水吸收氨气填料塔设计

化工原理课程设计

课程名称: _ 化工原理

设计题目: __水吸收空气中氨填料塔的工艺设计____ 院系: ___化学与生物工程学院__________

学生姓名: _____王永奇__________

学号: ____200907117________

专业班级: __化学工程与工艺093_

指导教师: ______张玉洁_________

化工原理课程设计任务书

一、设计题目：水吸收空气中的氨填料塔的工艺设计

二、设计条件

1.生产能力：每小时处理混合气体4500Nm/h；

2.设备型式：填料塔

3.操作压力：101.3KPa

4.操作温度：298K

5.进塔混合气中含氨8%（体积比）

6.氨的回收率为99%

7.每年按330天计，每天24小时连续生产

8.建厂地址：兰州地区

9.要求每米填料的压降都不大于103Pa

三、设计步骤及要求

1. 确定设计方案

（1）流程的选择

（2）初选填料类型

（3）吸收剂的选择

2.查阅物料的物性数据

（1）溶液的密度、粘度、表面张力、氨在水中的扩散系数

（2）气相密度、粘度、表面张力、氨在空气中的扩散系数

（3）氨在水中溶解的相平衡数据

3.物料衡算

（1）确定塔顶、塔底的气液流量和组成

（2）确定泛点气速和塔径

（3）校核D/d>8～10

（4）液体喷淋密度校核：实际的喷淋密度要大于最小的喷淋密度。

4.填料层高度计算

5.填料层压降校核

如果不符合上述要求重新进行以上计算

6.填料塔附件的选择

（1）液体分布装置

（2）液体在分布装置

（3）填料支撑装置

（4）气体的入塔分布

7.计算结果列表（见下表）

四、设计成果

1. 设计说明书（A4）

（1）内容包括封面、任务书、目录、正文、参考文献、附录

（2）格式必须严格按照兰州交通大学毕业设计的格式打印。

2.精馏塔工艺条件图（2号图纸）（手绘）

五、时间安排

（1）第十九周---第二十二周

（2）第二十二周的星期五（7月20日）下午两点本人亲自到指定地点交设计成果，最迟不得晚于星期五的十八点钟。

六、设计考核

（1）设计是否独立完成；

（2）设计说明书的编写是否规范

（3）工艺计算与图纸正确与否以及是否符合规范

（4）答辩

七、参考资料

1.《化工原理课程设计》贾绍义柴成敬天津科学技术出版社

2.《现代填料塔技术》王树盈中国石化出版社

3.化工原理夏清天津科学技术出版社

填料吸收塔设计一览表

1.设计方案简介

用水吸收氨气为提高传质效率，选用逆流吸收流程。对于水吸收氨气的过程，操作温度及操作压力较低，工业上通常选用塑料散装填料。在塑料散装填料中，塑料阶梯环填料的综合性能较好，故此选用50N D 聚丙烯阶梯环填料。[1][2]

2．工艺计算

2.1基础物性数据 2.1.1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。[1][3]由手册查得，25℃时水的有关物性数据如下：

密度为 3997.05/L kg m ρ=

粘度为 30.894910 3.2/()L Pa S kg m h μ-=??=? 表面张力为 271.9/931824/L dyn cm kg h σ== 氨气在水中的扩散系数为 628.53210/L D m h -=? 2.1.2 气相物性数据

混合气体的平均摩尔质量为

04.282992.01708.0=?+?==

∑i

i

Mm M

y M

混合气体的平均密度为

146

.1298

314.804.283.101m =??=

=

RT

PM

Vm

V ρ

混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得25℃空气的粘度为

0.066/()V kg m h μ=?

查手册得氨气在空气中的扩散系数为

2

0.0698/V D m h

=

2.1.3相平衡数据

由手册查得，常压下25℃时氨气在水中的亨利系数为[1]

99.78E kPa =

相平衡常数为

99.780.985101.3

E m P =

==

溶解度系数为

3

997.050.555/()99.7818.02

L

S

H km ol kPa m EM ρ=

=

=??

2.2 物料衡算 进塔气相摩尔比为

0870

.008

.0-108.0-y 1Y 2

11==

=

y

出塔气相摩尔比为

000870.0)99.0-1(0870.0)-1(12=?==ηY Y

进塔惰性气相流量为

82kmol/h

.184)08.01(4

.224500=-?=

V

该吸收过程属低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算，即

12m in 12

()/Y Y L V Y m X -=

-

对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为

20

X =

975

.00

-985.0/0870.0000870

.0-0870.0/2212

1min

=--=X Y Y Y Y V

L ）（

取操作液气比为

4625

.1975.05.1)L (

5.1)(min =?==V

V L

30.2704625.182.184=?=L

1212()()V Y Y L X X -=- 0589

.030

.270)

000870.00870.0(82.1841=-?=

X

2.3 填料塔的工艺尺寸的计算

2.3.1 采用Eckert 通用关联图计算泛点气速 气相质量流量为

h

kg w v /4724298

273273146.14500=+?

?=

液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即

h kg w L /81.487002.1830.270=?=

Eckert 通用关联图的横坐标为

035

.0)

05

.997146.1(

4724

81.4870)

(

5

.05

.0=?=

L

V V

L w w ρρ

查图5-21得

205.02

.02

=L L

V

F F g

u μρρψφ

查表5-11得

1

-143m F =φ

537.38949

.0146.1114305.99781.9205.0205.02

.02.0=?????=

=

L

V F L

F g u μ

ψρφρ

取 s m u u F /476.2537.37.07.0=?==

由 m

u

V D S

767.0476

.214.33600

/25273273

450044=?+??=

=

π

圆整塔径，取 m D 8.0=。 泛点率校核：

s m u /279.2476

.214.33600

/25273273

4500=?+?=

ο

ο

ο

ο

44.646444.0100537

.3279.2==?=

F

u u （在允许的范围之内）

填料规格校核：

81650

800d

>==

D

液体喷淋密度校核： 取最小润湿速率为

3

m in ()0.08/W L m m h

=?

查附录五得

2

3

114.2/t a m m

=

3

2

m in m in ()0.08114.29.136/W t U L a m m h

==?=?

min

2

724.90.8

0.78581/997.05.4870U

U >=?=

经以上校核可知，填料塔直径选用D=800mm 合理。 2.3.2填料层高度计算

0580.00589.0985.0m 1*

1=?==X Y

*

220Y m X ==

脱吸因数为

6735

.030

.27082

.184985.0m =?=

=

L

V S

气相总传质单元数为

*12

*

22

1[(1)

]1O G Y Y N In S S S

Y Y -=

-+--

()?

?

?

???+-=

6735.00-000870.00-0870.06735.0-1n 6735.011

I

7389.10=

气相总传质单元数采用修正的恩田关联式计算：

2

2

0.75

0.1

0.05

0.2

2

1exp{ 1.45(

)

(

)

(

)

(

)

}W C L t

L L

t

L

t L

L L L t

U U U a g

ασαασμρρσα-=--

查表5-13得

2

33/427680/C dyn cm kg h σ==

液体质量通量为

(

)

h

U L ?=?=

2

2

m 08kg/.96958

.0785.081.4870???

? ?

???????=0.2

2

0.05-820.10.75)114.2940896997.059695.08()1027.1997.05114.29695.08()3.2114.29695.08()931824427680(45.1-exp -1t

w αα 355.0=

气漠吸收系数由下式计算：

0.7

1/3

0.237(

)

(

)

(

)

V

V t V

G t V

V V

U D k D RT

μααμρ=

气体质量通量为

()

h m U V /kg/59.94038

.0785.0146

.125273273

450022

=??+?=

??

? ??????

? ????

?

?

???=298314.8698.02.114698.0146.1066

.0066.02.11459

.9403237.0k 3

1

7

.0G

()kpa

h m

??=2

10518kmol/

.0

液漠吸收系数由下式计算：

2/3

1/2

1/3

0.0095(

)

(

)

(

)

L

L L L W L

L L

L

U g k D μμαμρρ-=

3

1

2

1

-6-3

205.9971027.12.310532.805.9972.33.20.3552.11408.96950095.08

???

?

?

?????

?

?????

??

?????=

6443m/h .0=

由 1.1G G W k a k a ψ=，查表得 : 1.45ψ=

则 1.1G G W k a k a ψ=

)m 4170koml/(.645.12.114355.010518.031.1kpa h ??=???= 1.1L L W k a k a ψ=

h 306/.3045

.12.114355.06443.00.4

=???=

?

?

>?

?

=5044.64F

u u

由 , 1.4,

2.2

[19.5(

0.5)],[1 2.6(0.5)]G G L L F

F

u

u k a k a k a k a u u =+-=

+

-，得

[])koml/(m 472.104170.60.5)-(0.64435.91k 3

1.4,G kpa h a ??=?+=

()[]h a L /398.31306.305.0-6443.06.21k 2.2,=?+= 则 ,

,

111G G L k a k a

H k a

=

+

()kpa

h m

??=?+

3

541koml/

.6398

.31555.01

472

.1011

由 O G Y G V V H K a K aP ==

Ω

Ω

555m

.08

.0785.03.101541.682

.1842

=???

由 5.960m 7389.10555.0=?==OG OG N H Z

,

1.25 4.953 6.19Z m =?=45m

.7960.525.1z ,

=?=

设计取填料层高度为

m

Z 8,

=

查表，对于阶梯环填料，m h D

6,158h max ≤-=

取

8,h D

=则

mm 64008008h =?=

计算得填料层高度为8000 mm ，故需分段，分为两段，每段4000mm 。 2.3.3填料层压降计算

采用Eckert 通用关联图计算填料层压降。 横坐标为

035

.05

.0=???

?

??ρρV L w w

查表得，189P m -Φ= 纵坐标为

0530.08949

.005

.997146.181

.91

89279.22

.02

2

.02

=??

??=

Φμ

ρρψL

V

p g

u

查图得

350Pa/m

=?Z

P

填料层压降为

2800pa

8350=?=?P

2.4 液体分布器简要设计 2.4.1液体分布器的选型

该吸收塔塔径较小D=500mm ，而多孔直管式喷淋器适用于600mm 以下的塔，因此在本次设计中我采用多孔直管式喷淋器作为液体的喷淋装置。 2.4.2分布点密度计算

按Eckert 建议值，D=500mm 时，喷淋点密度为285点2/m ，，因此设计取喷淋点为285点2/m 。

布液点数为

2

0.7850.528556n =??=点

按分布点几何均匀与流量均匀的原则，进行布点设计。设计结果为：分布为11道环圆孔，每道孔分布5个孔，实际设计布点数为n=55点，如图1-1所示。

图1-1 直管式液体分布器的分液点示意图 2.4.3布液计算

由 2

04S L d n πφ

=

取 0.60,160H m m φ=?= 1/2

0d =

1/2

0.004

==

设计取 04d m m =。

3. 辅助设备的计算及选型

3.1填料支承装置

支承板是用以支承填料和塔内持液的部件。常用的填料支承板有栅板型、孔管型、驼峰型等。对于散装填料，通常选用孔管型、驼峰型支承板。设计中，为防止在填料支承装置处压降过大甚至发生液泛，要求填料支承装置的自由截面积应大于75%。

在本次设计中，我选用的是孔管型支承装置。 3.2填料压紧装置

为防止在上升气流的作用下填料床层发生松动或跳动，需在填料层上方设置填料压紧装置。填料压紧装置有压紧栅板、压紧网板、金属压紧器等不同类型。对于散装填料，可选用压紧网板，也可选用压紧栅板。设计中，为防止在填料压紧装置处压降过大甚至发生液泛，要求填料压紧装置的自由截面积应大于70%。

在本次设计中，我选用的是压紧栅板。

4.结论

这次我的课程设计题目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。填料塔是以塔内装有大量的填料为相接触构件的气液传质设备。填料塔的结构较简单，压降低等特点。

在本次设计过程中，我通过各种书籍独立查找出各个物性数据，然后根据设计书上的步骤按要求算出各个物理量。但是在整个计算过程中，由于有些物理量没有完全掌握，所以计算过程中出现了不少问题。而在运用Eckert通用关联图计算泛点气速中，我觉得通过查表得出的数据有一定的差距，不能得到较为精确的数值。在整个设计过程中，由于数据繁多，所以整个计算过程都必须特别的小心，尽管如此，我认识还是有一些失误存在。

通过这次设计，让我学习到了很多以前没有接触过的知识。能够学习到不同方面的知识。通过这次设计，不仅能提高自己的动手能力和思维能力，同时也能够提高相关知识的运用能力。

5．参考文献

[1] 贾绍义 , 柴成敬.化工原理课程设计.天津：天津科学技术出版社，2004.

[2] 王树盈 .现代填料塔技术 .北京：中国石化出版社，2010.

[3] 夏清 .化工原理.天津:天津科学技术出版社.

6.附录

6.1主要符号说明