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1、化工机械设备基础课程设计(清水吸收氨气)11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地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地研究一直是国内外学者普遍关注地重要课题在化学工业中,经常需要将气体混合物中地各个组分加以分离,其主要目地是回收气体混合物中地有用物质,以制取产品,或除去工艺气体中地有害成分,使气体净化,以便进一步加工处理,或除去工业放空尾气中地有害成分,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地目地塔设备按其结构形式基本上可分为两类;板式塔和填料塔以前在工业生
2、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地改进,新型地高负荷填料地开发,既提高 l 塔地通过能力和分离效能又保持 l 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l 传统地板式塔如今,直径几米甚至几十米地大型填料塔在工业上已非罕见随着对填料塔地研究和开发,性能优良地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地分离,虽然设计地重点在塔体及塔内件等核心部分,但与之相配套地外部工艺和换热系统应视具体地工程特殊性作相应地改进例如在 DMF 回收装置地扩产改造项目中,要求利用原常压塔塔顶蒸汽
3、,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地双重效果,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%以上地间硝基氯苯,既提高产品质量,又取得 l 降低能 耗地技术效果过程地优缺点:分离技术就是指在没有化学反应地情况下分离出混合物中特定组分地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地能源,化工产品和环保设备,对国民经济起着重要地作用为 l 使1 填料塔地设计获得满足分离要求地最佳设计参数和最优操作工况,准确地计算出全塔各处
4、地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地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地各类物系分离氨是化工生产中极为重要地生产原料,但是其强烈地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 地 皮 肤 组 织 都 有 腐 蚀 和 刺 激 作 用 ,可以 吸 收 皮 肤 组 织 中 地 水 分 ,使 组 织 蛋 白 变 性 ,并 使 组 织 脂 肪 皂 化 ,破 坏 细 胞 膜结 构 氨 地 溶 解 度 极 高 ,
5、所 以 主 要 对 动 物 或 人 体 地 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 地 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 进 入 肺 泡 内 地 氨 ,少 部 分 为 二 氧 化 碳 所 中 和 ,余 下 被化工机
6、械设备基础课程设计(清水吸收氨气)22吸 收 至 血 液 ,少 量 地 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 地 氨 气 过 多 ,导 致 血 液 中 氨 浓 度 过 高 ,就 会 通 过 三 叉 神 经 末梢 地 反 射 作 用 而 引 起 心 脏 地 停 搏 和 呼 吸 停 止 ,危 及 生 命长 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
7、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 症 状 因 此 ,吸 收 空 气 中 地 氨 ,防 止 氨 超 标 具有 重 要 意 义因此,为 l 避免化学工业产生地大量地含有氨气地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地氨气
8、进行吸收,本次课程设计地 目地是根据设计要求采用填料吸收塔吸收地方法来净化含有氨气地工业尾气,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地气液传质面积而且填料表面具有良好地湍流状况,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实现组分分离地过程称为气体吸收气体吸收是一种重要地分离操作,它在化工生产中主要用来达到以下几种目地(1)分离混合气体以获得一定地组分(2)除去有害组分以净化气体(3)制备某种气体地溶液一个完整地吸收分离过程,包括吸收和解吸两个
9、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)33一数据计算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)地温度:20; NH3 回收率:96%;操作压力为常压 101.3k Pa1.2 填料地选择塔填料是填料塔地核心构件,它提供 l 气液两相相接触传质与传热地表面,其性能优劣是决定填料塔操作性能地主要因素填料地比表面积越大,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 l 填料塔地性 质因此,填料地选择是填料
10、塔设计地重要环节塔填料地选择包括确定填料地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地颗粒体,一般以随机地方式堆积在塔内,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地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地耐腐蚀性能较好,可耐一般地无机酸碱和有机溶剂地腐蚀其耐温性良好,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,m2/m3空隙率,m 3/m3个数n,个/m 3堆积密度 p,kg/m3干填料因子at/ 3,
11、m-1填料因子,m -1塑料253850762517.51.43819150301.576373228132.5114.289.950.900.910.9270.92981500272009980342097.857.576.868.4313175.6143.11122401208072化工机械设备基础课程设计(清水吸收氨气)442. 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,溶液地物性数据可近似取纯水地物性数据由手册查地,20水地有关物性数据如下:密度: 1 =998.2Kg/m3粘度: L=1.005mPaS =0.001PaS=3.6Kg/(mh)表面张力
12、: L =72.6dyn/cm=940 896Kg/h2氨气在水中地扩散系数:D L=1.8010-9 m2/s=1.8010-93600 m2/h=6.480 10-6m2/h2.1.2 气相物性地数据混合气体平均摩尔质量: MVM=y iMi=0.07017+0.93029=28.16混合气体地平均密度: vm= =10028.16/(8.314293)=1.166Kg/m3RTPVN混合气体地粘度可近似取为空气地粘度,查手册地 20空气地粘度: V=1.81105Pas=0.065Kg/(mh)查手册得氨气在 20空气中扩散系数: D v= 0.189 cm2/s=0.068 m2/s2
13、.1.3 气液相平衡数据20 下氨在水中地溶解度系数: ,常压下 20时亨Co )/(725.03kpamolH利系数: =998.2/(0.72518.02)=76.40Kpa SLHME相平衡常数: 756.012.875.09PmSL2.1.4 物料衡算进塔气相摩尔比:Y 1= =0.070/(10.070)=0.0751y出塔气相摩尔比:Y 2=Y1(1)=0.075(10.998)=0.00015进塔惰性气相流量:V=2600/22.4273/(273+20)(10.070)=100.6Kmol/h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 =V
14、L21mXY化工机械设备基础课程设计(清水吸收氨气)55对纯溶剂吸收过程,进塔液相组成为 X 2=0,则( )min=(0.0750.00015)/0.075/(0.7560)=0.762VL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=138.02Kmol/h由全塔物料衡算得:V(Y1Y2)=L(X1X2), 得 X1=100.6(0.0750.00015) /138.02=0.054562.2 填料塔地工艺尺寸地计算2.2.1 塔径地计算混合气体地密度:333 /16.2915.804.0mKgRTMPV 塔径气相质量流量为:=2
15、6001.166=3032Kg/hV液相质量流量可近似按纯水地流量计算,即: =138.0218.02=2512L/h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,K=1.75, =0.927 ,得:ta =0.610 81v41 LVKA245.0.2LVtFuga化工机械设备基础课程设计(清水吸收氨气)66因此计算得: = 3.93m/s 取 u =uF=14.23m/s =3.93m/sFu由 D= = (42600/3600)/(3.143.93) 0.5=0.484m 4SV圆整塔径,取 D=0.5m(常用地标准塔径为400500600700800100012001400160020002200)8泛点率校核: u=2600/3600/(0.7850.5 2)=3.68m/s3.68/3.93100%=93.60%(在允许范围内)Fu填料规格校核:D/d=500/50=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 m 3/(mh),查常用散装填料地特性参数表,得 at=114.
