化工基础学习知识原理课程教学设计.doc

!- 一、设计任务书 1、 设计题目：填料吸收塔的设计 2、 设计任务：试设计一填料吸收塔，用于脱除合成氨尾气中的氨气，要求塔顶排放气体中含氨低于200ppm，采用清水进行吸收 3、 工艺参数与操作条件 （1） 工艺参数 表1—1 尾气处理量（Nm3/h） 混合气组成（%） NH3 H2 N2 CH4+Ar 2020 8 60 20 12 （2）操作条件 ① 常压吸收：P0=101.3kPa ② 混合气体进塔温度：30℃ ③ 吸收水进塔温度：20℃。 4、 设计项目： （1） 流程的确定及其塔型选择； （2） 吸收剂用量的确定； （3） 填料的类型及规格的选定； （4） 吸收塔的结构尺寸计算及其流体力学验算，包括：塔径、填料层高度及塔高的计算；喷淋密度的校核、压力降的计算等； （5） 吸收塔附属装置选型：喷淋器、支承板、液体再分布器等； （6） 附属设备选型：泵、风机 附： 1、 NH3~H2O系统填料塔吸收系数经验公式： kGa=cGmWLn kLa=bWLP 式中 kGa——气膜体积吸收系数，kmol/m2.h.atm kLa——液膜何种吸收系数，l/h G——气相空塔质量流速，kg/m2.h WL——液相空塔流速，kg/m2.h 表1—2，查手册（李功样《常用化工单元设备设计》华南理工大学出版社得） 填料尺寸（mm） c m n B P 12．5 0．0615 0．9 0．39 0．11 0．65 25．0 0．139 0．77 0．2 0．03 0．78 ≥38.0 0．0367 0．72 0．38 0．027 0．78 2、（氨气—水）二成分气液平衡数据 表1—3 序号 温度（℃） （液相） x （NH3液相摩尔分率） pNH3(mmHg) （NH3平衡分压） 1 22.32 0.005 2.93 2 24.64 0.01 6.97 3 26.95 0.015 12.09 4 29.27 0.02 18.39 5 31.58 0.025 26 6 33.89 0.03 35.1 7 36.2 0.035 45.86 8 38.51 0.04 58.5 9 40.8 0.045 73.21 10 43.12 0.05 90.29 二、工艺流程示意图（带控制点） 三、流程方案的确定及其填料选择的论证 1、 塔型的选择： 塔设备是能够实现蒸馏的吸收两种分离操作的气液传质设备，广泛地应用于化工、石油化工、石油等工业中，其结构形式基本上可以分为板式塔和填料塔两大类。在工业生产中，一般当处理量较大时采用板式塔，而当处理量小时多采用填料塔。填料塔不仅结构简单，而且阻力小，便于用耐腐蚀材料制造，对于直径较小的塔，处理有腐蚀性的物料或要求压降较小的真空蒸馏系统，填料塔都具有明显的优越性。 根据本设计任务，是用水吸收法除去合成氨生产尾气的氨气，氨气溶于水生成了具有腐蚀性的氨水；本设计中选取直径为600mm，该值较小，且Φ800mm以下的填料塔对比板式塔，其造价便宜。基于上述优点，因此本设计中选取填料塔。 2、 填料塔的结构 填料塔的主要构件为：填料、液体分布器、填料支承板、液体再分器、气体和液体进出口管等。 3、 操作方式的选择 对于单塔，气体和液体接触的吸收流程有逆流和并流两种方式。在逆流操作下，两相传质平均推动力最大，可以减少设备尺寸，提高吸收率和吸收剂使用效率，因此逆流优于并流。因此，本设计采用逆流。 4、 吸收剂的选择 （1） 水对由 NH3 、H2 、N2 、CH4+Ar组成的混合气中的NH3的溶解度很大，而对除NH3外的其它组成基本上不吸收或吸收甚微； （2） 在操作温度下水的蒸气压小、粘度较低、不易发泡，可以减速少溶剂的损失，操作高效稳定。 （3） 水具有良好的化学稳定性和热稳定性，不易燃、不易爆，安全可靠； （4） 水无腐蚀性、无毒性、无环境污染； （5） 水价廉易得，十分经济。 因此选用水作为吸收剂。 5、 填料的选择 鲍尔环的构造是在拉西环的壁上开两排长方形窗口，被切开的环壁形成叶片，一边与壁相连，另一端向环内弯曲，并在中心处与其他叶片相搭。鲍尔环的构造提高了环内空间和环内表面的有效利用率，使气体阻力降低，液体分布有所改善，提高了传质效果；其结构简单，制造容易，价格低廉，因此本设计采用塑料鲍尔环。 四、工艺及填料塔计算 1、 物料衡算 （1） 近似取塔平均操作压强为101.3kPa，进塔混合气中各组分的量为 混合气量： 2020122。4=90.18kmol/h 混合气中氨气量：90.188%=7.21kmol/h=7.2117=122.64kg/h 操作条件下总气量：2020273+30273=2241.98m3/h 氨气的体积流量：2241.98 m3/h8%=179.35 m3/h 其余数据同理可得出，结果见表4—1： 表4—1 流量 成分 进塔气量 m3/h kmol/h kg/h H2 1345.19 54.11 108.22 N2 448.40 18.04 505 CH4+Ar 269.04 10.82 173.15 NH3 179.35 7.21 122.64 总计 2241.98 90.18 909.01 （2） 混合气进出塔的摩尔组成为：y1=0.08 y2=0.0002，y1为混合气进塔的摩尔组成； y2为混合气出塔的摩尔组成。 （3） 混合气进出塔的摩尔比组成 Y1=y1/(1-y1)=8.696%,即进塔时的摩尔比； Y2=y2/(1-y2)=0.02%,即出塔时的摩尔比。 （4） 出塔混合气量 可求得氨气回收率η=G(Y1-Y2)/(GY1)=1-Y2/Y2=99.77% 则可得NH3出塔时的体积流量：179.35(1-99.77%)=0.4125m3/h 混合气中氨气量：7.21(1-99.77%)=0.0166kmol/h=0.016617=0.2821kg/h 而其余气体即视为惰性气体，溶解度很小，可忽略不计，即和进塔时的气量一样，结果见表4—2： 表4—2 流量 成分 出塔气量 m3/h kmol/h kg/h H2 1345.19 54.11 108.22 N2 448.40 18.04 505 CH4+Ar 269.04 10.82 173.15 NH3 0．4125 0．0166 0．2821 总计 2063．04 82．99 786．65 2、 热量衡算与气液平衡曲线 表4—3 各液相浓度下的吸收液温度及相平衡数据 序号 t/（℃） X (摩尔分率) X NH3平衡分压P/(kPa) m E/kPa H y Y* 1 22.32 0.005 0.005025 0．39 0.77 78 0.71 0.004 0.003871 2 24.64 0.01 0.010101 0．93 0.92 93 0.60 0.009 0.009258 3 26.95 0.015 0.015228 1．61 1.06 107.3 0.52 0.016 0.016169 4 29.27 0.02 0.020408 2．45 1.21 122.5 0.45 0.024 0.024804 5 31.58 0.025 0.025641 3．46 1.37 138.4 0.40 0.034 0.035431 6 33.89 0.03 0.030928 4．67 1.54 155.7 0.36 0.046 0.048433 7 36.2 0.035 0.036269 6．10 1.72 174.3 0.32 0.060 0.064234 8 38.51 0.04 0.041667 7．78 1.92 194.5 0.29 0.077 0.083415 9 40.8 0.045 0.04712 9．74 2.14 216.4 0.26 0.096 0.106626 10 43.12 0.05 0.052632 12．01 2.37 240.2 0.23 0.119 0.134857 注： （1） NH3平衡分压P/（kPa）由pNH3(mmHg)0.133可得； （2） y= pNH3/p0，Y*=y/(1-y)可得，P0=101.3kPa为标准大气压； （3） 吸收剂为清水，X2=0。 查相关资料得知，氨气溶于水的亨利系数E可用右式计算：E=P/x 由上式计算相应的E值，且m=E/P，分别将相应的E值及相平衡常数m的计算值列于表4-3的第6、7列。由Y*=y/(1-y)=P/(P0-P)关系求取对应m及X的Y*，结果列于表4-3第9列。 ① 根据X- Y*数据，用Excel作表拟合绘制平衡曲线OE如图2-1，拟合曲线方程为： Y=4106X4-69575X3+27895X2+639.3X-0.033 由图2-1可查得，当Y1=0.08696时，X1*=0.042944。 最小吸收剂用量 Lmin=G(Y1-Y2)/( X1*-X2)=82.970.08696-0.00020.042944-0=167.62kmol/h 取安全系数1.8,则有 安全用水量L=1.8Lmin=167.621.8=301.72 kmol/h=5430.96kg/h ② 根据X-t数据，用Excel作图得图2-2，X-t图如下： 图2-2 X-t图 ③ 根据x-P数据，用Excel作图得图2-3，x-P图如下： 图2-3 x-P ④ 根据X-H数据，用Excel作图得图2-4，X-H图如下： 图2-4 X-H 3、 塔吸收液浓度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=0.02386 4、 操作线方程 逆流吸收塔的操作线方程式为： Y=LGX+（Y2-LGX2） 将已知参数代入得 Y=3.6365X+0.0002 将以上操作线绘于图2-1中，为BT直线。 5、 塔径的计算 因塔底气液负荷大，故按塔底条件计算：塔底混合气体温度30℃，X1=0.02386，由图2-3 X-t图查得塔底吸收30.70℃,设计压力取为塔的操作压力101.3kPa。 塔径的计算公式为：D=4VSπu ，u=（0.5~0.85）uf 图5-1通用关联图，出自手册（李功样《常用化工单元设备设计》华南理工大学出版社） 图5-1通用关联图 （1） 采用埃克特通用关联图计算泛点气速uf 1) 有关数据计算 塔底混合气体质量流量 WG=909.01kg/h 吸收液的质量流量 WL=5430.96+122.64- 0.2821)=5553.32kg/h 进塔混合气体密度 混合气体的分子量m=0.0817+0.62+0.228+0.1216=10.08 ρG=10.0822.4273273+30=0.4054kg/m3 由手册（李功样《常用化工单元设备设计》华南理工大学出版社）可查得吸收液（水）的密度为995.7kg/m3；吸收液粘度为L=0.7890mPa.m。 经比较，选D=38mm的塑料鲍尔环（米）。查表可得，其填料因子фF=184m-1，比表面积at=155m2/m3。 2) 关联图的横坐标值 WLWG(ρGρL)12=5553.32909.01(0.4054995.7)12=0.1233 3) 由关联图查得纵坐标值为0.133 uF2фFΦρGgρLL=uF218410.40549.81995.70.78900.2=0.007283uF2=0.133 故泛点气速uF=4.273m/s （2） 操作气速 u=0.5uF=2.5638 （3） 塔径 D=4VSπu=4WG3600πuρG=4909.0136003.142.56380.4054=0.556m=566mm 则取塔径为0.6m即为D=600mm，那么 D/d=600/50=12＞10，满足鲍尔环的要求。 （4） 核算气速 VS=909.010.4054=22422.55m3/h u=22422.5536000.7850.62=2.2040m/s uuF=2.20404.273≈0.52(符合要求) （5） 核算喷淋密度 d<75mm的环形填料最小润湿率为0.08m3/(m2.h)，最小喷淋密度： Umin=0.08155=12.4m3/(m2.h) 由于U=5553.32995.70.7850.62=19.74m3/(m2.h)> 12.4m3/(m2.h) 故满足要求。 6、填料层高度的计算 由图1可见，平衡曲线的弯曲程度不大，本设计采用传质单元数法分两段计算吸收塔的填料层高度： Z=HOGNOG=VkYaΩY2Y1dYY-Y* （1） 传质单元高度HOG的计算 由表1-2查得相关参数数据，c=0.0367、m=0.72、n=0.38、b=0.027、P=0.78，由经验公式可得 kYa=P.kGa=P.cGmWLn=10.0367(909.0143.140.62)0.72(5430.9643.140.62)0.38=522.155kmol/m2h kXa=c.kLa=c.b.WLP=301.72+7.21-0.01665553.325/995.7 0.027(5430.9643.140.62)0.78=55.3959.25=3281.59kmol/m2h ∴平衡线的斜率为-kXakYa=-6.285 惰性量V=82.97 kmol/h，D=0.6m Ω=π40.62=0.2827m2 ∴HOG=VkYaΩ=82.97522.1550.2827=0.5620m （2） 传质单元数NOG的计算 在图2-1把Y轴上0~0.08696分成50等分，编号如表6-1。 表6-1 序号 Y Yi Y-Yi f=1/(Y-Yi) 0 0.0002 0 0.0002 5000 1 0.001739 0.000388 0.001352 739.8091 2 0.003478 0.00085 0.002628 380.4596 3 0.005218 0.001225 0.003993 250.4634 4 0.006957 0.001973 0.004984 200.63 5 0.008696 0.002498 0.006199 161.3294 6 0.010435 0.003 0.007435 134.4954 7 0.012174 0.003488 0.008687 115.1159 8 0.013914 0.004228 0.009686 103.2407 9 0.015653 0.004743 0.01091 91.65651 10 0.017392 0.005463 0.01193 83.82581 11 0.019131 0.006138 0.012994 76.96037 12 0.02087 0.006803 0.014068 71.08381 13 0.02261 0.007483 0.015127 66.10652 14 0.024349 0.008113 0.016236 61.59039 15 0.026088 0.008783 0.017306 57.7851 16 0.027827 0.009779 0.018049 55.40565 17 0.029566 0.010701 0.018865 53.00822 18 0.031306 0.011235 0.020071 49.82338 19 0.033045 0.011854 0.021191 47.18918 20 0.034784 0.012862 0.021923 45.61524 21 0.036523 0.013901 0.022623 44.20339 22 0.038262 0.014774 0.023489 42.5733 23 0.040002 0.015693 0.024308 41.13838 24 0.041741 0.016703 0.025038 39.93881 25 0.04348 0.017711 0.02577 38.80556 26 0.045219 0.018839 0.02638 37.90736 27 0.046958 0.0198 0.027159 36.82034 28 0.048698 0.020921 0.027777 36.00088 29 0.050437 0.021902 0.028535 35.0448 30 0.052176 0.022899 0.029278 34.15592 31 0.053915 0.024005 0.02991 33.43341 32 0.055654 0.025 0.030655 32.62121 33 0.057394 0.026032 0.031362 31.88562 34 0.059133 0.027101 0.032032 31.21849 35 0.060872 0.028147 0.032726 30.55721 36 0.062611 0.029232 0.03338 29.95851 37 0.06435 0.030431 0.033919 29.48165 38 0.06609 0.031568 0.034522 28.96695 39 0.067829 0.032711 0.035118 28.47518 40 0.069568 0.033872 0.035697 28.01395 41 0.071307 0.034976 0.036332 27.52417 42 0.073046 0.036009 0.037038 26.99937 43 0.074786 0.037214 0.037572 26.61549 44 0.076525 0.038711 0.037814 26.44502 45 0.078264 0.040304 0.037961 26.34317 46 0.080003 0.04169 0.038314 26.10032 47 0.081742 0.04301 0.038732 25.81818 48 0.083482 0.044366 0.039116 25.56525 49 0.085221 0.045999 0.039222 25.49603 50 0.08696 0.047634 0.039327 25.42815 等分后按每个点作平行于X轴的直线与操作线相交，由该交点作平行于Y轴的直线与平衡曲线相交，再由该交点作X轴的平等线交Y轴于YI点，得到的数据填到表6-1的第3列。 根据Y-1/(Y-Yi)数据，用Excel作图得图6-1，Y-1/(Y-Yi)图如下： 图6-1 其拟合曲线方程为：fY=1（Y-Yi）=2.659Y-0.86 积分得NOG=Y2Y1dYY-Y*=2.659Y-0.86dY=2.659（Y10。14-Y20。14）0。14=7.7255 积分的面积如图6-2， 图6-2 则可得Z=HOGNOG=0.56207.7255=4.3417m Z有效=1.254.3417=5.4272m 7、填料层压降的计算 WLWG(ρGρL)12=5553.32909.01(0.4054995.7)12=0.1233 当操作气速为u=2.204m/s，Dg38mm塑料鲍尔环填料的压降填料因子∅P=114m-1，Φ=ρ水ρL=1时，查图5-1得纵坐标值为 u2фPΦρVgρLL0。2=2.204211410.40549.810.78900.2=0.0143 横坐标为0.133,纵坐标为0.0143，在关联图5-1查得每米填料层压降： ∆P2≈119.81=107.91Pa/(m填料) ∴全塔填料层压降： ∆P=5.4273107.91=585.66Pa 五、吸收塔附属装置及设备的设计与选型 1、喷淋器 多孔直管式喷淋器多用于800mm以下的塔，所以本设计选用多孔直管式喷淋装置。 2、支承板 选用栅板式支承板，查手册（李功样《常用化工单元设备设计》，华南理工出版社）P115表3-11得 公称直径 填料环直径 栅板尺寸 D L1 R L hs n t l L2 600 50 580 289 290 579 406 5 45 225 18 3、液体再分布器 选用截锥式再分布器，截锥上方加装支承板，截锥下方个一段距离再装填料，截锥与塔壁取45角，截锥下口直径为0.75600 4、法兰 查手册（李功样《常用化工单元设备设计》，华南理工出版社）P245附表2（A）甲型平焊法兰尺寸如下 公称直径 法兰/mm 螺柱 D‘ D1 D2 D3 D4 δ d 规格 数量 600 715 680 650 640 637 32 18 M16 24 查手册（李功样《常用化工单元设备设计》，华南理工出版社）P256附表5板式平焊钢制管法兰查得 公称直径 管子直径 连接尺寸 法兰厚度 法兰内径 坡口宽度 重量kg A B D K L n Tb A B 40 48.3 45 130 100 14 4 M12 16 49.5 46 - 1.38 200 219.1 219 320 280 18 8 M16 22 221.5 222 - 6.85 5、手孔（JB589-79-1） 由《常用化工单元设备设计》手册P274附表19平盖平焊法兰手孔尺寸表查得 密封面型式 公称压力Pgkg/cm2 公称直径Dg dwS D D1 H1 H2 b b1 b2 A 10 150 154.5 280 240 160 82 24 16 18 螺栓螺母 螺栓 质量kg 材料类别 标准图号 数量 直径长度 8 M2065 18.8 Ⅰ JB589-79-1 6、封头 塔径D=600mm，查《常用化工单元设备设计》手册P239附表（A）得，封头尺寸h1=150mm h0=40mm F=0.466 V=0.04 δP=10mm G=38kg 7、支座 塔径D=600mm，由《常用化工单元设备设计》手册P269附表13，支座尺寸为 适用容器公称直径D 高度H 底板 筋板 垫板 螺栓 质量 l1 b1 δ s1 l2 b2 δ l3 b1 δ e 螺纹 B型 300~600 125 125 100 6 30 160 80 5 160 125 6 20 M20 2.5 8、气液配管管径的计算及选择 （1） 液体进出口管管径的确定 取液速u=1.2m/s VS=WLρ水13600=5553.32995.73600=0.001549m3/s D=4VSπu=40.0015493.141.2=0.04055m=40.55mm 故可取管径45mm 由《化工原理》（王志魁编 化学工业出版）P381热轧无缝钢管，可选取管径φ456 由u=0.00154943.140.0452=0.9744m/s ，在0.8~1.5之间，则设计结果合理。 （2） 气体进出口管管径的确定 取气速u=19m/s VS=WGρG13600=995.70.40543600=0.6822m3/s D=4VSπu=40.68223.1419=0.2139m=213.9mm 由《化工原理》（王志魁编 化学工业出版）P381热轧无缝钢管，可选取管径φ2196 由u=0.682243.140.2192=18.12m/s在10~20之间，所以设计结果合理。 9、泵 10、风机 六、设计结果概要 课程设计名称 水吸收NH3过程填料吸收塔设计 操作条件 操作温度 30.70℃ 操作压力：常压 物性数据 液相 气相 液体密度 995.7kg/m3 混合气体平均摩尔质量 10.08kg/mol 液体粘度 0.7890mPa.s 混合气体的平均密度 0.4054kg/m3 重力加速度 9.81N/kg 物料衡算数据 Y1 Y2 X1 X2 进塔气相流量 出塔气相流量 L 0.08693 0.0002 0.02386 0 90.18 kmol/ h 82.99 kmol/ h 5430.96kg/h 工艺数据 塔径 塔高 mm 填料类型及规格 气相总传质单元数 气相总传质单元高度 填料层高度 填料层压降 0.6m 9754 塑料鲍尔环38*38*1 7.7255 0.5620m 5.4272m 585.66pa 填料塔附件 除沫器 支承板 液体喷淋 液体分布器 法兰 液体再分布器 丝网式 栅板式 多孔直管式 二级槽式 甲型平焊，板式平焊钢制 截锥式 七、相关问题讨论及总结致谢 这是大学以来第一次做课程设计，也是人生以来的第一次，我很庆幸遇到李老师，你的严格要求和热心指导，这从一定程度影响我对课程设计的态度，也使我在对什么陌生的情况下慢慢学会如何做课程设计，当然此次课程可能存在漏洞和不足。 由上周一即11月23号到周五几乎整个星期都在做课程设计理论计算部分，我们根据老师给的任务书要求，确定流程方案、填料和工艺计算，虽然老师已经在跟我们讲解了，但是计算过程中还是存在很多不明白的地方，从所给的资料中很多没给公式直接计算，让人摸不着门路，于是就很常做了做停下来去问老师问同学，不过计算过程还是碰了不少壁。不过最终还是赶上进度，顺利完成第一周的任务。 第二周开始又开始早出晚归的日子，我按照老师的建议选择手绘填料塔装配图，前两天的努力基本把图画好，只剩标注和写说明书，我以为都很简单，于是第三天就休息了一整天，什么也没干成。第四天也就是昨天我才开始标注和写说明书，我选择的是用电脑写说明书，可是我高估了自己的打字能力和排版能力，特别是公式的编写占据了我大部分时间。除了吃饭的时间外，我从10：00左右开始全力写说明书直至昨晚凌晨3：30还没写完。不过这从一定程度使我对文字综合整理能力，特别是对Word有了更深入的了解，和对以后的课程设计有了经验，须合理安排时间。 两周下来的课程设计到今天基本结束，我心情既是轻松愉快又是不舍，我觉得这是在书本找不到的充实感，实操让人在短时间学会更多的东西和把知识掌握得更牢固更深刻，加强了我的统筹全局的能力和在细节的把握和处理能力，也有利用我们的思维能力的锻炼，综合能力都能提高，总之受益匪浅。 此次课程设计让我最大的收获就是发现自己真的还有很多不懂，我必定虚心学习，在以后的学习中完善自己的知识体系和提高自己的知识运用能力。最后，非常感谢李老师两周以来的悉心指导和严格要求！希望下次再有机会跟老师学习！ 八、参考文献资料 1、王志魁，《化工原理》，北京，化学工业出版社，2005年 2、李功样等《常用化工单元设备设计》，广州，华南理工大学出版社，2003年。