【精品文檔】碳酸丙烯酯(PC)脫除CO2填料塔的設(shè)計(jì)

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。【精品文檔】碳酸丙烯酯(PC)脫除CO2填料塔的設(shè)計(jì)目 錄化工原理課程設(shè)計(jì)學(xué)院名稱 化學(xué)工程學(xué)院 -姓 名 （學(xué) 號(hào)） 吳磊 20093397 專 業(yè) （班 級(jí)） 化學(xué)工程與工藝專業(yè)09-4班 同 組 成 員 吳磊 曹勝 齊威 指 導(dǎo) 教 師 劉雪霆 呂建平 設(shè) 計(jì) 時(shí) 間 2012年6月23日 - 7月4日 成績(jī)?cè)u(píng)定書設(shè)計(jì)題目碳酸丙烯酯脫除合成氨原料氣中C02填料塔設(shè)計(jì)成績(jī)課程設(shè)計(jì)主要內(nèi)容本次課程設(shè)計(jì)的任務(wù)是：設(shè)計(jì)年處理量40000 Nm3/h，含CO2為30%的合成氨原料氣的填料塔設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)我的

2、工作主要內(nèi)容：1、 查閱相關(guān)資料信息；2、 程序的優(yōu)化；3、裝配圖的繪制；4、部分流程圖繪制；指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)簽 名： 2011 年 月 日化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書設(shè)計(jì)題目：碳酸丙烯酯（PC）脫除合成氨原料氣中CO2填料塔的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件：1.合成氨原料進(jìn)氣量 40000 Nm3/h。2.原料氣組成（摩爾分率）CO2 CO H2 N2 CH430% 3% 49% 15% 3%3.出塔凈化氣中：CO20.6% （摩爾分率）4.再生PC中含CO22×10-5 （摩爾分率）5.操作溫度 326.操作壓力 2.5MPa設(shè)計(jì)成果：1. 設(shè)計(jì)說(shuō)明書一份2. 帶控制點(diǎn)的工藝流程圖 （3#圖紙）一

3、張；填料吸收塔的裝配圖 （1#圖紙）一張。目 錄摘要5Abstract61 引言71.1 合成氨原料氣中CO2的脫除工藝發(fā)展及現(xiàn)狀72 填料吸收塔工藝尺寸的設(shè)計(jì)和計(jì)算92.1設(shè)計(jì)參數(shù)和物性參數(shù)的計(jì)算92.1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)和指標(biāo)92.1.3 填料的相關(guān)參數(shù)112.2 吸收塔的物料衡算122.3 塔徑的計(jì)算13塔徑的計(jì)算公式： 132.3.1 空塔氣速u的確定132.3.2 塔徑的計(jì)算14142.4 填料層高度的計(jì)算142.4.1 傳質(zhì)單元高度的計(jì)算142.4.2 傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算：173 填料吸收塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)183.1 總費(fèi)用的計(jì)算183.1.1 吸收塔塔體和平臺(tái)扶梯年折舊及維修費(fèi)用183.1.

4、2 填料年折舊費(fèi)用194 填料吸收塔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)224.1 填料支承裝置224.2 液體噴淋裝置224.3 液體再分布裝置224.4 塔頂除霧沫器234.5 填料壓板和床層限制板234.6 管口結(jié)構(gòu)234.6.1氣體和液體的進(jìn)出口裝置234.6.2 填料卸出口255.1 主要工藝參數(shù)的校核265.1.1液體噴淋密度265.1.2 塔直徑與填料直徑之比26275.1.3 實(shí)際氣速與液泛氣速比275.2.1 筒體材料的選用與計(jì)算275.2.2 封頭厚度的計(jì)算275.2.3 質(zhì)量載荷計(jì)算285.2.4 塔體的風(fēng)載荷和風(fēng)力矩的計(jì)算29（2） 自振周期315.2.5 地震載荷325.2.6 最大彎矩的

5、計(jì)算335.2.7 塔體的強(qiáng)度與穩(wěn)定校核335.2.8 裙座的強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算、校核345.2.9 筒體和裙座水壓試驗(yàn)時(shí)塔的應(yīng)力校核355.2.10 基礎(chǔ)環(huán)板的設(shè)計(jì)355.2.11 地腳螺栓的設(shè)計(jì)367 優(yōu)化程序及結(jié)果387.1 優(yōu)化程序387.2 優(yōu)化程序結(jié)果輸出398 主要符號(hào)說(shuō)明429 小結(jié)469.1 設(shè)計(jì)匯總總結(jié)469.2 課程設(shè)計(jì)感想46參考文獻(xiàn)48附錄48附錄一：CO2溶解在PC中的相平衡曲線49碳酸丙烯酯（PC）脫除合成氨原料氣中CO2 填料塔的設(shè)計(jì)摘要：工業(yè)上用碳酸丙烯酯作為吸收劑脫除二氧化碳的過(guò)程是在吸收塔中進(jìn)行，所以，綜合吸收效果和經(jīng)濟(jì)效益須對(duì)吸收塔進(jìn)行設(shè)計(jì)。PC溶劑對(duì)CO

6、2的吸收為物理過(guò)程，選擇較低的操作溫度和較高的操作壓力有利于吸收的進(jìn)行，而填料吸收塔的設(shè)備設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化是關(guān)鍵部分。此次課程設(shè)計(jì)是以碳酸丙烯酯（PC）脫除合成氨原料氣中CO2的填料塔的設(shè)計(jì),進(jìn)氣口的流量為40000 Nm3/h。其中，填料為塑料階梯環(huán)。經(jīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化后的最優(yōu)氣液比為最小液汽比的1.23，塔內(nèi)徑為2.800 m,填料層高度為12.450m,塔高為24.900m。最后經(jīng)設(shè)計(jì)校核和強(qiáng)度校核后，此次課程我們?cè)O(shè)計(jì)出了安全的且最經(jīng)濟(jì)的填料塔。關(guān)鍵字：PC 填料塔 合成氨 塑料階梯環(huán) 優(yōu)化 校核 CO2Design of packed column that removes CO2 from f

7、eed gas of synthetic ammonia by propylene carbonate (PC)Abstract:In industry,the process of removing carbon dioxide by Propylene Carbonate (PC) as absorbent can be achieved in a absorption tower. As a result, the design of absorption column should include the effect of absorption and the economic be

8、nefits.The process of removing CO2 from feed gas of synthetic ammonia by using propylene carbonate (PC) as absorbent is a physical process. It is advantageous to the process by selecting a low operation temperature and high operation pressure. Also the design of the equipment and economic optimizati

9、on of packed column are the key parts. According to the curriculum design, this course aims at designing a packed column of removing CO2 from ammonia by using propylene carbonate (PC). The packed column is filled by plastic cascade ring. The intake of flow is 40,000 Nm3/h. As designed, the best liqu

10、id vapor is 1.23 times of minimum liquid vapor, the diameter is 2.800m and the height of the packing is 12.450m,the high of the tower is 24.900m. Finally, according to the strength checking and design verification,this course we have designed a safe and most economical packed columnKeywords: PC pack

11、ed tower ammonia plastic cascade mini ring optimization checking carbon dioxide1 引言1.1 合成氨原料氣中CO2的脫除工藝發(fā)展及現(xiàn)狀氣體凈化是工業(yè)上重要的過(guò)程之一。隨著各工業(yè)過(guò)程的要求不同，有的需要對(duì)原料氣體進(jìn)行凈化處理，有的需要對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的氣體進(jìn)行凈化，有的需要對(duì)尾氣進(jìn)行凈化等。在合成氨生產(chǎn)中，由于制氣原料主要碳和含碳化合物，經(jīng)制氣和一氧化碳變換后，變換氣中除含有對(duì)氨合成有用的氫氣等，同時(shí)還含有二氧化碳、一氧化碳、甲烷、硫化氫等對(duì)氨合成有害的雜質(zhì)組分。在這些雜質(zhì)組分中又以二氧化碳的含量最高。如在生產(chǎn)過(guò)程中

12、，不及時(shí)將二氧化碳從變換氣中除去，將會(huì)使后續(xù)工序無(wú)法正常進(jìn)行。脫除原料氣中大量二氧化碳的方法主要分為三大類：化學(xué)吸收法、物理化學(xué)法和物理吸收法。本次設(shè)計(jì)中主要運(yùn)用物理吸收法。則以下主要介紹物理吸收法。物理吸收法是指吸收劑并不與二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的一類脫碳方法。它是基于不同壓力下的二氧化碳在吸收劑中有不同的平衡溶解度這種性質(zhì)而發(fā)展起來(lái)的。這類方法中的吸收劑大多為有機(jī)溶劑，它們普遍具有溶解二氧化碳量大的特點(diǎn)，尤其是在加壓時(shí)。此外吸收劑的再生大多不必加熱，僅通過(guò)簡(jiǎn)單的降壓或常溫氣提（惰性氣體吹洗）。碳酸丙烯酯脫除CO2到五十年代才有較系統(tǒng)的報(bào)導(dǎo), 它具有許多有趣的性質(zhì), 而且原料易得, 目前已廣泛

13、應(yīng)用在石油化學(xué)工業(yè)中。六十年代開始, 有專利刊出, 把碳酸丙烯酯用在合成氨工業(yè)中的脫除原料氣中二氧化碳。從變換氣中脫出二氧化碳在合成氨工業(yè)中占有重要的位置, 過(guò)去我國(guó)較多采用水洗的方法, 由于二氧化碳在水中的溶解度很小, 大量循環(huán)水耗費(fèi)巨大的動(dòng)力, 水洗法所耗電能約為200瓦/（噸氨）。若用乙醇胺的水溶液脫除, 溶液再生需耗熱, 在燃料緊張地區(qū)，也不可取。為此希望尋找一種有機(jī)溶劑, 既能溶解大量CO2, 而且可減壓再生, 減少燃?xì)庀摹＿^(guò)種觀點(diǎn)已成為許多工程技術(shù)工作者的共同愿望。六十年代以來(lái), 新溶劑的選用已成為酸性氣體凈化的基本方向。在報(bào)導(dǎo)中選用的溶劑有碳酸丙烯酯（PC）、甘油三醋酸酯、甲氧

14、基三甘醇醋酸酯、丁氧基二甘醇三酸酯等, 從合成的角度和物性的要求出發(fā), 又以PC較為優(yōu)越。在常壓下, CO2在PC中的溶解度是其在水中的四倍, 隨著壓力的增加, CO2在PC中的溶解度增加尤為明顯。目前不但已進(jìn)行了較多的PC一CO2體系的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)研究, 而且到1975年為止，國(guó)外已有十個(gè)工廠用PC來(lái)脫除CO2，其中有七小工廠是處理天然氣的， 二個(gè)廠是生產(chǎn)氫， 一個(gè)廠是合成氨原料氣的凈化。碳酸丙烯酯為環(huán)狀有機(jī)碳酸酯類化合物，在常溫下為略帶芳香味的液體，純凈時(shí)無(wú)色透明，分子式為C4H6O3，相對(duì)分子質(zhì)量為102.9/kmol，密度略大與水。它對(duì)二氧化碳、硫化氫及一些有機(jī)硫具有較大的溶解能力，而對(duì)氫

15、氣、氮?dú)狻⒁谎趸?、甲烷、氧氣等的溶解度要小得多。如以氫氣在碳酸丙烯酯中的溶解度為基?zhǔn)，則同樣溫度與壓力下二氧化碳的溶解度為氫氣的130倍左右，硫化氫為氫氣的420倍左右。由于不同氣體在同一溶劑中溶解度差別很懸殊，這就為該溶劑用于氣體混合物的分離奠定了理論基礎(chǔ)。碳酸丙烯酯的穩(wěn)定性較好，在工業(yè)上連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)十余年后仍不影響其吸收效率。溶劑在吸收了二氧化碳和硫化氫等酸性氣體后，對(duì)普通碳鋼的腐蝕性仍較低，因此在工業(yè)上可用普通碳鋼作為主要設(shè)備的材質(zhì)。用碳酸丙烯酯作為吸收劑來(lái)吸收合成氨原料氣中的二氧化碳的方法與其他脫碳方法相比，在凈化度相同的情況下，也以碳酸丙烯酯法的能耗和可比操作費(fèi)最低。1.2 PC脫除C

16、O2的基本工藝流程簡(jiǎn)介及工藝流程圖（1）PC脫除CO2的基本工藝流程簡(jiǎn)介本次課程設(shè)計(jì)中，用碳酸丙烯酯（PC）作為吸收劑來(lái)吸收合成氨原料氣里的二氧化碳，可認(rèn)為是單組分等溫物理吸收過(guò)程。因此選擇高的操作壓力、較低操作溫度有利于吸收。為確保CO2的回收率和塔凈化氣中的CO20.6% ，宜采用氣液逆流的吸收過(guò)程。為使PC溶劑循環(huán)使用，并充分回收解吸氣中H2，N2，CO2等氣體，將解吸過(guò)程分成三步，構(gòu)成三級(jí)解吸流程。第一級(jí)減壓閃蒸的目的是回收H2，N2；第二級(jí)常壓解吸，回收CO2；第三級(jí)也是汽提解吸，保證PC溶劑的再生質(zhì)量。此外，設(shè)置換熱器，分離罐，儲(chǔ)槽，機(jī)泵，空氣壓縮機(jī)等以構(gòu)成完整的吸收及解吸裝置。本

17、次設(shè)計(jì)參數(shù)中氣體流量為40000Nm3/h，變換氣體經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮后，經(jīng)緩沖罐進(jìn)入分離設(shè)備。在操作壓力2.5MPa下進(jìn)入吸收塔底部，與塔頂噴淋而下的PC溶劑逆流接觸，將CO2吸收。出塔凈化氣體含CO20.6%，吸收了CO2的吸收液（富液）進(jìn)入富液儲(chǔ)槽，經(jīng)減壓閥進(jìn)行閃蒸，將N2、H2及少量的CO2解吸出來(lái)，經(jīng)氣液分離，再將此解吸氣體送至壓縮機(jī)進(jìn)行回收，閃蒸液體泵入常壓解吸塔，主要將大量CO2解吸出來(lái)，獲得純度較高的CO2，為達(dá)到良好的解吸效果，設(shè)置兩個(gè)解吸塔。常壓解吸后，PC溶液中尚含有一定的CO2，將PC液體借助液位差流到下部的常壓解吸塔。在此與塔底鼓入的熱空氣逆流接觸，以將其中殘存的進(jìn)一步解

18、吸出來(lái)，使PC液體得到較完全的再生，以供吸收循環(huán)使用。（2）PC脫除CO2的工藝流程圖 2 填料吸收塔工藝尺寸的設(shè)計(jì)和計(jì)算2.1設(shè)計(jì)參數(shù)和物性參數(shù)的計(jì)算2.1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)和指標(biāo)1.設(shè)計(jì)參數(shù)（1）進(jìn)入系統(tǒng)的變換氣量：40000 N/h。（2）變換氣組成（體積分?jǐn)?shù)）表1-1CO2COH2N2CH430%3%49%15%3%（3）設(shè)計(jì)溫度、壓力條件 t=32，p=2.5MPa 2 設(shè)計(jì)指標(biāo) （1）吸收塔頂出口凈化氣中CO20.6% （2）入吸收塔再生后的PC含CO22×10-52.1.2 CO2溶解在PC中的相平衡曲線及相關(guān)物性參數(shù)擬合出的平衡曲線Y=20.510X2+3.5158X+0

19、.0025(參考附錄）其中線性回歸系數(shù)為：R2=0.9999(2)相關(guān)物性參數(shù)1）塔底入塔原料氣中 H2:N2=3.266:12) 原料氣量:G=40000Nm3/h=1785.714kmol/h=0.496kmol/s 則惰性氣體流量：GB=G×(1-0.3)=1250kmol/h=0.347kmol/s(3)混合氣的密度 其中：P-操作壓力，2.5 MPa； MG-相對(duì)分子質(zhì)量，g/mol； R-摩爾氣體常數(shù)，8.314 J/(mol·K)； T-絕對(duì)溫度,305.15K；(4）混合氣的摩爾質(zhì)量其中：yii組分在原料氣中的組成（摩爾分率）；Mii組分的相對(duì)分子質(zhì)量，g/

20、mol。（Mco2= 44.01 kg/kmol，MN2= 28.02 kg/kmol，MH2= 2.016 kg/kmol, Mco=28kg/kmol, MCH4=16kg/kmol）；(5) 填料吸收塔內(nèi)各同截面上的氣體物性參數(shù)：由于吸收過(guò)程中惰性氣體內(nèi)各組分所占的百分比不變，可得二氧化碳各個(gè)不同含量時(shí)混合氣體各自所占的百分比，由公式： ，可計(jì)算得不同比例時(shí)氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量，由公式： 可以計(jì)算得到不同截面上氣體的物性參數(shù)如下表：表1-3位置CO2的摩爾分率/(%)CO2的摩爾比/(%)混合氣的平均摩爾分子質(zhì)量/(g/mol)混合氣的密度/(kg/m3)混合氣的摩爾流速/(mol/s

21、)塔頂0.60.609.5095 9.3707 28169.01 22.049.9954 9.8495 28571.43 44.1710.6896 10.5336 29166.67 66.3811.3837 11.2176 29787.23 88.7012.0779 11.9017 30434.78 1011.1112.7721 12.5857 31111.11 1213.6413.4663 13.2698 31818.18 1416.2814.1604 13.9538 32558.14 1619.0514.8546 14.6379 33333.33 1821.9515.5488 15.321

22、9 34146.34 2025.0016.2430 16.0060 35000.00 2228.2116.9371 16.6900 35897.44 2431.5817.6313 17.3741 36842.11 2635.1418.3255 18.0581 37837.84 2838.8919.0197 18.7422 38888.89 塔底3042.8619.7138 19.4262 40000.00 (6）吸收劑PC的密度：1=1.224-1.027×10-3t=1191.14kg/m3其中：t-吸收劑PC的溫度32(7）吸收劑PC的黏度：2 得到 其中：T-吸收劑PC的溫度/

23、K305.15K(8) 吸收劑PC的摩爾質(zhì)量 (9) 吸收劑PC的表面張力：3 其中：t吸收劑PC的溫度/322.1.3 填料的相關(guān)參數(shù)(1）選取的填料為塑料階梯環(huán)（亂堆）(2）塑料階梯環(huán)的物性參數(shù)：4 公稱直徑：50mm 外徑×高度×壁厚： 50×30×1.5mm； 比表面積：at = 121.8 m2/m3； 空隙率：= 0.915 m3/m3； 堆積密度：= 76.8 kg/m3； 個(gè)數(shù)：n = 9980 個(gè)/m3;干填料因子：=159 m-1； 填料因子：=80 m-1； 常數(shù)：A = 0.204；K = 1.75； 填料的形狀系數(shù)（開孔環(huán)）：

24、= 1.45；填料材質(zhì)的臨界表面張力： = 40 mN/m；2.2 吸收塔的物料衡算對(duì)于高濃度氣體的吸收，隨著溶質(zhì)向液相的轉(zhuǎn)移，汽液兩相沿塔的變化較大，屬于高濃度吸收，會(huì)影響到物料衡算，故溶質(zhì)濃度宜采用摩爾比表示較為妥當(dāng)。此時(shí)逆流吸收塔的物料衡算和操作線方程式的具體方法如下：1. 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)給定的混合氣處理量、氣體原料的濃度和分離要求計(jì)算進(jìn)、出口的氣體組成。應(yīng)用物料衡算式： 其中：GB-單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)吸收塔的惰性氣體流量， kmol/sLs-單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)吸收塔的吸收劑流量，kmol/sYb ，Ya-分別為進(jìn)塔及出塔氣體中CO2的摩爾比Xa ，Xb-分別為進(jìn)塔及出塔液體中CO2的摩爾比由設(shè)計(jì)

25、任務(wù)可得：GB =0.347kmol/s,Y1=0.4286,Y2=0.006,X1=0.00002則操作線方程為：其中X2，Ls未知。2.吸收劑流量Ls的確定吸收劑流量是從操作汽液比求得的，液汽比大則吸收操作的推動(dòng)力增大，設(shè)備尺寸可以減小，但會(huì)使出塔液體濃度變稀，吸收所需要的操作費(fèi)用增大；而液氣比過(guò)小，會(huì)使操作推動(dòng)力減小，塔高增加。因此，液氣比的選擇涉及經(jīng)濟(jì)上的最優(yōu)化問(wèn)題，應(yīng)作權(quán)衡決定。(1) 求最小液氣比（Ls/GB）對(duì)正常形狀的相平衡曲線，最小汽液比等于操作線于平衡線相交時(shí)的斜率： (2) 根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，取吸收劑用量為最小用量的1.1-2.0倍是比較適宜的，設(shè)該系數(shù)為n，即：(3)

26、吸收劑的實(shí)際用量為：LS=6365.375n kmol/h=1.7682n kmol/s通過(guò)程序優(yōu)化（程序見(jiàn)第七章）得：n=1.23，即最佳汽液比為6.2635，Ls=2.175kmol/s.由塔頂與任一截面間做物料衡算 計(jì)算可得：X2=0.06744即：操作線方程為：Y=6.2635X-0.41642.3 塔徑的計(jì)算塔徑的計(jì)算公式： 其中：VS-氣體體積流量，m3/s; u-適宜的空塔氣速，m/s u=安全系數(shù)×uF ,uF為泛點(diǎn)氣數(shù)，m/s塔徑的計(jì)算分為兩個(gè)步驟：確定空塔氣速，計(jì)算塔徑D。2.3.1 空塔氣速u的確定計(jì)算填料塔的塔徑時(shí)，首先確定適宜的空塔氣速u，填料塔的空塔氣速必

27、須小于泛點(diǎn)氣速uF，一般取其0.6-0.8倍，本次設(shè)計(jì)取u=0.7uF。由Bain-Hougen關(guān)聯(lián)式確定uF：其中：uF泛點(diǎn)氣速，m/s； 干填料因子，143.1m-1； V ,L分別為氣液相的密度 ，V=19.4126kg/m3 L=1191.14kg/m3uL 液相黏度，2.5mPa·smL，mV分別為液相和氣相流體的質(zhì)量流量，kg/h；對(duì)于塑料階梯環(huán)查得：A=0.204，K=1.75； 代入相關(guān)物性數(shù)據(jù)得 優(yōu)化后uF=0.1243m/s2.3.2 塔徑的計(jì)算優(yōu)化后uF=0.1243m/s,D=2.71m圓整后得D=2.8m2.4 填料層高度的計(jì)算填料層高度的計(jì)算通式為：填料層

28、高度=傳質(zhì)單元數(shù)×傳質(zhì)單元高度此次設(shè)計(jì)中CO2在PC中溶解度相對(duì)較小，可近似作液膜控制系統(tǒng)則： 其中：Z填料層高度，m；HOL液相總傳質(zhì)單元高度，m；NOL液相總傳質(zhì)單元數(shù)；KXa液相的體積吸收總系數(shù)，kmol/(m3·s)；X*液相平衡濃度，摩爾比；塔截面積，m22.4.1 傳質(zhì)單元高度的計(jì)算單元傳質(zhì)高度的計(jì)算主要涉及傳質(zhì)系數(shù)的求解。傳質(zhì)系數(shù)不僅與流體的物性、氣液兩相流率、填料的類型及特性有關(guān)，還與全塔的液體分布、塔的高度和塔徑有關(guān)。此次設(shè)計(jì)，我們選用恩田準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計(jì)算。 1)塔截面積1） 有效表面積7 =優(yōu)化后：n=1.23,uF=0.1243m/s aw=110m

29、2/m3其中：?jiǎn)挝惑w積有效填料層的潤(rùn)濕比表面，； 單位體積填料層的潤(rùn)濕比表面，； 液體的表面張力，N/m; 填料材質(zhì)臨界表面張力，N/m; 液體的粘度，； 液相的空塔質(zhì)量流率，； 重力加速度，m/s22） 液相總傳質(zhì)系數(shù)其中： 液相的質(zhì)量流率，/(m2·s)；單位體積填料層的濕潤(rùn)表面，m2/m3；液體的粘度，Pa·s；液相密度，kg/m3； 溶質(zhì)在液相中的傳質(zhì)系數(shù)，m2/s：上式中帶入相關(guān)數(shù)據(jù)得： 7取其平均值則：所以： 液相傳質(zhì)系數(shù)的修正公式:可得：因?yàn)椋?則優(yōu)化后 HOL=1.46m2.4.2 傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算：?jiǎn)卧獋髻|(zhì)數(shù)計(jì)算公式:傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算方法有三種，此次設(shè)計(jì)采

30、用圖解積分法求取。分別求出各點(diǎn)的傳質(zhì)推動(dòng)力（）和1/（），作1/（）對(duì)Y的曲線，曲線下的面積即為NOL值。相平衡方程：Y=20.510X2+3.5158X+0.0025操作線方程：Y=6.2635X-0.4164傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算程序及運(yùn)行結(jié)果均如附錄所示。通過(guò)程序優(yōu)化算得：NOL=8.5281綜上：3 填料吸收塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)3.1 總費(fèi)用的計(jì)算根據(jù)相關(guān)資料，對(duì)于常壓、逆流、等溫和單組份物理吸收操作條件下單塔吸收操作吸收系統(tǒng)，其年總費(fèi)用可表示為 J（元/a）： J=J1+J2+J3+J4J1：吸收塔塔體和平臺(tái)扶梯年折舊及維修費(fèi)用；J2：填料年折舊費(fèi)用；J3：離心泵年折舊和維修費(fèi)用及操作費(fèi)用；J4：

31、吸收劑費(fèi)用。以上各費(fèi)用的單位均為元/a3.1.1 吸收塔塔體和平臺(tái)扶梯年折舊及維修費(fèi)用吸收塔塔體和平臺(tái)扶梯年折舊及維修費(fèi)用J1可以根據(jù)以下公式計(jì)算：10 其中：Fm-材質(zhì)因子，無(wú)因次，對(duì)于16MnR，F(xiàn)m=1；WS-吸收塔塔體質(zhì)量，；Ws的計(jì)算公式：10其中：-吸收塔的材料密度，對(duì)于16MnR，=7860/m；Ts-吸收塔的塔壁厚度，mm；根據(jù)文獻(xiàn)設(shè)計(jì)壓力取操作壓力的1.1倍，雙面焊或相當(dāng)于雙面焊的全焊透對(duì)接焊縫局部無(wú)損檢測(cè)時(shí)，焊接接頭系數(shù)為0.85，此時(shí)Ts的計(jì)算公式：10 代入得： D-吸收塔塔內(nèi)徑，m；Lt-吸收塔的切線長(zhǎng)度，Lt=1.8H-0.5D，單位：m；FC-設(shè)備年折舊率，F(xiàn)C=

32、1/3； Me-匯率，Me=6.8273元/美元；綜上，代入得：3.1.2 填料年折舊費(fèi)用吸收塔填料年折舊費(fèi)用J2與吸收塔的填料層高度、塔徑以及填料類型有關(guān)，J2可以根據(jù)以下公式計(jì)算：10 其中：H0-吸收塔填料層高度，m； Cpa-填料單價(jià)，對(duì)于塑料階梯環(huán)Cpa=1200元/m3；代入數(shù)據(jù)得： 3.1.3 離心泵年折舊和維修費(fèi)用及操作費(fèi)用離心泵年費(fèi)用由設(shè)備投資維修費(fèi)和電力消耗費(fèi)J3組成, J3可以根據(jù)以下公式計(jì)算：10其中：b0，b1，b2，b3-分別為離心泵的經(jīng)驗(yàn)回歸公式，無(wú)因次；Fb離心泵的校正系數(shù)，無(wú)因次；Nb離心泵的軸功率，； Cpe-電價(jià)，元/（·h）,0.52元/度；

33、-離心泵年操作時(shí)間，h/a,每年按320天每天工作24小時(shí)，則=7680h/a(1）離心泵的軸功率Nb選取離心泵為碳鋼多級(jí)，則b0 = 2.8963，b1 = 0.1179，b2 = 0.172，b3 = -0.0023，fb = 1.0；8離心泵的軸功率Nb 其中：Q-吸收劑的體積流量，m3/s； 離心泵的效率，b=0.75； 吸收液的密度，/m3；g重力加速度，g = 9.81m/s2；H離心泵的揚(yáng)程，m；(2) 離心泵所需揚(yáng)程的計(jì)算：其中：離心泵升揚(yáng)高度，（=2H0），m;送液管道的總長(zhǎng)度，m；送液管道的總阻力當(dāng)量長(zhǎng)度，m；估計(jì)： /d=2200mD送液管道的管徑，d=0.4m；uL吸收

34、液的流速，1.0m/s送液管道的摩擦系數(shù)，無(wú)因次；其中：e-管材壁面粗糙度，取e=0.15mm；Re-雷諾數(shù)，無(wú)因次， 代入數(shù)據(jù)得代入數(shù)據(jù)得：H=2H0+207 e即： 3.1.4吸收劑費(fèi)用吸收劑費(fèi)用J410其中：(使用3年);吸收劑初始用量，kg；V吸收塔體積, ;L1年損耗量，kg；CpwPC價(jià)格 ，13000元/t;合成氨轉(zhuǎn)化率29.13% PC損耗量2Kg/tNH3； 氣體流量40000m3/h; 含氮量：15%； 4 填料吸收塔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)填料塔的內(nèi)構(gòu)件包括填料支承裝置、液體噴淋裝置、液體再分布裝置、塔頂除霧沫器和填料的壓板等。填料塔內(nèi)構(gòu)件的選型和設(shè)計(jì)對(duì)于保證塔的正常操作及性能的發(fā)

35、揮至關(guān)重要。合理的選型和設(shè)計(jì)，可以保證塔的分離效率、生產(chǎn)能力及壓降的要求。 4.1 填料支承裝置填料支撐結(jié)構(gòu)是用于支承塔內(nèi)填料及其所持有的氣體和液體的重量之裝置，其基本要求是：有足夠的強(qiáng)度以支承填料的重量；提供足夠的自由截面以使氣、液兩相流體順利通過(guò)，防止在此產(chǎn)生液泛；有利于液體的再分布；耐腐蝕，易制造，易裝卸等。常用的填料支承板主要有柵板式和氣體噴射式等結(jié)構(gòu)，此次設(shè)計(jì)我們選用梁型氣體噴射式支承板。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：為氣體和液體提供了不同的通道，氣體易于進(jìn)入填料層，液體也可自由排出，避免了因液體積聚而發(fā)生液泛的可能性，并有利于液體的均勻再分配。另外，梁型支承板用于大塔可分塊制作或塔內(nèi)組裝。它可以

36、提供超過(guò)90%的自由截面，保證氣體通量大，阻力小。114.2 液體噴淋裝置液體噴淋裝置的作用是為了能有效地分布液體，提高填料表面的有效利用率。當(dāng)液體噴淋裝置設(shè)計(jì)不合理時(shí)，填料潤(rùn)濕面積隨之減小，液體溝流和壁流現(xiàn)象增加，填料的處理能力和分離效率將大受影響。液體噴淋裝置的結(jié)構(gòu)形式很多，此次設(shè)計(jì)我們根據(jù)塔的類型和塔徑選擇溢流槽式分布器。其特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，液體通過(guò)時(shí)的阻力小，其分布比較均勻。114.3 液體再分布裝置當(dāng)塔頂?shù)膰娏芤后w沿填料層下流時(shí)，存在向塔壁流動(dòng)的趨勢(shì)（壁流效應(yīng)），使塔中心填料得不到良好的潤(rùn)濕，減小了氣液接觸的有效面積。為了克服這種現(xiàn)象，提高塔的傳質(zhì)效果，當(dāng)填料層高度和塔徑之比超過(guò)一定

37、數(shù)值時(shí)，填料層需分段裝填，并在各段填料層之間設(shè)液體再分布器，使液體重分布。此次設(shè)計(jì)，我們選用的是塑料階梯環(huán)填料，故其分段高度取為4.150m，分為3段。本次設(shè)計(jì)選用梁型再分布器,它將沿塔壁流下的液體用再分配推導(dǎo)出至塔的中心。114.4 塔頂除霧沫器在塔內(nèi)操作氣速較大時(shí)，穿過(guò)填料層的氣體有時(shí)會(huì)夾帶液體和霧滴，這不但造成物料的流失，也使塔的效率降低，同時(shí)還可能造成環(huán)境污染，因此需要在塔頂氣體排出口前設(shè)置除霧沫器，以盡量除去氣體中夾帶的液體霧沫，從而減少液體的夾帶損失，確保氣體的純度，保證后續(xù)設(shè)備的正常操作。 常用的塔頂除霧器有填料除霧器、旋流板式除霧器和絲網(wǎng)除霧器等。其中旋流板旋流板除霧器的以旋流

38、板為主要除霧結(jié)構(gòu)的一種除霧器，它適用于氣體凈化、氣-液分離和脫硫除塵等工作，氣流在穿過(guò)板葉片間隙時(shí)變成旋轉(zhuǎn)氣流，其中的液滴在慣性作用下，以一定的仰角射出做螺旋運(yùn)動(dòng)而被甩向外側(cè)，匯集流到溢流槽內(nèi)，達(dá)到除霧目的，除霧效率可達(dá)90%99% ，用最新復(fù)合材料制作，表面經(jīng)特殊處理，特光滑并有自潤(rùn)性，在其表面上不容易積灰結(jié)垢。即使有些積灰也很容易沖洗干凈，減少除霧器沖洗頻率次數(shù)，減少?zèng)_洗水使用量，確保除霧器在低阻運(yùn)行，從而解決了葉片積灰結(jié)垢造成除霧器阻力增加、煙氣帶水等現(xiàn)象，同時(shí)造價(jià)低、安裝和維護(hù)方便。氣體通過(guò)除霧器的速度是影響除霧器取得高效率的重要因素，設(shè)計(jì)氣速可通過(guò)下式求?。?1 其中：u設(shè)計(jì)氣速，m

39、/s；K系數(shù)，可取0.1；密度，kg/m34.5 填料壓板和床層限制板當(dāng)塔內(nèi)汽液負(fù)荷較大或負(fù)荷波動(dòng)較大時(shí)，塔內(nèi)填料將發(fā)生浮動(dòng)或相互撞擊，破壞塔的正常操作甚至損壞填料。為此，一般在填料層頂部設(shè)壓板或床層限制板。填料壓板是借自身的質(zhì)量壓住填料但不致壓壞填料；限制板的質(zhì)量輕，固定于塔壁上。一般要求壓板或限制板自由截面分率大于70%。4.6 管口結(jié)構(gòu)4.6.1氣體和液體的進(jìn)出口裝置流體的進(jìn)出口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先要確定的是管口直徑。根據(jù)管口所輸送氣體或液體的流量大小，由下式計(jì)算管口直徑：12其中：流體的體積流量，m3/s;u流體流速，m/s;氣體體積流量為液體體積流量為代入相關(guān)數(shù)據(jù)得:氣體進(jìn)口管徑為：178.

40、95mm 圓整13即：180mm;PN=4.0MPa 氣體出口管徑為：150.19mm圓整13即：160mm; PN=4.0MPa液體進(jìn)口管徑為：486.76mm圓整13即：500mm; PN=4.0MPa液體出口管徑為：486.76mm圓整13即：500mm; PN=4.0MPa管口的具體設(shè)計(jì)如下：（1） 氣體進(jìn)口裝置氣體進(jìn)口裝置的設(shè)計(jì)，應(yīng)能防止淋下的液體進(jìn)入管內(nèi)，同時(shí)還要使氣體分布均勻，因此我們將氣體出口朝向下方，使氣流折轉(zhuǎn)向上，即：將進(jìn)氣管伸到塔的中心線位置，管端切成45。向下的斜切口。（2） 氣體出口裝置氣體的出口裝置要求既能保證氣體通暢，又能盡量除去被夾帶的霧沫，可在氣體出口前加裝除

41、沫擋板，此次設(shè)計(jì)我們選擇另裝了除霧沫器。（3） 液體進(jìn)口管液體進(jìn)口管直接通向噴淋裝置，因?yàn)槲覀兊膰娏苎b置并非直管，故我們采用彎管式液體進(jìn)口裝置。（4） 液體的出口裝置為了便于塔內(nèi)液體排放，并防止塔內(nèi)破碎的塑料環(huán)堵塞出口，保證塔內(nèi)有一定的液封高度，防止氣體短路，故我們采用凹面彎管作為液體出口裝置。填料塔上的各物料進(jìn)出口管留在設(shè)備外邊的長(zhǎng)度h我們參照下表確定。14表4-1公稱直徑/mm1520507035070500接管長(zhǎng)度/mm80100150150公稱壓力/MPa4.01.61.61.64.6.2 填料卸出口根據(jù)填料塔的特點(diǎn)，需要設(shè)計(jì)填料卸出口，以便于檢修時(shí)將填料卸出，鑒于我們塔徑較大，所以填

42、料卸出口的結(jié)構(gòu)與人孔相似，選取直徑為450mm的標(biāo)準(zhǔn)人孔。4.6.3 人孔 人孔是安裝在儲(chǔ)罐頂上的安全應(yīng)急通氣裝置，通常與防火器、機(jī)械呼吸閥配套使用，既能避免因意外原因造成罐內(nèi)急劇超壓或真空時(shí)，損壞儲(chǔ)罐而發(fā)生事故，又有起到安全阻火作用，是保護(hù)儲(chǔ)罐的安全裝置，特別適用于貯存物料以氮?dú)夥忭數(shù)墓绊敵汗?。具有定壓排放、定壓吸入、開閉靈活、安全阻火、結(jié)構(gòu)緊湊、密封性能好、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。我們所取人孔的直徑為500mm。5 填料吸收塔的設(shè)計(jì)校核根據(jù)第三章可知，計(jì)算出的D值還需按壓力容器公稱直徑標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整，以符合設(shè)備的加工要求及設(shè)備定型，便于設(shè)備的設(shè)計(jì)加工，故在塔徑圓整到2800mm后，我們還需做進(jìn)一步

43、校核，具體步驟將在本章中說(shuō)明。5.1 主要工藝參數(shù)的校核 5.1.1液體噴淋密度填料塔的噴淋密度為單位時(shí)間內(nèi)單位塔截面積上噴淋的液體體積，為使填料能獲得良好的潤(rùn)濕，應(yīng)保證塔內(nèi)液體的噴淋密度高于某一下限值，該值即最小噴淋密度,其計(jì)算式為：14 其中：LW,min最小潤(rùn)濕速率，LW,min=0.08m3/(m·h)；at填料的比表面，121.8m2/m3；最小噴淋密度，m3/(m·s)代入數(shù)據(jù)得： 實(shí)際噴淋密度： 比較可知： 滿足要求。 5.1.2 塔直徑與填料直徑之比為保證填料潤(rùn)濕均勻，應(yīng)注意采用的塔徑與填料直徑之比在某個(gè)比值以上，對(duì)于階梯環(huán)，該比值為10。塔直徑與塔中填料直

44、徑之比：14 5.1.3 實(shí)際氣速與液泛氣速比實(shí)際氣速與液泛氣速比： 滿足要求。5.2填料吸收塔的強(qiáng)度及穩(wěn)定計(jì)算及校核 吸收塔在操作時(shí)，主要承受操作壓力、質(zhì)量載荷、地震載荷、風(fēng)載荷等作用。為了保證吸收塔在各種載荷作用下安全工作，此次設(shè)計(jì)我們按照J(rèn)B 150及JB/T 4710進(jìn)行設(shè)計(jì)。5.2.1 筒體材料的選用與計(jì)算選用低合金鋼16MnR查相關(guān)的數(shù)據(jù)得出：在32下，此鋼材的許用應(yīng)力t=163MPa。采用帶墊板的雙面對(duì)接焊縫，局部無(wú)損探傷，故焊縫系數(shù)=0.85考慮到單面腐蝕，（認(rèn)為腐蝕速度為0.10mm/a），腐蝕余量C2=1.0mm，鋼板厚度負(fù)偏差C1=0.8mm。由相應(yīng)的計(jì)算公式：計(jì)算厚度：

45、15取設(shè)計(jì)壓力為1.1倍工作壓力設(shè)計(jì)厚度：名義厚度： 圓整后有效厚度： 5.2.2 封頭厚度的計(jì)算選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭（a=2b，K=1）設(shè)計(jì)厚度：15名義厚度：圓整后取封頭與筒體等厚：;總結(jié)可得塔體的尺寸數(shù)據(jù)：塔的內(nèi)徑：Di=2800mm塔的外徑：D0=2860mm取保溫層厚度：=100mm塔的總外徑：D=3060mm5.2.3 質(zhì)量載荷計(jì)算(1)塔體與裙座的質(zhì)量：16 (2) 裙座的質(zhì)量：16 取 材料Q235-A （3）人孔，法蘭，接管等附屬件的質(zhì)量：16 （4） 構(gòu)件的質(zhì)量：16 (5)保溫層材料的質(zhì)量：16 (6)、扶梯，平臺(tái)的質(zhì)量:16 （7）操作時(shí)塔內(nèi)物料質(zhì)量：16 （8） 壓力實(shí)驗(yàn)

46、時(shí)吸收塔內(nèi)充水質(zhì)量：16 （9）吸收塔的操作質(zhì)量：16 （10）塔器的最大質(zhì)量：16 (11)、塔器的最小質(zhì)量：16 5.2.4 塔體的風(fēng)載荷和風(fēng)力矩的計(jì)算置于室外的塔設(shè)備在風(fēng)載荷作用下產(chǎn)生振動(dòng)，該振動(dòng)有沿著風(fēng)向的順風(fēng)向振動(dòng)，也有垂直于風(fēng)向的橫風(fēng)向振動(dòng)。在風(fēng)載荷作用下塔體會(huì)發(fā)生彎曲變形，過(guò)大的塔體應(yīng)力會(huì)使塔體的強(qiáng)度和穩(wěn)定失效，為此應(yīng)該校核風(fēng)載荷作用下的應(yīng)力。（1） 風(fēng)力矩的計(jì)算塔設(shè)備迎風(fēng)面上的風(fēng)壓值，隨塔設(shè)備高度的增加而增加，為了計(jì)算簡(jiǎn)便將風(fēng)載荷值按塔設(shè)備高度分為5段，假設(shè)每段風(fēng)載荷均勻分布于塔設(shè)備的迎風(fēng)面上，如圖所示。塔設(shè)備的計(jì)算截面應(yīng)取在其較薄弱的部位，如圖中塔的底截面0-0、裙座上人孔或較大管線引出孔處的截面、塔體與裙座連接連接焊縫處的截面。兩相鄰計(jì)算截面區(qū)間為一個(gè)計(jì)算段，任一計(jì)算段的風(fēng)載荷就是集中在該段中點(diǎn)上的風(fēng)壓合力。(1) 每段風(fēng)力矩的計(jì)算公式：15 其中：P塔設(shè)備中第i段的水平風(fēng)力，N； 空氣動(dòng)力系數(shù)K1=0.7； 風(fēng)振系數(shù)K2，一般在1.5-1.8之間，我們?nèi)?.6； 查得合肥地區(qū)的基本風(fēng)壓值15 q0=30×10-5MPa=300pa； li塔設(shè)備計(jì)算段的計(jì)算高度，m； fi風(fēng)壓高度變化系數(shù)，其值列于下表； Dei設(shè)備中第