化工原理课程设计.docx
- 文档编号:25490700
- 上传时间:2023-06-09
- 格式:DOCX
- 页数:23
- 大小:348.81KB
化工原理课程设计.docx
《化工原理课程设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《化工原理课程设计.docx(23页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
化工原理课程设计
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=
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/——液膜何种吸收系数,l/h
G——气相空塔质量流速,kg/
WL——液相空塔流速,kg/
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
≥
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
2
3
4
5
26
6
7
8
9
10
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,进塔混合气中各组分的量为
混合气量:
混合气中氨气量:
操作条件下总气量:
m3
氨气的体积流量:
m3/h
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
N2
505
CH4+Ar
NH3
总计
(2)混合气进出塔的摩尔组成为:
y1=y2=,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)=%,即进塔时的摩尔比;
Y2=y2/(1-y2)=%,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=%
则可得NH3出塔时的体积流量:
×%)=0.4125m3/h
混合气中氨气量:
×%)=h=×17=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
N2
505
CH4+Ar
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
0.39
78
2
0.93
93
3
1.61
4
2.45
5
3.46
6
4.67
7
6.10
8
7.78
9
9.74
10
12.01
注:
(1)NH3平衡分压P/(kPa)由pNH3(mmHg)×可得;
(2)y=pNH3/p0,Y*=y/(1-y)可得,P0=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=4×106X4-69575X3+27895X2+由图2-1可查得,当Y1=时,X1*=。
最小吸收剂用量
Lmin=G(Y1-Y2)/(X1*-X2)=
取安全系数,则有
安全用水量L=×Lmin=×=
=5430.96kg/h
2根据X-t数据,用Excel作图得图2-2,X-t图如下:
图2-2X-t图
3根据x-P数据,用Excel作图得图2-3,x-P图如下:
图2-3x-P
4根据X-H数据,用Excel作图得图2-4,X-H图如下:
图2-4X-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
4、操作线方程
逆流吸收塔的操作线方程式为:
Y=
(Y2
X2)
将已知参数代入得
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=,由图2-3X-t图查得塔底吸收30.70℃,设计压力取为塔的操作压力。
塔径的计算公式为:
,u=(~)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=+=5553.32kg/h
进塔混合气体密度
混合气体的分子量
ρG
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μL=。
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
3)由关联图查得纵坐标值为
故泛点气速uF=4.273m/s
(2)操作气速
u==
(3)塔径
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
(5)核算喷淋密度
的环形填料最小润湿率为0.08m3/,最小喷淋密度:
由于
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:
(1)传质单元高度HOG的计算
由表1-2查得相关参数数据,c=、m=、n=、b=、P=,由经验公式可得
∴平衡线的斜率为
惰性量V=kmol/h,D=0.6m
∴
(2)传质单元数
的计算
在图2-1把Y轴上
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
5000
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
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:
积分得
积分的面积如图6-2,
图6-2
则可得
7、填料层压降的计算
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
,
=1时,查图5-1得纵坐标值为
横坐标为,纵坐标为,在关联图5-1查得每米填料层压降:
∴全塔填料层压降:
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
h×s
n
t
l
L2
600
50
580
289
290
579
40×6
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×600
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
45
130
100
14
4
M12
16
46
-
200
219
320
280
18
8
M16
22
222
-
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
dw×S
D
D1
H1
H2
b
b1
b2
A
10
150
15×
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
M20×65
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=150mmh0=40mmF=V=δP=10mmG=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
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
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φ45×6
由
,在
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
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φ219×6
由
在
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
混合气体的平均密度
0.4054kg/m3
重力加速度
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
kmol/h
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
0.5620m
5.4272m
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。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 化工 原理 课程设计