重理工水吸收氨气填料吸收塔的课程设计(附图)

重庆理工大学

化工原理课程设计

说明书

题目：水吸收氨过程填料吸收塔设计 学生班级： 学生姓名： 学生学号： 指导教师：

化学化工学院

2014 年06月 21 日

目 录

第一章 前言 ............................................................. 1

1.1 设计任务 ........................................................ 1 1.2 操作条件 ........................................................ 1 1.3 工作日 .......................................................... 1 1.4 厂址 ........................................................... 1 第二章 设计方案概述 ..................................................... 1

2.1 流程说明 ........................................................ 1 2.2 填料方式的选择 .................................................. 2 2.3 吸收剂的选择 .................................................... 2 第三章 吸收塔的工艺计算 ................................................ 2

3.1 基础物性数据 .................................................... 2 3.1.1 液相物性数据 ............................................. 2

3.1.2 气相物性数据 ............................................. 2 3.2 物料衡算，确定塔顶、塔底的气液流量和组成 ........................ 3 3.3 塔径的计算 ...................................................... 3 3.3.1塔径的计算 ................................................ 3 3.3.2泛点率校核 ................................................ 4 3.3.3填料规格校核 .............................................. 4 3.3.4液体喷淋密度校核 .......................................... 5 3.4 填料层高度计算 .................................................. 5 3.4.1传质单元高度计算 .......................................... 5 3.4.2填料层高度的计算 .......................................... 7 3.5 填料层压降的计算 ................................................ 7 第四章 填料塔附属高度及其附件 ........................................... 8

4.1塔附属高度的计算 .................................................. 8 4.2液体分布器的选择与计算 ............................................ 8

4.2.1 液体分布器的选择 ......................................... 8 4.2.2 液体分布器布液能力的计算 ................................. 84.3其他附属塔内件 ................................................... 9 计算结果汇总 ............................................................. 9 结束语 ................................................................. 10 参考文献 ................................................................ 10

第一章 设计任务

1.1、设计任务

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（2.2×107+8.0×106）Nm3/a（约4167 m3/h）。混合气体中含氨5%（体积分数），要求回收率为99%，采用清水进行吸收，吸收剂用量自定。设计基础数据：20℃下氨在水中的溶解度系数为 H = 0.725 kmol/ (m3.kPa)；其它物性数据可查有关手册

1.2、操作条件

操作压力：常压；

操作温度：20 ℃

填料类型：选用聚丙烯阶梯环填料，填料规格自选。

1.3、工作日

每年300天，每天24小时连续运行。

1.4、厂址

重庆地区

第二章 设计方案概述

2.1流程说明

该填料塔中，氨气和空气混合后，经由填料塔的下侧进入填料塔中，与从填料塔顶流下的清水逆流接触，在填料的作用下进行吸收。经吸收后的混合气体由塔顶排除，吸收了氨气的水 由填料塔的下端流出。

2.2填料方式的选择

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。

1

在塑料散装填料中，塑料阶梯环填料的综合性能较好，可选用DN38聚丙烯阶梯环填料。其基本参数如下：

比表面积at：132.5m2/m3 空隙率：0.91

湿填料因子：175m1 填料常数 A:0.204 K：1.75 如下图：

2.3吸收剂的选择

根据设计要求，采用水为吸收剂，其廉价易得，物理化学性能稳定，选择性好，符合吸收过程对吸收剂的基本要求。

第三章 吸收塔的工艺计算

3.1基础物性数据

3.1.1液相物性数据

L998.2(kg/m)3

L1004106(Pas)3.6(kg/mh)

L72.6(dyn/cm)940896(kg/h2) DL1.77109(m3/s)

3.1.2气相物性数据

混合气体平均摩尔质量：Mvm0.05170.952928.4 混合气体平均密度： vPMVm101.328.41.1810(kg/m3) RT8.314293混合气体粘度近似空气黏度：v1.81105(Pas)0.065(kg/mh)

2

3.2 物料衡算，确定塔顶、塔底的气液流量和组成

20℃，101.3Kpa下氨气在水中的溶解度系数 H0.725kmol/m3kpa 相平衡常数：msE998.20.7551PHMSP0.72518101.3

0.050.0526

10.05进塔气相摩尔比：Y1出塔气相摩尔比：Y2Y110.990.05260.010.000526 对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成：X20

4167273V混合气体流量 ： 129322.4173.3287kmol/h

4167273V(10.99)173.3287kmol/h 进塔惰性气体流量： 22.427320吸收过程属于低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算：

Y1Y2Y1Y20.05260.000526L0.7475*Y(0.0526/0.7551)0Vminx1X21 m取操作液气比为最小液气比的1.8倍，可得吸收剂用量为：

L1.80.7475173.3287233.2138kmol/h 根据全塔物料衡算式:

VY1Y2LX1X2 VY1Y2173.3287(0.05260.000526)X1LX20.0387L233.21383.3塔径的计算

3.3.1塔径的计算

对于散装填料，其泛点率的经验值

u =0.5~0.85 uF气相质量流量：v41671.18104921.2270kg/h

3

液相质量流量：L233.2138184197.8484kg/h

DN38聚丙烯阶梯环：填料常数 A:0.204 K：1.75

利用贝恩（Bain）—霍根（Hougen）关联式计算泛点气速。

2uFlggwLVatV2 即： L=A-K3wLVL14181418lg[u132.51.18100.24197.84841.1810()1]0.2041.75= -0.4792 39.810.91998.24921.2270998.22F解得：uF3.7724m/s

取u0.8uF0.83.77243.0179m/s 塔径：D4Vs441670.6989m u3.143.01793600圆整塔径后 D=0.7m

3.3.2泛点率校核：

4167u3.0092m/s 0.7850.723600u3.00920.7977(在允许范围内) uF3.7724符合要求

3.3.3填料规格校核：

D70018.42108 d38符合要求

3.3.4液体喷淋密度校核：

取最小润湿速率为：(LW)min0.08m3/(mh)

4

查手册得：at132.5m2/m3

Umin(LW)minat0.08132.510.6m3/(m2h)

Lh4197.8484/998.210.9331m3/(m2h)Umin 220.785D0.7850.7经过以上校核可知，填料塔直径选用D=700mm合理。 U3.4填料层高度计算

3.4.1传质单元高度计算

273K，101.3kpa下，氨气在空气中的扩散系数Do0.198(cm2/s).由

pTDVD00,则293K，101.3kpa下，氨气在空气中的扩散系数

pT0Dv0.220(cm2/s)=0.0792m2/h

3/2293K，101.3kpa下，氨气在水中的扩散系数DL1.77109m2/s=6.372106m2/h (查化工原理附录)

*Y1 mX10.75510.03870.0292

Y2*mX20

脱吸因数为：SmV0.75510.5612 L0.74751.8气相总传质单元数为：

NOGY1Y2*110.05260ln1SSln10.56120.5612==8.4670 10.56120.00052601SY2Y2* 传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：

0.10.20.750.05UL2cULUL2ataw1exp1.452 atagaLtLLLLtL4197.8484液体质量通量为:UL10913.4236kg/(m2h) 220.785D0.7850.7v4921.227022气体质量通量为Uvkg/(m.h) 12794.0387kg/(mh)220.785D0.7850.7查表c=33 dyn/cm=427680kg/h2

5

故

0.050.20.750.122aw42768010913.423610913.4236132.510913.42361exp1.4528at940896132.53.6998.21.2710998.2940896132.5 = 0.3485

UaD气膜吸收系数： kG0.237VVtVatVVDVRT0.06512794.0387132.50.07920.237132.50.0651.18100.07928.314293 0.1502kmol/(m2hkpa)0.7130.713

液膜吸收系数：

UgkL0.0095LLLawLLDLL232312133.61.271010913.42363.60.0095 6998.20.3485132.53.6998.26.372100.5005m/h12813查表得=1.45 故

KGaKGaW1.10.15020.3485132.51.451.110.4374kmol/m3hkpa KLaKLaW0.40.50050.3485132.51.450.426.8145l/h

u0.7977>0.5 uf以下公式为修正计算公式：

1.4uKGa19.50.5KGauf

[19.5(0.79770.5)1.4]10.437428.6179kmol/m3hkpa6

2.2uKLa19.50.5KLau f[19.5(0.79770.5)2.2]26.814544.5321l/h则 KGa111KGaHKLa115.1707kmol/m3hkpa

1128.61790.72544.5321由 HOGVV173.32870.2932m KYaKGaP15.1707101.30.7850.723.4.2填料层高度的计算

ZHOGNOG0.29328.4672.4825m 取活动系数为1.5

1.5Z1.52.48253.7238m 故取填料层高度为：4m

查文献[2] 145页散装填料分段高度推荐值查得： 塑料阶梯环 h/D8～15 hmax6m 取h/d=8 得 h=8700=5600 m

计算得填料层高度为4000mm，故不需分段。

3.5 填料层压降的计算

填料层压降:气体通过填料层的压降采用Eckert关联图计算。 横坐标为：

LVVL0.54197.84841.18104921.2270998.20.50.0293

纵坐标为：

7

查[2]表5-18得：P=116m1

u2PV0.23.0092211611.1810L1.0040.20.1277 gL9.81998.2查[2]图5-21得：

P1029.811000.62Pa/m z填料层压降：P1000.624pa4002.48pa

第四章 填料塔附属高度及其附件

4.1 塔附属高度的计算

塔上部空间高度可取1.5m,塔底液相停留时间按5min考虑,则塔釜所占空间高度

为：h15604921.22701.0681m 20.70.7853600998.2考虑到气相接管所占的空间高度,空间高度可取2m,所以塔的附属高度可以取3.5m. 所以塔高为：H43.57.5m

4.2液体分布器的选择与计算： 4.2.1液体分布器的选择

该吸收塔液相负荷较小，而气相负荷相对较低，可选用管式分布器。

4.2.2液体分布器布液能力的计算

查[2]表5-19 可取布液孔数为180点/m2。 布液点数为：n0.7850.7218069.237可取70点 由Lsd0(4d0n2gH， 取0.60,H200mm

44197.8484/(998.23600))0.0042m

3.14700.629.810.28

设计取4.2mm

4.3其他附属塔内件

本装置由于直径较小，可采用简单的进气分布装置，同时，对排放的净化气体中的

液相夹带要求不严，故不可设除液沫装置。对于填料支撑装置和填料压紧装置，本次设计中选用栅格形支承板和丝网压板，采用支耳固定。

计算结果汇总

表⒈吸收塔的吸收剂用量计算总表

意义及符号

混合气体处理量G 气液相平衡常数m 进塔气相摩尔分率Y1 出塔气相摩尔分率Y2 进塔液相摩尔分率X1 最小液气比（L/V）min 混合气体平均摩尔质量M 混合气体的密度ρ 混合气体的粘度μ 吸收剂用量L

结果 4167m/h 0.7551 0.0526 0.000526 0.0387 0.7475 28.4000g/mol 1.1810kg/m 1.81105(Pas) 233.2138kmol/h

3

3

表⒉塔设备计算总表

意义及符号

塔径D 塔高H 填料层高Z 填料塔上部高度h1 填料塔下部高度h' 气相总传质单元高度HOG 气相总传质单元数NOG 布液孔数n 泛点气速uf泛点率f

9

结果 0.7 m 7.5m 4 m 1.5 m 1.5 m 0.2932 m 8.4670 70 个 3.7724 m/s 0.7977

表⒊填料计算总表

意义及符号 填料直径dp 孔隙率% 填料比表面积a 填料因子 填料常数A

结果 38mm 0.91 132.5m/m

175m 0.204

-1

2

3

结束语

本次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，填料易用耐腐蚀材料制造等优点。

计算泛点气速时参考了其他的一些资料上的算法用贝恩（Bain）——霍根（Hougen）关联式计算，比采用Eckert通用关联图计算泛点气速的误差小的多。在填料的选择中，虽然在同类填料中，尺寸越小的，分离效率越高，但它的阻力将增加，通量减小，填料费用也增加很多后来认为DN38计算得的结果比比较好。用DN38计算所得的D/d值也符合阶梯环的推荐值。

本设计我所设计的填料塔产能大，分离效率高，持液量小，填料塔结构较为简单，造价适合。不过，它的操作范围小，填料润湿效果差，当液体负荷过重时，易产生液泛，不宜处理易聚合或含有固体悬浮物的物料等。

通过本次的课程设计更加深入的学习了吸收填料塔的工艺计算以及填料塔的各部件选型以及学会了查阅文献。通过查阅文献以及填料塔的工艺计算开阔了眼界对填料塔有了更进一步的认识。

课程设计是我们在校大学生必须经过的一个过程，通过课程设计的锻炼，可以为我们即将来的毕业设计打下坚实的基础！

参考文献

[1]《化工原理》 夏清 贾绍义 天津大学出版社 2012 [2]《化工原理课程设计》 贾绍义 柴成敬 天津科学技术出版社 [3]《化工单元过程及设备课程设计》匡国柱 史启才 化学工业出版社2002 [4]《过程设备设计》 郑津洋 董其伍 桑芝富 化学工业出版社 2012

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附图

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