化工吸收塔.doc

化工原理课程设计吸收塔前 言：在化学工业中，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。设 计 任 务 书一、题目净化含氮2%的废气，气体处理量为5150Nm3/h.二、原始设计数据1. 气体组成： 气体名称NH3N2H2CO含量2%91%5%2%2. 净化要求：99.9%3. 操作条件：(1)操作压力：常压(1atm)(2)操作温度：304. 吸收液：清水三、设计内容1. 吸收流程选定2. 填料塔塔径、塔高等工艺尺寸的计算及输送机械的选型四、设计要求1. 写出设计说明书2. 给出工艺流程3. 绘出填料塔的总装配图4. 输送机械选型内 容 摘 要1 操作条件和工艺参数的计算2 塔设备和附件的选择3 塔设备的装配图工艺流程图及说明设 计 计 算 过 程一、 简化证明吸收过程是一复杂的物理化学过程，为使计算方便特作如下的简化：1.确定过程为单组分吸收 气 体 各 组 分 30 下 的 亨 利 系 数：气体组分NH3H2CON2亨利系数E（Kpa）122.577.391066.281069.36106由表格中各气体组份的亨利系数数据可知，在操作条件下（30，1atm），H2, ,CO ,N2 的亨利系数均比NH3 的亨利系数大104倍以上，即H2, ,CO ,N2在该条件下的溶解度小于NH3溶解度的1/10000，因此，在工程计算过程中可以认为该操作只吸收NH3 2.确定过程为低浓度吸收气体中被吸收组分含量10%即可认为是低浓度吸收，根据任务条件，混合气中NH3含量为2%符合低浓度吸收，因此，该操作可视为低浓度吸收。3.假定过程为恒温吸收，在后面计算过程中加以验证。 二、塔的设计（一）塔径的计算1气体物理性质及工艺参数： （1）气体平均分子量 （表一）气体组分NH3H2CON2气体含量2%5%2%91%分子量17.0312.01628.0128.013 （2）气体流量G=(QV/22.4)(T+273)/273=5150/22.4=246.75（3）混合气体密度 26.493246.75 = 6536.41 2液体物理性质及工艺参数：（1）液体密度和粘度因为吸收液中NH3的含量很低，近似认为 （2）液体流量 * 查 化工原理（上）附表 *比例系数取2进行计算，喷淋密度,不符和设计要求。因此，假定L的大小，经计算的乙下数据：（表二）计 算 数 据 ()140015001600170018001900()22.3717.6218.7919.9621.1422.31()16.72塔 径 (m)1.201.401.401.401.401.401.7991.7651.7311.6601.6241.5171.0791.0591.0390.99620.97440.910270.31%52.65%53.68%55.98%57.22%61.25%依据设计要求，值0.21.0m/s,在50%80%范围内，塔径只有1.40m的设计尺寸。根据以上设计要求，=1900Kmol/h才能符合设计要求。本次设计计算，取 即当时（3）氨的含量： 代入数据： （4）确定操作过程为等温吸收：因为混合气中氨气含量很少，可以认为溶解到液体中的NH3所放出的热量绝大部分被液体吸收。NH3溶解的放热速率：30时， （为NH3在水中的熔解热，） 一般，当气体溶解温度变化小于5度时，操作过程可视为等温过程。3填料物理性质及工艺参数：（表三）(填 料 工 艺 尺 寸) 填 料种 类尺 寸比表面积空隙率填料因子气膜填充系数RG液膜填充系数RL陶 瓷 拉西 环（乱堆）25*25*2.51900.784002.70.884.塔径计算 查化工原理P199图10-54得： 25252.5mm陶瓷拉西环（乱堆）的填料因子；又因液体是清水，故液体密度校正系数，水的粘度 。一般空塔气速为泛点气速的50%-80%，且一般填料塔的气速范围为，此可取空塔气速为泛点气速的60% 。*圆整得：D=1.40m再算空塔气速：*泛点率（安全系数）：*因为填料规格为25252.5。塔径与填料尺寸之比大于8，又因为填料尺寸小于75mm，故取，则最小喷淋密度： 操作条件下的喷淋密度为：* 为安全起见，喷林密度应略大于1.1Umin ，1.1= 16.72 因此，吸收塔的喷淋密度符合标准5. 每米填料层的压降横坐标： 纵坐标 ： 查化工原理（下）P199图得 （二）塔高的计算1 传质单元数： 对数平均推动力： 传质单元数： 2 传质单元高度：（1） 计算气相传质单元高度和的计算：* 查表得液膜厚度 修正系数 液膜厚度 持液量 湿空隙率 查液体表面速度 气体表面速度 气相物性因数C： 浓度较正系数： 可溶性气体在气相中的浓度不超过5%10%，可视为1。 压力较正系数： （P为系统总压，单位：atm） 所以 温度较正系数： 对于温度在60以下的物系不考虑查表，陶瓷拉西环（乱堆）的，以上数据带入公式得： （2） 计算液相传质单元高度查表得 陶瓷拉西环（乱堆）的相物性因数： 液相物性因数 润湿指数较正系数：查表可知：乱堆拉西陶瓷环，25 n=0.75 温度较正系数： （3） 总传质单元高度： 3 . 填料层高度：加上0.5m左右的保护高度，实际塔内填料高度约为2.3664m填 料 塔 设 计 结 果 概 要（表四）项 目数 据备 注混合气体分子量kg/kmol26.493混合气摩尔流率kmol/h246.75混合气质量流量kg/h6536.41混合气密度kg/m31.0650清水密度kg/m3995.730清水密度kg/m3998.020清水摩尔流量kmol/h1900清水质量流量kg/h34200泛点气速m/s1.517泛点率0.6125塔径m1.40喷淋密度m3/m2h22.31每米填料层压降Pa/m335吸收剂出口浓度0.0026相平衡常数1.210气相浓度对数平均值0.00250传质单元数8.0润湿率0.117校正系数B1.078液膜厚度m0.039930持液量m3/m30.075830湿物料空隙率m3/m30.7041930液体表面速率m3/m30.083030实际气速m/s0.9012气相传质单元高度m0.1869液相物性因数0.0520润湿率指数校正系数C41.0272温度校正系数C50.78液相传质单元高度m0.2953总传质单元高度m0.2333填料层高度m2.3664空塔气速m/s0.9293设 备 结 构 设 计一、 塔身材料的选取：本次设计壳体形式采用直立式圆筒形，上下采用椭圆形封头，以法兰连接。吸收塔内径 mm筒壁材料筒体壁厚 mm壳体壁厚 mm1400不锈钢44由于设计的为氨的吸收塔，因此需要塔身的材料具有一定的“耐蚀性”，所以选用不锈钢材料制作塔身，由于本塔设计内径符合公称直径，所以由参考资料确定壁厚与壳体形式如上表。参考资料：化工过程及设备设计P159表3-1二、 封头的选取：封头是容器的重要组成部分，工程实际中最常用的封头包括凸形封头（半球形、椭圆形、碟形和无折边球形）、锥形封头及平板封头等三种。在实际生产中，大多数中低压容器采用椭圆形封头，因此本塔采用椭圆形封头；一般长短轴之比为2，厚度比筒身厚度略大。封 头材 料公称直径Dg mm曲面高度h1 mm直边高度h2 mm内表面积F m2容 积V m3不锈钢1400350252.230.398参考资料：化工过程及设备设计P160表三、喷淋设备的选取： 设计吸收塔的内径为1400mm，根据相关资料应选取盘式喷淋器，相关设计参数见下表。尺寸参考资料吸收塔直径1400mm喷淋器形式盘式喷淋器喷洒盘直径960mm短管内径20mm化工过程及设备设计P108管中心距114mm短管外径30mm排列形式正三角形排列四、 填料及其支承的选取：1. 填料的选择原则： 比表面积at要大。比表面积是指单位堆积体积调料所具有的表面积。 能提供大的流体流量。即所选用的调料结构要敞开，使属于死角区域的空间小，有效空隙绿大。 液体的在分布性能好。 具有足够的机械强度，价格低廉。根据以上选择原则，本次设计采用的填料物：25252.5mm拉西瓷环（乱堆），因为填料层高度未超过3倍塔径，所以不用分层。2. 填料支撑结构的选择：填料支撑结构不但要有足够的强度和刚度，而且必须有足够的自由截面，使在支撑处不致首先发生泛液。设计采用栅板支撑结构。 栅板必须有足够的自由截面，一般与调料自由截面大致相等，相应的构成栅板的扁条钢的间距，约为填料环直径的0.60.8倍。 根据塔径大小，栅板可制成整块或分块。本次设计塔径1400mm，采用分块栅板，每块栅板直径300400mm。 *化工过程及设备设计化工出版社 P105栅 板 结 构 尺 寸公称直径Dg栅板分块数填料环直径Dhst栅板栅板支承板数量L1栅条数连接板长度L2栅条数连接板长度1400425-501380601030-502999-529929911-62998支 撑 圈 结 构 尺 寸塔径DgD1D2厚度S质量/kg碳钢不锈钢碳钢不锈钢140013921272108167134.50塔 径mm填料直径扁钢厚度扁钢高度1400160025501060塔 径mm支撑圈厚度（不锈钢）mm支撑圈内外径差mm支撑圈外缘与塔内壁的间隙 mm10001600810012034 参考资料：化工过程及设备设计五、 管口结构：1. 气体进出口管：根据气体在输气管中的流速u气=1525m/s计算进气管内径范围。 * 热 扎 无 缝 钢 管 管 径 尺 寸管 径mm299325351377402壁 厚mm7.5-757.5-758-759-759-75根据参考资料，选用894mm规格的无缝钢管，直管，气体进口管伸到塔中心线位置，管末铣去一水平方向的长方形开口方向向下的切口，使气体转折向上。气体出口管采用与气体进口管相似的结构尺寸。2. 液体进出口管根据液体在输液管仲流速 u液=13m/s,计算输液管内径取值范围。 * 热 扎 无 缝 钢 管 管 径 尺 寸管径mm6870768389108厚度mm3-163-163-193.5-193.5-244-28根据参考资料，选取894mm规格的无缝钢管，弯管，进口管直接连接喷淋装置。液体出口管采用与液体进口管相似的结构尺寸3. 填料卸出口尺寸可按塔径大小在人孔，手孔的标准尺寸中进行选择。六、 裙座结构裙 座 形 式Dn（mm）裙座高度（cm）圆 筒 行6007008009001000300400500设计采用圆筒型裙座结构，吸收塔内径1400mm，裙座高度500cm，裙座厚度选择比塔体厚度稍大15mm。检 查 孔 结 构 尺 寸 与 位 置A 型 检 查 孔B 型 检 查 孔裙座直径开孔数量直径DM开孔中心高H裙座直径开孔数量WM检查孔长L1400245025090014002400180600排 气 管 结 构 尺 寸 与 位 置裙座直径D，mm开孔数量排气管规格dWS，mm排气孔直径d，mm开孔位置H，mm14002400489480180 七、 泵的选取管路选用无缝钢管：=0.2mm液体体积流量：*输液管截面：输液管规格 834mm无缝钢管，管截面积 液体流速：*管路阻力损失计算：塔高约10m，考虑局部阻力损失以及贮液池与塔的距离，管路当量长度取15m，即le=15m。*雷诺数：相对粗糙度：在图中查找，可知 *根据资料，选取型号为IS10060200的泵。型号转速流量扬程Hm效率功率必须气蚀余量轴功率电机功率IS100-65-20014505013.912.573%2.3342.0八、 风机的选取每米填料层压降为，填料层高2.527米。*气体体积流量：输气管截面积：输气管规格4029mm气体流速：雷诺数：设=0.3mm，查表可知 =0.019管路损失：考虑局部阻力损失取当量长度le=15m*孔板流量计阻力损失为4.0kPa全压：* 在测定条件下：*根据资料，选取型号为918101No.6的风机。参 考 资 料1化学工程手册-3化学工业出版社 2化工容器及设备简明设计手册华东化工学院出版社3化工设备机械基础化学工业出版社4化工设备机械设计基础化学工业出版社 5化工设备机械基础课程设计指导书化学工业出版社6化工设备设计基础化学工业出版社7化工（含轻工）类毕业设计指导书中央广播大学出版社8化学工程及设备设计华南理工大学出版社9化学工艺设计手册化学工业出版社10化工机械及设备吉林科学技术出版社11化工原理（第二版）化学工业出版社12. 化学工程手册第一版 化学工业出版社13. 化工原理(下册) 天津科学技术出版社14. 化学工程手册第二版(上卷) 化学工业出版社符 号 说 明a 比表面积 m2/m3 T 计算温度（20）B 校正系数 T 操作温度（30）C 气相物性因数 U 喷淋密度m3/m2hC1 浓度校正系数 Umin最小喷淋密度m3/m2hC2 压力校正系数 u空塔气速m/sC3 温度校正系数（对气相影响） uF泛点气速 m/sC4 润湿率指数校正系数 VL液体表面气速m/sC5 温度校正系数 VG实际气速m/sCL 液相物性因数 WV气体质量流量kg/hCp 水的比热 WL液体质量流量kg/hD 塔径 x1液相出口摩尔分数DL 组分在液相中的扩散系数cm2/s x2液相进口摩尔分数DG 组分在混合气体中的扩散系数cm2/s y1气相入口摩尔分数E 亨利系数kpa y2气相出口摩尔分数G 气相摩尔流率koml/h ym 平均推动力G 重力加速度m2/s V混合气密度kg/m3H 填料层高度 m L清水密度kg/m3HG 气相传质单元高度m L清水密度kg/m3HL 液