化工原理課程設(shè)計(jì)

1、精品文檔一、設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)1、 設(shè)計(jì)題目：填料吸收塔的設(shè)計(jì)2、 設(shè)計(jì)任務(wù)：試設(shè)計(jì)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(jìn)行吸收3、 工藝參數(shù)與操作條件（1） 工藝參數(shù)表 113混合氣組成（ %）尾氣處理量（ Nm/h ）NH3H2N2CH4+Ar20208602012（2）操作條件常壓吸收： P0 =101.3kPa混合氣體進(jìn)塔溫度： 30吸收水進(jìn)塔溫度： 20。4、 設(shè)計(jì)項(xiàng)目：（1）流程的確定及其塔型選擇；（2）吸收劑用量的確定；（3）填料的類(lèi)型及規(guī)格的選定；（4）吸收塔的結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算及其流體力學(xué)驗(yàn)算，包括：塔徑、填料層高度及塔高的計(jì)算；噴淋密

2、度的校核、壓力降的計(jì)算等；（5）吸收塔附屬裝置選型：噴淋器、支承板、液體再分布器等；（6）附屬設(shè)備選型：泵、風(fēng)機(jī)附：1、 NH3 H2O系統(tǒng)填料塔吸收系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式：mnkGa=cGWLkL a=bWLP式中2kGa氣膜體積吸收系數(shù)，kmol/m .h.atm.精品文檔kL a液膜何種吸收系數(shù)，l/hG氣相空塔質(zhì)量流速，kg/m2 .hWL液相空塔流速， kg/m2.h表 12，查手冊(cè)（李功樣常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)華南理工大學(xué)出版社得）填料尺寸（ mm）cmnBP125006150 903901106525001390 7702003078 38.0003670 7203800270782、（氨氣

3、 水）二成分氣液平衡數(shù)據(jù)表 13溫度（）xNH3序號(hào)p (mmHg)（液相）（ NH3 液相摩爾分率）（ NH3 平衡分壓）122.320.0052.93224.640.016.97326.950.01512.09429.270.0218.39531.580.02526633.890.0335.1736.20.03545.86838.510.0458.5940.80.04573.211043.120.0590.29.精品文檔二、工藝流程示意圖（帶控制點(diǎn)）.精品文檔三、流程方案的確定及其填料選擇的論證1、 塔型的選擇：塔設(shè)備是能夠?qū)崿F(xiàn)蒸餾的吸收兩種分離操作的氣液傳質(zhì)設(shè)備，廣泛地應(yīng)用于化工、石油化

4、工、石油等工業(yè)中，其結(jié)構(gòu)形式基本上可以分為板式塔和填料塔兩大類(lèi)。在工業(yè)生產(chǎn)中，一般當(dāng)處理量較大時(shí)采用板式塔，而當(dāng)處理量小時(shí)多采用填料塔。填料塔不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且阻力小，便于用耐腐蝕材料制造，對(duì)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。根據(jù)本設(shè)計(jì)任務(wù)，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(shè)計(jì)中選取直徑為 600mm，該值較小，且 800mm 以下的填料塔對(duì)比板式塔，其造價(jià)便宜?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，因此本設(shè)計(jì)中選取填料塔。2、 填料塔的結(jié)構(gòu)填料塔的主要構(gòu)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(jìn)出口管

5、等。3、 操作方式的選擇對(duì)于單塔，氣體和液體接觸的吸收流程有逆流和并流兩種方式。在逆流操作下，兩相傳質(zhì)平均推動(dòng)力最大，可以減少設(shè)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(shè)計(jì)采用逆流。4、 吸收劑的選擇（1） 水對(duì)由 NH3 、H2 、N2 、CH4+Ar 組成的混合氣中的NH3 的溶解度很大，而對(duì)除 NH3外的其它組成基本上不吸收或吸收甚微；（2） 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。（3） 水具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，不易燃、不易爆，安全可靠；（4） 水無(wú)腐蝕性、無(wú)毒性、無(wú)環(huán)境污染；（5） 水價(jià)廉易得，十分經(jīng)濟(jì)。因此選

6、用水作為吸收劑。.精品文檔5、 填料的選擇鮑爾環(huán)的構(gòu)造是在拉西環(huán)的壁上開(kāi)兩排長(zhǎng)方形窗口，被切開(kāi)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(gòu)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(zhì)效果；其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，價(jià)格低廉，因此本設(shè)計(jì)采用塑料鮑爾環(huán)。四、工藝及填料塔計(jì)算1、 物料衡算（ 1） 近似取塔平均操作壓強(qiáng)為 101.3kPa，進(jìn)塔混合氣中各組分的量為混合氣量：混合氣中氨氣量：操作條件下總氣量：3m氨氣的體積流量：m3/hm3/h其余數(shù)據(jù)同理可得出，結(jié)果見(jiàn)表41：表 41流量進(jìn)塔氣量成分3kmol/hkg/hm/

7、hH21345.1954.11108.22N2448.4018.04505CH4+Ar269.0410.82173.15NH3179.357.21122.64總計(jì)2241.9890.18909.01（ 2） 混合氣進(jìn)出塔的摩爾組成為： y1=0.08 y 2 =0.0002，y1 為混合氣進(jìn)塔的摩爾組成； y2 為混合氣出塔的摩爾組成。（ 3） 混合氣進(jìn)出塔的摩爾比組成.精品文檔Y1=y1/(1-y 1 )=8.696%, 即進(jìn)塔時(shí)的摩爾比；Y2=y2/(1-y2 )=0.02%, 即出塔時(shí)的摩爾比。（ 4） 出塔混合氣量可求得氨氣回收率 =G(Y Y )/(GY)=1-Y /Y=99.77%

8、1-2122則可得 NH3出塔時(shí)的體積流量： 179.35 (1-99.77%)=0.4125m 3/h混合氣中氨氣量： 7.21 (1-99.77%)=0.0166kmol/h=0.0166 17=0.2821kg/h 而其余氣體即視為惰性氣體，溶解度很小，可忽略不計(jì)，即和進(jìn)塔時(shí)的氣量一樣，結(jié)果見(jiàn)表4 2：表 42流量出塔氣量成分3kmol/hkg/hm/hH1345.1954.11108.222N2448.4018.04505CH4+Ar269.0410.82173.15NH3041250 016602821總計(jì)2063 048299786 652、 熱量衡算與氣液平衡曲線表 43各液相濃

9、度下的吸收液溫度及相平衡數(shù)據(jù)NH平衡X3序號(hào) t/（）X分壓mE/kPaHyY*( 摩爾分率 )P/(kPa)122.320.0050.0050250390.77780.710.0040.003871224.640.010.0101010930.92930.600.0090.009258326.950.0150.0152281611.06107.30.520.0160.016169429.270.020.0204082451.21122.50.450.0240.024804531.580.0250.0256413461.37138.40.400.0340.035431633.890.030.0

10、309284671.54155.70.360.0460.048433736.20.0350.0362696101.72174.30.320.0600.064234838.510.040.0416677781.92194.50.290.0770.083415940.80.0450.047129742.14216.40.260.0960.1066261043.120.050.05263212012.37240.20.230.1190.134857注：（1） NH3 平衡分壓 P/ （ kPa）由 pNH3(mmHg) 0.133可得；.精品文檔（2） y= p NH3/p 0，Y* =y/(1-y

11、)可得， P0=101.3kPa 為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；（3） 吸收劑為清水， X2=0。查相關(guān)資料得知，氨氣溶于水的亨利系數(shù)E 可用右式計(jì)算： E=P/x由上式計(jì)算相應(yīng)的E 值，且 m=E/P，分別將相應(yīng)的 E 值及相平衡常數(shù)m的計(jì)算值列于表 4-3的第 6、7 列。由 Y*=y/(1-y)=P/(P0 -P) 關(guān)系求取對(duì)應(yīng) m及 X的 Y*，結(jié)果列于表 4-3第 9列。 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：6432Y=410 X -69575X +27895X+639.3X-0.033*由圖 2-1 可查得，當(dāng) Y1=0.08696 時(shí)，

12、 X1 =0.042944。最小吸收劑用量Lmin=G(Y1-Y 2)/( X1* -X2)=取安全系數(shù) 1.8, 則有安全用水量 L=1.8 Lmin=167.62 1.8=5430.96kg/h 根據(jù) X-t 數(shù)據(jù)，用 Excel 作圖得圖 2-2 ， X-t 圖如下：圖 2-2 X-t圖.精品文檔 根據(jù) x-P 數(shù)據(jù)，用 Excel 作圖得圖 2-3 ， x-P 圖如下：圖 2-3 x-P 根據(jù) X-H 數(shù)據(jù)，用 Excel 作圖得圖 2-4 ， X-H 圖如下：圖 2-4 X-H.精品文檔3、 塔吸收液濃度 X1物料衡算式： G（ Y1 -Y2）=L（X1-X2）所以 X 1=G（ Y

13、1-Y2） /L+X24、 操作線方程逆流吸收塔的操作線方程式為：Y=（Y2X2）將已知參數(shù)代入得將以上操作線繪于圖2-1 中，為 BT直線。5、 塔徑的計(jì)算因塔底氣液負(fù)荷大，故按塔底條件計(jì)算：塔底混合氣體溫度30，X1 =0.02386，由圖 2-3 X-t圖查得塔底吸收30.70 , 設(shè)計(jì)壓力取為塔的操作壓力 101.3kPa 。塔徑的計(jì)算公式為：， u=（0.50.85）uf圖 5-1 通用關(guān)聯(lián)圖，出自手冊(cè)（李功樣常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)華南理工大學(xué)出版社）.精品文檔圖 5-1 通用關(guān)聯(lián)圖（1）采用埃克特通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算泛點(diǎn)氣速u(mài)f1)有關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算塔底混合氣體質(zhì)量流量WG=909.01kg/h

14、吸收液的質(zhì)量流量WL=5430.96+122.64- 0.2821)=5553.32kg/h進(jìn)塔混合氣體密度混合氣體的分子量Gm3由手冊(cè)（李功樣常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)華南理工大學(xué)出版社）可查得吸收液（水）的密度為995.7kg/m 3；吸收液粘度為L(zhǎng)。經(jīng)比較，選 D=38mm 的塑料鮑爾環(huán)（米）。查表可得，其填料因子 F=184m-1，比表面積 at=155m2/m 3。2)關(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)值.精品文檔3)由關(guān)聯(lián)圖查得縱坐標(biāo)值為0.133故泛點(diǎn)氣速 uF=4.273m/s（2）操作氣速u(mài)=0.5uF=2.5638（3）塔徑則取塔徑為 0.6m 即為 D=600mm，那么D/d=600/50=12

15、10，滿足鮑爾環(huán)的要求。（4）核算氣速（5）核算噴淋密度的環(huán)形填料最小潤(rùn)濕率為0.08m3/(m 2.h)，最小噴淋密度：由于故滿足要求。6、填料層高度的計(jì)算由圖 1 可見(jiàn)，平衡曲線的彎曲程度不大，本設(shè)計(jì)采用傳質(zhì)單元數(shù)法分兩段計(jì)算吸收塔的填料層高度：.精品文檔（1）傳質(zhì)單元高度 HOG 的計(jì)算由表 1-2 查得相關(guān)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(yàn)公式可得平衡線的斜率為惰性量 V=82.97 kmol/h ，D=0.6m（2）傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算在圖 2-1 把 Y軸上分成 50 等分，編號(hào)如表 6-1。表 6-1序號(hào)YYiY-Yif=1

16、/(Y-Yi)00.000200.0002500010.0017390.0003880.001352739.809120.0034780.000850.002628380.459630.0052180.0012250.003993250.463440.0069570.0019730.004984200.6350.0086960.0024980.006199161.329460.0104350.0030.007435134.4954.精品文檔70.0121740.0034880.008687115.115980.0139140.0042280.009686103.240790.0156530.0

17、047430.0109191.65651100.0173920.0054630.0119383.82581110.0191310.0061380.01299476.96037120.020870.0068030.01406871.08381130.022610.0074830.01512766.10652140.0243490.0081130.01623661.59039150.0260880.0087830.01730657.7851160.0278270.0097790.01804955.40565170.0295660.0107010.01886553.00822180.0313060.

18、0112350.02007149.82338190.0330450.0118540.02119147.18918200.0347840.0128620.02192345.61524210.0365230.0139010.02262344.20339220.0382620.0147740.02348942.5733230.0400020.0156930.02430841.13838240.0417410.0167030.02503839.93881250.043480.0177110.0257738.80556260.0452190.0188390.0263837.90736270.046958

19、0.01980.02715936.82034280.0486980.0209210.02777736.00088290.0504370.0219020.02853535.0448300.0521760.0228990.02927834.15592310.0539150.0240050.0299133.43341320.0556540.0250.03065532.62121330.0573940.0260320.03136231.88562340.0591330.0271010.03203231.21849350.0608720.0281470.03272630.55721360.0626110

20、.0292320.0333829.95851370.064350.0304310.03391929.48165380.066090.0315680.03452228.96695390.0678290.0327110.03511828.47518400.0695680.0338720.03569728.01395410.0713070.0349760.03633227.52417420.0730460.0360090.03703826.99937430.0747860.0372140.03757226.61549440.0765250.0387110.03781426.44502450.0782

21、640.0403040.03796126.34317460.0800030.041690.03831426.10032470.0817420.043010.03873225.81818480.0834820.0443660.03911625.56525490.0852210.0459990.03922225.49603.精品文檔500.086960.0476340.03932725.42815等分后按每個(gè)點(diǎn)作平行于 X 軸的直線與操作線相交，由該交點(diǎn)作平行于 Y 軸的直線與平衡曲線相交，再由該交點(diǎn)作 X 軸的平等線交 Y 軸于 YI 點(diǎn)，得到的數(shù)據(jù)填到表 6-1 的第 3 列。根據(jù) Y-1/(

22、Y-Yi)數(shù)據(jù)，用 Excel 作圖得圖 6-1 ，Y-1/(Y-Yi)圖如下：圖 6-1其擬合曲線方程為：積分得積分的面積如圖6-2 ，圖 6-2.精品文檔則可得7、填料層壓降的計(jì)算當(dāng)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(shí)，查圖 5-1 得縱坐標(biāo)值為橫坐標(biāo)為 0.133, 縱坐標(biāo)為 0.0143 ，在關(guān)聯(lián)圖 5-1 查得每米填料層壓降：全塔填料層壓降：.精品文檔五、吸收塔附屬裝置及設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型1、噴淋器多孔直管式噴淋器多用于800mm以下的塔，所以本設(shè)計(jì)選用多孔直管式噴淋裝置。2、支承板選用柵板式支承板，查手冊(cè)（李功樣

23、常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)，華南理工出版社） P115 表 3-11 得公稱直徑填料環(huán)直徑柵板尺寸DL1RLh sn tlL 2600505802892905794065 45225183、液體再分布器選用截錐式再分布器，截錐上方加裝支承板，截錐下方個(gè)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 6004、法蘭查手冊(cè)（李功樣常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì) ，華南理工出版社） P245附表 2（A）甲型平焊法蘭尺寸如下公稱直徑法蘭 /mm螺柱DD1D2D3D4d規(guī)格數(shù)量6007156806506406373218M 1624查手冊(cè)（李功樣常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì) ，華南理工出版社） P256 附表

24、 5 板式平焊鋼制管法蘭查得公稱管子直徑連接尺寸法法蘭內(nèi)徑坡重量直徑蘭口kgABDKLn Tb厚AB寬度度4048.345130100144M 121649.546-1.38200219.1219320280188M 1622221.5222-6.85.精品文檔5 、手孔（ JB589-79-1 ）由常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)P274 附表 19 平蓋平焊法蘭手孔尺寸表查得公稱密封面型壓力公稱直H1H2bb1b2式Pgkg/dwSDD1徑 Dg2cmA1015015 4.5 280 240 160 82 24 16 18螺栓螺母螺栓直徑質(zhì)量 kg材料類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)圖號(hào)別數(shù)量長(zhǎng)度8M20JB589-79-

25、118.8656、封頭塔徑 D=600mm，查常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)P239附表（ A）得，封頭尺寸 h1=150mm h0=40mm F=0.466 V=0.04 P=10mm G=38kg7、支座塔徑 D=600mm，由常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)P269 附表 13，支座尺寸為適用容高底板筋板墊板螺質(zhì)器公稱度栓量直徑 DHl1b1 s1l 2b2 l3b1 e螺B紋型3006001251251006 30160805 160 1256 20M 202.58、氣液配管管徑的計(jì)算及選擇（1） 液體進(jìn)出口管管徑的確定取液速 u=1.2m/s.精品文檔故可取管徑 45mm由化工原理（王志魁編 化學(xué)

26、工業(yè)出版） P381 熱軋無(wú)縫鋼管，可選取管徑 45 6由，在之間，則設(shè)計(jì)結(jié)果合理。（2） 氣體進(jìn)出口管管徑的確定取氣速 u=19m/s由化工原理（王志魁編 化學(xué)工業(yè)出版） P381熱軋無(wú)縫鋼管，可選取管徑 219 6由在之間，所以設(shè)計(jì)結(jié)果合理。9、泵.精品文檔10、風(fēng)機(jī)六、設(shè)計(jì)結(jié)果概要課程設(shè)計(jì)名稱水吸收 NH3過(guò)程填料吸收塔設(shè)計(jì)操作條件操作溫度 30.70操作壓力：常壓物性數(shù)據(jù)液相氣相液體密度995.7kg/m 3混合氣體平均摩爾10.08kg/mol質(zhì)量液體粘度混合氣體0.4054kg/m 30.7890mPa.s的平均密度重力加速度9.81N/kgYY物料衡算數(shù)據(jù)LXX進(jìn)塔氣相 出塔氣相1212流量流量0.086930.00020.02386090.1882.995430.96kg/hkmol/ hkmol/ h工藝數(shù)據(jù)塔徑塔高 填料類(lèi)型及規(guī)格 氣相總傳 氣相總傳 填料層高 填料層壓降mm質(zhì)單元數(shù) 質(zhì)單元高度度0.6m9754塑料鮑爾環(huán)7.72550.5620m5.4272m585.66pa38*38*1填料塔附件除沫器支承板液體噴淋液體分布法蘭液體再分布器器絲網(wǎng)式柵板式多孔直管式二級(jí)槽式 甲型平焊，板式