《氨吸收设计论》word版

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1、（一）设计方案简介在化学工业中，经常需要将气体混合物中的各个组分加以分离，其主要目的是回收气体混合物中的有用物质，以制取产品，或除去工艺气体中的有害成分，使气体净化，以便进一步加工处理，或除去工业放空尾气中的有害成分，以免污染空气。吸收操作是气体混合物分离方法之一，它是根据混合物中各组分在某一种溶剂中溶解度不同而达到分离的目的。氨是化工生产中极为重要的生产原料，但是其强烈的刺激性气味对于人体健康和大气环境都会造成破坏和污染，因此，为了避免化学工业产生的大量的含有氨气的工业尾气直接排入大气而造成空气污染，需要采用一定方法对于工业尾气中的氨气进行吸收，本次设计的目的是根据设计要求采用填料吸收塔吸收

2、的方法来净化含有氨气的工业尾气，使其达到排放标准。一、方案的的确定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。2.吸收剂的选择吸收剂对溶质的组分要有良好地吸收能力，而对混合气体中的其他组分不吸收，且挥发度要低。根据本设计要求，选择用清水作吸收剂，且氨气不作为产品，故采用纯溶剂。3.操作温度与压力的确定操作温度：20操作压力：常压二、填料的类型与选择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

3、大类。根据本设计的要求，选择用塑料散装填料。本方案选用聚丙烯鲍尔环作为填料设计填，其主要参数如下：填料类型公称直径DN/mm外径高厚比表面积at（m2/m3）空隙率/%个数n/m-3堆积密度 /（kg/m3）干填料因子/m-1聚丙烯鲍尔环5050501.510091.7630076130三、设计步骤a) 查询物性数据b) 物料衡算和能量c) 确定吸收剂最小用量：d) 操作气速u=nuF(n=0.50.85)e) 计算填料塔径Df) 校核操作气速unuF，反之调整n值重复第四步操作g) 校核Umin吸收剂用量，反之则调整塔径Dh) 确定填料层高度Zi) 填料层压降的计算j) 辅助设备设计（二）

4、工艺流程图及说明在该填料塔中，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。如下图：填料塔清水清水混合氨水氨气空气混合气体 （三）工艺计算一、基础物性数据1液相物性数对低浓度吸收过程，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：密度为 =998.2 kg/m3粘度为L=0.001 PaS=3.6 kg/（mh）表面张力为L=72.6 N/mNH3在水中的扩散系数为 DL=2.0410-9 m2/s=7.344 10-6m2/h2气相物性数据：

5、混合气体的平均摩尔质量为 M=0.0517.03+0.9529=28.40混合气体的平均密度为 = =0.991 kg/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v=0.91810-5 PaS查手册得 NH3在空气中的扩散系数为Dv=0.225 cm2/s=0.081 m2/h3气相平衡数据20时NH3在水中的溶解度系数为H=0.725 kmol/(m3kPa)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=0.75434物料衡算进塔气相摩尔比为 Y1=0.0526出塔气相摩尔比为 Y2=0.00001进塔惰性气相流量为 V=1200()(1-0

6、.05)=54.63 kmol/h对纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为 X2=0=54.63=41.05 kmol/hL=1.5Lmin=41.051.5=61.57 kmol/h所以由全塔物料衡算式V(Y1-Y2)=L(X1-X2)可得：X1=V(Y1-Y2)/L=0.0465S=二、吸收塔的工艺尺寸的计算1.塔径计算气相质量流量为wV= kg/h液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即wL=LM=61.5718.02=1109 kg/h用贝恩霍根关联式计算泛点气速. 查附录五得空隙率=91.7uF2/g(at/3)(v/L)L0.2=A-K(wL/wV)1/4(v/L)1/8查表得A=0.094

7、2 K=1.75计算得uF=4.502 m/s取u=0.7uF=0.74.502=2.832 m/s由D=圆整塔径，取D=0.4m2.操作气速校核u= m/s uF3 填料规格校核D/d=400/50=8,满足鲍尔环的径比要求.4.液体喷淋密度校核取最小润湿速度为LW,min=0.08m3/(mh)查常用散装填料的特性参数表，得at=100 m2/m3Umin= LW,minat=0.08100=8 m3/(m2h)因U= m3/(m2h)UminY1*=mX1=0.7540.0465=0.03506Y2*=mX2=0 经以上校核可知，填料塔直径选用D=600mm是合理的。三、填料层高度计算气

8、相总传质单元数为Nog=(1-S)(1-0.669)+0.669=13.52m查表聚丙烯的表面张力 c=0.033 N/m气体质量通量 VG=液体质量通量 LG=鲍尔环的公称尺寸 dp=0.05 m查表得鲍尔环为开口环，其形状系数为=1.45 采用修正的思田关联式计算=1-exp则 aw=at=100 m2/m3气膜吸收系数由下式计算KG= = =5.5110-5Kmol/(m2skPa)液膜吸收系数由下式计算KL= = =8.3210-5 m/sKG,a=KGaW=5.1510-5100=5.5110-3 Kmol/(m2skpa)KL,a=KLaW=8.3210-5100=8.3210-3

9、 s-1校正，得KL,a=1.0310-2Kmol/(m2skPa)KL.a=8.9510-3 s-1KG,a=KYa=KGa=0.00398101.3=0.403 Kmol/(m2s)由HOG= ZOG=HOGNOG=0.299613.52=4.05 mZ=1.44.04=5.67 m设计取填料层高度为：Z=6 m（三）辅助设备的计算及选型一、填料层压降计算采用Eckert通用关联图计算填料层压降。横坐标为：查表得，压降填料因子平均值为：p=125 m-1纵坐标为：查图得，填料层压降为：P=1059.486=6356.88 Pa二、液体分布器简要设计1.液体分布器的选型该吸收塔的塔径为400

10、mm,填料吸收塔的塔径较小。莲蓬式喷淋器结构简单，能使液体分布均匀，故选用莲蓬式液体分布器。(1)分布点密度计算按Eckert建议值，D=400时，喷淋点密度为330点/m2，所以，塔径为400mm时，根据需要取喷淋点密度为330点/m2。布液点数为：n=0.7850.42330=41.542点。(2)布液计算由Ls=取=0.6H=50mm设计取d0=4 mm2填料支撑结构填料支承结构应满足3个基本条件：使起液能顺利通过.设计时应取尽可能大的自由截面。要有足够的强度承受填料的重量，并考虑填料孔隙中的持液重量。要有一定的耐腐蚀性能。本设计根据需要，选择气体喷射型支承装置。3填料压紧装置为防止在上

11、升气流的作用下填料床层发生松动或者跳动，需在填料层上方设置填料压紧装置。对于散装填料本设计选用压紧栅板。（四）设计一览表吸收塔类型：阶梯环吸收填料塔混合气处理量：1200m3/h工艺参数名称管程 管壳物料名称清水氨气操作压力，KPa101.3101.3操作温度， 2020流速，m/s2.85液体密度，kg/m3 99821.181流量，kg/h11091633塔径，mm400填料层高度，mm6000压差，KPa101.3操作液气比1.127分布点数42黏度，kg/(mh)3.60.065表面张力，kg/cm940896（五）对设计过程的评述和有关问题的讨论本设计的任务是用水吸收氨气的填料吸收塔

12、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。本设计中，在计算处理当中发现了很多问题。首先，开始的时候我们是采用Eckert通用关联图计算泛点气速，但是我发现用查图的方法来计算出泛点气速之后进行液体喷淋密度校核时，无论取哪种规格的填料都很难使其符合要求，最后由液体喷淋密度校核这一步往回推导时，我发现可能是处理量提高太低。后来我参考了其他的一些资料上的算法发现也有用贝恩（Bain）霍根（Hougen）关联式计算泛点气速的，当我应用这个关联式计算时发现计算出的结果与查图算出的相差很大，这一步的计算我们认为查关联图不是很准确

13、。经过我们的计算，发现无论用哪种规格的填料都难以使计算符合要求，即使用公称直径为50mm的填料也不符合要求。从这里的计算我们总结出处理量不能太低，因为选择较低的处理量，首先不适合工业生产要求，其次是在进行液体喷淋密度校核时，计算所得的液体喷淋密度小于最小喷淋密度不适合要求。处理量也不能太大，因为处理量太大时，对设备造成较大磨损，吸收处理不完全。在填料的选择中，我几乎是用排除法来选择的，就是一种规格一种规格的算，后来认为DN50计算得的结果比比较好。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。用DN50计算所得的D/d值也符合鲍尔环的推荐值。解决了

14、上面的问题之后就是通过查找手册之类的书籍来确定辅助设备的选型，我们选择气体喷射型支承装置作为填料支撑，选压紧栅板作为填料压紧装置。本设计我们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。（六）参考文献1贾绍义柴诚敬化工原理课程设计天津：天津科技技术出版社，20022大连理工大学等化工容器与设计手册北京：化学工业出版社，1989*3匡国柱，史启才等化工单元过程及设备课程设计北京：化学工业出社，20024陈敏恒等化工原理北京：化学工业出版社，20045化学工程手册

15、编辑委员会化学工程手册气液传质设备北京：化学工业出版社，19896魏姚灿等塔设备设计上海：上海科学技术出版社，1988（七）主要符号说明a填料的有效比表面积，/m3at填料的总比表面积，/m3aw填料的润湿比表面积，/m3d 填料直径，md0筛孔直径，mD塔径，mDL液体扩散系数，m2/sDV气体扩散系数，m2/sE亨利系数，kPah填料层分段高度，mH开孔上方的液位高度，mH溶解度系数，kmol/（m3kPa）HOG气相总传质单元高度，mNOG气相总传质单元数kG气膜吸收系数，kmol/（m2hkPa）kL液膜吸收系数，m/hK稳定系数，无因次Mave混合气体的平均摩尔质量，kmol/kgL

16、h液体体积流量，m3/hLs液体体积流量，m2/hLw润湿速率，m3/（mh）m相平衡常数，无因次n筛孔数目（分布点数目）P操作压力，Pao标准状况下的压力，PaP压力降，Pau空塔气速，m/suF泛点气速，m/sU液体喷淋密度，m3/（m2h）UL液体质量通量，/（m2h）Umin最小液体喷淋密度，m3/（m2h）Uv气体质量通量，/（m2h）Vh气体体积流量，m3/hwL液体质量流量，/hwV气体质量流量，/hX液相摩尔比y气相摩尔分数Y气体摩尔比Z填料层高度 ，mV惰性气相流量，kmol/hS吸脱因数R通用气体常数，8.314（m3kPa）/（kmolK）T温度，KT 标准状况下温度，K塔的截面积，m2P压降填料因子，m-1L液体的粘度，kg/（mh）V混合气体的粘度，kg/（mh）混合气体的平均密度，kg/m3L液体的密度，kg/m3液体的表面张力c填料材质的临界表面张力，/h2（1dyn/cm=12960/h2）空隙率，无因次下标max最大的min最小的L液相V气相M平均