化工原理 課程設(shè)計(jì)

1、安徽大學(xué)江淮學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：合成氨原料氣中吸收塔的設(shè)計(jì)系院名稱 生 化 系 姓 名 （學(xué) 號） 吳 雪 鋒 JP114017 專 業(yè) （班 級） 化學(xué)工程與工藝專業(yè)11級 指 導(dǎo) 教 師 鄭爭志 設(shè) 計(jì) 時(shí) 間 2012年5月22日 - 6月8日 化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書設(shè)計(jì)題目：碳酸丙烯酯（PC）脫除合成氨原料氣中CO2填料塔的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件：1.合成氨原料進(jìn)氣量 8000 Nm3/h。2.原料氣組成（摩爾分率）CO2 H2 CO N2 CH4 0.034 0.4959 0.02175 0.1566 0.021753.出塔凈化氣中：CO2 0.5% （摩爾分率）4.操作溫

2、度 35 5.最小液氣比系數(shù)：1.45 6.操作壓力 1.7MPa設(shè)計(jì)成果：1. 設(shè)計(jì)說明書一份2. 帶控制點(diǎn)的工藝流程圖 （2#圖紙）一張；填料吸收塔的裝配圖 （1#圖紙）一張。目 錄 一 概述 1.1引言.1 1.2設(shè)計(jì)依據(jù).2 1.3技術(shù)來源.2 1.4設(shè)計(jì)任務(wù)及要求.3二 計(jì)算過程2.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算.3 2.1.1吸收塔的物料衡算.4 2.1.2吸收劑組成和吸收劑用量.4 2.1.3操作線方程.5 2.1.4塔徑的計(jì)算.5 2.1.5填料塔噴淋密度的校核.72.2填料層高度的計(jì)算.7 2.2.1傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算.7 2.2.2傳質(zhì)單元高度的計(jì)算.8 2.2.3填料層高度及塔高的計(jì)算.1

3、22.3填料塔強(qiáng)度設(shè)計(jì).12 2.3.1筒體材料選擇.12 2.3.2壁厚計(jì)算.13 2.3.3 強(qiáng)度校核.142.4吸收塔附件的選型.14 2.4.1填料支承裝置.14 2.4.2液體噴淋裝置.14 2.4.3液體再分布裝置.15 2.4.4塔頂除霧沫器.15 2.4.5填料壓板和床層限制板. .15 2.4.6管口、儀表接口、裙座及手孔.16 2.4.7 塔的頂部空間高度. 162.5輸料管的選型、管徑計(jì)算及離心泵的選型.162.6設(shè)計(jì)概要表.18三 附錄. .19四 符號說明.五 參考文獻(xiàn).一、概述1.1 引言合成氨原料氣中CO2的脫除工藝發(fā)展及現(xiàn)狀氣體凈化是工業(yè)上重要的過程之一。隨著各

4、工業(yè)過程的要求不同，有的需要對原料氣體進(jìn)行凈化處理，有的需要對生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的氣體進(jìn)行凈化，有的需要對尾氣進(jìn)行凈化等。在合成氨生產(chǎn)中，由于制氣原料主要碳和含碳化合物，經(jīng)制氣和一氧化碳變換后，變換氣中除含有對氨合成有用的氫氣等，同時(shí)還含有二氧化碳、一氧化碳、甲烷、硫化氫等對氨合成有害的雜質(zhì)組分。在這些雜質(zhì)組分中又以二氧化碳的含量最高。如在生產(chǎn)過程中，不及時(shí)將二氧化碳從變換氣中除去，將會使后續(xù)工序無法正常進(jìn)行。脫除原料氣中大量二氧化碳的方法主要分為三大類：化學(xué)吸收法、物理化學(xué)法和物理吸收法。本次設(shè)計(jì)中主要運(yùn)用物理吸收法。則以下主要介紹物理吸收法。物理吸收法是指吸收劑并不與二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的一類

5、脫碳方法。它是基于不同壓力下的二氧化碳在吸收劑中有不同的平衡溶解度這種性質(zhì)而發(fā)展起來的。這類方法中的吸收劑大多為有機(jī)溶劑，它們普遍具有溶解二氧化碳量大的特點(diǎn)，尤其是在加壓時(shí)。此外吸收劑的再生大多不必加熱，僅通過簡單的降壓或常溫氣提（惰性氣體吹洗）。 碳酸丙烯酯脫除CO2到五十年代才有較系統(tǒng)的報(bào)導(dǎo), 它具有許多有趣的性質(zhì), 而且原料易得, 目前已廣泛應(yīng)用在石油化學(xué)工業(yè)中。六十年代開始, 有專利刊出, 把碳酸丙烯酯用在合成氨工業(yè)中的脫除原料氣中二氧化碳。從變換氣中脫出二氧化碳在合成氨工業(yè)中占有重要的位置, 過去我國較多采用水洗的方法, 由于二氧化碳在水中的溶解度很小, 大量循環(huán)水耗費(fèi)巨大的動力,

6、水洗法所耗電能約為200瓦/（噸氨）。若用乙醇胺的水溶液脫除, 溶液再生需耗熱, 在燃料緊張地區(qū)，也不可取。為此希望尋找一種有機(jī)溶劑, 既能溶解大量CO2, 而且可減壓再生, 減少燃?xì)庀摹＿^種觀點(diǎn)已成為許多工程技術(shù)工作者的共同愿望。六十年代以來, 新溶劑的選用已成為酸性氣體凈化的基本方向。在報(bào)導(dǎo)中選用的溶劑有碳酸丙烯酯（PC）、甘油三醋酸酯、甲氧基三甘醇醋酸酯、丁氧基二甘醇三酸酯等, 從合成的角度和物性的要求出發(fā), 又以PC較為優(yōu)越。在常壓下, CO2在PC中的溶解度是其在水中的四倍, 隨著壓力的增加, CO2在PC中的溶解度增加尤為明顯。目前不但已進(jìn)行了較多的PC一CO2體系的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)研究

7、, 而且到1975年為止，國外已有十個(gè)工廠用PC來脫除CO2，其中有七小工廠是處理天然氣的， 二個(gè)廠是生產(chǎn)氫， 一個(gè)廠是合成氨原料氣的凈化。碳酸丙烯酯為環(huán)狀有機(jī)碳酸酯類化合物，在常溫下為略帶芳香味的液體，純凈時(shí)無色透明，分子式為C4H6O3，相對分子質(zhì)量為102.09/kmol，密度略大與水。它對二氧化碳、硫化氫及一些有機(jī)硫具有較大的溶解能力，而對氫氣、氮?dú)狻⒁谎趸?、甲烷、氧氣等的溶解度要小得多。如以氫氣在碳酸丙烯酯中的溶解度為基?zhǔn)，則同樣溫度與壓力下二氧化碳的溶解度為氫氣的130倍左右，硫化氫為氫氣的420倍左右。由于不同氣體在同一溶劑中溶解度差別很懸殊，這就為該溶劑用于氣體混合物的分離奠

8、定了理論基礎(chǔ)。碳酸丙烯酯的穩(wěn)定性較好，在工業(yè)上連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)十余年后仍不影響其吸收效率。溶劑在吸收了二氧化碳和硫化氫等酸性氣體后，對普通碳鋼的腐蝕性仍較低，因此在工業(yè)上可用普通碳鋼作為主要設(shè)備的材質(zhì)。用碳酸丙烯酯作為吸收劑來吸收合成氨原料氣中的二氧化碳的方法與其他脫碳方法相比，在凈化度相同的情況下，也以碳酸丙烯酯法的能耗和可比操作費(fèi)最低。1.2 設(shè)計(jì)依據(jù)合成氨原料氣中含有很多CO、CH4等有害氣體，特別是CO2含量最多，在進(jìn)入反應(yīng)爐前必須脫除。綜合吸收效果和經(jīng)濟(jì)效益，工業(yè)上通常用碳酸丙烯酯對吸收CO2，該過程在較低的溫度和較高的壓力下進(jìn)行，屬于物理過程。PC溶劑是循環(huán)使用的，需要對其進(jìn)行解吸操作，得

9、到再生PC和高濃度的CO2。此次設(shè)計(jì)任務(wù)主要是設(shè)計(jì)以碳酸丙烯酯（PC）脫除合成氨原料氣中CO2的填料塔的設(shè)計(jì),進(jìn)氣口的流量為8000 Nm3/h。其中，填料塔以金屬鮑爾環(huán)為填料；經(jīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化后的最優(yōu)氣液比為最小液汽比的1.45倍，計(jì)算在35和1.7MPa的操作條件下，用PC吸收固定流量原料氣中的CO時(shí)，所需的吸收劑流量、吸收塔工藝尺寸、以及對各零部件和所用填料的選擇，并且對主要工藝參數(shù)進(jìn)行校核。由此，作出工藝流程圖和裝配圖。1.3技術(shù)來源 PC脫除CO2的基本工藝流程簡介 本次課程設(shè)計(jì)的課題是碳酸丙烯酯（PC）脫除合成氨原料氣中CO2填料塔的設(shè)計(jì)，原料氣流量選定為8000Nm3/h,在操作壓力1

10、.7MPa下進(jìn)入吸收塔底部，與塔頂噴淋而下的PC溶劑逆流接觸，將CO2吸收。，其中CO2的含量為0.034（摩爾分率)，工藝流程中還包含了PC的再生等。為確保吸收CO2的吸收率以及出塔凈化氣體中CO20.5%（摩爾分率），應(yīng)采用氣-液逆流的吸收過程，在較低溫度和較高壓力下，選取適合的填料，使原料氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后從塔底進(jìn)入吸收塔，與從塔頂噴淋而下的PC溶劑逆流接觸，將CO2吸收。出塔凈化氣體經(jīng)分離器除掉的PC霧滴后入壓縮機(jī)，而吸收了的PC溶液（富液）經(jīng)減壓閥先進(jìn)行減壓，而后進(jìn)入閃蒸槽，將N2、H2及少量的解吸出來，經(jīng)氣液分離，再將此解吸氣體送至壓縮機(jī)進(jìn)行回收，閃蒸液體借助壓力進(jìn)入常壓解吸塔，主要

11、將大量解吸出來，獲得純度較高的。常壓解吸后，PC溶液中尚含有一定的，將PC液體借助液位差流到下部的氣提解吸塔，在此與從塔底鼓入的空氣逆流接觸，以將其中殘存的進(jìn)一步解吸出來，使PC液體得到較完全的再生，供吸收用。1.4 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1. 合成氨原料氣流量8000M³/h2. 合成氨原料氣組成 組分 CO2 H2 CO N2 CH4摩爾分率 0.304 0.49590.02175 0.15660.021753. 吸收劑 碳酸丙烯酯4. 主要吸收設(shè)備 填料塔5. 設(shè)計(jì)要求出塔原料氣中CO2摩爾分率為0.005 操作溫度：35 最小液氣比系數(shù)：1.45 操作壓力：1.7MPa二 計(jì)算過程2

12、.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算2.1.1吸收塔的物料衡算氣、液相流量 2.1.2 吸收劑組成和用量2.1.3 操作線方程2.1.4 塔徑計(jì)算組分 摩爾分率0.3040.49590.021750.15660.02175液相：PC: M=102.09kg/kmol密度公式： PC粘度公式：填料的相關(guān)參數(shù)(1）選取的填料為金屬鮑爾環(huán)（亂堆）(2）金屬鮑爾環(huán)的物性參數(shù)： 公稱直徑：50mm 外徑×高度×壁厚： 50×50×0.8mm； 比表面積：at = 109 m2/m3； 空隙率：= 0.96 m3/m3； 堆積密度：= 314 kg/m3； 個(gè)數(shù)：n = 6500 個(gè)

13、/m3;干填料因子：=123.2 m-1； 填料因子：=160 m-1； 常數(shù)：A = 0.1；K = 1.75； 填料的形狀系數(shù)（開孔環(huán)）： = 1.45；填料材質(zhì)的臨界表面張力： = 75 mN/m；t=35時(shí)， 查埃克脫通用關(guān)聯(lián)圖，在散裝填料泛點(diǎn)線對應(yīng)下的金屬鮑爾環(huán)填料安全系數(shù)：60%-85%取安全系數(shù)=0.69根據(jù)工業(yè)上常用的標(biāo)準(zhǔn)塔徑，塔徑圓整成1400mm2.1.5 填料塔噴淋密度的校核校核: 所選填料規(guī)格合格通常對直徑75mm的散裝填料，取最小速率0.08即最小噴淋密度為實(shí)際操作噴淋密度：操作空塔氣速：2.2 填料層高度的計(jì)算2.2.1 傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算傳質(zhì)單元數(shù)： 2.2.2 傳

14、質(zhì)單元高度的計(jì)算單元傳質(zhì)高度的計(jì)算主要涉及傳質(zhì)系數(shù)的求解，傳質(zhì)系數(shù)不僅與流體的物性、氣液兩相流率、填料的類型及特性有關(guān)、還與全塔的液體分布、塔高、塔徑有關(guān)，此次設(shè)計(jì)，選用恩田準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式計(jì)算。 液相傳質(zhì)系數(shù)：選擇的是金屬鮑爾環(huán)，其 氣相傳質(zhì)系數(shù)： CO2CO H2N2CH4 摩爾分率0.3040.021750.49590.15660.0217526.918.97.0717.924.22 m值0.9350.7580.7710.7560.8P=1.7Mpa T=308K代入數(shù)據(jù)2.2.3 填料層高度Z及塔高計(jì)算取安全系數(shù)0.6，裙座取3m，塔內(nèi)件（包括封頭、分布器）取3m2.3 填料塔強(qiáng)度設(shè)計(jì)2.3

15、.1 筒體材料選擇筒體有鋼板卷制焊成和取自大口徑無縫鋼管兩種，該設(shè)計(jì)中，屬于直徑較大筒體，一般由鋼板卷制，其內(nèi)徑必須符合公稱直徑的數(shù)值，且均為整數(shù)。由于PC吸收對鋼材的腐蝕不大，溫度在035，壓力為1.7Mpa（中壓）故選用16MnDR,其參數(shù)為：鋼號鋼板標(biāo)準(zhǔn)使用狀態(tài)厚度常溫強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)/Mpa /Mpa16MnDRGB 3531正火加回火6164903151812.3.2 壁厚計(jì)算內(nèi)壓容器：由于操作條件較為穩(wěn)定，則做大工作壓力，加之無安全卸放裝置，采用雙面對接焊，采用局部無損探傷，取計(jì)算厚度：2.3.3 強(qiáng)度校核校核水壓實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度：2.4 吸收塔附件的選型2.4.1 填料支承裝置填料支撐結(jié)構(gòu)是用于

16、支承塔內(nèi)填料及其所持有的氣體和液體的重量之裝置，其基本要求是：有足夠的強(qiáng)度以支承填料的重量；提供足夠的自由截面以使氣、液兩相流體順利通過，防止在此產(chǎn)生液泛；有利于液體的再分布；耐腐蝕，易制造，易裝卸等。 常用的填料支承板主要有柵板式和氣體噴射式等結(jié)構(gòu)，此次設(shè)計(jì)我們選用梁型氣體噴射式支承板。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：為氣體和液體提供了不同的通道，氣體易于進(jìn)入填料層，液體也可自由排出，避免了因液體積聚而發(fā)生液泛的可能性，并有利于液體的均勻再分配。另外，梁型支承板用于大塔可分塊制作或塔內(nèi)組裝。它可以提供超過90%的自由截面，保證氣體通量大，阻力小。2.4.2 液體噴淋裝置液體噴淋裝置的作用是為了能有效地分布液

17、體，提高填料表面的有效利用率。當(dāng)液體噴淋裝置設(shè)計(jì)不合理時(shí)，填料潤濕面積隨之減小，液體溝流和壁流現(xiàn)象增加，填料的處理能力和分離效率將大受影響。液體噴淋裝置的結(jié)構(gòu)形式很多，此次設(shè)計(jì)我們根據(jù)塔的類型和塔徑選擇溢流槽式分布器。其特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，液體通過時(shí)的阻力小，其分布比較均勻。2.4.3 液體再分布裝置 當(dāng)塔頂?shù)膰娏芤后w沿填料層下流時(shí)，存在向塔壁流動的趨勢（壁流效應(yīng)），使塔中心填料得不到良好的潤濕，減小了氣液接觸的有效面積。為了克服這種現(xiàn)象，提高塔的傳質(zhì)效果，當(dāng)填料層高度和塔徑之比超過一定數(shù)值時(shí)，填料層需分段裝填，并在各段填料層之間設(shè)液體再分布器，使液體重分布。此次設(shè)計(jì)，我們選用的是金屬鮑爾環(huán)填料

18、，故其分段高度取為3.933m，分為3段。本次設(shè)計(jì)選用梁型再分布器,它將沿塔壁流下的液體用再分配推導(dǎo)出至塔的中心。2.4.4 塔頂除霧沫器在塔內(nèi)操作氣速較大時(shí)，穿過填料層的氣體有時(shí)會夾帶液體和霧滴，這不但造成物料的流失，也使塔的效率降低，同時(shí)還可能造成環(huán)境污染，因此需要在塔頂氣體排出口前設(shè)置除霧沫器，以盡量除去氣體中夾帶的液體霧沫，從而減少液體的夾帶損失，確保氣體的純度，保證后續(xù)設(shè)備的正常操作。常用的塔頂除霧器有填料除霧器、旋流板式除霧器和絲網(wǎng)除霧器等。此次選用旋流板除霧器，它以旋流板為主要除霧結(jié)構(gòu)的一種除霧器，它適用于氣體凈化、氣-液分離和脫硫除塵等工作，氣流在穿過板葉片間隙時(shí)變成旋轉(zhuǎn)氣流，

19、其中的液滴在慣性作用下，以一定的仰角射出做螺旋運(yùn)動而被甩向外側(cè)，匯集流到溢流槽內(nèi)，達(dá)到除霧目的，除霧效率可達(dá)90%99% ，用最新復(fù)合材料制作，表面經(jīng)特殊處理，特光滑并有自潤性，在其表面上不容易積灰結(jié)垢。即使有些積灰也很容易沖洗干凈，減少除霧器沖洗頻率次數(shù)，減少沖洗水使用量，確保除霧器在低阻運(yùn)行，從而解決了葉片積灰結(jié)垢造成除霧器阻力增加、煙氣帶水等現(xiàn)象，同時(shí)造價(jià)低、安裝和維護(hù)方便。2.4.5 填料壓板和床層限制板當(dāng)塔內(nèi)汽液負(fù)荷較大或負(fù)荷波動較大時(shí)，塔內(nèi)填料將發(fā)生浮動或相互撞擊，破壞塔的正常操作甚至損壞填料。為此，在填料層頂部設(shè)床層限制板，以防止金屬鮑爾環(huán)填料層膨脹，改變其初始堆積狀態(tài)而造成的流

20、體分布不均勻現(xiàn)象。2.4.6 管口、儀表接口、裙座及手孔填料塔中的氣體裝置，需防止淋下的液體進(jìn)入管中，同時(shí)還要?dú)怏w分散均勻，因此，不宜使氣流直接由管接口沖入塔內(nèi)，對于D1.5m的塔，管末端可制成向下的喇叭形擴(kuò)大口儀表接口:采用DN25的帶法蘭接管，并附法蘭蓋（壓力表接口）；采用D40帶法蘭的接管，并附法蘭蓋（溫度計(jì)接口） 由化工容器設(shè)計(jì)采用圓筒形裙座。裙座體用Q235-A材料又因?yàn)槿棺w直徑超過800mm所以應(yīng)開設(shè)人孔。填料塔手孔直徑一般為150mm-250mm。標(biāo)準(zhǔn)手孔直徑有DN150和DN250兩種，當(dāng)設(shè)備直徑超過800mm時(shí)應(yīng)開設(shè)人孔，圓形人孔直徑為400-600mm手孔（ HG2152

21、5-95-HG21527-95）和人孔（HG21528-HG-21535-95）已制有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)設(shè)備的公稱壓力，工作溫度及選用材料等按標(biāo)準(zhǔn)選用，選用DN250DE 手孔、DN500DE 人孔。2.4.7 塔的頂部空間高度 塔的頂部空間高度指頂?shù)谝粚铀P到塔頂封頭的切線距離。為減少霧沫夾帶的液體量，一般取1.21.5m，本次設(shè)計(jì)取1.5m2.5. 輸料管的選型、管徑計(jì)算及離心泵的選型時(shí)，則按無縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)選擇： =273則a 管路總長度估計(jì)取, 則總長為850mb. 輸送吸收劑管路所需壓頭的估算列出由解吸塔貧液出口到吸收塔貧液入口兩截面的機(jī)械能衡算方程，求出H據(jù)初步的立面布置，取液柱 ，由操作

22、條件一般在湍流時(shí)取0.02-0.03，這里取=0.025則液柱則液柱c. 泵功率的計(jì)算取=0.65（泵的一般為50%-70%之間）則d 泵型號的選擇為防止吸收劑泄漏和爆炸，根據(jù) 液柱選DFLPH型屏蔽泵，型號為150-80（I），3臺，其中2臺正常使用，備用1臺e 吸收塔各接管口徑計(jì)算入塔氣體流量 出塔氣體流量入塔液體流量 出塔液體流量 變換氣入口管： 取50012.5 凈化器出口管： 取， 。 貧液入塔管： 取， 。 富液出塔管： 取， 。工藝內(nèi)容數(shù)據(jù)最小液氣比5.673液氣比8.226圓整塔徑1400mm亨利系數(shù)E9.756Mpa相平衡常數(shù)m5.739進(jìn)塔混合氣體的體積流量吸收液的質(zhì)量流量入塔混合氣的密度13.084Kg/m3u0.097m/s塔截面積1.5386m2CO2在PC中擴(kuò)散系數(shù)人孔尺寸500mm填料材質(zhì)金屬鮑爾環(huán)液體分布裝置溢流槽式布液器液體再分布器梁型再分布器填料支撐裝置梁型氣體噴射型支撐