《化工原理》課程設(shè)計(jì)水吸收氨氣過程填料塔的設(shè)計(jì)學(xué) 院 專業(yè) 制藥工程班 級 姓 名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 2013年1月15日目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"設(shè)計(jì)任務(wù)書 4\o"CurrentDocument"第一節(jié) 前百 4\o"CurrentDocument"11填料塔的有關(guān)介紹 512塔內(nèi)填料的有關(guān)介紹 錯(cuò)誤!未定義書簽。\o"CurrentDocument"第二節(jié)填料塔主體設(shè)計(jì)方案的確定 6裝置流程的確定 6吸收劑的選擇 7填料的類型與選擇 7液相物性數(shù)據(jù) 8氣相物性數(shù)據(jù) 8氣液相平衡數(shù)據(jù) 9物料橫算 9\o"CurrentDocument"第三節(jié)填料塔工藝尺寸的計(jì)算 10塔徑的計(jì)算 10填料層高度的計(jì)算及分段 12傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算 12傳質(zhì)單元高度的計(jì)算 12填料層的分段 15\o"CurrentDocument"第四節(jié)填料層壓降的計(jì)算 15第五節(jié)填料塔內(nèi)件的類型及設(shè)計(jì) 16\o"CurrentDocument"第六節(jié)填料塔液體分布器的簡要設(shè)計(jì) 16\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 15\o"CurrentDocument"對本設(shè)計(jì)的評述及心得 15附表：附表1填料塔設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表 18附表2填料塔設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)一覽 18附件一：塔設(shè)備流程圖 20設(shè)計(jì)任務(wù)書（一）、設(shè)計(jì)題目：水吸收氨氣過程填料吸收塔的設(shè)計(jì)試設(shè)計(jì)一座填料吸收塔，用于脫除混于空氣中的氨氣。混合氣體的處理量為7500m3/h,其中含氨氣為5%（體積分?jǐn)?shù)）,要求塔頂排放氣體中含氨低于0.02%（體積分?jǐn)?shù)）。采用清水進(jìn)行吸收，吸收劑的用量為最小用量的1.5倍。（二）、操作條件（1）操作壓力常壓（2）操作溫度20℃.（三）填料類型選用聚丙烯階梯環(huán)填料，填料規(guī)格自選。（四）工作日每年300天，每天24小時(shí)連續(xù)進(jìn)行。（五）廠址廠址為衡陽地區(qū)（六）設(shè)計(jì)內(nèi)容.吸收塔的物料衡算;.吸收塔的工藝尺寸計(jì)算;.填料層壓降的計(jì)算；.液體分布器簡要設(shè)計(jì).吸收塔接管尺寸計(jì)算；.繪制吸收塔設(shè)計(jì)條件圖；.對設(shè)計(jì)過程的評述和有關(guān)問題的討論。(七)操作條件20℃氨氣在水中的溶解度系數(shù)為H=0.725kmol/(m3?kPa)。第一節(jié)前百填料塔的有關(guān)介紹填料塔洗滌吸收凈化工藝不單應(yīng)用在化工領(lǐng)域，在低濃度工業(yè)廢氣凈化方面也能很好地發(fā)揮作用。工程實(shí)踐表明，合理的系統(tǒng)工藝和塔體設(shè)計(jì)，是保證凈化效果的前提。本文簡述聚丙烯階梯填料應(yīng)用于水吸收氨過程的工藝設(shè)計(jì)以及工程問題。填料塔是以塔內(nèi)的填料作為氣液兩相間接觸構(gòu)件的傳質(zhì)設(shè)備，它是化工類企業(yè)中最常用的氣液傳質(zhì)設(shè)備之一。填料塔的主體結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖1填料塔結(jié)構(gòu)圖填料塔不但結(jié)構(gòu)簡單，且流體通過填料層的壓降較小，易于用耐腐蝕材料制造，所以它特別適用于處理量小、有腐蝕性的物料及要求壓降小的場合。液體自塔頂經(jīng)液體分布器噴灑于填料頂部，并在填料的表面呈膜狀流下，氣體從塔底的氣體口送入，流過填料的空隙，在填料層中與液體逆流接觸進(jìn)行傳質(zhì)。因氣液兩相組成沿塔高連續(xù)變化，所以填料塔屬于連續(xù)接觸式的氣液傳質(zhì)設(shè)備。塔內(nèi)填料的有關(guān)介紹聚丙烯材質(zhì)填料作為塔填料的重要一類，在化工上應(yīng)用較為廣泛，與其他材質(zhì)的填料相比，聚丙烯填料具有質(zhì)輕、價(jià)廉、耐蝕、不易破碎及加工方便等優(yōu)點(diǎn)，但其明顯的缺點(diǎn)是表面潤濕性能差。研究表明，聚丙烯填料的有效潤濕面積僅為同類規(guī)格陶瓷填料的40%，由于聚丙烯填料表面潤濕性能差，故傳質(zhì)效率較低，使應(yīng)用受到一定的限制.聚丙烯階梯環(huán)填料為外徑是高度的兩倍的圓環(huán)，在側(cè)壁上開出兩排長方形的窗孔，并在一端增加了一個(gè)錐形翻邊，被切開的環(huán)壁的一側(cè)仍與壁面相連，另一側(cè)向環(huán)內(nèi)彎曲，形成內(nèi)伸的舌葉，各舌葉的側(cè)邊在環(huán)中心相搭。鮑爾環(huán)由于環(huán)壁開孔，大大提高了環(huán)內(nèi)空間及環(huán)內(nèi)表面的利用率，氣流阻力小，液體分布均勻。階梯環(huán)與鮑爾環(huán)相比，其高度減少了一半，并在一端增加了一個(gè)錐形翻邊。聚丙烯階梯環(huán)的結(jié)構(gòu)圖如下：圖2聚丙烯階梯環(huán)結(jié)構(gòu)圖第二節(jié)精餾塔主體設(shè)計(jì)方案的確定裝置流程的確定本次設(shè)計(jì)采用逆流操作：氣相自塔底進(jìn)入由塔頂排出，液相自塔頂進(jìn)入由塔底排出，即逆流操作。逆流操作的特點(diǎn)是：傳質(zhì)平均推動(dòng)力大，傳質(zhì)速率快，分離效率高，吸收劑利用率高。工業(yè)生產(chǎn)中多采用逆流操作。

吸收劑的選擇因?yàn)橛盟鑫談什捎眉內(nèi)軇?。?工業(yè)常用吸收劑溶質(zhì)溶劑溶質(zhì)溶劑氨水、硫酸丙酮蒸汽水氯化氫水二氧化碳水、堿液二氧化硫水硫化氫堿液、有機(jī)溶劑苯蒸汽煤油、洗油一氧化碳銅氨液填料的類型與選擇填料的種類很多，根據(jù)裝填方式的不同，可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類。本次采用散裝填料。工業(yè)塔常用的散裝填料主要有Dn16\Dn25\Dn38\Dn50\Dn76等幾種規(guī)格。同類填料，尺寸越小，分離效率越高，但阻力增加，通量減小，填料費(fèi)用也增加很多。而大尺寸的填料應(yīng)用于小直徑塔中，又會(huì)產(chǎn)生液體分布不良及嚴(yán)重的壁流，使塔的分離效率降低。因此，對塔徑與填料尺寸的比值要有一規(guī)定。常用填料塔徑與填料公稱直徑比值D/d的推薦值列于下表。表2：常用填料的D/d的推薦值填料種類 D/d的推薦值D/d>15拉西環(huán) D/d>D/d>15鮑爾環(huán)D/d>10-15鮑爾環(huán)階梯環(huán) D/d>8環(huán)矩鞍 D/d>8工業(yè)上，填料的材質(zhì)分為陶瓷、金屬和塑料三大類。聚丙烯階梯環(huán)即為塑料類填料。聚丙烯填料在低溫(低于0度)時(shí)具有冷脆性，在低于0度的條件下使用要慎重，可選耐低溫性能良好的聚氯乙烯填料。本方案選用聚丙烯階梯環(huán)作為填料設(shè)計(jì)填料塔，規(guī)格為50mmX25mmX1.5mm,其主要參數(shù)如下：表3：聚丙烯階梯環(huán)的特性數(shù)據(jù)填料類型公稱直徑DN/mm外徑X高/壁厚比表面積a(m2/m3)空隙率/%個(gè)數(shù)n/m-3堆積密度(kg/m3)干填料因子m-1塑料階梯環(huán)5050X25X1.5114.292.71074054081432.4液相物性數(shù)據(jù)對低濃度吸收過程，溶液的物性數(shù)據(jù)可近似取純水的物性數(shù)據(jù)。由手冊查得20℃水的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：pL=998.2kg/m3黏度：hL=0.001pa?s-3.6kg/(m?h)3.表面張力為:03.表面張力為:0-72.6dyn/cm-940896kg/h220℃NH:H-0.725kmol/m3?kpa20℃NH3:D=7.34x10-6m2/h20°CNH3:D=0.225cm2/s=0.081m2/h2.5氣相物性數(shù)據(jù).混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為:(2-1)(2-2)M=Zym=0.05x17.0304+0.95x29=(2-1)(2-2).混合氣體的平均密度為：由_PM、,_101.3x28.4015

Pvm-rT8.314x293R=8.314m3-KPa/(kmol'K).混合氣體黏度可近似取為空氣黏度。查手冊得20°C時(shí)，空氣的黏度注：1N_1kg-m/s21Pa_1N/m2_1kg/(s2m)1Pa?s=1kg/(m?s).6氣液相平衡數(shù)據(jù)由手冊查得，常壓下，200c時(shí)，NH3在水中的亨利系數(shù)為E=76.3kPa200C時(shí),NH3在水中的溶解度:H=0.725kmol/m相平衡常數(shù)：m_-_相平衡常數(shù)：m_-_0.7532P溶解度系數(shù):H_-Pl-_998.2/(76.3x18.02)EMS_0.726kmol/kPa,m3(2-3)(2-4).7物料衡算1.進(jìn)塔氣相摩爾比為2.出塔氣相摩爾比為y 1-y1竺皂=0.052631-0.05(2-5)Y2.出塔氣相摩爾比為y 1-y1竺皂=0.052631-0.05(2-5)Y=((1-①A)=0.05263義(1-0.996)=0.002105 (2-6)3.進(jìn)塔惰性氣體流量:V=7500x273(1-0.05)=296.383kmol/ (2-7)22.4273+20 /h因?yàn)樵撐者^程為低濃度吸收，平衡關(guān)系為直線，最小液氣比按下式計(jì)算。即：(L)Y-Y— =--1——(V) Y/m-Xmin1 2(2-8)因?yàn)槭羌內(nèi)軇┪者^程，進(jìn)塔液相組成X2=0所以(L)[V)minY-Y0.05263-0.002105——clc-c =0.72290.052630.7532、，一，1—一，，，L L z選擇操作液氣比為L=1.5L=1.0844 (2-9)V IV)min吸收劑用量：L=1.0844X296.383=321.398kmol/h因?yàn)閂(Y1-Y2)=L(X1-X2)故X]=0.04659第三節(jié)填料塔工藝尺寸的計(jì)算填料塔工藝尺寸的計(jì)算包括塔徑的計(jì)算、填料層高度的計(jì)算及分段3.1塔徑的計(jì)算1.空塔氣速的確定——泛點(diǎn)氣速法對于散裝填料，其泛點(diǎn)率的經(jīng)驗(yàn)值u/uf=0.5-0.85根據(jù)貝恩（Bain）—霍根（Hougen）關(guān)聯(lián)式，即:1g(3-1)￥'4<nV'8=A-KfIf1g(3-1)〔WIplJ即：ig［u即：ig［u211402(1.1836兩(0.9273)I998.20.0010.2]=0.204-1.75(5791.592￥(1.1836￥8、8861.415)[998.2,解得：uf8.785m/s其中:uF 泛點(diǎn)氣速，m/s;g——重力加速度,9.81m/s2WL=5791.592kg/hWV=8861.415kg/hA=0.204;K=1.75;>u/u=0.7u=6.150m/s=0.6569m(3-2)4V_ 4=0.6569m(3-2)薪—\：3.14*6.150義3600圓整塔徑后D=0.7m1.泛點(diǎn)速率校核:7500u1.泛點(diǎn)速率校核:7500u= 0.785x0.72x3600=5.416m/s則上則上在允許范圍內(nèi)uF2.根據(jù)填料規(guī)格校核：D/d=700/50=14>8,根據(jù)表2可知符合要求3.液體噴淋密度的校核：(1)填料塔的液體噴淋密度是指單位時(shí)間、單位塔截面上液體的噴淋量。(2)最小潤濕速率是指在塔的截面上，單位長度的填料周邊的最小液體體積流量。對于直徑不超過75mm的散裝填料，可取最小潤濕速率(L)為2.根據(jù)填料規(guī)格校核：D/d=700/50=14>8,根據(jù)表2可知符合要求3.液體噴淋密度的校核：(1)填料塔的液體噴淋密度是指單位時(shí)間、單位塔截面上液體的噴淋量。(2)最小潤濕速率是指在塔的截面上，單位長度的填料周邊的最小液體體積流量。對于直徑不超過75mm的散裝填料，可取最小潤濕速率(L)為0.08m3/(m.h)。U.=(L)a=0.08X114.2=9.136m3/(m2?h) (3-3)U- L Px0.785xD25791.592998.2x0.785x0.72-15.08m3/(m2?h)>Umin-9.136(3-4)經(jīng)過以上校驗(yàn)，填料塔直徑設(shè)計(jì)為D=700mm合理。3.2填料層高度的計(jì)算及分段Y*-mX-0.04659x0.7532-0.0351(3-5)Y*-mX-0(3-6)傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算用對數(shù)平均推動(dòng)力法求傳質(zhì)單元數(shù)NOGY—Y

--4 2AYM(3-7)(3-8)(Y-Y*)-(Y-Y*)

1 1 2 2(3-8)InY-Y*In 1-Y-Y*22

=0.05263—0.0351—0.002105一?0.01756In 0.002105=0.007286則：n=0.05263-0.002105二693OG0.007286 .傳質(zhì)質(zhì)單元高度的計(jì)算氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計(jì)算:、0.75(=1-exp<、0.75(=1-exp<—1.45IOLUaF05(3-9)即：a/a=0.4062則aw=46.387液體質(zhì)量通量為:=5791.592/(0.785X0.72)=15056.78kg/(行?液體質(zhì)量通量為:=5791.592/(0.785X0.72)=15056.78kg/(行?h)氣體質(zhì)量通量為:二8861.415/(0.785X0.72)=23037.61kg/(行?h)氣膜吸收系數(shù)由下式計(jì)算:k=0.237(J)0.7Gk=0.237(J)0.7GaNtVIP3ra?D1- IRT)(3-10)代入數(shù)據(jù)解得：k代入數(shù)據(jù)解得：kG=0.2197m/s液膜吸收數(shù)據(jù)由下式計(jì)算:K=0.0095LK=0.0095L<PD,

LL-L-〔Pl1(3-11)代入數(shù)據(jù)解得：KL=0.6137m/s查表可知，v=1.45Ka=Kav□=0.2197X46.387X1.451.1=15.34kmol/(m3?h?kPa)Ka=Kav。，代入數(shù)據(jù)解得：KL=0.6137m/s查表可知，v=1.45Ka=Kav□=0.2197X46.387X1.451.1=15.34kmol/(m3?h?kPa)Ka=Kav。，=0.6137X46.387X1.450.4=33.03kmol/(m3?h?kPa)(3-12)(3-13)因?yàn)椋簎/U,=0.621所以需要用以下式進(jìn)行校正:(u)1.41+9.5一一0.5(3-14)代入數(shù)據(jù)解得:k'?a=22.92kmol/(m3?h?kPa)G(u A2.21+2.6一一0.5IUf代入數(shù)據(jù)解得：k'a=36.04kmol/(m3?h?kPa)L代入數(shù)據(jù)解得：Ka=12.21kmol/(m3?h?kPa)HOGKaQKaPQ(3-15)(3-16)(3-17)代入數(shù)據(jù)解得：HOG=0.623m(3-18)Z=HOGNOG=0.623X12.21=4.317m(3-18)取上下活動(dòng)系數(shù)為1.5,則Z'=1.5X4.317=6.476m填料層的分段對于階梯環(huán)散裝填料的分段高度推薦值為h/D=8?15。h=8X700?15X700=5.6?10.5m計(jì)算得填料層高度為7m,,故不需分段第四節(jié)填料層壓降的計(jì)算根據(jù)Eckert圖(通用壓降關(guān)聯(lián)圖)，將操作氣速u代替縱坐標(biāo)中的uF查表，Dn50mm聚丙烯階梯環(huán)的壓降填料因子。=143代替縱坐標(biāo)中的。p.則縱標(biāo)值為：Uf2^P^?工?旦0.2=0.1642 (3-19)gPlL W (P)0.5橫坐標(biāo)為：—L匕=0.0225 (3-20)嗎IPL^圖3:通用壓降關(guān)聯(lián)圖查圖得：AP竺=150X9.81=1471.5Pa/m (3-21)AZ則:全塔填料層壓降A(chǔ)P=1471.5X7=10300.5Pa至此，吸收塔的物料衡算、塔徑、填料層高度及填料層壓降均已算出。第五節(jié)填料塔液體分布器的簡要設(shè)計(jì)液體分布器設(shè)計(jì)的基本要求：（1）液體分布均勻；（2）操作彈性大；（3）自由截面積大；（4）其他本設(shè)計(jì)任務(wù)液相負(fù)荷不大，可選用排管式液體分布器；且填料層不高，可不設(shè)液體再分布器。分布點(diǎn)密度計(jì)算按Eckert建議值,D=700mm時(shí),噴淋點(diǎn)密度為265點(diǎn)/m2。本設(shè)計(jì)的塔徑為700mm，根據(jù)需要取噴淋點(diǎn)密度為265點(diǎn)/m2布液點(diǎn)數(shù)為：n=0.785X0.72X265=101.9=102點(diǎn)第六節(jié)吸收塔的主要接管尺寸的計(jì)算氣體進(jìn)料管由于常壓下塔氣體進(jìn)出口管氣速可取12?20m/s，故若取氣體進(jìn)出口流速近似為18m/s,則由公式qV=4d2u可求得氣體進(jìn)出口內(nèi)徑為采用直管進(jìn)料，由附表查得選擇①402mmx9mm熱軋無縫鋼管，則4q——4q——v-九d2二18.0m/s（在符合范圍內(nèi)）0.785x(0.402—0.009x2)2氣體進(jìn)出口壓降:進(jìn)口：2=1PU2=1X1.1836X18.02=191.6（Pa）i2 2出口：2=0.5X1PU2=0.5X1X1.1836x18.02=95.8（Pa）2 2 2液體進(jìn)料管由于常壓下塔液體進(jìn)出口管速可取1-3m/s,故若取液體進(jìn)出口流速近似為2.6m/s,則由公式qV=4d2u可求得液體進(jìn)出口內(nèi)徑為采用直管進(jìn)料，由附表查得選擇①38mmx4mm熱軋無縫鋼管，則u,=旦"5791.6/（998.2X3600）=2.28m/s（在符合范圍內(nèi)）冗d20.785x（0.038—0.004x2）2參考文獻(xiàn)[1]夏清.化工原理（下）M.天津:天津大學(xué)出版社,2005.[2]賈紹義，柴誠敬.化工原理課程設(shè)計(jì)M.天津:天津大學(xué)出版社,2002.[3]華南理工大學(xué)化工原理教研室著?化工過程及設(shè)備設(shè)計(jì)M.廣州：華南理工大學(xué)出版社,1986.[4]周軍.張秋利化工AutoCAD制圖應(yīng)用基礎(chǔ)。北京.化學(xué)工業(yè)出版社。對本設(shè)計(jì)的評述及J心得經(jīng)過了幾天時(shí)間的努力，終于完成了這次的化工原理課程設(shè)計(jì)，現(xiàn)將在此過程中的一些心得述及如下：在過去的一年里，我們學(xué)習(xí)了《化工原理》這一門課程。《化工原理》是化學(xué)類專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，它的內(nèi)容是講述化工單元操作的基本原理、典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理、操作性能和設(shè)計(jì)計(jì)算?；卧僮魇墙M成各種化工生產(chǎn)過程、完成一定加工目的的基本過程，其特點(diǎn)是化工生產(chǎn)過程中以物理變化為主，包括流體流動(dòng)過程、傳熱過程和傳質(zhì)過程。在這里面，我們主要學(xué)習(xí)了流體輸送、流體流動(dòng)、機(jī)械分離、傳熱、傳質(zhì)過程導(dǎo)論、吸收、蒸餾、氣-液傳質(zhì)設(shè)備，以及干燥等。這次我的課程設(shè)計(jì)題目是水吸收氨過程填料塔的設(shè)計(jì)，這是關(guān)于吸收中填料塔的設(shè)計(jì)。填料塔是以塔內(nèi)裝有大量的填料為相接觸構(gòu)件的氣液傳質(zhì)設(shè)備。填料塔的結(jié)構(gòu)較簡單，壓降低，填料易用耐腐蝕材料制造等優(yōu)點(diǎn)。通過這次的課程設(shè)計(jì)，讓我從中體會(huì)到很多。課程設(shè)計(jì)是我們在校大學(xué)生必須經(jīng)過的一個(gè)過程，通過課程設(shè)計(jì)的鍛煉，可以為我們即將來的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)！為此，我感覺能圓滿完成這次課程設(shè)計(jì)任務(wù)，給我?guī)砹撕艽蟮男判?，讓我對自己的將來充滿了自信！將來一定是美好的附表：附表1填料塔設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表塔徑0.7m填料層高度7m填料規(guī)格Dn50mm聚丙烯階梯環(huán)操作氣液比1.0844

校正液體流速6.150m/s壓降10300.5Pa惰性氣體流量296.383km