化工原理课设草案

1 吉吉林林化化工工学学院院 化化 工工 原原 理理 课课 程程 设设 计计 题目题目 年处理量为 21242 29 吨氨气的工艺设计 教教 学学 院院 环境与生物工程学院环境与生物工程学院 专业班级专业班级 安全安全 09020902 班班 学生姓名学生姓名 唐健涛唐健涛 学生学号学生学号 0936021709360217 指导教师指导教师 2011年年 7 7 月月 1 1 日日 2 课程设计任务书课程设计任务书 1 设计题目 设计题目 年处理量为 21242 29 吨氨气的工艺设计 试设计一座填料吸收塔 用于脱除混于空气中的氨气 混合气体的处理量为 4100 m3 h 其中含空气为 95 氨气为 5 体积分数 要求塔顶排放气体中含氨低于 0 02 体积分 数 采用清水进行吸收 吸收剂的用量为最小用量的 1 5 倍 20C 氨在水中的溶解度系数 为 H 0 725kmol m3 kPa 2 工艺操作条件 工艺操作条件 1 操作平均压力 常压 2 操作温度 t 20 3 每年生产时间 7200h 4 选用填料类型及规格自选 3 设计任务 设计任务 完成吸收塔的工艺设计与计算 有关附属设备的设计和选型 绘制吸收系统带有控制点的 工艺流程图和吸收塔的工艺条件图 编写设计说明书 3 目录目录 第一章第一章 绪论绪论 6 1 1 吸收技术概况 6 1 2 吸收设备的发展 6 1 3 吸收在工业生产中的应用 6 第二章第二章 设计方案设计方案 7 2 1 吸收方法及吸收剂的选择 7 2 1 1 吸收方法 7 2 1 2 吸收剂的选择 7 2 2 吸收流程的选择 8 2 2 1 吸收工艺流程的确定 8 2 2 2 吸收工艺流程图及工艺过程说明 9 2 3 吸收塔设备及填料的选择 9 2 3 1 吸收塔的设备选择 9 2 3 2 填料的选择 10 2 4 操作参数的选择 11 2 4 1 操作温度的选择 11 2 4 2 操作压力的选择 12 2 4 3 吸收因子的选择 12 第三章第三章 吸收塔的工艺计算吸收塔的工艺计算 13 3 1 基础物性数据 13 3 1 1 液相物性数据 13 3 1 2 气相物性数据 13 3 3 2 泛点率校核 15 3 3 3 液体喷淋密度校核 15 3 4 填料塔填料层高度计算 15 3 4 1 传质单元数计算 15 3 4 2 填料层高度的计算 18 3 5 填料层压降的计算 18 第四章第四章 塔附属设备工艺计算塔附属设备工艺计算 20 4 1 塔附属高度的计算 20 4 2 液体初始分布器和再分布器的选择与计算 20 4 2 1 液体分布器 20 4 2 2 液体再分布器 21 4 2 3 塔底液体保持管高度 22 4 3 其它附属塔内件的选择 22 4 3 1 填料支撑装置 22 4 3 2 填料压紧装置 23 4 3 3 气体的进出口装置 24 4 3 4 液体的出口装置 24 4 4 3 5 除沫装置 24 4 4 吸收塔的流体力学参数计算 25 4 4 1 吸收塔的压力降 25 4 4 2 吸收塔的泛点率 25 4 4 3 气体动能因子 26 4 5 其他附属设备的计算与选择 26 4 5 1 吸收塔的主要接管尺寸的计算 26 4 5 2 离心泵的计算与选择 26 主要符号说明主要符号说明 30 结束语结束语 32 参考文献参考文献 33 5 摘要 本设计对混合气体中氨气的吸收设备 填料塔做了详细的叙述 主要包括 吸收流 程的确定 吸收塔工艺的计算 塔附属设备的工艺计算 工艺流程图和吸收塔的工艺条件 图等 设计中填料塔的塔高取 12 6m 塔径取 0 6m 采用逆流操作 利用贝恩 霍根关联 式计算泛点气速 用 50mm 聚丙烯阶梯环填料 填料层高度为 8m 分为两层 采用 Eckert 通用关联图计算填料层压降 用清水做吸收剂 吸收过程完成后 富液进入解析塔解析后 吸收剂可以循环利用 经过处理的气体直接排入大气 塔附属设备中 所有管线均采用无缝钢管 选用的槽盘式液体分布器 布液点数为 74 点 直径为 4mm 选取孔盘式液体再分布器选用型号为 IS65 50 160 的泵输送清水 采 用离心式通风机 8 18 101NO8 输送气体 关键词 氨气 填料塔 6 第一章第一章 绪论绪论 1 11 1 吸收技术概况吸收技术概况 气体吸收使气体混合物中一种或多种组分 溶质 溶解于液体 吸收剂 的一种分离操 作 吸收是用来分离气体混合物的 利用混合物气体各组分在吸收剂 又称溶剂 中溶解度的差 异而实现分离的操作 在吸收过程中 混和气体与合适的液体吸收剂在吸收设备中充分接触 气体中一个或几个易溶组分 溶质 又称吸收质 溶解于吸收剂形成溶液 不能溶解组分仍 保留在气相中 混合气体实现了分离 1 21 2 吸收设备的发展吸收设备的发展 对于吸收过程 能够完成分离任务的塔设备有多种 如何从众多的塔设备中选择合适类 型是进行工艺设计的首要任务 而进行这一项工作则需对吸收过程进行充分的研究后 并经 多方面对比才能得到满意的结果 一般而言 吸收用塔设备与精馏过程所需要的塔设备具有 相同的原则要求 用较小直径的塔设备完成规定的处理量 塔板或填料层阻力要小 具有良 好的传质性能 具有合适的操作弹性 结构简单 造价低 便于安装 操作和维修等 但是吸收过程 一般具有液气比大的特点 因而更适用填料塔 此外 填料塔阻力小 效率高 有利于过程节能 所以对于吸收过程来说 以采用填料塔居多 近年来随着化工产 业的发展 大规模的吸收设备已经广泛用于实际生产当中 具有了很高的吸收效率 以及在 节能方面也日趋完善 填料塔的工艺设计内容是在明确了装置的处理量 操作温度及操作压 力及相应的相平衡关系的条件下 完成填料塔的工艺尺寸及其他塔内件设计 在今后的化学 工业的生产中 对吸收设备的要求及效率将会有更高的要求 所以日益完善的吸收设备会逐 渐应用于实际的工业生产中 1 31 3 吸收在工业生产中的应用吸收在工业生产中的应用 在化工生产中 吸收操作广泛的应用于混合气体的分离 其具体应用大致有以下几种 1 净化或精制气体 混合气体中杂质的去除 常采用吸收的方法 如用碳酸丙烯酯 或碳 酸钾水溶液 脱除合成气中的二氧化碳 用丙酮脱除室友裂解气中的乙炔等 2 制取某种气体的液态产品 如用水吸收二氧化碳以制取硝酸 用水吸收氯化氢气体以制 取盐酸 用水吸收甲醛以制取福尔马林等 3 分离混合气体以回收所需组分 如用洗油处理焦炉气以回收其中的芳烃 用液态烃处理 石油裂解气以回收其中的乙烯 丙烯等 4 工业废气的治理 在工业生产所排放的废气中常含有 SO2 NO NO2 HF 等有害的成分 其组成一般都很低 但若直接排入大气 则对人体和自然环境的危害都很大 因此 在排气 之前必须加以治理 选用碱性吸收剂吸收这些有害的酸性气体是环保工程中常采用的方法之 一 7 第二章第二章 设计方案设计方案 吸收过程的设计方案主要包括吸收剂的选择 吸收流程的选择 解吸方法选择 设备类 型选择 操作参数的选择等内容 2 12 1 吸收方法及吸收剂的选择吸收方法及吸收剂的选择 2 1 12 1 1 吸收方法吸收方法 完成同一吸收任务 可选用不同吸收剂 从而构成了不同的吸收方法 如以硫化氢的吸 收为例说明 当气体中硫化氢浓度较高时 用物理吸收剂 例如乙二醇 吸收硫化氢 当气 体中硫化氢浓度较低时 通常用烷基胺的水溶液 常用的有乙醇胺 HNCH2CH2OH 可以看出 这个分子式与 NH3很相似 只是其中的一个 H 原子被乙醇取代 它可与酸性气体 如硫化氢 发生可逆反应 为化学吸收剂 当气体中含有微量硫化氢 就可以用 NaOH 水溶液吸收 会产 生固体废弃物 NaHS 2 1 22 1 2 吸收剂的选择吸收剂的选择 吸收过程是依靠气体溶质在吸收剂中的溶解来实现的 因此 吸收剂性能的优劣 往往是决 定吸收操作效果的关键 在选择吸收剂时 应该注意以下几个问题 1 溶解度 所选的吸收剂多溶质的溶解度大 则单位量的吸收剂能够溶解较多的溶质 在一定的处理量 和分离要求下 吸收剂的用量小 可以有效地减少吸收剂循环量 这对于减少过程功耗和再生能 量消耗十分有利 另一方面 在同样的吸收剂用量下 液相的传质推动力大 则可以提高吸收效 率 减小塔设备的尺寸 2 选择性 对溶质有较高的选择性 即要求选用的吸收剂应对溶质有较大的溶解度 而对其他组分则 溶解度要小或基本不溶 这样 不但可以减小惰性气体组分的损失 而且可以提高解吸后溶质气 体的纯度 3 挥发度 吸收剂在操作条件下应具有较低的蒸气压 因为吸收尾气往往为吸收剂蒸汽所饱和 吸收 剂的挥发度越高 其损失量便越大 4 再生性能好 由于在吸收剂再生过程中 一般要对其进行升温或气提等处理 能量消耗较大 因而 吸收 剂再生性能的好坏 对吸收过程能耗的影响极大 选用具有良好再生性能的吸收剂 往往能有效 地降低过程的能量消耗 以上四个方面是选择吸收剂时应考虑的主要问题 其次 还应注意所选择的吸收剂应具有 良好的物理 化学性能和经济性 其良好的物理性能主要指吸收剂的粘要小 不易发泡 以保证 吸收剂具有良好的流动性能和分布性能 良好的化学性能主要指其具有良好的化学稳定性和热 8 稳定性 以防止在使用中发生变质 同时要求吸收剂尽可能无毒 无易燃易爆性 对相关设备无 腐蚀性 或较小的腐蚀性 吸收剂的经济性主要指应尽可能选用廉价易得的溶剂 表表 2 1 物理吸收剂和化学吸收剂的特性 物理吸收剂化学吸收剂 1 吸收容量 溶解度 正比于溶质分压 2 吸收热效应很小 近于等温 3 常用降压闪蒸解吸 4 适于溶质含量高 而净化度要求不太高的场合 5 对设备腐蚀性小 不易变质 1 吸收容量对溶质分压不太敏感 2 吸收热效应显著 3 用低压蒸汽气提解吸 4 适于溶质含量不高 而净化度要求很高的场 合 5 对设备腐蚀性大 易变质 一般来说 任何一种吸收剂都难以满足以上所有要求 选用时应针对具体情况和主要矛 盾 既考虑工艺要求又要兼顾到经济合理性 工业上常用吸收剂列于表 2 2 表表 2 2 工业常用吸收剂 溶质吸收剂 氨水 硫酸 丙酮蒸汽水 氯化氢水 二氧化碳水 碱液 二氧化硫水 硫化氢碱液 砷碱液 苯蒸汽煤油 洗油 丁二烯乙酸 乙醇 二氯乙烯煤油 2 22 2 吸收流程吸收流程的选择的选择 2 2 12 2 1 吸收工艺流程的确定吸收工艺流程的确定 工业上使用的吸收流程多种多样 可以从不同角度进行分类 从所选用的吸收剂的种类看 有仅用一种吸收剂的一步吸收流程和使用两种吸收剂的两步吸收流程 从所用的塔设备数量看 可分为单塔吸收流程和多塔吸收流程 从塔内气液两相的流向可分为逆流吸收流程 并流吸收 流程等基本流程 此外 还有用于特定条件下的部分溶剂循环流程 1 一步吸收流程和两步吸收流程 一步流程一般用于混合气体溶质浓度较低 同时过程的分离要求不高 选用一种吸收剂即可 完成任务的情况 若混合气体中溶质浓度较高且吸收要求也高 难以用一步吸收达到规定的 吸收要求 但过程的操作费用较高 从经济性的角度分析不够适宜时 可以考虑采用两步吸 收流程 2 单塔吸收流程和多塔吸收流程 单塔吸收流程是吸收过程中最常用的流程 如过程无特别需要 则一般采用单塔吸收流程 若过程的分离要求较高 使用单塔操作时 所需要的塔体过高 或采用两步吸收流程时 则 需要采用多塔流程 通常是双塔吸收流程 9 3 逆流吸收与并流吸收 吸收塔或再生塔内气液相可以逆流操作也可以并流操作 由于逆流操作具有传质推动力大 分离效率高 具有多个理论级的分离能力 的显著优点而 广泛应用 工程上 如无特别需要 一般均采用逆流吸收流程 4 部分溶剂循环吸收流程 由于填料塔的分离效率受填料层上的液体喷淋量影响较大 当液相喷淋量过小时 将降低填料 塔的分离效率 因此当塔的液相负荷过小而难以充分润湿填料表面时 可以采用部分溶剂循环 吸收流程 以提高液相喷淋量 改善踏的操作条件 2 2 2 吸收工艺流程图及工艺过程说明吸收工艺流程图及工艺过程说明 2 3 吸收塔设备及填料的选择吸收塔设备及填料的选择 2 3 12 3 1 吸收塔的设备选择吸收塔的设备选择 工业上 塔设备主要用于蒸汽和吸收传质单元操作过程 传统中的设计中 蒸馏过程多 选用板式塔 而吸收过程多选用填料塔 近年来 随着塔设备设计水平的提高及新型塔构件 的出现 上述传统已逐渐打破 在蒸馏过程中采用填料塔及在吸收过程中采用板式塔已有不 少应用范例 尤其是填料塔在精馏过程中的应用已非常普遍 对于一个具体的分离过程 设计中选择何种塔型 应根据生产能力 分离效率 塔压降 操作弹性等要求 并结合制造 维修 造价等因素综合考虑 1 对于热敏性物系的分离 要求塔压降尽可能低 选用填料塔较为适宜 2 对于有侧线进料和出料的工艺流程 选用板式塔较为适宜 3 对于液体喷淋密度极小的工艺过程 若采用填料塔 填料层得不到充分湿润 使其分离 效率明显下降 故宜选用板式塔 4 对于易发泡物系的分离 因填料层具有破碎泡沫的作用 宜选用填料塔 5 对于有悬浮物或容易聚合物系的分离 为防止堵塞 宜选用板式塔 对于吸收过程 能够完成其分离任务的塔设备有多种 如何从众多的塔设备中选出合适的 类型是进行工艺设计的首要工作 而进行这一项工作则需对吸收过程进行充分的研究后 并经 多方案对比方能得到较满意的结果 一般而言 吸收用塔设备与精馏过程所需要的塔设备具有 相同的原则要求 即用较小直径的塔设备完成规定的处理量 塔板或填料层阻力要小 具有良好 的传质性能 具有合适的操作弹性 结构简单 造价低 易于制造 安装 操作和维修等 但作为吸收过程 一般具有操作液起比大的特点 因而更适用于填料塔 此外 填料塔阻力 10 小 效率高 有利于过程节能 所以对于吸收过程来说 以采用填料塔居多 但在液体流率很低难 以充分润湿填料 或塔径过大 使用填料塔不经济的情况下 以采用板式塔为宜 2 3 22 3 2 填料的选择填料的选择 1 填料种类的选择 填料的选择要考虑分离工艺的要求 通常考虑几个方面 传质效率 传质效率即分离效率 它有两种表示方法 意识以理论级进行计算的表示方法 以每个理论级当量的填料层高度表示 即 HETP 值 另一是以传质速率进行计算的表示方法 以每个传质单元相当的填料层高度表示 即 HTU 值 在满足工艺要求的前提下 应选用传质 效率高 即 HETP 或 HTU 值低的填料 对于常用的工业填料 其 HETP 或 HTU 值可由有 关手册或文献查到 也可通过一些经验公式估算 通量 在相同的液体负荷下 填料的泛点气速愈高或气相动能因子愈大 则通量愈大 塔的处理能力亦越大 因此 在选择填料种类时 在保证具有较高传质效率的前提下 应选 择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料 对于大多数常用填料 其泛点气速或气相动能 因子可由有关手册或文献中查到 也可通过一些经验公式估算 填料层的压降 填料层的压降是填料的主要应用性能 填料层的压降愈低 动力消耗越 低 操作费用越小 选择低压降的填料对热敏性物系的分离尤为重要 比较填料的压降有两 种方法 一是比较填料层高度的压降 p Z 另一是比较填料层单位传质效率的比压降 p NT 填料层的压降可用经验公式计算 亦可从有关图表中查出 填料的操作性能 填料的操作性能主要指操作弹性 抗污堵性及抗热敏性等 所选填料 应具有较大的弹性操作 以保证塔内气液负荷发生波动时维持操作稳定 同时 还应具有一 定的抗污堵性 抗热敏能力 以适应物料的变化及塔内温度的变化 此外 所选的填料要便 于安装 拆卸和检修 2 填料规格的选择 通常 散装填料与规整填料的规格表示方法不同 选择的方法亦不尽相同 散装填料规格的选择 散装填料的规格通常是指填料的公称直径 工业塔常用的散装填 料主要有 DN16 DN25 DN38 DN50 DN76 等几种规格 同类填料 尺寸越小 分离效率越高 但阻力增加 通量减小 填料费用也增加很多 而大尺寸的填料应用于小直径塔中 又会产 生液体分布不良及严重的壁流 使塔的分离效率降低 因此 对塔径与填料尺寸的比值要有 一规定 常用填料的塔径与公称直径比值 D d 的推荐值如下 表表 2 3 塔径与填料公称直径比值 D d 的推荐值 填料种类填料种类D dD d 的推荐值的推荐值 拉西环 20 30 鞍环 15 鲍尔环 10 15 阶梯环 8 环矩鞍 8 11 规则填料规格的选择 工业上常用规整填料的型号和规格的表示方法很多 国内习 惯用比表面积表示 主要有 125 150 250 350 500 700mm 等几种规格 同种类型的规整 填料 其比表面积越大 传质效率越高 但阻力增加 通量减小 填料费用也明显增加 选 用适应从分离要求 通量条件 场地条件 物料性质及设备投资 操作费用等方面综合考虑 使所选填料既能满足工艺要求 又具有经济合理性 应予指出 一座填料塔可以选用同种类型 同种规格的填料 也可以选用同种类型 不 同规格的填料 可以选用同种类型的填料 也可以选用不同类型的填料 有的塔段可选用规 整填料 而有的塔段也可选用散装填料 设计时应灵活掌握 根据技术经济统一的原则来进 行选择 3 填料材质的选择 工业上 填料的材质分为陶瓷 金属和塑料三大类 陶瓷填料 陶瓷填料具有良好的耐腐蚀性及耐热性 一般能耐除氢氟酸以外的常见 的各种无机酸 有机酸的腐蚀 对强碱介质 可以选用耐碱配方制造的耐碱陶瓷填料 陶瓷填料因其质脆 易碎 不宜在高冲击强度下使用 陶瓷填料价格便宜 具有很好的 表面润湿性能 工业上 主要用于气体吸收 气体洗涤 液体萃取等过程 金属填料 金属填料可以用多种材料制成 金属材质的选择主要根据物系的腐蚀性 和金属材质的耐腐蚀性来综合考虑 碳钢填料造价低 且具有良好的表面润湿性能 对于无 腐蚀或低腐蚀物系应优先考虑使用 不锈钢填料耐腐蚀性强 一般能耐除 Cl 以外常见物系的 腐蚀 但其造价较高 钛钢 特种合金钢等材质制成的填料造价极高 一般只在某些腐蚀性 极强的物系下使用 金属填料可制成薄壁结构 0 2 1 0mm 与同种类型 同种规格的陶瓷 塑料填料相比 它的通气量大 气体阻力小 且具有很高的抗冲击性能 能在高温 高压 高冲击强度下使 用 工业应用主要以金属填料为主 塑料填料 塑料填料的材质主要包括聚丙烯 PP 聚乙烯 PE 及聚氯乙烯 PVC 等 国内一般多采用聚丙烯材质 塑料填料的耐腐蚀性能较好 可耐一般的无机酸 碱和有机溶剂的腐蚀 其耐温性良好 可长期在 100 以下使用 聚丙烯填料在低温 低于 0 的条件下使用要慎重 可选用耐低温性能好的聚氯乙烯填料 塑料填料具有质轻 价廉 耐冲击 不易破碎等优点 多用于吸收 解析 萃取 除尘 等装置中 塑料填料的缺点是表面润湿性能差 在某些特殊应用场合 需要对其表面进行处 理 以提高表面润湿性能 2 42 4 操作参数的选择操作参数的选择 2 4 12 4 1 操作温度的选择操作温度的选择 对于物理吸收而言 降低操作温度 对吸收有利 但低于环境温度的操作温度因其要消耗大 量的制冷动力而一般是不可取的 所以一般情况下 取常温吸收较为有利 对于特殊条件的吸收 操作必须采用低于环境的温度操作 对于化学吸收 操作温度应根据化学反应的性质而定 既要考虑温度对化学反应速度常数 12 的影响 也要考虑对化学平衡的影响 使吸收反应具有适宜的反应速度 对于再生操作 较高的操作温度可以降低溶质的溶解度 因而有利于吸收剂的再生 2 4 22 4 2 操作压力的选择操作压力的选择 对于物理吸收 加压操作一方面有利于提高吸收过程的传质推动力而提高过程的传质速率 另 一方面 也可以减小气体的体积流率 减小吸收塔径 所以操作十分有利 但工程上 专门为吸收 操作而为气体加压 从过程的经济性角度看是不合理的 因而若在前一道工序的压力参数下可 以进行吸收操作的情况下 一般是以前道工序的压力作为吸收单元的操作压力 对于化学吸收 若过程由质量传递过程控制 则提高操作压力有利 若为化学反应过程控制 则 操作压力对过程的影响不大 可以完全根据前后工序的压力参数确定吸收操作压力 但加大吸 收压力依然可以减小气相的体积流率 对减小塔径仍然是有利的 对于减压再生 闪蒸 操作 其操作压力应以吸收剂的再生要求而定 逐次或一次从吸收压 力减至再生操作压力 逐次闪蒸的再生效果一般要优于一次闪蒸效果 2 4 32 4 3 吸收因子的选择吸收因子的选择 吸收因子是一个关联了气体处理量 吸收剂用量以及气液相平衡常数的综合的过AGLm 程参数 A L mG 吸收因子的值的大小对过程的经济性影响很大 选取较大的吸收因子 则过程的设备费用 降低而操作费用升高 在设计上 两者的数值应以过程的总费用最低为目标函数进行优化设计 后确定 从经验上看 吸收操作的目的不同 该值也有所不同 一般若以净化气体或提高溶质的 回收率为目的 则值宜在 1 2 2 0 之间 一般情况可近似取 1 4 而对于以制取液相产品AA 为目的吸收操作 值可以取小于 1 工程上更常用的确定吸收剂用量 或气提气用量 的方法A 是利用求过程的最小液气比 对于再生过程求最小气液比 进而确定适宜的液气比 即 12 min 12 S Be LYY GXX min 1 2 2 0 SS BB LL GG 1 1e Y X m 对于低浓度气体吸收过程 由于吸收过程中气液相量变化较小 则有 12 min 12 e yyL Gxx min 1 2 2 0 LL GG 13 1 1e y x m 14 第三章第三章 吸收塔的工艺计算吸收塔的工艺计算 3 13 1 基础物性数据基础物性数据 3 1 13 1 1 液相物性数据液相物性数据 对低浓度吸收过程 溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据 由化工原理 第四版 查 20 C 时水的有关数据如下 3 998 2 L kg m 6 1004 10 3 6 L Pa skg m h 2 1 726 9 942062 4 L N mkg h 525 2 1 76 10 0 633 10 L Dcmsmh 3 1 23 1 2 气相物性数据气相物性数据 混合气体平均密度 3 1 179 v kg m 空气黏度 5 1 81 10 0 065 v Pa skg m h 293K 101 3Kpa 氨气在空气中扩散系数 11 2 0 3 0 23 c 0 083 hDmsm 3 1 33 1 3 气液相平衡数据气液相平衡数据 20 101 3Kpa 下氨气在水中的溶解度系数 3 0 725 Hkmol m kpa 998 2 0 755 0 725 18 101 3 s S E m PHM P 进塔气相摩尔比 1 0 05 0 0526 1 0 05 Y 出塔气相摩尔比 2 0 0002 0 0002 1 0 0002 Y 对于纯溶剂吸收过程 进塔液相组成 2 0X 混合气体流量 kmol h 4100 273 170 542 293 22 4 Qv 15 进塔惰性气体流量 kmol h 170 542 1 0 05 162 015G 吸收过程属于底浓度吸收 平衡关系为直线 最小气液比可按下式计算 12 min12 0 05260 0002 0 752 0 0526 0 755 0 e YYL GxX 1 1e Y x m 取操作气掖比为最小气液比的 1 5 倍 可得吸收剂用量为 0 752 1 5 162 015182 753 LKmol h 3 23 2 物料衡算物料衡算 根据全塔物料衡算式 1212 12 12 0 05260 0002 00 0464 0 752 1 5 G YYL XX G YY XLX L 3 33 3 填料塔的工艺尺寸计算填料塔的工艺尺寸计算 3 3 13 3 1 塔径的计算塔径的计算 考虑到填料塔内塔的压力降 塔的操作压力为 101 325KPa 采用贝恩 霍夫泛点关联式 化工原理课程设计 P95 11 2 48 0 2 3 lg1 75 f tvvL L LvL u aW A gM 3 3 2 3 3 182 753 18 3 2896 10 162 015 28 95 4 6903 10 28 35 9 81 1 179 998 2 L V V v l kg hkg h kg hkg h g mol gm s kg m kg m 液相质量流量 W 气相质量流量 W 气相平衡摩尔质量 M 重力加速度 气相密度 液相密度 假设选用直径为 50mm 的聚丙烯塑料阶梯环为填料 则 75 1 204 0 927 0 2 114 32 KAmmat 16 1123 0 2 84 33 114 21 1793 2896 101 179 lg 1 004 0 204 1 75 9 810 927998 24 6903 10998 2 4 3482 u 0 50 85 0 6 u 4 0 5560 6 u 0 6 0 837 F F f f u um s u Vs D u u 对于散装填料 取则 0 6 4 3482 2 6089m s 算出塔径 取核较 0 5 0 85 符合 故本次设计选用此填料 3 3 2 泛点率校核泛点率校核 2 2 000 000 44100 4 03 3600 0 785 0 6 D 4 03 10010083 7 4 8133 s F V um s u f u 在 50 85 之间 所以符合要求 3 3 33 3 3 液体喷淋密度校核液体喷淋密度校核 依 Morris d0 5 f u u 以下公式为修正计算公式 1 4 1 9 50 5 GG f u K aK a u 1 4 3 1 9 50 33716 72151 368 Kmolmh kpa 2 2 1 9 50 5 LL f u K aK a u 2 23 1 9 5 0 33735 99767 242 kmolm h kpa 则 H 为溶解度系数 1 11 G GL K a K aHK a 1 11 51 3680 725 67 242 25 013 3 Kmolmh kpa 由 OG YG VV H K aK aP 0 2263m 2 162 015 25 013 101 3 0 785 0 6 19 3 4 23 4 2 填料层高度的计算填料层高度的计算 由 0 2263 22 1425 0107 OGOG ZHNm 取安全系数为 1 5 故 故取填料层高度为 8 m 1 51 5 5 01077 5161Zm 查化工原理课程设计 100 页表 5 12 散装填料分段高度推荐值查得 塑料阶梯环 h d 8 15 max 6hm 取 h d 8 得 h 8 0 6 4 8 故 填料层需要分为二段 分别高度为 4 0m 3 53 5 填料层压降的计算填料层压降的计算 填料层压降 气体通过填料层的压降采用 Eckert 关联图计算 其中横坐标为 0 0233 0 5 0 5 1 179 0 681 998 2 VL VL W W 查化工原理课程设计 P101 得 1 5 14 表 1 89 P m 纵坐标为 22 0 20 2 4 0389 1 1 179 1 004 9 81998 2 VP L L u g 0 1742 查图得 20 3 1 Eckert 图 150 9 811471 5 P Pa m z 填料层压力降1471 5 811 772 PkPa 21 第四章第四章 塔附属设备工艺计算塔附属设备工艺计算 4 14 1 塔附属高度的计算塔附属高度的计算 取塔上部空间高度可取 1 5m 塔底液相停留时间按 5min 考虑 则塔釜所占空间高度为 1 2 5 60 3302 7 0 976 0 60 785 3600 998 2 hm 考虑到气相接管所占的空间高度 底部空间高度可取 2 5m 所以塔的附属高度可以取 4 0m 填 料层在中间高度取 0 6m 所以塔高为 4 08 00 612 6mH 4 24 2 液体初始分布器和再分布器的选择与计算液体初始分布器和再分布器的选择与计算 4 2 14 2 1 液体分布器液体分布器 液体分布装置的种类多样 有喷头式 盘式 管式 槽式 及槽盘式等 工业应用以管 式 槽式 及槽盘式为主 性能优良的液体分布器设计时必须满足以下几点 液体分布均匀 评价液体分布均匀的标准是 足够的分布点密度 分布点的几何均匀 性 降液点间流量的均匀性 分布点密度 液体分布器分布点密度的选取与填料类型及规格 塔径大小 操作条件 等密切相关 各种文献推荐的值也相差较大 大致规律是 塔径越大 分布点密度越小 液体喷淋密度越小 分布点密度越大 对于 散装填料 填料尺寸越大 分布点密度越小 表 3 1 列出了散装填料塔的分布点密度推荐值 表 4 1 Eckert 的散装填料塔分布点密度推荐值 分 布点的几何均匀性 分布点在塔截面上的几何均匀分布是较之分布点密度更为重要的问题 设计中 一般需通过反复计算和绘图排列 进行比较 选择较佳方案 分布点的排列可采用 正方形 正三角形等不同方式 降夜点间流量的均匀性 为保证各分布点的流量均匀 需要分布器总体的合理设计 精细的制作和正确的安装 高性能的液体分布器 要求个分布点与平均流量的偏差小于 6 塔径 mm 分布点密度 塔截面 2 m点 D 400330 D 750170 D 1200 42 22 操作弹性大 液体分布器的操作弹性是指液体的最大负荷与最小负荷之比 设计中 一般要求液体分布器的操作弹性为 2 4 对于液体负荷变化很大的工艺过程 有时要求操作 弹性达到 10 以上 此时 分布器必须特殊设计 自由截面积大 液体分布器的自由截面积是指气体通道占塔截面积最小应在 35 以上 其他 液体分布器应结构紧凑 占用空间小 制造容易 调整和维修方便 按 Eckert 建议值 D 600 时 喷淋点密度为 261 点 m2 所以设计喷淋点密度为 261 点 m2 总布液点数 n 1 4 3 14 0 62 261 74 点 布液计算 由 43 3302 7 L9 191 10 3600 998 2 s ms 取 0 60 H 0 2 m 4 3 0 49 191 10 3 649 10 20 785 74 0 602 9 81 0 2 s L dm ng H 取 0 4dmm 由计算得 设计布液点数为 74 点 直径为 4mm 本设计采用槽盘式液体分布器 其购买方便 维修方便 而且兼容性较好 另外从操作弹性 角度来看 槽盘式分布器操作弹性一般在 10 1 左右 不仅能够完全应对本次设计的氨气气体 得吸收 而且完全有能力转型应用到其他气体得吸收 图 4 2 槽盘式液体分布器 4 2 24 2 2 液体再分布器液体再分布器 液体在乱堆填料层内向下流动时 有一种逐渐向塔壁流动的趋势 即壁流现象 为提高 塔的传质效果 当填料层高度与塔径之比超过某一数值时 填料层需分段 为改善壁流造成 的液体分布不均 在各段填料层之间安设液体再分布器 以收集来自上一填料层来的液体 为下一填料层提供均匀的液体分布 在填料层中每隔一定高度应设置一液体再分布器 23 在通常情况下 一般将液体收集器与液体分布器同时使用 构成液体收集及再分布装置 液体收集器的作用是将上层填料流下的液体收集 然后送至液体分布器进行液体再分布 液体收集再分布器的种类很多 大体上可分为两类 一类是液体收集器与液体再分布器 各自独立 分别承担液体收集和再分布的任务 另一类是集液体收集和再分布功能于一体而 制成的液体收集和再分布器 液体再分布器有与百叶窗式集液器配合使用的管式或槽盘式液体再分布器 多孔盘式再分 布器和截锥式液体再分布器 最简单的液体再分布装置为截锥式再分布器 其结构简单 安 装方便 一般多用于直径小于 0 6m 的填料塔中 以克服壁流作用对传质效率的影响 由于此次设计填料层高度为 8m 需分段 根据实际情况选取多孔盘式液体再分布器 为防 止上一填料层来的液体直接流入升气管 应于升气管上设盖帽 4 2 34 2 3 塔底液体保持管高度塔底液体保持管高度 塔底液体保持管高度可以根据液体的流率及布液孔的直径选定 由 化工单元过程及设 备课程设计 匡国柱 史启才编 北京化学工艺出版社 P277 式 6 65 可知 塔底液位保 持管高度与所需的布液孔直径两者之间的关系如下 2 2 4 Vd nkgk 布液孔直径为 4mm 液体保持管高度为 0 084m 4 22 49 191 10 22 9 81 0 785 74 0 0040 60 s L hg d nk k 为孔流系数 其值由小孔液体流动雷诺数决定 在雷诺数大于 1000 的情况下 可取 0 60 0 62 液位高度的确定应和布液孔径协调设计 使各项参数均在一定范围 对于重力式 排管液体分布器 液位保持管的高度由液体最大流率下的最高液位决定 一般取最高液位的 1 12 1 15 倍 故液体保持管高度为 1 151 15 0 0840 096696 6hhmmm 4 34 3 其它附属塔内件的选择其它附属塔内件的选择 填料塔的内件主要有填料支承装置 填料压紧装置 液体分布装置 液体收集再分布装置 等 还有封头 管法兰 筒体等 合理地选择和设计塔内件 对保证填料塔的正常操作及优 良的传质性能十分重要 4 3 14 3 1 填料支撑装置填料支撑装置 填料支撑装置的作用是支承塔内的填料 常用的填料支撑装置有栅板型 孔管型 驼峰型 等 对于散装填料 通常选用孔管型 驼峰型支撑装置 对于规整填料 通常选用栅板型支 24 撑装置 设计中 为防止在填料支撑装置处压降过大甚至液泛 要求填料支撑装置的自由截 面积应大于 75 对填料支撑装置的要求 1 具有足够的强度和刚度 能承受填料的质量 填料层的持液量以及操作中附加的压 力等 2 具有大于填料层空隙率的开孔率 防止在此首先发生液泛现象 进而导致整个填料 层的液泛 3 结构合理 有利于气 液两相的均匀分布 阻力要小 便于拆装 支撑板大体分为两类 一类为气液逆流通过的平板支撑板 板上有筛孔或为栅板式 另 一类斯气体喷射型 可分为圆柱升气管式的气体喷射型支撑板和梁式气体喷射型支撑板 由于此次设计的流程为升管式支撑板 具有气液两相分流而 行和开口面积大等特点 气体由升管侧面得狭缝进入填料层 见下图 4 3 波动较大时 塔内填料将发生浮动或相互撞击 破坏塔的正常操作 甚至损坏填料 为此 一般在填料层顶部设压板或床层限制板 见下图 4 4 4 3 24 3 2 填料压紧装置填料压紧装置 为防止在上升气流的作用下填料床层发生松动或跳动 保持操作中填料床层为一恒定的固 定床 从而必须保持均匀一致的空隙结构 使操作正常 稳定 故需在填料层上方设置填料 压紧装置 填料压紧装置分为填料压板和床层限制板两大类 对于散装填料 可选用压紧网板 也 可选用压紧栅板 在其下方 根据填料的规格敷设一层金属网 并将其与压紧栅板固定 对 于规整填料 通常选用压紧栅板 设计中 为防止在填料压紧装置处压降过大甚至发生液泛 要求填料压紧装置的自由截面积应大 70 填料压板自由放置于填料层上端 靠自身重量将填料压紧 它适用于陶瓷 石墨制成的 25 散装填料 它的作用是在高气速 高压降 和负荷突然波动时 阻止填料产生相对运动 从 而避免填料松动 破损 由于填料易碎 当碎屑淤积在床层填料的空隙间 使填料层的空隙 率下降时 填料压板可随填料层一起下落 紧紧压住填料而不会形成填料的松动 降低填料 塔的生产能力及分离效率 床层限制板用于金属散装填料 塑料散装填料及所有规整填料 它的作用是防止高气速 高压降或塔的操作突然波动时填料向上移动而造成填料层出现空洞 使传质效率下降 由于 金属及塑料填料不易破碎 且有弹性 在装填正确时不会使填料下沉 故床层限制板要固定 在塔壁上 为了便于安装和检修 填料压紧装置不能与塔壁采用连续固定方式 对于小塔可用螺钉 固定于塔壁 而大塔则用支耳固定 本次设计的填料塔采用押金网板 设置自由截面积为 85 采用支耳固定 4 3 34 3 3 气体的进出口装置气体的进出口装置 填料塔的气体进口装置尽量使气体分散均匀 同时还能防止塔内下流的液体流入气体管路 中 常用的办法是使进气管伸至塔的中心线位置 管端为向下的 45o切口或向下的缺口 这样 气体从切口或缺口处折转向上 由于这种进气管不能使气体分布均匀 所以只能用于直径在 500 以下的塔中 对于直径较大的塔 进气管的末端为向下的喇叭口 对于直径更大的塔 则应采取气体均布措施 气体的出口装置既要保证气流畅通 又要能除去被气体夹带的液体液雾 目前常用的除雾 装置有折板除雾器和丝网除雾器 折板除雾器 这种装置较简单 除雾效果较好 丝网除雾 器 这种装置效率高 可除去直径大于 5um 的液滴 4 3 44 3 4 液体的出口装置液体的出口装置 填料塔的出口装置既能使液体通畅引 排 出外 还要保证形成对塔内气体的液封 并能 防止液体夹带气体 常用的液体出口装置可采用水封 若塔内外压差较大时 可采用倒 U 形 管密封装置 本设计采用 U 形管密封装置 4 3 54 3 5 除沫装置除沫装置 除沫装置是用来除去由填料层顶部逸出的气体中的液滴 安装在液体分布器上方 当塔 内气速不大 工艺过程又无严格要求时 一般可不设除沫装置 常用的除沫装置有折板除沫器 丝网除沫器 旋流板除沫器等 折板除沫器由 的角钢制成 夹带液体的气体通过角钢通道时 由于碰撞及惯性作用达到50503mmmmmm 碰撞截留及惯性分离 分离下来的液体由导液管与进料一起进入分布器 它结构简单 不易 堵塞 压降小 但只能除去以下的液滴 且金属耗用量大 造价高 小塔有时使用 丝50 m 网除沫器是用金属丝或塑料丝编结而成 由于比表面积大 空隙率大 结构简单 使用方便 26 以及除沫效率高 可除去的微小液滴 压降小等优点 广泛应用于填料塔的除雾沫操作5 m 中 但造价高 旋流板除沫器是由固定的叶片组成的外向板 形如风车状 夹带液滴的气体 通过叶片时产生旋转和离心运动 在离心力作用下将液滴甩至塔壁 实现气液分离 除沫效 率可达 其造价比丝网便宜 除沫效果比折板好 99 4 44 4 吸收塔的流体力学参数计算吸收塔的流体力学参数计算 吸收塔的流体力学参数主要包括气体通过填料塔的压力降 泛点率 气体动能因子等 此 外 还应了解塔内液体和气体的分布状况 4 4 14 4 1 吸收塔的压力降吸收塔的压力降 填料塔的的压力降为 ppppp 321 由于常压下塔气体进出口管气速可取 10 20 采用直管进料 由 化工原理 第四版 m s 王志魁主编 化学工业出版社 P350 查得 选择热轧无缝钢管 则3257 5mmmm 则气体的进出口流速为 2 4 4100 15 097 3600 3 14 0 310 um s 则进口压强为 突然扩大 1 22 1 1 0 5 1 179 15 097134 358 2 vPuPa 出口压强为 突然缩小 0 5 22 2 1 0 50 5 0 5 1 179 15 09767 179 2 vPuPa 3 11772PPa 其他塔内件的压降 其他塔内件的压降较小 在此处可以忽略 p 所以吸收塔的总压降为 123 ppppp 134 358 67 097 11772 11973 455Pa 27 4 4 24 4 2 吸收塔的泛点率吸收塔的泛点率 填料塔的泛点率是指塔内操作气速与泛点气速的比值 操作气速是指操作条件的空塔气 速 泛点气速采用贝恩 霍根关系式计算 尽管近年来 有些研究者认为填料塔在泛点附近 操作时 仍具有较高的传质效率 但由于泛点附近流体力学性能的不稳定性 一般较难稳定 操作 故一般要求泛点在之内 而对于易起泡的物系可低至 50 85 40 吸收塔操作气速为 4 03m s 泛点气速为 4 813m s 所以泛点率为 4 03 0 837 4 813 f 对于散装填料 其泛点率的经验值为 0 5 0 85 所以符合 f u u 4 4 34 4 3 气体动能因子气体动能因子 气体动能因子是操作气速与气相密度平方根的乘积 简称 F 因子 其定义为 V Fu 故吸收塔内气体动能因子为 气能因子在常用的范围内 0 5 3 4 031 1794 7514 v Fum s kg m 从以上的各项指标分析 该吸收塔的设计合理 可以满足吸收操作的工艺要求 4 54 5 其它附属其它附属设备的计算与选择设备的计算与选择 4 5 14 5 1 吸收塔的主要接管尺寸的计算吸收塔的主要接管尺寸的计算 1 气体进料管 由上可知 气体进料管采用直管进料选择热轧无缝钢管3257 5mmmm 2 液体进料管 由于常压下塔液体进出口管速可取 故若取液体进出口流速近似为 2 5m s 则13 m s 由公式可求得液体进出口内径为 2 4 V qd u 416828 922 0 0488 998 2 3600 0 785 2 5 V q dm u 采用直管进料 查 化工原理 第四版 王志魁主编 化学工业出版社 P350 选择热轧无缝钢管 则502 5mmmm 在符合范围内 22 416828 922 998 2 3600 2 946 0 785 0 045 V q um s d 28 4 5 24 5 2 离心泵的计算与选择离心泵的计算与选择 用泵输送温度为 20 密度为 998 2Kg m3的水进入填料塔里 进料量为 4 6831m3 s 贮槽表面为大气压 填料内保持常压 表压为 0 管路为 3 10 热轧无缝钢管热轧无缝钢管 其上装有孔板流量计 其阻力系数为 8 25 一502 5mmmm 个 全开阀两个 标准弯头四个 在水槽平面与喷口处列伯努利方程 得 22 1212 12 2 ef PPuu WZZgh 其中Z1 0 Z2 12 6 P1 P2 0Pa 表压 u1 0 2 2 946 um s 查得 20 度时水的粘度为 32 1 004 1 004 10 mPa sN S m 则 4 3 0 045 2 946 998 2 13 1804 104000 1 004 10 e du R u 取钢管 e 0 2 则 0 23 68 0 1 e e dR 0 23 0 268 0 1 0 1409 0 045131804 表表 4 5 局部阻力系数汇总表 局部阻力来源 数量 在贮槽进入管中0 510 5 孔板8 2518 25 全开阀0 1720 34 标准弯头0 7543 0 总计12 09 总阻力 22 2 22 22 12 62 94611 0 0 1462 9462 94612 09193 35 0 045222 fff l uu hhh d J kg We 2 2 946 12 6 9 8193 35321 17 2 JKg max 321 17 32 77 9 8 e W Hm g 29 安全系数取 1 1 则泵的扬程为 max 1 071 07 32 7735 e HHm 3 max 321 17 18 5 79 998 2 e W Qmh 则泵的流量为 3 max 1 11 07 5 796 195 e QQmh 由以上的计算的流量及扬程 根据 IS 型离心泵性能曲线图可得 选择型号 IS60 50 160 泵合适 经查 化工原理 第四版 教科书 P351 附表 型号