水吸收氨气过程填料吸收塔的设计

《化工原理》课程设计

题 目：系 别：班 级：姓 名：学 号：队 别：队 员：教 师：日 期：

水吸收氨填料吸收塔设计

1.概述 .......................................................................................................... 3 2.物料衡算 .................................................................................................. 3 3.热量衡算 .................................................................................................. 4 4.塔的工艺尺寸计算 ................................................................................. 5 4.1塔径的计算 .................................................................................... 5 4.2填料层高度计算 ............................................................................ 6 5.填料层压降的计算 ................................................................................. 8 6.液体分布器简要设计 ............................................................................. 9 6.1液体初始分布器 ............................................................................ 9 6.2液体初始再布器 ............................................................................ 9 7.绘制生产工艺流程图 ............................................................................. 9 8.绘制吸收塔设计条件图 ......................................................................... 9 9. 对设计过程的评述和有关问题的讨论 ............................................... 9 10.总结 ...................................................................................................... 10 11.参考文献 .............................................................................................. 11

1.概述

1.这是关于化工原理的基础知识的课程设计，此次设计的目的是借助工具书以及上网查找资料完成满足工艺需要的化工设备的设计。氨气填料吸收的设计有助于我们加深对吸收工艺的理解。本次设计中主要参考教科书、课程设计书以及上网收集的资料。

2.对于氨气的吸收过程工艺设计，以期提高我们对于处理工程问题的能力，氨气吸收的一般性问题在于给定气体处理量、混合气体组成、温度、压力以及分离要求的条件下，完成工艺设计任务。

3.设计明书中涉及氨吸收塔，并对其进行说明，吸收塔是化学工业中重要的塔设备，因此对吸收塔进行设计和分析，能使我们对其有很深的了解和理解。

2.物料衡算

进塔气体摩尔比为

Y1=y1/(1-y1)=0.05/(1-0.05)=0.0526 出塔气体摩尔比为

Y2=Y1（1-φA）=0.0526×（1-0.95）=0.00263 进塔惰性气体流量为

V=1000×273×130×（1-0.05）/（22.4×293×101）=50.86(kmol/h) 该吸收为低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比按下式计算即 （L/V）min=（Y1-Y2）/（Y1/m-X2） 对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成 X2=0

（L/V）min=（0.0526-0.00263）/（0.0526-/0.588-0)=0.5586 取实际液气比为最小液气比的1.8倍，则可以得到吸收剂用量 L/V=1.8×50.86×0.5586=51.139(kmol/h)

由公式得：V（Y1-Y2）=L（X1-X2）

X1

3.热量衡算

假设氨气全部溶于水放出的热量全部被水吸收，且忽略气相温度的变化及塔的散热损失。

查手册，氨气的为分溶解热（氨气的冷凝潜热+在水中溶解热） H=18688.27+34748=53436.27KJ/mol

水的平均比热容 C=75.366KJ/（Kmol ℃） 由Tn=Tn-1+H（Xn-Xn-1）/C

对于低浓度气体的吸收，吸收液浓度变化很低时，按惰性组分及摩尔比浓度计算较为方便，故上式可以写为

Tn=Tn-1+（53436.27/75.366）ΔX，液体进塔温度T0=20℃ 由上式可以得出液相浓度变化0.001时，温度升高0.71℃。

4.塔的工艺尺寸计算

4.1塔径的计算

利用埃克脱通用关联图就算泛点气速

气相质量流量为

Wv=1000×1.52=1520(kg/h)

液相质量流量可近似按水的流量计算，即 WL=51.139×18.02=912.525(kg/h) 利用吉利兰关联图的横坐标为

WLpvm0.5921.525⎛1.52⎫()=⨯ ⎪WvpL1520⎝998.2⎭查图可知，

0.5

=0.024

(uφΦ/g)(p

f

v/pL)uL

0.2

=0.22

查表可知φ=170m-1则

⎛0.22gpL⎫uf= φψpu0.2⎪⎪=2.89m/s

vL⎭⎝ 操作气速

u=0.8uf=2.31m/s

塔径

⎛4V⎫D= s⎪

⎝∏u⎭

0.5

=1.24m

圆整塔径，取D=1.4m 4.2填料层高度计算

2

D=0.17(cm/s).由o273K，101.3kpa下，氨气在空气中的扩散系数

⎛p0⎫⎛T⎫

D=DV0 ⎪ ⎪

⎝p⎭⎝T0⎭

3/2

,则293K，101.3kpa下，氨气在空气中的扩散系数

2

D0.189(cm/s)v=

-92

D=1.76⨯10m/s()L

293K，101.3kpa下，氨气在水中的扩散系数 (查化

工原理附录)

Y1* = mX1 = 0.588 × 0.05 = 0.0294

*YX2=0 2=m

脱吸因数为：S = mV/L = 0.588×50.86/51.139 = 0.584

*

⎤Y-Y1⎡12

Nln1-S+S(OG⎢⎥*

1-S⎣YY2-2⎦气相总传质单元数为： = 5.26

气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：

0.10.20.750.052-2⎧⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫aσUaUU⎪⎪wcLtLL

=1-exp1-.⎨⎪⎬⎪⎪2⎪aagat⎭⎝tLL⎭⎝LLt⎭⎪⎭⎝⎪⎩⎝L⎭

液体质量通量为:

WL=9125.25/0.785×1.42=5989.4 kg/(m2.h) 气膜吸收系数为

⎛Wv⎫kG=0.237 W⎪⎪

⎝l⎭

0.7

⎛uv⎫⎛aDv⎫1.1 ⎪ψ pD⎪⎪

⎝vv⎭⎝RT⎭

1/3

气体质量流率为：

WV=1520×（0.785×1.42）=9879.1 kg/(m2.h) 查表得，ψ=1.45，则

kG=0.146kmol/m2∙h∙kpa

[()]

液膜吸收系数

= 0.445m/s 则

kGa=kGaw

3

k=5.52kmol/m∙h∙kpa 得Ga

[()]

则 kLa=kLaw 得kLa=16.82l/h

u

=0.625>0.5uf

以下公式为修正计算公式：

1.4

⎡⎛u⎫⎤'⎢+⎥KaK9.5-0.5⎪Ga=1G⎪u⎢⎥3f⎝⎭⎦Kmol/(mhk⋅⋅pa) ⎣ = 8.37

2.2

⎡⎛u⎫⎤KLa'=⎢1+9.5 -0.5⎪⎥KLa

u⎪⎥⎢f⎝⎭⎦⎣

3

Kmol/(mhk⋅⋅pa) = 17.27

KGa=

111

+

KGa'HKLa

3

Kmol/(mhk⋅⋅pa) （H为溶解度系数）= 5.02

则

VV

HOG

KaΩYΩKaGP由 =0.51m

由 Z = HOG×NOG = 0.51×5.26 = 2.68m

设计填料层的高度为Z’=1.4Z=3.75m，取整后为4m。 查散装填料分段高度推荐值查得： 塑料阶梯环 h/d⊂8～15

hmax≤6m

取h/d=10 得 h=10×1400=14000(mm) 计算得填料层高度为14000mm，，故不需分段

5.填料层压降的计算

填料层压降:气体通过填料层的压降采用Eckert关联图计算, 其中横坐标为：

=0.024 查得Φ=116m

纵坐标为

-1

u2Φψpv0.2

⨯⨯ul=0.194gpl

查图得 Eckert图

∆p

=981pa/mZ

填料层压力降△P = 981×4 = 3924（pa）

6.液体分布器简要设计

6.1液体初始分布器

a.布液孔数 根据本物系性质可选用盘式液体分布器，按Eckert建议值，应取喷淋点密度为42点/m,因为该塔液相负荷比较大，设计时取100点/m，则总布液孔数154个。

b.液体保持管高度。取布液孔直径为5mm,则液位保持管中的液位高度可由

⎡⎛4Vs⎫2⎤h=⎢ ⎪/2g⎥=0.087(m)2

'∏dnk⎝⎭⎢⎥h⎣⎦式得出，则高度为=1.15⨯87=100(mm)

2

2

6.2液体初始再布器

由于填料层高度不够，可不设液体再分布器。

7.绘制生产工艺流程图

见附图1

8.绘制吸收塔设计条件图

见附图2

9.对设计过程的评述和有关问题的讨论

本设计中，开始的时候我打算采用Eckert通用关联图计算泛点气速，但是我发现用查图的方法误差很大，同时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，所以最后采用了关联式来计算泛点速度。

在填料的选择中，我几乎是用排除法来选择的，后来认为DN38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DN38计算所得的D/d值也符合阶梯环的推荐值。

10.总结

通过这次的课程设计不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又该如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。

课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程。”千里之行始于足下”。我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能够稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．

通过这次氨气吸收的设计，我在多方面都有所提高。通过这次课程设计我懂得了怎样分析吸收塔的工艺性，怎样去确定工艺方案，了解填料塔的基本结构，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的实践，独立思考的能力也有了提高。在设计过程中，体现出自己单独设计模具的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、独立思考、团队合作的重要性，但也从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而通过这次机会加以弥补。

在此感谢老师，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次化工原理设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。帮助我能够很顺利

的完成了这次课程设计。本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教,我十分乐意接受你们的批评与指正。

11.参考文献

1、李芳 《化工原理及设备课程设计》

2、柴诚敬 《化工原理》

北京 化学工业出版社北京 高等教育出版社2011 2010