处理量为4470Nm3h40%氨气含量的填料吸收塔设计课程设计xin

目录TOC\o"1-3"\h\u12489第一章填料塔吸收氨设计方案 第一章填料塔吸收氨设计方案1.1概述气体吸收是利用气体在液体中的溶解度差异来分离气态均相混合物的一种单元操作。用于吸收的设备类型很多，如填料塔、板式塔、鼓泡塔和喷洒塔等。本次设计拟用填料塔，这是由于填料塔结构简单，便于腐蚀材料制造，以及压降小、吸收效果好、装置灵活等优点。1.2设计方案的确定1.2.1流程方案本设计任务为，拟采用清水逆流操作吸收氨的工艺路线。吸收液（清水）经离心泵由地下送至吸收塔塔顶，气态混合物（氨和一氧化碳）经风机由储罐送入吸收塔塔底，采用逆流操作的方式，吸收混合气中的氨，从而达到气相混合物分离的目的。1.2.2设备方案本设计设备已选定，任务是设计处理量为4470Nm³/h，40%氨气的填料吸收塔。填料塔有负荷通量大、阻力低、持液量小、效率高、操作弹性大等优点。1.2.3流程布置方案逆流操作是气相自塔底进入，由塔顶排出，液相流向与之相反，自塔顶进入，由塔底排出的过程。逆流操作有平均推动力大于并流，吸收利用率高，并且分离一定任务时所需传质面积小、吸收剂用量少等优点。而本设计的处理量为4470Nm³/h,初步考虑处理量较小、吸收塔为小塔径，传质面积小、所需吸收剂用量少等因素，所以采用逆流操作。1.3填料的选择1.3.1吸收过程对填料的要求1.比表面积要大。表面积是指单位堆积体积和填料所具有的比较面积，㎡/m³。2.能提供大的流体通量。即所选用的填料结构要敞开，使属于死角区域的空间小，有效的空隙率大。3.液体的再分布性能要好，具体结构为：(1)填料在塔内装填之后，整个床层结构均匀；(2)填料在塔内堆放的形状应有利于流体向四周分布；(3)填料本身的结构要保证同一塔截面积上的填料在接受上面流下的液体之后，不仅能垂直向下传递，而且能横向传递；(4)减轻液体向壁面的偏流。4.要有足够的机械强度，尤其是非金属材料。5.价格低廉，稳定性好。综合以上的要求，选取两种填料见表1-1：表1-1塑料鲍尔环和塑料阶梯环的填料特性填料类型塑料鲍尔环塑料阶梯环外径（mm）堆积密度（pkg/m³）502587.597.8比表面积（at㎡/m³）106.4228空隙率（㎡/m³）0.900.90干填料因子（）146313填料因子（）120240高厚（）481.817.51.4第二章工艺计算2.1概述2.1.1吸收设计计算过程主要包括：1.确定气液平衡关系；2.确定吸收剂用量及操作线方程；3.填料的选择；4.确定塔径及塔的流体力学性能计算；5.填料层高度的计算；6.管路及辅助设备的计算。2.1.2设计条件1.混合气体处理量：4470Nm³/h。2.原料气组成：NH340%，空气60%（体积分率）。3.原料气温度：35℃。4.吸收率：不低于94%。5.吸收剂：地下水（温度25℃）。6.操作压力：89590Pa（按呼市地区大气压计）。2.2气液平衡关系2.2.1非等温吸收时的平衡关系本设计任务为填料塔吸收合成氨厂精炼再生气中的氨，吸收剂为清水，而氨极易溶于水，水吸收氨会产生很大的热效应，使塔内温度显著升高，对气液平衡关系和吸收速率产生很大影响。气液平衡关系是温度的函数，温度升高，平衡关系便要改变，所以气液平衡关系不符合亨利定律。本设计应按非等温吸收来计算。非等温吸收的热效应主要包括：1.吸收质与吸收剂混合时产生的混合热，即溶解热。2.气体溶解时由气态转变为液态时放出的潜热。3.化学反应热。物理吸收计算中只考虑溶解热，溶解热分为积分溶解热和微分溶解热。在吸收过程中所用的吸收剂量很大，液相浓度一般变化较小，于是混合热可考虑为微分溶解热。在假定非等温吸收的平衡关系时，为简化计算，通常做如下三点假设：1.不考虑热损失。2.吸收剂带走的潜热不计。3.气相带走的热量不计。根据该三点假设，即是假定吸收过程中所释放出的热量全部用来加热液体。对于本设计，水吸收氨放出大量的热，吸收塔由塔顶到塔底的浓度及温度变化较大，平衡关系的确定常采用近似法。将吸收塔按液相浓度x的变化分成若干段，每段浓度变化为,如图2-1所示，对第i段作热量衡算：图2-1非等温吸收时的热衡算::i-1图2-1非等温吸收时的热衡算::i-1ii+1::i假设出口吸收液的组=0.1，将浓度0～0.1，分为20段，即每段的浓度变化为；由公式：推出:式中：，—第i段两端的液相温度，℃；—第i段两端的液相浓度差；—溶液流率，Kmol/h(由于很小，L可视为常数)—溶液的平均比热，(KJ/Kmol·℃)—溶质的微分溶解热，KJ/Kmol(取和间的平均值)。在塔顶液相浓度=0，温度=25℃的情况下，由如上公式逐段计算出每个下的液相温度，建立吸收塔中液相浓度x与温度t的对应关系。2.2.2平衡关系的确定在非等温吸收操作中，吸收塔内液相的浓度和温度分别由塔顶处的，增加到塔底处的，。在此液相浓度和温度范围内，随着和t的变化，气液两相的平衡关系也在改变，即不同温度对应着不同的平衡曲线。1.实际平衡关系由经验公式来确定。对于氨气和水溶液的平衡物系，有如下经验公式：式中:—氨在水溶液中的摩尔分率；T—溶液的温度，K；—溶液上方氨的平衡分压，㎜Hg；当<0.1时，氨在水中的微分溶解热可按如下经验公式计算：Hd=34900-6250x(kJ/kmol)式中：Hd—氨在水中的微分溶解热，kJ/kmol。氨气平均比热容为：=(4.238-4.215*10-3*T+2.041*10-5*T2-2.126*10-8*T3+0.761*10-11*T4)*8.314本设计为常温下吸收，气相可视为理想气体，按道尔顿分压定律，计算得到与相平衡的：式中:P—表示操作压强，㎜Hg。5.计算结果如下表2-1：ye表2-1平衡关系的数据汇总xClT℃yeXYy0.00075.21325.0000.0000.0000.0400.0390.00534884.37574.97827.3190.0050.0050.0980.0900.01034853.12574.74529.6430.0130.0100.1570.1360.01534821.87574.54331.9730.0220.0150.2160.1780.02034790.62574.34834.3060.0340.0200.2760.2160.02534759.37574.15336.6440.0480.0260.3360.2520.03034728.12573.96038.9860.0650.0310.3970.2840.03534696.87573.76641.3310.0840.0360.4590.3150.04034665.62573.57443.6810.1070.0420.5210.3430.04534634.37573.38246.0350.1340.0470.5840.3690.05034603.12573.19148.3920.1660.0530.6480.3930.05534571.87573.00550.7540.2010.0580.7120.4160.06034540.62572.83153.1200.2430.0640.7770.4370.06534509.37572.64055.4890.2900.0700.8430.4570.07034478.12572.48657.8620.3430.0750.9090.4760.07534446.87572.30760.2380.4040.0810.9760.4940.08034415.62572.07762.6180.4720.0871.0440.5110.08534384.37571.84765.0030.5490.0931.1120.5270.09034353.12571.61967.3940.6360.0991.1820.5420.09534321.87571.39169.7900.7330.1051.2520.5560.10034290.62571.16372.1920.8420.1111.3230.5695.根据表2-1数据，依各点的x与ye关系作出非等温吸收的平衡关系曲线。图2-2等温吸收时的平衡关系及操作线2.3吸收剂用量及操作线的确定2.3.1吸收剂用量的确定1.最小吸收剂用量式中：V—表示惰性气体流率，Kmol/h；—表示最小吸收剂用量；Y、X—表示气相和液相组成，摩尔比。摩尔比：；下标：1—表示塔底；2—表示塔顶；—表示与平衡的液相组成，摩尔比。水吸收氨属于易溶气体的吸收，需要根据塔底气相浓度，由平衡关系找出与之对应的，然后计算，后代入上式，从而确定最小吸收剂用量。2.吸收剂用量3．吸收剂计算其中：（为汽液平衡线纵坐标y=0.40时的横坐标），。根据上式可算出：，X2=0所以即最小吸收剂用量Lmin=7.6933×254.627=1958.9219kmol/h由上式得，取1.5倍，所以所以吸收剂用量L=11.5933×V=11.5933×254.627=2938.370kmol/h2.3.2操作线方程的确定对于逆流操作的吸收塔，在任一塔界面m-n与塔底或塔顶作物料衡算：或MMN图2-3逆流吸收塔的物料衡算由以上计算可得操作线方程为：由于是高浓度氨水吸收式可得到：于是：经过化简得：即操作线方程为：（式2-1）依据操作线方程及表2-1画出操作线图。见图2-1。2.4物性参数的计算2.4.1出口温度及平均温度因为吸收液组成为=0.0515，介于0.0500～0.0550之间，如下表：表2-2吸收液组成对应的温度表X0.05000.0550t48.392350.7541由内插法得:所以=49.1008℃平均温度℃2.4.2氨水的质量分数2.4.3气相密度塔底混合气摩尔质量：塔底混合气密度：塔顶混合气摩尔质量：塔顶混合气密度：气相密度：2.4.4液相密度表2-3水的质量分数温度密度对照表质量分数W20℃25℃2﹪4﹪989.5981.1998980利用外推法:当t=20℃时，，即当t=25℃时，，即当t=37.0504℃时,,即2.4.5液体黏度表2-4氨水的质量分数温度黏度对照表质量分数W30℃60℃020﹪83.3333101.944555.555663.8889利用外推法：当温度为30℃时，当温度为60℃时，当温度为37.0504℃时，，即2.4.6气体黏度在温度为37.0504℃时的空气的黏度为在温度为37.0504℃时的液氨的黏度为根据公式可以计算出气体的粘度为2.4.7液体的质量流量2.4.8气体的质量流量2.5塔径的计算2.5.1泛点气速的计算填料塔塔径的大小是根据生产能力与空塔气速来计算的。空塔气速由下面经验公式确定：其中：—泛点气速，m/s—空塔气速，m/s填料塔底泛点气速与气液两相流量、物系性质及填料的类型、尺寸等因素有关。其计算方法很多。目前工程上常采用Eckert通用关联图或Bian&Hougen关联式计算。根据课设要求，选用Eckert通用关联图求解。如图2-3示，根据气液相流量及密度计算出横标值，作垂直线与填料的泛点线相交，读取纵坐标，由已知参数纵坐标中解出气速即为泛点气速。非等温吸收时，各物性参数随温度变化而变化，故求取时应取其平均值。计算过程中还应注意单位的统一。将以上的值代入公式中，可计算出横坐标的值为：0.246，故可以读出纵坐标的值为：0.085。1.泛点气速因为纵坐标已读出，所要对所选两种填料分别进行计算相对应的，填料物性参数见表1-1。根据Eckert通用关联图可知：=0.246其中为液体密度修正系数，计算时，所选状态为液体进料的温度（，89.59Kpa)时，；=(1)塑料鲍尔环：根据表1-1可查出d=50mm的塑料鲍尔环的填料因子为解得=2.82m/s取空塔气速(2)塑料阶梯环：根据表1-1可查出d=25mm的塑料阶梯环的填料因子为

解得=1.99取空塔气速图2-3Eckert通用关联图，—液气相流率，Kg/s,—液气相密度，Kg/—液相粘度，mPa.s—液相密度校正系数，=—填料因子，1/mg—重力加速度,m/s22.5.2塔径的计算式中:—操作条件下混合气体体积流量，/sD—塔径，m先求塔径，当计算出的塔径数值不足整数时，往往需要圆整。圆整的根据是符合加工要求及设备定型，以便于设备加工。根据我国压力容器的公称直径标准（JB-1153-71），直径在1m以下时，间隔为100㎜，（必要时在700㎜以下时可用50㎜为间隔）；直径在1m以上时，间隔为200㎜（必要时在2m以下时可用100㎜为间隔）。操作条件下混合气体的体积流量：1.塑料鲍尔环填料，圆整为1.1m，故鲍尔环的塔径为1.1m。2.塑料阶梯环填料，圆整为1.2m，故鲍尔环的塔径为1.2m。2.5.3塔径的校核1.径比校核生产实践证明，圆整后的塔径（D）与填料外径（d)之比值（简称径比）有一个下限值，，若径比低于此下限值，塔壁附近的填料层空隙率大而不均匀，气流易走短路及液体壁流等现象剧增。一般要求>8,即符合要求(1)塑料鲍尔环填料校核通过；(2)塑料阶梯环填料校核通过。2.喷淋密度的校核喷淋密度即单位时间内单位塔截面上的吸收剂量，。为使填料表面充分润湿，应保证喷淋密度高于最小喷淋密度，即。式中Umin最小喷淋密度，(LW)min—最小润湿速率，m3/m·s—填料的比表面积，m2/m3润湿速率是指在塔的截面上，单位长度的填料周边的最小液体体积流量。对于直径不超过75mm的散装填料，可取最小润湿速率(LW)min为0.08m3/（m·h）；对于直径大于75mm的散装填料，取(LW)min=0.12m3/（m·h）。实际操作时采用的液体喷淋密度应大于最小喷淋密度。若喷淋密度过小，可采用增大回流比或采用液体再循环的方法加大液体流量，以保证填料表面的充分润湿；也可采用减小塔径来进行补偿。(1)塑料鲍尔环填料因为D<75mm的散装填料，取=0.08比表面积=106.4塔径D=1.1m最小喷淋密度操作喷淋密度因为所以塑料鲍尔环填料的喷淋密度校核通过，符合要求。(2)塑料阶梯环填料因为D<75mm的散装填料，取=0.08比表面积=228塔径D=1.2m最小喷淋密度操作喷淋密度因为U>Umin所以塑料阶梯环填料的喷淋密度校核通过，符合要求。3.泛点率的校核(1)塑料鲍尔环填料D=1.1m，，所以u=1.688m/s0.5<<0.8校核通过；(1)塑料阶梯环填料D=1.2m，，所以u=1.401m/s0.5<<0.8校核通过。4.单位高度填料层压降的校核压强降是塔设计中的重要参数。气体通过填料层压强降的大小决定了塔的动力消耗。填料层压降的计算方法有多种，这次课设采用的是Eckert通用关联图方法。Eckert通用关联图除了有液泛线以外，还有许多等压降线。由已知参数及所用填料的压降填料因子P代替，计算出该图的横、纵坐标值，查图读取相应压降曲线的值（若交点没正好落在压降线上，可用相邻两条线内插读取），即为单位高度填料层压降。在常压塔中，一般在145～490Pa/m较为合理，如超出这个范围，应按要求的值，由Eckert通用关联图反求气速u，再重新计算塔径。(1)塑料鲍尔环填料横坐标纵坐标由横坐标和纵坐标读Eckert通用关联图得：=30×9.81pa/m由于145<<490pa/m,校核通过；(2)塑料阶梯环填料横坐标纵坐标由横坐标和纵坐标读Eckert通用关联图得：=35×9.81=343.35pa/m由于145<<490pa/m,校核通过。2.6填料层高度的确定2.6.1.传质系数的计算1.润湿面积的计算：式中：—单位体积填料的总表面积，㎡/m3t—单位体积填料的总表面积，㎡/m3—液体的表面张力，N/mc—填料材质临界表面张力，N/m，陶瓷c=61×10-3N/mGL—液体通过塔截面的质量流率，—液相粘度，—液气相密度，g—重力加速度,其中塑料填料材质的临界表面张力=0.033N/m。水的表面张力如下表：表2-5水的表面张力温度t℃3030表面张力71.2069.63利用内插法:,所以表2-6一定温度一定质量分数下的氨水的密度：（单位为kg/）氨水的质量分数20℃25℃2.27％987.1985.8利用内差法可得20℃时质量分数为4.90%的氨水溶液的表面张力为在此吸收过程中，氨溶于水中的量较少，氨水溶液的物性参数均与水相似，所以有：即可知37.0504℃时氨水溶液的表面张力为N/m(1)对于塑料鲍尔环填料液体通过塔截面的质量流速GL==t=106.4㎡/m3则a=51.845㎡/m3(2)对于塑料阶梯环填料t=228㎡/m3=103.121㎡/m32.气相传质系数=C式中：R—气体常数，8.314T—气体温度，KDV—溶质在气相中的扩散系数，㎡/sGV气体通过空塔截面的质量流率，—气体粘度，—气体密度，Kg/m3—润湿表面积，气体通过空塔截面的质量流速塑料鲍尔环：塑料阶梯环：(1)塑料鲍尔环填料(2)塑料阶梯环填料2.6.2.填料层高度的计算填料层高度计算涉及物料衡算、传质速率和相平衡关系。对于整个吸收塔，气、液的浓度分布都沿塔高变化，吸收速率也在变化。所以要在全塔范围应用吸收速率关系式，就要采用微分方法，然后积分得到填料层的总高度。填料层高度可用通式计算：Z=传质单元高度×传质单元数原料气组成中氨气含45%，属于高浓度气体的吸收。气液流率沿塔高变化明显，溶液热效应大，气液温度升高，平衡线斜率也将沿塔高改变。气液相吸收分系数并非常数，总吸收系数变化更为显著，因此，高浓度气体的吸收可用如下公式计算：其中：V—气相总摩尔流量，Kmol/s—气膜体积吸收系数—成平衡的气相度其式子中可视为常数，故公式可变为：=传质单元数NOG需用图解积分法求出。以为纵坐标，以为横坐标作图，所得曲线与，围成的面积即为定积分=演算过程如下：传质单元高度（）的计算(1)鲍尔环填料的气相传质单元高度==(2)阶梯环填料的气相传质单元高度==传质单元数的计算（）以为横坐标作图，以为纵坐标,求所围成的面积即为传质单元数。所以，经过计算，得：=3.518上述面积的计算公式及计算结果如下表：表2-7传质单元数计算结果表xyey1/(1-y)(y-ye)梯形面积0.0000.0000.03926.7931.0110.0050.0050.09013.0580.5180.0100.0130.1369.4290.3630.0150.0220.1787.8310.2860.0200.0340.2167.0020.2400.0250.0480.2526.5620.2110.0300.0650.2846.3620.1920.0350.0840.3156.3380.1800.0400.1070.3436.4690.1730.0450.1340.3696.7590.1710.0500.1660.3937.2400.173图2-4传质单元数计算结果折线图经计算总面积为3.518㎡。根据上述公式可以计算出填料层的高度为：(1)对于塑料鲍尔环填(2)对于塑料阶梯环填料采用上述方法求出的填料层高度后，还应留出安全系数。根据设计经验，填料层的实际高度一般为：式中：设计师的填料高度，m；工艺计算得到的填料高度，m。(1)对于塑料鲍尔环(2)对于塑料阶梯环2.7填料的确定根据上述计算结果对填料进行筛选，金属鲍尔环与金属阶梯环的比较如下：表2-7填料参数比较名称塑料鲍尔环塑料阶梯环二者比较径比2248阶梯环更佳喷淋密度（）35014529.530鲍尔环更佳泛点率0.5920.704鲍尔环更佳填料层压降（pa/m）294.3343.4阶梯环更佳填料层高度Z（m）2.6171.017鲍尔环更佳综合上述的比较的结果，最终选出塑料鲍尔环作为填料塔吸收的填料。加顶隙2米最后确定塔高为4.617米。第三章填料吸收塔附属装置和辅助设备的选型3.1辅助装置的选型(1)液体分布器液体在填料塔顶喷淋的均匀状况是提供内气液均匀分布的先决条件，也是使填料塔顶达到预期的分离效果的保证。根据计算出的气液流量、填料层高度、塔径及气液流速此次设计选择溢流盘式液体分布器。此种分布器可用金属、塑料或陶瓷制造。对应这次设计我们可选择塑料制造的，还有其自由截面积较小，适用于直径小于1200mm的塔。（2）填料支承板填料支承板用于支承塔内填料及其所持有的气体、液体的质量，同时起着气液流动通道及其均匀分布气体的作用。根据本次课程设计填料塔层的高度选择平板型栅板式的支承板，因为其结构简单，易于加工。根据计算出的气液流量、填料层高度、塔径及气液流速的综合考虑，选择以下辅助装置。表3-1辅助装置设备名称型式个数液体分布器填料支撑板填料压板床层限制板溢流盘式平板型（筛孔）11113.2辅助设备的选型3.2.1管径的计算管路的内径可用圆形管路的流量公式计算，即：从式中可以看出，根据流速和流量即可确定管径。流量一般由生产任务所决定，所以关键在于选择合适的流速。若流速选得太大，虽然管径可减小，但流体流过管路的阻力增大，消耗的动力就大，操作费随之增加。反之流速选得太小，操作费可以相应减小，但管径增大，管路的设备费随之增加。所以，流体在管路中输送时，需根据具体情况在操作费与设计费之间通过经济横算来确定适宜的流速。由于经济衡算繁琐，一般管内流速可选用经验数据。某些流体在管路中的常用流速范围见表3-1。表3-1常见流速范围流体的类别及情况流速范围,m/s水及低粘度流体（1×105Pa～1×106Pa）1.5～3.0常压气体10～20由此计算的管径不一定是整数值，需要参照标准，选用标准管径，才能作为操作中的实际管径。气相管径(1)气体进料温度为35℃，选取u=18m/s=选取，由于管路采用标准管路，因此实际操作情况下的流速不是选取的流速，需要将标准管径代入流量的计算公式，反算出操作流速，进行流速校核。校核符合要求。(1)气体出塔温度即为定性温度t=49.1008℃选取u=18m/s=选取由于管路采用标准管路，因此实际操作情况下的流速不是选取的流速，需要将标准管径代入流量的计算公式，反算出操作流速，进行流速校核。校核符合要求。液相管径：(1)水的进料温度为25℃，其对应的选取u=2.5m/s选取由于管路采用标准管路，因此实际操作情况下的流速不是选取的流速，需要将标准管径代入流量的计算公式，反算出操作流速，进行流速校核。校核符合要求。(2)氨水的出塔温度t=49.1008℃，选取u=2.5m/s选取.由于管路采用标准管路，因此实际操作情况下的流速不是选取的流速，需要将标准管径代入流量的计算公式，反算出操作流速，进行流速校核。校核符合要求。3.2.2泵的选型1.泵的计算液体输送设备的种类很多，按照工作原理的不同，分为离心泵、往复泵、旋转泵与旋涡泵等几种。其中，以离心泵在生产上应用最为广泛，因为被输送的流体是地下水，所以本设计选清水泵IS型以水平面为基准面，水槽液面为1-截面，平头外端为2-截面在两截面之间列伯努利方程为因为整个过程为常压操作，又因为截面1-和截面2-处的管径相同，即可得出因为；所以管路能量损失：=查管件与阀门的当量长度共线图：3个截止阀(全开):1个标准弯头：1个进口，一个出口：=0.5+1.0=1.5管长：20℃下，水的粘度为，由此可以判断出流型为湍流。对于新的无缝钢管：=0.1～0.2mm，选择管壁粗糙度为：=0.1