合成氨原料气中CO吸收塔的设计肖永鹏

1、安徽大学江淮学院化工原理课程设计设计题目：合成氨原料气中吸收塔的设计专业班级：11化学工程与工艺学生姓名：吴雪锋学 号：JP114017指导教师：郑争志起止日期：2014.5.222014.6.8 1 引言1.1 合成氨原料气中CO2的脱除工艺发展及现状气体净化是工业上重要的过程之一。随着各工业过程的要求不同，有的需要对原料气体进行净化处理，有的需要对生产过程中产生的气体进行净化，有的需要对尾气进行净化等。在合成氨生产中，由于制气原料主要碳和含碳化合物，经制气和一氧化碳变换后，变换气中除含有对氨合成有用的氢气等，同时还含有二氧化碳、一氧化碳、甲烷、硫化氢等对氨合成有害的杂质组分。在这些杂质组分

2、中又以二氧化碳的含量最高。如在生产过程中，不及时将二氧化碳从变换气中除去，将会使后续工序无法正常进行。脱除原料气中大量二氧化碳的方法主要分为三大类：化学吸收法、物理化学法和物理吸收法。本次设计中主要运用物理吸收法。则以下主要介绍物理吸收法。物理吸收法是指吸收剂并不与二氧化碳发生化学反应的一类脱碳方法。它是基于不同压力下的二氧化碳在吸收剂中有不同的平衡溶解度这种性质而发展起来的。这类方法中的吸收剂大多为有机溶剂，它们普遍具有溶解二氧化碳量大的特点，尤其是在加压时。此外吸收剂的再生大多不必加热，仅通过简单的降压或常温气提（惰性气体吹洗）。碳酸丙烯酯脱除CO2到五十年代才有较系统的报导, 它具有许多

3、有趣的性质, 而且原料易得, 目前已广泛应用在石油化学工业中。六十年代开始, 有专利刊出, 把碳酸丙烯酯用在合成氨工业中的脱除原料气中二氧化碳。从变换气中脱出二氧化碳在合成氨工业中占有重要的位置, 过去我国较多采用水洗的方法, 由于二氧化碳在水中的溶解度很小, 大量循环水耗费巨大的动力, 水洗法所耗电能约为200瓦/（吨氨）。若用乙醇胺的水溶液脱除, 溶液再生需耗热, 在燃料紧张地区，也不可取。为此希望寻找一种有机溶剂, 既能溶解大量CO2, 而且可减压再生, 减少燃气消耗。过种观点已成为许多工程技术工作者的共同愿望。六十年代以来, 新溶剂的选用已成为酸性气体净化的基本方向。在报导中选用的溶剂

4、有碳酸丙烯酯（PC）、甘油三醋酸酯、甲氧基三甘醇醋酸酯、丁氧基二甘醇三酸酯等, 从合成的角度和物性的要求出发, 又以PC较为优越。在常压下, CO2在PC中的溶解度是其在水中的四倍, 随着压力的增加, CO2在PC中的溶解度增加尤为明显。目前不但已进行了较多的PC一CO2体系的基础数据研究, 而且到1975年为止，国外已有十个工厂用PC来脱除CO2，其中有七小工厂是处理天然气的， 二个厂是生产氢， 一个厂是合成氨原料气的净化。碳酸丙烯酯为环状有机碳酸酯类化合物，在常温下为略带芳香味的液体，纯净时无色透明，分子式为C4H6O3，相对分子质量为102.9/kmol，密度略大与水。它对二氧化碳、硫化

5、氢及一些有机硫具有较大的溶解能力，而对氢气、氮气、一氧化碳、甲烷、氧气等的溶解度要小得多。如以氢气在碳酸丙烯酯中的溶解度为基准，则同样温度与压力下二氧化碳的溶解度为氢气的130倍左右，硫化氢为氢气的420倍左右。由于不同气体在同一溶剂中溶解度差别很悬殊，这就为该溶剂用于气体混合物的分离奠定了理论基础。碳酸丙烯酯的稳定性较好，在工业上连续运转十余年后仍不影响其吸收效率。溶剂在吸收了二氧化碳和硫化氢等酸性气体后，对普通碳钢的腐蚀性仍较低，因此在工业上可用普通碳钢作为主要设备的材质。用碳酸丙烯酯作为吸收剂来吸收合成氨原料气中的二氧化碳的方法与其他脱碳方法相比，在净化度相同的情况下，也以碳酸丙烯酯法的

6、能耗和可比操作费最低。 目 录 一 概述 1.1设计依据. 1.2技术来源. 1.2设计任务及要求.二 计算过程 2.1基础数据计算. 2.1.1吸收塔的物料衡算. 2.1.2吸收剂组成和吸收剂用量. 2.1.3操作线方程. 2.1.4塔径的计算. 2.1.5填料层压降的计算. 2.1.6填料塔喷淋密度的校核.2.2填料层高度的计算. 2.2.1传质单元数的计算. 2.2.2传质单元高度的计算. 2.2.3填料层高度及塔高的计算.2.3填料塔强度设计. 2.3.1筒体. 2.3.2椭圆形封头. 2.3.3壁厚.2.4塔体各项载荷计算. 2.4.1塔重. 2.4.2塔体风载荷和风力矩计算. 2.

7、4.3群座的强度及稳定性验算. 2.4.4水压试验时塔的强度和稳定性验算. 2.4.5群座基础环设计. 2.4.6地脚螺栓强度计算设计.2.5吸收塔附件选型.三 附录四 符号说明五 小结 一 . 概 述1.1设计依据合成氨原料气中含有很多CO、CH4等有害气体，特别是CO2含量最多，在进入反应炉前必须脱除。综合吸收效果和经济效益，工业上通常用碳酸丙烯酯对吸收CO2，该过程在较低的温度和较高的压力下进行，属于物理过程。PC溶剂是循环使用的，需要对其进行解吸操作，得到再生PC和高浓度的CO2。此次设计任务主要是设计以碳酸丙烯酯（PC）脱除合成氨原料气中CO2的填料塔的设计,进气口的流量为8000

8、Nm3/h。其中，填料塔以金属鲍尔环为填料；经设计优化后的最优气液比为最小液汽比的1.45倍，计算在30和1.6MPa的操作条件下，用PC吸收固定流量原料气中的CO时，所需的吸收剂流量、吸收塔工艺尺寸、以及对各零部件和所用填料的选择，并且对主要工艺参数进行校核。由此，作出工艺流程图和装配图。1.2技术来源 1.PC脱除CO2的基本工艺流程简介本次课程设计的课题是碳酸丙烯酯（PC）脱除合成氨原料气中CO2填料塔的设计，原料气流量选定为8000Nm3/h,在操作压力1.6MPa下进入吸收塔底部，与塔顶喷淋而下的PC溶剂逆流接触，将CO2吸收。，其中CO2的含量为30%(摩尔分率)，工艺流程中还包含

9、了PC的再生等。为确保吸收CO2的吸收率以及出塔净化气体中CO20.6%（摩尔分率），应采用气-液逆流的吸收过程，在较低温度和较高压力下，选取适合的填料，使原料气经压缩机压缩后从塔底进入吸收塔，与从塔顶喷淋而下的PC溶剂逆流接触，将CO2吸收。出塔净化气体经分离器除掉的PC雾滴后入压缩机，而吸收了的PC溶液（富液）经减压阀先进行减压，而后进入闪蒸槽，将N2、H2及少量的解吸出来，经气液分离，再将此解吸气体送至压缩机进行回收，闪蒸液体借助压力进入常压解吸塔，主要将大量解吸出来，获得纯度较高的。常压解吸后，PC溶液中尚含有一定的，将PC液体借助液位差流到下部的气提解吸塔，在此与从塔底鼓入的空气逆流

10、接触，以将其中残存的进一步解吸出来，使PC液体得到较完全的再生，供吸收用。设计中再生PC中的含量2×10-5（摩尔分率）。1.3设计任务及要求1. 合成氨原料气流量8000M³/h2. 合成氨原料气组成 组分 CO2 H2 CO N2 CH4摩尔分率 0.304 0.49590.02175 0.15660.021753. 吸收剂 碳酸丙烯酯4. 主要吸收设备 填料塔5. 设计要求出塔原料气中CO2摩尔分率为0.005操作温度：30最小液气比系数：1.45操作压力：1.6MPa工艺流程的确定分离器吸收塔过滤器贫液冷却器PC泵PC液PC贮罐分离器分离罐闪蒸槽常压解析塔气提解析塔

11、分离罐PC回收塔H2、N2富液常解气洗涤后的解吸气洗液泵富液空气鼓风机变换气 二. 计算过程 2.1.1吸收塔的物料衡算气、液相流量 回收率： G=8000/22.4=357.14 2.1.2 吸收剂组成和吸收剂用量查表得 亨利系数E= 又已知操作压力为1.6Mpa(表压) 所以绝压P=1.7Mpa 可求相平衡常数一般的实际液气比与最小液气比有如下关系：经程序优化后取得b=0.69 所以1/b=1.45 即吸收剂的用量为2.1.3 操作线方程：根据式可求=0.05774故操作线方程为2.1.4 塔径的计算：组分摩尔分率0.3040.49590.021750.15660.02175经计算混合气体

12、的分子质量为纯PC体积：查通用压降关联图横坐标：纵坐标：由图得查化工原理附录： 得泛点气速 塔径 鲍尔环填料安全系数：60%85%注：选择较小的空塔气速，则压降小，动力消耗小，操作弹性大，但塔径大，设备投资高而生产能力低。低气速也不利于气液充分接触，使传质效率低。然而若选用较大气速，则压降大，动力消耗大，且操作不稳定，难于控制，但塔径小，设备投资少，故应做多方案比较。经程序优化后取安全系数为0.83。 求得 塔径 D=1.50m.2.1.5 填料层压降的计算：纵坐标：由图得横坐标： 查通用压降关联图，由上述横、纵坐标可计算填料层压降。填料的特性数据 50481.8106.40.90700089

13、.2146 1202.1.6 填料塔喷淋密度的校核：液体的喷淋密度：单位时间内每平方米塔截面上的吸收剂用量或。为使填料表面充分湿润，应保证喷淋密度高于最小喷淋密度。液体湿润速率（）=液体喷淋密度（L）/填料比表面积（） =填料体积流量/填料横截面上周长（）湿润速率是指在塔的横截面上填料周边单位长度上液体的体积流量。对直径不超过75mm的拉西环及其他填料可取最小湿润速率=0.08，为保证填料湿润均匀，还应注意使塔径与填料直径之比值D/d>10,比值过大则液体沿填料流下时常出现趋向塔壁的倾向，即壁流现象。我们所选的填料为50mm的鲍尔环，取=0.08=0.08106.4()=8.512 操作

14、条件下的喷淋密度为 L= 96.465 所以可避免壁流现象。2.2 填料层高度的计算：2.2.1 传质单元数的计算：填料层高度： 传质单元数： 2.2.2 传质单元高度的计算：查不同填料的临界表面张力值：材质聚乙烯聚氯乙烯陶瓷聚丙稀*33 406154我们选择聚乙烯材料，所以=33，已知PC表面张力 =40.28。由恩田公式（填料表面积关联式）： = =0.8461=0.8461106.4=90.024 计算式的m值 气体m值0.9350.7710.7560.7580.8 为时常压气体的粘度，其值见后附录。计算后的气体如下：=： =：=：= ：=此时可求=在i气体中的扩散系数： - i气体中扩

15、散系数 ；-，i气体分子的摩尔质量 T- 气体温度，K ； V- 原子扩散体积； P- 气体压力，大气压，16atm ，- 气体，i气体的分子扩散体积。查得各组分气体的分子扩散体积如下表：26.918.97.0717.924.22求得在i气体中扩散系数如下：=0.01038 =0.04115 =0.01056 =0.01158 在几个组分混合气体中的扩散系数：在碳酸丙稀酯中的扩散系数：查表在温度为时 =气相传质系数：液相传质系数：2.2.3 填料层高度及塔高的计算 ：=7.7751.80=13.99m取安全系数0.6 裙座取3米，塔内件（包括封头，分布器等）取3米故塔高 Z=13.99/0.6

16、+3+3=29.32米。 吸收剂循环泵功率计算和泵的选择时，则内按无缝钢管标准选择： =273则a 管路总长度估计取, 则总长为850mb. 输送吸收剂管路所需压头的估算列出由解吸塔贫液出口到吸收塔贫液入口两截面的机械能衡算方程，求出H据初步的立面布置，取液柱由操作条件一般在湍流时取0.02-0.03，这里取=0.025则液柱则液柱c. 泵功率的计算取=0.65（泵的一般为50%-70%之间）则N轴=d 泵型号的选择为防止吸收剂泄漏和爆炸，根据 液柱选DFLPH型屏蔽泵，型号为150-80（I），3台，其中2台正常使用，备用1台e 吸收塔各接管口径计算入塔气体流量 出塔气体流量入塔液体流量 出

17、塔液体流量 变换气入口管： 取50012.5 净化器出口管： 取， 。 贫液入塔管： 取， 。 富液出塔管： 取， 。2.3 填料塔强度设计2.3.1筒体筒体有钢板卷制焊成和取自大口径无缝钢管两种。该设计中，属于直径较大筒体，一般由钢板卷制，其内径必须符合公称直径的数值，且均为整数。筒体的容积、面积及重量（钢制）公称直径Dg/mm一米高的容积V1/m3一米高的内表面积F1/ m3一米高筒节钢板重量,kg厚度,mm15001.7674.7156810121862232973724462.3.2 椭圆形封头以内径为公称直径，其曲面高度h1=Dg/4,直边高度h2需据公称直径和厚度同时决定,为40m

18、m。由于n为11mm，则选择公称直径为1500mm，厚度为11mm的椭圆形封头。 标记为：Dg1500×11,JB1154-73公称直径Dg/mm曲面高度h1/mm直边高度h2/mm内表面积Fh/m2容积Vm/m3质量G/Kg1500375402.620.5132092.3.3 壁厚内压容器：Pi=1.6MPa t=30(一) 设计压力：由于操作条件较为稳定，则做大工作压力，加之无安全泄放装置，则设计压力P=(1.0-1.10)Pw,取P=1.1Pw=1.65MPa,由于P>1.6 MPa,以0.1 MPa为单位，将其圆整到1.7 MPa。（二）设计温度： 30，303K（三）

19、许用应力： 塔体选16MnR钢制压力容器中使用的钢板许用应力钢号钢板标准使用状态厚度常温强度标准30MPabMPasMPa16MnRGB6654热轧或正火6-16490345170(四) 焊缝系数:筒体或其他受压元件的纵向,环向焊缝,包括筒体与封头连接的环向焊缝,都应尽可能采用双面对接焊.采用局部无损探伤,故取=0.85(五) 厚度厚度附加量 C=C1+ C2=0.8+1.0=1.8mmC1 钢板厚度负偏差 取C1 =0.8C2 腐蚀裕量 (设计寿命为20年,由于碳酸丙烯酯的腐蚀性不大,取小于或等于0.05mm/年,单面腐蚀,则 腐蚀裕量C2 =0.05 mm/年20年=1 mm) (六) 厚

20、度计算l 低合金钢：Di3800mm min l 计算厚度： 若，则若，则（不合理）l 设计厚度： l 名义厚度：l 有效厚度：l 实际厚度：（七）液压试验校验则：2.4 塔体各项载荷计算2.4.1塔重：a. 塔体重量:b. 填料重量:c. 裙座重量:d. 封头重量:e. 塔内液重:f. 塔内附件重量: (填料塔分6层,每层133,包括塔盘等内件)g. 充水重量: (塔体除去裙座,封头等,约19米)h. 操作平台和笼式扶梯: (6个平台,每层500,扶梯20米,125/5米)塔体操作时总重量:裙座操作时重量:全塔最大重量:全塔最小重量:2.4.2.塔体风载荷和风力矩计算：（1）风载荷计算：塔高

21、为22.1，将塔高如下分段，03，310，1020,2022.1.各段风力计算如下：空气动力系数，圆筒形直立设备0.7,体型系数。风振系数，对常见塔取=1.5-1.8中同一值。在此，由于我们所设计的塔高为22.1m，则取=1.7。塔设备各段的有效直径（）塔体外径，（）笼式扶梯挡风的当量宽度，（）操作平台挡风的当量宽度，（），计算塔段的平台构件迎风的投影面积，计算的塔段高度（）。计算塔径内平行于塔体的附属管线外径，（）管线保温层厚度，（）由于无保温层，且将笼式扶梯设置成与管线布置呈，则，计算塔段中有3层平台，每层平均迎风面积为，为简化计算且从安全角度考虑，各段均取高度变化系数距地面高度m小于或等

22、于5101520300.781.01.151.251.41（2）风力矩计算：A 塔体底部（截面）弯矩：其中，塔体截面到标高10m处的距离，=7m对应于的风力。 B 裙座底部（00截面）弯矩：其中，裙座底部到标高10m处的距离，对应于的风力。 C 塔体强度及轴向稳定性校验：a 塔体危险截面（11）的各项轴向应力计算：b 塔底11截面抗压强度及轴向稳定性校验：查化工设备机械基础，显然，因此，塔底11截面满足截面抗压强度及轴向稳定性条件。c 塔底11截面抗拉强度校核： 其中，焊接形式为双面对接焊缝，采用局部无损探伤。 则满足抗拉强度条件。 综上，上述各项校核表明，塔体厚度可以满足整个塔体的强度，刚度

23、及稳定性要求。2.4.裙座的强度及稳定性验算：设,厚度附加量,则裙座有效壁厚。A 裙座底部截面的轴向应力计算：a 操作时全塔重量引起的压应力：b 风载荷引起的截面弯曲应力：B 裙座底部截面的强度及轴向稳定性校核：裙座钢材用， 即裙座出现失稳之前，材料已达弹性极限，因此强度是主要制约因素。由于，因此该裙座满足强度及稳定性要求。C 焊缝系数：此塔裙座与塔体采用对接焊，焊缝承受的组合拉应力为：查化工设备机械基础，表14-3，焊缝材料在操作温度下的许用应力为，2.4.水压试验时塔的强度和稳定性验算： A 水压试验时塔体截面的强度条件：其中为液柱静压力，因塔高约，故取，且由于，因此满足水压试验强度要求。

24、B 水压试验时裙座底部00截面的强度及轴向稳定条件 。 因此，满足强度与轴向稳定性要求2.4.5 裙座基础环设计。A 基础环内外径得确定:B 混凝土基础强度校核： 正常操作时， 水压试验时， 其中为标号为100的混凝土的许用应力，查化工设备机械基础表17-4，因此混凝土基础满足强度要求。C 基础环厚度设计计算 基础环上最大压应力值,作为工程上的近似计算,可以认为选作基础环的底面上的载荷均匀分布,基础环上无筋扳。取两者中的较大值其中混凝土上的最大压应力； 基础环面积（）， 基础板材料的许用应力，（）；对于低碳钢钢；140。 基础环截面系数（ ）偏心弯矩。取较大值=0.7183且圆整为 382.4

25、.6地脚螺栓强度计算设计塔设备在迎风侧作用在基础环上的最小应力为=2.5 吸收塔附件选型 吸收塔的辅助构件包括：液体分布器、液体再分布器、填料支承扳、填料压板或床层限制扳、气体进出口装置与排液装置等。1 液体分布器：液体在填料塔顶喷淋的均匀状况是提供塔内气液均匀分布的前决条件,也是使填料塔达到预期分离效果的保证.我们结合液体分布器选型与设计的一般要求,为保证液体分布均匀,自由截面率大,操作弹性大,不易堵塞,不易引起雾沫夹带及起泡,可用多种材料制作,且制造安装方便,容易调整水平等。为保证液体在塔截面上均布，散装填料的喷淋点数为4080个/m2,又由于我们所选填料为鲍尔环，自分布性能较差，应取较高

26、值。 散堆填料的喷淋密度指标 塔径喷淋点密度 （点/ m2塔截面） D1200mm 42选择溢流槽式分布器，其工作原理是：当液面超过堰口高度时，依靠液体自重通过堰口流出，沿着溢流管壁呈膜状流下，淋洒于填料层上。溢流槽式布液器的设计参考数据塔径喷淋槽分配槽液体负荷范围外径数量中心距数量中心距分配槽数量15001700D20430012600单槽式双槽式8.5175421602 液体再分布器：参考化工设备设计手册，选择“梁型”再分布器，适用于D>1200mm的大塔，操作弹性为，梁型再分布器与梁型气体喷射式支承扳配套使用。3 填料支承扳：填料支承板用于支承塔填料及其所持有的气体、液体的质量，同

27、时起着气液流道及气体均布作用。选择多梁型支撑板（气体喷射式支承板）。4 填料压板与床层限制扳：当塔内气液负荷较大或负荷波动较大时，塔内填料将发生浮动或相互撞击，破坏填料塔的正常操作甚至损坏填料。在此，我们选择栅条式填料压板。5 气体进出口装置与排液装置：气体进口：管的末端可制成下弯的锥形扩大器，或采用其他均布气流的装置。气体出口：在气体出口处装一除沫挡板（折板），或填料式、丝网式除雾器。液体出口：保证塔底液体顺利排出，防止塔内外气体串通。 三、附录1碳酸丙稀酯（PC）的物理化学常数（1）碳酸丙稀酯的化学式分子式；摩尔质量102.69。（2）密度值015254055 122412091198 11841169（3）粘度值202540502762531916162（4）表面张力值2832293230323132323243314155402838973789（5）在碳酸丙稀酯中的溶解度（亨利系数）252673784050E81138171017103512082、变换气的物理组成及性质（1）变换气的组成组分摩尔分率0.3040.49590.021750.15660.02175（2）时常压气体的粘度的值气体 四、符号说明英文字母 -填料层的有效比表面积， -相平衡常