环保工程课程设计水吸收氨填料塔设计设计说明书 精品.docx
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环保工程课程设计水吸收氨填料塔设计设计说明书精品
环境工程原理课程设计
清水吸收氨的填料塔装置
设计说明书
一设计任务书
(一)设计题目
水吸收NH3过程填料吸收塔的设计:
试设计一座填料吸收塔,用于脱除焙烧炉送出的混合气体(先冷却)中的NH3,其余为惰性组分,采用清水进行吸收。
混合气体的处理量m3/h
10800
混合气体NH3含量(体积分数)
5.5%
NH3的回收率不低于
96%
吸收剂的用量与最小用量之比
1.6
(二)操作条件
(1)操作压力常压
(2)操作温度20℃
(三)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。
二设计方案简介
2.1方案的确定
用水吸收NH3属中等溶解度的吸收过程,为提高传质效率,选用逆流吸收流程。
因用水作为吸收剂,且NH3不作为产品,故采用纯溶剂。
2.2填料的类型与选择
对于水吸收NH3的过程,操作温度及操作压力较低,工业上通常选用塑料散装填料。
在塑料散装填料中,塑料阶梯环填料的综合性能较好,故此选用DN38聚丙烯阶梯环填料。
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空隙,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,成为目前所使用的环形填料中最为优良的一种。
2.3设计步骤
本课程设计从以下几个方面的内容来进行设计
(一)吸收塔的物料衡算;
(二)填料塔的工艺尺寸计算;主要包括:
塔径,填料层高度,填料层压降;(三)设计液体分布器及辅助设备的选型;(四)绘制有关吸收操作图纸。
三、工艺计算
3.1基础物性数据
3.1.1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℃时水的有关物性数据如下:
密度为ρL=998.2kg/m3
粘度为μL=0.001Pa·s=3.6kg/(m·h)
表面张力为σL=72.6dyn/cm=940896kg/h2
NH3在水中的扩散系数为DL=2.04×10-9m2/s=7.344×10-6m2/h
(依Wilke-Chang计算,查《化学工程基础》)
3.1.2气相物性数据
设进塔混合气体温度为20℃,
混合气体的平均摩尔质量为
MVm=ΣyiMi=0.05×17.03+0.95×29=28.40g/mol
混合气体的平均密度为ρVm=1.1806kg/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
μV=1.81×10-5Pa•s=0.065kg/(m•h)
查手册得NH3在空气中的扩散系数为
DV=0.255cm2/s=0.081m2/h
3.1.3气液相平衡数据
由手册查得,常压下20℃时NH3在水中的亨利系数为
E=76.41kPa
相平衡常数为
m=E/P=76.41/101.3=0.754
溶解度系数为
H=ρ/EM=998.2/76.41×18.02=0.7254kmol/kPam3
3.1.4物料衡算
(l).进塔混合气中各组分的量
近似取塔平均操作压强为101.3kPa,故:
混合气量==441.7
混合气NH3中量=441.7×0.055=24.29kmol/h
=24.29×17.03=413.66kg/h
设混合气中惰性气体为空气,则混合气中空气量=441.71-24.29=417.42kmol/h
=417.42×29=12105.18kg/h
(2).混合气进出塔的摩尔组成
y1=0.055
y2==0.002323
(3)混合气进出塔摩尔比组成
进塔气相摩尔比为
Y1===0.0582
出塔气相摩尔比为
Y2=0.0582×(1-0.96)=0.002328
(4)出塔混合气量
出塔混合气量=417.42+24.29×0.04=418.3916kmol/h
=12105.18+441.7×0.04=12122.848kg/h
(5)吸收剂(水)的用量L
该吸收过程属低浓度吸收,平衡关系为直线,最小液气比可按下式计算
对于纯溶剂吸收过程,进塔液相组成为X2=0
=0.724
取操作液气比为
=1.6×0.724=1.158
L=1.158×417.42=483.432kmol/h
(6)塔底吸收液组成X1
=0.0482
(7)操作线方程
依操作线方程=
Y=1.158X+0.002328
3.2填料塔的工艺尺寸的计算
3.2.1塔径的计算
采用Eckert通用关联图计算泛点气速。
气相质量流量为wv=10800×1.1806=12751.4kg/h
液相质量流量可近似按纯水的流量计算,即
WL=483.432×18.02=8711.4kg/h
其中:
ρL=998.2kg/m3
ρV=1.1806kg/m3
g=9.81m/s2=1.27×108m/h2
WV=12751.4kg/h
WL=8711.4kg/h
μL=0.001Pa·s
(1)采用Ecekert通用关联图法计算泛点气速uF。
通用填料塔泛点和压降的通用关联图如下:
图一填料塔泛点和压降的通用关联图(引自《化工原理》)
图中u0——空塔气速,m/s;
φ——湿填料因子,简称填料因子,1/m;
ψ——水的密度和液体的密度之比;
g——重力加速度,m/s2;
ρV、ρL——分别为气体和液体的密度,kg/m3;
wV、wL——分别为气体和液体的质量流量,kg/s。
此图适用于乱堆的颗粒形填料,如拉西环、弧鞍形填料、矩鞍形填料、鲍尔环等,其上还绘制了整砌拉西环和弦栅填料两种规整填料的泛点曲线。
对于其他填料,尚无可靠的填料因子数据。
Eckert通用关联图的横坐标为
0.5=0.5=0.0235
查图一查得纵坐标值为
0.2=0.3
表一散装填料泛点填料因子平均值
填料类型
填料因子,1/m
DN16
DN25
DN38
DN50
DN76
金属鲍尔环
410
—
117
160
—
金属环矩鞍
—
170
150
135
120
金属阶梯环
—
—
160
140
—
塑料鲍尔环
550
280
184
140
92
塑料阶梯环
—
260
170
127
—
瓷矩鞍
1100
550
200
226
—
瓷拉西环
1300
832
600
410
—
(《化工原理课程设计》附录十一)
查得:
==3.826
(2)操作气速
由以下公式计算塔径:
(《化工原理课程设计》)
对于散装填料,其泛点率的经验值为u/uF=0.5~0.85
取u=0.7uF=0.7×3.826=2.678m/s
(3)塔径
由==1.19
圆整塔径,取D=l.2m。
(4)泛点率校核:
=2.653m/s
=68.71%(在允许范围内)
(5)填料规格校核:
=31.57〉8
(6)液体喷淋密度校核:
取最小润湿速率为
(Lw)min=0.08m3/m·h
查填料手册得
塑料阶梯环比表面积at=114.2m2/m3
Umin=(Lw)minat=0.08×114.2=9.136m3/m2·h
=9.413m3/m2h〉Umin
经以上校核可知,填料塔直径选用D=1200mm合理。
3.2.2填料层高度计算
(1)传质单元数NOG
Y1*=mX1=0.754×0.0482=0.0362
解吸因数为:
=0.651
气相总传质单元数为:
==6.412
(2)传质单元高度的计算
气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算
查表二:
常见材质的临界表面张力值
材质
碳
瓷
玻璃
聚丙烯
聚氯乙烯
钢
石蜡
表面张力,mN/m
56
61
73
33
40
75
20
得=33dyn/cm=427680kg/h2
液体质量通量为:
=7755.88kg/(m2h)
气膜吸收系数由下式计算:
=0.3533
气体质量通量为:
气体质量通量:
=11279.61
=0.133kmol/(m2hkpa)
液膜吸收系数由下式计算:
=0.468m/h
查表三:
常见填料塔的形状系数
填料类型
球形
棒形
拉西环
弧鞍
开孔环
Ψ值
0.72
0.75
1
1.19
1.45
本设计填料类型为开孔环所以Ψ=1.45,则
=0.133×114.2×0.3533×1.451.1=8.075kmol/(m3.h.kpa)
=0.468×114.2×0.3533×1.450.4=21.908l/h
又因
u/uF=68.71﹪>50﹪
需要按下式进行校正,即
可得:
KG/a=[1+9.5(0.6871-0.5)1.4]×8.075=15.41kmol/(m3.h.kpa)
KL/a=[1+2.6(0.6871-0.5)2.2]×21.908=23.33l/h
则
由
(3)填料层高度的计算
由
根据设计经验,填料层的设计高度一般为
Z′=(1.2~1.5)Z(4-19)
式中Z′——设计时的填料高度,m;
Z——工艺计算得到的填料层高度,m。
得:
=1.25×2.898=3.6m
设计取填料层高度为
=3.6m
查:
表四散装填料分段高度推荐值
填料类型
h/D
Hmax/m
拉西环
2.5
≤4
矩鞍
5~8
≤6
鲍尔环
5~10
≤6
阶梯环
8~15
≤6
环矩鞍
5~15
≤6
对于阶梯环填料,,
取,则h=8×1200=9600mm
3600mm<9600mm
故只需一段,段高3.6m。
3.2.3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:
表五散装填料压降填料因子平均值
填料类型
填料因子,1/m
DN16
DN25
DN38
DN50
DN76
金属鲍尔环
306
-
114
98
-
金属环矩鞍
-
138
93.4
71
36
金属阶梯环
-
-
118
82
-
塑料鲍尔环
343
232
114
125
62
塑料阶梯环
-
176
116
89
-
瓷矩鞍环
700
215
140
160
-
瓷拉西环
1050
576
450
288
-
查表得,Φp=125m-1
纵坐标为:
查Eckert通用关联图得:
△P/Z=200*9.81=1962Pa/m
填料层压降为:
△P=1962×3.6=7063.2Pa
四、辅助设备的计算及选型
1.除雾沫器
穿过填料层的气体有时会夹带液体和雾滴,因此需在塔顶气体排
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