氨气吸收塔课程设计

氨气吸收塔课程设计 《 化工原理 》课程设计 1 设计目:水吸收氨气填料塔 设 计 者:陈玉姣 专 业:化学工程与工艺 学 号: 101412102 指导老师:王要令 课程设计任务书 ?化工原理课程设计要求 本课程的设计任务要求学生做设计说明书一份、图纸两张。各部分的具体要求如下: 1 说明书必须书写工整、图文清晰。说明书中所有公式必须写明编号，所有符号必须注明意义和单位。 2 设计图纸要求: (1) 流程图(A3) 本设计要求画“生产装置工艺流程图”一张，图纸大小为210×297 2(或148×210)mm。本图应表示出装置或单元设备中所有的设备和机器，以线条和箭头表示物料流向，并以引线表示物料的流量、温度和组成等。 设备以细实线画出外形并简略表示内部结构特征，大致表明各设备的相对位置。设备的位号、名称注在相应设备图形的上方或下方， 2 或以引线引出设备编号，在专栏中注明个设备的位号、名称等。 管道以粗实线表示，物料流向以箭头表示(流向习惯为从左向右)。辅助物料(如冷却水、加热蒸汽等)的管线以较细的线条表示。 (2)设备图(A2) 本设计要求画主要设备详图一张，表示其结构形式、尺寸(表示设备特性的尺寸，如圆筒形设备的直径等)、技术特性等。 设备图基本内容有: ? 视图:一般用主(正)视图、剖面图或俯视图表示主要设备结 构形状; ? 尺寸:图上应注明设备直径、高度以及表示设备总体大小和规 格的尺寸; ? 技术特性表:列出设备操作压力、温度、物料名称、设备特性 等; ? 标题栏:说明设备名称、图号、比例、设计单位、设计人、审 校人等。 图纸要求: 投影正确、布置合理、线型、字迹工整。 3 ?课程设计任务书(7~8人一题，改变操作条件，一人一任务) (1) 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 3的处理量为2192m/h(1980+学号×106)，其中含空气为94%，氨气为6%(体积分数，下同)。要求塔顶排放气体中含氨低于0.02%，采用清水进行吸收，吸收塔的用量为最小用量的 1.6 (自定，如1.6) 3倍【20?氨在水中的溶解度系数为H=0.725kmol/(m?kPa)】 (2) 工艺操作条件 ? 操作平均压力:常压; ? 操作温度:t=20?; ? 每年生产时间:7200h; ? 选用填料类型及规格自选。 (3)设计任务 完成填料吸收塔的工艺设计与计算，有关附属设备的设计和选 4 型，绘制吸收系统的工艺流程图和吸收塔的工艺条件图，编写设计说 明书。 (4)说明 为使学生独立完成课程设计，每个学生的原始数据均在产品产量 上不同，即每上(下)浮300kg/h为一个学号的产品产量 目 录 第一节 前言 ............................................................ 3 1.1 填料塔的有关介绍 ................................................ 4 1.2 塔内填料的有关介绍 ............................ 5 第二节 填料塔主体设计的确定 ......................................... 5 2.1 液相物性数据.................................................... 6 2.2 气相物性数据.................................................... 8 2.3物料衡算........................................................ 7 第三节 填料塔工艺尺寸的计算 ............................................. 8 3.1 塔径的计算 ....................................................... 8 3.2 填料层高度的计算及分段 ........................................... 9 3.2.1 传质单元数的计算............................................ 10 3.2.2 传质单元高度的计算.......................................... 10 3.2.3 填料层的分段................................................ 11 5 第四节 填料层压降的计算 ............................................... 12 第五节 填料塔内件的类型及设计 .......................................... 13 对本设计的评述及心得 ................................................... 15 参考文献 ............................................................... 15 附表1填料塔设计结果一览表 ............................................ 25 附件一 塔设备流程图 ..................................................27 第一节 前言 1.1 填料塔的有关介绍 填料塔洗涤吸收净化工艺不单应用在化工领域 ,在低浓度工业 废气净化方面也能很好地发挥作用。工程实践表明 ,合理的系统工艺 和塔体设计 ,是保证净化效果的前提。本文简述聚丙烯阶梯填料应用 于清水吸收氨过程的工艺设计以及工程问题。填料塔不但结构简单 且流体通过填料层的压降较小 易于用耐腐蚀材料制造 所以它特 别适用于处理量小、有腐蚀性的物料及要求压降小的场合。液体自塔 顶经液体分布器喷洒于填料顶部 并在填料的表面呈膜状流下 气 体从塔底的气体口送入 流过填料的空隙 在填料层中与液体逆流 接触进行传质。因气液两相组成沿塔高连续变化 所以填料塔属于连 续接触式的气液传质设备。 填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备 它 6 是化工类企业中最常用的气液传质设备之一。 填料塔的主体结构主要包括塔体、塔填料和塔内件三大部分，如下图所示 1-气体出口 2-液体人口 3-液体分布装置 4-塔壳 5-填料 6-液体再分布器 7-填料 8-支承栅板 9气体人口 10-液体出口 图1 填料塔结构图 1.2 塔内填料的有关介绍 聚丙烯材质填料作为塔填料的重要一类 在化工上应用较为广泛与其他材质的填料相比 聚丙烯填料具有质轻、价廉、耐蚀、不易破碎及加工方便等优点，聚丙烯阶梯环填料为外径是高度的两倍的圆环 ,在侧壁上开出两排长方形的窗孔 , 并在一端增加了一个锥形翻 7 边 被切开的环壁的一侧仍与壁面相连 ,另一侧向环内弯曲 ,形成内伸的舌叶 ,各舌叶的侧边在环中心相搭。鲍尔环由于环壁开孔 ,大大提高了环内空间及环内表面的利用率 ,气流阻力小 ,液体分布均匀。阶梯环与鲍尔环相比 ,其高度减少了一半 ,并在一端增加了一个锥形翻边。 聚丙烯阶梯环的结构图如下 图2 聚丙烯阶梯环结构图 第二节 填料吸收塔的工艺计算 ? 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。由查的,20?水的有关物性数据如下: 密度:ρL=998.2kg/m? 粘度:μL=1.005×10-3Pa/S 表面张力:σL= 72.6×10-3N/m=940896Kg/h? 氨气在水中的扩散系数:DL=1. 76×10-9 ?/s ?气相物性数据 8 混合气体平均摩尔质量: MVM=?yiMi0.060×17+0.940×29=28.28kg/mol 混合气体的平均密度:ρvm=101.3×28.28/8.314×293=1.176kg/m? 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:μV=0.0181×10-3Pa/s=0.065Kg/(m.h) 20?氨气 扩散系数:DG=1.70×10-5?/s ?物料衡算 进塔惰性气相流率: V=(2192/22.4)×273/(273+20)×(1-0.060)=85.71Kmol/h 进塔气相摩尔比:Y1=0.060/(1-0.060)=0.0638 出塔气相摩尔比:Y2=0.0002/1-0.0002=0.0002 因为吸收剂为清水，所以X2=0， 吸收液组成由全塔物料衡算得: 得 X1=X2+(0.0638-0.0002)/1.2=0.053， ?最小吸收剂用量、吸收剂用量的选择 20下氨在水中的溶解度系数:已知, 常压下20?时, 亨利系数:H=998.2/0.725×18×101.3=0.755Kpa,所以相平衡常数:m=0.755 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即: (L/V)min 9 对纯溶剂吸收过程,进塔液相组成为 X2=0,则 (L/V)min=(0.0638-0.0002)/[0.06383/0.755-0]=0.75， 所以最小吸收剂用量: Lmin=0.75×V=61.31Kmol/h 取操作液气比为最小液气比1.6倍,则 1.6×0.75=1.2因此 吸收剂用量: L=0.75×85.71=102.85mol/h V——单位时间内通过吸收塔的惰性气体量 kmol/s; L——单位时间内通过吸收塔的溶解剂 kmol/s; Y1、Y2——分别为进塔及出塔气体中溶质组分的摩尔比 koml/koml; X1、X2——分别为进塔及出塔液体中溶质组分的摩尔比 koml/koml; ? 塔径的计算 混合气体的密度: ρvm=101.3×28.28/8.314×293=1.176kg/m? 塔顶混合气流量:VM=2192×1.176=2577.792kg/h 液相质量流量可近似按纯水的流量计算,即: LM=102.85×18kg/h=1851.3kg/h 所以LM/VM=0.718 温度t=20?,P=101.3kpa时， 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at=223?/m? 空隙率ε= 0.90 A、湿填料因子Φ=312m-1 填料常数 A=0.204 K=1.75 10 3.1不同类型填料的、值 AK 散装填料类 A K 规整填料类型 A K 型 塑料鲍尔环 0.0942 1.75 金属阶梯环 0.106 1.75 金属鲍尔环 0.1 1.75 瓷矩鞍 0.176 1.75 塑料阶梯环 0.204 1.75 金属环矩鞍 0.06225 1.75 (1)用Bain--Hougen关联式计算泛点气速μf，把数据代入下式 得:-0.5844，则: μf=2.63m/s 对于散装材料，其泛点率?=μ/μf范围是(0.5-0.85) 可取?=0.6，则μ=μf×0.6=1.578m/s 由式求得，D=0.7m， (常用的塔径为400、500、600、700、800、1000、 11 1200、1400、1600、2000、2200) (2)泛点率校核: u =2192/3600×0.785×0.49=1.583m/s 所以泛点率?=μ/μf=1.583/2.63×100%=60.2%(在允许范围内0.5~0.85) (3)填料规格校核: D/d=700/25=28>8(在允许范围内) (4)液体喷淋密度校核: 因填料为25mm×12.5mm×1.4mm,塔径与填料尺寸之比大于8,对于直径不超过75mm的散装填料，可取最小润湿速率为0.08m3/mh;对于直径大于75mm的散装填料，可取最小润湿速率为0.12m3/mh 固取最小润湿速度为(Lw)min=0.08 m3/m.h,查常用散装填料的特性参数表,得 Umin=(LW)min×at0.08=18.24m3/?h U=1851.3×998.2/(0.785×0.49×3600)=1334.52m3/?.h 则U > Umin经以上校核可知,填料塔直径选用D700mm是合理的。 ?填料层高度的计算 12 填料层高度,传质单元高度×传质单元数 (1)传质单元数N计算: OG mV 脱吸因数为 S=,0.755/1.2,0.629L ,Y,mX,022 ,，，Y,Y112，，ln1SS,，N=OG,,,1,SY,Y，22， ,10.06380，， = ,，，，In10.629x0.629,3,,,10.6290.0002x10，， =12.88 (2) 传质单元高度H的计算 OG VH= OGKa,Y 其中 Ka=Kap YG (1)先计算填料的润湿面积a作为传质面积a，用改进的恩田式分别W 计算k及k，再合并为ka和ka。 LGLG ,0.050.20.10.7522,,,,,,,,,,,aUaUU,,wcLtLL ,,,,,,,,1exp1.45,,,,,,,,,,,,,a,a,,,a,,atLtLLLtLLt,,,,,,,,,,,, 关联式中各物性数据: 液体性质(以20?为准) 3 密度ρ=998.2kg/m L -3粘度μ=1.005×10Pa?s L 13 -3-3查填料材质的临界表面张力可知 ,,35x10N/m ,,72.8x10N/mcL W418x102.852LL,,,1.337kg/(m,s) G23600x0.49x0.785D,3600 W42192x1.1762GV,,,1.917kg/(m,s)G23600x0.49x0.785D,3600 0.20.7520.1,0.05,,-3,,1.337,,a35x101.3371.337x228,,,,,,w,,,,,1,exp,1.45,,,,,,-3,3,,,,a228x1.005x10998.2x9.8172.6x10998.2x72.6x10x228,,,,t,,,,,,,, =0.278 23 a,0.278x228,63.384m/mw (2) 计算KYa 查聚丙烯填料表面张力表 材质 碳 瓷 玻璃 聚乙烯 聚丙烯 刚 石蜡 氯乙烯 表面张力56 61 73 33 35 76 20 40 (N/m) 知聚丙烯表面张力σc=35×10-3?/s ，查填料形状系数表 表3.3 各类填料的形状系数 填料类型 球 棒 拉西环 弧鞍 开孔环 Ψ值 0.72 0.75 1 1.19 1.45 知Ψ=1.45， 273k，101.3kpa时氨气在空气中的扩散系数为1.98×10-3?/s， 14 由Gilliland公式， 3PTo2由，则293，101.3下，在空气中的扩散系数NHkpakDD,()()3oGPTo 3101.32932为?/s D,D()(),2.2x10,5G,101.3273 得DG=2.2×10-3?/s，查附录知氨气在液相中的扩散系数为1.77×10-9?/s，所以 2/3,1/21/3,,,,,,,,UgLLL,,,,,,k,0.0095液膜传质系数L,,,,,,aD,,,0.4WLLLL,,,,,,ψ 1/21/3,2/333,,,,,,1.3371.005，109.81，1.005，10,,,,,,k,0.0095,,L,3,9,,,,998.263.384，1.005，10998.2，1.77，10,,,,,, ,5,7.55x10kmol/?.S.kpa 气膜传质系数 1/30.7,,,,,aD,,V1.1,,GGtG,,k,0.237，, ,,G,,,,,,aDRT,,tGGG,,,, 1/30.7,5,7,,,,1.9171.81，10228，2.2，10,,,,,,k,0.237，，1.45*1.1,,G,,,,,5,58.314，293228，1.81，101.176，2.2，10,,,,,, ,5,4.8x10 kmol/(??s?kPa) 15 ,53ka,Ka,7.55x10x63.384,4.754x10-3kmol/(m?s?kPa) LLw ,5,33ka,ka,4.8，10，63.384,3.04，10kmol/(m?s?kPa) GGw u1.4,,,a,[1，9.5,(,0.5)],aGGuF所以代入校正项得u2.2,,a,[1，2.6,(,0.5)],,aLLuF 1.43,,a,[1，9.5，(0.6,0.5)]，3.04x10,3,4.19x10,3kmol/(m,h,kpa)G，下式2.2,,a,[1，9.5，(0.6,0.5)]，4.754x10,3,5.034x10,3kmol/(m3.h.kpa)L 代入 11111得 ,，,，,3,3KHkaaka4.19x100.725x10x5.034GGL ,33 ka,1.951x10kmol/(m,s,kPa)G ,33Ka=Kap ,1.951x10x101.3,0.198kmol/(m,s)YG V85.71/3600传质单元高度 H,,,0.313mOGKa,0.198/4x0.49,Y 所以填料层高度 Z,H,N,0.313x12.88,4.03m OGOG 取上下活动系数为1.5m Z’=1.5Z=1.5×4.03=6.05m,圆整后为7m，由推荐填料分段高度值表 ,,102.85，181.1760.50.5VL(),，(),0.027横坐标为: ,,2192，1.176998.2VL 16 下表为散装填料压降填料平均因子值 ,1已知: ,,176mP 22u,,,1.583，176，1.451.176V0.20.2P纵坐标为:，,,,,，，1.005,0.07688Lg,9.81998.2L ,P,686.7pa/m查通用压降关联图得， Z 填料层压降为: ,P,686.7，7pa,4.81kpa 17 ?填料塔的辅助构件的计算 (1)液体分布装置 注:对液体分布装置的选型与设计，一般要求:A、液体分布要均匀 B、自由截面率要大 C、操作弹性大 D、不易堵塞，不易引起雾沫夹带等现象 E、可用多种材料制作，且安装方便。 本设计任务液相负荷不大，可选用截锥式再分布器。 D=(0.6-0.8)D=0.65x0.7=0.455m 1 18 厚度s=4-6mm，选用5mm 111,, H,,D,x0.7,0.117m,,676,, (2)液体再分布装置 选用时与液体分布装置相同，D=700mm时，主管直径为50mm，支管排数为4个，支管外缘长度为660mm (3)填料支撑板 作用:用于支撑塔填料及其所持有的液体、气体的质量，同时起着气液流道及气体均布作用。要求:支撑板具有足够的强度，均匀的开口和大于填料孔隙率的自由截面分率。由于此塔塔径为700mm，且为气液逆流，可选用栅板型，分两块。 (4)填料压板与床层限制板 填料压板是由自身质量压住填料，但不致压坏填料，限制板的质量轻，需固定在塔壁上，一般要求压板或限制板自身截面分率大于70,.，当D=700mm时，可选用限制板的外径比塔径小10-15mm，即如688mm。 (5) 吸收塔的主要接管尺寸的计算 1、气体进料管 19 ms/ 由于常压下塔气体进出口管气速可取12,20，故若取气体进 ,2出口流速近似为16m/s，则由公式可求得气体进出口内径为qdu,V4 4V4，2192d,,,220mm 1,,u，3600，16 采用直管进料，由《化工原理》 第三版 上册 [谭天恩等主编 化学工业出版社]P269查得 选择Φ273mm×12mm热轧无缝钢管，则 μ‘=2192/3600×0.785×0.249*2=12.51m/s(在符合范围内) 气体进出口压降: 进口:dP1=ρμ*2/2= 92.02pa 出口:dP2=0.5×ρμ*2=46.01pa 2、液体进料管 由于常压下塔液体进出口管速可取0.5-3m/s故若取液体进出口 ,2qdu,流速近似为2.6m/s，则由公式可求得液体进出口内径为 V4 4V4，102.85d,,,16mm 3,,u，3600，2.6x998.2 采用直管进料，由《化工原理》第三版 上册 [谭天恩等主编 化学工业出版社]P368查得 选择Φ38mm×4mm热轧无缝钢管，则 μ'=102.85×18/0.785×3600×0.0009=0.73m/s (在符合范围内) ? 塔的结构设计 20 (1)筒体的设计 在压力不是太高 筒体有钢板卷焊而成和取自大口无缝钢管的两种 直径较大的一半用钢卷制 其内径必须符合公称直径的数值 并且均为整数。直径较小的筒体 为方便计算 可选用适当的无缝钢管 由于钢管内径会因不同厚度规格而变化故取外径为筒体的公称直径 本塔的公称直径为D=705*5mm。 所需塔内径 Di=0.7m 2×700/1000=1.4?3，故塔壁厚 d=3mm+2mm=5mm 3mm----塔壁必须保证的基本厚度 2mm----塔壁的腐蚀裕量。 塔外径 Do=(705+5)=710mm 故本设备塔外径为 705*5mm ?封头的设计 化工容器上常用的封头型式有半球形、椭圆形、五折边球形、锥形和平板盖。因本次设计中所涉及的塔顶压力不是太大 故可选择结构较为简单的平顶盖上封头。平板盖封头的几何形状包括圆形、椭圆形、长圆形及方形等几种。本次选用圆形。 平板封头的厚度计算是以薄板理论为基础。因塔顶上封口处设有气体出料管。塔底要承载液体 故选择椭圆形封头。 标准椭圆形封头的长短轴之比为2 型号及尺寸按JB1154-73《椭圆 21 形封头型式与尺寸》的规定 长轴即为筒体的直径 短轴即为长轴的一半。 塔底椭圆封头的部分尺寸如下 封头内径Di=698mm 封头外径Do=703mm 封头深度 h=200mm ?确定塔高 塔高=塔顶空间+安装进气管与填料距离+进气管与塔底液面距离+分布器间隙+填料层+塔底液面空间 塔顶空间一般取1.2-1.5m，这里取1.2m 安装进气管与填料距离=D=1.0m 22 进气管与塔底液面距离=0.3m 分布器间隙=(h-Z)(10-1)=(2x0.49-0.7)x9=2.52m 00 填料层=2x3.5=7m 4V4x2192s,,1.58m塔底空间= 23.14x0.49x3600,D 塔高=1.2+1.0+0.3+2.52+7+1.58=13.6m ?设计一览表 吸收塔类型 聚丙烯阶梯环吸收填料塔 混合气体处理量(m?/h) 2192 塔径D(m) 0.7 填料层高度Z(m) 7 气相总传质高度(m) 0.313 气相总传质单元数 12.88 塔高(m) 13.6 泛点气速(m/s) 2.63 操作压力(kpa) 101.3 操作温度(?) 20 填料直径(mm) 25 填料压力降(kpa) 4.81 孔隙率ε 0.90 填料比表面积(?/m?) 228 填料常数A 0.204 填料常数S 1.75 23 ?对本设计的评述 历时两个星期的化工原理课程设计结束了，在这个课程设计过程当中，我们综合地运用了我们所学习过的流体力学，吸收等方面的化工基础知识，设计了一款可应用于吸收氨的填料塔。在为期两周的课程设计当中我感触最深的便是实践联系理论的重要性，当遇到实际问题时，只要认真思考，用所学的知识，再一步步探索，是完全可以解决遇到的一般问题的。这次的课程设计内容包括工艺流程的设计，填料层结构的设计，数据的校验。目的主要是使我们对化学工艺原理有一定的感性和理性认识;对水吸收氨等方面的相关知识做进一步的理解;培养和锻炼我们的思维实践能力，使我们的理论知识与实践充分地结合，做到不仅具有专业知识，而且还具有较强的实践能力，能自主分析问题和解决问题。 通过这次对填料吸收塔的设计，培养了我们的能力，首先培养了我们查阅资料，选用公式和数据的能力，其次还可以从技术上的可行性与经济上的合理性两方面树立正确的设计思想，分析和解决工程实际问题的能力，最后熟练应用计算机绘图的能力以及用简洁文字，图表表达设计思想的能力。不仅让我将所学的知识应用到实际中，而且对知识也是一种巩固和提升充实。 24 主要符号说明 at——填料的总比表面积 ?/m? aW——填料的润湿比表面积 ?/m? d——填料直径 m D——塔径 m DL——液体扩散系数 ?/s Dv——气体扩散系数 ?/s g——重力加速度 9.81 m/s? h——填料层分段高度 m HOG——气相总传质单元高度 m kG——气膜吸收系数 kmol/(??s?kPa) kL——液膜吸收系数 m/s KG——气相总吸收系数 kmol/(??s?kPa) Lb——液体体积流量 m?/h LS——液体体积流量 m?/s LW——润湿速率 m?/(m?s) m——相平衡常数 无因次 NOG——气相总传质单元数 P——操作压力 Pa ?P——压力降 Pa u——空塔气速 m/s uF——泛点气速 m/s U——液体喷淋密度 m?/(m??h) UL——液体质量通量 kg/(m??h) Umin——最小液体喷淋密度 m?/(m??h) Uv——气体质量通量 kg/(??h) Vh——气体体积流量 m?/h 25 VS——气体体积流量 kg/s wL——液体质量流量 kg/s wV——气体质量流量 kg/s x——液相摩尔分数 X——液相摩尔比Z y——气相摩尔分数 Y——气相摩尔比 h——板式塔的有效高度 m Z——填料层高度 m。 希腊字母 ε——空隙率 无因次 μ——粘度 Pa?s ρ——密度 kg/m? σ——表面张力 N/m φ——开孔率或孔流系数 无因次 Φ——填料因子 l/m ψ——液体密度校正系数 无因次。 下标 max——最大的 min——最小的 L——液相的 26 V——气相的。 附 ?参考文献 1、化工原理课程设计, 天津大学化工原理教研室编 2、路秀林,王者相,塔设备[M]. 化学工业出版社 3、化工原理课程设计 化工传递与单元操作课程设计 贾绍义.柴诚敬主编. 天津大学出版社 2002 4、化工原理上、下册(第二版) 天津大学化工学院 柴诚敬 主编 高等教育出版社 2009 5、化工原理上册(第三版) 谭天恩 主编 化学工业出版社，2010 ?致谢 本次课程设计要特别感谢王要令老师的热心帮助和教导 同时感谢在设计过程中同学们的帮助和指点。 第一次自己完成一项大型的作业，水平有限，经验不足，设计中难免会有不足之处，请老师批评指正。 27 感谢您的阅读