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化工原理水吸收氨填料塔设计-

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广东石油化工学院


化工原理课程设计

: 水吸收氨填料塔的设计 指导教师 :

成绩 评阅教师






第一节


前言 ......................................................................................... 错误!未定义书签。 填料塔的主体结构与特点 ..................................................... 错误!未定义书签。 填料塔的设计任务及步骤 ..................................................... 错误!未定义书签。 填料塔设计条件及操作条件 ................................................. 错误!未定义书签。
第二节 填料塔主体设计方案的确定 .................................................... 错误!未定义书签。

装置流程的确定 ..................................................................... 错误!未定义书签。
吸收剂的选择 ............................................................................. 错误!未定义书签。 填料的类型与选择............................................................................ 错误!未定义书签。
填料种类的选择 .................................................................. 错误!未定义书签。 填料规格的选择 .................................................................. 错误!未定义书签。 填料材质的选择 .................................................................. 错误!未定义书签。 基础物性数据 ............................................................................... 错误!未定义书签。
液相物性数据 .................................................................... 错误!未定义书签。 气相物性数据 .................................................................... 错误!未定义书签。 气液相平衡数据 ................................................................ 错误!未定义书签。 物料横算 ............................................................................ 错误!未定义书签。
第三节 填料塔工艺尺寸的计算 ............................................................ 错误!未定义书签。
塔径的计算 ..................................................................................... 错误!未定义书签。 填料层高度的计算及分段 ............................................................. 错误!未定义书签。
传质单元数的计算 .............................................................. 错误!未定义书签。 填料层的分段 ...................................................................... 错误!未定义书签。 填料层压降的计算 ......................................................................... 错误!未定义书签。 第四节
填料塔内件的类型及设计 ..................................................... 错误!未定义书签。
塔内件类型 ..................................................................................... 错误!未定义书签。 塔内件的设计 ................................................................................. 错误!未定义书签。
液体分布器设计的基本要求: ........................................ 错误!未定义书签。 液体分布器布液能力的计算 ............................................ 错误!未定义书签。
注:
1填料塔设计结果一览表 ....................................................................... 错误!未定义书签。 2 填料塔设计数据一览 .......................................................................... 错误!未定义书签。

3 参考文献 .............................................................................................. 错误!未定义书签。 4 对本设计的评述或有关问题的分析讨论 .......................................... 错误!未定义书签。





第一节 前言
1.1 填料塔的主体结构与特点
结构:

液体
气体
捕沫器

填料压板




液体塔壳填料填料支承板液体再分布器填料压板填料支承板气体
1-1 填料塔结构图
填料塔不但结构简单,且流体通过填料层的压降较小,易于用耐腐蚀材料制造,以她特别适用于处理量肖,有腐蚀性的物料及要求压降小的场合。液体自塔顶经液体分布器喷洒于填料顶部,并在填料的表面呈膜状流下,气体从塔底的气体口送入,流过填料的空隙,在填料层中与液体逆流接触进行传质。因气液两相组成沿塔高连续变化,以填料塔属连续接触式的气液传质设备。
1.2 填料塔的设计任务及步骤
设计任务:用水吸收空气中混有的氨气。
设计步骤:1)根据设计任务和工艺要求,确定设计方案;
2)针对物系及分离要求,选择适宜填料;
3)确定塔径、填料层高度等工艺尺寸(考虑喷淋密度) 4)计算塔高、及填料层的压降; 5)塔内件设计。
1.3 填料塔设计条件及操作条件
1. 气体混合物成分:空气和氨
2. 空气中氨的含量: % (体积含量即为摩尔含量)

3. 混合气体流量2547m3/h 4. 操作温度293K 5. 混合气体压力 6. 回收率%
7. 采用清水为吸收剂
8. 填料类型:采用聚丙烯鲍尔环填料
第二节 精馏塔主体设计方案的确定
2.1 装置流程的确定
本次设计采用逆流操作:气相自塔低进入由塔顶排出,液相自塔顶进入由塔底排出,即逆流操作。
逆流操作的特点是:传质平均推动力大,传质速率快,分离效率高,吸收剂利用率高。工业生产中多采用逆流操作。
吸收剂的选择
因为用水做吸收剂,故采用纯溶剂。
2-1 工业常用吸收剂
溶质

氯化氢
溶剂
水、硫酸 煤油、洗油
溶质
丙酮蒸汽 二氧化碳 硫化氢 一氧化碳
水、碱液 碱液、有机溶剂 铜氨液
溶剂
二氧化硫
苯蒸汽
填料的类型与选择
填料的种类很多,根据装填方式的不同,可分为散装填料和规整填料两大类。
填料种类的选择
本次采用散装填料。散装填料根据结构特点不同,又可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。鲍尔环是目前应用较广的填料之一,本次选用鲍尔环。
填料规格的选择

工业塔常用的散装填料主要有Dn16\Dn25\Dn38\ Dn76等几种规格。同类填料,尺寸越小,分离效率越高,但阻力增加,通量减小,填料费用也增加很多。而大尺寸的填料应用于小直径塔中,又会产生液体分布不良及严重的壁流,使塔的分离效率降低。此,对塔径与填料尺寸的比值要有一规定。
常用填料的塔径与填料公称直径比值D/d的推荐值列于。
3-1
填料种类 拉西环 鞍环 鲍尔环 阶梯环 环矩鞍
D/d的推荐值 D/d20~30 D/d15 D/d10~15 D/d>8 D/d>8
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
聚丙烯填料在低温(低于0度)时具有冷脆性,在低于0度的条件下使用要慎重,可选耐低温性能良好的聚氯乙烯填料。
综合以上:选择塑料鲍尔环散装填料 Dn50
基础物性数据
液相物性数据
对低浓度吸收过程,溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。由手册查得 20 ℃水的有关物性数据如下:
l998.2kg/m31.

黏度:l0.001pa.s3.6kg/m.h2.

z72.6dyn/cm940896kg/h23. 表面张力为:
4. 20CNH3:H0.725kmol/m3kpa 5. 20CNH3:Dl7.34106m2/h 6. 20CNH3:Dv0.225cm2/sm2/h
气相物性数据
1. 混合气体的平均摩尔质量为

MVMyimi0.054817.03040.94522928.3441 (2-1 2. 混合气体的平均密度
vmR=

3. 混合气体黏度可近似取为空气黏度。查手册得20C时,空气的黏度
PMVM101.328.34411.1787 (2-2 RT8.314293v1.73105pas6228105kg/mh
注:1N1kgm/s2 11Pa1N/m21kg/s2m 1Pa..s=1kg/
气液相平衡数据
由手册查得,常压下,200C时,NH3在水中的亨利系数为 E=
200C,NH3在水中的溶解度: H=m
相平衡常数:mE0.7532 (2-3
P 溶解度系数: HLEMS998.2/76.318.02 (2-4

0.726kmol/kpam3

物料横算
1. 进塔气相摩尔比为
Y1y10.05480.05798 (2-5 1y110.05482. 出塔气相摩尔比为

Y2y1(1A0.05798(10.99980.000011596 (2-6

3. 进塔惰性气体流量:V2547273(10.0548100.138kmol/h. (2-7 22.427320因为该吸收过程为低浓度吸收,平衡关系为直线,最小液气比按下式计算。即:
Y1Y2L (2-8 VminY1/mX2因为是纯溶剂吸收过程,进塔液相组成X20

LY1Y20.057980.000011590.7528 所以 (minVY1/mX20.05798/0.753 选择操作液气比为
LL1.7(min1.2798 2-9 VVL=×=h
因为V(Y1-Y2=L(X1-X2 X10.0953
第三节 填料塔工艺尺寸的计算
填料塔工艺尺寸的计算包括塔径的计算、填料能高度的计算及分段
塔径的计算
1. 空塔气速的确定——泛点气速法 对于散装填料,其泛点率的经验值u/uf=~
贝恩(Bain)—霍根(Hougen)关联式 ,即:
2lguFa1Vg32L=A-Kw1418L
wV LVL21001.178711即:lg[F0.22309.469.81(0.917(998.21]0.09421.75(3002.154(1.1787998.28
所以:F3.958928051m/s 其中:
uf——泛点气速,m/s; g ——重力加速度,s2
t填料总比表面积,m2/m3
填料层空隙率m3/m3
l998.2kg/m3液相密度。V1.1836kg/m3气相密度

WL=/h WV=h A= K=
u= F3.958928051m/s
3-1
D4VS
425470.5703 3-2

3.142.771233600圆整塔径后 D= 1. 泛点速率校核: 25472.5035m/s 20.7850.636002.50350.6324 F3.9589u在允许范围内 uF2. 根据填料规格校核:D/d=600/50=12根据表3-1符合 3. 液体喷淋密度的校核:
(1 填料塔的液体喷淋密度是指单位时间、单位塔截面上液体的喷淋量。 (2 最小润湿速率是指在塔的截面上,单位长度的填料周边的最小液体体积流量。对于直径不超过75mm的散装填料,可取最小润湿速率Lwmin0.08m3/mh
UminLwmint0.081008m3/m2h 3-3
UwL2309.46188.18698min 3-4
L0.75D998.20.7850.62经过以上校验,填料塔直径设计为D=600mm 合理。
填料层高度的计算及分段
Y1*mX10.04530.75320.034119 3-5
Y2*mX20 3-6

传质单元数的计算
用对数平均推动力法求传质单元数
NOGY1Y2 3-7 YM
YMYY(Y1*12Y2** 3-8
lnY1Y1Y*2Y2 =0.057980.000011590.034119ln0.00001159
=

质单元高度的计算
气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算:
0.750.10.05t0.21exp1.45cUU2lLtwl2U2L/LVt tlLg即:αw/αt =0.
液体质量通量为:uL =WL/××=(•h 气体质量通量为: uV =2547×=(㎡•h 气膜吸收系数由下式计算: kUVG0.237(0.7v/vD1tDVV3tvRT =÷100×0.70.3 kpa 液膜吸收数据由下式计算:
211K0.0095323ULLDLgL wlLLL=h 因为1.45
K1.1GKGW××1.451.1×100 =(m3 h kpa

K4LKLW0.4 =×100×0.×1.450. 3-93-10(3-113-123-13





=h
因为:uuF =
所以需要用以下式进行校正:
1.4u'kG19.50.5kG 3-14
uF =[1+-1.4] =(m3 h kpa
k'u2.2l12.6u0.5kL F =[1 2.2]=22./h
KG111 K''GHKL =1÷(1÷+1÷÷22.
= kmol/(m3 h kpa
HOGVK YVK GP =÷÷÷÷ =
ZHOGNOG =×18.=,

Z'=×=
设计取填料层高度为Z'=13m
填料层的分段
对于鲍尔环散装填料的分段高度推荐值为h/D=5~10 h=5×60010×600=36 m
计算得填料层高度为13000mm,故需分段
填料层压降的计算
3-15
3-16
3-17 3-18


Eckert (通用压降关联图;将操作气速u'(s 代替纵坐标中的uF查表,DG50mm塑料鲍尔环的压降填料因子125代替纵坐标中的.
则纵标值为:
u2PV0.2= (3-19 LgL 横坐标为:
WLVWVL0.52306.89851.17870.5(

3002.6998.2(3-20
查图得


P 981Pa/m (3-21 Z全塔填料层压降 P=981×13=12753Pa
至此,吸收塔的物科衡算、塔径、填料层高度及填料层压降均已算出。

第四节 填料塔内件的类型及设计
塔内件类型
填料塔的内件主要有填料支撑装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体收集再分布装置等。合理的选择和设计塔内件,对保证填料塔的正常操作及优良的传质性能十分重要。
塔内件的设计
液体分布器设计的基本要求: 1)液体分布均匀
2)操作弹性大 3)自由截面积大
4)其他
液体分布器布液能力的计算

1)重力型液体分布器布液能力计算
2)压力型液体分布器布液能力计算
注:(1本设计任务液相负荷不大,可选用排管式液体分布器;且填料层不高,可不设液体再分布器。

(2塔径及液体负荷不大,可采用较简单的栅板型支承板及压板。其它塔附件及气液出口装置计算与选择此处从略。
注:
1填料塔设计结果一览表
塔径 填料层高度 填料规格 操作液气比 校正液体流速 压降 惰性气体流量
13m 50mm鲍尔环 倍最小液气比 s 12753 Pa h

2 填料塔设计数据一览
E亨利系数,

uV气体的粘度,105Pa/s=6228105kg/m.h

m 平衡常数

水的密度和液体的密度之比 1
g 重力加速度,m2/s =108m/h

33kg/mkg/mV;L分别为气体和液体的密度,
WL =/h WV =h分别为气体和液体的质量流量
KYa气相总体积传质系数,
kmol/m3s

Z填料层高度,13m

4塔截面积,HOGNOGKGD20.6=
2气相总传质单元高度,m 气相总传质单元数,m
以分压差表示推动力的总传质系数,单位体积填料的润湿面积,m
2kmol/m2skPa
aWt填料总比表面积,m2/m3 100
填料层空隙率m3/m3 %
kG以分压差表示推动力的气膜传质系数,kmol/m2skPa
H溶解度系数,kLkmol/m2kPa
以摩尔浓度差表示推动力的液摩尔传质系数,m/s
R气体常数,8.314kNm/kmolK
DV0.081m2/h;DL7.34106m2/h氨气在空气中中的扩散系数及氨气在水中的扩散系数;
L液体的表面张力,=940896kg/h2
c填料材质的临界表面张力,427680kg/h2填料形状系数
开孔鲍尔环=145.
液体质量通量为:uL =WL/××=(•h 气体质量通量为: uV =2547×=(㎡•h




3 参考文献
[1] 夏清.化工原理(下)[M]. 天津:天津大学出版社, 2005.
[2] 贾绍义,柴诚敬. 化工原理课程设计[M]. 天津:天津大学出版社, 2002.
[3] 华南理工大学化工原理教研室著.化工过程及设备设计[M].广州: 华南理工大学出版社, 1986. [4] 周军.张秋利 化工AutoCAD制图应用基础 。北京. 化学工业出版社。

4、对本设计的评述或有关问题的分析讨论
本次化工原理课程设计是水吸收氨过程填料塔的设计,这是关于吸收中填料塔的设计。通过本次课程设计,使我对从填料塔设计方案到填料塔设计的基本过程的设计方法、步骤、思路、有一定的了解与认识,加深了我对课本知识的认识,也巩固了所学到的知识。此次课程设计按照设计任务书、指导书、技术条件的要求进行,在老师和同学的帮助下,我及时的按要求完成了设计任务。通过这次课程设计,提高了我处理问题分析问题的能力,同时也提高了我对知识的灵活运用能力以及计算能力。



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