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1、.成都信息工程学院环境工程原理课程设计题目： 水吸收氨过程填料吸收塔的设计 班级： 环工102 姓名： 陈琳瑛 指导教师： 羊依金 评审教师： 完成日期： 第一章 前言1、 设计任务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 3500 m3/h，其中含氨5%，要求塔顶排放气体中含氨低于0.02%。采用清水进行吸收，吸收剂的用量为最小量的1.5倍。2、 操作条件a) 操作压力 常压b) 操作温度 20填料类型和规格均自选3、 工作日每年300天，每天24小时连续运行4、 厂址成都地区第二章 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，
2、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 吸收剂的选择吸收剂又叫溶剂，吸收过程是依靠气体在吸收剂中的溶解来实现的，因此，选择良好的吸收剂是吸收过程的重要一环。选择吸收剂的基本要求: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
3、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。6. 其它，所选用的吸收剂还应满足无毒性，无腐蚀性，不易燃易爆，不发泡，冰点低，廉价易得以及化学性质稳定等要求。因为用水做吸收剂，故采用纯溶剂。2.3 填料的选择2.3.1 填料层填料塔内充以某种特定形状的固体填料以构成填料层。填料层是塔实现气、液接触的主要部位。填料的主要作用是：填料层内空隙体积所占比例很大，填料间隙形成不规则的弯曲通道，气体通过时可达到很高的湍动程度；单位体积填料层内提供很大的固体表面，液体分布于填料表
4、面呈膜状流下，增大了气、液之间的接触面积。填料的选择包括确定填料的种类、规格及材质等。所选填料既要满足生产工艺的要求，又要使设备投资和操作费用最低。2.3.2 填料种类的选择填料的选择包括确定填料的种类、规格及材质等。所选择填料既要满足生产工艺的要求，又要使设备投资和操作费用较低。填料种类的选择要考虑分离工艺的要求，通常考虑以下几个方面：(1)传质效率要高 一般而言，规整填料的传质效率高于散装填料(2)通量要大 在保证具有较高传质效率的前提下，应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料(3)填料层的压降要低(4)填料抗污堵性能强，拆装、检修方便2.3.3 填料规格的选择填料规格是指填料的公称尺
5、寸或比表面积。（1）散装填料规格的选择 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，通量减少，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，一般塔径与填料公称直径的比值D/d应大于8。（2）规整填料规格的选择 工业上常用规整填料的型号和规格的表示方法很多，国内习惯用比表面积表示，主要有125、150、250、350、500、700等几种规格，同种类型的规整填料，其比表面积越大，传质效率越高，但阻力增加，通量减
6、少，填料费用也明显增加。选用时应从分离要求、通量要求、场地条件、物料性质及设备投资、操作费用等方面综合考虑，使所选填料既能满足技术要求，又具有经济合理性。应予指出，一座填料塔可以选用同种类型，同一规格的填料，也可选用同种类型不同规格的填料；可以选用同种类型的填料，也可以选用不同类型的填料；有的塔段可选用规整填料，而有的塔段可选用散装填料。设计时应灵活掌握，根据技术经济统一的原则来选择填料的规格。2.3.4 填料材质的选择填料的类型1拉西环填料优点：易于制造，价格低廉，且对它的研究较为充分，所以在过去较长的时间内得到了广泛的应用。缺点：由于高径比大，堆积时填料间易形成线接触，因此液体在填料层流动
7、时，常存在严重的沟流和壁流现象。且拉西环填料的内表面润湿率较低，因而传质速率也不高 2阶梯环填料（Stair ring）填料的阶梯环结构与鲍尔环填料相似，环壁上开有长方形小孔，环内有两层交错 45的十字形叶片，环的高度为直径的一半，环的一端成喇叭口形状的翻边。这样的结构使得阶梯环填料的性能在鲍尔环的基础上又有提高，其生产能力可提高约10%，压降则可降低25%，且由于填料间呈多点接触，床层均匀，较好地避免了沟流现象。阶梯环一般由塑料和金属制成，由于其性能优于其它侧壁上开孔的填料，因此获得广泛的应用。 3鲍尔环填料在拉西环的基础上发展起来的鲍尔环是在的侧壁上开一层或两层长方形小孔，小孔的母材并不脱
8、离侧壁而是形成向内弯的叶片。同尺寸的鲍尔环与拉西环虽有相同的比表面积和空隙率，但鲍尔环在其侧壁上的小孔可供气液流通，使环内壁面充分利用。比之拉西环，鲍尔环不仅具有较大的生产能力和较低的压降，且分离效率较高，沟流现象也大大降低。鲍尔环填料的优良性能使它一直为工业所重视，应用十分广泛。可由陶瓷、金属或塑料制成。 金属英特洛克斯（Intalox）填料将环形结构与鞍形结构的特点集于一体而形成的一种独特结构的填料，具有生产能力大、压降低、液体分布性能好、传质速率高及操作弹性大等优良性能，因而获得广泛应用，在减压蒸馏中其优势更为显著。网体填料（Wire gauze packings）上述几种形式的填料属实
9、体填料，与之对应的另一类金属丝网制成的填料称为网体填料。网体填料也有多种形式，如网环和鞍型网等。优点：因网丝细密，填料的空隙很高，比表面积很大。由于毛细管作用，填料表面润湿性能很好。故网体填料气体阻力小，传质速率高。缺点：造价很高，故多用于实验室中难分离物系的分离。 规整填料规整填料一般由波纹状的金属网丝或多孔板重叠而成。使用时根据填料塔的结构尺寸，叠成圆筒形整块放入塔内或分块拼成圆筒形在塔内砌装。优点：空隙大，故生产能力大，压降小，且因流道规则，所以只要液体初始分布均匀，则在全塔中分布也均匀，因此规整填料几乎无放大效应，通常具有很高的传质效率。缺点：造价较高，易堵塞难清洗，因此工业上一般用于
10、较难分离或分离要求很高的情况。 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 3.1.2气相物性数据 混合气体平均密度： 空气黏度： 273K，101.3Kpa.氨气在空气中扩散系数： 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 进塔气相摩尔比：出塔气相摩尔比：Y2 = 0.0002/（1 0.0002）= 0.000211 对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成：混合气体流量 ：V1 = (3500*273)/(293*22.4) = 145.584 kmol/h进塔惰性气体流量： V = 145.584 *(1 0.05)
11、= 138.305kmol/h吸收过程属于底浓度吸收，平衡关系为直线，最小气液比可按下式计算： 取操作气掖比为最小气液比的1.5倍，可得吸收剂用量为：L = 1.5 * 0.751 * 138.305 = 155.801kmol/h根据全塔物料衡算式:V * (Y1 Y2) = L * (X1 X2)X1 = V * (Y1 Y2) / L + LX2 = (0.0526 0.0002)/(0.751*1.5) = 0.0685液气比 ： Wl/Wv = (155.801*18)/(3500*1.181) = 0.6783.3塔径的计算3.3.1塔径的计算考虑到填料塔内塔的压力降,塔的操作压力
12、为101.3采用贝恩-霍夫泛点关联式:= -0.59 取泛点率为0.6. 即 u = 0.6uf = 0.6 * 4.535 = 2.721m/sD = 4*VS/(*)0.5 = 43500（36003.142.721）0.5 = 0.675m 圆整后取 D = 0.7m = 700mm3.3.2泛点率校核= 4 * V ( * D2) = 2.528m/su/uf = 2.7214.535 = 60%在(50%-80%)之间,所以符合要求.3.3.3填料规格校核根据要求应选择环形填料中的塑料阶梯环.由于所选用的塔径为700,又根据填料与塔径的对应关系及实际操作要求,区尺寸为38的塑料阶梯环
13、,此填料规格如下:公称直径:38 孔隙率:0.92比表面积a:72 填料因子:170 填料常数A:0.0942所以有D/d = 700/38 = 18.4,即符合要求.见下图：3.3.4液体喷淋密度校核最小的喷淋密度 t=72= 0.08 * 72 = 5.76 m3/(m2*h) = 155.801 * 18/(998.2*0.785*0.72) = 7.304m3/(m2*h)故满足最小喷淋密度的要求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.由,则293K，101.3kpa下，氨气在空气中的扩散系数293K，101.3kpa下，氨气
14、在水中的扩散系数 (查化工原理附录)Y1* = mX1 = 0.754 * 0.0685 = 0.051649脱吸因数为：S = mV/L = 0.754 / (0.751*1.5) = 0.700 气相总传质单元数为： = 12.24气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：液体质量通量为:UL= WL/(0.785*D2)=155.801*18/ (0.785*0.72)=7290.83kg/(m2.h)气体质量通量为：UV = WV/(0.785*D2)=3500*1.181/(0.785*0.72)=10746.13 kg/(m2.h)故 = 0.9812气膜吸收系数： = 0.1009液膜吸收系数= 0.4761查表得=1.45 故=0.10090.981272=10.727=0.47610.981272=39.0240.590.5以下公式为修正计算公式： = 10.185 = 24.576 则 （H为溶解度系数）= 6.579由 =1
