完整版化工原理课程设计水吸收氨填料吸收塔设计正式版doc.docx
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《化工原理》课程设计
水吸收氨气过程填料塔的设计
学院
专业制药工程
班级
姓名
学号
指导教师
2013年1月15日
任⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4
第一前言3
1.1填料塔的有关介4
1.2塔内填料的有关介!
未定。
第二填料塔主体方案的确定5
2.1装置流程的确定5
2.2吸收的5
2.3填料的型与7
2.4液相物性数据6
2.5气相物性数据8
2.6气液相平衡数据7
2.7物料横算7
第三填料塔工尺寸的算8
3.1塔径的算8
3.2填料高度的算及分段9
3.2.1元数的算10
3.2.2元高度的算10
3.2.3填料的分段11
第四填料降的算12
第五填料塔内件的型及.13
第六填料塔液体分布器的要13
参考文献15
本的述及心得15
附表：
附表1填料塔果一表15
附表2填料塔数据一15
附件一：
塔流程17
2
设计任务书
（一）、设计题目：
水吸收氨气过程填料吸收塔的设计
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7500
m3/h，其中含氨气为5％（体积分数），要求塔顶排放气体中含氨低于0.02％（体积分数）。
采用清水进行吸收，吸收剂的用量为最小用量的1.5倍。
（二）、操作条件
（1）操作压力常压
（2）操作温度20℃.（三）填料类型
选用聚丙烯阶梯环填料，填料规格自选。
（四）工作日
每年300天，每天24小时连续进行。
（五）厂址
厂址为衡阳地区
（六）设计内容
1.吸收塔的物料衡算；
2.吸收塔的工艺尺寸计算；
3.填料层压降的计算；
4.液体分布器简要设计
5.吸收塔接管尺寸计算；
6.绘制吸收塔设计条件图；
7.对设计过程的评述和有关问题的讨论。
（七）操作条件
20℃氨气在水中的溶解度系数为H＝0.725kmol/（m3?
kPa）。
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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水吸收氨过程的工艺设计以及工程问题。
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。
填料塔的主体结构如下图所示：
气体
捕沫器
液体
填料压板
塔壳
填料
填料支承板
液体再分布器
填料压板
填料支承板
气体
液体
图1填料塔结构图
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。
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，但其明显的缺点是表面润湿性能差。
研究表明，聚丙烯填料的有效润湿面积仅为同类规格陶瓷填料
4
化工原理课程设计
的40%，由于聚丙烯填料表面润湿性能差，故传质效率较低，使应用受到一定的限制.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
第二节精馏塔主体设计方案的确定
2.1装置流程的确定
本次设计采用逆流操作：
气相自塔底进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出，
即逆流操作。
逆流操作的特点是：
传质平均推动力大，传质速率快，分离效率高，吸收剂利用率
高。
工业生产中多采用逆流操作。
2.2吸收剂的选择
因为用水做吸收剂，故采用纯溶剂。
表1工业常用吸收剂
溶质
溶剂
溶质
溶剂
氨
水、硫酸
丙酮蒸汽
水
氯化氢
水
二氧化碳
水、碱液
二氧化硫
水
硫化氢
碱液、有机溶剂
苯蒸汽
煤油、洗油
一氧化碳
铜氨液
5
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2.3填料的类型与选择
填料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。
本次采用散装填料。
工业塔常用的散装填料主要有Dn16\Dn25\Dn38\Dn50\Dn76等几种规格。
同类填料，尺寸越小，分离效率越高，但阻力增加，通量减小，填料费用也增加很多。
而大尺寸的
填料应用于小直径塔中，又会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率降低。
因此，对塔径与填料尺寸的比值要有一规定。
常用填料塔径与填料公称直径比值D/d的推荐值列于下表。
表2：
常用填料的
D/d的推荐值
填料种类
D/d的推荐值
拉西环
D/d
20~30
鞍形环
D/d
15
鲍尔环
D/d
10~15
阶梯环
D/d>8
环矩鞍
D/d>8
工业上，填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。
聚丙烯阶梯环即为塑料类填料。
聚丙烯填料在低温（低于0度）时具有冷脆性，在低于0度的条件下使用要慎重，可选耐低温性能良好的聚氯乙烯填料。
本方案选用聚丙烯阶梯环作为填料设计填料塔，规格为50mm×25mm×1.5mm，其主要参数如下：
表3：
聚丙烯阶梯环的特性数据
填料类型
公称直径外径×高/壁厚比表面积空隙率/%
个数
堆积密度干填料因
DN/mm
a（tm2/m3）
n/m-3
（kg/m3）
子m-1
塑料阶梯环
50
50×25×1.5114.292.7
10740
5408
143
2.4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。
由手册查得20℃水的有关物性数据如下：
1.
L998.2kg/m3
2.
黏度：
L0.001pa?
s3.6kg/（m?
h）
6
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3.表面张力为:
z72.6dyn/cm940896kg/h2
4.20CNH3:
H0.725kmol/m3kpa
5.
20CNH3:
DL
7.3410
6m2/h
6.
20CNH3:
DV
0.225cm
2/s0.081m2/h
2.5气相物性数据
1.混合气体的平均摩尔质量为:
Mvmyimi0.0517.03040.952928.4015（2-1）
2.混合气体的平均密度为：
由
PMVM
101.328.4015
1.1761kg
3
（2-2）
vm
8.314293
RT
m
R=8.314
m3KPa/（kmolK）
3.混合气体黏度可近似取为空气黏度。
查手册得
20C时，空气的黏度
v1.81105pas6516105kg/（mh）
注：
1N1kgm/s21Pa1N/m21kg/（s2?
m）1Pa?
s=1kg/（m?
s）
2.6气液相平衡数据
由手册查得，常压下，200C时，NH3在水中的亨利系数为
E=76.3kPa
200C时,NH3在水中的溶解度:
H=0.725kmol/m
相平衡常数：
m
E
0.7532
（
2-3）
P
H
L
998.2/（76.318.02）
（2-4）
溶解度系数:
EMS
0.726kmol/kPam3
2.7物料衡算
1.进塔气相摩尔比为
y1
0.05
（2-5）
Y1
0.05263
1y1
10.05
2.出塔气相摩尔比为
Y2Y1（1A）0.05263（10.996）0.002105（2-6）
7
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3.
进塔惰性气体流量:
V
7500
273
（10.05）296.383kmolh
（2-7）
22.4
273
20
因为该吸收过程为低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比按下式计算。
即：
L
Y1
Y2
（2-8）
V
Y1/m
X2
min
因为是纯溶剂吸收过程，进塔液相组成
X2
0
所以
L
Y1
Y2
0.05263
0.002105
0.7229
V
minY1
X2
0.05263
m
0.7532
选择操作液气比为L
1.5
L
1.0844
（2-9）
V
V
min
吸收剂用量：
L=1.0844×296.383=321.398kmol/h
因为V（Y1-Y2）=L（X1-X2）
故X10.04659
第三节填料塔工艺尺寸的计算
填料塔工艺尺寸的计算包括塔径的计算、填料层高度的计算及分段
3.1塔径的计算
1.空塔气速的确定——泛点气速法
对于散装填料，其泛点率的经验值
u/uf
=0.5~0.85
根据贝恩（Bain）—霍根（Hougen）关联式，即：
uF2
at
14
18
lg
V
0.2
=A-K
wL
V
（3-1）
g
3
L
wV
L
L
uF2
1
1
11402
1.1836
0.2
0.2041.75
5791.5924
1.18368
即：
lg[（
0.927
3）
998.2
0.001]
8861.415
998.2
9.81
解得：
uF=8.785m/s
其中：
uF——泛点气速，m/s;
g——重力加速度，9.81m/s2
8
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at填料总比表面积，m2/m3
填料层空隙率m3/m3
L998.2kg/m3液相密度。
V1.1836kg/m3气相密度
WL=5791.592㎏/hWV=8861.415kg/h
A=0.204；K=1.75；
取u/uF=0.7u=6.150m/s
4V
4
7500
0.6569m
（3-2）
D
3.146.150
u
3600
圆整塔径后D=0.7m
1.泛点速率校核：
u
7500
5.416m/s
0.785
0.72
3600
u
5.416
0.617
uF
8.785
则u在允许范围内uF
1.根据填料规格校核：
D/d=700/50=14>8，根据表2可知符合要求
2.液体喷淋密度的校核：
（1）填料塔的液体喷淋密度是指单位时间、单位塔截面上液体的喷淋量。
（2）最小润湿速率是指在塔的截面上，单位长度的填料周边的最小液体体积流量。
对于直径不超过
75mm的散装填料，可取最小润湿速率
Lw
min为0.08m3/（mh）。
Umin
Lw
min
at
0.08114.29.136m3/（m2h）
（3-3）
U
wL
D2
5791.592
0.72
15.08m3
/（m2
h）
Umin9.136
L
0.785
998.20.785
（3-4）
经过以上校验，填料塔直径设计为D=700mm合理。
3.2填料层高度的计算及分段
9
化工原理课程设计
Y1*
mX10.046590.75320.0351
（3-5）
Y2*
mX20
（3-6）
3.2.1传质单元数的计算
用对数平均推动力法求传质单元数
NOG
Y1
Y2
（3-7
）
YM
Y
Y
*
（Y
Y
*
）
YM
1
1
2
2
（3-8
）
lnY1
Y1*
Y2
Y2*
=
0.05263
0.0351
0.002105
0.01756
ln
0.002105
=0.007286
则：
NOG
0.05263
0.002105
6.93
0.007286
3.2.2传质质单元高度的计算
气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：
aw
0.75
0.1
2
0.05
c
UL
2
ULat
0.2
at
1exp
1.45
atL
L2g
UL/LLat
（3-9）
L
即：
aw/at=0.4062
则aw=46.387
液体质量通量为：
UL=5791.592/（
0.785×0.7
2
㎡?
h）
）=15056.78kg/（
气体质量通量为：
uV=8861.415/（
0.785×0.7
2
㎡?
h）
）=23037.61kg/（
气膜吸收系数由下式计算：
1
kG0.237（UV
）0.7
v
3
atDV
（3-10）
atv
v
DV
RT
代入数据解得：
kG=0.2197m/s
液膜吸收数据由下式计算：
10
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211
KL
0.0095UL
3
L
2
Lg3
（3-11
）
aw
L
LDL
L
代入数据解得：
KL=0.6137m/s
查表可知，1.45
KGa
KGaW
1.1
1.1
0.2197×46.387×1.45
KLa
KLaW
0.4
0.4
=0.6137×46.387×1.45
因为：
u
=0.621
uF
=15.34kmol/（m
3?
h?
kPa）
（3-12）
=33.03kmol/（m
3?
h?
kPa）
（3-13
）
所以需要用以下式进行校正：
u
1.4
kG'a
1
9.5
0.5
kG
a
uF
代入数据解得：
kG'
3
?
h?
kPa）
a=22.92kmol/（m
u
2.2
kL'a
1
2.6
0.5
kLa
uF
代入数据解得：
kL'
3
?
h?
kPa）
a=36.04kmol/（m
KGa
1
1
1
kG'a
HkL'
a
代入数据解得：
KGa=12.21kmol/（m3?
h?
kPa）
（3-14）
（3-15）
（3-16）
HOG
VV
KGaKGaP
（3-17）
代入数据解得：
HOG=0.623m
ZZHOGNOG=0.623×12.21=4.317m
取上下活动系数为1.5，
则Z'=1.5×4.317=6.476m
3.2.3填料层的分段
对于阶梯环散装填料的分段高度推荐值为h/D=8~15。
h=8×700～15×700=5.6～10.5m
计算得填料层高度为7m，，故不需分段
（3-18）
11
化工原理课程设计
第四节填料层压降的计算
根据Eckert
图（通用压降关联图），将操作气速u代替纵坐标中的uF查表，Dn50mm
聚丙烯阶梯环的压降填料因子
＝143代替纵坐标中的
p．
则纵标值为：
uF
2
P
?
V?
L0.2=0.1642
（3-19）
g
L
横坐标为：
WL
0.5
V
0.0225
（3-20）
WV
L
图3：
通用压降关联图
查图得：
P
150
×9.81=1471.5Pa/m
（3-21）
Z
则:
全塔填料层压降P=1471.5×7=10300.5Pa
至此，吸收塔的物料衡算、塔径、填料层高度及填料层压降均已算出。
12
化工原理课程设计
第五节填料塔液体分布器的简要设计
5.1液体分布器设计的基本要求：
（1）液体分布均匀；
（2）操作弹性大；（3）自由截面积大；（4）其他
本设计任务液相负荷不大，可选用排管式液体分布器；且填料层不高，可不设液体再分
布器。
5.2分布点密度计算
2
按Eckert建议值,D=700mm时,喷淋点密度为265点/m。
本设计的塔径为700mm，
根据需要取喷淋点密度为265点/m2
布液点数为：
n=0.785×0.72×265=101.9≈102点
第六节吸收塔的主要接管尺寸的计算
6.1气体进料管
由于常压下塔气体进出口管气速可取12～20m/s，故若取气体进出口流速近似为
18m/s，则由公式qV
d2u可求得气体进出口内径为
4
4qV
7500/3600
d
0.374mm
u
0.78519
采用直管进料，由附表查得
选择402mm9mm热轧无缝钢管，则
4qV
7500/3600
18.0m/s（在符合范围内）
u'
2
0.785
（0.402
0.009
2）2
d
气体进出口压降:
进口：
p1
1u2
1
1.183618.02
191.6Pa
2
2
出口：
p2
0.51
u2
0.51
1.183618.02
95.8Pa
2
2
6.2液体进料管
由于常压下塔液体进出口管速可取1-3m/s，故若取液体进出口流速近似为
2.6m/s，则由公式qVd2u可求得液体进出口内径为
4
13
化工原理课程设计
4qV
5791.6
0.028m
d
998.2
3600
0.785
u
2.6
采用直管进料，由附表查得
选择38mm4mm热轧无缝钢管，则
4qV
5791.6/（998.23600）
2.28m/s（在符合范围内）
u'
2
0.785
（0.038
0.004
2）2
d
参考文献
[1]夏清.化工原理（下）[M].天津:
天津大学出版社,2005.
[2]贾绍义,柴诚敬.化工原理课程设计[M].天津:
天津大学出版社,2002.
[3]华南理工大学化工原理教研室著．化工过程及设备设计[M]．广州:
华南理工大学出版社,1986.
[4]周军.张秋利化工AutoCAD制图应用基础。
北京.化学工业出版社。
对本设计的评述及心得
经过了几天时间的努力，终于完成了这次的化工原理课程设计，现将在此过程中的一些心得述及如下：
在过去的一年里，我们学习了《化工原理》这一门课程。
《化工原理》是化学类专业的一门重要的专业基础课，它的内容是讲述化工单元操作的基本原理、典型设备的结构原理、操作性能和设计计算。
化工单元操作是组成各种化工生产过程、完成一定加工目的的基本过程，其特点是化工生产过程中以物理变化为主，包括流体流动过程、传热过程和传质过程。
在这里面，我们主要学习了流体输送、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，以及干燥等。
这次我的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
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