1、化工机械设备基础课程设计(清水吸收氨气)1前 言在炼油、石油化工、精细化工、食品、医药及环保等部门，塔设备属于使用量大应用面广的重要单元设备。塔设备广泛用于蒸馏、吸收、萃取、洗涤、传热等单元操作中。所以塔设备的研究一直是国内外学者普遍关注的重要课题。在化学工业中，经常需要将气体混合物中的各个组分加以分离，其主要目的是回收气体混合物中的有用物质，以制取产品，或除去工艺气体中的有害成分，使气体净化，以便进一步加工处理，或除去工业放空尾气中的有害成分，以免污染空气。吸收操作是气体混合物分离方法之一，它是根据混合物中各组分在某一种溶剂中溶解度不同而达到分离的目的。塔设备按其结构形式基本上可分为两类；板
2、式塔和填料塔。以前在工业生产中，当处理量大时多用板式塔，处理量小时采用填料塔。近年来由于填料塔结构的改进，新型的、高负荷填料的开发，既提高了塔的通过能力和分离效能又保持了压降小、性能稳定等特点。因此，填料塔已经被推广到大型气、液操作中，在某些场合还代替了传统的板式塔。如今，直径几米甚至几十米的大型填料塔在工业上已非罕见。随着对填料塔的研究和开发，性能优良的填料塔必将大量用于工业生产中。综合考察各分离吸收设备中以填料塔为代表，填料塔技术用于各类工业物系的分离,虽然设计的重点在塔体及塔内件等核心部分,但与之相配套的外部工艺和换热系统应视具体的工程特殊性作相应的改进。例如在 DMF 回收装置的扩产改
3、造项目中,要求利用原常压塔塔顶蒸汽,工艺上可以在常压塔及新增减压塔之间采用双效蒸馏技术,达到降低能耗、提高产量的双重效果，在硝基氯苯分离项目中;改原多塔精馏、两端结晶工艺为单塔精馏、端结晶流程,并对富间硝基氯苯母液进行精馏分离,获得 99%以上的间硝基氯苯,既提高产品质量,又取得了降低能 耗的技术效果。过程的优缺点：分离技术就是指在没有化学反应的情况下分离出混合物中特定组分的操作。这种操作包括蒸馏，吸收，解吸，萃取，结晶，吸附，过滤，蒸发，干燥，离子交换和膜分离等。利用分离技术可为社会提供大量的能源，化工产品和环保设备，对国民经济起着重要的作用。为了使1 填料塔的设计获得满足分离要求的最佳设计
4、参数和最优操作工况,准确地计算出全塔各处的组分浓度分布、温度分布、汽液流率分布等,常采用高效填料塔成套分离技术。而且,20 世纪 80 年代以来,以高效填料及塔内件为主要技术代表的新型填料塔成套分离工程技术在国内受到普遍重视。由于其具有高效、低阻、大通量等优点,广泛应用于化工、石化、炼油及其它工业部门的各类物系分离。氨是化工生产中极为重要的生产原料，但是其强烈的刺激性气味对于人体健康和大气环境都会造成破坏和污染，氨 对 接 触 的 皮 肤 组 织 都 有 腐 蚀 和 刺 激 作用 ， 可 以 吸 收 皮 肤 组 织 中 的 水 分 ， 使 组 织 蛋 白 变 性 ， 并 使 组 织 脂 肪 皂
5、 化 ， 破坏 细 胞 膜 结 构 。 氨 的 溶 解 度 极 高 ， 所 以 主 要 对 动 物 或 人 体 的 上 呼 吸 道 有 刺 激和 腐 蚀 作 用 ， 常 被 吸 附 在 皮 肤 粘 膜 和 眼 结 膜 上 ， 从 而 产 生 刺 激 和 炎 症 。 可 麻痹 呼 吸 道 纤 毛 和 损 害 粘 膜 上 皮 组 织 ， 使 病 原 微 生 物 易 于 侵 入 ， 减 弱 人 体 对 疾病 的 抵 抗 力 。 氨 通 常 以 气 体 形 式 吸 入 人 体 ， 氨 被 吸 入 肺 后 容 易 通 过 肺泡 进 入 血 液 ， 与 血 红 蛋 白 结 合 ， 破 坏 运 氧 功 能
6、。 进 入 肺 泡 内 的 氨 ， 少 部 分 为化工机械设备基础课程设计(清水吸收氨气)2二 氧 化 碳 所 中 和 ， 余 下 被 吸 收 至 血 液 ， 少 量 的 氨 可 随 汗 液 、 尿 液 或 呼 吸 排 出体 外 。短 期 内 吸 入 大 量 氨 气 后 会 出 现 流 泪 、 咽 痛 、 咳 嗽 、 胸 闷 、 呼 吸 困 难 、 头晕 、 呕 吐 、 乏 力 等 。 若 吸 入 的 氨 气 过 多 ， 导 致 血 液 中 氨 浓 度 过 高 ， 就 会 通 过三 叉 神 经 末 梢 的 反 射 作 用 而 引 起 心 脏 的 停 搏 和 呼 吸 停 止 ， 危 及 生 命
7、。长 期 接 触 氨 气 ， 部 分 人 可 能 会 出 现 皮 肤 色 素 沉 积 或 手 指 溃 疡 等 症 状 ； 氨气 被 呼 入 肺 后 容 易 通 过 肺 泡 进 入 血 液 ， 与 血 红 蛋 白 结 合 ， 破 坏 运 氧 功 能 。 短期 内 吸 入 大 量 氨 气 后 可 出 现 流 泪 、 咽 痛 、 声 音 嘶 哑 、 咳 嗽 、 痰 带 血 丝 、 胸 闷 、呼 吸 困 难 ， 可 伴 有 头 晕 、 头 痛 、 恶 心 、 呕 吐 、 乏 力 等 ， 严 重 者 可 发 生 肺 水 肿 、成 人 呼 吸 窘 迫 综 合 症 ， 同 时 可 能 生 呼 吸 道 刺 激
8、 症 状 。 因 此 ， 吸 收 空 气 中 的 氨 ，防 止 氨 超 标 具 有 重 要 意 义 。因此，为了避免化学工业产生的大量的含有氨气的工业尾气直接排入大气而造成空气污染，需要采用一定方法对于工业尾气中的氨气进行吸收，本次课程设计的 目的是根据设计要求采用填料吸收塔吸收的方法来净化含有氨气的工业尾气,使其达到排放标准。设计采填料塔进行吸收操作是因为填料可以提供巨大的气液传质面积而且填料表面具有良好的湍流状况，从而使吸收过程易于进行,而且，填料塔还具有结构简单、压降低、填料易用耐腐蚀材料制造等优点，从而可以使吸收操作过程节省大量人力和物力。利用混合气体中各组分在同一种液体中溶解度差异而
9、实现组分分离的过程称为气体吸收气体吸收是一种重要的分离操作，它在化工生产中主要用来达到以下几种目的。(1)分离混合气体以获得一定的组分。(2)除去有害组分以净化气体。(3)制备某种气体的溶液。一个完整的吸收分离过程，包括吸收和解吸两个部分。典型过程有单塔和多塔、逆流和并流、加压和减压等。化工机械设备基础课程设计(清水吸收氨气)3一、数据计算1.水吸收氨气填料塔工艺设计方案简介1.1 任务及操作条件混合气(空气、NH3 ) 处理量： 2600 ；3/mh进塔混合气含 NH3 7% (体积分数)；温度:20；进塔吸收剂(清水) 的温度:20； NH3 回收率：96%；操作压力为常压 101.3k
10、Pa。1.2 填料的选择塔填料是填料塔的核心构件，它提供了气、液两相相接触传质与传热的表面，其性能优劣是决定填料塔操作性能的主要因素。填料的比表面积越大，气液分布也就越均匀，传质效率也越高，它与塔内件一起决定了填料塔的性 质。因此，填料的选择是填料塔设计的重要环节。塔填料的选择包括确定填料的种类、规格及材料。散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积在塔内，又称为乱堆填料或颗粒填料。散装填料根据结构特点不同，可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。塑料填料的材质主要包括聚丙烯、聚乙烯及聚氯乙烯等，国内一般多采用聚丙烯材质。塑料填料的耐腐蚀性能较好，可耐一般的
11、无机酸、碱和有机溶剂的腐蚀。其耐温性良好，可长期在 100以下使用。设计选用填料塔，填料为散装聚丙烯 DN50 阶梯环填料。国内阶梯环特性数据材质外径d，mm外径高厚dH比表面积at，m 2/m3空隙率，m 3/m3个数n，个/m3堆积密度 p，kg/m3干填料因子at/ 3，m -1填料因子，m -1塑 25 2517.51.4 228 0.90 81500 97.8 313 240化工机械设备基础课程设计(清水吸收氨气)4料3850763819150301.576373132.5114.289.950.910.9270.929272009980342057.576.868.4175.614
12、3.111212080722. 工艺尺寸计算2.1 基础物性数据2.1.1 液相物性数据对低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。由手册查的，20水的有关物性数据如下：密度： 1 =998.2Kgm 3粘度： L=1.005mPaS =0.001PaS=3.6Kg（mh）表面张力： L =72.6dyncm=940 896Kgh 2氨气在水中的扩散系数：D L=1.8010-9 m2/s=1.8010-93600 m2/h=6.480 10-6m2/h2.1.2 气相物性的数据混合气体平均摩尔质量： MVM= yiMi=0.07017+0.93029=28.16混合气体的平均密度
13、： vm= =10028.16(8.314293)=1.166Kg m 3RTPVN混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册的 20空气的粘度： V=1.81105Pas=0.065Kg（mh）查手册得氨气在 20空气中扩散系数： Dv= 0.189 cm2/s=0.068 m2/s2.1.3 气液相平衡数据20 下氨在水中的溶解度系数： ,常压下 20时亨C )/(725.03kpaolH利系数： =998.2(0.72518.02)=76.40Kpa SLHME相平衡常数：化工机械设备基础课程设计(清水吸收氨气)5756.012.875.09PHMEmSL2.1.4 物料衡算进塔气相摩尔
14、比：Y 1= =0.070（10.070） =0.0751y出塔气相摩尔比：Y 2=Y1（1）=0.075 （1 0.998）=0.00015进塔惰性气相流量：V=260022.4273（273+20）（10.070）=100.6Kmolh该吸收过程属低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算，即：（ ） min =VL21mXY对纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为 X2=0，则（ ） min=（ 0.0750.00015）0.075(0.7560)=0.762L取操作液气比为最小液气比 1.8 倍，则=1.80.762=1.354， 因此 L=1.372100.6=138.02Kmolh
15、VL由全塔物料衡算得：V（Y 1Y2）=L（X 1X2）， 得 X1=100.6(0.0750.00015) 138.02=0.054562.2 填料塔的工艺尺寸的计算2.2.1 塔径的计算混合气体的密度：333 /16.2915.804.0mKgRTMPV 化工机械设备基础课程设计(清水吸收氨气)6塔径气相质量流量为：=26001.166=3032KghV液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即: =138.0218.02=2512/hL塑料阶梯环特性数据据如下用贝恩霍根关联式计算泛点气速：=2.0v2tgulLF81v41 LVKA查表得比表面积： =114.2m2/m3 ,A=0.204,
16、K=1.75， =0.927 ，得：ta =0.610 81v41 LVKA245.0.2LVtFuga因此计算得： = 3.93m/s 取 u =uF=14.23m/s =3.93m/sFu由 D= = （426003600）（3.143.93） 0.5=0.484m 4SV圆整塔径，取 D=0.5m（常用的标准塔径为400、500、600、700、800、1000、1200、1400、1600、2000、2200）8泛点率校核: u=2600 3600 (0.7850.5 2)=3.68ms化工机械设备基础课程设计(清水吸收氨气)73.683.93 100=93.60（在允许范围内）Fu填
17、料规格校核：Dd=50050=108液体喷淋密度校核：因填料为 50mm25mm1.5mm,塔径与填料尺寸之比大于 8，固取最小润湿速度为（Lw ） min=0.08 m3/(mh)，查常用散装填料的特性参数表，得at=114.2m2/m3Umin=（L W） min at =0.08114.2=9.136m3m 2hU=136.2218.02998.2（ 0.7850.52）=12.53U min经以上校核可知，填料塔直径选用 D= 500mm 是合理的。2.2.2 填料层高度计算查表知， 0 ，100 下， 在空气中的扩散系数：C kpa3NHscmD/17.02o由 ，则 293 ，10
18、0 下， 在空气中的扩散系数：23)(oTPGkpa3scm/19.0)73(10. 22液相扩散系数： DL/8.2Y1*=mX1=0.7560.05528=0.042 ， Y2*=mX2=0脱吸因数：S=mVL=0.764100.6138.02=0.5642气相总传质单元数： 35.120.5)642.01(5642.01S1ln*21 LnYNOG 化工机械设备基础课程设计(清水吸收氨气)8气相总传单元高度采用修正的思田关联式计算： )()()()(45.1exp 2.005.21.075.0 tLLtLtLctw aUgaaUa 液体质量通量为 UL=138.0218.02(0.785
19、0.5 2)=12673.2Kgm 2h气体质量通量为 Uv=26001.166 (0.7850.52)=15447.6Kgm 2h气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算： )()()()(45.1exp 2.005.21.075.0 tLLtLtLctw aUgaaa 不同材质的 c值见下表材质 钢 陶瓷 聚乙烯 聚氯乙烯 碳 玻璃 涂石蜡的表面表面张力，N/m10375 61 33 40 56 73 20查表知， 2/47680/3hkgcmdync )()()()(45.1exp 2.005.21.75.0 tLLtLtLctw aUaaUa 气膜吸收系数由下式计算： 1497.0)
20、()(37.0317.0RTDakVtVtG液膜吸收系数由下式计算： 56.)()95. 2132LLwL gU查下表得： ,各类填料的形状系数45.1填料类型 球 棒 拉西环 弧鞍 开孔环 值 0.72 0.75 1 1.19 1.453.684.23100=93.6050， 由 Fu得auaLFLGG )5.0(6.21.9241化工机械设备基础课程设计(清水吸收氨气)9由由 Z=HOGNOG=0.275812.19=3.36m，Z=1.43.36=4.704m设计取填料层高度： Z=5m，查表，对于阶梯环填料，mhD6,158ax设计填料层高度： 。mh85.712.2.3 填料层压降计
21、算采用 Eckert 通用关联图计算填料层压降，横坐标为： 028.).916(.260813)( 55.0 LV已知： 纵坐标为189mP1437.05.2.98.1632.2.02 LVpgu化工机械设备基础课程设计(清水吸收氨气)10通用压降关联图查图上图得：P Z=1009.81=981.00Pa m填料层压降为：P=981.00 5=4.905KPa=4905(Pa)2.2.4 液体分布器简要设计液体分布器的选型：该吸收塔液相负荷较大，而气相负荷相对较低。故选用槽式分布器。分布点密度计算：按 Eckert 建议值，D=400 时，喷淋点的密度为 330 点m 2，D=750 时，喷淋点的密度为 170 点m 2，设计取喷淋密度为 280 点 m2。则总布液孔数为：n=0.7850.5 2280=55 ， 实际总布液孔数：54 点，布液计算：由 HgndLoS42 sLS /06831.298360.1.取 ， ，60.1 mds .1.54.320 则 ， 因此可知填料塔设计条件如下：m0.0
