化che-Control: pri吸收氨氣填料吸收塔

1、 化工原理課程設計 水吸收氨氣填料吸收塔設計 學 院 河南城建學院 專 業(yè)化學工程與工藝 指導教師 王要令 班 級 1014112 姓 名 喻宏興 學 號101411252 2013年 12月24日附:設計任務書1 設計題目年處理量為 噸氨氣吸收塔設計 試設計一座填料吸收塔,用于脫除混于空氣中的氨氣?；旌蠚怏w的處理量為2600m3/h,其中含空氣為94%,氨氣為6%(體積分數(shù),下同)。要求塔頂排放氣體中含氨低于0.02%,采用清水進行吸收,吸收塔的用量為最小用量的 1.5 倍【20氨在水中的溶解度系數(shù)為H0.725kmol/m3?kPa】2 工藝操作條件 操作平均壓力:常壓; 操作溫度:t20

2、; 每年生產(chǎn)時間:7200h; 填料類型選用:聚丙烯階梯環(huán)填料; 規(guī)格:DN50(3)設計任務 1.填料吸收塔的物料衡算; 2.填料吸收塔的工藝尺寸設計與計算; 3.填料吸收塔有關附屬設備的設計和選型; 4.繪制吸收系統(tǒng)的工藝流程圖; 5.編寫設計說明書; 6.對設計過程的評述和有關問題的討論。目錄0. 前言5 1. 設計方案簡述5 1.1 設計任務的意義5 1.2 設計結果5 2. 工藝流程簡圖及說明73. 工藝計算及主體設備設計8 3.1 液相物性數(shù)據(jù)8 3.2 氣相物性數(shù)據(jù)8 3.3 物料計算 8 3.4 平衡曲線方程及吸收劑用量的選擇 9 3.5 塔徑的計算 10 3.6 填料層高度的

3、計算 11 3.7 填料層壓降計算 144. 附屬設備計算及選型 15 4.1 液體分布器簡要設計 15 4.2 填料支承裝置 15 4.3 填料壓緊裝置 15 4.4 液體再分布裝置 16 4.5 塔頂除沫裝置 16 4.6 塔附屬高度及塔總高的計算 16 4.7 填料塔接管尺寸算17 4.8 基礎物性數(shù)據(jù) 175. 計算結果概要186.對本設計的評述 197. 附圖20 7.1 工藝流程圖20 7.2 主體設備裝配圖208.參考文獻 210. 前言 在煉油、石油化工、精細化工、食品、醫(yī)藥及環(huán)保等部門,塔設備屬于使用量大應用面廣的重要單元設備。塔設備廣泛用于蒸餾、吸收、萃取、洗滌、傳熱等單元

4、操作中。所以塔設備的研究一直是國內外學者普遍關注的重要課題。 在化學工業(yè)中,經(jīng)常需要將氣體混合物中的各個組分加以分離,其主要目的是回收氣體混合物中的有用物質,以制取產(chǎn)品,或除去工藝氣體中的有害成分,使氣體凈化,以便進一步加工處理,或除去工業(yè)放空尾氣中的有害成分,以免污染空氣。吸收操作是氣體混合物分離方法之一,它是根據(jù)混合物中各組分在某一種溶劑中溶解度不同而達到分離的目的。 塔設備按其結構形式基本上可分為兩類;板式塔和填料塔。以前在工業(yè)生產(chǎn)中,當處理量大時多用板式塔,處理量小時采用填料塔。近年來由于填料塔結構的改進,新型的、高負荷填料的開發(fā),既提高了塔的通過能力和分離效能又保持了壓降小、性能穩(wěn)定

5、等特點。因此,填料塔已經(jīng)被推廣到大型氣、液操作中,在某些場合還代替了傳統(tǒng)的板式塔。如今,直徑幾米甚至幾十米的大型填料塔在工業(yè)上已非罕見。隨著對填料塔的研究和開發(fā),性能優(yōu)良的填料塔必將大量用于工業(yè)生產(chǎn)中。 綜合考察各分離吸收設備中以填料塔為代表,填料塔技術用于各類工業(yè)物系的分離,雖然設計的重點在塔體及塔內件等核心部分,但與之相配套的外部工藝和換熱系統(tǒng)應視具體的工程特殊性作相應的改進。例如在DMF回收裝置的擴產(chǎn)改造項目中,要求利用原常壓塔塔頂蒸汽,工藝上可以在常壓塔及新增減壓塔之間采用雙效蒸餾技術,達到降低能耗、提高產(chǎn)量的雙重效果,在硝基氯苯分離項目中;改原多塔精餾、兩端結晶工藝為單塔精餾、端結晶

6、流程,并對富間硝基氯苯母液進行精餾分離,獲得99%以上的間硝基氯苯,既提高產(chǎn)品質量,又取得了降低能 耗的技術效果。 過程的優(yōu)缺點:分離技術就是指在沒有化學反應的情況下分離出混合物中特定組分的操作。這種操作包括蒸餾,吸收,解吸,萃取,結晶,吸附,過濾,蒸發(fā),干燥,離子交換和膜分離等。利用分離技術可為社會提供大量的能源,化工產(chǎn)品和環(huán)保設備,對國民經(jīng)濟起著重要的作用。為了使填料塔的設計獲得滿足分離要 1求的最佳設計參數(shù)如理論板數(shù)、熱負荷等和最優(yōu)操作工況如進料位置、回流比等,準確地計算出全塔各處的組分濃度分布尤其是腐蝕性組分、溫度分布、汽液流率分布等,常采用高效填料塔成套分離技術。而且,20世紀80年

7、代以來,以高效填料及塔內件為主要技術代表的新型填料塔成套分離工程技術在國內受到普遍重視。由于其具有高效、低阻、大通量等優(yōu)點,廣泛應用于化工、石化、煉油及其它工業(yè)部門的各類物系分離。 氨是化工生產(chǎn)中極為重要的生產(chǎn)原料,但是其強烈的刺激性氣味對于人體健康和大氣環(huán)境都會造成破壞和污染,氨對接觸的皮膚組織都有腐蝕和刺激作用,可以吸收皮膚組織中的水分,使組織蛋白變性,并使組織脂肪皂化,破壞細胞膜結構。氨的溶解度極高,所以主要對動物或人體的上呼吸道有刺激和腐蝕作用,常被吸附在皮膚粘膜和眼結膜上,從而產(chǎn)生刺激和炎癥?？陕楸院粑览w毛和損害粘膜上皮組織,使病原微生物易于侵入,減弱人體對疾病的抵抗力。氨通常以氣

8、體形式吸入人體,氨被吸入肺后容易通過肺泡進入血液,與血紅蛋白結合,破壞運氧功能。進入肺泡內的氨,少部分為二氧化碳所中和,余下被吸收至血液,少量的氨可隨汗液、尿液或呼吸排出體外。 短期內吸入大量氨氣后會出現(xiàn)流淚、咽痛、咳嗽、胸悶、呼吸困難、頭暈、嘔吐、乏力等。若吸入的氨氣過多,導致血液中氨濃度過高,就會通過三叉神經(jīng)末梢的反射作用而引起心臟的停搏和呼吸停止,危及生命。 長期接觸氨氣,部分人可能會出現(xiàn)皮膚色素沉積或手指潰瘍等癥狀;氨氣被呼入肺后容易通過肺泡進入血液,與血紅蛋白結合,破壞運氧功能。短期內吸入大量氨氣后可出現(xiàn)流淚、咽痛、聲音嘶啞、咳嗽、痰帶血絲、胸悶、呼吸困難,可伴有頭暈、頭痛、惡心、嘔

9、吐、乏力等,嚴重者可發(fā)生肺水腫、成人呼吸窘迫綜合癥,同時可能生呼吸道刺激癥狀。因此,吸收空氣中的氨,防止氨超標具有重要意義。因此,為了避免化學工業(yè)產(chǎn)生的大量的含有氨氣的工業(yè)尾氣直接排入大氣而造成空氣污染,需要采用一定方法對于工業(yè)尾氣中的氨氣進行吸收,本次課程設計的 目的是根據(jù)設計要求采用填料吸收塔吸收的方法來凈化含有氨氣的工業(yè)尾氣,使 2其達到排放標準。設計采填料塔進行吸收操作是因為填料可以提供巨大的氣液傳質面積而且填料表面具有良好的湍流狀況,從而使吸收過程易于進行,而且,填料塔還具有結構簡單、壓降低、填料易用耐腐蝕材料制造等優(yōu)點,從而可以使吸收操作過程節(jié)省大量人力和物力。 利用混合氣體中各組

10、分在同一種液體溶劑中溶解度差異而實現(xiàn)組分分離的過程稱為氣體吸收氣體吸收是一種重要的分離操作,它在化工生產(chǎn)中主要用來達到以下幾種目的。1分離混合氣體以獲得一定的組分。2除去有害組分以凈化氣體。3制備某種氣體的溶液。一個完整的吸收分離過程,包括吸收和解吸兩個部分。典型過程有單塔和多塔、逆流和并流、加壓和減壓等。 1. 設計方案簡述 1.1 設計任務的意義 填料塔是以塔內的填料作為氣液兩相間接觸構件的傳質設備,已有百余年的歷史,也是化工類企業(yè)中最常用的氣液傳質設備之一。 吸收塔設備一般可分為級式接觸和微分接觸兩類。一般級式接觸采用氣相分散,設計采用理論板數(shù)及板效率;而微分接觸設備常采用液相分散,設計

11、采用傳質單元高度及傳質單元數(shù),本設計采用后者1 。 在化學工業(yè)中,經(jīng)常需要將氣體混合物中的各個組分加以分離,其主要目的是回收氣體混合物中的有用物質,以制取產(chǎn)品,或除去工藝氣體中的有害成分,使氣體凈化,以便進一步加工處理,或除去工業(yè)放空尾氣中的有害成分,以免污染空氣。吸收操作是氣體混合物分離方法之一,它是根據(jù)混合物中各組分在某一種溶劑中溶解度不同而達到分離的目的。 氨是化工生產(chǎn)中極為重要的生產(chǎn)原料,但是其強烈的刺激性氣味對于人體健康和大氣環(huán)境都會造成破壞和污染,因此,為了避免化學工業(yè)產(chǎn)生的大量的含有氨氣的工業(yè)尾氣直接排入大氣而造成空氣污染,需要采用一定方法對于工業(yè)尾氣中的氨氣進行吸收,本次化工原

12、理課程設計的目的是根據(jù)設計要求采用常壓常溫下填料吸收塔吸收的方法來凈化含有氨氣的工業(yè)尾氣,使其達到排放標準。設計采用填料塔進行吸收操作是因為填料可以提供巨大的氣液傳質面積而且填料表面具有良好的湍流狀況,從而使吸收過程易于進行,而且,填料塔還具有結構簡單、壓降低、填料易用耐腐蝕材料制造等優(yōu)點,從而可以使吸收操作過程節(jié)省大量人力和物力。 1.2 設計結果簡述 、吸收劑的選擇 吸收劑對溶質的組分要有良好地吸收能力,而對混合氣體中的其他組分不吸收,且揮發(fā)度要低。根據(jù)本設計要求,選擇用清水作吸收劑,且氨氣不作為產(chǎn)品,故采用純溶劑。 、吸收流程地選擇 用水吸收NH3屬高溶解度的吸收過程,為提高傳質效率和分

13、離效率,所以,本實驗選用逆流吸收流程。 、吸收塔設備及填料的選擇 ?塔填料(簡稱為填料)是填料塔的核心構件,它提供了氣、液兩相相接觸傳質與傳熱的表面,其性能優(yōu)劣是決定填料塔操作性能的主要因素。填料的比表面積越大,氣液分布也就越均勻,傳質效率也越高,它與塔內件一起決定了填料塔的性質。因此,填料的選擇是填料塔設計的重要環(huán)節(jié)。 塔填料的選擇包括確定填料的種類、規(guī)格及材料。填料的種類主要從傳質效率、通量、填料層的壓降來考慮,填料規(guī)格的選擇常要符合填料的塔徑與填料公稱直徑比值D/d。 散裝填料是一個個具有一定幾何形狀和尺寸的顆粒體,一般以隨機的方式堆積在塔內,又稱為亂堆填料或顆粒填料。散裝填料根據(jù)結構特

14、點不同,可分為環(huán)形填料、鞍形填料、環(huán)鞍形填料及球形填料等。 拉西環(huán) 鮑爾環(huán)階梯環(huán) 弧鞍形填料 矩鞍形填料 塑料填料的材質主要包括聚丙烯、聚乙烯及聚氯乙烯等,國內一般多采用聚丙烯材質。塑料填料的耐腐蝕性能較好,可耐一般的無機酸、堿和有機溶劑的腐蝕。其耐溫性良好,可長期在100以下使用。 設計選用填料塔,填料為散裝聚丙烯DN50階梯環(huán)填料。國內階梯環(huán)特性數(shù)據(jù):材質外徑d,mm外徑×高×厚d×H×比表面積at,m2/m3空隙率,m3/m3個數(shù)n,個/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25385038×19

15、5;176×37×32280.9298150027200998068.43131122401208072、吸收劑再生方法的選擇 含氨的吸收劑通過解析得到水,使得吸收劑再生。、操作參數(shù)的選擇 操作平均壓力:常壓 操作溫度:t202. 工藝流程簡圖及說明 采用常規(guī)逆流操作流程.工藝流程簡圖如下:對工藝流程簡圖的說明: 混合空氣由風機鼓入緩沖器,通過緩沖器,由塔下部進入填料塔,吸收液(清水)通過離心泵到達塔頂,從塔頂噴淋而下,混合空氣與吸收液接觸后,混合空氣中的氨氣被吸收液吸收,尾氣由塔頂排空,含有氨氣的塔釜殘液由塔底流出,在混合空氣和清水進入管道都裝有溫度檢測裝置。 3. 工藝

16、計算及主體設備設計 3.1 液相物性數(shù)據(jù)對低濃度吸收過程,溶液的物性數(shù)據(jù)可近似取純水的物性數(shù)據(jù)。由手冊查的,20水的有關物性數(shù)據(jù)如下:密度:粘度:×10-3Pa?S表面張力:氨氣在水中的擴散系數(shù):DL1. 76×10-9 m2/s 3.2 氣相物性數(shù)據(jù)混合氣體平均摩爾質量: MVM××混合氣體的平均密度:××29混合氣體的粘度可近似取為空氣的粘度,查手冊的20空氣的粘度:×10?3Pa?s0.065Kg/(m?h)20×10-5m2/s進塔惰性氣相流量:(計算得到此時用體積分數(shù)和摩爾分數(shù)的Y1相同)出塔氣相摩爾比:

17、Y2Y1(1?××10-43.4 平衡曲線方程及吸收劑用量的選擇20下氨在水中的溶解度系數(shù):已知,常壓下20時,×該吸收過程屬低濃度吸收,平衡關系為直線,最小液氣比可按下式計算,即:()min對純溶劑吸收過程,進塔液相組成為 X20,則取操作液氣比為最小液氣比1.5倍,則××吸收液組成由全塔物料衡算得: , ×× 3.5 塔徑的計算混合氣體的密度:塔低混合氣流量:2600××溫度t20用Bain-Hougen關聯(lián)式計算泛點氣速: 塑料階梯環(huán)特性數(shù)據(jù)據(jù)如下查表得比表面積: 114.2m2/m3 ,A0.20

18、4,K1.75,0.927 ,×由 D 圓整塔徑,取? D0.5m(常用的標準塔徑為400、500、600、700、800、1000、1200、1400、1600、2000、2200)××100%85.00%(在允許范圍內0.50.85)填料規(guī)格校核:D/d500/50108液體噴淋密度校核: 因填料為50mm×25mm× 經(jīng)以上校核可知,填料塔直徑選用D 500mm是合理的。 3.6 填料層高度的計算計算填料層高度即,Z傳質單元數(shù)計算:傳質單元高度的計算: 、有效表面積的計算:采用修正的思田關聯(lián)式計算:×××氣體

19、質量通量為Wv2600×××不同材質的c值:材質鋼陶瓷聚乙烯聚氯乙烯碳玻璃涂石蠟的表面表面張力,N/m×10375613340567320 查表知,帶入的:, 、液相傳質系數(shù):各類填料的形狀系數(shù)填料類型球棒拉西環(huán)弧鞍開孔環(huán)值0.720.7511.191.45 1.08×× 、氣相傳質系數(shù):kG 0.2370.713293,101.3下,在空氣中的擴散系數(shù):1.70×10,kG 0.2370.7135.80××均已用修整過的公式 ×5.1397.195m(計算安全高度后的實際填料層高度)查散裝填料

20、分段高度推薦值表得:塑料階梯環(huán)h/D14.208815 ;故填料層需要分為二段,高度分別為3.5975m. 3.7 填料層壓降計算采用Eckert通用關聯(lián)圖計算填料層壓降橫坐標為:縱坐標為:0.1449,通用壓降關聯(lián)圖 查圖上圖得,P/Z100× 填料層壓降為:×4. 附屬設備計算及選型 4.1 液體分布器簡要設計液體分布器的選型:該吸收塔液相負荷較大,而氣相負荷相對較低。故選用槽式分布器。分布點密度計算:按Eckert建議值,D400時,噴淋點的密度為330點/m2,D750時,噴淋點的密度為170點/m2,設計取噴淋密度為280點/m2。××2805

21、5 實際總布液孔數(shù):54點 布液計算:×10-4m3/s取,則 4.2 填料支承裝置 支填料支承裝置用于支承塔填料及其所持有的氣體、液體的質量,同時起著氣液流道及氣體均布作用。故在設計支承板是應滿足下列三個基本條件:(1)自由截面與塔截面之比不小于填料的空隙率;(2)要有足夠的強度承受填料重量及填料空隙的液體;(3)要有一定的耐腐蝕性。 本設計選用梁式填料支承板,支承板外徑480mm,分塊數(shù)2,支承圈寬度30mm,支承圈厚度10mm。 填料上方安裝壓緊裝置可防止在氣流的作用下填料床層發(fā)生松動和跳動。填料壓緊裝置分為填料壓板和床層限制板兩大類,每類又有不同的型式,填料壓板自由放置于填料

22、層上端,靠自身重量將填料壓緊。它適用于陶瓷、石墨等制成的易發(fā)生破碎的散裝填料。 床層限制板用于金屬、塑料等制成的不易發(fā)生破碎的散裝填料及所有規(guī)整填料。床層限制板要固定在塔壁上,為不影響液體分布器的安裝和使用,不能采用連續(xù)的塔圈固定,對于小塔可用螺釘固定于塔壁,而大塔則用支耳固定。 本設計中填料塔在填料裝填后于其上方安裝了床層限制板。 氣液兩相在填料層中流動時,受阻力的影響,易發(fā)生偏流現(xiàn)象,導致亂堆填料層內氣液分布不均,使傳質效率下降。為防止偏流,可間隔一定高度在填料層內設置再分布裝置,將流體先經(jīng)收集后重新分布。最簡單的再分布裝置為截錐式再分布器,其結構簡單安裝方便。故選擇截錐式再分布器。 絲網(wǎng)

23、除霧器是一種分離效率高,阻力小,重量較輕,所占空間不大的除霧器,它是由金屬或塑料絲編織而成網(wǎng),卷成盤狀而成?？沙ゴ笥?um的霧滴,壓力降不超過250pa,本塔是處理含氨氣的混合空氣,故選用塑料絲網(wǎng)除霧器。 4.6 塔附屬高度及塔總高的計算液體分布器加再分布器高度約為0.56m.考慮到氣相接管所占空間高度,底部空間高度可取1.0m.底部裙座所占空間高度為1.5m,若塔底液相停留時間按3min考慮,則塔釜液所占空間高度為: 取h0.7 m,出液孔約為0.3m,則底部空間高度可取1.0m.所以塔的附屬高度為得塔總高度: 為防止流速過大管道沖蝕、磨損、振動和噪聲,液體流速一般不超過,氣體流速一般不超

24、過。 取氣體流速為,氣體進出口管管徑為: 故管子的公稱直徑為。 取液體流速為,液體進出口管管徑為: 故管子的公稱直徑為。 4.8 基礎物性數(shù)據(jù)E?亨利系數(shù),?氣體的粘度,?平衡常數(shù)?水的密度和液體的密度之比?重力加速度,?分別為氣體和液體的密度,?分別為氣體和液體的質量流量,?氣相總體積傳質系數(shù), ?填料層高度,?塔截面積,?氣相總傳質單元高度, ?氣相總傳質單元數(shù)?以分壓差表示推動力的總傳質系數(shù),?單位體積填料的潤濕面積?以分壓差表示推動力的氣膜傳質系數(shù),?溶解度系數(shù),?以摩爾濃度差表示推動力的液摩爾傳質系數(shù),?氣體常數(shù),?溶質在氣相中的擴散系數(shù), 計算結果概要填料吸收塔設計一覽表吸收塔類型聚丙烯階梯環(huán)吸收填料塔混合氣體處理量(m3/h)2600填料層高度Z泛點率0,85操作溫度()20填料直徑(mm)50孔隙率 通過近兩個星期的努力,在王要令老師的悉心指導下,我們全組人員的共