水吸收氨化工原理課程設(shè)計(jì).doc

化 工 原 理 課 程 設(shè) 計(jì)題目 水吸收氨氣過程填料塔吸收設(shè)計(jì) 學(xué) 院 化學(xué)化工學(xué)院 專業(yè)班級(jí) 化學(xué)工程與工藝2012級(jí) 學(xué)生姓名 學(xué)生學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 2015年1月 20 日 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書2014年化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書（2）一、 設(shè)計(jì)題目：水吸收氨過程填料吸收塔的設(shè)計(jì)試設(shè)計(jì)一座填料吸收塔，用于脫除混于空氣中的氨氣?；旌蠚怏w的處理量為4000、4500、5000、5500、6000、6500、7000、7500、8000、8500、9000、9500、10000 、11000、120003/h（每個(gè)學(xué)生選擇一種處理量；學(xué)號(hào)：11-25號(hào)），其中含氨為5%（體積分?jǐn)?shù)），要求塔頂排放氣體中含氨低于0.02%（體積分?jǐn)?shù)）。采用清水進(jìn)行吸收，吸收劑的用量為最小用量的1.5倍。二、 操作條件（1）操作壓力 常壓 （2）操作溫度 20三、 填料類型選用聚丙烯階梯環(huán)填料，填料規(guī)格自選。四、 工作日每年300天，每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。 五、 廠址廠址為衡陽地區(qū)。 六、 設(shè)計(jì)內(nèi)容（1）吸收塔的物料衡算； （2）吸收塔的工藝尺寸計(jì)算； （3）填料層壓降的計(jì)算； （4）液體分布器簡要設(shè)計(jì)； （5）吸收塔接管尺寸計(jì)算； （6）繪制吸收塔設(shè)計(jì)條件圖； （7）對(duì)設(shè)計(jì)過程的評(píng)述和有關(guān)問題的討論。（七） 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)20下氨在水中的溶解度系數(shù)為H=0.725kmol/( m3.kPa)。要求：1.參照化工原理課程設(shè)計(jì)教材計(jì)算；2.手工繪圖，A1圖紙；3.打印稿，并交電子稿；4.要列出參考文獻(xiàn)指導(dǎo)教師：賀楚華； QQ郵箱：674615536學(xué)號(hào):19號(hào) 選擇混合氣體處理流量8000 m3/h目 錄第一章 填料塔主體設(shè)計(jì)方案的確定-6 1.1裝置流程的確定-6 1.2吸收劑的選擇-6 第二章 填料的類型與選擇-6 2.1填料的類型-6 2.2填料的選擇-7第三章填料吸收塔的工藝計(jì)算-7 3.1基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)-7 3.1.1液相物性數(shù)據(jù) -7 3.1.2氣相物性數(shù)據(jù)-7 3.1.3氣液相平衡數(shù)據(jù)-8 3.2 物料衡算-8 3.3填料塔的工藝尺寸計(jì)算-9 3.3.1塔徑的計(jì)算-9 3.3.2填料規(guī)格校核-11 3.4填料層高度的計(jì)算及分段-11 3.4.1填料層高度的計(jì)算-11 3.4.2填料層的分段-14第四章 塔輔助設(shè)備的計(jì)算及選型-15 4.1 填料層壓降的計(jì)算-15 4.2 液體分布器的計(jì)算-16 4.2.1液體分布器的選型-16 4.2.2分布點(diǎn)密度計(jì)算-16 4.2.3布液計(jì)算-16 4.2.4液體再分布裝置-17 4.3吸收塔的主要接管尺寸的計(jì)算-17 4.5吸收塔的壓力降-19第五章設(shè)計(jì)一覽表-19 表1吸收塔的吸收劑用量計(jì)算總表-19 表2塔設(shè)備計(jì)算總表-20 表3填料計(jì)算總表-21 第六章 對(duì)設(shè)計(jì)過程的評(píng)述和有關(guān)問題的討論-22參考文獻(xiàn)-23 主要符號(hào)說明1.英文字母 填料層的有效傳質(zhì)比表面積（m/m）填料層的潤滑比表面積m/m吸收因數(shù) D塔徑;LS液體噴淋密度;DL、DV擴(kuò)散系數(shù)，m/s； 亨利系數(shù)，KPa重力加速度，kg/(m.h)溶解度系數(shù)，kmol /(m.KPa)氣相總傳質(zhì)單元高度，mMS混合氣體摩爾質(zhì)量氣相傳質(zhì)單元數(shù)相平衡常數(shù)總壓，KPaL液相質(zhì)量流量，kg/hS氣相質(zhì)量流量,kg/h分壓，KPa氣體通用常數(shù)，kJ/(kmol.K)解吸因子溫度，0C空塔速度，m/suF液泛速度，m/sV惰性氣體流量，kmol/s混合氣體體積流量，m3/s;kL液膜吸收系數(shù) ，kmol/(m2.s.kmol/m3)kG氣膜吸收系數(shù)，kmol/(m2.s)KG氣相總吸收系數(shù)，kmol/(m2.s.kpa)KL液相總吸收系數(shù)kmol/(m.s)L吸收劑用量kmol/h; kmol/s密度kg/ m2.下標(biāo)液相的 氣相的x溶質(zhì)組分在液相中的摩爾分率 X溶質(zhì)組分在氣相中的摩爾比 y溶質(zhì)組分在液相中的摩爾分率 Y溶質(zhì)組分在氣相中的摩爾比 Z填料層高度 第一章 填料塔主體設(shè)計(jì)方案的確定1.1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。1.2吸收劑的選擇 吸收劑又叫溶劑，吸收過程是依靠氣體在吸收劑中的溶解來實(shí)現(xiàn)的，因此，選擇良好的吸收劑是吸收過程的重要一環(huán)選擇吸收劑的基本要求:1. 吸收劑應(yīng)具有較大溶解度，以提高吸收速率減少吸收劑用量，降低輸送與再生的能耗。2. 選擇性好，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。 3. 操作溫度下吸收劑的蒸汽壓要低，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。4. 粘度要低，以利于傳質(zhì)與輸送；有利于氣液接觸，提高吸收速率。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)。6. 其它，所選用的吸收劑還應(yīng)滿足無毒性，無腐蝕性，不易燃易爆，不發(fā)泡，冰點(diǎn)低，廉價(jià)易得以及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等要求。按要求用清水作為吸收劑，其廉價(jià)易得，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，選擇性好，且NH3不作為產(chǎn)品，故采用純?nèi)軇５?章 填料的類型與選擇2.1填料的類型 塔填料（簡稱為填料）是填料塔的核心構(gòu)件，它提供了氣、液兩相相接觸傳質(zhì)與傳熱的表面，其性能優(yōu)劣是決定填料塔操作性能的主要因素。填料的比表面積越大，氣液分布也就越均勻，傳質(zhì)效率也越高，它與塔內(nèi)件一起決定了填料塔的性質(zhì)。根據(jù)填裝方式的不同，可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類。塑料階梯環(huán)特性數(shù)據(jù)材質(zhì)外徑d，mm外徑高厚dH比表面積at，m2/m3空隙率，m3/m3個(gè)數(shù)n，個(gè)/m3堆積密度p，kg/m3干填料因子at/3，m-1填料因子，m-1塑料253850762517.51.43819150301.576373228132.5114.289.950.900.910.9270.92981500272009980342097.857.576.868.4313175.6143.111217611689722.2填料的選擇 根據(jù)要求選擇的填料為散裝填料中的塑料聚丙烯DN50階梯環(huán)，所選用的填料主要參數(shù)如下： 公稱直徑：50mm 孔隙率:0.927e 比表面積a:114.2壓降填料因子:89/m-1-第三章填料吸收塔的工藝計(jì)算3.1基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)3.1.1液相物性數(shù)據(jù) 密度為： 黏度為： 表面張力 NH 3在水中的擴(kuò)散系數(shù)為：3.1.2氣相物性數(shù)據(jù) 混合氣體平均密度： 混合氣體平均摩爾質(zhì)量為 Ms=yiMi=0.0517+0.9529=28.40kg/kmol 混合氣體的黏度可近似取空氣的黏度，查得20空氣的黏度為： 查表得273K，101.3Kpa氨氣在空氣中擴(kuò)散系數(shù)： 經(jīng)計(jì)算 293K,101.3Kpa氨氣在空氣中擴(kuò)散系數(shù)：3.1.3氣液相平衡數(shù)據(jù)20，101.3Kpa下氨氣在水中的溶解度系數(shù)： 相平衡常數(shù)： 3.2 物料衡算 由設(shè)計(jì)條件知：原料液中NH3的摩爾分?jǐn)?shù)為0.05，排放氣體中NH3的摩爾分?jǐn)?shù)為0.0002。進(jìn)塔氣相摩爾比：出塔氣相摩爾比：對(duì)于純?nèi)軇┪者^程，進(jìn)塔液相組成：進(jìn)塔惰性氣體流量： 吸收過程屬于底濃度吸收，平衡關(guān)系為直線，最小氣液比可按下式計(jì)算，即： 對(duì)于純?nèi)軇┪者^程，進(jìn)塔液相組成為： 取操作液氣比為 根據(jù)全塔物料衡算式: 3.3填料塔的工藝尺寸計(jì)算3.3.1塔徑的計(jì)算 氣相質(zhì)量流量為： 液相質(zhì)量流量可近似按純水的流量計(jì)算，即 空塔氣速的確定泛點(diǎn)氣速法 對(duì)于散裝填料，其泛點(diǎn)率的經(jīng)驗(yàn)u/u=0.5-0.85貝恩（Bain）霍根（Hougen）關(guān)聯(lián)式 ，即： = 即：解得 其中： 泛點(diǎn)氣速，m/s; g 重力加速度，9.81m/s 氣相密度 常數(shù)A與K和填料形狀、材質(zhì)的關(guān)系散裝填料類型塑料鮑爾環(huán)金屬鮑爾環(huán)塑料階梯環(huán)金屬階梯環(huán)瓷矩鞍金屬環(huán)矩鞍 A0.09420.10.2040.1060.1760.06275 K1.751.751.751.751.751.75查上表得 A=0.204； K=1.75；取u=0.7=2.94m/s由 圓整塔徑后 D=1.0m（常用的標(biāo)準(zhǔn)塔徑為400、500、600、700、800、1000、1200、1400、1600、2000、2200）泛點(diǎn)率校核： （對(duì)于散裝填料，其泛點(diǎn)率的經(jīng)驗(yàn)值為,算得的數(shù)值在(0.50-0.85)之間,所以符合求.）3.3.2填料規(guī)格校核 根據(jù)要求應(yīng)選擇環(huán)形填料中的塑料階梯環(huán).由于所選用的塔徑為1000mm,又根據(jù)填料與塔徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系及實(shí)際操作要求,尺寸為DN50的塑料階梯環(huán),填料規(guī)格如下:公稱直徑：50mm孔隙率e:0.927比表面積a:114.2填料因子:143/m-填料常數(shù)A:0.204 所以有D/d=1000/50=20,即符合要求.見下圖： 液體淋噴密度校核：取最小濕潤速率為查手冊(cè)得 經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用D=1000mm合理。3.4填料層高度的計(jì)算及分段3.4.1填料層高度的計(jì)算 脫吸因素為 氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)是是式計(jì)算：不同材質(zhì)的值材質(zhì) 鋼 瓷 聚丙烯聚氯乙烯 碳 玻璃 石蠟表面張力/dyn.cm-175 61 3340 56 73 20查得 液體的質(zhì)量通量為 氣膜吸收系數(shù)： 氣體質(zhì)量通量為： 液膜吸收數(shù)據(jù)由下式計(jì)算： 各類填料的形狀系數(shù)填料類型球棒拉西環(huán)弧鞍開孔環(huán)值0.720.7511.191.45查上表得=1.45 故=0.13840.08=8.32 以下公式為修正計(jì)算公式： 得 則 由得 設(shè)計(jì)取填料層高度為 3.4.2填料層的分段由散裝填料分段高度推薦值查得：散裝填料分段高度推薦值填料類型h/D hmax/m拉西環(huán)2.54矩鞍5-86鮑爾環(huán)5-106階梯環(huán)8-156環(huán)矩鞍8-156塑料階梯環(huán) h/D 。 h/D=8，則 h=81000=8000 mm計(jì)算的填料層高度為8000 mm，故分段兩段，每段4000mm。第四章塔輔助設(shè)備的計(jì)算及選型4.1 填料層壓降的計(jì)算填料層壓降:氣體通過填料層的壓降采用Eckert關(guān)聯(lián)圖計(jì)算,在圖中：u-空塔氣速，m/s g-重力加速度，9.81m/s2 -填料因子，1/m -液體密度校正系數(shù)，=水/L L、V-液體、氣體的密度,kg/m3 L-液體黏度，mPas L、V-液體、氣體的質(zhì)量流量,kg/s其中橫坐標(biāo)為：查下表得 DN16 DN25 DN38 DN50 DN76填料因子/m-1- 176 116 89-縱坐標(biāo)為 查表得填料層壓降為4.2 液體分布器的計(jì)算4.2.1液體分布器的選型 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。 根據(jù)本吸收的要求和物系的性質(zhì)可選用重力型排管式液體分布器，布液孔數(shù)應(yīng)依據(jù)所用填料所需的質(zhì)量分布要求決定，噴淋點(diǎn)密度應(yīng)遵循填料的效率越高所需的噴淋點(diǎn)密度越大這一規(guī)律。4.2.2分布點(diǎn)密度計(jì)算Ecker的散裝填料塔分布點(diǎn)密度推薦值 塔徑/mm 分布點(diǎn)密度/（點(diǎn)/m2塔截面） D=400 330 D=750 170 D1200 42設(shè)計(jì)中D=1000mm,則取噴淋密度為90點(diǎn)/m2則總布液孔數(shù)為：n=0.785D2=0.7851290=70.65 實(shí)際總布液孔數(shù)：71點(diǎn)4.2.3布液計(jì)算取 =0.60 ，H=0.2 mLS=426.7818.02/3600998.2=2.1410-3m3/s由得： =42.1410-3/0.63.1471(29.810.2)1/21/2 =5.6810-3m=5.68mm取 d0為6 mm由計(jì)算得，設(shè)計(jì)布液點(diǎn)數(shù)為71點(diǎn)，直徑為6 mm 4.2.4液體再分布裝置氣液兩相在填料層中流動(dòng)時(shí)，受阻力的影響，易發(fā)生偏流現(xiàn)象，導(dǎo)致亂堆填料層內(nèi)氣液分布不均，使傳質(zhì)效率下降。為防止偏流，可間隔一定高度在填料層內(nèi)設(shè)置再分布裝置，將流體先經(jīng)收集后重新分布。最簡單的再分布裝置為截錐式再分布器，其結(jié)構(gòu)簡單安裝方便。故選擇截錐式再分布器。本設(shè)計(jì)采用的是分配錐形的再分布器，其最簡單沿壁流下的液體用分配錐再將它導(dǎo)入中央截錐小頭的直徑一般為 ,本設(shè)計(jì)取10000.8=800mm，為了增加氣體流過是的自由截面積，在分配錐上開設(shè)7個(gè)管孔，錐體與塔壁夾角取在，取h=110mm。4.3 吸收塔的主要接管尺寸的計(jì)算 1、氣體進(jìn)料管 由于常壓下塔氣體進(jìn)出口管氣速可取1020，故若取氣體進(jìn)出口流速近似為16m/s，則由公式D=可求得氣體進(jìn)出口內(nèi)徑為 采用直管進(jìn)料，由以下資料查得 選擇=426mm17mm熱軋無縫鋼管，則 （在符合范圍內(nèi)）氣體進(jìn)出口壓降: 進(jìn)口：出口： 2、液體進(jìn)料管 由于常壓下塔液體進(jìn)出口管速可取，故若取液體進(jìn)出口流速近似為2.6m/s，則由公式D=可求得液體進(jìn)出口內(nèi)徑為 采用直管進(jìn)料，由化工原理第三版 王志魁主編 化學(xué)工業(yè)出版社P381查得選擇熱軋無縫鋼管，則 （在符合范圍內(nèi)）4.4 塔附屬高度的計(jì)算 取塔上部空間高度可取1.5m,塔底液相停留時(shí)間按5min考慮,則塔釜所占空間高度為: h=426.7818.02560/(120.7853600998.2)=0.82m考慮到氣相接管所占的空間高度,底部空間高度可取3.0m,所以塔的附屬高度可以取5.5m。所以塔高為 h=5.5+8=13.5m4.5吸收塔的壓力降 P=P+P1+P2=3924+147.41+73.7=4145.11Pa第五章 設(shè)計(jì)一覽表 吸收塔類型：聚丙烯階梯環(huán)吸收填料塔表吸收塔的吸收劑用量計(jì)算總表意義及符號(hào)結(jié)果混合氣體處理量VS8000m3/h氣液相平衡常數(shù)m 0.751進(jìn)塔氣相摩爾分率Y1 0.0526出塔氣相摩爾分率Y2 0.0002進(jìn)塔液相摩爾分率X1 0.0388最小液氣比（L/V）min 0.751混合氣體平均摩爾質(zhì)量M 28.40kg/mol混合氣體的密度1.181kg/m3混合氣體的粘度1.81105Pas吸收劑用量L 426.78kmol/h惰性氣體流量V 316.13kmol/h 表塔設(shè)備計(jì)算總表意義及符號(hào)結(jié)果塔徑D1.0 m塔高H 13.5m填料層高Z 8 m填料塔上部高度h12.5 m填料塔下部高度 3.0 m氣相總傳質(zhì)單元高度 0.498 m氣相總傳質(zhì)單元數(shù)10.79 m布液孔數(shù)n 71個(gè)泛點(diǎn)氣速uF 4.2 m/s塔的壓降P 3924Pa 表填料計(jì)算總表意義及符號(hào)結(jié)果填料直徑dp50mm孔隙率%0.927填料比表面積a114.2m2/m3填料因子89m-1填料常數(shù)A0.204第六章 對(duì)設(shè)計(jì)過程的評(píng)述和有關(guān)問題的討論 經(jīng)過了幾周的辛苦和忙碌，