毕业设计（论文）-水吸收氨填料塔设计.doc

水吸收氨填料塔设计黄 河 水 利 职 业 技 术 学 院毕业论文（设计）报告题目：水吸收氨填料塔设计 学 生： 指导教师： 专 业： 电厂化学 0801 论文完成时间： 2011 年 5 月 20 日黄河水利职业技术学院学生毕业设计指导教师意见设计课题：水吸收氨填料塔设计指导教师意见：是否同意参加答辩：同意（） 不同意（）指导教师签名： ）目次摘要.1前言.2第1章 绪论21.1 大气中氨的存在形式和由来. 21.2 氨的危害和防护. 21.3 水对氨的吸收 21.4氨的性质及用途 31.5 氨的发展前景 3第2章 设计任务和条件并确定设计方案 .42.1 设计任务和条件.42.2 确定设计方.4 2.2.1 吸收剂的选用.42.2.2 氨的吸收流程.42.2.3 吸收塔设备及塔填料选择 .5第3章 填料塔的计算53.1 物料衡算 .53.2 填料塔塔径计算 .73.3 填料层计算 .8 3.3.1 传质单元数的计算 8 3.3.2 传质单元高度的计算.83.4 填料各段高度计算 .93.5 塔底压强的计算 .93.6 吸收塔的压力 .11第4章 填料塔附属设备的确定 .124.1 封头 .124.2 支承板 .124.3 液体分布器.134.4液体再分布器144.5支座 .144.6除沫装置.14第5章 填料塔高度的计算 155.1 封头的计算 .155.2 再分布器空间高度计算 .155.3 填料总高度 .16第6章 再生塔的设计.166.1 再生气提气用量 .166.2 气提塔的工艺设计 .17第7章 换热器 .177.1 换热器的分类 .177.2 热量衡 187.3 换热器的选用 207.3.1 塔底换热器的选用.207.3.2 塔顶换热器的选用 .20符号说明. 21参考文献.23感谢信 24附图一.25III摘要：随着工业的发展，空气中的氨气排放量逐渐上升，对大气带来危害，氨又是化工生产中重要的生产原料，从资源角度来考虑我们必须将大气中的氨分离出来加以利用 。 在这个年处理量为690万立方米空气、和氨气混合气填料吸收装置的设计中，我们是利用填料吸收装置来吸收空气和氨气的混合气体，对空气中的氨气加以利用。 我们采用填料吸收塔进行吸收操作是因为填料吸收塔可以提供巨大的气夜传质面积，而且填料表面具有良好的状况，从而使吸收过程利于进行而且填料塔还具有结构简单、压降低填料易用耐腐蚀材料制造等优点，从而可以使吸收操作过程节省大量的人力物力。 关键词：氨 填料塔 再生塔 Abstract：With industrial development, air emissions of ammonia gradually increased, harm the atmosphere, ammonia is an important chemical raw material production, considered from the perspective of resources we have to separate the ammonia in the atmosphere to be used. In the annual processing capacity of 6.9 million cubic meters of air, and ammonia gas mixture filling absorbing device design, we are using the filler absorbing device to absorb the mixture of air and ammonia gas, ammonia in the air to be used. We use packed absorption tower for absorption of operation is as packed gas absorber can provide a huge night of mass transfer area, and the filler surface with good condition, so that the absorption process but also conducive to the packed tower also has a simple structure, easy to use low pressure drop packing corrosion-resistant materials, etc., which can allow the absorption of operation save a lot of manpower and resources. Key words: ammonia regeneration tower packing tower 朗显示对应的拉丁字符字1前言 在化工工业中，经常需要将气体混合物中的各个组分加以分离，其主要目的是回收气体混合物中的有用物质，以制取产品，或除去工艺气体中的有害成分，使气体净化，以便进一步加工处理，或除去工业放空尾气中的有害成分，以免污染空气。吸收操作是气体混合物分离方法之一，它是根据混合物中各组分在某一种溶剂中溶解度不同而达到分离的目的。 氨是化工生产中极为重要的生产原料，但是其强烈的刺激性气味对于人体健康和大气环境都会造成破坏和污染，因此，为了避免化学工业产生的大量的含有氨气的工业尾气直接排入大气而造成空气污染，需要采用一定方法对于工业尾气中的氨气进行吸收，本次化工原理课程设计的目的是根据设计要求采用填料吸收塔吸收的方法来净化含有氨气的工业尾气，使其达到排放标准。设计采用填料塔进行吸收操作是因为填料可以提供巨大的气液传质面积而且填料表面具有良好的湍流状况，从而使吸收过程易于进行，而且，填料塔还具有结构简单、压降低、填料易用耐腐蚀材料制造等优点，从而可以使吸收操作过程节省大量人力和物力12。第1章 绪论近几年来随着工业的的发展大气中氨的含量逐年上升，已成为威胁人类的隐形杀手，所以我们对空气中的氨处理已不容忽视。1.1 大气中氨的存在形式和由来大气中的氨主要以分子的形式存在，可以与水形成氨根离子然后被植物吸收。其来源主要有建筑施工中含有氨类成分的混凝土防冻剂，这类混凝土防冻剂主要有两种，一种是在冬季施工过程中在混凝土墙体中加入混凝土防冻剂，另一种是为了提高混凝土的凝固速度，使用高碱混凝土膨胀剂和旱强剂混凝土外加剂。家具涂饰时所用的添加剂和增白剂大部分都用氨水，氨水已成为建材市场必备的商品，污染持续时间比较短，不会在空气中大量积存。但对人体的危害也不可小视。生活异味，厕所臭气1.2 氨的危害和防护 氨是一种无色而且有强烈刺激性臭味的气体，它是一种碱性物质溶解度极大，所以主要对动物和人体的上呼吸道有刺激和腐蚀作用，减弱人体对疾病的抵抗，氨被吸入肺后破坏运氧功能短期吸入大量氨气后可引起发各种不适，严重者可引发肺水肿，成人呼吸穷迫综合症，国家标准规定氨浓度需小于0.2毫克/立方米。 在必要的时候我们必须通过专业室内环境检测机构检测氨气污染程度采取治理措施，除此之外，尽可能的开窗通风，如有条件，安装新风机。1.3水对氨的吸收 吸收是利用气体混合物各组分在液体中溶解度的差别用液体吸收，用液体吸收剂分离气体混合物的单元操作也称气体吸收。目前工业生产中使用吸收塔的主要类型有；板式塔、填料塔、湍球塔、喷洒塔。 采用填料吸收塔的优点: 结构简单、以用耐腐蚀材料制作，操作稳定且弹性大阻力小。缺点；吸收效率低塔体笨重检修麻烦。因氨在水中的溶解度很大，所以工业上采用水来吸收混合气中的氨气，当水与大气中的氨气在吸收塔接触时水吸收大气中的氨，然后将吸收后的液体送入解吸塔塔解吸，对氨气进行利用。1.4 氨的性质及用途 氨的物理性质: 在常温常压下氨是无色有刺激性臭味的气体，氨的临界温度时132.9，氨在标准状态下的密度为0.708克/升，极易溶于水，氨有强力性毒性，能灼伤皮肤 眼睛及呼吸器官黏膜，空气中含有0.5%的氨就能使人在几分钟内窒息。氨很易被液化在0.1兆帕下将氨冷却到-33.35摄氏度或常压下加压到0.7-0.8兆帕就能冷凝成无色液体，同时放出大量热。 液氨也很容易汽化，降低压力可急剧蒸发并吸收大量的热，由于蒸发潜热很大，因此液氨也是很好的制冷介质。氨的化学性质: 氨在空气中于氧化合燃烧呈现黄绿色火焰主要反映如下 干燥条件下氨对铜及其合金无作用 ，但有水汽或氧存在时有严重的侵蚀性。1.5 氨的发展前景 随着化肥需求量的增多和我国石油，天然气工业的发展速度发展。在20世纪70年代开始也能进了十几套30万吨的合成氨装置。此外我国自行设计制造安装的年产30万吨的合成氨厂于1980年投产，再加上我国现在设计出的年产56万吨合成氨的新指标已经下达，所以说氨的合成有很好的发展前景。第2章 设计任务和条件并确定设计方案2.1设计任务和条件现你用一吸收过程处理空气与氨气的混合气体，设计条件如下：混合气体的处理量为：690万立方米每年=871.2立方米每小时气体总的传质系数：600kmol/h混合气的组成：空气0.9: 氨气 0.1 （均为摩尔分数）要求氨的回收率：=0.95混合气的温度：20压力：0.11MPa吸收剂用量为最小量的1.4倍2.2 确定设计方案2.2.1 吸收剂的选择根据所要处理的混合气体，可采采用水为吸收剂，其廉价易得，物理化学性能稳定，选择性好，符和吸收过程对吸收剂的要求。2.2.2氨的吸收流程该吸收过程可采用简单的一步吸收过程，同时考虑到资源的有效利用应对吸收后的水进行再生处理，考虑到混合气体的温度和压力情况，以采用混合气体原有的状态，即20和0.11条件下进行吸收为宜，采用常规逆流操作流程流程如下34。2.2.3 吸收塔设备及填料塔选择选用38mm金属阶梯环塔填料，其主要性能参数为：比表面积：153空隙率：0.91泛点填料因子：160m压降填料因子；118m湿填料因子：115m第3章 填料塔的计算 3.1 物料的衡算在特定条件下，假设溶剂不挥发惰性气体不溶于溶剂，因此在塔内纯溶剂和惰性气体的量不变，作塔的物料衡算； V+L=V +L或V（-）=L（-）式中、V单位时间通过任意塔截面的纯溶质的量 L单位时间通过任意塔截面的纯溶剂的量 、进、出塔气体中溶质的摩尔比 K mol/h 、进、出塔液体溶剂的摩尔比 K mol/h 有已知得：y=0.1=（1-）=0.11(1-0.95_)=5.5 吸收塔液相进口的组成应低于其平衡浓度，该系统的相平衡关系可以表示为： 于是可的吸收塔进口的液相平衡浓度为： 吸收剂入浓度应低于，其值的确定应同时考虑，其解吸操作兼顾两者，经优化计算方可确定这里取： =2.0气体混合物的平均分子量为：混合气体的密度: 惰性气体的量： 最小吸收剂的用量： =39.906Kmol/h =39.906Kmol/h =718.31Kg/h实际吸收剂的用量： 被吸收质的吸收质量: 3.2 填料塔塔径的计算考虑到填料塔的压降，可以取塔的操作压力为0.11MPa： 液相密度为： 利用公式计算泛点气速可得： 取： 圆整后取0.4 所以塔的总面积为: 3.3 填料层的计算 即： Z填料层高度m传质单元高度，m传质单元数3.3.1传质单元数的计算=0.011353.3.2传质单元高度的计算已知气相总传质系数为： = 单位面积上气体流速：/所以： 于是，气相总传质单元高度为： 即：3.4填料各段高度的计算填料各段高度最大列表如下填料层的种类拉西环2.53.0压层鲍尔环510矩鞍填料58阶梯环815本设计选用阶梯环： 式中： Z填料层的总高度， m 各段填料层高度， m n段数由上表可取n4 即： 3.5塔底压强的计算压强是由埃克特关联图来确定的，如下图： 图3.2横坐标为： 纵坐标为： 式中： 、 分别为液相和气相的质量流量，kg/h 空塔气速，m/s 湿填料因子， 液体密度校正系数 液体粘度 0.903MPaS 由诶克特关联图查得： 即 ： 塔底压强为: =112329.875Pa3.6吸收塔的压力1.填料吸收的压降；2.气体出、进压降、去气体出进口接管的内径为360mm则气体进出口的流速近似为：3.则进口的压力降为： 4.则出口的压力降为：5.填料层压力降：气体通过填料层的压力降采用Eekert关联图计算：其：X=Y=查Eekert关联图的每米填料的压力降为390KPa 所以填料层的压降为： 其它塔内的附件压力降较小，在此可忽略不计 于是得吸收塔的总压力降为：吸收塔的泛点率: 吸收塔的操作气速为：2.2268m/s 泛点气速为;3.1812m/s所以泛点率为：该塔的泛点率合适：吸收塔内的气体动能为： 气体动能因子在常用的范围内以上计算可分析，该吸收塔的设计合理，可以满足吸收塔的工艺要求。第4章 填料塔附属设备的确定4.1封头封头按其形状可分为凸形封头、锥形封头和板形封头，其中凸形封头包括半球形封头，蝶形封头和椭圆形封头三种。锥形封头分为无折边封头和带折边封头。本设计选用的是标准椭圆形封头。理由是椭圆形封头边缘硬力小，承受能力强，应力分布好，且封头的壁厚与相连的筒体壁厚大致相等，便于焊接经济合理。 图4.14.2支承板支承板是用于支承填料和塔内持液的部件。工业生产要求支承板的设计应具备以下基本条件：1、 足够的机械强度；2、 支承板的自由截面不应小于填料层的自由截面，以免气液在支承板上流时，流动阻力过大，在支承板处首先发生液泛；3、 结构易于使流体分布均匀。常用的填料支撑装置有栅板式、格式、波纹式。本设计选用栅板支承（见图4.2），理由是栅板支承结构简单，强度高，适用范围广等。栅板通常由若干扁钢阻焊成型，栅板间距一般为散堆填料环外径的0.60.8倍，当塔径小于350mm时，栅板可直接焊在塔壁上；当塔径为400500mm时，栅板需搁置在焊于塔壁的支承圈上；当塔体直径较大时，栅板不仅需搁置再支持圈上，而且支持圈还得用支承板加强。若径不大于（500mm），可采用整块栅板，塔径较大时，可采用分块式栅板，栅板外径比塔内径小1040mm，分块式中每块栅板的宽度为300400mm，以便从人孔送入塔内进行组装。图4.24.3 液体分布器液体分布器是将液体塔顶均匀分布的部件。实践证明，为确保液体的分布均匀，每3060塔截面上应有一个液体喷淋头，大直径的塔喷淋点密度可以小一点，另外，还要求液体分布器不易堵塞，不产生过细的雾滴，以减少出塔气体的带出液量，常见的分布器有：管式喷淋器、莲蓬头喷淋器，盘式分布器和槽式喷淋器。本设计选用莲蓬头式喷淋，理由是：这种分布器操作弹性大，不易堵塞，操作可靠且便于分布安装45莲蓬头的直径通常为塔径的，即d=（）D或，球面半径为（0.51.0）D, 喷洒角 ，喷洒外圈距塔壁70100，小孔直径为310.莲蓬头一般用直径小于0.6的塔。 图4.34.4液体再分布器 由于液体从塔顶流下时有向壁流动的趋势，并造成填料塔层内传质面积减少，影响传质。为此，工程上采用液体再分布器来改善因壁流造成的液体在填料层内不均匀分布。常用的分布器有截锥式和生气管式两种。本设计选用截锥式再分布器。理由是：截锥式再分布器使塔壁处理的液体导在塔的中央，当截锥体焊在塔体上时，截锥上下仍能全部放满填料，不占空间68。 图4.4 4.5支座 容器支座的作用是支承设备，固定其位置，常用的容器支座有卧式容器支座和立式容器支座。卧式容器支座有鞍座、圈座和支承使支座三种。立式容器支座有腿式支座、支承式支座、耳式支座和裙式支座。本设计的设备是填料塔是立式容器，所以选用裙式支座，理由是：裙式支座制造方便，应用广泛。裙式支座简称裙座，裙座按其形状分为筒形和圆锥形两种。裙座由裙座体、基础环、螺栓座几部分组成 图4.54.6 除沫装置由于氨气溶于水生成泡沫，当塔内气速大时，气体通过填料层顶部时会夹带大量的雾滴，通常在液体分布器的上部应设置除沫器，用于除去出口气体六两的液滴。当气速较小时，气体中液滴量很少，可不安装除沫器。第五章 填料塔总高度的计算 5.1封头的计算标准椭圆形封头的壁厚的计算公式为：=标准椭圆型封头的校核计算公式为:= 式中：封头的有效厚度， 封头内直径计算压力（表压）标准椭圆形封头的计算厚度，封头最大工作能力，封头材料在设计温度下的许用应力，焊接接头系数，若为整块钢板制造，则=1.0对于椭圆形封头 =2则：=0.1=100直边高度的大小按封头的直径和厚度不同25、40 、50等。本设计中选用h=50 =0.15m5.2再分布器空间高度的计算本设计取 d=0.4m 即 : h=0.1m mh锥高 ,m 装置液体再分布器的空间高度,m5.3填料总高度填料塔的总高度H主要取决填料层高度Z,另外还考虑塔顶空间塔底空间再分布器及封头910 。如图对填料塔进行逆运算：H=+Z+(n+1)式中H塔高（从A到B不包括封头程座高），m、Z 填料层高度，mn填料层分层树，塔底空间高，一般为1.21.5 塔顶空间高，一般为0.81.4 本设计中取 =1.2m =1.2m则: H=+Z+(n+1)=1.2+4.75+（4+1）=8.15 m=8.45 m第6章 再生塔的设计再生塔的设计条件为：水处理为：1005.624h水中氨的摩尔分数为：0.068215再生后水中氨的摩尔分数为：0.002所用的气提气入口氨含量近视为06.1再生气提气用量与吸收塔设计一样，首先要确定最小气提气用量，依据物料衡算方程，求取最小气液比，但需注意这里的X1-X2 表示的是塔顶的液相和气相的浓度，而 Y1-Y2 表示的是塔底的液气相的浓度，于是得 取:则气提气的实际用量为:G=1.13246k mol=63.2683N/h6.2气提塔的工艺设计气提塔的工艺设计与吸收塔完全相同。(略)第7章 换热器7.1 换热器的分类换热器是化工、石油、动力等许多工业部门的通用设备。由于生产中物料的性质、传热的要求等各不相同，换热器的种类很多，设计和使用时应根据生产工艺的特点进行选择，工业传热过程中冷、热物流的接触方式有直接接触式、间壁式和蓄热式三种11。1.直接接触式换热器 冷、热两股流体直接接触，在混合过程中进行热交换。2.蓄热式换热器 冷、热两种流体交替通过蓄热层以达到传热的目的。3.间壁式换热器 此类换热器中冷、热两种流体被一层金属或非金属隔开，彼此不相接触，热量传递通过设备壁面进行，间壁式换热器可分为管式换热器和板式换热器。管式换热器有列管式换热器、蛇管式换热器、套管式换热器、喷淋式换热器和翅片式换热器。板式换热器有夹套式换热器、平板式换热器和螺旋式换热器。本设计选用的是间壁式列管式换热器。理由是：间壁式换热器能将冷热流体分开，彼此不接触，能更好的适应生产要求。列管式换热器主要由壳体、管束、管板、折流挡板和封头组成。管束装于壳体内，且其两端固定在管板上，管板外是封头，供管程流体的进入和流出，保证流体入管内时均匀分配，为提高管内流体的流速，需要采用多管程，为此在两端封头内安装折挡板使用换热器主要是使进料温度达到操作温度。1.当进料温度大于操作温度时，使用换热器需要用冷却剂取走热量。2.当进料温度小于操作温度时，换热器需要有加热剂来供热。3.吸收剂温度与操作温度不同时，在吸收剂进口时也需要加设换热器。7.2 热量衡算附录表如下：塔顶温度塔底温度物体进口温度出口温度进口温度出口温度冷流体（c）10351530热流体 (h)402060301 对塔底换热器作热量衡算：Q=式中： Q换热器的热负荷，KJ/h/或KW W流体质量流量，KJ/h,即流体流速 流体的平均比定压热容，KJ/(Kg) T热流体温度， 冷流体温度， 图7.1，=2.1KJ/(Kg) 1.0 KJ/(Kg)(K mol)2.1 KJ/(Kg) =871.21.25531.11(30-15)/3600 =5057.98W不考虑换热器管中的污垢及其他因素造成的热量损失。则气体吸收的热量等于加热剂水冷却时放出的热量。即 : /h2.对塔顶换热器的热量衡算: 图7.2 吸收剂放出的热量为：=55.868184.2/3600 =23464.56W冷却剂吸收的热量: 即: 7.3 换热器的选用7.3.1 塔底换热器的选用 平均温度的计算 逆流时 热流体温度T：6030 冷流体温度t：3010 3015总的传质单元数K值经下表参考初选K=100W/壳径159管子尺寸公称压强2.5MPa管长3公称面积3管子总数13管程数管子排列方式正方形斜7.3.2 塔顶换热器的选用逆流时： 热流体温度T 4020 冷流体温度t 3510 t 5 10总传质单元数K值经下表参考初选K=900w/（）壳径/m273管子尺寸/mm公称压强/M Pa2.5管长/m1.2公称面积3管子总数32管程数管子排列方式正方形斜45符号说明V单位时间通过任意塔截面惰性气体的量， L单位时间通过任一塔截面的纯溶剂的量，、进塔、出塔气体中溶剂的摩尔比 进塔、出塔液体中溶剂的摩尔比 混合气的平均摩尔质量气体混合物中氨和空气中组分的摩尔质量 气体混合物中氨和空气的摩尔分数混合汽中溶质被吸收的百分率称回收率或吸收率Z填料层高度 传质单元数传质单元高度 与相平衡的气相组成与相平衡的气相组成塔顶塔底两截面上吸收推动力的对数平均值，称为对数平均推动力法 气相传质单元高度 气