最终版-化工原理课程设计(水吸收氨填料吸收塔设计)..doc

水吸收氨课程设计
目 录
第一节 前言 ............................................................ 5 1.1 填料塔的主体结构与特点 .......................................... 5 1.2 填料塔的设计任务及步骤 .......................................... 5 1.3 填料塔设计条件及操作条件 ........................................ 5 第二节 填料塔主体设计方案的确定 ......................................... 6 2.1 装置流程的确定 .................................................. 6 2.2 吸收剂的选择 ................................................... 6 2.3填料的类型与选择 .................................................. 6 2.3.1 填料种类的选择 ............................................ 6 2.3.2 填料规格的选择 ............................................ 6 2.3.3 填料材质的选择 ............................................ 7 2.4 基础物性数据 .................................................... 7 2.4.1 液相物性数据 ............................................. 7 2.4.2 气相物性数据 ............................................. 7 2.4.3 气液相平衡数据 ........................................... 8 2.4.4 物料横算 ................................................. 8 第三节 填料塔工艺尺寸的计算 ............................................. 9 3.1 塔径的计算 ....................................................... 9 3.2 填料层高度的计算及分段 .......................................... 10 3.2.1 传质单元数的计算 ......................................... 10 3.2.3 填料层的分段 ............................................. 12 3.3 填料层压降的计算 ................................................ 12 第四节 填料塔内件的类型及设计 . ........................................ 13
4.1 塔内件类型 ...................................................... 13 4.2 塔内件的设计 .................................................... 13 4.2.1 液体分布器设计的基本要求:.............................. 13 4.2.2 液体分布器布液能力的计算 ................................ 13 注:14
1填料塔设计结果一览表 .................................................. 14
2 填料塔设计数据一览 ................................................... 14
3 参考文献 ............................................................. 16
4 后记及其他 ........................................................... 16 附件一:塔设备流程图 ................................................... 17 附件二:塔设备设计图 ................................................... 17
化工学院关于专业课程设计的有关要求 (草案
专业课程设计是学生学完专业基础课及专业课之后,进一步学习工程设计的基础 知识, 培养学生工程设计能力的重要教学环节, 也是学生综合运用相关课程知识, 联系 生产实际, 完成以单元操作为主的一次工程设计的实践。 为了加强我院本科学生专业课 程设计这一重要实践教学环节的规范化管理, 保证专业课程设计工作有序进行及教学质 量,特制定专业课程设计的有关要求并请遵照执行。
一、选题要求
选题应以单元操作的典型设备为对象,进行单元操作过程中相关的设备与工艺设 计, 尽量从科研和生产实际中选题。 为了保证专业课程设计的质量和工作量, 选题要求 1人 1题。
二、设计说明书文本要求
(一 、字数要求:2000字以上
(二 、打印要求:用 A4纸打印;左边距 3厘米、右边距 2厘米、上边距 3厘米、 下边距 2.5厘米;行距 20磅;页码居中
字体、字号要求(包括装订顺序 :
1、封面
由学院统一制定格式
2、设计任务书
3、目录 (宋体、 4号 ,其余(宋体、小 4号
4、正文(宋体、小 4号字 、一级标题(宋体、 3号字、加粗 、二级标题(宋体、 4号字、加粗
正文内容主要包括:概述与设计方案简介; 设计条件及主要物性参数表; 工艺设计 计算(内容较多,应根据设计计算篇幅适当划分为若干小节,使之条理清晰 ;辅助设 备的计算及选型;设计结果汇总表(物料衡算表,设备操作条件及结构尺寸一览表 ; 设计评述(设计的评价及学习体会 。
5、参考文献(宋体、 5号字
6、附录:设计图纸(工艺流程图与主体设备装配图
三、考核方式及成绩评定
专业课程设计的考核与成绩评定由指导教师进行。
考核内容:考勤、计算草稿或笔记、说明书和图纸的质量,独立完成设计情况。
化工学院
二〇一〇年十二月一日
第一节 前言
1.1填料塔的主体结构与特点
结构:

图 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,所 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,所 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 : 6.0% (体积含量即为摩尔含量
3. 混合气体流量 6000m3/h
4. 操作温度 293K
5. 混合气体压力 101.3KPa
6. 回收率 99 %
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。
2.2 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

2.3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。 2.3.1 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。 2.3.2 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。因 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。
表 3-1
填料种类 D/d的推荐值 拉西环 D/d≥20~30 鞍环 D/d≥15 鲍尔环 D/d≥10~15 阶梯环 D/d>8 环矩鞍
D/d>8
2.3.3 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
2.4 基础物性数据
2.4.1 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。 由手册查得 20 ℃ 水的有关物性数据如下:
1. 3
998.2/l kg m ρ=
2. 0.001. 3.6/. l pa s kg m h μ==黏度:
3. 表面张力为 :2
72.6/940896/z dyn cm kg h σ== 4. 3320:0.725/CNH H kmol m kpa ︒=⋅ 5. 62320:7.3410/l CNH D m h -︒=⨯ 6. 22320:0.225//v CNH D cm s m h ︒==
2.4.2 气相物性数据
1. 混合气体的平均摩尔质量为
0.0617.03040.942928.2818vm i i M y m =∑=⨯+⨯= (2-1
2. 混合气体的平均密度
由 3
101.328.28181.17618.314293
VM vm PM kg m RT ρ⨯===⨯
(2-2 R=8.314 3/m KPa kmol K ⋅⋅
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
551.7310622810/v pa s kg m h μ--=⨯⋅=⨯⋅
注:211/N kg m s =⋅ 12211/1/Pa N m kg s m ==⋅ 1Pa..s=1kg/m.s
2.4.3 气液相平衡数据
由手册查得,常压下, 200C 时, NH 3在水中的亨利系数为 E=76.3kpa
0320NH C 时 , 在水中的溶解度 : H=0.725kmol/m
相平衡常数:0.7532E
m P
=
= (2-3 溶解度系数 :
3
998.2/76.318.02
0.726/L
S
H EM kmol kpa m ρ=
=⨯=⋅ (2-4
2.4.4 物料横算
1. 进塔气相摩尔比为
1110.06
0.06383110.06
y Y y =
==-- (2-5 2. 出他气相摩尔比为
21(1 0.06383(10.99 0.0006383A Y Y ϕ=-=⨯-= (2-6
3. 进塔惰性气体流量 :6000273
(10.6 234.59922.427320
V kmol =
⨯-=+ (2-7 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:
12min 12
/Y Y L V Y m X -⎛⎫
= ⎪
-⎝⎭ (2-8 因为是纯溶剂吸收过程,进塔液相组成 20X =
所以 121min 20.063830.00063830.7456Y Y L Y V X --⎛⎫
=== ⎪⎝⎭-
选择操作液气比为
min
1.71.2676L L V V ⎛⎫
== ⎪⎝⎭ (2-9 L=1.2676356×234.599=297.3860441kmol/h 因为 V(Y1-Y 2=L(X1-X 2 X10498. 0=
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
3.1 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 =0.5~0.85
贝恩(Bain —霍根(Hougen 关联式 ,即:
2
21
3lg V F L L u a g ρμερ⎡⎤
⎛⎫⎛⎫⎢⎥ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎣
⎦=A-K4
V L V L w w ρρ⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪⎝⎭
⎝⎭ (3-1 即:1
124
8
0.231001.18363202.591.1836lg[
( 1]0.09421.759.810.917998.24734.4998.2F
u ⎛⎫⎛⎫⎛⎫
=- ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭
所以:2
F u /9.81(100/0.9173 (1.1836/998.2 =0.246053756
UF=3.974574742m/s
其中:
f u ——泛点气速, m/s;
g ——重力加速度, 9.81m/s2
23t m /m α--填料总比表面积, 33m /m ε--填料层空隙率
33
V 998.2/1.1836kg /m l kg m ρρ==液相密度。 气相密度
W L =5358.89572㎏ /h WV =7056.6kg/h
A=0.0942; K=1.75; 取 u=0.7 F u
=2.78220m/s
0.7631D =
=
= (3-2

圆整塔径后 D=0.8m 1. 泛点速率校核:26000
3.31740.7850.83600
u ==⨯⨯ m/s
3.31740.83463.9746
F u u == 则
F
u
u 在允许范围内 2. 根据填料规格校核:D/d=800/50=16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 (3min 0.08m /m h w L ⋅为 。
(32min min 0.081008/w t U L m m h α==⨯=⋅ (3-3 22
5358.8957
10.6858min 0.75998.20.7850.8
L L w U D ρ=
==>=⨯⨯⨯⨯ (3-4 经过以上校验,填料塔直径设计为 D=800mm 合理。
3.2 填料层高度的计算及分段
*110.049850.75320.03755Y mX ==⨯= (3-5
*220Y mX == (3-6
3.2.1 传质单元数的计算
用对数平均推动力法求传质单元数
12
OG M
Y Y N Y -=
∆ (3-7
(*
*1
1
2
2*11*
22(
ln
M
Y Y Y Y Y Y Y Y Y ---∆=
-- (3-8
=
0.063830.00063830.03755
0.02627ln
0.0006383
--
=0.006895
3.2.2 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:
(0.750.10.0520.22
21exp 1.45/t c l L t L L V t w l t l L U U U g ασαρσαασαμρ-⎧⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎪⎪=--⎨⎬ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎪⎪⎩⎭
(3-9
即:αw/αt =0.37404748
液体质量通量为:L u =WL/0.785×0.8×0.8=10666.5918kg/(㎡•h 气体质量通量为: V u =60000×1.1761/0.64=14045.78025kg/(㎡• h 气膜吸收系数由下式计算:
(
1
0.7
3
0.237(
/V
t V G v v V t v
U D k D RT
αμραμ⋅⎛⎫
=⋅
⎪⎝⎭
(3-10 =0.237(14045.78025÷100.6228×10-50.7(0.06228÷0.081÷1.1761
0.3(100×0.081÷8.314÷293 =0.152159029kmol/(㎡ h kpa 液膜吸收数据由下式计算:
2113
23
0.0095L L L L w l L L L U g K D μμαμρρ-
⎛⎫⎛⎫⎛⎫
⋅= ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭ (3-11
=0.566130072m/h 因为 1.45ψ=
1.1G G W K K ααϕ==0.15215×0.3740×1.451.1×100 (3-12
=8.565021kmol/(m3 h kpa
0.4L L W K K ααϕ= =0.56613×100×0.37404×1.450.4 (3-13
=24.56912/h 因为:F
u
=0.8346
所以需要用以下式进行校正:
1.4
'
19.50.5G G F u k k u αα⎡⎤⎛⎫⎢⎥⋅=+-⋅ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦
(3-14
=[1+9.5(0.69999-0.51.4] 8.56502=17.113580 kmol/(m3 h kpa
2.2'
12.60.5l L F u k k u αα⎡⎤⎛⎫⎢⎥⋅=+-⋅ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦
(3-15
=[1+ 2.6 (0.6999-0.52.2] 24.569123=26.42106/h
' '
1G G L K K HK ααα
=
+ (3-16
=1÷(1÷17.1358+1÷0.725÷26.4210
=9.038478 kmol/(m3 h kpa
OG Y G V V H K K P αα=
=
Ω
Ω
(3-17
=234.599÷9.03847÷101.3÷0.785÷0.64 =0.491182 m
OG OG Z H N = (3-18 =0.491182×9.160434=4.501360m,得
' Z =1.4×4.501=6.30m
3.2.3 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=5×800~10×800=4~8 m
计算得填料层高度为 7000mm , ,故不需分段
3.3 填料层压降的计算
取 Eckert (通用压降关联图 ; 将操作气速 ' u (=2.8886m/s 代替纵坐标中的 F u 查表,
DG50mm 塑料鲍尔环的压降填料因子 φ=125代替纵坐标中的.
则纵标值为:
2
. 02L
L
V P g u μρρϕφ∙∙=0.1652 (3-19 横坐标为:
0.5
V L V L W W ρρ⎛⎫
= ⎪⎝⎭
0.5
5358.895721.17617056.6998.2⎛⎫ ⎪⎝
⎭
=0.02606

(3-20
查图得
P
Z
∆=∆ 981Pa/m (3-21 全塔填料层压降 P ∆=981×7=6867 Pa
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
4.1 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。
4.2 塔内件的设计
4.2.1 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
4.2.2 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 0.8m
填料层高度 7m
填料规格 50mm 鲍尔环
操作液气比 1.2676356 1.7倍最小液气比
校正液体流速 2.78220/s
压降 6867 Pa
惰性气体流量 234.599kmol/h
2 填料塔设计数据一览

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 后记及其他 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。在课程设计过程中,使我加深了对课本知识的认识， 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。 同学之间相互讨论，整体设计基本满足使用要求，但是在设计指导过程中也发现一些问 题，发现自己基础知识不牢固，需加强学习，扩大知识面的广度。 16
附件一： 附件一：塔设备流程图 附件二： 附件二：塔设备设计图 17
水吸收氨填料 09.6.5 09.6.5 吸收塔 工艺设计图 18