水吸收氨填料吸收塔設計課程設計.doc

合 肥 學 院 HefeiHefei U Universityniversity 化化 工工 原原 理理 課課 程程 設設 計計 題題 目目 水吸收氨填料吸收塔設計水吸收氨填料吸收塔設計 系系 別別 生物與環(huán)境工程系生物與環(huán)境工程系 任務書 水吸收氨填料吸收塔設計 一 設計任務 試設計一座填料吸收塔 用于脫出混于空氣中的氨氣 混合氣體的處理為 自己確 定 其中含氨 5 要求塔頂排放氣體中含氨低于 0 02 采用清水進行吸收 吸 收劑的用量為最小量的 1 1 2 0 倍 二 操作條件 1 操作壓力 常壓 2 操作溫度 20 三 填料類型 陶瓷拉西環(huán) 金屬鮑爾環(huán) 陶瓷矩鞍 填料規(guī)格自選 四 工作日 每年 300 天 每天 24 小時連續(xù)運行 五 廠址 安徽地區(qū) 六 設計內容 1 吸收塔的物料衡算 2 吸收塔的工藝尺寸計算 3 填料層壓降的計算 4 液體分布器簡要設計 5 繪制生產(chǎn)工藝流程圖 6 繪制吸收塔設計條件圖 7 對設計過程的評述和有關問題的討論 七 設計基礎數(shù)據(jù) 20 下氨在水中的溶解度系數(shù)為 H 0 725Kmol m3 Kpa 目錄目錄 一 一 文獻綜述文獻綜述 4 4 一 填料塔技術 4 4 二 填料塔的流體力學性能 5 5 1 填料層的持液量 5 5 2 填料層的壓降 5 5 3 液泛 5 5 4 液體噴淋密度和填料表面的潤濕 5 5 5 返混 5 5 三 填料塔的內件 5 5 1 填料支承裝置 5 5 2 填料壓緊裝置 5 5 3 液體分布裝置 6 6 4 液體收集及再分布裝置 6 6 二 流程的確定與說明二 流程的確定與說明 6 6 一 吸收裝置的流程確定 6 6 二 填料的選擇 6 6 三 三 工藝計算工藝計算 7 7 一 基礎物性數(shù)據(jù) 6 6 1 液相物性數(shù) 6 6 2 氣相物性數(shù)據(jù) 7 7 3 氣相平衡數(shù)據(jù) 7 7 4 混合氣體的處理量 7 7 二 填料塔的工藝尺寸的計算 7 7 1 物料衡算 7 7 2 塔徑計算 8 8 3 填料層高度計算 9 9 4 填料層壓降計算 1111 5 液體分布器簡要設計 1111 四 設計結果概要四 設計結果概要 1212 五 五 主要符號說明主要符號說明 1212 六 參考文獻六 參考文獻 1313 七 七 對本設計的評述及心得對本設計的評述及心得 1313 一 一 文獻綜述文獻綜述 填料塔洗滌吸收凈化工藝不單應用在化工領域 在低濃度工業(yè)廢氣凈化方面也 能很好地發(fā)揮作用 工程實踐表明 合理的系統(tǒng)工藝和塔體設計 是保證凈化效果的 前提 本文簡述陶瓷矩鞍填料應用于水吸收氨過程的工藝設計以及工程問題 一 填料塔技術 一 填料塔技術 填料塔是以塔內的填料作為氣液兩相間接觸構件的傳質設備 它是化工類企業(yè) 中最常用的氣液傳質設備之一 而塔填料塔內件及工藝流程又是填料塔技術發(fā)展的 關鍵 從塔填料 塔內件以及工藝流程 特別是塔填料三方面對填料塔技術的現(xiàn)狀與 發(fā)展趨勢作了介紹 說明了塔填料及塔內件在填料塔技術中的重要性 與板式塔相比 新型的填料塔性能具有如下特點 1 生產(chǎn)能力大 2 分離效率高 3 壓降 小 4 操作彈性大 5 持液量小 填料塔由塔體 填料 填料支承板 液體分布器 液體再分布器 氣體和液體 進出口接管等部件組成 填料塔的塔身是一直立式圓筒 底部裝有填料支承板 填料以亂堆或整砌的方 式放置在支承板上 填料的上方安裝填料壓板 以防被上升氣流吹動 液體從塔頂 經(jīng)液體分布器噴淋到填料上 并沿填料表面流下 氣體從塔底送入 經(jīng)氣體分布裝 置 小直徑塔一般不設氣體分布裝置 分布后 與液體呈逆流連續(xù)通過填料層的空 隙 在填料表面上 氣液兩相密切接觸進行傳質 填料塔屬于連續(xù)接觸式氣液傳質 設備 兩相組成沿塔高連續(xù)變化 在正常操作狀態(tài)下 氣相為連續(xù)相 液相為分散 相 當液體沿填料層向下流動時 有逐漸向塔壁集中的趨勢 使得塔壁附近的液流 量逐漸增大 這種現(xiàn)象稱為壁流 壁流效應造成氣液兩相在填料層中分布不均 從 而使傳質效率下降 因此 當填料層較高時 需要進行分段 中間設置再分布裝置 液體再分布裝置包括液體收集器和液體再分布器兩部分 上層填料流下的液體經(jīng)液 體收集器收集后 送到液體再分布器 經(jīng)重新分布后噴淋到下層填料上 填料塔具有生產(chǎn)能力大 分離效率高 壓降小 持液量小 操作彈性大等優(yōu)點 填料塔也有一些不足之處 如填料造價高 當液體負荷較小時不能有效地潤濕填料 表面 使傳質效率降低 不能直接用于有懸浮物或容易聚合的物料 對側線進料和 出料等復雜精餾不太適合等 二 填料塔的流體力學性能 二 填料塔的流體力學性能 填料塔的流體力學性能主要包括填料層的持液量 填料層的壓降 液泛 填料 表面的潤濕及返混等 1 填料層的持液量 填料層的持液量是指在一定操作條件下 在單位體積填料層內所積存的液體體 積 以 m3 液體 m3 填料 表示 總持液量為靜持液量和動持液量之和 即 填料 層的持液量可由實驗測出 也可由經(jīng)驗公式計算 一般來說 適當?shù)某忠毫繉μ盍?塔操作的穩(wěn)定性和傳質是有益的 但持液量過大 將減少填料層的空隙和氣相流通 截面 使壓降增大 處理能力下降 2 填料層的壓降 在逆流操作的填料塔中 從塔頂噴淋下來的液體 依靠重力在填料表面成膜狀 向下流動 上升氣體與下降液膜的摩擦阻力形成了填料層的壓降 填料層壓降與液 體噴淋量及氣速有關 在一定的氣速下 液體噴淋量越大 壓降越大 在一定的液 體噴淋量下 氣速越大 壓降也越大 將不同液體噴淋量下的單位填料層的壓降 DP Z 與空塔氣速 u 的關系標繪在對數(shù)坐標紙 3 液泛 在泛點氣速下 持液量的增多使液相由分散相變?yōu)檫B續(xù)相 而氣相則由連續(xù)相 變?yōu)榉稚⑾?此時氣體呈氣泡形式通過液層 氣流出現(xiàn)脈動 液體被大量帶出塔頂 塔的操作極不穩(wěn)定 甚至會被破壞 此種情況稱為淹塔或液泛 影響液泛的因素很 多 如填料的特性 流體的物性及操作的液氣比等 4 液體噴淋密度和填料表面的潤濕 填料塔中氣液兩相間的傳質主要是在填料表面流動的液膜上進行的 要形成液 膜 填料表面必須被液體充分潤濕 而填料表面的潤濕狀況取決于塔內的液體噴淋 密度及填料材質的表面潤濕性能 5 返混 在填料塔內 氣液兩相的逆流并不呈理想的活塞流狀態(tài) 而是存在著不同程度 的返混 造成返混現(xiàn)象的原因很多 如 填料層內的氣液分布不均 氣體和液體在 填料層內的溝流 液體噴淋密度過大時所造成的氣體局部向下運動 塔內氣液的湍 流脈動使氣液微團停留時間不一致等 三 填料塔的內件 三 填料塔的內件 填料塔的內件主要有填料支承裝置 填料壓緊裝置 液體分布裝置 液體收集 再分布裝置等 合理地選擇和設計塔內件 對保證填料塔的正常操作及優(yōu)良的傳質 性能十分重要 1 填料支承裝置 填料支承裝置的作用是支承塔內的填料 常用的填料支承裝置有如圖片 3 14 所 示的柵板型 孔管型 駝峰型等 支承裝置的選擇 主要的依據(jù)是塔徑 填料種類 及型號 塔體及填料的材質 氣液流率等 2 填料壓緊裝置 填料上方安裝壓緊裝置可防止在氣流的作用下填料床層發(fā)生松動和跳動 填料 壓緊裝置分為填料壓板和床層限制板兩大類 3 液體分布裝置 液體分布裝置的種類多樣 有噴頭式 盤式 管式 槽式及槽盤式等 4 液體收集及再分布裝置 液體沿填料層向下流動時 有偏向塔壁流動的現(xiàn)象 這種現(xiàn)象稱為壁流 壁流 將導致填料層內氣液分布不均 使傳質效率下降 為減小壁流現(xiàn)象 可間隔一定高 度在填料層內設置液體再分布裝置 二 二 流程的確定與說明流程的確定與說明 一 吸收裝置的流程確定 一 吸收裝置的流程確定 逆流操作 氣相自塔底進入由塔頂排出 液相自塔頂進入由塔底排出 逆流操 作特點是 傳質平均推動力大 傳質速率快 分離效率高 吸收劑利用率高 工業(yè) 中多采用逆流操作 二 填料的選擇 二 填料的選擇 填料的選擇塔填料 簡稱為填料 是填料塔中的氣液接觸的基本構件 其優(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) 拉西環(huán)填料的氣液分布較差 傳質速率低 阻力大 通量小 目前工業(yè)上已很少應 用 鮑爾環(huán)填料由于環(huán)壁開孔 大大提高了環(huán)內空間及環(huán)內表面的利用率 氣流阻 力小 液體分布均勻 與拉西環(huán)相比 其通量可增加 50 以上 傳質效率提高 30 左 右 鮑爾環(huán)是目前應用比較廣的填料之一 陶瓷矩鞍由于其具有高的密度和優(yōu)異的 耐酸耐熱性能 并且能耐除氫氟酸以外的各種無機酸 有機酸及有機溶劑腐蝕 陶 瓷矩鞍的形狀有利于液體分布和增加民氣體通道 它采用連續(xù)擠出的工藝進行加工 與同種材質的拉西環(huán)填料相比 具有通量大 壓降低 效率高等優(yōu)點 比鮑爾環(huán)阻 力小 通量大 效率高 填料強度和剛性較好 是目前應用最廣的一種散堆填料 綜上所述該課程設計選擇陶瓷矩鞍填料 規(guī)格為 60mm 30 mm 4mm 其主要參數(shù) 如下 填料類型 公稱直徑 DN mm 外徑 高 厚 比表面積 at m2 m3 空隙率 堆積個數(shù) n m 3 堆積密度 kg m3 干填料因 子 m 1 陶瓷矩鞍38 60 30 41310 80419680502252 0 三 工藝計算 一 基礎物性數(shù) 一 基礎物性數(shù)據(jù)據(jù) 1 液相物性數(shù) 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 水的有關物性數(shù)據(jù)如下 密度為 L 998 2 kg m3 粘度為 L 0 001 Pa S 3 6 kg m h 表面張力為 L 72 6 dyn cm 940896 kg h2 NH3在水中的擴散系數(shù)為 DL 1 76 10 9 m2 s 6 336 10 6m2 h 2 氣相物性數(shù)據(jù) 混合氣體的平均摩爾質量為 vm M0 05 17 030 952928 40 混合氣體的平均密度為 3 1 181kg m vm 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 5 1 81 100 065 kg m h v Pa S 查手冊得 NH3 在空氣中的擴散系 522 D1 795x10 cm s0 0646m h v 3 氣相平衡數(shù)據(jù) 已知 20 時 NH3 在水中的溶解度系數(shù)為 H 0 725 kmol m3 kPa 常壓下 20 時 NH3在水中的亨利系數(shù)為 E 76 41kPa 相平衡常數(shù)為 m 0 754 4 混合氣體的處理量為 100000kg h 二 填料塔的工藝尺寸計算 二 填料塔的工藝尺寸計算 1 物料衡算 1 1 5 2 0 05 0 05 0 0526 10 05 0 05260 00021 052 10 101 3kpa20 273 15 100000 10 053951 73 22 4 293 15 kom h 進塔混合氣體各組分的含量 y 進塔氣相摩爾比為 Y 出塔氣相摩爾比為 Y 塔內平均操作壓強為 溫度為 故混合氣體中惰性氣體的量為 12 min12 YYL GYmX 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 2 5 min 0 0 05261 052 10 0 7538 0 0526 0 7540 1 50 7538 1 51 13 X L G L G 對于純溶劑吸收過程 進塔液相組成為 取操作液氣比為倍 則 1212 12 1 1 13 3951 734465 45 V YYL XX 0 0465 Lkom h YY X L G 由全塔物料衡算式 可得 2 塔徑計算 5 101 181118100 v wkg h 采用埃克通用關聯(lián)圖計算泛點氣速氣相質量流量為 0 5 0 0234 0 21 vL vL pw wp 液相質量流量可近似按純水的流量計算 即 查圖可知對應縱坐標為 1 2 2 0 2 5 0 21 9 81 998 2 17 2 252 0 0234 1 181 1 0 80 8 17 213 8 44 10 3600 1 6013 3 14 13 8 D 1 8m vP F L F s u um s g uum s V m u 取 由D 圓整塔徑 5 2 10 3600 u 10 92 0 785 1 8 10 92 100 63 49 17 2 1800 3847 378 F m s u u D d 泛點率校核 在允許范圍內 填料規(guī)格校核 32 w min minw min 2 L0 08 L0 081 13110 6 80467 4 998 2 31 710 6 0 785 1 8 D 1800mm t mm h Ua U 液體噴淋密度校核 取最小潤濕速率為 經(jīng)以上校核可知 填料塔直徑選用合理 3 填料層高度計算 1 2 12 22 5 w 0 7540 04650 0351 0 m0 7543951 73 S 0 667 4465 45 1 Nln1 1 10 05260 ln10 6670 66722 3 10 6671 052 10 1ex OG t YmX YmX V L YY SS SYY a 脫吸因數(shù)為 氣相總傳質單元數(shù)為 氣相總傳質單元高度采用修正的恩田關聯(lián)式計算 0 050 20 10 75 22 2 2 2 L 2 0 75 w p1 45 61dyn cn 790560kg h 80467 4 U 31637 7 0 785 1 8 79056031637 1exp1 45 940896 CLtLL LtLLLtL C t UaUU aag kgmh a 查材料得 液體質量通量為 0 050 2 0 1 22 28 731637 713131637 7 0 684 131 3 6998 2940896 131998 21 27 10 0 71 3 V G 522 v 0 71 3 U 0 237 U 101 181 0 785 1 846433 9 46433 90 065131 0 035 0 2370 2 131 0 0651 181 0 0358 314 293 15 Vtv tvVV G a D k aDRT kgmh k 氣膜吸收系數(shù)由下式計算 氣體質量通量為 2 16 komlmh kPa 2 31 21 3 w 0 0095 LLL L LLLL Ug k D 液膜吸收系數(shù)由下式計算 1 3 2 3 1 2 8 6 1 1 G 1 11 1 G 0 4 31637 73 63 6 1 27 10 0 00950 678 0 648 131 3 6998 2 6 336 10998 2 1 19 0 26 0 648 131 1 1926 73 0 678 0 648 GW Gw LLw m h ak a ak a k ak a 由k 查常見填料的形狀系數(shù)表得 則k 0 4 1 4 2 2 1 4 3 2 2 G 131 1 1961 7 63 49 50 1 9 50 5 12 60 5 k 1 9 5 0 63490 526 7342 1 12 6 0 63490 561 763 66 K F GG F LL F G L u u u ak a u u kak a u akomlmh kPa ka a 由k 得 則 OG Y 2 11 21 77 1111 41 263 33 V H K 3951 73 0 704m 21 77 0 785 1 8101 325 0 704 22 315 6992m 1 25 Z 1 25 15 699219 624m Z 20m 58 max6 GL G OGOG kaHka V aK aP ZHN h hm D 由 取的安全系數(shù) 得 設計區(qū)填料層高度為 查散裝填料分段高度推介表 對于矩鞍填料 5 m h D 取 則 5 180012000hmm 計算得填料層高度為200000m m 故需要分段 4 填料層壓降計算 0 5 1 0 0234 252 0 vL vL P pw wp m 采用?？送ㄓ藐P聯(lián)圖計算填料層壓降 橫坐標為 查散裝填料因子平均值表得 L 22 0 20 2 v L 10 92140 0 02341 181 1 0 047 9 81998 2 P Z 245 25Pa m P 245 25 20 4905Pa P F u u g 縱坐標為 查?？送ㄓ藐P聯(lián)圖得 填料層壓降為 5 液體分布器簡要設計 1 液體分布器的選型 該吸收塔液相負荷較大 而氣相負荷相對較低 故選用槽式液相分布器 2 分布點密度計算 2 2 2 D120042 m m 8002035 按?？私ㄗh值 時 噴淋點密度為點因該塔液相負荷較大 設計取噴淋點密度為800點 布液點數(shù)為 n 0 785 1 8點 3 布液計算 2 2 2 D120042 m m 8002035 按埃克建議值 時 噴淋點密度為點因該塔液相負荷較大 設計取噴淋點密度為800點 布液點數(shù)為 n 0 785 1 8點 2 0 1 2 0 1 2 0 L2 4 0 6H 160mm 4 2 4 80467 4 998 2 3600 0 0036 3 14 2035 0 6 2 9 81 0 16 4 0 s s d ng H L d ng H m mm 由 取 設計取d 4 液體分布器裝置的安裝 對于此填料塔而言 由于塔徑為 1800mm 填料層高度為 15700mm 為了提高塔 效率 故將其填料分為三層 四 設計結果概要四 設計結果概要 吸收劑 水 流量 80467 4 kmol h 塔徑 1800mm 塔高 20000mm 填料層壓降 245 25Pa m 全塔填料層壓降 4905Pa 五 五 主要符號說明主要符號說明 3 3 0 2 L 2 V 3 OG OG 2 G L m m m m Dm s Dm s EPa hm kmol Hm N kkm t w a d m km 填料的總比表面積 填料的潤濕比表面積 篩孔直徑 D 塔徑 液體擴散系數(shù) 氣體擴散系數(shù) 亨利系數(shù) k 填料層分段高度