第17组(水吸收氨填料塔的设计)

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1、 2009级化学工程与工艺专业化工原理课程设计说明书 题 目：水吸收氨过程填料塔的设计姓 名：班级学号：指导老师：同组学生姓名：完成时间：2012年5月18日化工原理课程设计评分细则评审单元评审要素评审内涵评审等级检查方法指导老师评分检阅老师评分设计说明书35%格式规范是否符合规定的格式要求5-44-33-22-1格式标准内容完整设计任务书、评分标准、主要设备计算、作图、后记、参考文献、小组成员及承担任务10-88-66-44-1设计任务书设计方案方案是否合理及是否有创新10-88-66-44-1计算记录工艺计算过 程计算过程是否正确、完整和规范10-88-66-44-1计算记录设计图纸30%

2、图面布置 图纸幅面、比例、标题栏、明细栏是否规范10-88-66-44-1图面布置标准标注文字、符号、代号标注是否清晰、正确10-88-66-44-1标注标准与设计吻合图纸设备规格与计算结果是否吻合10-88-66-44-1比较图纸与说明书平时成绩20%出勤计算、上机、手工制图10-88-66-44-1现场考察卫生与纪律设计室是否整洁、卫生、文明10-88-66-44-1答辩成绩15%内容表述答辩表述是否清楚5-44-33-22-1现场考察内容是否全面5-44-33-22-1回答问题回答问题是否正确5-44-33-22-1总 分综合成绩 成绩等级 指导老师 评阅老师 （签名） （签名） 年 月

3、 日 年 月 日 说明：评定成绩分为优秀(90-100),良好(80-89)，中等(70-79)，及格(60-69)和不及格(60)目录1112. 设计方案113. 工艺计算物料衡算2塔径计算3584. 辅助设备的选择8101011115. 设计一览表及符号说明126. 对设计过程的评述1314书水吸收氨填料塔设计1、气体混合物成分：空气和氨；2、氨的含量： 4.5（体积）；3、混合气体流量： 2000m3/h；4、操作温度：293K；5、混合气体压力：；6、回收率： 99.8。1、完成填料塔的工艺设计与计算，有关附属设备的设计和选型；2、绘制吸收系统的工艺流程图和填料塔装置图；3、编写设计说

4、明书。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。 阶梯环是对鲍尔环的改进，与鲍尔环相比，阶梯环高度减少了一半，并在一端增加了一个锥形翻边。由于高径比减少，使得气体绕填料外壁的平均路径大为缩短，减少了气体通过填料层的阻力。锥形翻边不仅增加了填料的机械强度，而且使填料之间由线接触为主变成以点接触为主，这样不但增加了填料间的间隙，同时成为液体沿填料表面流动的汇集分散点，可以促进液膜的表面更新，有利于传质效率的提高。阶梯环的综合性能优于鲍尔环，成为目前使用的环形填

5、料中最为优良的一种。该过程处理量不大，所用的塔直径不会太大，可选用5030梯环塔填料，如下图：其主要性能参数如下：材质外径d，mm外径高厚dH比表面积at，m2/m3空隙率，m3/m3个数n，个/m3堆积密度p，kg/m3干填料因子at/3，m-1填料因子，m-1塑料2538507625381915030763732288150027200998034203131122401208072表1 国内阶梯环特性数据 根据所要处理的混合气体，可采用水为吸收剂，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。 空气和水的物性常数如下：空气：水： 表面张力为：L=72.6 dyn

6、/cm=940896 kg/h2已知20下氨在水中的溶解度系数亨利系数 相平衡常数 E亨利系数 H溶解度系数 Ms相对摩尔质量 m相对平衡常数进塔气相摩尔比为：出塔气相摩尔比为：对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为：(清水)混合气体的平均摩尔质量为：混合气体流量：惰性气体流量：最小液气比：取实际液气比为最小液气比的1.8倍，则可得吸收剂用量为：V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;液气比 经计算该吸收

7、过程为低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。混合气体的黏度可近似取为空气的黏度。混合气体的密度 采用贝恩-霍根关联式计算泛点速度：气体质量流量：液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即：填料总比表面积：水的黏度 F泛点气速，m/s； g重力加速度，981m/s2 at填料总比表面积，m2m3 填料层空隙率，m3m3； V,L气相、液相密度，k/m3； L液体粘度，mPas;A,K关联常数。A、表2.不同类型填料的A、K值散装填料类型AK规整填料类型AK塑料鲍尔环金属阶梯环金属鲍尔环瓷矩鞍塑料阶梯环金属环矩鞍取泛点率为0.6，即则 D塔径，m；V操作条件下混合气体的体积流量，m3/

8、s ;空塔气速，即按空塔截面积计算的混合气体线速度，m/s. 圆整后取 D=0.5m（常用的标准塔径为400、500、600、700、800、1000、1200、1400、1600、2000、2200）泛点率校核：（对于散装填料，其泛点率的经验值为）填料规格校核： 液体喷淋密度校核：取最小润湿速率为：所以 经以上校核可知，填料塔直径选用合理。查表知， 0，101.3 下，在空气中的扩散系数由，则293下，在空气中的扩散系数为液相扩散系数液体质量通量为气体质量通量为脱吸因数为气相总传质单元数为：气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：不同材质的c值见表3.23.2 不同材质的c值材质钢陶瓷聚

9、乙烯聚氯乙烯碳玻璃涂石蜡的表面表面张力，N/m10375613340567320查表知，所以，气膜吸收系数由下式计算：液膜吸收系数由下式计算：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1查表3.2得：则由 得，则 气膜体积吸收系数，； 液膜体积吸收系数，；由 HOG气相传质单元高度，m 塔截面积，m2由 Z填料层高度，m设计取填料层高度为：对于阶梯环填料，将填料层分为1段设置。采用Eckert通用关联图计算填料层压降横坐标为：已知：纵坐标为：查图得，填料层压降为：4 辅助设备的选择 填料支承装置用于支承塔填料及其所持有的气体、液体的质量，同时起着气液流道及气体均布作用。故在 设

10、计支承板是应满足下列三个基本条件：（1）自由截面与塔截面之比不小于填料的空隙率；（2）要有足够的强度承受填料重量及填料空隙的液体；（3）要有一定的耐腐蚀性。用竖扁钢制成的栅板作为支承板最为常用，如图3.3中的（a）。栅板可以制成整块或分块的。一般当直径小于500mm时可制成整块；直径为600800mm时，可以分成两块；直径在9001200mm时，分成三块；直径大于1400mm时，分成四块；使每块宽度约在300400mm之间，以便拆装。栅板条之间的距离应约为填料环外径的0.60.7。在直径较大的塔中，当填料环尺寸较小的，也可采用间距较大的栅板，先在其上布满尺寸较大的十字分隔瓷环，再放置尺寸较小的

11、瓷环。这样，栅板自由截面较大，如图3.3（c）所示。当栅板结构不能满足自由截面要求时，可采用如图3.3（b）所示的升气管式支承板。气相走升气管齿缝，液相由小孔及缝底部溢流而下。这类支承板，有足够齿缝时，气相的自由截面积可以超过整个塔德横截面积，所以绝不会在此造成液泛。本设计塔径D=500mm，采用结构简单、自由截面较大、金属耗用量较小，由竖扁钢制成的栅板作为支承板，将其分成两块，栅板条之间的距离约为24.7mm。为了改善边界状况，可采用大间距的栅条，然后整砌一、二层按正方形排列的瓷质十字环，作为过渡支承，以取得较大的孔隙率。由于采用的是50mm的填料，所以可用75mm的十字环。 （a）栅板 （

12、b）升气管式 （c）十字隔板环层图3.3 填料支承板填料支撑装置对于保证填料塔的操作性能具有重大作用。采用结构简单、自由截面较大、金属耗用量较小的栅板作为支撑板。为了改善边界状况，可采用大间距的栅条，然后整砌一、二层按正方形排列的瓷质十字环，作为过渡支撑，以取得较大的孔隙率。由于采用的是的填料，所以可用的十字环。塔径设计为一块板即可。且需要将其搁置在焊接于塔壁的支持圈或支持块上。 液体分布器的作用：液体分布装置设于填料层顶部，用于将塔顶液体均匀分布在填料表面上，液体的分布装置性能对填料塔效率影响很大，特别是大直径、低填料层的填料塔，尤其需要性能良好的液体分布装置。由于液体在填料塔内分布均匀，可

13、以增大填料的润湿表面积，以提高分离效果。因此，液体在塔顶的初始均匀喷淋，是保证填料塔达到预期分离效果的重要条件。常用的液体分布装置有莲蓬式、盘式、齿槽式及多孔管式分布器等。 这里我们所采用的是莲蓬头式分布器，因为塔径只有500mm，可采用小型蓬头，此并且此分布器喷洒比较均匀，适于本塔操作。 莲蓬式喷淋器:液体经半球形喷头的小孔喷出。小孔直径为310m，做同心圆排列，喷洒角不超过。这种喷淋器结构简单，但只适用于直径小于600mm的塔中，且小孔易堵塞。液体分布装置的安装位置，须高于填料层表面200mm,经计算我们的到的喷淋高度为250mm,以提供足够的自由空间，让上升气流不受约束地穿过分布器。液体

14、引入排管喷淋器的方式采用液体由水平主管一侧引入，通过支管上的小孔向填料层喷淋。填料塔的气体进口既要防止液体倒灌，更要有利于气体的均匀分布，对500mm直径以下的小塔，可使进气管伸到塔中心位置，管端切成450向下斜口或切成向下切口，使气流折转向上。对1.5m以下直径的塔，管的末端可制成下弯的锥形扩大器，或采用其它均布气流的装置。为防止塔内与塔外气体串通，常压吸收塔可采用液封装置。常压塔气体进出口管气速可取1020m/s（高压塔气速低于此值）；液体进出口管气速可取0.81.5m/s（必要时可加大些）。管径依所选气速决定后，应按标准管规格进行圆整，并规定其厚度。 气体进气口气速取15m/s，液体进液

15、口流速取/s气体进出口管直径： 液体流量： 液体进出口管直径： 按标准管规格进行圆整后得，气体进口出管直径D1=219mm，厚度为8mm 液体进出管直径D2=32mm，厚度为3mm。设计位于塔底的进气管时，主要考虑两个要求：压力降要小和气体分布要均匀。由于填料层压力降较大，减弱了压力波动的影响，从而建立了较好的气体分布；同时，本装置由于直径较小，可采用简单的进气分布装置。 气体出口装置既要保证气流畅通，又要尽量除去被夹带的液沫。最简单的装置是在气体出口处装一除沫挡板，或填料式、丝网式除雾器，对除沫要求高时可采用旋流板除雾器。本塔设计的是丝网式除沫器，这种除沫器具有比表面积大，质量轻，孔隙率大以

16、及使用方便等优点，特别是它具有除沫效率高、压力降小的特点，但是考虑到腐蚀性，所以所采用的材料用耐腐蚀性金属或合成纤维等材料。 本塔所采用的压板是网板式压板装置，这种压板由钢圈、栅条及金属丝网制成，多用作金属、塑料制散装填料的限位器。本塔所用的填料为聚丙烯塑料阶梯环，因此可此采用此压板装置。5. 设计一览表及符号说明设计一览表吸收塔类型：聚丙烯阶梯环吸收填料塔混合气处理量： 2000m3/h名称工艺参数物料名称清水混合气体操作压力，kPa操作温度，2020流体密度，kg/m3黏度，kg/(m*h)表面张力，kg/h940896427680(聚乙烯)流量，kg/h流速，m/s1接管尺寸（直径）32

17、219塔径，mm500填料层高度，mm6000压降，KPa操作液气比0.818符号说明表填料层的有效传质比表面积（m/m）填料层的润滑比表面积m/m吸收因数;无因次填料直径，mm；填料当量直径，mm扩散系数，m/s； 塔径亨利系数，KPa重力加速度，kg/(m.h)溶解度系数，kmol /(m.KPa)气相总传质单元高度，m气膜吸收系数, kmol /(m.s.KPa)气相总传质系数，无因次气膜吸收系数, kmol /(m.s.KPa)kJ/(kmol.K)解吸因子温度，0C空塔速度，m/s液泛速度，m/s惰性气体流量，kmol/h混合气体体积流量，m3/h混合气体流量，kmol/h是吸收液量

18、 kmol/h填料因子， m-1吸收剂用量kmol/h; kmol/s压降填料因子， m-1液体密度校正系数x溶质组分在液相中的摩尔分率 无因次y溶质组分在液相中的摩尔分率 无因次Z填料层高度 mmin最小的max最大的密度 kg/m3表面张力 N/m孔隙率相平衡常数，无因次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。通过这次的课程设计，让我从中体会到很多。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

19、坚实的基础！使我充分理解到化工原理课程的重要性和实用性，更特别是对各方面的了解和设计，对实际单元操作设计中所涉及的各个方面要注意问题都有所了解。 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。在老师和同学的帮助下，及时的按要求完成了设计任务，通过这次课程设计，使我获得了很多重要的知识，同时也提高了自己的实际动手和知识的灵活运用能力。1涂伟萍.陈佩珍.程达芳编.化工过程及设备设计.北京:化学工业出版社,20032付家新等. 化工原理课程设计(典型化工单元操作设备设计).北京:化学工业出版社，20103谭天恩等.化工原理.第三版（上册）.北京: 化学工业出版社,20104郑津泽.荣其伍.桑芝富 编.过程设备设计.北京: 化学工业出版社，2004