氨气吸收塔课程设计

化工原理 课程设计说明书设计题目：水吸收氨气填料塔 设 计 者：陈玉姣 专 业：化学工程与工艺 学 号： 101412102 指导老师：王要令 课程设计任务书化工原理课程设计要求本课程的设计任务要求学生做设计说明书一份、图纸两张。各部分的具体要求如下：1 说明书必须书写工整、图文清晰。说明书中所有公式必须写明编号，所有符号必须注明意义和单位。2 设计图纸要求：(1) 流程图（A3）本设计要求画“生产装置工艺流程图”一张，图纸大小为210297（或148210）mm2。本图应表示出装置或单元设备中所有的设备和机器，以线条和箭头表示物料流向，并以引线表示物料的流量、温度和组成等。设备以细实线画出外形并简略表示内部结构特征，大致表明各设备的相对位置。设备的位号、名称注在相应设备图形的上方或下方，或以引线引出设备编号，在专栏中注明个设备的位号、名称等。管道以粗实线表示，物料流向以箭头表示（流向习惯为从左向右）。辅助物料（如冷却水、加热蒸汽等）的管线以较细的线条表示。（2）设备图（A2）本设计要求画主要设备详图一张，表示其结构形式、尺寸（表示设备特性的尺寸，如圆筒形设备的直径等）、技术特性等。设备图基本内容有： 视图：一般用主（正）视图、剖面图或俯视图表示主要设备结构形状； 尺寸：图上应注明设备直径、高度以及表示设备总体大小和规格的尺寸； 技术特性表：列出设备操作压力、温度、物料名称、设备特性等； 标题栏：说明设备名称、图号、比例、设计单位、设计人、审校人等。图纸要求：投影正确、布置合理、线型规范、字迹工整。课程设计任务书（78人一题，改变操作条件，一人一任务）(1) 设计题目试设计一座填料吸收塔，用于脱除混于空气中的氨气。混合气体的处理量为2192m3/h（1980+学号106），其中含空气为94%，氨气为6%（体积分数，下同）。要求塔顶排放气体中含氨低于0.02%，采用清水进行吸收，吸收塔的用量为最小用量的 1.6 （自定，如1.6）倍【20氨在水中的溶解度系数为H=0.725kmol/(m3kPa)】(2) 工艺操作条件 操作平均压力：常压； 操作温度：t=20； 每年生产时间：7200h； 选用填料类型及规格自选。（3）设计任务完成填料吸收塔的工艺设计与计算，有关附属设备的设计和选型，绘制吸收系统的工艺流程图和吸收塔的工艺条件图，编写设计说明书。（4）说明为使学生独立完成课程设计，每个学生的原始数据均在产品产量上不同，即每上（下）浮300kg/h为一个学号的产品产量 目 录 第一节 前言 . 3 1.1 填料塔的有关介绍 . 4 1.2 塔内填料的有关介绍 . 5 第二节 填料塔主体设计方案的确定 . 5 2.1 液相物性数据. 6 2.2 气相物性数据. 8 2.3物料衡算. 7 第三节 填料塔工艺尺寸的计算 . 8 3.1 塔径的计算 . 8 3.2 填料层高度的计算及分段 . 9 3.2.1 传质单元数的计算. 10 3.2.2 传质单元高度的计算. 10 3.2.3 填料层的分段. 11 第四节 填料层压降的计算 . 12 第五节 填料塔内件的类型及设计 . 13 对本设计的评述及心得 . 15 参考文献 . 15 附表1填料塔设计结果一览表 . 25 附件一塔设备流程图 .27第一节 前言 1.1 填料塔的有关介绍 填料塔洗涤吸收净化工艺不单应用在化工领域 ,在低浓度工业废气净化方面也能很好地发挥作用。工程实践表明 ,合理的系统工艺和塔体设计 ,是保证净化效果的前提。本文简述聚丙烯阶梯填料应用于清水吸收氨过程的工艺设计以及工程问题。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它特别适用于处理量小、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于连续接触式的气液传质设备。 填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备它是化工类企业中最常用的气液传质设备之一。 填料塔的主体结构主要包括塔体、塔填料和塔内件三大部分，如下图所示 1-气体出口 2-液体人口 3-液体分布装置 4-塔壳 5-填料6-液体再分布器 7-填料 8-支承栅板9气体人口 10-液体出口 图1 填料塔结构图 1.2 塔内填料的有关介绍 聚丙烯材质填料作为塔填料的重要一类在化工上应用较为广泛与其他材质的填料相比聚丙烯填料具有质轻、价廉、耐蚀、不易破碎及加工方便等优点，聚丙烯阶梯环填料为外径是高度的两倍的圆环 ,在侧壁上开出两排长方形的窗孔 , 并在一端增加了一个锥形翻边被切开的环壁的一侧仍与壁面相连 ,另一侧向环内弯曲 ,形成内伸的舌叶 ,各舌叶的侧边在环中心相搭。鲍尔环由于环壁开孔 ,大大提高了环内空间及环内表面的利用率 ,气流阻力小 ,液体分布均匀。阶梯环与鲍尔环相比 ,其高度减少了一半 ,并在一端增加了一个锥形翻边。 聚丙烯阶梯环的结构图如下 图2 聚丙烯阶梯环结构图 第2节 填料吸收塔的工艺计算 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。由手册查的,20水的有关物性数据如下: 密度:L=998.2kg/m粘度:L=1.00510-3Pa/S 表面张力:L= 72.610-3N/m=940896Kg/h氨气在水中的扩散系数:DL=1. 7610-9 /s 气相物性数据 混合气体平均摩尔质量: MVM=yiMi0.06017+0.94029=28.28kg/mol 混合气体的平均密度:vm=101.328.28/8.314293=1.176kg/m 混合气体的粘度可近似取为空气的粘度, 查手册得20空气的粘度:V=0.018110-3Pa/s=0.065Kg/(m.h)20氨气扩散系数:DG=1.7010-5/s 物料衡算进塔惰性气相流率: V=(2192/22.4)273/(273+20)(1-0.060)=85.71Kmol/h 进塔气相摩尔比:Y1=0.060/(1-0.060)=0.0638出塔气相摩尔比:Y2=0.0002/1-0.0002=0.0002 因为吸收剂为清水，所以X2=0，吸收液组成由全塔物料衡算得: 得 X1=X2+（0.0638-0.0002)/1.2=0.053， 最小吸收剂用量、吸收剂用量的选择 20下氨在水中的溶解度系数:已知, 常压下20时, 亨利系数:H=998.2/0.72518101.3=0.755Kpa,所以相平衡常数:m=0.755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: (L/V)min 对纯溶剂吸收过程,进塔液相组成为 X2=0,则 (L/V)min=(0.0638-0.0002)/0.06383/0.755-0=0.75，所以最小吸收剂用量： Lmin=0.75V=61.31Kmol/h 取操作液气比为最小液气比1.6倍,则 1.60.75=1.2因此 吸收剂用量： L=0.7585.71=102.85mol/hV单位时间内通过吸收塔的惰性气体量kmol/s; L单位时间内通过吸收塔的溶解剂kmol/s; Y1、Y2分别为进塔及出塔气体中溶质组分的摩尔比koml/koml; X1、X2分别为进塔及出塔液体中溶质组分的摩尔比koml/koml; 塔径的计算 混合气体的密度: vm=101.328.28/8.314293=1.176kg/m 塔顶混合气流量:VM=21921.176=2577.792kg/h 液相质量流量可近似按纯水的流量计算,即: LM=102.8518kg/h=1851.3kg/h 所以LM/VM=0.718温度t=20,P=101.3kpa时，该过程处理量不大,所用的塔直径不会太大,可选用2512.51.4聚丙烯阶梯环塔填料其主要性能参数如下 比表面积at=223/m 空隙率= 0.90 A、 湿填料因子=312m-1 填料常数 A=0.204 K=1.75 3.1不同类型填料的A、K值散装填料类型AK规整填料类型AK塑料鲍尔环0.09421.75金属阶梯环0.1061.75金属鲍尔环0.11.75瓷矩鞍0.1761.75塑料阶梯环0.2041.75金属环矩鞍0.062251.75（1） 用Bain-Hougen关联式计算泛点气速f，把数据代入下式 得:-0.5844，则: f=2.63m/s对于散装材料，其泛点率=/f范围是（0.5-0.85）可取=0.6，则=f0.6=1.578m/s由式求得，D=0.7m，(常用的标准塔径为400、500、600、700、800、1000、1200、1400、1600、2000、2200) (2)泛点率校核: u =2192/36000.7850.49=1.583m/s所以泛点率=/f=1.583/2.63100%=60.2%(在允许范围内0.50.85) (3)填料规格校核: D/d=700/25=288(在允许范围内） （4）液体喷淋密度校核: 因填料为25mm12.5mm1.4mm,塔径与填料尺寸之比大于8,对于直径不超过75mm的散装填料，可取最小润湿速率为0.08m3/mh；对于直径大于75mm的散装填料，可取最小润湿速率为0.12m3/mh固取最小润湿速度为(Lw)min=0.08 m3/m.h,查常用散装填料的特性参数表,得Umin=(LW)minat0.08=18.24m3/hU=1851.3998.2/(0.7850.493600)=1334.52m3/.h 则U Umin经以上校核可知,填料塔直径选用D700mm是合理的。 填料层高度的计算填料层高度传质单元高度传质单元数（1）传质单元数NOG计算: 脱吸因数为 S= NOG= = =12.88（2） 传质单元高度HOG的计算HOG=其中 KYa=KGap(1)先计算填料的润湿面积aW作为传质面积a，用改进的恩田式分别计算kL及kG，再合并为kLa和kGa。 关联式中各物性数据：液体性质（以20为准） 密度L=998.2kg/m3 粘度L=1.00510-3Pas查填料材质的临界表面张力可知 =0.278（2） 计算KYa 查聚丙烯填料表面张力表材质碳瓷玻璃聚乙烯聚丙烯刚石蜡氯乙烯表面张力（N/m）5661733335762040知聚丙烯表面张力c=3510-3/s ，查填料形状系数表表3.3 各类填料的形状系数填料类型球棒拉西环弧鞍开孔环值0.720.7511.191.45 知=1.45， 273k，101.3kpa时氨气在空气中的扩散系数为1.9810-3/s，由Gilliland公式， 由，则293，101.3下，在空气中的扩散系数为/s得DG=2.210-3/s，查附录知氨气在液相中的扩散系数为1.7710-9/s，所以液膜传质系数0.4 kmol/.S.kpa气膜传质系数 kmol/(skPa)kmol/(m3skPa)kmol/(m3skPa)所以代入校正项得，下式代入得KYa=KGap传质单元高度所以填料层高度取上下活动系数为1.5mZ=1.5Z=1.54.03=6.05m,圆整后为7m，由推荐填料分段高度值表横坐标为：下表为散装填料压降填料平均因子值已知：纵坐标为：，查通用压降关联图得，填料层压降为：填料塔的辅助构件的计算（1） 液体分布装置注：对液体分布装置的选型与设计，一般要求：A、液体分布要均匀 B、自由截面率要大 C、操作弹性大 D、不易堵塞，不易引起雾沫夹带等现象 E、可用多种材料制作，且安装方便。本设计任务液相负荷不大，可选用截锥式再分布器。D1=(0.6-0.8)D=0.65x0.7=0.455m厚度s=4-6mm，选用5mm(2) 液体再分布装置选用时与液体分布装置相同，D=700mm时，主管直径为50mm，支管排数为4个，支管外缘长度为660mm（3） 填料支撑板作用：用于支撑塔填料及其所持有的液体、气体的质量，同时起着气液流道及气体均布作用。要求：支撑板具有足够的强度，均匀的开口和大于填料孔隙率的自由截面分率。由于此塔塔径为700mm，且为气液逆流，可选用栅板型，分两块。（4） 填料压板与床层限制板填料压板是由自身质量压住填料，但不致压坏填料，限制板的质量轻，需固定在塔壁上，一般要求压板或限制板自身截面分率大于70.，当D=700mm时，可选用限制板的外径比塔径小10-15mm，即如688mm。（5） 吸收塔的主要接管尺寸的计算1、气体进料管 由于常压下塔气体进出口管气速可取1220，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 采用直管进料，由化工原理 第三版 上册 谭天恩等主编 化学工业出版社P269查得选择273mm12mm热轧无缝钢管，则 =2192/36000.7850.249*2=12.51m/s（在符合范围内）气体进出口压降: 进口：dP1=*2/2=92.02pa 出口：dP2=0.5*2=46.01pa 2、液体进料管 由于常压下塔液体进出口管速可取0.5-3m/s故若取液体进出口流速近似为2.6m/s，则由公式可求得液体进出口内径为 采用直管进料，由化工原理第三版 上册 谭天恩等主编 化学工业出版社P368查得选择38mm4mm热轧无缝钢管，则 =102.8518/0.78536000.0009=0.73m/s （在符合范围内） 塔的结构设计 （1）筒体的设计 在压力不是太高筒体有钢板卷焊而成和取自大口无缝钢管的两种直径较大的一半用钢卷制其内径必须符合公称直径的数值并且均为整数。直径较小的筒体为方便计算可选用适当的无缝钢管由于钢管内径会因不同厚度规格而变化故取外径为筒体的公称直径本塔的公称直径为D=705*5mm。 所需塔内径 Di=0.7m 2700/1000=1.43，故塔壁厚 d=3mm+2mm=5mm 3mm-塔壁必须保证的基本厚度 2mm-塔壁的腐蚀裕量。 塔外径 Do=(705+5)=710mm 故本设备塔外径为705*5mm封头的设计 化工容器上常用的封头型式有半球形、椭圆形、五折边球形、锥形和平板盖。因本次设计中所涉及的塔顶压力不是太大故可选择结构较为简单的平顶盖上封头。平板盖封头的几何形状包括圆形、椭圆形、长圆形及方形等几种。本次选用圆形。 平板封头的厚度计算是以薄板理论为基础。因塔顶上封口处设有气体出料管。塔底要承载液体故选择椭圆形封头。 标准椭圆形封头的长短轴之比为2型号及尺寸按JB1154-73椭圆形封头型式与尺寸的规定长轴即为筒体的直径短轴即为长轴的一半。 塔底椭圆封头的部分尺寸如下封头内径Di=698mm 封头外径Do=703mm封头深度h=200mm 确定塔高塔高=塔顶空间+安装进气管与填料距离+进气管与塔底液面距离+分布器间隙+填料层+塔底液面空间塔顶空间一般取1.2-1.5m，这里取1.2m安装进气管与填料距离=D=1.0m进气管与塔底液面距离=0.3m分布器间隙=（h0-Z0）(10-1)=(2x0.49-0.7)x9=2.52m填料层=2x3.5=7m塔底空间=塔高=1.2+1.0+0.3+2.52+7+1.58=13.6m吸收塔类型聚丙烯阶梯环吸收填料塔混合气体处理量（m/h）2192塔径D（m）0.7填料层高度Z(m)7气相总传质高度（m）0.313气相总传质单元数12.88塔高（m）13.6泛点气速（m/s）2.63操作压力（kpa）101.3操作温度（）20填料直径（mm）25填料压力降（kpa）4.81孔隙率0.90填料比表面积（/m）228填料常数A0.204填料常数S1.75设计一览表 对本设计的评述历时两个星期的化工原理课程设计结束了，在这个课程设计过程当中，我们综合地运用了我们所学习过的流体力学，吸收等方面的化工基础知识，设计了一款可应用于吸收氨的填料塔。在为期两周的课程设计当中我感触最深的便是实践联系理论的重要性，当遇到实际问题时，只要认真思考，用所学的知识，再一步步探索，是完全可以解决遇到的一般问题的。这次的课程设计内容包括工艺流程的设计，填料层结构的设计，数据的校验。目的主要是使我们对化学工艺原理有一定的感性和理性认识；对水吸收氨等方面的相关知识做进一步的理解；培养和锻炼我们的思维实践能力，使我们的理论知识与实践充分地结合，做到不仅具有专业知识，而且还具有较强的实践能力，能自主分析问题和解决问题。 通过这次对填料吸收塔的设计，培养了我们的能力，首先培养了我们查阅资料，选用公式和数据的能力，其次还可以从技术上的可行性与经济上的合理性两方面树立正确的设计思想，分析和解决工程实际问题的能力，最后熟练应用计算机绘图的能力以及用简洁文字，图表表达设计思想的能力。不仅让我将所学的知识应用到实际中，而且对知识也是一种巩固和提升充实。主要符号说明 at填料的总比表面积/m aW填料的润湿比表面积 /m d填料直径m D塔径m DL液体扩散系数/s Dv气体扩散系数/s g重力加速度9.81 m/s h填料层分段高度m HOG气相总传质单元高度m kG气膜吸收系数kmol/(skPa) kL液膜吸收系数m/s KG气相总吸收系数kmol/(skPa) Lb液体体积流量m/h LS液体体积流量m/s LW润湿速率m/(ms) m相平衡常数无因次 NOG气相总传质单元数 P操作压力Pa P压力降Pa u空塔气速m/s uF泛点气速m/s U液体喷淋密度m/(mh) UL液体质量通量kg/(mh) Umin最小液体喷淋密度m/(mh) Uv气体质量通量kg/(h) Vh气体体积流量m/h VS气体体积流量kg/s wL液体质量流量kg/s wV气体质量流量kg/s x液相摩尔分数 X液相摩尔比Z y气相摩尔分数 Y气相摩尔比 h板式塔的有效高度m Z填料层高度m。 希腊字母 空隙率无因次 粘度Pas 密度kg/m 表面张力N/m 开孔率或孔流系数无因次 填料因子l/m 液体密度校正系数无因次。 下标 max最大的 min最小的 L液相的 V气相的。 附 参考文献 1、 化工原理课程设计, 天津大学化工原理教研室编 2、路秀林,王者相,塔设备M. 化学工业出版社3、化工原理课程设计化工传递与单元操作课程设计贾绍义.柴诚敬主编. 天津大学出版社2002 4、化工原理上、下册（第二版） 天津大学化工学院 柴诚敬 主编 高等教育出版社 20095、化工原理上册（第三版） 谭天恩 主编 化学工业出版社，2010致谢 本次课程设计要特别感谢王要令老师的热心帮助和教导同时感谢在设计过程中同学们的帮助和指点。 第一次自己完成一项大型的作业，水平有限，经验不足，设计中难免会有不足之处，请老师批评指正。28