化工原理课程设计 - 水吸收氨气

填料吸收塔设计任务书

1 设计题目

试设计一座填料吸收塔，采用清水吸收混于空气中的氨气。混合气体的处理量为____4300____m3/h，其中含氨为____6%____（体积分数），混合气体的进料温度为25℃。要求：

① 塔顶排放气体中含氨低于___0.04%_____（体积分数）； 2 操作条件

2.1 操作压力 常压 2.2 操作温度 20℃ 3 填料类型

选用聚丙烯阶梯环填料，填料规格自选 4 设计内容

4.1设计方案的选择及流程说明 4.2工艺计算

4.3主要设备尺寸计算 (1) 塔径的确定

(2) 填料层的高度计算

(3) 总塔高、总压降及接管尺寸的确定 4.4 辅助设备选型与计算 4.5 设计结果汇总 4.6 设计评述 5设计基础数据

20℃下氨在水中的溶解度系数为H=0.725kmol/(m3*kPa).

目 录

1. 设计方案简介 ……………………………………………………………………1 1.1设计方案的确定………………………………………………………………1 1.2填料的选择……………………………………………………………………2 2. 工艺计算 …………………………………………………………………………2 2.1 基础物性数据…………………………………………………………………2

2.1.1液相物性的数据 ………………………………………………………1 2.1.2气相物性的数据 ………………………………………………………2 2.1.3气液相平衡数据 ………………………………………………………2 2.1.4 物料衡算 ………………………………………………………………3 2.2 填料塔的工艺尺寸的计算……………………………………………………3 2.2.1 塔径的计算 ……………………………………………………………4 2.2.2 填料层高度计算 ………………………………………………………5 2.2.3 填料层压降计算 ………………………………………………………6 2.2.4 液体分布器简要设计…………………………………………………7

3. 辅助设备的计算及选型 ………………………………………………………8 3.1 填料支承设备 ……………………………………………………………8 3.2填料压紧装置……………………………………………………………… 8 3.3液体再分布装置………………………………………………………………8 4. 设计一览表…………………………………………………………………… 9 5. 后记………………………………………………………………………………10 6. 参考文献…………………………………………………………………………10 7. 主要符号说明……………………………………………………………………10 8. 附图（工艺流程简图、主体设备设计条件图）

1．.设计方案简介

1．1设计方案的确定

1．1．1装置流程的确定：

用水吸收NH3属高溶解度的吸收过程，为提高传质效率和分离效率，所以，本实验选用逆流吸收流程。 1．1．2吸收剂的选择

对填料吸收塔，其吸收装置的流程主要有逆流操作、并流操作、吸收剂部分再循环操作、多塔串联操作和串联-并联混合操作。逆流操作由于其传质平均推动力大，传质速率快，分高效率高，吸收剂利用率高的特点在工业生产中得到广泛应用。

吸收过程是依靠气体溶质在吸收剂中的溶解来实现的，因此，吸收剂性能的优劣，是决定吸收操作效果的关键之一，选择吸收剂时应着重考虑以下几方面。 ①吸收剂应具有较大溶解度，以提高吸收速率减少吸收剂用量，降低输送与再生的能耗。 ②选择性好，吸收剂对混合气体的溶质要有良好的吸收能力，而对其它组分不吸收或吸收甚微。以提高吸收速率，减小吸收剂用量。 ③操作温度下吸收剂的蒸汽压要低，以为离开吸收设备的气体往往被吸收剂所饱和，吸收剂的挥发度愈大，则在吸收和再生过程中吸收剂损失愈大。 ④粘度要低，以利于传质与输送；有利于气液接触，提高吸收速率。 ⑤具有较好的化学稳定性及热稳定性，以减少吸收剂的降解和变质，尤其在使用化学吸收剂时。 一般说来，任何一种吸收剂都难以满足以上所有要求，选用时应针对具体情况和主要矛盾，既考虑工艺要求又兼顾到经济合理性。

用水吸收氨气属易溶解的吸收过程，为提高传质效率，选用逆流吸收流程，因用水作为吸收剂，且氨气不作为产品，故采用纯溶剂。 1．1．3吸收操作参数的选择

吸收塔的操作参数主要指操作压力和操作温度 1．1．4操作温度与压力的确定 操作温度：20℃ 操作压力：常压 1．2填料的选择

塔填料(简称为填料)是填料塔中气液接触的基本构件，其性能的优劣是决定填料塔操作性能的主要因素，因此，塔填料的选择是填料塔设计的重要环节。

填料的选择包括确定填料的种类，规格及材料。填料的种类主要从传质效率，通量，填料层的压降来考虑，填料规格的选择常要符合填料的塔径与填料公称直径比值D/d。填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。工业生产对填料的基本要求如下：

1．2．1传质分离效率高

①填料的比表面积a大，及单位体积填料具有表面积要大，因为它是汽液两相接触传质的基础。

②填料表面的安排合理，以防止填料表面的叠合和出现干区，同时有利于汽液两

相在填料层中的均匀流动并能促进汽液两相的湍动和表面更新，从而使填料表面真正用于传质的有效面积增大，总体平均的传质系数和推动力增高。 ③填料表面对于液相润湿性好，润湿性好易使液体分布成膜，增大有效比表面积。润湿性取决于填料的材质，尤其是表面状况。塑料的润湿性比较差，往往需要进行适当的表面处理，金属表面粘着的加工用油脂需经过酸洗或碱洗清除。 1．2．2压降小，气液通量大

①填料的孔隙率ε大压降就小，通量大。一般孔隙率大，则填料的比表面积小。分离效率将变差。散装填料的尺寸大，孔隙率大，比表面积小，规整填料波纹片的峰高增大，孔隙率大，比表面积也大。如果填料的表面积安排合理，可以缓解a和ε的矛盾，达到最佳性能。

②减少流道的截面变化，可减少流体的流动阻力。

③具有足够的机械强度，陶瓷填料容易破碎，只有在强腐蚀性场合才采用。 ④重量轻，价格低

⑤具有适当的耐蚀性能。

⑥不被固体杂物堵塞其表面不会结垢。

根据本设计的要求，选择用塑料散装填料。在塑料散装填料中，塑料阶梯环填料的综合性能较好，故选用DN50聚丙烯阶梯环填料。

2．工艺计算

2．1基础物性计算 2.1.1液相物性的数据 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℃时水的有关物性数据如下： 密度为 ρL=998.2 kg/m3

粘度为 μL=0.001 Pa?S=3.6 kg/（m?h） 表面张力为 ζL=72.6 dyn/cm=940896 kg/h2

NH3在水中的扩散系数为 DL=1.76×10-9 m2/s=6.336×10-6 m2/h 2.1.2气相物性的数据

混合气体的平均摩尔质量为 Mvm=0.06×17.03+0.94×29=28.28 混合气体的平均密度为 ρvm=1.156kg/m3

混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得20℃空气的粘度为 μv =1.81×10-5 Pa?S=0.065 kg/(m?h)

查手册得 NH3在空气中的扩散系数为 Dv=0.225 cm2/s=0.081m2/h 2.1.3气相平衡数据

20℃时NH3在水中的溶解度系数为 H=0.725 kmol/(m3?kPa) 常压下20℃时NH3在水中的亨利系数为 E=76.41 kPa

相平衡常数为m= E/P =0.754 2.1.4 物料衡算

进塔气相摩尔比为 Y1?出塔气相摩尔比Y2?0.06 ?0.06381?0.060.0004?0.0004

1?0.0004

进塔惰性气相流量 V?4300?22.4273?(1?0.06)?168.12kmol/h

273?20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?Y?Y20.0638?0.0004???1??0.749

?V???minxle?X2(0.0638/0.754)?0对纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为 X2=0

取操作液气比为1.5，即

LL?1.5()min?1.5?0.749?1.124 VVL?1.124×168.12?188.97Kmol/h

V(Y1?Y2)?L(X1?X2)

V(Y1?Y2)?x2?0.568 L2.2 填料塔的工艺尺寸的计算 2.2.1 塔径的计算 气相质量流量 X1??V?4300?1.156?4970.8kg/h

液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即 ?L?188.97?18.02?3405.23 ㎏/h 用贝恩—霍根关联式计算泛点气速：

?u2a?气??W液?4??气?80.2ft??? lg??液??A?K?3???????W气???液??g??液?11?u2114.21.156?0.2f?0.001?1000??lg?3???9.810.927998.2?18 =0.204-1.7×0.68514×

?1.156?3??=-0.480查附录五得空隙率 =0.927 , 散装填料的特性参数 t=114.2 ??998.2???m2/m3

计算得 uf= 4.549m/s 取u =0.6 uf=2.729 m/s 由D?4VS?u?4?4300/?3.14?2.729?3600??0.746?m?

圆整塔径，取 D=0.7m

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