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1、设计说明书学 院:机械与汽车工程学院专 业:过程装备与控制工程指导教师:邹华生姓 名:陈学亮学 号:201030050496合 作 者:黄锦洲目录一.设计任务说明二.方案选择三.塔工艺理论计算四.主要设备的计算与选型五. 填料塔外接管的补强设计六. 填料塔强度校核计算七. 填料塔辅助设备设计计算和选型八. 吸收后尾气与釜液的处理九. 放空气能量的利用十. 计算结果及选型汇总十一.设计结果分析讨论和总结十二.参考文献一.设计任务说明1.设计题目:非等温吸收填料塔2.设计任务:为了使尿素生产厂合成氨放空气中的有害物质 NH3 达到国家环保废气排放标准，需 设计一吸收填料塔，用清水吸收放空气中的氨，
2、为达到国家环保尾气排放标准，处理后放空气中的氨浓度必须不超过 400ppm,放空气的流量 1000kg/h,其摩尔组成为:物料摩尔组成物质名 NH3 H2 N2mol% 3.9% 69.5% 26.3%表 1另外含有微量的 Ar 气（0.3%）,吸收剂为水、压力设定为 10bar.二.方案选择1.塔型选择本设计任务为设计填料塔, 填料塔是化工过程中最为常用的气液接触设备之一,广泛用于蒸馏、吸收等单元操作。填料塔主要由踏体、填料及塔内件构成(如图 4-1)。液体通过液体分布器均匀分布于填料顶层，在重力作用下沿填料表面向下流动，与再填料空隙中流动的气体相互接触，发传质与传热。填料塔通常在气液两相逆
3、流状态下操作，用于吸收操作时也有采用并流操作。与板式塔相比，填料塔具有效率高、压降低、结构简单、便于采用耐腐蚀材料制造等显著优点 1。2.吸收流程的确定本设计选用单塔逆流接触方式, 吸收剂无再循环吸收。单塔： 可以满足任务需求，且构造相对简单，维护方便。逆流： 在实际操作过程中，气液传质设备内气液两相大多呈逆流接触，因为当两进、出口浓度相同的情况下，逆流时的平均推动力大于并流，且利用气液相密度差，有利于两相分离 2。无循环：本实验中，需吸附的氨的含量较大，且循环需要动力装置，综合考虑经济效益，选用无循环为佳。3.吸收剂的选择从吸收的原理可知，吸收剂的性能好坏直接影响到吸收操作的分离效果及经济性
4、。因此对吸收剂的选择应满足如下几点要求：（1）在混合气体中，溶质的溶解度要大，这样在相同的操作条件下，处理一定量混合气所需的溶剂数量就会减少，平衡时气体中溶质残余液浓度也可降低，溶解速率增大。吸收、解析的设备尺寸和能耗也会减少。（2）在混合气中，除溶质外的其他组分的溶解度要小，即有较高的选择性。这样才能使混合气中溶质实现有效分离。（3）不易挥发，即蒸汽压低、蒸发损失少，同时可减小在气体中混入的吸收剂蒸汽。（4）粘度低，无腐蚀性，无毒，不易燃，不发泡，来源广泛，价格低廉，易于再生3。综合考虑这些因素，本设计采用水作为吸附剂。图 1三.塔工艺理论计算1.吸收剂用量计算放空气的平均相对分子质量为:
5、=11+22+33+44=0.03917+0.6952+0.26328+0.00340=9.537/放空气的摩尔流量:=10009.537=104.85(1)放空气中氨气的载气摩尔流量:=104.85(10.039)=100.77(1)氨气进塔的摩尔比为:1= 0.03910.039=0.0406取吸收率为 0.992=1(1)=0.04060.009=0.0004达到设计任务要求,出塔气体中氨气的摩尔比为 0.0004由于水吸附氨气为一个放热过程,因而, 在吸附过程中水温会升高 ,出塔溶液温度取决于溶剂量,为此可先假设溶液的浓度为 6（质量）。 当溶解的氨量为:104.850.0390.99
6、1=4.048(kmolkmolh-1)由此可知,吸收剂用量为:q(L)=4.048170.060.94=1078.12kgh-1=59.9kmolh-1出塔水的摩尔比为:1=(617)9418=0.06762.出塔氨水液的温度 的计算bt每 100kg 水中氨的溶解量为： 4.048171078.12100=6.383查图 2 可知,溶液的绝热升温值为 27.2oC,入塔水温选定为 25oC,所以氨水出塔温度为:=+=25+27.2=52.2可见吸收过程中，系统的温度变化较大，平衡系统当然也会产生极为显著的变化，而不能采用恒温下的平衡系统来考虑问题，应该做出非等温平衡曲线。当然，由于塔体散热
7、，实际的温升会小些，为安全起见，还是采用上述出塔温度。 图 23.变温下的平衡曲线为描出变温下的平衡曲线，将全塔分成 7 个平衡点来考虑,氨水与水在各温度的关系如图 3将全塔分为如下 7 个点kg /1003NH2O0 1.383 2.383 3.383 4.383 5.383 6.383表 2第一点(0 kg /100kg )32X1=0,Y1*=0,ta=25oC则该状态平衡点为(0,0)第二点(1.383 kg /100kg )3NH2O查图 2 可知,温度升高为 7.9oC,则溶液温度为1=25+7.9=32.91=1.3831710018=0.01464由图 3 内插读取 32.8o
8、C 时压力 P*=2133.15Pa(16mmHg)2= 2133.15101052133.15=0.00214则该状态平衡点为(0.01464,0.00214)第三点(2.383 kg /100kg )3NH2O查图 2 可知,温度升高为 14.2oC,则溶液温度为1=25+14.2=39.21=2.3831710018=0.02523由图 3 内插读取 39.1oC 时压力 P*=4266.3Pa(32mmHg)2= 4266.3101054266.3=0.00428则该状态平衡点为(0.02523,0.00428)第四点(3.383 kg /100kg )3NH2O查图 2 可知,温度升
9、高为 17.2oC, 则溶液温度为1=25+17.2=42.21=3.3831710018=0.0358由图 3 内插读取 42.1oC 时压力 P*=8132.66Pa(52mmHg)2= 6932.7101056932.7=0.0070则该状态平衡点为(0.0358,0.0070)第五点(4.383 kg /100kg )3NH2O查表 2 可知,温度升高为 21.4 oC, 则溶液温度为1=25+21.4=46.41=4.3831710018=0.0464由图 3 内插读取 39.1oC 时压力 P*=11732.37Pa(81mmHg)2= 10799.11010510799.1=0.
10、01092则该状态平衡点为(0.0464,0.01092)第六点(5.383 kg /100kg )3NH2O查表 2 可知,温度升高为 23.5 oC, 则溶液温度为1=25+23.5=48.51=5.3831710018=0.0570由图 3 内插读取 49.5oC 时压力 P*=15332.03Pa(115mmHg)2= 15332.031010515332.03=0.01571则该状态平衡点为(0.057,0.01571)第七点(6.383 kg /100kg )3NH2O查表 2 可知温度升高为 27.2 oC, 则溶液温度为1=25+27.2=52.21=6.3831710018=
11、0.0676由图 3 内插读取 52.5oC 时压力 P*=22000Pa(165mmHg)2= 220001010522000=0.0225则该状态平衡点为(0.0676,0.0225) 则按表 3 ,便可绘制出非等温平衡曲线x* 0 0.01464 0.02523 0.0358 0.0464 0.057 0.0676y* 0 0.00224 0.00428 0.0070 0.01092 0.01571 0.0225表 3图 34.操作线出塔氨水浓度不高,所以操作线可用一直线表示=2+(1)=0.0004+59.9100.77=0.0004+0.5945.传质单元数 NOG 图解法由表 4
12、数据进行图解法求解表 4由表 3 和表 4 可以做得图 4 所示图像E0E1E2E3E4E5E6A0A1A2A3A4A5A6B0B1B2B3B4B5B6F0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.0800.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.045平 衡 线操 作 线中 线等 温 平 衡 线图 4由于平衡线是曲线,所以用吸收因素法和对数平均推动法计算 NOG 会产生较大的误差。这时可以采用简便作图法-近视梯级法计算。作图步骤如下:a.在操作线与平衡线之间作中线；（如图 4 所示）b.从 A 点（ 0，0.0004）开始作阶
13、梯，直至跨过点 B（0.0676，0.040554）；c.计算阶梯数。N OG=5.8 个。6.塔性能分析1、与 YB=0.0406 对应的 X*E 远大于=0.0676 ，所以前面设出塔质量分数为 6%是可行的。且 XB 还可以增大，但吸收推动力减少，所需的传质单元数 NOG 增大2、非等温平衡曲线大致上是抛物线形状，如果塔底的操作点 B 的气、液相摩尔比大到一定程度，就会出现操作线与非等温平衡曲线相交的情况。这对吸收过程不利。所以吸收过程也是有一定限度。3、由图可知，本设计的 6%的出氨质量分数是可以实现的。如果想吸收更多的氨，应该减少水的流量（进气不变）。并不是说水越多吸收的氨就越多，只
14、是更容易吸收，需要更少的传质单元数。4、等温平衡线 OF 与非等温平衡线 OE 相差很远。且非等温平衡线与操作线之间的距离更小，推动力也更小，所以，在相同的条件下，等温吸收所需要的传质单元数 NOG比温度不断上升时吸收所需的传质单元数 NOG 要少。7.填料的选择在填料的选择上,大直径填料比小直径填料更易发生壁流,早在 1935 年,Baker 等人 4研究发现, 填料塔的直径必须大于散装填料直径的 8 倍以上,否则将产生严重的壁流。长期以来，这一直作为设计散装填料塔，尤其是试验塔的准则，Huber 等人 5推荐工业填料塔的直径最好大于填料直径的 30 倍。对于不同类型的散堆填料，同样的尺寸、
15、材质的鲍尔环在同样的压降下，处理量比拉西环大 50%以上，分离效率可以高出 30%以上；在同样的操作条件下，阶梯环的处理量可以比鲍尔环大 20%左右，效率较鲍尔环高 5%10%；而环鞍、矩鞍型填料则具有更大的的处理量和分离效率 6。常见散堆填料的相对处理能力 7填料尺寸 25 38 50拉西环 100 100 100矩鞍 132 120 123鲍尔环 155 160 150阶梯环 170 176 165环鞍 205 202 195表 5 由此可见填料的选择也是设计塔的一个较为关键的部分, 填料的应具有耐腐蚀性，考虑到造价问题，在本设计中初试用公称直径 D=25mm 的塑料鲍尔环进行乱堆填充,填充材料相应参 8数如表 6:外径d/mm高 x 厚(Hx )/(mmxmm)比表面积at(m2/m3)空隙率/(m3/m3)堆积密度/(kg/m3)干填料因子 1/ma湿填料因子 1/25 24.2x1 194 0.87 103 294 320表 68.塔径计算确定 Eckert 关联图 X, 59.(.408)6
