尺寸一覽表）；設(shè)計(jì)評(píng)述（設(shè) 計(jì)的評(píng)價(jià)及學(xué)習(xí)體會(huì)）。5、參考文獻(xiàn)（宋體、5號(hào)字）6附錄：設(shè)計(jì)圖紙（工藝流程圖與主體設(shè)備裝配圖）三、考核方式及成績(jī)?cè)u(píng)定專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)的考核與成績(jī)?cè)u(píng)定由指導(dǎo)教師進(jìn)行?？己藘?nèi)容：考勤、計(jì)算草稿或筆記、說(shuō)明書(shū)和圖紙的質(zhì)量，獨(dú)立完成設(shè)計(jì)情況?；W(xué)院第一節(jié)前言1.1填料塔的主體結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)結(jié)構(gòu)：圖1-1填料塔結(jié)構(gòu)圖填料塔不但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且流體通過(guò)填

5、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(chǎng)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(guò)填 料的空隙，在填料層中與液體逆流接觸進(jìn)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(shè)備。1.2填料塔的設(shè)計(jì)任務(wù)及步驟設(shè)計(jì)任務(wù)：用水吸收空氣中混有的氨氣。設(shè)計(jì)步驟：（1）根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和工藝要求，確定設(shè)計(jì)方案；（2）針對(duì)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(jì)算塔高、及填料層的壓降；（5）塔內(nèi)件設(shè)計(jì)。1.3填料塔設(shè)計(jì)條件及操

6、作條件1. 氣體混合物成分：空氣和氨2. 空氣中氨的含量：5.0%（體積含量即為摩爾含量）3. 混合氣體流量6000m3/h4. 操作溫度293K5. 混合氣體壓力101.3KPa6. 回收率99 %7. 采用清水為吸收劑8. 填料類(lèi)型：采用聚丙烯鮑爾環(huán)填料第二節(jié)精餾塔主體設(shè)計(jì)方案的確定2.1裝置流程的確定本次設(shè)計(jì)采用逆流操作：氣相自塔低進(jìn)入由塔頂排出，液相自塔頂進(jìn)入由塔底排出, 即逆流操作。逆流操作的特點(diǎn)是：傳質(zhì)平均推動(dòng)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?yàn)橛盟鑫談?，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

7、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(jī)溶劑苯蒸汽煤油、洗油一氧化碳銅氨液2.3填料的類(lèi)型與選擇填料的種類(lèi)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(lèi)。填料種類(lèi)的選擇本次采用散裝填料。散裝填料根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(yīng)用較廣的填料之一，本次選用鮑爾環(huán)。填料規(guī)格的選擇工業(yè)塔常用的散裝填料主要有 Dn 16Dn25Dn38 Dn76等幾種規(guī)格。同類(lèi)填料，尺 寸越小，分離效率越高，但阻力增加，通量減小，填料費(fèi)用也增加很多。而大尺寸的填 料應(yīng)用于小直徑塔中，又會(huì)產(chǎn)生液體分布不良及嚴(yán)重的壁流，使塔的分離效率降低。因

8、 此，對(duì)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(chēng)直徑比值D/d的推薦值列于表3-1填料種類(lèi)D/d的推薦值拉西環(huán)D/d 2030鞍環(huán)D/d 15鮑爾環(huán)D/d 1015階梯環(huán)D/d>8環(huán)矩鞍D/d>8233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(lèi)聚丙烯填料在低溫（低于0度）時(shí)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(chǔ)物性數(shù)據(jù)液相物性數(shù)據(jù)對(duì)低濃度吸收過(guò)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 C水的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：31.2.3.4.5.6.l 99

9、8.2kg/m黏度：|0.001 pa.s 3.6kg /m.h2表面張力為：z 72.6dyn/cm 940896kg/h320 CNH3: H 0.725kmol/m kpa6 220 CNH3: Dl 7.34 10 m /h242氣相物性數(shù)據(jù)(2-1)1混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為M vm yg 0.06 17.03040.94 2928.28182.混合氣體的平均密度vmPM VMRT101.3 28.28188.314 293(2-2)R=8.314 m3 KPa/kmol K3.混合氣體黏度可近似取為空氣黏度。查手冊(cè)得20 C時(shí)，空氣的黏度注：1N1kg m/s2 1 1Pa 1N

10、/m221kg /s m 1Pa.s=1kg/m.s2.4.3 氣液相平衡數(shù)據(jù)由手冊(cè)查得，常壓下，200C時(shí)，NH在水中的亨利系數(shù)為E=76.3kpa2O0C時(shí),NH3在水中的溶解度：H=0.725kmol/m相平衡常數(shù)：m -0.7532(2-3)PH溶解度系數(shù)：LEMs998.2/76.3 18.02(2-4)0.726kmol/ kpa m物料橫算1. 進(jìn)塔氣相摩爾比為Y 1 :0.060.06383(2-5)1 0.062.出他氣相摩爾比為Y.¥(1 A)0.06383 (10.99)0.0006383(2-6)3.進(jìn)塔惰性氣體流量:V 6000273(1 0.6)234.5

11、99kmol h (2-7)22.4273 20因?yàn)樵撐者^(guò)程為低濃度吸收，平衡關(guān)系為直線(xiàn)，最小液氣比按下式計(jì)算。即:(2-8)丫1 丫2V minYi /m X2因?yàn)槭羌內(nèi)軇┪者^(guò)程，進(jìn)塔液相組成 X20所以min0.06383 0.00063830.06383/ 0.7530.7456選擇操作液氣比為v1.7V min1.2676(2-9)L=1.2676356 X 234.599=297.3860441kmol/h因?yàn)?V(¥-Y2)=L(X1-X2)X 1 0.0498第三節(jié)填料塔工藝尺寸的計(jì)算填料塔工藝尺寸的計(jì)算包括塔徑的計(jì)算、填料能高度的計(jì)算及分段3.1塔徑的計(jì)算 1.空

12、塔氣速的確定泛點(diǎn)氣速法貝恩（Bain）霍根（Hougerj）關(guān)聯(lián)式，即:即:21 41 8i1ig Ufa13V2 =A-K WlvgLWvL1(3-1)2Uf / 100、1.1836 .0.2ig - (3)1 9.81 0.917998.20.09423202.594734.411.1836 s998.2所以：U-/9.81( 100/0.917 3)( 1.1836/998.2)=UF=m/s其中：Uf泛點(diǎn)氣速，m/s;g重力加速度，9.81m/s 2W=5358.89572 kg/h W v=7056.6kg/hA=0.0942; K=1.75 ;取 u=0.7 uF =2.7822

13、0m/sD4 60003.14 2.7820 36000.7631(3-2)圓整塔徑后D=0.8m1.泛點(diǎn)速率校核：u60003.3174 m/s0.785 0.82 3600則在允許范圍內(nèi)u-2. 根據(jù)填料規(guī)格校核：D/d=800/50=16根據(jù)表3-1符合3液體噴淋密度的校核：(1) 填料塔的液體噴淋密度是指單位時(shí)間、單位塔截面上液體的噴淋量。(2) 最小潤(rùn)濕速率是指在塔的截面上，單位長(zhǎng)度的填料周邊的最小液體體積流量對(duì)于直徑不超過(guò)75mm勺散裝填料，可取最小潤(rùn)濕速率Lw min為0.08m3/m h。(3-3)UminLw min t 0.081008m/m? hwLL 0.75 D253

14、58.8957998.2 0.785 0.8210.6858 min(3-4)經(jīng)過(guò)以上校驗(yàn)，填料塔直徑設(shè)計(jì)為D=800mn合理。3.2填料層高度的計(jì)算及分段Y1* mX10.04985 0.75320.03755(3-5)(3-6)Y mX20傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算 用對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法求傳質(zhì)單元數(shù)N OG(丫2 丫；)丫1 丫2Ym(3-7)(3-8)0.06383 0.0006383 0.03755In0.026270.0006383=0.006895質(zhì)單元高度的計(jì)算氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計(jì)算:tw1 exp0.75cUl1.45 cllt l0.1c0.05Uf t U2/2LL

15、 VLg0.2t(3-9)即：a w/ at =0.37404748液體質(zhì)量通量為：ul =WL/0.785 X 0.8X 0.8=10666.5918kg/(?h)氣體質(zhì)量通I量為：Uv =60000 X 1.1761/0.64=14045.78025kg/(m2 ?h)氣膜吸收系數(shù)由下式計(jì)算:kG 0.237( Uv f7v/ v Dv 3 t DV(3-10)t vRT=0.237(14045.78025 - 100.6228 X 10-5)0.7(0.06228 - 0.081 - 1.1761) 0.3(100 X 0.081 - 8.314 - 293)液膜吸收數(shù)據(jù)由下式計(jì)算:Kl

16、 0.0095 旦LlDl(3-11=m/h因?yàn)?1.45kg kg w=8.565021kmol/(m3 h kpa)0 4Kl Kl w . =0.56613 X 100X 0.37404 X =24.56912/h因?yàn)椋簎/ =0.8346所以需要用以下式進(jìn)行校正：1.4屹 1 9.5 0.5 kGUF(3-12 )(3-13)(3-14)=1+ 9.5(0.69999 - 0.5)1.4 8.56502=17.113580 kmol/(m3 h kpa)2.2uk 1 2.60.5 kLUF(3-15)=1+ 2.6 (0.6999- 0.5)2.2 24.569123=26.4210

17、6/hKg11 1可 hkL(3-16)=1-(1 - 17.1358+1 十 0.725 - 26.4210)=9.038478 kmol/(m3 h kpa)H OGVKg P(3-17)=234.599 - 9.03847 - 101.3 - 0.785 - 0.64=0.491182 mZ H°gN°g(3-18)=0.491182 X 9.160434=4.501360m,得Z'=1.4 X 4.501=6.30m填料層的分段對(duì)于鮑爾環(huán)散裝填料的分段高度推薦值為h/D=510。h=5X 80010X 800=48 m計(jì)算得填料層高度為7000mm,故不需分

18、段3.3填料層壓降的計(jì)算取Eckert (通用壓降關(guān)聯(lián)圖)；將操作氣速u(mài)'( = 2.8886m/s)代替縱坐標(biāo)中的uF查表，DG50m塑料鮑爾環(huán)的壓降填料因子=125代替縱坐標(biāo)中的.則縱標(biāo)值為：(3-19)(3-20)V? L2 =0.1652L0.5VL橫坐標(biāo)為:0.55358.89572 1.17617056.6998.2=0.02606查圖得981Pa/m（3-21）Z全塔填料層壓降P =981X 7=6867 Pa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(lèi)型及設(shè)計(jì)4.1塔內(nèi)件類(lèi)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

19、、液體收集再 分布裝置等。合理的選擇和設(shè)計(jì)塔內(nèi)件，對(duì)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(shè)計(jì)液體分布器設(shè)計(jì)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）其他液體分布器布液能力的計(jì)算（1）重力型液體分布器布液能力計(jì)算（2）壓力型液體分布器布液能力計(jì)算注：（1）本設(shè)計(jì)任務(wù)液相負(fù)荷不大，可選用排管式液體分布器；且填料層不高，可不設(shè)液體再分布器(2)塔徑及液體負(fù)荷不大，可采用較簡(jiǎn)單的柵板型支承板及壓板。其它塔附件及氣 液出口裝置計(jì)算與選擇此處從略。注：1填料塔設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表 塔徑 填料層高度 填料規(guī)格 操作液氣比 校正液體流速 壓降 惰性氣體流量2填料

20、塔設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)0.8m7m50mn鮑爾環(huán)1.2676356 1.7 倍最小液氣比2.78220/s6867 Pa234.599kmol/hE亨利系數(shù),uV 氣體的粘度，1.73 10 5 Pa/s=6228 10 5kg/m.h m 平衡常數(shù) 0.7532水的密度和液體的密度之比 12g 重力加速度，m /s 9.81 =1.27108m/hV； L 分別為氣體和液體的密度，1.1836 kg/m ； 998.2 kg/m ；WL =5358.89572 kg/h WV =7056.6kg/h 分別為氣體和液體的質(zhì)量流量Ky3 氣相總體積傳質(zhì)系數(shù),kmol/ m3 sZ 填料層高度，mD2塔截面積，4H OG 氣相總傳質(zhì)單元高度，mNog 氣相總傳質(zhì)單元數(shù)Kg 以分壓差表示推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù),2kmol/ m s kPaaw 單位體積填料的潤(rùn)濕面積t 填料總比表面積，m2/m3 100填料層空隙率m3/m3 91.7%kG 以分壓差表示推動(dòng)力的氣膜傳質(zhì)系數(shù),2kmol / m s kPaH 溶解度系數(shù),0.725kmol / m2kPakL 以摩爾濃度差表示推動(dòng)力的液摩爾傳質(zhì)系數(shù)，m/sR 氣體常數(shù),8.314kN m/ kmol KDv 0.081m2/h;DL 7.34 10 6m2/h 氨氣在