化工原理课程设计之清水吸收填料吸收塔设计(共23页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上 一 2.2吸收剂用量及操作线的确定72.3物性参数 92.4 塔径的计算122.7 填料层的高度.162223 前言根据混合气体中个组分在某溶液溶剂中的溶解度不同而将气体混合物分离的操作称为气体吸收，而吸收又是塔设备中的单元操作，属于气液传质过程。化工生产中有些气体直接排出会造成大气的污染或者原料的浪费，为此出于对环境的保护和经济性两方面的考虑，在很多场合需要对混合气体的吸收处理。本说明书介绍的是清水吸收混合气中氨的原理，操作过程。主要介绍了填料塔的设计、填料层的高度。填料塔是气液呈连续接触的气液传质设备，它的结构和安装比板式塔简单。塔的底部都有支撑板用来支撑填料，并允许气液通过。支撑板上的填料有整齐和乱堆两种方式。填料层的上方有液体分布装置，从而使液体均匀喷洒于填料层上。在塔的设计中，填料的选择至关重要，它关系到塔的高度，整个操作的费用的高低、经济效益等。在一个吸收的单元操作中应该充分考虑填料、塔高等方面的选择与计算，这才能使塔的效率最高，收益最大。关键词：吸收、塔、填料 一、清水吸收填料吸收塔的设计拟定1概述气体吸收是利用气体在液体中的溶解度差异来分离气态均相混合物的一种单元操作。用于吸收的设备类型很多，如我们常见的填料塔、板式塔。填料塔是气液成连续性接触的气液传质设备。塔的底部有支撑板用来支撑填料，并允许气液通过。支撑板上的填料有整砌和乱堆两种方式。填料层的上方有液体分布装置，从而使液体均匀喷洒于填料层上。当填料层较高时就可以通过分段来减少“壁流”现象的影响。2.设计方案的确定2.1设备方案填料塔具有结构简单、容易加工、生产能力大、压降小、吸收效果好、操作弹性大等优点，所以在工业吸收操作中被广泛应用。在本次课设中，要求用清水吸收氨气，且氨气含量较高，故选用填料塔。2.2 流程方案由于氨气属于易溶气体，设计条件中氨气含量较高，逆流操作适用于平均推动力大的吸收，吸收剂利用率高，完成一定分离任务所需的传质面积小，故选为逆流操作。但吸收剂用量特别大时，逆流容易引起液泛，所以需要通过调节液体流量来控制。根据设计任务书选用清水作为吸收剂。由于是逆流操作，需要泵将水抽到塔顶，因泵输送的是清水，所以只需选用满足工艺要求的普通水泵。气体则需选用风机。泵和风机一个型号需配置两台，供替换使用。实际操作中的流量计和压力表等也需要考虑出现问题以后不影响正常工作。2.3 吸收剂的选择本次课设的题目中，已给出吸收剂清水，对于吸收空气氨气混合气体选用清水有如下优点： 1. 溶解度大； 2选择性好； 3. 挥发度低； 4. 吸收剂具有较低的黏度，且不易产生泡沫； 5. 对设备腐蚀性小，无毒；6. 价廉、易得、化学稳定性好，便于再生，不以燃烧。2.4填料的选择填料的选择要根据以下几个方面来考虑： 1. 比表面积要大；2. 能提供大的流体通量；3. 填料层的压降小；4. 填料的操作性能好；5. 液体的再分布性能要好；6. 要有足够的机械强度；7. 价格低廉。二、 工艺计算整个工艺计算过程包括以下几点： 1. 确定气液平衡关系2. 确定吸收剂用量及操作线方程3. 准备计算所需的物性参数4. 填料的选择以及确定塔径及塔的流体力学性能计算5. 填料层高度的计算（一）平衡关系的确定由于原料气组成中，氨气占45%，含量较高，用清水吸收时会产生明显的热效应，使塔内温度显著升高，对气液平衡关系和吸收速度产生明显影响，属于非等温吸收。在逆流吸收塔中气液平衡关系是温度的函数，温度升高，平衡关系便要改变，所以，在这种情况下不能再利用亨利定律，应重新按照非等温吸收的热衡算，根据液相浓度和温度的变化情况，定出实际的平衡关系。非等温吸收的热效应主要包括：吸收质与吸收剂混合时产生的混合热，即溶解热。气体溶解时由气态转变为液态时放出的潜热。化学反应热。物理吸收计算中只考虑溶解热，溶解热分为积分溶解热和微分溶解热。在吸收过程中所用的吸收剂量很大，液相浓度一般变化较小，于是混合热可考虑为微分溶解热。在假定非等温吸收的平衡关系时，为简化计算，通常做如下三点假设：忽略热损失。忽略吸收剂带走的热量。忽略气相带走的热量。以上假设使溶解热全部用来液体温度升高。在给定的设计条件中得知，要设计的是高浓度气体的非等温吸收。由塔顶到塔底的浓度及温度变化较大，平衡关系的确定常采用近似法。在液相浓度范围0-0.1内平均分为20份，浓度变化为=0.005。根据课程设计书中的推导过程及公式则有 H =349006250x（kJ/kmol） （2-1） t = t + (x-x) = t + x （2-2）式中：， 第i段两端的液相温度，； 第i段两端的液相浓度差； 溶液流率，kmol/h(由于x很小，L可视为常数) 溶液的平均比热(kJ/kmol·K)H 溶质的微分溶解热，kJ/Kmol(可取x与x间的平均值)在非等温吸收操作中，吸收塔内液相的浓度和温度分别由塔顶处的，增加到塔底处的，。在此液相浓度和温度范围内，随着和t的变化，气液两相的平衡关系也在改变，即不同温度对应着不同的平衡曲线。实际平衡关系可由温度与浓度的关系得到，也可由经验公式来确定。对于氨气和水溶液的平衡物系，若选用经验公式，可作如下计算： lg P = 1.1 lg x - + 8.92 （2-3）式中： 氨在水溶液中的摩尔分率 T 溶液的温度， K P 溶液上方氨的平衡风压 ，Hg由于是常压下吸收，气相可是为理想气体，按道尔顿分压定律，计算与x相平衡的y： = （2-4）式中：P 操作压强，mmHg应用以上公式计算所需数据列于下表:H(kJ/kmol)H(kJ/kmol)t()T(K)p(mmHg)03490025298.15000.00534868.7534884.37527.31300.463.6680.005460.01034837.534853.12529.62302.778.7100.012970.01534806.2534821.87531.93305.0815.0490.022410.0203477534790.62534.24307.3922.8030.033960.02534743.7534759.37536.54309.6932.1290.047850.03034712.534727.12538.84311.9943.2190.064360.03534681.2534696.87541.14314.2956.2820.083810.0403465034665.62543.44316.5971.5480.106550.04534618.7534634.37545.74318.8989.2790.132950.05034587.534603.12548.03321.18109.7010.163360.05534556.2534571.87550.32323.47133.1370.198270.0603452534540.62552.61325.74159.9240.238160.06534493.7534509.37554.90328.05190.3930.283530.07034462.534478.12557.19330.34224.9240.334950.07534431.2534446.87559.47332.62263.8200.392880.0803440034415.62561.75334.90307.5800.458040.08534368.7534384.37564.03337.18356.6000.531130.09034337.534353.12566.31339.46411.5480.612870.09534306.2534321.87568.59341.74472.7630.704030.1003427534290.62570.86344.01540.6780.80517 根据计算结果，以为横坐标，为纵坐标，在坐标纸上绘出非等温吸收的平衡关系曲线。由、关系，代入=0.45，0.0468对下表数据内插求得、0.02000250.0750.0800.033960.047850.392880.45804=0.07938，=0.0246（二）吸收剂用量及操作线的确定（1） 吸收剂用量的确定最小吸收剂用量 （2-5） （2-6）式中： V 惰性气体摩尔流率，Kmol/h 最小吸收剂用量 ,Kmol/h Y,X 气相和液相组成摩尔比：=； =； ； 下标： 1塔底 ； 2塔顶吸收剂用量 由设计任务书知氨气体积分率为45%，空气的体积分率55% ；原料气温度35 ；吸收率不低于 94%；吸收剂为25地下水；操作压力为89590Pa,个参数计算过程如下：由道尔顿分压定律知 = 45% =0.45 所以Y= 0.8182由回收率为94%得 Y= Y(1-94%)=0.0491 所以=0.0468因为所选用的吸收极为清水，所以x=X=0对表中数据采用插法求，结合数据表代入=0.45知0.01750.0800.39288= 0.450.45804采用内插法得=0.0794所以X= =0.0862 所以=8.9223因为V=109.75kmol/h取液气比为最小液气比的1.5倍得=8.9223×1.5=13.3835，代入V值得：L=1468.84kmol/h所以=13.3835，将上面求的的Y=0.8182， Y=0.0491，X=0代入解得：X=0.0576 代入公式 =0.0545（2） 操作线方程的确定对于高浓度的气体吸收，溶质含量一般用摩尔分率来表示。于是高浓度气体的逆流吸收，其操作线方程为： =×+代入以上公式所需要的数据得到操作线方程为：=13.3835×+0.0473由以上操作线方程可得如下操作线的坐标：00.0050.0100.0150.0200.0250.0300.0350.0400.0450.045160.102780.154320.200710.242670.280820.315640.347340.376930.404030.0500.0550.0600.0650.0700.0750.0800.0850.0900.0950.1000.429120.452430.474120.494360.513300.531050.547730.563430.578280.592200.60542代入由=0.45，0.0468与的关系内插求得的=0.0794，=0.0246到操作线方程解得操作关系=0.54572，0.27789根据如上数据以为横坐标，为纵坐标可绘得操作线，且将操作线和平衡线绘制到同一张坐标纸上。（三）物性参数（1）操作温度（定性温度） = 其中为塔顶温度由设计任务书已知为25，需要从计算的平衡关系得到的的数据中内插求出，其值为所对应的温度。0.0500.05450.05548.0350.32内插求的=50.09所以 =37.545 =37.545+273.15=310.695K(2)物性参数的确定气相的物性参数1. 分子量 因为=17，=29代入、得到=23.6kg/kmol , =28.4384kg/kmol所以26.02kg/kmol2. 氨在空气中的扩散系数由公式,其中已知=89590 ， 定性温度=310.695K代入数据解得=023cm/s3.混合气体的粘度已知公式：= ，混合气体的平均粘度查课本得：=0.918×10,代入数据得：=1.417,所以=1.5594.混合气体的密度由1中求得的分子量26.02kg/kmol，结合理想气体的密度计算公式：,其中,=273.15K,为定性温度，为操作压强，代入数据解得：=0.9029kg/m5.操作温度下氨的溶解度查化工工艺设计手册，对定性温度下的氨的溶解度插值得如下数据：温度（）3037.54540溶解度（g/g）40.3S30.7对以上数据内插求的氨的溶解度S=33.0568g/g液相的物性参数1.液体的平均粘度先用公式求得塔顶和塔底的质量百分比浓度、，代入=0.0545，=0，=17kg/kmol，=19kg/kmol,解得：=0.0516，=0所以=0.0258=2.58%根据查图求得=7.5×10=7.3592.氨在水中的扩散系数=7.4其中，=7.5×10=7.359代入数据解得0.11883. 氨水的表面张力查化工工艺设计手册表中只有20氨水的值，用1.中的插值求出氨水20下表面张力=70.70，用水的表面张力随温度的变化，估算操作温度下氨水的表面张力： 项目温度 水的表面张力()2072.437.5454068.9为操作温度下水的表面张力，由内插求得；为20水的表面张力，其值分别为=68.89，=72.40解得：67.194.氨水的比热已求的氨水的质量分水为2.58%，操作温度为37.545，计算氨水的摩尔分数为2.728%，经三次内插法求的氨水的比热容为：1.00981.0098×4186.8 = 4227.831查的数据如下表氨水比热容摩尔分数%温度20.6410.01.00.995810.50.9951.065.氨水的密度=，代入数据结算出平均密度查图得氨水的密度0.982=982（四）填料的选择与塔径的计算填料的选取包括确定其种类、规格、及材质等（1）填料的种类颗粒填料包括拉西环、鲍尔环、阶梯环等；规整填料主要有波纹填料、格栅填料、绕卷填料等。（2）填料的尺寸与塔径的计算径比D/d有一个下限值（一般为10），若径比低于此下限值时，塔壁附近的填料层空隙率大而不均匀，气流易走短路、液体壁流加剧。塑料材质的主要有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等，其特点是耐腐蚀性能好，质量轻，价格适中，但耐温性及湿润性较差。金属材质有碳钢、铝铝和铝合金等，多用于操作温度较高而无显著腐蚀性的操作。陶瓷材质的材料耐腐蚀性较好，、耐湿性强，价格便宜，但易破损。在此设计中是常压，温度较低，但氨的含量较大，氨水浓度将较高，为此选取的两种陶瓷材质的填料特性见下表：填料种类规 格(mm)比表面积a(m/m)空隙率填料个N(/m)堆密度(kg/m)填料因子陶瓷拉西环50×50×4.5 930.816×10457205陶瓷鲍尔环50×50×4.51100.816×10457130塔底气体流量：=塔顶气体流量：=115.14所以=157.345=1.259（其中各参数与上面数值相同）计算泛点气速：塔顶液相质量流量7.3442塔底液相质量流量=7.7428所以=7.5435塔顶气相质量流量=0.9096塔底气相质量流量1.3082所以1.1089因为0.9029，982，0.7359=993，对于拉西环=205，对于鲍尔环=13002152，由通用关联图查的得=0.088代入数据解得拉西环2.19，鲍尔环2.76取速度为液泛速度的0.7倍得拉西环=1.533鲍尔环=1.929塔径计算：对于拉西环1.023圆整为1.1对于鲍尔环0.912圆整为1因为所以对于拉西环=1.325，=0.61，在容许的范围内；对于鲍尔环=1.604，=0.582，在容许的范围内。由通用关联图查得拉西环=0.033，鲍尔环=0.03，它们的单位压降分别为362.97和304.11，均在容许的操作范围内。 综上可知相同的瓷质拉西环和鲍尔环相比较其泛点气速较低，单位高度压降较大，所以显然鲍尔环的性能优于拉西环，所以填料选用瓷质鲍尔环。 通用关联图（五）喷淋密度的核算填料塔中气液两相间的传质主要是在填料表面流动的液膜上进行的。要形成液膜，填料表面必须被液体充分润湿，而填料表面的润湿状况取决于塔内的液体喷淋密度及填料材质的表面润湿性能。液体喷淋密度是指单位塔截面积上，单位时间内喷淋的液体体积，以U表示，单位为m3/(m2·h)。为保证填料层的充分润湿，必须保证液体喷淋密度大于某一极限值，该极限值称为最小喷淋密度，以Umin表示。式中 Umin最小喷淋密度，m3/m2s (LW)min 最小润湿速率，m3/m·s 填料的比表面积，m2/m3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。其值可由经验公式计算，也可采用经验值。对于直径不超过75mm的散装填料，可取最小润湿速率(LW)min为0.08 m3/（m·h）；对于直径大于 75mm的散装填料，取(LW)min =0.12 m3/（m·h）。因为所选用的填料为直径50mm鲍尔环(LW)min=0.08 =110 D =1.0m 显然>， 所以合格。（六）填料层高度（1）传质系数的计算1有效面积（润湿面积） （2-13）式中：单位体积填料的总表面积，/ t单位体积填料的总表面积，/ 液体的表面张力， c填料材质临界表面张力， ，由化工原理课程设计中查得陶瓷c=61×10-3 液体通过塔截面的质量流率， 液相粘度， 液气相密度， / g 重力加速度, 其中=110/，=67.19×10，c=61×10，=9.61，=7.359×10，=982 /，g=9.81.代入数据解得: =79.36/2 气相传质系数的计算 由于氨水是易容气体，属于气膜控制，无需计算液相传质系数。气相传质系数的计算式：= （2-14）式中：系数，一般环形填料和鞍形填料为5.23，小于15的填料为2.00气体常数，8.314 气体温度， 溶质在气相中的扩散系数， 气体通过空塔截面的质量流率， 气体粘度， 气体密度， / 已知，=0.23/=2.3，=1.41，=1.559，=0.9092 /代入数据解得2.12所以=1.90，其中=89.590。所以=0.47传质单元数的计算，对于该函数值通过直接积分难以求得，故在此处选用图解积分法求取其函数值。即以、为横坐标，为纵坐标作图，曲线所围成的面积即为其函数值。其中，将从0到0.100分为20段取值（且代入塔底、塔顶的气体摩尔分数，即、）并令=，由平衡线、操作线图读取数据得如下表格：0.04680.102780.154320.200710.242670.2808222.643310.73307.650696.5.423264.955140.315640.347340.36930.404030.429120.454.672204.517504.452904.474934.583004.76由以上数据作图利用图解法得传质单元总数2.793填料层高度填料层高度计算涉及物料衡算、传质速率和相平衡关系。对于整个吸收塔，气、液的浓度分布都沿塔高变化，吸收速率也在变化。所以要在全塔范围应用吸收速率关系式，就要采用微分方法，然后积分得到填料层的总高度。 选取传质单元数法求解填料层高度。原料气组成中氨气含45%，属于高浓度气体的吸收。气液流率沿塔高变化明显，溶液热效应大，气液温度升高，平衡线斜率也将沿塔高改变。气液相吸收分系数并非常数，总吸收系数变化更为显著，高浓度气体的吸收填料层高度可用如下公式计算=0.472.79=1. 三 结果评价3.1.填料的确定及论证根据前一章对所选两种填料进行各方面的计算分析，我们将在这一节根据计算结果确定所用填料。保证工艺计算流程及数据误差在合理范围内的前提下，引起误差的原因与所选填料种类、在计算过程中选择的参数有关。根据工艺条件设计出的填料塔的主要参数如表3-1所示：表3-1 设计的填料塔数据题 目清水吸收填料塔吸收的设计流程布置逆流操作气液平衡关系非等温吸收塔高1.53m塔径0.9m填料瓷质鲍尔环填料3.2.逆流的确定及论证根据前面计算知清水吸收氨的吸收剂用量不大，一般不会引起液泛，所以选用逆流操作。逆流操作适用于平均推动力大的吸收，吸收剂利用率高，完成一定分离任务所需的传质面积小 数据汇总表表吸收塔的吸收剂用量计算总表意义及符号结果混合气体处理量G4470Nm3/h进塔气相摩尔分率y10.45出塔气相摩尔分率y20.0468进塔液相摩尔分率x10.0545最小液气比（L/V）min8.9223混合气体的密度0.9029kg/m3混合气体的粘度吸收剂用量L1468.84kmol/h表塔设备计算总表意义及符号结果塔径D1 m填料层高Z1.311m气相总传质单元高度 0.47 m气相总传质单元数2.79m表填料计算总表意义及符号结果填料直径dp50mm空隙率0.81填料比表面积a110m2/m3填料因子130 m-1主要符号说明1、英文字母 填料层的有效传质比表面积（m²/m³）填料层的润滑比表面积m²/m³填料当量直径，mm填料直径，mm；亨利系数，KPa扩散系数，m²/s； 塔径;溶解度系数，kmol /(m³.KPa)重力加速度，kg/(m².h)液相传质单元高度，m气相传质单元高度 ，m液相总传质单元高度，m气相总传质单元高度，m吸收液质量流速kg/(m².h)气膜吸收系数, kmol /(m³.s.KPa);液相传质单元数，无因次液体喷淋密度; 液相总传质系数，无因次气相传质单元数，无因次分压，KPa气相总传质系数，无因次空塔速度，m/s总压，KPa惰性气体流量，kmol/s气体通用常数，kJ/(kmol.K)液膜吸收系数 ，kmol/(m2.s.kmol/m3)液泛速度，m/s气相总吸收系数kmol/(m².s)混合气体体积流量，m3/s;气相总吸收系数，kmol/(m2.s.kpa)气膜吸收系数，kmol/(m2.s)吸收剂用量kmol/h; kmol/s是吸收液量 kmol/h吸收液质量流量kg/h；吸收液流量，m³/s2、下标液相的 气相的1塔底 2塔顶x溶质组分在液相中的摩尔分率 无因次X溶质组分在气相中的摩尔比 无因次y溶质组分在液相中的摩尔分率 无因次Y溶质组分在气相中的摩尔比 无因次Z填料层高度 m Zs填料层分段高度 mmin最小的max最大的3.希腊字母粘度 Pa.s密度 kg/m3表面张力 N/m 学习心得 课程设计是一个从课本学习向工作的一个跨越过程，在课程设计的过程中我们遇到许多课本中没有遇到的问题。因为不能很好的把理论联系起来，犯了很多的错误，并且在反复修改的过程中也有所毛躁，因此在过程中得到了很多人的帮组。所以在此要感谢指导老师的谆谆教诲、尽心知道，同学们的帮组。课设是一个短暂而又漫长的过程，我们不断地在有限的时间和反复的修正中去完成自己的任务。获得的成果是老师的指导、同学的帮组、自己的努力所得到得结晶，为此在课程的完成之际我有着发自内心的快乐。不仅是完成了任务，更是对自己劳动所得成果的欣慰。纵使我所得到得成果或许有所缺陷，但他将是我走向未来工作的一种历练，将会成为大学中、人生中的一比财富。在课程设计的彼此帮组中我再次明白了一个真理：彼此的帮组和自己的不断努力将可以战胜一切困难！这将使我在以后的生活和工作会更加的注重彼此帮组和自我努力的一致性，只有相互的协同才能更好的战胜困难，更快的解决问题；只有自己的不断努力才能将各种理论化为实践！不论是学习、工作、生活这将都是不变的真理。为此这次课程设计不只是学习的一个环节，更是人生的重要一课。最后感谢学校、学院的课程开设，老师的尽心指导，同学们的热情帮组。参考文献1国家医药管理局上海医药设计院，化工工艺设计手册（上、下册），第一版，化学工业出版社, 2化学工程手册编辑委员会，化学工程手册(第1,12,13篇)，第一版，化学工业出版社3 柴成敬、张国亮主编，化工流体流动与传热化学工业出版社4 柴成敬、张国亮主编，化工传质与分离过程化学工业出版社5 高俊主编，化工原理课程设计内蒙古大学出版社6 氮肥工艺设计手册理化数据石油化学工业出版社专心-专注-专业