化工原理课程设计(共30页)

1、 2008级化学工程与工艺专业化工原理课程设计说明书 题 目：含高硫气体的脱硫设备喷旋塔的设计姓 名：班级学号：指导老师：同组学生名：完成时间：2011年6月8日 化工原理课程设计评分细则评审单元评审要素评审内涵评审等级检查方法指导老师评分检阅老师评分设计说明书35%格式规范是否符合规定的格式要求5-44-33-22-1格式标准内容完整设计任务书、评分标准、主要设备计算、作图、后记、参考文献、小组成员及承担任务10-88-66-44-1设计任务书设计方案方案是否合理及是否有创新10-88-66-44-1计算记录工艺计算过 程计算过程是否正确、完整和规范10-88-66-44-1计算记录设计图纸

2、30%图面布置 图纸幅面、比例、标题栏、明细栏是否规范10-88-66-44-1图面布置标准标注文字、符号、代号标注是否清晰、正确10-88-66-44-1标注标准与设计吻合图纸设备规格与计算结果是否吻合10-88-66-44-1比较图纸与说明书平时成绩20%出勤计算、上机、手工制图10-88-66-44-1现场考察卫生与纪律设计室是否整洁、卫生、文明10-88-66-44-1答辩成绩15%内容表述答辩表述是否清楚5-44-33-22-1现场考察内容是否全面5-44-33-22-1回答问题回答问题是否正确5-44-33-22-1总 分综合成绩 成绩等级 指导老师 评阅老师 （签名） （签名）

3、年 月 日 年 月 日 说明：评定成绩分为优秀(90-100),良好(80-89)，中等(70-79)，及格(60-69)和不及格(<60)目 录第一章 设计说明书····································

4、;·································（2）第二章 喷射器的设计计算和说明··············

5、;··································（6） 2.1喷射器结构参数计算·············&

6、#183;·················································（

7、8）2.2喷射器的设计小结················································

8、;·················（12）第三章 旋流塔的设计计算和说明·····························

9、3;·······················（12）3.1设计依据及工艺计算························

10、······································（14）3.2下段旋流板结构参数计算·········

11、···············································（15）3.3上段旋流板参数和塔板数

12、目的确定············································（22）3.4除雾板结构设计···

13、··················································

14、···············（24）3.5 升气帽尺寸·································

15、;········································（25）3.6全塔压力降的估算·······&#

16、183;·················································&#

17、183;·······（26）3.7旋流板塔设计小结········································

18、;·························（26）课程设计心得体会·······················

19、;··············································（27）参考文献··

20、83;·················································

21、83;······························（28）化工原理课程设计任务书设计题目含高硫气体的脱硫设备喷旋塔的设计1、 设计条件（1） 处理气量：4000 m3/h（2） 处理前气体含H2S 15 g /Nm3,要求脱硫后达0.1 g /Nm3（3） 吸收液脱硫液硫容为0.17

22、 g H2S/L吸收液，则每小时所需的吸收液总量LT为： LT=相应的液气比R=2、 设计内容及要求3.1设计说明书内容及要求(1)绪言 设计在工业生产中的意义，选用喷旋塔的考虑(2)脱硫流程及设备 要求流程示意图，流程简要说明(3)喷旋塔设计计算书 A、喷射器的设计 B、旋流板塔的设计3.2 设计图纸 (1)喷旋塔总装配图 (2)喷射器装配图 (3)旋流板塔装配图3.3结束语 3.4参考文献第一章 含高硫气体的脱硫设备喷旋塔设计说明书1.绪言 自然界中存在大量硫酸盐，它们是地壳和生物体的组成部分，但在缺氧和还原性条件下，微生物能使其转化为，除逸人大气外，也会转移到天然气、原油和煤等资源中。因

23、而，这些资源的开采、加工和利用过程都存在脱除的问题。例如，作为燃料或化工原料使用的天然气必须脱硫，否则会产生大量污染大气，或给产品带人大量杂质，或使催化剂中毒失活；炼油工业的加氢脱硫和催化裂解过程产生大量含高浓度的气体，需要脱硫；城市煤气生产过程中，煤中硫转化为进入煤气，为保护环境和避免输送煤气的管道被腐蚀，煤气必须脱硫；某些化工反应过程，如合成氨、硫化染料、某些农药生产、碱法造纸、黏胶纤维和玻璃纸的生产等都产生大量含气体，需要脱硫。当前合成氨的生产方法有（见图1）原料 制气 净化 精制 压缩 合成 氨回收 产品氨气体 制气 净化 精制 按压力分 按反应 回收方 生产规原料 方法 方法 方法

24、atm 器分 法 模t/d天然气 蒸汽转化 吸附 甲烷化 高压法 轴向流动 水洗回收 大型炼气厂 部分氧化 吸收 铜洗 7001000 反应器 冷凝回收 1000液化石油气 除尘 干燥 中压法 中型液体原料 220320 径向辐射流 250石脑油 低压法 动反应器 小型重油 70150 10100 固体原料 常压法焦炭 按压缩机分煤 往复压缩机 涡轮压缩机图1 合成氨的生产方法一览由于原料中含硫，所以“制气”所得的粗合成气中含有H2S（因为粗合成气是在还原条件下制备的，所以不会是SO2）。如何经济、高效地脱除粗合成气中的H2S，这是所有化肥厂关心的问题。 目前解决大气量、含高硫的气体的脱硫问题

25、的有效方法之一是氨水吸收H2S。 根据任务书给定的设计条件，相应的液比气为87.65/Nm3,而按常规设计，一般脱硫塔型的适宜液气比为（见表1）：表1 不同塔型的适宜液气比塔的类型填料塔喷射塔湍球塔旋流板塔适宜液气比，815204010151015实践证明，一支喷射器可以通过100120m3/h溶液，能将气体中5080%的H2S除去，而剩余的H2S再用高效的旋流板塔加以除净。所以我们决定采用喷旋塔。采用喷射器，还能对旋流板塔（或其他塔型）起到调节和分流溶液的作用，以保证后者阻力小、不液泛，能够发挥正常的脱硫作用。2.脱硫过程及设备 喷旋塔适宜于用在氨水液相催化法或其他方法中脱除高硫，经泵加压到

26、23kg/cm2（表压）的贫液，由专用管送入喷射器上的39个喷嘴，喷成射流的溶液以高度分散相在吸引室与含高硫的气体相遇，同时并流进入喉管和尾管，进行H2S的强化吸收过程。然后两者同入旋流板塔的下部，溶液借重力的作用与气体分离后，从塔底流至地下槽（富液槽）；气体在旋流板塔中由下而上经叶片间开孔穿过塔板，吸收液在塔中由上而下流动，首先落在旋流板的中心盲板上，击成细流后分配到各叶片，随即被从叶片之间上穿的气流喷成液滴，并随着旋转的气流借离心力作用甩向塔壁。液体沿塔壁螺旋地下流到环形集液槽，然后由溢流管导向下一块旋流板的中心盲板上。脱液后的气体由塔顶排出。 液槽中的富液经富液泵送往再生装置。3设计依据

27、及工艺计算 （1）粗合成气的组成： 气体成分H2N2COCO2O2CH4合计含量，%V421926110.71.3100（2）吨氨消耗定额：3600Nm3/t NH3 (3) 气体压力：罗茨鼓风机出口压力，4800mmH2O柱 (4) 气体温度：位置喷射器入口喷射器出口旋流板塔出口温度，383736（5）气体H2S含量：位置喷射器入口喷射器出口旋流板塔出口含量，g/Nm31560.1（6）脱硫溶液组成：溶液名称组成指标总氨含量，ml/l碳化度，C/A总含量,g/m3贫液10.6020富液10.65240(7)液体压力：喷射器入口，34kg/cm2(表压) （8）溶液温度：喷射器入口，32；旋流

28、板塔入口，324原始数据计算（1）干粗合成气量的计算 设日产氨33t，则每小时的为 设气体在进喷射器前的净化设备中，部分CO2和H2S被吸收，总体积减少1%左右，故取=4900Nm3 /h（2）湿粗合成气量V湿的计算 查饱和水蒸气的蒸汽压表1，得知温度t=38，蒸汽压=49.65mmH2O;并设气体在罗茨鼓风机后，进喷射器前的阻力降为200mmH2O,则 （式中13.61mmHg约等于13.6mmH2O） 湿气组成如下：气体成分H2OH2N2COCO2O2CH4含量，%V4.5540.0918.1324.8210.500.671.24（3）实际操作气体量的计算 （4）气体平均分子量的计算第二章

29、 喷射器设计计算和说明喷射器喷射器有两种，一种普通型，一种聚焦型。两种喷射器的净化效率均可达到6085%。今设计采用普通型喷射器，作分离体如图2。图中G p工作流的重量流量，kg/s；P 工作流的速度，m/s; GH引射流的重量流量，kg/s；H 引射流的速度，m/s;收缩管的半角，度；E自截面-至喉管始端的收缩管的边长，m；l 喉管长度，m; P2混合流作用在分 图2 普通型喷射器的分离体图离体截面处的反作用力为P2（正向），其中P2在截面-处混合流的压强，kg/m2，该截面处的通道面积，m2；喉管直径，m 。 基于动量和外力的分析，可得 = （1）式中： （2） B= （3） （4）故式（

30、1）亦可写作 （5） 上述公式中（除图4中已有者外）： K 扩压管的扩压效率（在扩压管中的流体所能恢复成静压的这部分动能与其总动能之比） 喷射器的增压（尾管中背压减去喷射器入口处引射流的压强P1之差，即=-，kg/m2 喷射器入口处引射流的压强，kg/m2 在截面-处引射流的压强，kg/m2 气液混合物的重度，kg/m3 在截面-处工作流的速度，m/s 在截面-处环隙间引射流速度，m/s 管壁的摩擦系数 其中-表示引射流从喷射器入口至喷嘴截面处压强的损失，由于该段尺寸很小，可以忽略不计，也可用下式计算： -= （在截面-处工作流的压强，kg/m2） 由（5）可求出喉管的直径 , m （ 6）实

31、践证明，喷射器尾管亦具有不可忽略的脱硫作用。按传质方程式求得尾管 应有的高度为： （7） 式中 尾管的吸收容积，m3 每小时通过尾管的粗合成气干气量，Nm3/h C1尾管入口气相中H2S含量，g/Nm3 C2尾管出口气相中H2S含量，g/Nm3 容积传质系数， 尾管的直径，m 2.1喷射器结构参数计算（1）喷射器溶液循环量的计算因其重度p=1038kg/m3，故其重量流量GP为（2）粗合成气重量流量 (3)气液混合物的重度（4）喷嘴孔径取喷嘴的液体入口压力为3.5 kg/cm2，则喷射压力P喷嘴流速式中0.95流速系数现选用三孔喷嘴，每孔流量为则喷嘴的俯视图如下（见图3）：液体入口管径232m

32、m，以螺纹与进液管相连；喷口形成的射流聚焦于一点，调节进液管长度，使焦点位于距喉管约45mm的中心轴上。将喷嘴制成半角为，以便减少液体在喷射器中的压力降。 （5）喉管直径根据动量和外力分析的结果，得出式中喷射器入口处引射流的压强，kg/cm2 在截面-处引射流的压强，kg/cm2 B= 式中溶液重量流量,60.32 kg/s 图3 喷嘴俯视图 喷嘴流速,22.8m/s喷射器收缩管锥体环隙气流速度，取= 20m/s粗合成气的重量流量，1.189 kg/s算得B= 式中K扩压效率，因扩压值甚微，取K=0 管壁的摩擦系数，取=0.015 喉管的长径比，一般=0.51.5，现取为0.5算得C=由-0,

33、 =0.5(即l=)，现取=150mmH2O,于是 = = 用试差法求解:令=0.05460 方程两端恰好相等， = 取喉管外径299mm，壁厚7.5mm。（299×7.5）(参见YB231-70热轧无缝钢管规格与重量1)（6）喉管长度（7）吸引室尺寸按经验，可取=1.5式中喷射器气体入口管直径，取入口管中的气速=10m/s,则取气体入口管外径402mm,壁厚9mm（402×9）一般=（1.52），现取=1.72，则 （8）收缩管尺寸取收缩管全角为32°，则收缩管长度为（9）扩压管尺寸取按YB231-70热轧无缝钢管规格与重量1圆整， 取=480mm，壁厚9mm；

34、取扩压管全角为7°；已知喉管为（299×7）。扩压管长度 （10）尾管尺寸尾管的吸收容积式中 图4 喷射器设计尺寸 K气a-容积吸收系数，一般为2000-5000h-1在本设计条件下，通过实 测，K气a=4400h-1。 尾管直径，已取为（451×9） 2.2喷射器设计小结表2 喷射器结构参数管名直径/mm长度/mm厚度/mm选型入口管/液232-6.5245×6.5吸引室6031038-入口管/气384-9402×9收缩管-530-喉管284149.57.5299×7.5扩压管-1480-尾管46253009480×9第三

35、章 旋流塔的设计计算和说明旋流板塔由分离段、简体、塔板、封头及管口等部件组成。据悉3，旋流板塔的操作气速可比一般塔板大几倍，与湍球塔相当；单板效率可达5060%，与湍球塔试验对比，约为后者的60%。塔板为旋流板，其结构示意图如图5所示，由盲板、旋流叶片、罩筒、溢流口及溢流管等组成。、分别代表盲板直径，旋流板片直径和塔径。板片开缝线外端于半径的夹角，称为径向角(如图6所示)。 图5 旋流板结构示意图 （8） 每块板片内端与盲板相连，外端与罩筒相连，板片的一侧翘起，外端端线与板平面的夹角，即板片与板平面的夹角，称为板片的仰角： = （9） 亦即： 开孔面积=板片区面积×= 考虑到板片厚度

36、，则塔板开孔面积A0： （10） 式中 m板片数 板片厚度 旋流板的开孔率=开孔面积/塔截面总面积 图6 板片的径向角即 （11）塔板阻力降式中测得的安置塔板时塔底段的表压 无塔板时塔底段的表压测得的、对空速W在双对数坐标纸上标绘后，都得到斜率接近于（1.922.0）的直线，故应用一般的阻力降公式进行关联时，即阻力系数很接近于常数。式中气体的重度，Kg/m3气荷因子（气流的空塔动能因子），设为空气穿过旋流板片开孔的穿孔气荷因子，用表示阻力降时， =穿孔负荷因子 （12）式中操作状态下的气量，m3/h 操作状态下的气体重度，Kg/m3旋流板塔的压力降可用下式估算： （13）如果叶片的AB边翘起，

37、气体穿过AB边下面的空隙上升时，气流方向朝向中央盲板，此时的旋流板称为内向板；如果叶片的CD边翘起，气体穿过CD边下面的空隙上升时，气流方向朝向外围塔壁，此时旋流板称为外向板。故内向板用于传质，外向板用于分离（如除雾、除尘等）。3.1设计依据及工艺计算（1）气体成分：（同前）（2）下段气体入口H2S含量：6g/Nm3 出口H2S含量：1.3g/Nm3 上段气体出口H2S含量：0.1 g/Nm3（3）气体入口压力： 4800-200+150=4750mmH2O (式中150为增压值)（4）下段溶液平均硫容量：0.17g/l 上段溶液平均硫容量：0.12g/l (5)下段塔顶溶液总氮含量A：20滴

38、度（即1mol/l） 总CO2含量：入口，=0.63mol/l ；出口，=0.65mol/l（6）塔内气体温度：37（7）入塔干粗合成气量的计算 假定在喷射器中气体总体积减少2%,则 取=4850Nm3/h（8）湿粗合成气量的计算 查饱和水蒸汽的蒸汽压表1 ，得知温度t=37时，蒸汽压=47.07mmHg， （9）操作状态下的气量的计算 （10）下段溶液喷淋量的计算 下段液气比=（11)上段溶液喷淋量的计算 上段液气比=（12）湿气组成如下气体成分H2OCOCO2O2CH4N2合计含量，%V4.2424.9010.530.671049.66100湿气的平均分子量的计算操作状态的重度的计算3.2

39、下段旋流板结构参数计算3.2.1下段塔板参数的初算（1）板片直径的初算 取=700mm（2）盲板直径 按 取=273mm（273×6.5）（3）塔径 按=1.2=840mm 取=1000mm，则塔截面积(4)取旋流板叶片数m=24片，叶片厚度=3mm（5）取叶片仰角=25°3.2.2校核穿孔负荷因子（1）开孔面积由式（10）知，（2）穿孔负荷因子由式（12）知，校核结论：>9,说明以上计算尺寸可以适用。3.2.3 下段旋流板其他参数的设计（1）板片径向角采用切向板，由式（8）知，（2）罩筒高度在盲板与旋流板之间的开孔区，系按15块叶片下料，但以20块叶片组装 计算罩筒

40、高度时，式中m应取20：取=50mm两叶片外端之间间距：（3）板间距H 取溢流口液体流速为v=0.4m/s ，则 为了利于气液分离，取（4）溢流装置溢流口面积溢流口总面积溢流口取3个，则每个溢流口面积溢流口的长宽尺寸环板区宽度取弧形溢流口宽b=70mm=7cm 则弧形溢流口长检验溢流口液体流速v： 检验结果，符合要求。溢流管直径溢流管直径现取159×6钢管3根，即管内液体流速： (符合要求)溢流管全长：式中集液管管径，取集液管内液体流速=1m/s则 取,即245×6.5,其长度取其中异形管长度(5)塔板的开孔率按式（11），旋流板开孔率3.2.4下段旋流板塔板数目的确定设塔

41、顶气相中的H2S含量，kmolH2S/kmol惰性气体设塔底气相中的H2S含量，kmolH2S/kmol惰性气体设底液相中的H2S含量，kmolH2S/kmol氨水设塔底液相中的H2S含量，kmolH2S/kmol氨水则 下段塔顶H2S和NH3的平衡分压：因下段塔顶溶液中总氨量A=1mol/l总CO2=0.63mol/l总H2S=20g/m3=0.000588mol/l2.560x2+0.3328x-0.63=0解得x=0.435即HCO3-=0.435mol/lNH3=HCO3-+A-2C-S =0.435+1-2×0.63-0.000588 =0.1744mol/lCO32-=(

42、K4HCO3-NH3/C)+S =(0.0665×0.435×0.1744/0.63)+0.000588 =0.008596NH4+=C+S-CO32-=0.63+0.000588-0.008596=0.622mol/lNH2COO-=K3HCO-NH3=2.455×0.435×0.1744=0.18625mol/lA=NH3+NH4+NH2COO-=0.1744+0.622+0.18625=0.982651mol/l 证明计算基本正确。求得液相组成后，气相平衡分压可按下式计算： (14) （15） （16）式中 （17）（m常数，见小氮肥工艺手册4）H

43、NH3氨的亨利系数，可用下式估算 （18）（H0氨在纯水中的亨利系数，见参考文献5）查表得35时，a=-1.55,m=0.1798代入式（17），得代入式（14），得由式，得 式中假定气体通过旋流板塔下段阻力降为200mmH2O1m3=1000升，其中含H2S：0.0523升H2S=即与0.00525% 相当的每立方米气体中H2S的克数为说明在此条件下可以满足脱硫指标要求。理论塔板数的计算 由 （19）得m=则A= （20） （21）实际塔板数的计算= （22）式中取E0为30%，则ET=故=为留有余量，今取塔板数为7块。3.3上段旋流板参数和塔板数目的确定为使制作方便，取塔体直径等参数与下段

44、一致，即：DT=1000 mm DX=700mm Dm= 273mm B=150mm m=24 = 3mm =25 hz= 50mm H=500mm校核穿孔负荷因子F0由于粗合成气组成变化不大，仍取其分子量=18.68.实际气体重度为：已设下段气体的压力降P下=300mmH2O,今设上段气体的压力降P上=100mmH2O,则在上段吸收的CO2，由总CO2含量计算，得操作状态下实际气量 为：故气体穿孔负荷因子 为： F09，说明所选参数基本合适。确定溢流装置：取溢流口总面积每个溢流口面积（i=3）：=溢流口液体流速v： 取b=5cm，则弧形溢流口长为：溢流管直径（取=0.89m/s）故取95&#

45、215;3.5钢管3根，即上段塔板数目的确定上段气体进口处H2S含量 ：假定气体体积不变，则上段气体出口处H2S含量 ： 因上段和下段的入口溶液组成皆相同，且A、C、S、K3、K4等均相同，故H2S的分压亦相等，即有：=则取E0=80%，则 因考虑到所取的下段塔板数比计算值多2块，已留有较大的余地了，参照工厂实际使用经验，则上段实际塔板数取4块即可。3.4除雾板结构设计 除雾板即外向板，气液通过外向板被甩至塔壁的行程，要比内向板短捷，能增加气液分离效率。 除雾板无须设置溢流口及溢流管，一般可将除雾板的中心盲板尺寸适当放大一些，以提高气体穿孔负荷因子，则更有利于气液分离。 本设计中所取除雾板的尺寸为 表3 除雾板的结构参数 校核气体穿孔负荷因子： 在1012之间，对分离板合适。 3.5升气帽尺寸取实际流速为7m/s,则 解得取480×9钢管一截。升气帽筒体高度（不包括罩高）考虑上段溶液出口液封作用，按经验，取 则罩帽高度（取为1/3）188mm3.6全塔压力降的估算（1）下段压力降由式（13）知， (2)上段压力降计算同上（3）取升气帽压力降=10mmH2O则全塔总压力降