化工課程設(shè)計(jì)林夢(mèng)迪 氨吸收塔 張艷輝.doc

寧波理工學(xué)院 過(guò)程工程原理課程設(shè)計(jì)題 目處理量為3.5萬(wàn)Nm3/h的氨空混合物 吸收塔設(shè)計(jì)姓 名 林夢(mèng)迪 學(xué) 號(hào) 3100501072 專業(yè)班級(jí) 化學(xué)工程與工藝101班 指導(dǎo)教師 張 艷 輝 學(xué) 院 生物與化學(xué)工程分院 完成日期 2013年 4月9 日 過(guò)程原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)姓名：林夢(mèng)迪 學(xué)號(hào)： 3100501072 班級(jí)：化學(xué)工程與工藝1.設(shè)計(jì)題目：吸收氨過(guò)程填料塔的設(shè)計(jì)試設(shè)計(jì)一座填料吸收塔，用于脫除混于空氣中的氨氣?；旌蠚怏w的處理量為3.5萬(wàn)Nm3/h，其中含氨為4%（體積分?jǐn)?shù)），要求塔頂排放氣體中含氨低于0.02%（體積分?jǐn)?shù)）。2操作條件 （1）操作壓力 常壓 （2）操作溫度 203工作日 每天24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行。4廠址 寧波地區(qū)5設(shè)計(jì)內(nèi)容 （1）吸收塔的物料衡算； （2）吸收塔的工藝尺寸計(jì)算； （3）填料層壓降的計(jì)算； （4）液體分布器簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)； （5）吸收塔接管尺寸的計(jì)算； （6）繪制生產(chǎn)工藝流程圖； （7）繪制吸收塔設(shè)計(jì)圖； （9）對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程的評(píng)述和有關(guān)問(wèn)題的討論。6設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)20下氨在水中的溶解度系數(shù)為H=0.725kmol/(m3.kPa)。附：設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的目錄目 錄1 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介2 工藝計(jì)算 2.1 基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)2.1.1 液相物性的數(shù)據(jù) 2.1.2 氣相物性數(shù)據(jù) 2.1.3 氣液相平衡數(shù)據(jù)2.1.4 物料衡算2.2 填料塔的工藝尺寸的計(jì)算2.2.1 塔徑的計(jì)算 2.2.2 填料層高度計(jì)算2.2.3 填料層壓降計(jì)算 2.2.4 吸收塔接管口徑的計(jì)算3 輔助設(shè)備的計(jì)算及選型4 設(shè)計(jì)一覽表5 對(duì)本設(shè)計(jì)的評(píng)述6 參考文獻(xiàn)7 主要符號(hào)說(shuō)明8 附圖（帶控制點(diǎn)的工藝流程簡(jiǎn)圖、主體設(shè)備設(shè)計(jì)圖）1.吸收方案的確定1.1吸收劑的選擇一般說(shuō)來(lái)，任何一種吸收劑都難以滿足以上所有要求，選用時(shí)應(yīng)針對(duì)具體情況和主要矛盾，既考慮工藝要求又兼顧經(jīng)濟(jì)合理性。工業(yè)上常用的吸收劑列于下表1 工業(yè)上常用吸收劑溶質(zhì)吸收劑溶質(zhì)吸收劑氨水、硫酸硫化氫堿液、砷堿液、有機(jī)溶劑丙酮蒸汽水苯蒸汽煤油、洗油氯化氫水丁二烯乙醇、乙腈二氧化碳水、堿液、碳酸丙烯酯二氯乙烯煤油二氧化硫水一氧化碳銅氨液本方案選擇水作為吸收劑，因?yàn)榘痹谒械娜芙舛却?，且水的揮發(fā)性小，粘度小，物理和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，對(duì)溶質(zhì)的選擇性好，又廉價(jià)易得，符合吸收過(guò)程對(duì)吸收劑的選擇要求。因氨氣不作為產(chǎn)品，故采用純?nèi)軇?.2吸收流程的確定吸收裝置的流程主要選擇逆流與并流操作。（1）逆流操作 氣相自塔底進(jìn)入由塔頂排出，液相自塔頂進(jìn)入由塔底排出，此即逆流操作。逆流操作的特點(diǎn)是，傳質(zhì)平均推動(dòng)力大，傳質(zhì)速率快，分離效率高，吸收劑利用率高。工業(yè)生產(chǎn)中多采用逆流操作。（2） 并流操作 氣液兩相均從塔頂流向塔底，即并流操作。并流操作的特點(diǎn)是，系統(tǒng)不受液流限制，可提高操作氣速，以提高生產(chǎn)能力。易溶氣體的吸收或待處理不需要吸收很完全。用水吸收氨屬高溶解度的吸收過(guò)程，為提高傳質(zhì)效率和分離效率，所以，選用逆流吸收流程。1.3操作的溫度和壓力操作壓力以選擇常壓為最佳，吸收壓力高能提高吸收過(guò)程的推動(dòng)力，但是降低了吸收劑的選擇性，同時(shí)吸收塔的造價(jià)也會(huì)升高。因此，選擇常壓兼顧了吸收和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)方面。操作溫度為常溫20，由于吸收分物理和化學(xué)吸收，低溫易于物理，氨氣的溶解度增大，但低于常溫會(huì)增加操作費(fèi)用。高溫時(shí)，反應(yīng)速度加快，但傳質(zhì)推動(dòng)力會(huì)降低。因此，常溫吸收比較合適。一般情況下，常溫吸收過(guò)程的操作費(fèi)用最經(jīng)濟(jì)。1.4塔填料的選擇填料的選擇包括確定填料的種類、規(guī)格及材質(zhì)等。所選填料既要滿足生產(chǎn)工藝的要求，又要使設(shè)備投資和操作費(fèi)用較低。1.41填料的類型填料分為散裝和規(guī)整。(1)規(guī)整填料 規(guī)整填料是按一定的幾何圖形排列，整齊堆砌的填料。規(guī)整填料種類很多，根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)可分為格柵填料、波紋填料、脈沖填料等。規(guī)整填料大多都是金屬，成本較高，而且多用于精密精餾。(2)散裝填料 散裝填料是一個(gè)個(gè)具有一定幾何形狀和尺寸的顆粒體，一般以隨機(jī)的方式堆積在塔內(nèi)，又稱為亂堆填料或顆粒填料。散裝填料根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，可分為環(huán)形填料、鞍形填料、環(huán)鞍形填料及球形填料等。散裝填料大多成本較低，符合經(jīng)濟(jì)合理性。綜上所述，本次設(shè)計(jì)選擇散裝填料。1.42填料材質(zhì)的選擇工業(yè)上，填料的材質(zhì)分為陶瓷、金屬和塑料三大類。（1） 陶瓷塑料 陶瓷填料具有良好的耐腐蝕性及耐熱性，一般能耐熱除氫氟酸以外的常見(jiàn)的各種無(wú)機(jī)酸、有機(jī)酸的腐蝕，對(duì)強(qiáng)堿介質(zhì)，可選用耐堿配方制造耐堿陶瓷填料。陶瓷填料因其質(zhì)脆、易碎，不宜在高沖擊強(qiáng)度下使用。陶瓷填料價(jià)格便宜，具有良好的表面潤(rùn)濕性能，工業(yè)上，主要用于氣體吸收、氣體洗滌、液體萃取等過(guò)程。（2） 金屬填料金屬填料可用多種材質(zhì)制成，金屬材質(zhì)的選擇主要根據(jù)物系的腐蝕性和金屬材質(zhì)的耐腐蝕性來(lái)綜合考慮。金屬填料可制成薄壁結(jié)構(gòu)（0.21.0mm），與同種類型、同種規(guī)格的陶瓷、塑料填料相比，他的通氣量大、氣體阻力小，且具有很高的抗沖擊性能，能在高溫、高壓、高沖擊強(qiáng)度下使用，工業(yè)應(yīng)用主要以金屬填料為主。（3） 塑料填料 塑料填料的材質(zhì)主要包括聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）及聚氯乙烯等，國(guó)內(nèi)一般多采用聚丙烯材質(zhì)。塑料填料的耐腐蝕性能較好，可耐一般的無(wú)機(jī)酸、堿和有機(jī)溶劑的腐蝕。其耐溫性良好，可長(zhǎng)期在100以下使用。塑料填料具有質(zhì)輕、價(jià)廉、耐沖擊、不易破碎等優(yōu)點(diǎn)，多用于吸收、解吸、萃取、除塵等裝置中。塑料填料的缺點(diǎn)是表面潤(rùn)濕性能差，在某些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，需要對(duì)其表面進(jìn)行處理，以提高表面潤(rùn)濕性能。所以本次設(shè)計(jì)選用聚丙烯填料。綜上所述，對(duì)于水吸收氨過(guò)程，在20常壓下進(jìn)行，采用工藝上采用塑料亂堆填料。1.5填料規(guī)格的選擇國(guó)內(nèi)階梯環(huán)特性數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.111.1 國(guó)內(nèi)階梯環(huán)特性數(shù)據(jù)材質(zhì)外徑d，mm外徑高厚dH比表面積at，m2/m3空隙率，m3/m3個(gè)數(shù)n，個(gè)/m3堆積密度p，kg/m3干填料因子at/3，m-1填料因子，m-1塑料253850762517.51.43819150301.576373228132.5114.289.950.900.910.9270.92981500272009980342097.857.576.868.4313175.6143.11122401208072塑料階梯環(huán)的綜合性能比較好，所以選擇D50 聚丙烯階梯環(huán)填料。1.6初步流程圖2物性數(shù)據(jù)2.1.1 液相物性的數(shù)據(jù) 水：密度=998.2 kg/m3粘度=0.001 Pas=3.6 kg/(mh)表面張力=73 dyn/cm=940 896 kg/h2NH3在水中的擴(kuò)散系數(shù)為2.1.2 氣相物性數(shù)據(jù)混合氣體的平衡摩爾質(zhì)量=0.0417+0.9629=28.52 g/mol混合氣體的平均密度=101.3*28.52/(273+20)/8.314=1.186kg/m3混合氣體的粘度可近似取為空氣的粘度，查書(shū)2得20空氣的粘度為:查書(shū)2得NH3在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為2.1.3 氣液相平衡數(shù)據(jù)查表知，20下氨在水中的溶解度系數(shù)：H=0.725kmol/(m3kPa)亨利系數(shù)：=76.38KPa相平衡常數(shù)：2.1.4 物料衡算進(jìn)塔氣相摩爾比=0.042出塔氣相摩爾比Y2=0.0002進(jìn)塔惰性氣相流量G=1397.61 吸收過(guò)程屬于低濃度吸收，最小液氣比可按下式計(jì)算對(duì)于純?nèi)軇┑奈者^(guò)程，進(jìn)塔液相組成為：X2=0取液氣操作比為1.5=1.125L=G1.125=1397.611.125=1572.31kmol/h塔底吸收液組成：X=2.2填料塔的工藝尺寸的計(jì)算2.2.1 塔徑的計(jì)算*注（條件所給為0下的體積流量，需轉(zhuǎn)化為20下的流量，即3.5萬(wàn)化為32610m3/h）采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算泛點(diǎn)氣速氣相的質(zhì)量流量=326101.186=38675kg/h液相的質(zhì)量流量（可以近似用純水的流量計(jì)算）=1572.3118.02=28333kg/h采用?？颂胤狐c(diǎn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算泛點(diǎn)速度：即：其中，空隙率和比表面積值在表1.1中均可查得。且粘度已知。A、 K取值可由表2.122.1不同類型填料的A、K值散裝填料類型AK規(guī)整填料類型AK塑料鮑爾環(huán)0.09421.75金屬階梯環(huán)0.1061.75金屬鮑爾環(huán)0.11.75瓷矩鞍0.1761.75塑料階梯環(huán)0.2041.75金屬環(huán)矩鞍0.062251.75取泛點(diǎn)率為0.8，即則 圓整后取 D=2.0m。泛點(diǎn)率校核：（對(duì)于散裝填料，其泛點(diǎn)率的經(jīng)驗(yàn)值為）填料規(guī)格校核： 在允許范圍內(nèi)液體噴淋密度校核：根據(jù)一些經(jīng)驗(yàn)值，d75mm 散裝填料的最小潤(rùn)濕速率(MWR)可取最小潤(rùn)濕速率所以 經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用合理。2.2.2填料層高度的計(jì)算液體質(zhì)量通量為氣體質(zhì)量通量為脫吸因數(shù)為：氣相總傳質(zhì)單元數(shù)為： 氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計(jì)算：不同材質(zhì)的c值見(jiàn)表2.232.2 不同材質(zhì)的c值材質(zhì)鋼陶瓷聚乙烯聚氯乙烯 碳 玻璃涂石蠟的表面表面張力，N/m10375613340 56 7320查表知，氣膜吸收系數(shù)由下式計(jì)算： 液膜吸收系數(shù)由下式計(jì)算： 表2.3 各類填料的形狀系數(shù)填料類型球棒拉西環(huán)弧鞍開(kāi)孔環(huán)值0.720.7511.191.45查表2.33得：則0.5由 得則 由 由 Z填料層高度，m設(shè)計(jì)取填料層高度為：對(duì)于階梯環(huán)填料，將填料層分為2段設(shè)置，每段3.5m，兩段間設(shè)置一個(gè)液體再分布器。2.2.3填料層壓降計(jì)算采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算填料層壓降橫坐標(biāo)為：已知：縱坐標(biāo)為：圖2.1通用壓降關(guān)聯(lián)圖查圖2.14得，填料層壓降為：*注（此處讀圖將引起較大誤差）2.2.4吸收塔接管口徑計(jì)算氣體進(jìn)氣口氣速取60m/s，液體進(jìn)液口流速取1.2m/s氣體進(jìn)出口管直徑：液體流量： 液體進(jìn)出口管直徑： 按標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼管管徑規(guī)格進(jìn)行圓整后得，氣體進(jìn)出管管徑，液體進(jìn)出管管徑標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼管管徑規(guī)格見(jiàn)表2.4 表2.4 不銹鋼管管徑規(guī)格6x134x2-870x3-10152x3-208x1-236x2-873x3-10159x3-2510x1-238x2-876x2-16168x3-3012x1-340x2-880x2-16180x3-3014x1-442x2-883x2-16219x4-3516x1-445x2-889x2-16245x5-3518x1-448x2-895x2.5