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资源描述
. . . . .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11尾气处理量(Nm3/h)混合气组成(%)NH3H2N2CH4+Ar20208602012(2)操作条件 常压吸收:P0=101.3kPa 混合气体进塔温度:30 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、 NH3H2O系统填料塔吸收系数经验公式:kGa=cGmWLnkLa=bWLP式中kGa气膜体积吸收系数,kmol/m2.h.atmkLa液膜何种吸收系数,l/hG气相空塔质量流速,kg/m2.hWL液相空塔流速,kg/m2.h表12,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)cmnBP125006150903901106525001390770200307838.00036707203800270782、(氨气水)二成分气液平衡数据 表13序号温度()(液相)x(NH3液相摩尔分率)pNH3(mmHg)(NH3平衡分压)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800mm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41:表41 流量成分进塔气量m3/hkmol/hkg/hH21345.1954.11108.22N2448.4018.04505CH4+Ar269.0410.82173.15NH3179.357.21122.64总计2241.9890.18909.01(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=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42:表42 流量成分出塔气量m3/hkmol/hkg/hH21345.1954.11108.22N2448.4018.04505CH4+Ar269.0410.82173.15NH3041250016602821总计2063048299786652、 热量衡算与气液平衡曲线表43 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)XNH3平衡分压P/(kPa)mE/kPaHyY*122.320.0050.0050250390.77780.710.0040.003871224.640.010.0101010930.92930.600.0090.009258326.950.0150.0152281611.06107.30.520.0160.016169429.270.020.0204082451.21122.50.450.0240.024804531.580.0250.0256413461.37138.40.400.0340.035431633.890.030.0309284671.54155.70.360.0460.048433736.20.0350.0362696101.72174.30.320.0600.064234838.510.040.0416677781.92194.50.290.0770.083415940.80.0450.047129742.14216.40.260.0960.1066261043.120.050.05263212012.37240.20.230.1190.134857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。 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 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 根据x-P数据,用Excel作图得图2-3,x-P图如下:图2-3 x-P 根据X-H数据,用Excel作图得图2-4,X-H图如下:图2-4 X-H3、 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=0.023864、 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=4VSu ,u=(0.50.85)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uf1) 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)=555
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