化工機械基礎(chǔ)填料塔設(shè)計清水吸收氨氣

1、前 言在煉油、石油化工、精細化工、食品、醫(yī)藥與環(huán)保等部門，塔設(shè)備屬于使用量大應(yīng)用面廣的重要單元設(shè)備。塔設(shè)備廣泛用于蒸餾、吸收、萃取、洗滌、傳熱等單元操作中。所以塔設(shè)備的研究一直是國外學(xué)者普遍關(guān)注的重要課題。在化學(xué)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(zhì)，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(shè)備按其結(jié)構(gòu)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

2、多用板式塔，處理量小時采用填料塔。近年來由于填料塔結(jié)構(gòu)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(shè)備中以填料塔為代表，填料塔技術(shù)用于各類工業(yè)物系的分離,雖然設(shè)計的重點在塔體與塔件等核心部分,但與之相配套的外部工藝和換熱系統(tǒng)應(yīng)視具體的工程特殊性作相應(yīng)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

3、常壓塔與新增減壓塔之間采用雙效蒸餾技術(shù),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(jié)晶工藝為單塔精餾、端結(jié)晶流程,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(zhì)量,又取得了降低能 耗的技術(shù)效果。 過程的優(yōu)缺點：分離技術(shù)就是指在沒有化學(xué)反應(yīng)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(jié)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(shù)可為社會提供大量的能源，化工產(chǎn)品和環(huán)保設(shè)備，對國民經(jīng)濟起著重要的作用。為了使1填料塔的設(shè)計獲得滿足分離要求的最佳設(shè)計參數(shù)和最優(yōu)操作工況,準確地計算出全塔各處的組分濃度

4、分布、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(shù)。而且,20世紀80年代以來,以高效填料與塔件為主要技術(shù)代表的新型填料塔成套分離工程技術(shù)在國受到普遍重視。由于其具有高效、低阻、大通量等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于化工、石化、煉油與其它工業(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(jié)構(gòu)。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(jié)膜上，從而產(chǎn)生刺激和炎癥?？陕楸院粑览w

5、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(jié)合，破壞運氧功能。進入肺泡的氨，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(dǎo)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，危與生命。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(jié)合，破壞運氧功能。短期吸入大量氨氣后可出現(xiàn)流淚、咽痛

6、、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(xué)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(shè)計的 目的是根據(jù)設(shè)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,使其達到排放標準。設(shè)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(zhì)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(jié)構(gòu)簡單、壓降低、填料易用耐腐蝕材料制造等

7、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分在同一種液體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。一、數(shù)據(jù)計算1.水吸收氨氣填料塔工藝設(shè)計方案簡介1.1任務(wù)與操作條件混合氣(空氣、NH3)處理量： 2600；進塔混合氣含NH3 7% (體積分數(shù))；溫度:20；進塔吸收劑(清水)的溫度:20； NH3回收率：96%

8、；操作壓力為常壓101.3k Pa。1.2填料的選擇 塔填料是填料塔的核心構(gòu)件，它提供了氣、液兩相相接觸傳質(zhì)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(zhì)效率也越高，它與塔件一起決定了填料塔的性 質(zhì)。因此，填料的選擇是填料塔設(shè)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)格與材料。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，又稱為亂堆填料或顆粒填料。散裝填料根據(jù)結(jié)構(gòu)特點不同，可分為環(huán)形填料、鞍形填料、環(huán)鞍形填料與球形填料等。塑料填料的材質(zhì)主要包括聚丙烯、聚乙烯與聚氯乙烯等，國一般多采用聚丙烯材質(zhì)。塑料填料的耐

9、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(shè)計選用填料塔，填料為散裝聚丙烯DN50階梯環(huán)填料。國階梯環(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253850762517.51.43819150301.576373228132.5114.289.950.900.910.9270.92981500272009980342097.857.576.868.4313175.6143.111224012080722. 工藝尺寸計算2.1基礎(chǔ)

10、物性數(shù)據(jù)2.1.1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(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度：1 =998.2Kgm3粘度：L=1.005mPaS =0.001PaS=3.6Kg（mh）表面力：L =72.6dyncm=940 896Kgh2氨氣在水中的擴散系數(shù)：DL=1.8010-9 m2/s=1.8010-93600 m2/h=6.480 10-6m2/h2.1.2氣相物性的數(shù)據(jù)混合氣體平均摩爾質(zhì)量： MVM=yiMi=0.07017+0.93029=28.16混合氣體的平均密度：vm=10028.16(8.314293)=1.166Kgm3混合氣體的粘

11、度可近似取為空氣的粘度，查手冊的20空氣的粘度：V=1.81105Pas=0.065Kg（mh）查手冊得氨氣在20空氣中擴散系數(shù)： Dv=0.189 cm2/s=0.068 m2/s2.1.3氣液相平衡數(shù)據(jù)20下氨在水中的溶解度系數(shù)：,常壓下20時亨利系數(shù)：=998.2(0.72518.02)=76.40Kpa 相平衡常數(shù)：2.1.4 物料衡算進塔氣相摩爾比：Y1=0.070（10.070）=0.075出塔氣相摩爾比：Y2=Y1（1）=0.075（10.998）=0.00015進塔惰性氣相流量：V=260022.4273（273+20）（10.070）=100.6Kmolh該吸收過程屬低濃度吸

12、收，平衡關(guān)系為直線，最小液氣比可按下式計算，即：（）min=對純?nèi)軇┪者^程，進塔液相組成為 X2=0，則（）min=（0.0750.00015）0.075(0.7560)=0.762取操作液氣比為最小液氣比1.8倍，則=1.80.762=1.354， 因此 L=1.372100.6=138.02Kmolh由全塔物料衡算得： V（Y1Y2）=L（X1X2）， 得X1=100.6(0.0750.00015) 138.02=0.054562.2 填料塔的工藝尺寸的計算2.2.1 塔徑的計算 混合氣體的密度： 塔徑氣相質(zhì)量流量為：=26001.166=3032Kgh液相質(zhì)量流量可近似按純水的流量計算

13、，即: =138.0218.02=2512/h塑料階梯環(huán)特性數(shù)據(jù)據(jù)如下用貝恩霍根關(guān)聯(lián)式計算泛點氣速： =查表得比表面積：=114.2m2/m3,A=0.204,K=1.75，=0.927 ，得：=0.610 因此計算得：= 3.93m/s取u =uF=14.23m/s =3.93m/s由 D= （426003600）（3.143.93） 0.5=0.484m 圓整塔徑，取 D=0.5m（常用的標準塔徑為400、500、600、700、800、1000、1200、1400、1600、2000、2200）8泛點率校核: u=26003600(0.7850.52)=3.68ms3.683.93100

14、=93.60（在允許圍）填料規(guī)格校核：Dd=50050=108液體噴淋密度校核：因填料為50mm25mm1.5mm,塔徑與填料尺寸之比大于8，固取最小潤濕速度為（Lw）min=0.08 m3/(mh)，查常用散裝填料的特性參數(shù)表，得at=114.2m2/m3 Umin=（LW）minat =0.08114.2=9.136m3m2h U=136.2218.02998.2（0.7850.52）=12.53Umin經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用D= 500mm是合理的。2.2.2 填料層高度計算查表知， 0，100 下，在空氣中的擴散系數(shù)：由，則293，100下，在空氣中的擴散系數(shù)：液相擴散系數(shù)：Y

15、1*=mX1=0.7560.05528=0.042 ， Y2*=mX2=0脫吸因數(shù)：S=mVL=0.764100.6138.02=0.5642氣相總傳質(zhì)單元數(shù)：氣相總傳單元高度采用修正的思田關(guān)聯(lián)式計算：液體質(zhì)量通量為UL=138.0218.02(0.7850.52)=12673.2Kgm2h氣體質(zhì)量通量為Uv=26001.166 (0.7850.52)=15447.6Kgm2h氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計算：不同材質(zhì)的c值見下表材質(zhì)鋼瓷聚乙烯聚氯乙烯碳玻璃涂石蠟的表面表面力，N/m10375613340567320查表知，氣膜吸收系數(shù)由下式計算： 液膜吸收系數(shù)由下式計算：查下表得：

16、,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0.720.7511.191.453.684.23100=93.6050， 由 得由由Z=HOGNOG=0.275812.19=3.36m，Z=1.43.36=4.704m設(shè)計取填料層高度： Z=5m，查表，對于階梯環(huán)填料，設(shè)計填料層高度：。2.2.3 填料層壓降計算采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計算填料層壓降，橫坐標為：已知：縱坐標為通用壓降關(guān)聯(lián)圖查圖上圖得：PZ=1009.81=981.00Pam填料層壓降為：P=981.005=4.905KPa=4905(Pa)2.2.4 液體分布器簡要設(shè)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

17、對較低。故選用槽式分布器。 分布點密度計算：按Eckert建議值，D=400時，噴淋點的密度為330點m2，D=750時，噴淋點的密度為170點m2，設(shè)計取噴淋密度為280點m2。則總布液孔數(shù)為：n=0.7850.52280=55 ， 實際總布液孔數(shù)：54點，布液計算：由 取，則 ，因此可知填料塔設(shè)計條件如下：填料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塔徑D（m）0.5填料層高度Z（m）5氣相總傳質(zhì)單元高度（m）0.2578氣相總傳質(zhì)單元數(shù)12.35泛點氣速（m/s）3.68壓降（kpa）4.905操作壓力（kpa）100操作溫度（）20填料直徑（mm）25孔隙率0.9

18、0填料比表面積a(/m3)223二、工藝計算第1章 填料塔的設(shè)計數(shù)據(jù)塔體徑=500mm，塔高近似取H=8000mm。計算壓力=0.1MPa，設(shè)計溫度t=20設(shè)置地區(qū):基本風(fēng)壓值=400N/，地震設(shè)防烈度為 8度，場地土類：I類，設(shè)計地震分組：第二組，設(shè)計基本 地震加速度為0.2g。填料層開設(shè)一個手孔，手孔的公稱直徑有DN=150mm和DN=250mm兩種，安裝手孔DN=250mm塔外保溫層厚度為=100mm，保溫材料密度=300kg/。塔體與封頭材料選用16MnR，其=170 MPa，=170 MPa,=345 MPa,E=1.9 MPa。群座材料選用Q235-B。塔體與群座對接焊接，塔體焊接

19、接頭系數(shù)。塔體與封頭厚度附加量C=2mm。第2章 計算塔體和封頭厚度2.1塔體厚度計算(mm)由于工程上最小厚度為3mm,故取 考慮厚度附加量C=2mm，負偏差0.8mm，因此經(jīng)圓整，取。 2.2 封頭厚度計算封頭取標準橢圓形封頭第3章 塔設(shè)備質(zhì)量載荷3.1 筒體圓筒、封頭、群座質(zhì)量 圓筒質(zhì)量： （kg） 封頭質(zhì)量： （kg） 群座質(zhì)量： （kg）(kg) 注：（1）塔體圓筒總高度為H=8m （2）查得DN500mm，厚度6mm的圓筒質(zhì)量為75kg/m； （3）查得DN500mm，厚度6mm的橢圓形封頭質(zhì)量為15.1kg/m（封頭曲面深度850125mm，直邊高度50mm）； （4）群座高度1

20、500mm，（厚度按6mm計）。 3.2 塔段件質(zhì)量 填料封層高度5.0m由設(shè)計溫度可知，填料選擇金屬半環(huán)填料=（kg）（查得金屬半環(huán)填料密度為97.8kg/）3.3 保溫層質(zhì)量= = +(kg) 其中，為封頭保溫層質(zhì)量，kg3.4 平臺、扶梯質(zhì)量=n =0.785 =619.3(kg) 注：手冊查得平臺質(zhì)量：kg/；籠式扶梯質(zhì)量kg/m；籠式扶梯總高：=8m；平臺數(shù)量：n=1。3.5 操作時物料質(zhì)量 =0 注：物料密度=998.2kg/；封頭容積；填料層高度5m；填料塔板層數(shù)N=1；塔板上液層高度=0.1m。3.6 附件質(zhì)量 按經(jīng)驗取附件質(zhì)量為 =0.25=10897(kg) 3.7 充水質(zhì)

21、量(kg)3.8 質(zhì)量匯總?cè)僮髻|(zhì)量/kg全塔最小質(zhì)量/kg水壓試驗時最大質(zhì)量/kg 第4章 風(fēng)載荷與風(fēng)彎矩計算4.1 以12段為例計算風(fēng)載荷= （N） 式中-體型系數(shù)，對圓筒形容器，=0.7-10m高處基本風(fēng)壓值， =400N/-風(fēng)壓高度變化系數(shù)，查表得：=1.00-計算段長度，=4500mm-脈動影響系數(shù)，查得=0.72-塔的基本自振周期，對等直徑、等厚度圓截面塔：=90.33H=0.29s-脈動增大系數(shù)，根據(jù)自振周期，查得：=1.35-振型系數(shù)，查得=0.69-風(fēng)振系數(shù)=1+=1+=1.41-塔有效直徑。設(shè)籠式扶梯與塔頂管線成，取以下a，b式中較大者 a.= 圖 2 b. =400mm

22、， a.= b.= 取=1712mm(N)4.2各計算段風(fēng)載荷匯總計算段平臺數(shù)115004000.70.720.051.351.71.01.50011127940245004000.70.720.691.351.71.0614001712366.133000400 0.70.721.001.351.71.08.5140017122444.7第5章 風(fēng)彎矩計算截面0-0 =截面1-1= =3667.1 +64615 =2.29截面2-2 =2444.7 =3.67第6章 地震彎矩計算地震彎矩計算時，為了便于分析、計算，可化簡圖。圖 3取第一振型脈動增大系數(shù)為則衰減指數(shù)塔得總高度H=8m全塔操作質(zhì)

23、量重力加速度地震影響系數(shù)查得（設(shè)防烈度8級）查得計算截面距地面高度h：0-0截面：h=01-1截面：h=900mm2-2截面：h=1500mm地震彎矩計算可用以下方法：截面0-0 =1.25截面1-1=截面2-2= 第7章：各種載荷引起的軸向應(yīng)力 7.1 計算壓力引起得軸向拉應(yīng)力 其中、 7.2 操作質(zhì)量引起的軸向壓應(yīng)力截面0-0 令群座厚度為16mm；有效厚度； 截面1-1 其中，；為手孔截面得截面積，查相關(guān)標準得道=截面2-2其中； A。7.3 最大彎矩引起的軸向應(yīng)力其中，+截面1-1其中， 人孔截面得抗彎截面系數(shù)，查得相關(guān)標準得：截面2-2 其中， 第8章 塔體和群座危險截面的強度與穩(wěn)定

24、校核8.1塔體的最大組合軸向拉應(yīng)力校核截面2-2塔體得最大軸向拉應(yīng)力發(fā)生在正常操作時得2-2截面上。其中；K=1.2；。 ， 滿足要求。8.2塔體與群座的穩(wěn)定校核截面2-2塔體2-2截面上得最大組合軸向應(yīng)力滿足要求。 其中，查得（16，20）B=160MPa，K=1.2。截面1-1塔體1-1截面上得最大組合軸向壓應(yīng)力滿足要求。其中， A=查得Q235-B，20 B=125，K=1.2截面0-0塔體0-0截面上的最大組合軸向壓應(yīng)力滿足要求。其中，B=125MPa，；K=1.28.3 各危險截面強度與穩(wěn)定校核匯總項目計算危險截面0-01-12-2塔體與群座有效厚度444截面以上得操作質(zhì)量 2961

25、.21948.51820計算截面面積 A=6280計算截面得抗彎截面系數(shù)Z=最大彎矩 最大允許軸向拉應(yīng)力204最大允許軸向壓應(yīng)力/MPa135.6135.6192150150204計算壓力引起得軸向拉應(yīng)力/MPa003.1操作質(zhì)量引起的軸向壓應(yīng)力4.632.42.8最大彎矩引起的軸向應(yīng)力3.2718.37.4最大組合軸向拉應(yīng)力7.7最大組合軸向壓應(yīng)力45.8320.77.7強度校核滿足要求穩(wěn)定性校核滿足要求滿足要求mi滿足要求第九章塔體的水壓試驗9.1水壓試驗時各種載荷引起的應(yīng)力1.試驗壓力和液柱靜壓力引起的環(huán)向應(yīng)力 液柱靜壓力=2.試驗壓力引起的軸向拉應(yīng)力3. 最大質(zhì)量引起的軸向壓應(yīng)力4. 彎矩引起的軸向應(yīng)力9.2 水壓試驗時應(yīng)力校核1. 筒體環(huán)向應(yīng)力校核滿足要求。2. 最大組合軸向拉應(yīng)力校核滿足要求。3. 最大組合軸向壓應(yīng)力校核；滿足要求。 第10章 基礎(chǔ)環(huán)設(shè)計10.1 基礎(chǔ)環(huán)尺寸取10.2基礎(chǔ)環(huán)的應(yīng)力校核其中，（1）（2）取以上較大者。選用75號混凝土，由表查得其許用應(yīng)力：。，滿足要求。10.3基礎(chǔ)環(huán)的厚度假設(shè)螺栓直徑為M42，由表查得l=120mm，當b/l=146/120=1.2時，由表查得取其中較大值，故按有筋板時計算基礎(chǔ)環(huán)厚度：圓整后取 第11章地腳螺栓計算11.1地腳螺栓的最大拉應(yīng)力注： ，（1） =0.62()（2） =0.3取以上最大值，11.2地腳螺栓根徑