化工原理水吸收氨过程填料吸收塔精馏塔设计优秀课程设计.docx

《化工原理》课程设计

题目: 水吸收氨过程填料吸收塔设计

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目录
一、任务书 2
7、物性数据可查相关手册 3
二、吸收塔物料衡算 3
1、液相物性数据 3
2、气相物性数据 4
3、气液相平衡数据 4
4、物料衡算 4
三、吸收塔塔体工艺尺寸计算 5
1、塔径计算 5
2、填料层高度计算及分段 7
1）传质单元数计算 7
3）填料层分段 9
四、 填料层压降计算 10
五、液体分布器简明设计 11
1. 液体分布器设计基础要求： 11
2、分布点密度计算 12
六、吸收塔接管尺寸计算 12
1、气体进料管 12
2、 液体进料管 13
七、绘制生产工艺步骤图 14
八、绘制吸收塔设计条件图 14
九、对设计过程评述和相关问题讨论 14

一、任务书
1、设计题目：水吸收氨过程填料吸收塔设计
试设计一座填料吸收塔，用于脱除混于空气中氨气。要求混合气体处理量为3000m3/h，其中含氨为5%（体积分数），要求塔顶排放气体中含氨低于0.02%（体积分数）。采取清水进行吸收，吸收剂用量为最小用量1.5倍。
2、操作条件
（1） 操作压力 常压
（2） 操作温度 20℃。
3、填料类型
选择聚丙烯阶梯环填料，填料规格自选。
4、工作日
每十二个月300天，天天二十四小时连续生产。
5、厂址
厂址为万州地域。
6、设计内容
（1） 吸收塔物料衡算；
（2） 吸收塔塔体工艺尺寸计算；
（3） 填料层压降计算；
（4） 液体分布器简明设计；
（5） 吸收塔接管尺寸计算；
（6） 绘制生产工艺步骤图；
（7） 绘制吸收塔设计条件图；
（8） 对设计过程评述和相关问题讨论。
7、物性数据可查相关手册。
20℃下氨在水中溶解度系数为H=0.725Kmol/(m3.KPa)。
二、吸收塔物料衡算
常见填料塔径和填料公称直径比值D/d推荐值列于下表：
常见填料D/d推荐值
填料种类
D/d推荐值
拉西环
D/d20~30
鞍形环
D/d15
鲍尔环
D/d10~15
阶梯环
D/d>8
环矩鞍
D/d>8

本设计采取阶梯环，填料规格即为D/d>8
本方案采取散装填料，选择聚丙烯阶梯环作为填料设计填料塔，规格为38mm×19mm×1mm，聚丙烯阶梯环即为塑料类填料,其关键参数以下：
聚丙烯阶梯环特征数据表
填料类型
公称直径
DN/mm
外径×高/壁厚
（mm）
比表面积
at（m2/m3）
空隙率/%
个数n/m-3
堆积密度（kg/m3）
干填料因子m-1
塑料阶梯环
38
38×19×1
132.5
91
27200
57.5
175.6

1、液相物性数据
对低浓度吸收过程，溶液物性数据可近似取纯水物性数据。由手册查得 20 ℃水相关物性数据以下：
1）
2）
3） 表面张力为:
4）
5） 氨气在空气中扩散系数
6) 氨气在水中扩散系数
2、气相物性数据
1） 混合气体平均摩尔质量为:

2） 混合气体平均密度为：

R=8.314
3） 混合气体黏度可近似取为空气黏度。查手册得20时，空气黏度

注：1 1Pa•s=1kg/（m•s）

3、气液相平衡数据
20℃，101.3Kpa下氨气在水中溶解度系数 H=0.725kmol/m3.kpa
相平衡常数：
r
4、物料衡算
进塔气相摩尔比：

出塔气相摩尔比：

对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成：
X2=0
混合气体流量:
G=(3000×273) ×(293×22.4) = 124.79kmol/h
进塔惰性气体流量:
GB= 124.79×(1 – 0.05) = 118.55kmol/h

可得吸收剂用量为:
Ls=1.5 ×0.751 × 118.55 = 133.55kmol/h
依据全塔物料衡算式:
GB (Y1 – Y2) = L s (X1 – X2)
X1 = GB (Y1 - Y2) / L s+ X2 = (0.0526 - 0.0002)/(0.751 ×1.5) = 0.0685
液气比 ： WL/Wv = (133.55 ×18)/(3000 ×1.181) = 0.678 
三、吸收塔塔体工艺尺寸计算
填料塔工艺尺寸计算包含塔径计算、填料层高度计算及分段
1、塔径计算
1）空塔气速确实定——泛点气速法
对于散装填料，其泛点率经验值u/u=0.5~0.85
依据贝恩（Bain）—霍根（Hougen）关联式 ，即：
=A-K
由WL=2403.9㎏/h；WV=3543kg/h
查得比表面积：at=132.5m2/m3,A=0.204,K=1.75,

则
解得：F=7.890m/s
其中：
——泛点气速，m/s;
g ——重力加速度，9.81m/s

取泛点率为0.7
u=0.7uF=0.7 ×7.89=5.523m/s

圆整塔径后取D=0.5m=500mm
2）泛点速率校核：
m/s
u/uF=4.246/7.890=0.538 (在许可范围内0.5~0.85)
3）依据填料规格校核：D/d=500/38=13> 8
4）液体喷淋密度校核：
a.填料塔液体喷淋密度是指单位时间、单位塔截面上液体喷淋量。
b.最小润湿速率是指在塔截面上，单位长度填料周围最小液体体积流量。对于直径不超出75mm散装填料，可取最小润湿速率 填料总比表面积

经过以上校验，填料塔直径设计为D=500mm 合理。
2、填料层高度计算及分段
Y1*=mX1 =0.754 ×0.0685 = 0.051649

1）传质单元数计算
用对数平均推进力法求传质单元数
脱吸因数为：
S = mV/L = 0.754 / (0.751 ×1.5) = 0.669
则：=13.36
2）传质质单元高度计算
气相总传质单元高度采取修正恩田关联式计算：

查聚丙烯阶梯环临界表面张力值表
σc=33dyn/cm=427680kg/h2
液体质量通量为：
= WL/(0.785×D2)= 133.55×18/(0.785×0.52)= 12249.17kg/(m2.h)
气体质量通量为：
UV=WV/(0.785×D2)=3000×1.181/(0.78×0.52)=18053.50kg/(㎡•h)
求得：aw/at=0.362 则: aw=47.965
气膜吸收系数由下式计算：

代入数据解得：
=0.1726m/s
液膜吸收数据由下式计算：

代入数据解得： =0.5271 m/s
阶梯环填料是一个由应用价值分析技术开发出来一个改善开孔环填料，国外称之为CascedMini-Ring（缩写上CMR）
常见填料形状系数表

查表可知，
0.1726×47.965×1.451.1=12.46kmol/(m3•h•kPa)
=0.5271×47.965×1.450.4=29.33kmol/(m3•h•kPa)
修正恩田公式只适适用于小于等于0.5情况
因为： = 0.538>0.5
所以需要用以下式进行校正：

代入数据解得： =13.68 kmol/(m3 •h•kPa)

代入数据解得： =29.39 kmol/(m3 •h•kPa)

代入数据解得：=8.33kmol/(m3 •h •kPa)

=118.55/(8.33×101.3×0.785×0.52)
= 0.716
=0.716×13.36=9.566m
依据设计经验，填料层设计高度通常为Z’=(1.2~1.5)Z
此次取安全系数为1.5：
则 =1.5×Z= 1.5×9.566=14.349 m
设计取填料层高度为15m
3）填料层分段
对于阶梯环散装填料分段高度推荐值为h/D=8~15，
取h/D=10 则h=10×0.5=5m
计算得填料层高度为15m
故: 填料层需要分为3段，高度分别为5m

四、 填料层压降计算
在流动参数FP中，知道，
故FP=
依据Eckert 图(通用压降关联图)，将操作气速替换纵坐标中查表，38mm聚丙烯阶梯环压降填料因子＝175.6替换纵坐标中p．
则纵标值为：
=0.223
又 故

在图中，查Y=0.109,X=0.0242点，知压降
故全塔填料层压降

通用压降关联图
至此，吸收塔物料衡算、塔径、填料层高度及填料层压降均已算出。
五、液体分布器简明设计
1. 液体分布器设计基础要求：
(1)液体分布均匀;（2）操作弹性大；（3）自由截面积大；
本设计任务液相负荷不大，该吸收塔塔径较小，D=500mm。而多孔直管式喷淋器使用于D=600mm以下塔。所以本试验采取多孔直管式喷淋器作为液体喷淋装置。且填料层不高，可不设液体再分布器。

2、分布点密度计算

Eckert散装填料塔喷淋点密度推荐值

塔径，mm
喷淋点密度，点/m2塔截面
D=400
330
D=500
285
D=600
246
D=750
175
D>=1200
42
按Eckert提议值,D=500mm时,喷淋点密度为285点/m2。
总布液孔数为：n=0.785×0.52×285=101.9≈56点
按分布点几何均匀和流量均匀标准，进行布点设计。设计为：11道环圆孔，每道孔分布五个孔，实际设计布点数n=55.
六、吸收塔接管尺寸计算
1、气体进料管
因为常压下塔气体进出口管气速可取12～20 ，故若取气体进出口流速近似为16m/s，则由公式 可求得气体进出口内径为

采取直管进料，由附表查得
选择热轧无缝钢管，则
（在符合范围内）
气体进出口压降:
进口：
出口：
2、 液体进料管
因为常压下塔液体进出口管速可取1-3，故若取液体进出口流速近似为1.5m/s，则由公式可求得液体进出口内径为

采取直管进料，由附表查得
选择热轧无缝钢管，则
（在符合范围内）
七、绘制生产工艺步骤图

八、绘制吸收塔设计条件图
九、对设计过程评述和相关问题讨论
在过去十二个月里，我们学习了《化工原理》这一门课程。《化工原理》是化学类专业一门关键专业基础课，它内容是讲述化工单元操作基础原理、经典设备结构原理、操作性能和设计计算。化工单元操作是组成多种化工生产过程、完成一定加工目标基础过程，其特点是化工生产过程中以物理改变为主，包含流体流动过程、传热过程和传质过程。在这里面，我们关键学习了流体输送、流体流动、机械分离、传热、传质过程导论、吸收、蒸馏、气-液传质设备，和干燥等。
这次我们小组课程设计题目是水吸收氨过程填料塔设计，这是相关吸收中填料塔设计。填料塔是以塔内装有大量填料为相接触构件气液传质设备。填料塔结构较简单，压降低，填料易用耐腐蚀材料制造等优点。
在课程设计过程中,我们加深了对书本知识认识，也巩固了所学到知识。此次课程设计根据设计任务书、指导书、技术条件要求进行。在设计过程中，我经过跟小组组员之间相互讨论，整体设计基础满足使用要求，不过在设计指导过程中也发觉部分问题，发觉自己基础知识不牢靠，需加强学习，扩大知识面广度。另外，我经过这次课程设计，对从填料塔设计方案到填料塔设计基础过程设计方法、步骤、思绪、有一定了解和认识。
课程设计是我们在校大学生必需经过一个过程，它不仅提升了我们实际动手能力还加强了我们对知识灵活利用。经过课程设计锻炼，能够为我们即未来毕业设计打下坚实基础！