水吸收氨填料塔課程設(shè)計

.PAGE.-..-可修遍-目錄1、概述31、1吸收技術(shù)概況31、2填料塔概況41、3設(shè)計方案簡介52、工藝計算62、1根底物性數(shù)據(jù)62.1.1液相數(shù)據(jù)62.1.2氣相數(shù)據(jù)72.1.3氣液相平衡數(shù)據(jù)72.1.4物料衡算72.2填料塔的工藝尺寸的計算142.2.1塔徑的計算142.2.2填料層高度計算152.2.3填料層壓降計算182.2.4液體分布器簡要設(shè)計183.輔助設(shè)備的計算及選型193.1吸收塔的主要接收尺寸的計算193.2氣體進出口壓降193.3離心泵的選擇與計算194.設(shè)計一覽表205.總結(jié)211、概述1、1吸收技術(shù)概況在化學(xué)工業(yè)中，經(jīng)常需要將氣體混合物中的各個組分加以別離，其主要目的是回收氣體混合物中的有用物質(zhì)，以制取產(chǎn)品，或除去工藝氣體中的有害成分，使氣體凈化，以便進一步加工處理，或除去工業(yè)放空尾氣中的有害成分，以免污染空氣。吸收操作是氣體混合物別離方法之一，它是根據(jù)混合物中各組分在某一種溶劑中溶解度不同而到達別離的目的。氨是化工生產(chǎn)中極為重要的生產(chǎn)原料，但是其強烈的刺激性氣味對于人體安康和大氣環(huán)境都會造成破壞和污染，因此，為了防止化學(xué)工業(yè)產(chǎn)生的大量的含有氨氣的工業(yè)尾氣直接排入大氣而造成空氣污染，需要采用一定方法對于工業(yè)尾氣中的氨氣進展吸收，本次化工原理課程設(shè)計的目的是根據(jù)設(shè)計要求采用填料吸收塔吸收的方法來凈化含有氨氣的工業(yè)尾氣，使其到達排放標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計采用填料塔進展吸收操作是因為填料可以提供巨大的氣液傳質(zhì)面積而且填料外表具有良好的湍流狀況，從而使吸收過程易于進展，而且，填料塔還具有構(gòu)造簡單、壓降低、填料易用耐腐蝕材料制造等優(yōu)點，從而可以使吸收操作過程節(jié)省大量人力和物力。吸收操作廣泛地用于氣體混合物的別離，其在工業(yè)上的具體應(yīng)用大致有以下幾種：〔1〕原料氣的凈化。為出去原料氣中所含的雜質(zhì)，吸收可說是最常見的方法。就雜質(zhì)的濃度來說，多數(shù)很底，但因為危害大而仍要求高的凈化率。例如用水或堿液脫除合成氨原料氣中的二氧化碳，用丙酮脫除裂解氣中的乙炔等?！?〕有用組分的回收。如從合成氨廠的放空氣中用水回收氨；從焦?fàn)t煤氣中以洗油回收粗苯〔包括苯、甲苯、二甲苯等〕蒸氣和從某寫枯燥廢氣中回收有機溶劑蒸氣等?！?〕某些產(chǎn)品的制取。將氣體中需用的成分以指定的溶劑吸收出來，成為溶液態(tài)的產(chǎn)或半成品。如制酸工業(yè)中從含鹽酸、氮氧化物、三氧化硫的氣體制取鹽酸、硝酸、硫酸；在甲醇|〔乙醇〕蒸氣經(jīng)氧化后，用水吸收以制成甲醛〔乙醛〕半成品等。〔4〕廢氣的治理。很多工業(yè)廢氣中含有二氧化硫、氮氧化物〔主要是一氧化氮及二氧化氮〕、汞蒸氣等有害成分雖然濃度一般很底，但對人體和環(huán)境的危害甚大而必須進展治理。這類環(huán)境保護問題在我國已愈來愈受重視。選擇適當(dāng)?shù)墓に嚭腿軇┻M展吸收，是廢氣治理中應(yīng)用教廣的方法。當(dāng)然，以上目的有時也難于截然分開，如枯燥廢氣中的有機溶劑，能回收下來就很有價值，任其排放那么會然大氣。1、2填料塔概況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，并沿填料外表流下。氣體從塔底送入，經(jīng)氣體分布裝置〔小直徑塔一般不設(shè)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，在填料外表上，氣液兩相密切接觸進展傳質(zhì)。填料塔屬于連續(xù)接觸式氣液傳質(zhì)設(shè)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(dāng)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(yīng)造成氣液兩相在填料層中分布不均，從而使傳質(zhì)效率下降。因此，當(dāng)填料層較高時，需要進展分段，中間設(shè)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局部，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。該設(shè)計填料塔中，氨氣和空氣混合氣體，經(jīng)由填料塔的下側(cè)進入填料塔中，與從填料塔頂流下的水逆流接觸，在填料的作用下進展吸收。經(jīng)吸收后的混合氣體由塔頂排除，吸收了氨氣的水由填料塔的下端流出。1.3設(shè)計方案簡介本次設(shè)計采用逆流操作：氣相自塔低進入由塔頂排出，液相自塔頂進入由塔底排出，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，別離效率高，吸收劑利用率高。工業(yè)生產(chǎn)中多采用逆流操作。吸收劑的選擇：吸收過程是依靠氣體溶質(zhì)在吸收劑中的溶解來實現(xiàn)的，因此，吸收劑性能的優(yōu)劣，是決定吸收操作效果的關(guān)鍵之一，選擇吸收劑時應(yīng)著重考慮以下幾方面：(1)溶解度吸收劑對溶質(zhì)組分的溶解度要大，以提高吸收速率并減少吸收劑的用量。(2)選擇性吸收劑對溶質(zhì)組分要有良好的吸收能力，而對混合氣體中其他組分不吸收或吸收甚微，否那么不能直接實現(xiàn)有效別離。(3)揮發(fā)度要低操作溫度下吸收劑的蒸氣壓要低，以減少吸收和再生過程中吸收劑的揮發(fā)損失。(4)黏度吸收劑在操作溫度下的黏度越低，其在塔的流動性越好，有助于傳質(zhì)速率和傳熱速率的提高。(5)其他所選用的吸收劑應(yīng)盡可能滿足無毒性、無腐蝕性，不易燃易爆、不發(fā)泡、冰點低、價廉易得以及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等要求。工業(yè)常用吸收劑溶質(zhì)溶劑溶質(zhì)溶劑氨水、硫酸丙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、有機溶劑苯蒸汽煤油、洗油一氧化碳銅氨液塔填料〔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)與傳熱的外表，其性能優(yōu)劣是決定填料塔操作性能的主要因素。填料的比外表積越大，氣液分布也就越均勻，傳質(zhì)效率也越高，它與塔件一起決定了填料塔的性質(zhì)。因此，填料的選擇是填料塔設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。填料的種類很多根據(jù)裝填方式的不同，可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類。本次采用散裝填料。階梯環(huán)一般由塑料和金屬制成，由于其性能優(yōu)于其它側(cè)壁上開孔的填料，因此獲得廣泛的應(yīng)用。因此本次設(shè)計選用階梯環(huán)。工業(yè)塔常用的散裝填料主要有Dn16\Dn25\Dn38\Dn76等幾種規(guī)格。填料的塔徑與填料公稱直徑比值D/d的推薦值。填料種類D/d的推薦值拉西環(huán)D/d20~30鞍環(huán)D/d15鮑爾環(huán)D/d10~15階梯環(huán)D/d>8環(huán)矩鞍D/d>8選用50mm聚丙烯階梯環(huán)塔填料。其主要性能參數(shù)查表得：比外表積a：114.2空隙率：0.927填料因子：表2.1國階梯環(huán)特性數(shù)據(jù)材質(zhì)外徑d，mm25385076外徑×高×厚d×H×δ25×17.5×1.438×19×150×30×1.576×37×3比外表積at，m2/m3228132.5114.289.95空隙率ε，m3/m30.900.910.9270.929個數(shù)n，個/m3815002720099803420堆積密度ρp，kg/m397.857.576.868.4干填料因子at/ε3，m-1313175.6143.1112填料因子Φ，m-12401208072塑料2、工藝計算2、1根底物性數(shù)據(jù)2.1.1液相數(shù)據(jù)水的密度：外表力：的微分溶解熱：34738J/mol2.1.2氣相數(shù)據(jù)混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為：混合氣體密度：3.混合氣體黏度可近似取為空氣黏度。查手冊得40空氣黏度：2.1.3氣液相平衡數(shù)據(jù)20下氨在水中的溶解度系數(shù)亨利系數(shù)相平衡常數(shù)E——亨利系數(shù)H——溶解度系數(shù)Ms——相對摩爾質(zhì)量m——相對平衡常數(shù)2.1.4物料衡算水吸收氨氣平衡關(guān)系CL——水在塔溫度tm=(塔頂+塔底)/2下的比熱=〔20+273.15+40+273.15〕/2下的比熱=303.15k=30°C下的比熱在30°C下的比熱：查表得4.174kJ/(kg·k)=4.174*18=75.132kJ/kmol·k=75.132J/molK:氨氣的微分溶解熱=34738J/mol水溶液的亨利系數(shù)-溫度關(guān)聯(lián)式lgE=11.468-1922/T單位E:PaT：k取值：0.005，也有固定值：=當(dāng)x=0，=0.005時，lgE=11.468-=4.9116E=81588.61pa=0.8059atm0.8059000當(dāng)x=0.005時，(20+273.15)+2.31246=295.46klgE=11.468-=4.9629E=91812.12pa=0.9062atm0.90624.5309*4.5515*5.0226*當(dāng)x=0.01時，295.46+2.31246=297.77klgE=11.468-=5.0134E=103133.56pa=1.0179atm1.01790.01020.01030.0101當(dāng)x=0.015時，297.77+2.31246=300.0825klgE=11.468-=5.0631E=115637.85pa=1.1412atm1.14140.01710.01740.0152當(dāng)x=0.02時，300.0825+2.31246=302.39496klgE=11.468-=5.1121E=129441.88pa=1.27743atm1.277430.02554860.02620.0205當(dāng)x=0.025時，302.39496+2.31246=304.7074klgE=11.468-=5.16031E=144646.99pa=1.4275atm1.42750.035690.037020.0259當(dāng)x=0.03時，304.7074+2.31246=307.0199klgE=11.468-=5.20782E=161368.46pa=1.5925atm1.59250.04780.05020.03152當(dāng)x=0.035時，307.0199+2.31246=309.33236klgE=11.468-=5.25462E=179729.092pa=1.7737atm1.77370.062080.06620.0373當(dāng)x=0.04時，309.33236+2.31246=311.645klgE=11.468-=5.300726E=199860.21pa=1.97237atm1.972370.0788950.08570.0434當(dāng)x=0.045時，311.645+2.31246=313.96klgE=11.468-=5.3462E=221897.045pa=2.18985atm2.189850.09850.10930.0499當(dāng)x=0.05時，313.96+2.31246=316.27246klgE=11.468-=5.391E=246014.7997pa=2.42792.42790.12140.13820.0569當(dāng)x=0.055時，316.27246+2.31246=318.585klgE=11.468-=5.4351E=272315.05pa=2.687412.687410.147810.17340.0645當(dāng)x=0.06時，318.585+2.31246=320.897klgE=11.468-=5.47855E=300987.04pa=2.9704atm2.97040.178220.21680.0730此時>，=0.1782，滿足條件。計算結(jié)果列表xT/KE/atmmy*XY*0293.150.80590.80590000.005295.4620.90620.90620.00453090.00502260.00455150.010297.7741.01791.01790.01020.01010.01030.015300.0861.14141.14140.01710.01520.01740.020302.3981.27771.27770.025550.02050.02620.025304.711.42771.42770.03570.02590.037020.030307.0221.59271.59270.047780.031520.05020.035309.3341.77391.77390.06210.03730.06620.040311.4641.97261.97260.07890.04340.08570.045313.9582.19002.19000.098550.04990.10930.050316.272.42772.42770.12140.05690.13820.055318.5822.68722.68720.14780.06450.17340.060320.8942.97012.97010.17820.07300.2168根據(jù)〔X，Y*〕繪出X-Y圖XY*000.00502260.00455150.01010.01030.01520.01740.02050.02620.02590.0370.03150.05020.03730.06220.04340.08570.04990.10930.05690.13820.06450.17040.0730.2168進塔氣相摩爾比為出塔氣相摩爾比為進塔惰性氣體流量:由X-Y圖可知X與Y有如下函數(shù)關(guān)系：其中Y=0.1765將Y=0.1765帶入上述方程，解得符合條件的X值：即=0.0654最小吸收劑用量對純?nèi)軇┪者^程，進塔液相組成為因為吸收劑的實際用量L=(1.1~2.0)，取L=1.2那么L=1.2=258.301kmol/h由全塔物料衡算有：2.2填料塔的工藝尺寸的計算2.2.1塔徑的計算混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為;2.混合氣體密度：采用?？颂胤狐c關(guān)聯(lián)式計算泛點速度氣體質(zhì)量和流量液相質(zhì)量流量可近似按純水的流量計算，即：填料總比外表積：水的粘度：采用貝恩——霍夫泛點關(guān)聯(lián)式=A-K——泛點氣速，m/s;g——重力加速度，9.81m/s,液相、氣相的密度WL=4654.58㎏/hWV=2540.59kg/h不同類型填料的A、K值散裝填料類型AK規(guī)整填料類型AK塑料鮑爾環(huán)0.09421.75金屬階梯環(huán)0.1061.75金屬鮑爾環(huán)0.11.75瓷矩鞍0.1761.75塑料階梯環(huán)0.2041.75金屬環(huán)矩鞍0.062251.75A=0.204；K=1.75,;將數(shù)據(jù)帶入上述公式可得A-K=-0.6609所以：=-0.66094.計算塔徑：取泛點率為0.6，即那么:其中：D-塔徑，mV-操作條件下混合氣體的體積流量，-空氣氣速，即按空塔截面積計算的混合氣體線速度，m/s圓整后，D=0.6m=600mm2.2.2填料層高度計算1.根本數(shù)據(jù)：查表可知，0，101.325下，在空氣中的擴散系數(shù)：由，那么313.15，101.325下，在空氣中的擴散系數(shù)：=氨氣在水中的擴散系數(shù)：=6.4802脫吸因數(shù)：S=mv/L=0.754*84.8549/258.301=0.24773.氣相總傳質(zhì)單元數(shù)：=3.7184.氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計算：液體質(zhì)量通量為：氣體質(zhì)量通量為：查表知：=0.7123氣膜吸收系數(shù)：注：混合氣體黏度可近似取為空氣黏度。查手冊得40空氣黏度：液膜吸收系數(shù)：=0.45568查表知：以下公式為修正計算公式：填料層高度計算：2.2.3填料層壓降計算1.氣體通過填料層的壓降采用Eckert關(guān)聯(lián)計算，其中橫坐標(biāo)為：0.5967查表可知：縱坐標(biāo)為：=根據(jù)橫縱坐標(biāo)值，查Eckert圖可知：全塔填料層壓降：2.2.4液體分布器簡要設(shè)計液體在亂堆填料層向下流動時，有偏向塔壁流動的現(xiàn)象，偏流往往造成塔中心的填料不被潤濕，降低外表利用率。根據(jù)再分布器各種規(guī)格的使用圍，最簡單的液體再分布裝置為截錐式再分布器。3.輔助設(shè)備的計算及選型3.1吸收塔的主要接收尺寸的計算氣體進料管：注：u在10~30m/s之間，取u=15m/s采用直管進料，由"制藥化工原理"[王志祥主編化學(xué)工業(yè)]P404查得選擇熱軋無縫鋼管，那么，在符合圍。2.液體進料管：由于常壓下塔液體進出口管速可取，故假設(shè)取液體進出口流速近似為2.4175m/s，那么由公式可求得液體進出口徑為采用直管進料，由"制藥化工原理"[王志祥主編化學(xué)工業(yè)]查得選擇熱軋無縫鋼管，那么〔在符合圍〕3.2氣體進出口壓降〔1〕進口：〔2〕出口：3.3離心泵的選擇與計算雷諾數(shù)：管液體流速：那么雷諾數(shù)3.局部阻力損失：三個標(biāo)準(zhǔn)截止閥全開;三個標(biāo)準(zhǔn)90°彎頭；4.管路總壓頭損失填料塔壓降：其它阻力壓強較小，可忽略。6.揚程：7.流量：該泵揚程12.5米，流量6.3立方米/小時，轉(zhuǎn)速1450轉(zhuǎn)/分鐘。4.設(shè)計一覽表設(shè)計結(jié)果匯總設(shè)計名稱水吸收氨氣的填料吸收塔操作壓強1atm填料數(shù)據(jù)種類填料尺寸泛點填料因子壓降填料因子空隙率比外表積聚丙烯階梯環(huán)Dn50127890.927114.2物性數(shù)據(jù)液相氣相液體密度998.2kg/m混合氣體的平均密度液體粘度混合氣體的粘度液體外表力940896混合氣體平均摩爾質(zhì)量27.2kg/kmol擴散系數(shù)擴散系數(shù)物料衡算數(shù)據(jù)Y1Y2X1X2氣相流量G液相流量L最小液氣比操作液氣比0.17650.01060.054502540.59kg/h4654.58kg/h215.25kmol/h3.044工藝數(shù)據(jù)填料類型塔速塔徑氣相總傳質(zhì)單元數(shù)氣相總傳質(zhì)單元高度填料層高度填料層壓降塑料階梯環(huán)2.4175m/s0.6m3.7180.2781m2.0m785pa填料塔附件氣體進口管徑238mm氣體出口管徑238mm風(fēng)機離心泵選型號IS50-32-200泵適宜，該泵揚程12.5米，流量6.3立方米/小時，轉(zhuǎn)速1450轉(zhuǎn)/分鐘。5.總結(jié)課程設(shè)計使我充分理解到化工原理課程的重要性和實用性，首先培養(yǎng)了我們查閱資料，選用公式和數(shù)據(jù)的能力，其次還可以從技術(shù)上的可行性與經(jīng)濟上的合理性兩方面樹立正確的設(shè)計思想，分析和解決工程實際問題的能力，最后熟練應(yīng)用計算機繪圖的能力以及用簡潔文字，圖表表達設(shè)計思想的能力。本次化工原理課程設(shè)計是水吸收氨過程填料塔