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吸收塔设计

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吸收塔设计

发布日期:2018-11-19 00:00 来源:http://www.ubelimages.com 点击:

目   录
第一节 前言 5
1.1 填料塔的主体结构与特点 5
1.2 填料塔的设计任务及步骤 5
1.3 填料塔设计条件及操作条件 5
第二节 填料塔主体设计方案的确定 6
2.1 装置流程的确定 6
2.2   吸收剂的选择 6
2.3填料的类型与选择 6
2.3.1 填料种类的选择 6
2.3.2 填料规格的选择 6
2.3.3 填料材质的选择 7
2.4  基础物性数据 7
2.4.1  液相物性数据 7
2.4.2  气相物性数据 7
2.4.3  气液相平衡数据 8
2.4.4  物料横算 8
第三节 填料塔工艺尺寸的计算 9
3.1 塔径的计算 9
3.2 填料层高度的计算及分段 10
3.2.1 传质单元数的计算 10
3.2.3 填料层的分段 12
3.3 填料层压降的计算 12
第四节 填料塔内件的类型及设计 13
4.1 塔内件类型 13
4.2 塔内件的设计 13
4.2.1  液体分布器设计的基本要求: 13
4.2.2  液体分布器布液能力的计算 13
注: 14
1填料塔设计结果一览表 14
2 填料塔设计数据一览 14
3 参考文献 15
4 后记及其他 16
附件一:塔设备流程图 16
附件二:塔设备设计图 17

大庆师范学院本科学生
化工原理课程设计任务书
设计题目                          苯和氯苯的精馏塔塔设计                            
系(院)、专业、年级          化学化工学院、化学工程与工艺专业、08级化工四班           
学 生 姓 名                                               学号                         
指导教师姓名                                              下发日期                   
任务起止日期:       2010 年日6 月 21 日  至  2010 年  7 月  20
设计条件:
气体混合气成分: 空气和氨;
进塔混合气含氨量:6.0%(体积分数); 
混合气体流量:6000;
回收率:99%。
操作条件:
操作温度:293 K;
混合气体压力:101.3Pa;


设计任务:
   完成填料吸收塔的工艺设计,填料的选择及有关附属设备的设计,绘制塔填料吸收塔工艺流程图、设备图,编写设计说明书。
   
任务下达人(签字) 
教研室主任:
年    月    日
任务接受人(签字) 

前言
填料塔的主体结构与特点
   结构:

图1-1 填料塔结构图
   填料塔不但结构简单,且流体通过填料层的压降较小,易于用耐腐蚀材料制造,所以她特别适用于处理量肖,有腐蚀性的物料及要求压降小的场合。液体自塔顶经液体分布器喷洒于填料顶部,并在填料的表面呈膜状流下,气体从塔底的气体口送入,流过填料的空隙,在填料层中与液体逆流接触进行传质。因气液两相组成沿塔高连续变化,所以填料塔属连续接触式的气液传质设备。
填料塔的设计任务及步骤
   设计任务:用水吸收空气中混有的氨气。
    设计步骤:(1)根据设计任务和工艺要求,确定设计方案;
        (2)针对物系及分离要求,选择适宜填料;
        (3)确定塔径、填料层高度等工艺尺寸(考虑喷淋密度);
        (4)计算塔高、及填料层的压降;
        (5)塔内件设计。
填料塔设计条件及操作条件
   1. 气体混合物成分:空气和氨
   2. 空气中氨的含量: 6.0%  (体积含量即为摩尔含量)
   3. 混合气体流量6000m3/h
   4. 操作温度293K
   5. 混合气体压力101.3KPa
   6. 回收率99 %
   7. 采用清水为吸收剂
   8. 填料类型:采用聚丙烯鲍尔环填料
         第二节 精馏塔主体设计方案的确定
 装置流程的确定
   本次设计采用逆流操作:气相自塔低进入由塔顶排出,液相自塔顶进入由塔底排出,即逆流操作。
   逆流操作的特点是:传质平均推动力大,传质速率快,分离效率高,吸收剂利用率高。工业生产中多采用逆流操作。
2.2   吸收剂的选择
   因为用水做吸收剂,故采用纯溶剂。
2-1 工业常用吸收剂
溶质 溶剂 溶质 溶剂
氨 水、硫酸 丙酮蒸汽 水
氯化氢 水 二氧化碳 水、碱液
   二氧化硫 水 硫化氢 碱液、有机溶剂
苯蒸汽 煤油、洗油 一氧化碳 铜氨液
2.3填料的类型与选择
   填料的种类很多,根据装填方式的不同,可分为散装填料和规整填料两大类。
2.3.1 填料种类的选择
   本次采用散装填料。散装填料根据结构特点不同,又可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。鲍尔环是目前应用较广的填料之一,本次选用鲍尔环。
  2.3.2 填料规格的选择
   工业塔常用的散装填料主要有Dn16Dn25Dn38 Dn76等几种规格。同类填料,尺寸越小,分离效率越高,但阻力增加,通量减小,填料费用也增加很多。而大尺寸的填料应用于小直径塔中,又会产生液体分布不良及严重的壁流,使塔的分离效率降低。因此,对塔径与填料尺寸的比值要有一规定。
常用填料的塔径与填料公称直径比值D/d的推荐值列于。
表3-1
填料种类 D/d的推荐值
拉西环 D/d20~30
鞍环 D/d15
鲍尔环 D/d10~15
阶梯环 D/d>8
环矩鞍 D/d>8
2.3.3 填料材质的选择
工业上,填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类
聚丙烯填料在低温(低于0度)时具有冷脆性,在低于0度的条件下使用要慎重,可选耐低温性能良好的聚氯乙烯填料。
   综合以上:选择塑料鲍尔环散装填料 Dn50
2.4  基础物性数据
2.4.1  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。由手册查得 20 ℃水的有关物性数据如下:
   1.  
   2.  
   3.  表面张力为:
   4.  
   5.  
   6.  
2.4.2   气相物性数据
1. 混合气体的平均摩尔质量为
         (2-1)
2.  混合气体的平均密度
  由                    (2-2)
     R=8.314 
混合气体黏度可近似取为空气黏度。查手册得20时,空气的黏度
  
  注: 1 1Pa..s=1kg/m.s
2.4.3  气液相平衡数据
由手册查得,常压下,20时,NH在水中的亨利系数为 E=76.3kpa
在水中的溶解度: H=0.725kmol/m
          相平衡常数:                     (2-3)
              溶解度系数:              (2-4)             
  2.4.4 物料横算
1.  进塔气相摩尔比为
                                 (2-5)                 
2. 出他气相摩尔比为 
                     (2-6)      
3.  进塔惰性气体流量:    (2-7)    因为该吸收过程为低浓度吸收,平衡关系为直线,最小液气比按下式计算。即:
                                         (2-8)
因为是纯溶剂吸收过程,进塔液相组成
所以  
   选择操作液气比为                      (2-9)
L=1.2676356×234.599=297.3860441kmol/h
因为V(Y1-Y2)=L(X1-X2)   X1
           第三节 填料塔工艺尺寸的计算
填料塔工艺尺寸的计算包括塔径的计算、填料能高度的计算及分段
3.1 塔径的计算
1. 空塔气速的确定——泛点气速法
  对于散装填料,其泛点率的经验值u/u=0.5~0.85
   贝恩(Bain)—霍根(Hougen)关联式 ,即:
    =A-K              (3-1)
   即:
               
   所以:/9.81(100/0.917)(1.1836/998.2)=0.246053756
                                             UF=3.974574742m/s
   
   其中:
   ——泛点气速,m/s;
   g ——重力加速度,9.81m/s
   
   
   
   WL=5358.89572㎏/h  WV=7056.6kg/h
   A=0.0942; K=1.75;
   取u=0.7 =2.78220m/s
                        (3-2)               
   圆整塔径后 D=0.8m
   1. 泛点速率校核: m/s
                   
       则在允许范围内
   2. 根据填料规格校核:D/d=800/50=16根据表3-1符合
   3. 液体喷淋密度的校核:
   (1) 填料塔的液体喷淋密度是指单位时间、单位塔截面上液体的喷淋量。
   (2) 最小润湿速率是指在塔的截面上,单位长度的填料周边的最小液体体积流量。对于直径不超过75mm的散装填料,可取最小润湿速率。
                            (3-3)
              (3-4)
   经过以上校验,填料塔直径设计为D=800mm 合理。
3.2 填料层高度的计算及分段
                         (3-5)
                                                    (3-6)   
3.2.1 传质单元数的计算
用对数平均推动力法求传质单元数
                                             (3-7)
                                       (3-8)
        =
        =0.006895
    
   3.2.2  质单元高度的计算
   气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算:
        (3-9)


   即:αw/αt =0.37404748
   液体质量通量为: =WL/0.785×0.8×0.8=10666.5918kg/(㎡?h) 
   气体质量通量为:   =60000×1.1761/0.64=14045.78025kg/(㎡?h)
   气膜吸收系数由下式计算:
                           (3-10)
       =0.237(14045.78025÷100.6228×10-5)0.7(0.06228÷0.081÷1.1761)
   0.3(100×0.081÷8.314÷293)
    =0.152159029kmol/(㎡h kpa)
   液膜吸收数据由下式计算:
                           (3-11)
    =0.566130072m/h
   因为
   0.15215×0.3740×1.451.1×100           (3-12)
            =8.565021kmol/(m3 h kpa)
    =0.56613×100×0.37404×1.450.4           (3-13)
                  =24.56912/h
   因为: =0.8346
   所以需要用以下式进行校正:
                                (3-14)
        =[1+9.5(0.69999-0.5)1.4] 8.56502=17.113580 kmol/(m3 h kpa)
                                (3-15)
        =[1+ 2.6 (0.6999-0.5)2.2] 24.569123=26.42106/h
                                     (3-16)
        =1÷(1÷17.1358+1÷0.725÷26.4210)
            =9.038478 kmol/(m3 h kpa)
                                   (3-17)           
      =234.599÷9.03847÷101.3÷0.785÷0.64
      =0.491182 m
                                              (3-18)
        =0.491182×9.160434=4.501360m,得                   
      =1.4×4.501=6.30m
  3.2.3 填料层的分段
   对于鲍尔环散装填料的分段高度推荐值为h/D=5~10。
   h=5×800~10×800=4~8 m
  计算得填料层高度为7000mm,,故不需分段
3.3 填料层压降的计算
   取 Eckert (通用压降关联图);将操作气速(=2.8886m/s) 代替纵坐标中的查表,DG50mm塑料鲍尔环的压降填料因子=125代替纵坐标中的.
   则纵标值为:
   =0.1652                                     (3-19)
    横坐标为:
                                =0.02606                                         (3-20)
   查图得
                   981Pa/m                               (3-21)
   全塔填料层压降  =981×7=6867 Pa
   至此,吸收塔的物科衡算、塔径、填料层高度及填料层压降均已算出。


填料塔内件的类型及设计
4.1 塔内件类型
   填料塔的内件主要有填料支撑装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体收集再分布装置等。合理的选择和设计塔内件,对保证填料塔的正常操作及优良的传质性能十分重要。
4.2 塔内件的设计
     4.2.1  液体分布器设计的基本要求:
           (1)液体分布均匀
            (2)操作弹性大
            (3)自由截面积大
       (4)其他
  4.2.2 液体分布器布液能力的计算
       (1)重力型液体分布器布液能力计算
        (2)压力型液体分布器布液能力计算
注:(1)本设计任务液相负荷不大,可选用排管式液体分布器;且填料层不高,可不设液体再分布器。    
   (2)塔径及液体负荷不大,可采用较简单的栅板型支承板及压板。其它塔附件及气液出口装置计算与选择此处从略。
                                    
注:
            1填料塔设计结果一览表
塔径 0.8m
填料层高度 7m 
填料规格 50mm鲍尔环
操作液气比 1.2676356  1.7倍最小液气比
校正液体流速 2.78220/s
压降 6867 Pa
惰性气体流量 234.599kmol/h


             2 填料塔设计数据一览
E—亨利系数,    
—气体的粘度,1.73=6228 
 —平衡常数   0.7532            
—水的密度和液体的密度之比  1
 —重力加速度,  9.81 =1.27        
—分别为气体和液体的密度,1.1836;998.2;
 =5358.89572㎏/h   =7056.6kg/h—分别为气体和液体的质量流量
—气相总体积传质系数, 
—填料层高度,                
—塔截面积,
—气相总传质单元高度,       
—气相总传质单元数
—以分压差表示推动力的总传质系数,
—单位体积填料的润湿面积
  100
 91.7%
—以分压差表示推动力的气膜传质系数,
—溶解度系数,0.725
—以摩尔浓度差表示推动力的液摩尔传质系数,
—气体常数,
—氨气在空气中中的扩散系数及氨气在水中的扩散系数; 

液体质量通量为: =WL/0.785×0.8×0.8=10666.5918kg/(㎡?h)
气体质量通量为: =60000×1.1761/0.64=14045.78025kg/(㎡?h)

3 参考文献
[1] 夏清.化工原理(下)[M]. 天津:天津大学出版社, 2005.
[2] 贾绍义,柴诚敬. 化工原理课程设计[M]. 天津:天津大学出版社, 2002.
[3] 华南理工大学化工原理教研室著.化工过程及设备设计[M].广州: 华南理工大学出版社, 1986.
[4] 周军.张秋利 化工AutoCAD制图应用基础 。北京. 化学工业出版社。


4 后记及其他 
  1、通过本次课程设计,使我对从填料塔设计方案到填料塔设计的基本过程的设计方法、步骤、思路、有一定的了解与认识。在课程设计过程中,使我加深了对课本知识的认识,也巩固了所学到的知识。此次课程设计按照设计任务书、指导书、技术条件的要求进行。同学之间相互讨论,整体设计基本满足使用要求,但是在设计指导过程中也发现一些问题,发现自己的基础知识不牢。。
  2、 本次设计得到很多老师的指导,特别感谢化工原理——李卫宏老师、化工热力学——刘海燕老师、化工制图——张浩老师、化工工艺——钱慧娟,苏州利盛化工设备有限公司----徐建国老师等帮助。

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