课程设计-非等温填料吸收塔PPT课件.ppt

2020 3 18 1 非等温吸收填料塔设计 化工原理课程设计 2020 3 18 2 一 设计任务书 为了使尿素生产厂合成氨放空气中的有害物质NH3达到国家环保废气排放标准 需设计一吸收填料塔 用清水吸收放空气中的氨 为达到国家环保尾气排放标准 处理后放空气中的氨浓度必须小于600ppm 注意 同学们各自根据放空气初始浓度 确定吸收率 放空气的流量900 1200kg h 其摩尔组成为 2020 3 18 3 物质名NH3H2N2mol 3 0 6 0 66 70 24 31 另外含有微量的Ar气 0 4 注意 H2 N2之比保持在2 5 3 0 由于放空气中氨浓度较大 吸收过程中放出的热量使吸收系统出现温度上升 设吸收操作压强为6 12bar 吸收剂入塔温度为20 350C 稀氨水的比热近似等于清水的比热 2020 3 18 4 溶液绝热温升与氨水浓度关系 2020 3 18 5 2020 3 18 6 二 基本要求 本设计为2学分 设计时间2周 前9天撰写设计说明书 后5天制图和考核 须认真对待 基本做法和要求 1 2人为一小组 2小组为一大组 同小组同学采用相同的原始数据 但必须用不同的方法计算NOG 图解积分或近似计算 和a 润湿分率或关联式计算 分析说明时将另外一小组的计算结果进行综合对比和分析 2 公式 数据收集和选用要合理 可靠 要说明来源和依据 3 设计说明书文字叙述流畅 条理清楚 严谨 计算结果正确可信 4 图纸表达正确 规范 线条流畅 图面整洁悦目 布局合理 图幅尺寸规范 5 参考文献标注要规范 2020 3 18 7 设计的成果 1设计说明书一份 不得少于8000字 2设计图纸2张 其中1号图纸 填料塔装配图 一张 2号图纸 流程图 一张 图纸一定要根据自己计算设计结果进行绘制 说明书和图纸全部采用计算机文挡形式 每人打印一份递交后 评定成绩 2020 3 18 8 三 课程设计的性质与目的 1性质是一个总结性工程设计教学环节 一般安排在技术基础课 化工原理 结束时进行 设计时选择一个真实或模拟的工程设计目标 确定课程设计的任务和要求 根据课程设计任务和目标 要求同学们在规定的时间内 完成某化工单元操作过程的工艺 设备设计与计算 通过课程设计不仅可以进一步巩固学生所学的相关知识 提高学生学以致用的综合能力 同时可以培养学生尊重科学 注重实践 学习严谨 作风塌实的思想品德和团结协作的团队精神 2020 3 18 9 2能力培养1 资料 文献 数据查阅 收集 整理 分析的能力 2 工程的设计计算能力和综合评价能力 3 工程设计表达能力 4 综合经济分析对比能力 2020 3 18 10 四课程设计的基本内容和程序 1确定设计方案 2针对已确定的方案 进行主要的工艺设计计算 3对方案中的辅助设备进行设计或选型计算 4绘制工艺流程图 5绘制主体设备的装备图 6编写设计说明书 设计说明书就是将上述设计内容进行有机的 合符逻辑地串接汇集 并对设计结果进行系统分析 评价和总结 2020 3 18 11 课程设计的程序大致如下 明确设计任务和目标 认真阅读 分析和理解设计任务书 了解要完成的主要设计任务和要求 明确要达到的设计目标 技术 经济等 查阅有关文献资料和设计参考书 认真收集 整理和阅读设计中必备的各种资料 包括有关的生产过程资料 物性资料 有关的设计计算方法和公式 设备设计规范及标准 材料特性 同类工程的先进设计示例 有关的国家政策法规等 课程设计任务具有很强的工程性和实践性 因此 所需的有关设计资料除了从浩瀚的各种文献资料库查阅外 还必须注重生产实际的调研 2020 3 18 12 设计计算 这里包括方案的设计论证 分析和评价 工艺设计计算 主体设备和辅助设备设计计算和选型 绘图和编写设计说明书 设计说明书应反映设计者的设计理念 原则 步骤和方法 并将设计计算结果汇集 并进行分析评价 列出合理的设计结果 绘制正确的工艺流程图和主体设备装备图 2020 3 18 13 考核和答辩 为了了解课程设计的训练效果 了解学生独立掌握和完成课程设计的程度 指导学生发现和明确设计中存在的问题 设计结束时需进行一定的考核和答辩 设计结果还应体现时代发展的要求 体现与社会和环境的和谐 这就要求设计采用的有关参数 标准 规范 性能指标及设计结果具有先进性 同时有利于生产 社会的持续发展 采用循环生产工艺 尽可能减少设计项目 三废 的排放和能源 物料的消耗 2020 3 18 14 化工原理课程设计 的基本内容已明确表明一个完整的课程设计是由论述 计算和制图三部分组成 所以缺少其中任何一部分的设计都是不完整的 论述缺乏依据 设计计算马虎草率 制图不合规范 表达错误等也是不符合要求的 一个先进 合理的设计需要进行多种方案的比较 进行反复多次的设计计算方能获得 这就希望设计者能熟练掌握先进的设计手段 进行多方案设计计算和优化 以提高设计计算的先进性 准确性 可靠性和合理性 2020 3 18 15 计算示例 设计一填料吸收塔在表压10 56kgf cm2 用32 0oC清水吸收放空混合气中的氨 吸收率达99 放空气的质量流量为912 2kg h 其摩尔组成为 物质名 NH3H2N2Ar摩尔 3 87025 80 4 2020 3 18 16 基本计算内容与过程 一 物料平衡计算1 吸收剂用量估算放空混合气的平均分子量放空混合气的千摩尔流量 2020 3 18 17 放空混合气中惰性组分千摩尔流量进塔混合气氨的摩尔比取吸收率为 出塔混合气中氨的摩尔比就完全可以达到环保排放浓度要求 但因NH3溶解时释放出很大的热量 使溶液的温度升高明显 当溶解的氨的量为 kmol h 2020 3 18 18 则溶液上升的温度大小取决于溶剂的量的多少 当溶剂量不知时 则出塔溶液的温度也无法知道 塔底处的气 液平衡当然也无法确定 所以而最小液气比和操作液气比也无法确定 为此可先假设溶液的浓度为6 质量 则吸收剂用量 2020 3 18 19 出塔氨水的摩尔比2 出塔氨水液的温度tb每100kg水中氨的溶解量 查图1 查得溶液的绝热温升值为 所以出塔氨水页的温度 2020 3 18 20 可见吸收过程中 系统的温度变化较大 平衡系统当然也会产生极为显著的变化 而不能采用恒温下的平衡系统来考虑问题 应该做出非等温平衡曲线 当然 由于塔体散热 实际的温升会小些 为安全起见 还是采用上述出塔温度 3 变温下的平衡曲线为描出平衡曲线 将全塔分成5个平衡点来考虑 分点数多有利作图准确 2020 3 18 21 把5个截面上 X t和Y 1 塔底 和溶解度查图2得氨的平衡分压 即塔底的平衡点B 0 0676 0 029 且 2020 3 18 22 说明在本操作条件下 出塔溶液的浓度是可以达到6 重量 的 当然出塔液体浓度还可以高些 即吸收剂用量可以少些 但要保证塔底平衡的气相浓度 同时由于吸收推动力减小 完成吸收任务所需的填料层高度会有所增加 相反 也可以将出塔溶液浓度定低些 吸收剂用量就会增加 吸收剂输送费用和再生费用也会增加 但所需的填料层高度可以减小 这需要进行综合经济分析后 作出选择 2020 3 18 23 2 塔顶 即塔顶平衡点为A 0 0 3 当100kg水溶解1 38kg氨时 查温升曲线图a 得温升为7 8oC 此时溶液的温度上升到由和溶解度内插值溶解度曲线图2得 氨的平衡分压为 2020 3 18 24 则 平衡点为 E1 0 0146 0 0023 在塔底与塔顶 0 6 38kgNH3 之间插入4个点 作类似计算 可得到6个平衡点 并在X Y相图作出平衡曲线OE 2020 3 18 25 O 2020 3 18 26 4 操作线出塔氨水浓度不高 所以操作线可以用下面的直线方程表达 由塔顶操作点 0 0 0004 和塔底操作点 0 0676 0 0395 在X Y图上作出操作线AB 2020 3 18 27 二 确定传质单元数NOG由于平衡线是曲线 所以用吸收因素法和对数平均推动法计算会产生较大的误差 这时可以采用以下两种方法进行计算 1 图解积分由定义 2020 3 18 28 2 简便作图法 近似梯级法 1 在操作线AB与平行线OE之间作中线NM 2 从A点 O Ya 开始做阶梯 直至跨过点B 3 计算阶梯数 即为NOG 2020 3 18 29 三 操作性能分析四 塔径计算1 计算液流气流量2 确定液泛气速和操作气速1 选择填料 2 计算Ekert图横坐标值 3 查Ekert图确定液泛气速uf 4 确定操作气速 3 计算塔径 注意按规范圆整 和塔径与填料外径之比 8 2020 3 18 30 五 系统单位填料高度的压降六 传质单元高度HOG的计算1 传质系数kg计算因为氨在H2O中溶解度很大 所以用水吸收氨的过程是气膜控制过程 即根据经验关联式KY ky Pkg 2020 3 18 31 2 填料有效传质比表面积a1 填料表面有效润湿分率法 2 Onda法 3 传质单元高度 2020 3 18 32 填料塔主要构造单元 1 外壳2 填料 核心单元 3 填料支承4 液体分布器5 中间支承和液体再分布器6 气液的进出口接管 7 除沫器 8 液封强度计算和结构布置 填料塔的设计在保证满足工艺生产的前提下 要求结构尺寸合理 造价低廉 能耗小 操作稳定可靠 适应性强 维修方便等 2020 3 18 33 流程的确定单塔 开流与递流接触式 有循环与无循环流程 多塔 并联并流与递流 串联并流与递流 多塔有循环与无循环 流量 温度 压力和浓度测量 控制点确定及测量控制方法和仪器仪表的类型型号 2020 3 18 34 填料1要求1 比表面积要大 2 能提供大的流体通量 即空隙率要大 3 液体的再生分布要好 即装填后整个床层结构均匀 有利于液体四周均匀分布 全方位地传递液体 聚壁效应小 2 装填整砌的填料是手工操作 费用较贵 一般应避免乱堆 湿法装填 当填高一般超过0 6m时 为减少填料装填降落时的破损 应采用湿法装填 干法装填这种方法装填的床层比湿法装填更紧密 因此压降一般大50 60 2020 3 18 35 3 填料的尺寸 直接影响接触效率 一般说 尺寸越小 比表面积越大 效率越高 但压力降增加 一般按下面的比例考虑 工艺设计 p222 223 填料尺寸 公称 mm 12 7 15 9 15 9 25 4 25 4 38 1 38 1 50 8 50 83 76 2塔径Dmm152 4 304 8 304 8 457 2 457 2 609 6 609 6 1219 2 914 4或乱堆最大填料尺寸 塔径 拉西环 1 20 1 8弧鞍形填料1 10 矩鞍形填料1 8 1 10 其中1 8最常用 2020 3 18 36 二 填料的支承结构填料层的设计是整个填料塔设计的核心 但附层结构设计好坏也会直接影响塔内气液分布直接操作效率和生产能力 填料支承结构满足以下基本条件 1 使气液畅通 支承件上的流通截面积为塔截面积的50 以上 且大于填料的空隙率 若流通截面积太小 会产生挂液 阻气 降低效率 甚至出现液流 2020 3 18 37 2 有足够的支承强度 承受填料和填料层中挂液重量 另外考虑到可能的压力波动 机械振动 温度波动等因素 3 有一定的耐腐蚀性栅板可制成整块 当D 500mm 也可制多块组合式 2 4块 栅板的支承方式 支承圈 支承圈加支承板 一般多块栅板上的填料高度 拉西环不超过3 7m 其它填料不应超过4 6 6 1m 2020 3 18 38 三 液体喷淋装置 设备设计 P147 保证每25cm2有一个喷点或 5D 2个喷点喷淋装置设计好坏直接影响到液体分布直至填料的有效表面积大小 所以它是填料塔操作效率好坏的重要影响因素之一 其选择 主要取决于塔径 填料的形成 表面积 外形等 填料聚壁性和分布器的结构材料 2020 3 18 39 四 液体再分布装置针对聚壁现象 为提高填料表面有效率 一般要求拉西环填料高度每隔3D左右需再分布 鞍形填料高度每隔 5 10 D再分布 最简单的再分布件是截锥式 45 和截锥 栅板式 五 气流入塔的分布结构应防止淋下的液体进入气管中 气体分散均匀液体出口 能方便排出液体 同时又能对气体起到液封的作用 气体出口要保证气体畅通 同时能尽量除去气体夹带的液体雾沫 六 附属设备泵 风机的计算与选型 2020 3 18 40 图6 26液体喷淋装置 图6 27管式液体分布