化工課程設計--填料吸收塔的設計

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&