化工原理課程設(shè)計(jì)

1、廣東工業(yè)大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)任務(wù)書1、 設(shè)計(jì)題目：填料吸收塔的設(shè)計(jì) 2、 設(shè)計(jì)任務(wù)：試設(shè)計(jì)一填料吸收塔，用于脫除合成氨尾氣中的氨氣，要求塔頂排放氣體中含氨低于200ppm，采用清水進(jìn)行吸收3、 工藝參數(shù)與操作條件（1） 工藝參數(shù)表11尾氣處理量（Nm3/h）混合氣組成（%）NH3H2N2CH4+Ar20208602012（2）操作條件 常壓吸收：P0=101.3kPa 混合氣體進(jìn)塔溫度：30 吸收水進(jìn)塔溫度：20。 4、 設(shè)計(jì)項(xiàng)目：（1） 流程的確定及其塔型選擇；（2） 吸收劑用量的確定；（3） 填料的類型及規(guī)格的選定；（4） 吸收塔的結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算及其流體力學(xué)驗(yàn)算，包括：塔徑、填料層高度及

2、塔高的計(jì)算；噴淋密度的校核、壓力降的計(jì)算等；（5） 吸收塔附屬裝置選型：噴淋器、支承板、液體再分布器等；（6） 附屬設(shè)備選型：泵、風(fēng)機(jī)附：1、 NH3H2O系統(tǒng)填料塔吸收系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式：kGa=cGmWLnkLa=bWLP式中kGa氣膜體積吸收系數(shù)，kmol/m2.h.atmkLa液膜何種吸收系數(shù)，l/hG氣相空塔質(zhì)量流速，kg/m2.hWL液相空塔流速，kg/m2.h表12，查手冊(cè)（李功樣常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)華南理工大學(xué)出版社得）填料尺寸（mm）cmnBP125006150903901106525001390770200307838.00036707203800270782、（氨氣水）二成分氣

3、液平衡數(shù)據(jù) 表13序號(hào)溫度（）（液相）x（NH3液相摩爾分率）pNH3(mmHg)（NH3平衡分壓）122.320.0052.93224.640.016.97326.950.01512.09429.270.0218.39531.580.02526633.890.0335.1736.20.03545.86838.510.0458.5940.80.04573.211043.120.0590.29二、工藝流程示意圖（帶控制點(diǎn)）三、流程方案的確定及其填料選擇的論證1、 塔型的選擇：塔設(shè)備是能夠?qū)崿F(xiàn)蒸餾的吸收兩種分離操作的氣液傳質(zhì)設(shè)備，廣泛地應(yīng)用于化工、石油化工、石油等工業(yè)中，其結(jié)構(gòu)形式基本上可以分為板

4、式塔和填料塔兩大類。在工業(yè)生產(chǎn)中，一般當(dāng)處理量較大時(shí)采用板式塔，而當(dāng)處理量小時(shí)多采用填料塔。填料塔不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且阻力小，便于用耐腐蝕材料制造，對(duì)于直徑較小的塔，處理有腐蝕性的物料或要求壓降較小的真空蒸餾系統(tǒng)，填料塔都具有明顯的優(yōu)越性。根據(jù)本設(shè)計(jì)任務(wù)，是用水吸收法除去合成氨生產(chǎn)尾氣的氨氣，氨氣溶于水生成了具有腐蝕性的氨水；本設(shè)計(jì)中選取直徑為600mm，該值較小，且800mm以下的填料塔對(duì)比板式塔，其造價(jià)便宜。基于上述優(yōu)點(diǎn)，因此本設(shè)計(jì)中選取填料塔。2、 填料塔的結(jié)構(gòu)填料塔的主要構(gòu)件為：填料、液體分布器、填料支承板、液體再分器、氣體和液體進(jìn)出口管等。3、 操作方式的選擇 對(duì)于單塔，氣體和液體接觸

5、的吸收流程有逆流和并流兩種方式。在逆流操作下，兩相傳質(zhì)平均推動(dòng)力最大，可以減少設(shè)備尺寸，提高吸收率和吸收劑使用效率，因此逆流優(yōu)于并流。因此，本設(shè)計(jì)采用逆流。4、 吸收劑的選擇（1） 水對(duì)由 NH3 、H2 、N2 、CH4+Ar組成的混合氣中的NH3的溶解度很大，而對(duì)除NH3外的其它組成基本上不吸收或吸收甚微；（2） 在操作溫度下水的蒸氣壓小、粘度較低、不易發(fā)泡，可以減速少溶劑的損失，操作高效穩(wěn)定。（3） 水具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，不易燃、不易爆，安全可靠；（4） 水無腐蝕性、無毒性、無環(huán)境污染；（5） 水價(jià)廉易得，十分經(jīng)濟(jì)。因此選用水作為吸收劑。5、 填料的選擇鮑爾環(huán)的構(gòu)造是在拉西環(huán)

6、的壁上開兩排長方形窗口，被切開的環(huán)壁形成葉片，一邊與壁相連，另一端向環(huán)內(nèi)彎曲，并在中心處與其他葉片相搭。鮑爾環(huán)的構(gòu)造提高了環(huán)內(nèi)空間和環(huán)內(nèi)表面的有效利用率，使氣體阻力降低，液體分布有所改善，提高了傳質(zhì)效果；其結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，價(jià)格低廉，因此本設(shè)計(jì)采用塑料鮑爾環(huán)。四、工藝及填料塔計(jì)算1、 物料衡算（1） 近似取塔平均操作壓強(qiáng)為101.3kPa，進(jìn)塔混合氣中各組分的量為混合氣量： 2020×122。4=90.18kmol/h 混合氣中氨氣量：90.18×8%=7.21kmol/h=7.21×17=122.64kg/h操作條件下總氣量：2020×273+302

7、73=2241.98m3/h氨氣的體積流量：2241.98 m3/h×8%=179.35 m3/h其余數(shù)據(jù)同理可得出，結(jié)果見表41：表41 流量成分進(jìn)塔氣量m3/hkmol/hkg/hH21345.1954.11108.22N2448.4018.04505CH4+Ar269.0410.82173.15NH3179.357.21122.64總計(jì)2241.9890.18909.01（2） 混合氣進(jìn)出塔的摩爾組成為：y1=0.08 y2=0.0002，y1為混合氣進(jìn)塔的摩爾組成； y2為混合氣出塔的摩爾組成。（3） 混合氣進(jìn)出塔的摩爾比組成Y1=y1/(1-y1)=8.696%,即進(jìn)塔時(shí)的

8、摩爾比； Y2=y2/(1-y2)=0.02%,即出塔時(shí)的摩爾比。（4） 出塔混合氣量可求得氨氣回收率=G(Y1-Y2)/(GY1)=1-Y2/Y2=99.77%則可得NH3出塔時(shí)的體積流量：179.35×(1-99.77%)=0.4125m3/h混合氣中氨氣量：7.21×(1-99.77%)=0.0166kmol/h=0.0166×17=0.2821kg/h而其余氣體即視為惰性氣體，溶解度很小，可忽略不計(jì)，即和進(jìn)塔時(shí)的氣量一樣，結(jié)果見表42：表42 流量成分出塔氣量m3/hkmol/hkg/hH21345.1954.11108.22N2448.4018.0450

9、5CH4+Ar269.0410.82173.15NH3041250016602821總計(jì)2063048299786652、 熱量衡算與氣液平衡曲線表43 各液相濃度下的吸收液溫度及相平衡數(shù)據(jù)序號(hào)t/（）X(摩爾分率)XNH3平衡分壓P/(kPa)mE/kPaHyY*122.320.0050.0050250390.77780.710.0040.003871224.640.010.0101010930.92930.600.0090.009258326.950.0150.0152281611.06107.30.520.0160.016169429.270.020.0204082451.21122.5

10、0.450.0240.024804531.580.0250.0256413461.37138.40.400.0340.035431633.890.030.0309284671.54155.70.360.0460.048433736.20.0350.0362696101.72174.30.320.0600.064234838.510.040.0416677781.92194.50.290.0770.083415940.80.0450.047129742.14216.40.260.0960.1066261043.120.050.05263212012.37240.20.230.1190.13485

11、7注：（1） NH3平衡分壓P/（kPa）由pNH3(mmHg)×0.133可得；（2） y= pNH3/p0，Y*=y/(1-y)可得，P0=101.3kPa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；（3） 吸收劑為清水，X2=0。查相關(guān)資料得知，氨氣溶于水的亨利系數(shù)E可用右式計(jì)算：E=P/x由上式計(jì)算相應(yīng)的E值，且m=E/P，分別將相應(yīng)的E值及相平衡常數(shù)m的計(jì)算值列于表4-3的第6、7列。由Y*=y/(1-y)=P/(P0-P)關(guān)系求取對(duì)應(yīng)m及X的Y*，結(jié)果列于表4-3第9列。 根據(jù)X- Y*數(shù)據(jù)，用Excel作表擬合繪制平衡曲線OE如圖2-1，擬合曲線方程為： Y=4×106X4-69575X3

12、+27895X2+639.3X-0.033由圖2-1可查得，當(dāng)Y1=0.08696時(shí)，X1*=0.042944。最小吸收劑用量Lmin=G(Y1-Y2)/( X1*-X2)=82.97×0.08696-0.00020.042944-0=167.62kmol/h取安全系數(shù)1.8,則有安全用水量L=1.8×Lmin=167.62×1.8=301.72 kmol/h=5430.96kg/h 根據(jù)X-t數(shù)據(jù)，用Excel作圖得圖2-2，X-t圖如下： 圖2-2 X-t圖 根據(jù)x-P數(shù)據(jù)，用Excel作圖得圖2-3，x-P圖如下：圖2-3 x-P 根據(jù)X-H數(shù)據(jù)，用Exce

13、l作圖得圖2-4，X-H圖如下：圖2-4 X-H3、 塔吸收液濃度X1物料衡算式：G（Y1-Y2）=L（X1-X2）所以 X1=G（Y1-Y2）/L+X2 =82。97×（0。08696-0。0002）301。72=0.023864、 操作線方程逆流吸收塔的操作線方程式為：Y=LGX+（Y2-LGX2）將已知參數(shù)代入得Y=3.6365X+0.0002將以上操作線繪于圖2-1中，為BT直線。5、 塔徑的計(jì)算因塔底氣液負(fù)荷大，故按塔底條件計(jì)算：塔底混合氣體溫度30，X1=0.02386，由圖2-3 X-t圖查得塔底吸收30.70,設(shè)計(jì)壓力取為塔的操作壓力101.3kPa。塔徑的計(jì)算公式為

14、：D=4VSu ，u=（0.50.85）uf圖5-1通用關(guān)聯(lián)圖，出自手冊(cè)（李功樣常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)華南理工大學(xué)出版社）圖5-1通用關(guān)聯(lián)圖（1） 采用?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖計(jì)算泛點(diǎn)氣速uf1) 有關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算塔底混合氣體質(zhì)量流量WG=909.01kg/h吸收液的質(zhì)量流量WL=5430.96+122.64- 0.2821)=5553.32kg/h進(jìn)塔混合氣體密度混合氣體的分子量m=0.08×17+0.6×2+0.2×28+0.12×16=10.08G=10.0822.4×273273+30=0.4054kg/m3由手冊(cè)（李功樣常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)華南理工

15、大學(xué)出版社）可查得吸收液（水）的密度為995.7kg/m3；吸收液粘度為µL=0.7890mPa.m。經(jīng)比較，選D=38mm的塑料鮑爾環(huán)（米）。查表可得，其填料因子F=184m-1，比表面積at=155m2/m3。2) 關(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)值WLWG(GL)12=5553.32909.01×(0.4054995.7)12=0.12333) 由關(guān)聯(lián)圖查得縱坐標(biāo)值為0.133uF2FGgLµL=uF2×184×1×0.40549.81×995.7×0.78900.2=0.007283×uF2=0.133故泛點(diǎn)氣速u

16、F=4.273m/s（2） 操作氣速u=0.5uF=2.5638（3） 塔徑 D=4VSu=4WG3600uG=4×909.013600×3.14×2.5638×0.4054=0.556m=566mm則取塔徑為0.6m即為D=600mm，那么D/d=600/50=1210，滿足鮑爾環(huán)的要求。（4） 核算氣速VS=909.010.4054=22422.55m3/hu=22422.553600×0.785×0.62=2.2040m/suuF=2.20404.2730.52(符合要求)（5） 核算噴淋密度 d<75mm的環(huán)形填料最小潤

17、濕率為0.08m3/(m2.h)，最小噴淋密度：Umin=0.08×155=12.4m3/(m2.h)由于U=5553.32995.7×0.785×0.62=19.74m3/(m2.h)> 12.4m3/(m2.h)故滿足要求。6、填料層高度的計(jì)算由圖1可見，平衡曲線的彎曲程度不大，本設(shè)計(jì)采用傳質(zhì)單元數(shù)法分兩段計(jì)算吸收塔的填料層高度：Z=HOG×NOG=VkYaY2Y1dYY-Y*（1） 傳質(zhì)單元高度HOG的計(jì)算由表1-2查得相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，c=0.0367、m=0.72、n=0.38、b=0.027、P=0.78，由經(jīng)驗(yàn)公式可得kYa=P.kGa=

18、P.cGmWLn=1×0.0367×(909.01×43.14×0.62)0.72×(5430.96×43.14×0.62)0.38=522.155kmol/m2hkXa=c.kLa=c.b.WLP=301.72+7.21-0.01665553.325/995.7 ×0.027×(5430.96×43.14×0.62)0.78=55.39×59.25=3281.59kmol/m2h平衡線的斜率為-kXakYa=-6.285惰性量V=82.97 kmol/h，D=0.6m=4&

19、#215;0.62=0.2827m2HOG=VkYa=82.97522.155×0.2827=0.5620m（2） 傳質(zhì)單元數(shù)NOG的計(jì)算在圖2-1把Y軸上00.08696分成50等分，編號(hào)如表6-1。表6-1序號(hào)YYiY-Yif=1/(Y-Yi)00.000200.0002500010.0017390.0003880.001352739.809120.0034780.000850.002628380.459630.0052180.0012250.003993250.463440.0069570.0019730.004984200.6350.0086960.0024980.00619

20、9161.329460.0104350.0030.007435134.495470.0121740.0034880.008687115.115980.0139140.0042280.009686103.240790.0156530.0047430.0109191.65651100.0173920.0054630.0119383.82581110.0191310.0061380.01299476.96037120.020870.0068030.01406871.08381130.022610.0074830.01512766.10652140.0243490.0081130.01623661.5

21、9039150.0260880.0087830.01730657.7851160.0278270.0097790.01804955.40565170.0295660.0107010.01886553.00822180.0313060.0112350.02007149.82338190.0330450.0118540.02119147.18918200.0347840.0128620.02192345.61524210.0365230.0139010.02262344.20339220.0382620.0147740.02348942.5733230.0400020.0156930.024308

22、41.13838240.0417410.0167030.02503839.93881250.043480.0177110.0257738.80556260.0452190.0188390.0263837.90736270.0469580.01980.02715936.82034280.0486980.0209210.02777736.00088290.0504370.0219020.02853535.0448300.0521760.0228990.02927834.15592310.0539150.0240050.0299133.43341320.0556540.0250.03065532.6

23、2121330.0573940.0260320.03136231.88562340.0591330.0271010.03203231.21849350.0608720.0281470.03272630.55721360.0626110.0292320.0333829.95851370.064350.0304310.03391929.48165380.066090.0315680.03452228.96695390.0678290.0327110.03511828.47518400.0695680.0338720.03569728.01395410.0713070.0349760.0363322

24、7.52417420.0730460.0360090.03703826.99937430.0747860.0372140.03757226.61549440.0765250.0387110.03781426.44502450.0782640.0403040.03796126.34317460.0800030.041690.03831426.10032470.0817420.043010.03873225.81818480.0834820.0443660.03911625.56525490.0852210.0459990.03922225.49603500.086960.0476340.0393

25、2725.42815等分后按每個(gè)點(diǎn)作平行于X軸的直線與操作線相交，由該交點(diǎn)作平行于Y軸的直線與平衡曲線相交，再由該交點(diǎn)作X軸的平等線交Y軸于YI點(diǎn)，得到的數(shù)據(jù)填到表6-1的第3列。根據(jù)Y-1/(Y-Yi)數(shù)據(jù)，用Excel作圖得圖6-1，Y-1/(Y-Yi)圖如下：圖6-1其擬合曲線方程為：fY=1（Y-Yi）=2.659Y-0.86積分得NOG=Y2Y1dYY-Y*=2.659Y-0.86dY=2.659（Y10。14-Y20。14）0。14=7.7255積分的面積如圖6-2，圖6-2則可得Z=HOG×NOG=0.5620×7.7255=4.3417m Z有效=1.25&

26、#215;4.3417=5.4272m7、填料層壓降的計(jì)算WLWG(GL)12=5553.32909.01×(0.4054995.7)12=0.1233當(dāng)操作氣速為u=2.204m/s，Dg38mm塑料鮑爾環(huán)填料的壓降填料因子P=114m-1，=水L=1時(shí)，查圖5-1得縱坐標(biāo)值為u2PVgLµL0。2=2.2042×114×1×0.40549.81×0.78900.2=0.0143橫坐標(biāo)為0.133,縱坐標(biāo)為0.0143，在關(guān)聯(lián)圖5-1查得每米填料層壓降：P211×9.81=107.91Pa/(m填料)全塔填料層壓降：P=5

27、.4273×107.91=585.66Pa五、吸收塔附屬裝置及設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型1、噴淋器多孔直管式噴淋器多用于800mm以下的塔，所以本設(shè)計(jì)選用多孔直管式噴淋裝置。2、支承板選用柵板式支承板，查手冊(cè)（李功樣常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)，華南理工出版社）P115表3-11得公稱直徑填料環(huán)直徑柵板尺寸DL1RLh×sntlL26005058028929057940×6545225183、液體再分布器選用截錐式再分布器，截錐上方加裝支承板，截錐下方個(gè)一段距離再裝填料，截錐與塔壁取45°角，截錐下口直徑為0.75×6004、法蘭查手冊(cè)（李功樣常用化工單元設(shè)備設(shè)

28、計(jì)，華南理工出版社）P245附表2（A）甲型平焊法蘭尺寸如下公稱直徑法蘭/mm螺柱DD1D2D3D4d規(guī)格數(shù)量6007156806506406373218M1624查手冊(cè)（李功樣常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)，華南理工出版社）P256附表5板式平焊鋼制管法蘭查得公稱直徑管子直徑連接尺寸法蘭厚度法蘭內(nèi)徑坡口寬度重量kgABDKLnTbAB4048.345130100144M121649.546-1.38200219.1219320280188M1622221.5222-6.85 5、手孔（JB589-79-1）由常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)P274附表19平蓋平焊法蘭手孔尺寸表查得密封面型式公稱壓力Pgkg/

29、cm2公稱直徑Dgdw×SDD1H1H2bb1b2A1015015×4.528024016082241618螺栓螺母螺栓質(zhì)量kg材料類別標(biāo)準(zhǔn)圖號(hào)數(shù)量直徑×長度8M20×6518.8JB589-79-16、封頭塔徑D=600mm，查常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)P239附表（A）得，封頭尺寸h1=150mm h0=40mm F=0.466 V=0.04 P=10mm G=38kg7、支座塔徑D=600mm，由常用化工單元設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)P269附表13，支座尺寸為適用容器公稱直徑D高度H底板筋板墊板螺栓質(zhì)量l1b1s1l2b2l3b1e螺紋B型30060012512

30、5100630160805160125620M202.58、氣液配管管徑的計(jì)算及選擇（1） 液體進(jìn)出口管管徑的確定取液速u=1.2m/sVS=WL水×13600=5553.32995.7×3600=0.001549m3/sD=4VSu=4×0.0015493.14×1.2=0.04055m=40.55mm故可取管徑45mm由化工原理（王志魁編 化學(xué)工業(yè)出版）P381熱軋無縫鋼管，可選取管徑45×6由u=0.001549×43.14×0.0452=0.9744m/s ，在0.81.5之間，則設(shè)計(jì)結(jié)果合理。（2） 氣體進(jìn)出口管管

31、徑的確定取氣速u=19m/s VS=WGG×13600=995.70.4054×3600=0.6822m3/sD=4VSu=4×0.68223.14×19=0.2139m=213.9mm由化工原理（王志魁編 化學(xué)工業(yè)出版）P381熱軋無縫鋼管，可選取管徑219×6由u=0.6822×43.14×0.2192=18.12m/s在1020之間，所以設(shè)計(jì)結(jié)果合理。9、泵10、風(fēng)機(jī)六、設(shè)計(jì)結(jié)果概要課程設(shè)計(jì)名稱水吸收NH3過程填料吸收塔設(shè)計(jì)操作條件操作溫度 30.70操作壓力：常壓物性數(shù)據(jù)液相氣相液體密度995.7kg/m3混合氣體平均摩爾質(zhì)量10.08kg/mol液體粘度0.7890mPa.s混合氣體的平均密度0.4054kg/m3重力加速度9.81N/kg物料衡算數(shù)據(jù)Y1Y2X1X2進(jìn)塔氣相流量出塔氣相流量L0.086930.00020.02386090.18 kmol/