化工課程設計--填料吸收塔的設計_第1頁
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文檔簡介

1、<p><b>  一、設計任務書</b></p><p>  設計題目:填料吸收塔的設計 </p><p>  設計任務:試設計一填料吸收塔,用于脫除合成氨尾氣中的氨氣,要求塔頂排放氣體中含氨低于200ppm,采用清水進行吸收</p><p><b>  工藝參數(shù)與操作條件</b></p><

2、;p><b>  工藝參數(shù)</b></p><p><b>  表1—1</b></p><p><b> ?。?)操作條件</b></p><p>  常壓吸收:P0=101.3kPa</p><p>  混合氣體進塔溫度:30℃ </p><p&g

3、t;  吸收水進塔溫度:20℃。 </p><p><b>  設計項目:</b></p><p>  流程的確定及其塔型選擇;</p><p><b>  吸收劑用量的確定;</b></p><p>  填料的類型及規(guī)格的選定;</p><p>  吸收塔的結構尺寸計算及其

4、流體力學驗算,包括:塔徑、填料層高度及塔高的計算;噴淋密度的校核、壓力降的計算等;</p><p>  吸收塔附屬裝置選型:噴淋器、支承板、液體再分布器等;</p><p>  附屬設備選型:泵、風機</p><p><b>  附:</b></p><p>  NH3 H2O系統(tǒng)填料塔吸收系數(shù)經(jīng)驗公式:</p&g

5、t;<p>  kGa=cGmWLn</p><p><b>  kLa=bWLP</b></p><p><b>  式中</b></p><p>  kGa——氣膜體積吸收系數(shù),kmol/m2.h.atm</p><p>  kLa——液膜何種吸收系數(shù),l/h</p>

6、<p>  G——氣相空塔質量流速,kg/m2.h</p><p>  WL——液相空塔流速,kg/m2.h</p><p>  表1—2,查手冊(李功樣《常用化工單元設備設計》華南理工大學出版社得)</p><p>  2、(氨氣—水)二成分氣液平衡數(shù)據(jù) </p><p><b>  表1—3</b>&l

7、t;/p><p>  二、工藝流程示意圖(帶控制點)</p><p>  三、流程方案的確定及其填料選擇的論證</p><p><b>  塔型的選擇:</b></p><p>  塔設備是能夠實現(xiàn)蒸餾的吸收兩種分離操作的氣液傳質設備,廣泛地應用于化工、石油化工、石油等工業(yè)中,其結構形式基本上可以分為板式塔和填料塔兩大類。在

8、工業(yè)生產(chǎn)中,一般當處理量較大時采用板式塔,而當處理量小時多采用填料塔。填料塔不僅結構簡單,而且阻力小,便于用耐腐蝕材料制造,對于直徑較小的塔,處理有腐蝕性的物料或要求壓降較小的真空蒸餾系統(tǒng),填料塔都具有明顯的優(yōu)越性。</p><p>  根據(jù)本設計任務,是用水吸收法除去合成氨生產(chǎn)尾氣的氨氣,氨氣溶于水生成了具有腐蝕性的氨水;本設計中選取直徑為600mm,該值較小,且Φ800mm以下的填料塔對比板式塔,其造價便宜。

9、基于上述優(yōu)點,因此本設計中選取填料塔。</p><p><b>  填料塔的結構</b></p><p>  填料塔的主要構件為:填料、液體分布器、填料支承板、液體再分器、氣體和液體進出口管等。</p><p><b>  操作方式的選擇</b></p><p>  對于單塔,氣體和液體接觸的吸收流

10、程有逆流和并流兩種方式。在逆流操作下,兩相傳質平均推動力最大,可以減少設備尺寸,提高吸收率和吸收劑使用效率,因此逆流優(yōu)于并流。因此,本設計采用逆流。</p><p><b>  吸收劑的選擇</b></p><p>  水對由 NH3 、H2 、N2 、CH4+Ar組成的混合氣中的NH3的溶解度很大,而對除NH3外的其它組成基本上不吸收或吸收甚微;</p>

11、<p>  在操作溫度下水的蒸氣壓小、粘度較低、不易發(fā)泡,可以減速少溶劑的損失,操作高效穩(wěn)定。</p><p>  水具有良好的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性,不易燃、不易爆,安全可靠;</p><p>  水無腐蝕性、無毒性、無環(huán)境污染;</p><p>  水價廉易得,十分經(jīng)濟。</p><p>  因此選用水作為吸收劑。</p

12、><p><b>  填料的選擇</b></p><p>  鮑爾環(huán)的構造是在拉西環(huán)的壁上開兩排長方形窗口,被切開的環(huán)壁形成葉片,一邊與壁相連,另一端向環(huán)內(nèi)彎曲,并在中心處與其他葉片相搭。鮑爾環(huán)的構造提高了環(huán)內(nèi)空間和環(huán)內(nèi)表面的有效利用率,使氣體阻力降低,液體分布有所改善,提高了傳質效果;其結構簡單,制造容易,價格低廉,因此本設計采用塑料鮑爾環(huán)。</p>&l

13、t;p>  四、工藝及填料塔計算</p><p><b>  物料衡算</b></p><p>  近似取塔平均操作壓強為101.3kPa,進塔混合氣中各組分的量為</p><p><b>  混合氣量: </b></p><p><b>  混合氣中氨氣量: </b>

14、;</p><p>  操作條件下總氣量: m3 </p><p>  氨氣的體積流量: m3/h m3/h</p><p>  其余數(shù)據(jù)同理可得出,結果見表4—1:</p><p>  表4—1 </p><p>  混合氣進出塔的摩爾組成為:y1=

15、0.08 y2=0.0002,y1為混合氣進塔的摩爾組成; y2為混合氣出塔的摩爾組成。</p><p>  混合氣進出塔的摩爾比組成</p><p>  Y1=y1/(1-y1)=8.696%,即進塔時的摩爾比;</p><p>  Y2=y2/(1-y2)=0.02%,即出塔時的摩爾比。</p><p><b>  出塔混合

16、氣量</b></p><p>  可求得氨氣回收率η=G(Y1-Y2)/(GY1)=1-Y2/Y2=99.77%</p><p>  則可得NH3出塔時的體積流量:179.35×(1-99.77%)=0.4125m3/h</p><p>  混合氣中氨氣量:7.21×(1-99.77%)=0.0166kmol/h=0.0166

17、15;17=0.2821kg/h</p><p>  而其余氣體即視為惰性氣體,溶解度很小,可忽略不計,即和進塔時的氣量一樣,結果見表4—2:</p><p><b>  表4—2</b></p><p>  熱量衡算與氣液平衡曲線</p><p>  表4—3 各液相濃度下的吸收液溫度及相平衡數(shù)據(jù)</p>

18、<p><b>  注:</b></p><p>  NH3平衡分壓P/(kPa)由pNH3(mmHg)×0.133可得;</p><p>  y= pNH3/p0,Y*=y/(1-y)可得,P0=101.3kPa為標準大氣壓;</p><p>  吸收劑為清水,X2=0。</p><p>  查

19、相關資料得知,氨氣溶于水的亨利系數(shù)E可用右式計算:E=P/x</p><p>  由上式計算相應的E值,且m=E/P,分別將相應的E值及相平衡常數(shù)m的計算值列于表4-3的第6、7列。由Y*=y/(1-y)=P/(P0-P)關系求取對應m及X的Y*,結果列于表4-3第9列。</p><p>  根據(jù)X- Y*數(shù)據(jù),用Excel作表擬合繪制平衡曲線OE如圖2-1,擬合曲線方程為: <

20、;/p><p>  Y=4×106X4-69575X3+27895X2+639.3X-0.033</p><p>  由圖2-1可查得,當Y1=0.08696時,X1*=0.042944。</p><p><b>  最小吸收劑用量</b></p><p>  Lmin=G(Y1-Y2)/( X1*-X2)= &l

21、t;/p><p>  取安全系數(shù)1.8,則有</p><p>  安全用水量L=1.8×Lmin=167.62×1.8= =5430.96kg/h</p><p>  根據(jù)X-t數(shù)據(jù),用Excel作圖得圖2-2,X-t圖如下:</p><p><b>  圖2-2 X-t圖</b></p>

22、<p>  根據(jù)x-P數(shù)據(jù),用Excel作圖得圖2-3,x-P圖如下:</p><p><b>  圖2-3 x-P</b></p><p>  根據(jù)X-H數(shù)據(jù),用Excel作圖得圖2-4,X-H圖如下:</p><p><b>  圖2-4 X-H</b></p><p><b&g

23、t;  塔吸收液濃度X1</b></p><p>  物料衡算式:G(Y1-Y2)=L(X1-X2)</p><p>  所以 X1=G(Y1-Y2)/L+X2 </p><p><b>  操作線方程</b></p><p>  逆流吸收塔的操作線方程式為:</p><p>  Y

24、= (Y2 X2)</p><p><b>  將已知參數(shù)代入得</b></p><p>  將以上操作線繪于圖2-1中,為BT直線。</p><p><b>  塔徑的計算</b></p><p>  因塔底氣液負荷大,故按塔底條件計算:塔底混合氣體溫度30℃,X1=0.02386,由圖2-3 X

25、-t圖查得塔底吸收30.70℃,設計壓力取為塔的操作壓力101.3kPa。</p><p>  塔徑的計算公式為: ,u=(0.5~0.85)uf</p><p>  圖5-1通用關聯(lián)圖,出自手冊(李功樣《常用化工單元設備設計》華南理工大學出版社)</p><p><b>  圖5-1通用關聯(lián)圖</b></p><p>

26、;  采用??颂赝ㄓ藐P聯(lián)圖計算泛點氣速uf</p><p><b>  有關數(shù)據(jù)計算</b></p><p>  塔底混合氣體質量流量</p><p>  WG=909.01kg/h</p><p><b>  吸收液的質量流量</b></p><p>  WL=5430.9

27、6+122.64- 0.2821)=5553.32kg/h</p><p><b>  進塔混合氣體密度</b></p><p><b>  混合氣體的分子量 </b></p><p><b>  ρG m3</b></p><p>  由手冊(李功樣《常用化工單元設備設計》華

28、南理工大學出版社)可查得吸收液(水)的密度為995.7kg/m3;吸收液粘度為µL=0.7890mPa.m。</p><p>  經(jīng)比較,選D=38mm的塑料鮑爾環(huán)(米)。查表可得,其填料因子фF=184m-1,比表面積at=155m2/m3。</p><p><b>  關聯(lián)圖的橫坐標值</b></p><p>  由關聯(lián)圖查得縱坐

29、標值為0.133</p><p>  故泛點氣速uF=4.273m/s</p><p><b>  操作氣速</b></p><p>  u=0.5uF=2.5638</p><p><b>  塔徑</b></p><p>  則取塔徑為0.6m即為D=600mm,那么&l

30、t;/p><p>  D/d=600/50=12>10,滿足鮑爾環(huán)的要求。</p><p><b>  核算氣速</b></p><p><b>  核算噴淋密度</b></p><p>  的環(huán)形填料最小潤濕率為0.08m3/(m2.h),最小噴淋密度:</p><p><

31、;b>  由于 </b></p><p><b>  故滿足要求。</b></p><p>  6、填料層高度的計算</p><p>  由圖1可見,平衡曲線的彎曲程度不大,本設計采用傳質單元數(shù)法分兩段計算吸收塔的填料層高度:</p><p>  傳質單元高度HOG的計算</p><

32、p>  由表1-2查得相關參數(shù)數(shù)據(jù),c=0.0367、m=0.72、n=0.38、b=0.027、P=0.78,由經(jīng)驗公式可得</p><p><b>  ∴平衡線的斜率為 </b></p><p>  惰性量V=82.97 kmol/h,D=0.6m</p><p><b>  ∴ </b></p>

33、<p><b>  傳質單元數(shù) 的計算</b></p><p>  在圖2-1把Y軸上 分成50等分,編號如表6-1。</p><p><b>  表6-1</b></p><p>  等分后按每個點作平行于X軸的直線與操作線相交,由該交點作平行于Y軸的直線與平衡曲線相交,再由該交點作X軸的平等線交Y軸于YI點,

34、得到的數(shù)據(jù)填到表6-1的第3列。</p><p>  根據(jù)Y-1/(Y-Yi)數(shù)據(jù),用Excel作圖得圖6-1,Y-1/(Y-Yi)圖如下:</p><p><b>  圖6-1</b></p><p>  其擬合曲線方程為: </p><p><b>  積分得 </b></p>&

35、lt;p>  積分的面積如圖6-2,</p><p><b>  圖6-2</b></p><p><b>  則可得 </b></p><p>  7、填料層壓降的計算</p><p>  當操作氣速為u=2.204m/s,Dg38mm塑料鮑爾環(huán)填料的壓降填料因子 , =1時,查圖5-1得縱

36、坐標值為</p><p>  橫坐標為0.133,縱坐標為0.0143,在關聯(lián)圖5-1查得每米填料層壓降:</p><p><b>  ∴全塔填料層壓降:</b></p><p>  五、吸收塔附屬裝置及設備的設計與選型</p><p><b>  1、噴淋器</b></p><

37、p>  多孔直管式噴淋器多用于800mm以下的塔,所以本設計選用多孔直管式噴淋裝置。</p><p><b>  2、支承板</b></p><p>  選用柵板式支承板,查手冊(李功樣《常用化工單元設備設計》,華南理工出版社)P115表3-11得</p><p><b>  3、液體再分布器</b></p&g

38、t;<p>  選用截錐式再分布器,截錐上方加裝支承板,截錐下方個一段距離再裝填料,截錐與塔壁取45°角,截錐下口直徑為0.75×600</p><p><b>  4、法蘭</b></p><p>  查手冊(李功樣《常用化工單元設備設計》,華南理工出版社)P245附表2(A)甲型平焊法蘭尺寸如下</p><p&

39、gt;  查手冊(李功樣《常用化工單元設備設計》,華南理工出版社)P256附表5板式平焊鋼制管法蘭查得</p><p>  5、手孔(JB589-79-1)</p><p>  由《常用化工單元設備設計》手冊P274附表19平蓋平焊法蘭手孔尺寸表查得</p><p><b>  6、封頭</b></p><p>  塔徑

40、D=600mm,查《常用化工單元設備設計》手冊P239附表(A)得,封頭尺寸h1=150mm h0=40mm F=0.466 V=0.04 δP=10mm G=38kg</p><p><b>  7、支座</b></p><p>  塔徑D=600mm,由《常用化工單元設備設計》手冊P269附表13,支座尺寸為</p><p> 

41、 8、氣液配管管徑的計算及選擇</p><p>  液體進出口管管徑的確定</p><p>  取液速u=1.2m/s</p><p>  故可取管徑45mm</p><p>  由《化工原理》(王志魁編 化學工業(yè)出版)P381熱軋無縫鋼管,可選取管徑φ45×6</p><p>  由 ,在 之間,則設計

42、結果合理。</p><p>  氣體進出口管管徑的確定</p><p>  取氣速u=19m/s </p><p>  由《化工原理》(王志魁編 化學工業(yè)出版)P381熱軋無縫鋼管,可選取管徑φ219×6</p><p>  由 在 之間,所以設計結果合理。</p><p><b>  9、泵<

43、;/b></p><p><b>  10、風機</b></p><p><b>  六、設計結果概要</b></p><p>  七、相關問題討論及總結致謝</p><p>  這是大學以來第一次做課程設計,也是人生以來的第一次,我很慶幸遇到李老師,你的嚴格要求和熱心指導,這從一定程度影響我

44、對課程設計的態(tài)度,也使我在對什么陌生的情況下慢慢學會如何做課程設計,當然此次課程可能存在漏洞和不足。</p><p>  由上周一即11月23號到周五幾乎整個星期都在做課程設計理論計算部分,我們根據(jù)老師給的任務書要求,確定流程方案、填料和工藝計算,雖然老師已經(jīng)在跟我們講解了,但是計算過程中還是存在很多不明白的地方,從所給的資料中很多沒給公式直接計算,讓人摸不著門路,于是就很常做了做停下來去問老師問同學,不過計算過

45、程還是碰了不少壁。不過最終還是趕上進度,順利完成第一周的任務。</p><p>  第二周開始又開始早出晚歸的日子,我按照老師的建議選擇手繪填料塔裝配圖,前兩天的努力基本把圖畫好,只剩標注和寫說明書,我以為都很簡單,于是第三天就休息了一整天,什么也沒干成。第四天也就是昨天我才開始標注和寫說明書,我選擇的是用電腦寫說明書,可是我高估了自己的打字能力和排版能力,特別是公式的編寫占據(jù)了我大部分時間。除了吃飯的時間外,我

46、從10:00左右開始全力寫說明書直至昨晚凌晨3:30還沒寫完。不過這從一定程度使我對文字綜合整理能力,特別是對Word有了更深入的了解,和對以后的課程設計有了經(jīng)驗,須合理安排時間。</p><p>  兩周下來的課程設計到今天基本結束,我心情既是輕松愉快又是不舍,我覺得這是在書本找不到的充實感,實操讓人在短時間學會更多的東西和把知識掌握得更牢固更深刻,加強了我的統(tǒng)籌全局的能力和在細節(jié)的把握和處理能力,也有利用我們

47、的思維能力的鍛煉,綜合能力都能提高,總之受益匪淺。</p><p>  此次課程設計讓我最大的收獲就是發(fā)現(xiàn)自己真的還有很多不懂,我必定虛心學習,在以后的學習中完善自己的知識體系和提高自己的知識運用能力。最后,非常感謝李老師兩周以來的悉心指導和嚴格要求!希望下次再有機會跟老師學習!</p><p><b>  八、參考文獻資料</b></p><p&

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