水吸收氨过程填料吸收塔设计论文

一、设计任务书

(一)设计题目

试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1000 m3/h，其中含氨气为8％（体积分数），要求塔顶排放气体中含氨低于0.02％（体积分数），采用清水进行吸收，吸收剂的用量为最小用量的1.5倍。（20℃氨在水中的溶解度系数为H＝0.725kmol/（m3.kPa）

(二)操作条件

1.操作压力为常压，操作温度20℃.

2.填料类型选用聚丙烯阶梯环填料，填料规格自选。

3.工作日取每年300天，每天24小时连续进行。

(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.吸收塔接管尺寸计算；

5.吸收塔设计条件图；

6.对设计过程的评述和有关问题的讨论。

二、设计方案

(一)流程图及流程说明

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。

(二)填料及吸收剂的选择

该过程处理量不大，所用的塔直径不会太大，可选用25×12.5×1.4聚丙烯阶梯环塔填料，其主要性能参数如下：

比表面积a

t ：2233

2/m

m空隙率ε：0.90

湿填料因子Φ：1

172m-填料常数 A:0.204 K：1.75

见下图：

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。

三、工艺计算

(一)基础物性数据

1.液相物性数据

3998.2(/)L kg m ρ= 6100410() 3.6(/)L Pa s kg m h μ-=⨯⋅= 272.6(d y n /c )

940896(/)L m k g h σ== 931.7610(/)L D m s -=⨯

2. 气相物性数据 混合气体平均密度：31.166(/)v kg m ρ=

c σ=427680(2/kg h )

空气黏度：51.8110()0.065(/)v Pa s kg m h μ-=⨯⋅=

273K ，101.3Kpa.氨气在空气中扩散系数：200.17(/)D m

s =

(二)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 30.725/H kmol m kpa = 998.20.7540.72518101.3s S E m P HM P ρ====⨯⨯

进塔气相摩尔比： 10.080.087010.08

Y =

=- 出塔气相摩尔比：20.00020.00020010.0002Y ==- 对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成：20X =

混合气体流量 ：1100027341.59629322.4

V ⨯==⨯ kmol/h 进塔惰性气体流量： 41.596(10.08)38.268V =⨯-= kmol/h

吸收过程属于低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算：

12min 120.08700.0002000.752(0.0870/0.754)0e Y Y L V x X --⎛⎫=== ⎪--⎝⎭ 11e Y x m =

取操作液气比为最小液气比的1.5倍，可得吸收剂用量为：

0.75238.268 1.543.166/L Kmol h =⨯⨯=

根据全塔物料衡算式:

()()()121212120.08700.0002000.07700.752 1.5V Y Y L X X V Y Y X LX L -=---=

+==⨯

液气比 ： 43.166180.6661000 1.166

l v W W ⨯==⨯ (三)塔径的计算

1.塔径的计算

考虑到填料塔内塔的压力降,塔的操作压力为101.3KPa

()

()

()()

33

330.08170.922928.04/101.31028.0410 1.166/8.314527320998.2/v L M Kg Kmol PM Kg m RT Kg m ρρ-=⨯+⨯=⨯⨯⨯∴===⨯+=液体密度可以近似取为

采用贝恩----霍夫泛点关联式:

11248

0.23lg f t v v L L L v L u a W A K g W ρρμρρε⎡⎤⎛⎫⎛⎫=-⎢⎥ ⎪ ⎪⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎣⎦

即

()20.23118

4223 1.166lg () 1.0049.81998.20.90 1.1660.204 1.750.666998.20.476f u ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎣⎦

⎛⎫=-⨯⨯ ⎪⎝⎭

=- 3.017/f u m s = ()0.50.85f u u =-

取泛点率为0.6. 即 0.60.6 3.017 1.810/f u u m s ==⨯=

()4410000.4423.14 1.8103600

s V D m u ⨯===π⨯⨯ 圆整后取 ()()0.4400D m mm ==

2.泛点率校核：

21000

3600 2.212/0.7850.4u m s ==⨯ 2.2120.7333.017

F u u ==（在0.5到0.85范围之间） 3.填料规格校核： 40016825

D d ==> 4.液体喷淋密度校核：

取最小润湿速率为：)/(08.0)(3min h m m L W ⋅=

23223/t a m m = 所以得

32min min ()0.0822317.84/()W t U L a m m h =⋅=⨯=⋅

263220.78543.16618998.2 6.17510/()0.7850.4

h

L U D m m h =⋅⨯⨯==⨯⋅⨯ min U U >故满足最小喷淋密度的要求.

(四)填料层高度计算

1.传质单元高度计算

273K ，101.3kpa 下，氨气在空气中的扩散系数20.17(/)o D cm s =.由