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        吸收塔設計

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        吸收塔設計

        發布日期:2018-11-19 00:00 來源:http://www.vhdrecoverytool.com 點擊:

        目   錄
        第一節 前言 5
        1.1 填料塔的主體結構與特點 5
        1.2 填料塔的設計任務及步驟 5
        1.3 填料塔設計條件及操作條件 5
        第二節 填料塔主體設計方案的確定 6
        2.1 裝置流程的確定 6
        2.2   吸收劑的選擇 6
        2.3填料的類型與選擇 6
        2.3.1 填料種類的選擇 6
        2.3.2 填料規格的選擇 6
        2.3.3 填料材質的選擇 7
        2.4  基礎物性數據 7
        2.4.1  液相物性數據 7
        2.4.2  氣相物性數據 7
        2.4.3  氣液相平衡數據 8
        2.4.4  物料橫算 8
        第三節 填料塔工藝尺寸的計算 9
        3.1 塔徑的計算 9
        3.2 填料層高度的計算及分段 10
        3.2.1 傳質單元數的計算 10
        3.2.3 填料層的分段 12
        3.3 填料層壓降的計算 12
        第四節 填料塔內件的類型及設計 13
        4.1 塔內件類型 13
        4.2 塔內件的設計 13
        4.2.1  液體分布器設計的基本要求: 13
        4.2.2  液體分布器布液能力的計算 13
        注: 14
        1填料塔設計結果一覽表 14
        2 填料塔設計數據一覽 14
        3 參考文獻 15
        4 后記及其他 16
        附件一:塔設備流程圖 16
        附件二:塔設備設計圖 17

        大慶師范學院本科學生
        化工原理課程設計任務書
        設計題目                          苯和氯苯的精餾塔塔設計                            
        系(院)、專業、年級          化學化工學院、化學工程與工藝專業、08級化工四班           
        學 生 姓 名                                               學號                         
        指導教師姓名                                              下發日期                   
        任務起止日期:       2010 年日6 月 21 日  至  2010 年  7 月  20
        設計條件:
        氣體混合氣成分: 空氣和氨;
        進塔混合氣含氨量:6.0%(體積分數); 
        混合氣體流量:6000;
        回收率:99%。
        操作條件:
        操作溫度:293 K;
        混合氣體壓力:101.3Pa;


        設計任務:
           完成填料吸收塔的工藝設計,填料的選擇及有關附屬設備的設計,繪制塔填料吸收塔工藝流程圖、設備圖,編寫設計說明書。
           
        任務下達人(簽字) 
        教研室主任:
        年    月    日
        任務接受人(簽字) 

        前言
        填料塔的主體結構與特點
           結構:

        圖1-1 填料塔結構圖
           填料塔不但結構簡單,且流體通過填料層的壓降較小,易于用耐腐蝕材料制造,所以她特別適用于處理量肖,有腐蝕性的物料及要求壓降小的場合。液體自塔頂經液體分布器噴灑于填料頂部,并在填料的表面呈膜狀流下,氣體從塔底的氣體口送入,流過填料的空隙,在填料層中與液體逆流接觸進行傳質。因氣液兩相組成沿塔高連續變化,所以填料塔屬連續接觸式的氣液傳質設備。
        填料塔的設計任務及步驟
           設計任務:用水吸收空氣中混有的氨氣。
            設計步驟:(1)根據設計任務和工藝要求,確定設計方案;
                (2)針對物系及分離要求,選擇適宜填料;
                (3)確定塔徑、填料層高度等工藝尺寸(考慮噴淋密度);
                (4)計算塔高、及填料層的壓降;
                (5)塔內件設計。
        填料塔設計條件及操作條件
           1. 氣體混合物成分:空氣和氨
           2. 空氣中氨的含量: 6.0%  (體積含量即為摩爾含量)
           3. 混合氣體流量6000m3/h
           4. 操作溫度293K
           5. 混合氣體壓力101.3KPa
           6. 回收率99 %
           7. 采用清水為吸收劑
           8. 填料類型:采用聚丙烯鮑爾環填料
                 第二節 精餾塔主體設計方案的確定
         裝置流程的確定
           本次設計采用逆流操作:氣相自塔低進入由塔頂排出,液相自塔頂進入由塔底排出,即逆流操作。
           逆流操作的特點是:傳質平均推動力大,傳質速率快,分離效率高,吸收劑利用率高。工業生產中多采用逆流操作。
        2.2   吸收劑的選擇
           因為用水做吸收劑,故采用純溶劑。
        2-1 工業常用吸收劑
        溶質 溶劑 溶質 溶劑
        氨 水、硫酸 丙酮蒸汽 水
        氯化氫 水 二氧化碳 水、堿液
           二氧化硫 水 硫化氫 堿液、有機溶劑
        苯蒸汽 煤油、洗油 一氧化碳 銅氨液
        2.3填料的類型與選擇
           填料的種類很多,根據裝填方式的不同,可分為散裝填料和規整填料兩大類。
        2.3.1 填料種類的選擇
           本次采用散裝填料。散裝填料根據結構特點不同,又可分為環形填料、鞍形填料、環鞍形填料及球形填料等。鮑爾環是目前應用較廣的填料之一,本次選用鮑爾環。
          2.3.2 填料規格的選擇
           工業塔常用的散裝填料主要有Dn16Dn25Dn38 Dn76等幾種規格。同類填料,尺寸越小,分離效率越高,但阻力增加,通量減小,填料費用也增加很多。而大尺寸的填料應用于小直徑塔中,又會產生液體分布不良及嚴重的壁流,使塔的分離效率降低。因此,對塔徑與填料尺寸的比值要有一規定。
        常用填料的塔徑與填料公稱直徑比值D/d的推薦值列于。
        表3-1
        填料種類 D/d的推薦值
        拉西環 D/d20~30
        鞍環 D/d15
        鮑爾環 D/d10~15
        階梯環 D/d>8
        環矩鞍 D/d>8
        2.3.3 填料材質的選擇
        工業上,填料的材質分為陶瓷、金屬和塑料三大類
        聚丙烯填料在低溫(低于0度)時具有冷脆性,在低于0度的條件下使用要慎重,可選耐低溫性能良好的聚氯乙烯填料。
           綜合以上:選擇塑料鮑爾環散裝填料 Dn50
        2.4  基礎物性數據
        2.4.1  液相物性數據
           對低濃度吸收過程,溶液的物性數據可近似取純水的物性數據。由手冊查得 20 ℃水的有關物性數據如下:
           1.  
           2.  
           3.  表面張力為:
           4.  
           5.  
           6.  
        2.4.2   氣相物性數據
        1. 混合氣體的平均摩爾質量為
                 (2-1)
        2.  混合氣體的平均密度
          由                    (2-2)
             R=8.314 
        混合氣體黏度可近似取為空氣黏度。查手冊得20時,空氣的黏度
          
          注: 1 1Pa..s=1kg/m.s
        2.4.3  氣液相平衡數據
        由手冊查得,常壓下,20時,NH在水中的亨利系數為 E=76.3kpa
        在水中的溶解度: H=0.725kmol/m
                  相平衡常數:                     (2-3)
                      溶解度系數:              (2-4)             
          2.4.4 物料橫算
        1.  進塔氣相摩爾比為
                                         (2-5)                 
        2. 出他氣相摩爾比為 
                             (2-6)      
        3.  進塔惰性氣體流量:    (2-7)    因為該吸收過程為低濃度吸收,平衡關系為直線,最小液氣比按下式計算。即:
                                                 (2-8)
        因為是純溶劑吸收過程,進塔液相組成
        所以  
           選擇操作液氣比為                      (2-9)
        L=1.2676356×234.599=297.3860441kmol/h
        因為V(Y1-Y2)=L(X1-X2)   X1
                   第三節 填料塔工藝尺寸的計算
        填料塔工藝尺寸的計算包括塔徑的計算、填料能高度的計算及分段
        3.1 塔徑的計算
        1. 空塔氣速的確定——泛點氣速法
          對于散裝填料,其泛點率的經驗值u/u=0.5~0.85
           貝恩(Bain)—霍根(Hougen)關聯式 ,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:
           ——泛點氣速,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)               
           圓整塔徑后 D=0.8m
           1. 泛點速率校核: m/s
                           
               則在允許范圍內
           2. 根據填料規格校核:D/d=800/50=16根據表3-1符合
           3. 液體噴淋密度的校核:
           (1) 填料塔的液體噴淋密度是指單位時間、單位塔截面上液體的噴淋量。
           (2) 最小潤濕速率是指在塔的截面上,單位長度的填料周邊的最小液體體積流量。對于直徑不超過75mm的散裝填料,可取最小潤濕速率。
                                    (3-3)
                      (3-4)
           經過以上校驗,填料塔直徑設計為D=800mm 合理。
        3.2 填料層高度的計算及分段
                                 (3-5)
                                                            (3-6)   
        3.2.1 傳質單元數的計算
        用對數平均推動力法求傳質單元數
                                                     (3-7)
                                               (3-8)
                =
                =0.006895
            
           3.2.2  質單元高度的計算
           氣相總傳質單元高度采用修正的恩田關聯式計算:
                (3-9)


           即:αw/αt =0.37404748
           液體質量通量為: =WL/0.785×0.8×0.8=10666.5918kg/(㎡?h) 
           氣體質量通量為:   =60000×1.1761/0.64=14045.78025kg/(㎡?h)
           氣膜吸收系數由下式計算:
                                   (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)
           液膜吸收數據由下式計算:
                                   (3-11)
            =0.566130072m/h
           因為
           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
           因為: =0.8346
           所以需要用以下式進行校正:
                                        (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 填料層的分段
           對于鮑爾環散裝填料的分段高度推薦值為h/D=5~10。
           h=5×800~10×800=4~8 m
          計算得填料層高度為7000mm,,故不需分段
        3.3 填料層壓降的計算
           取 Eckert (通用壓降關聯圖);將操作氣速(=2.8886m/s) 代替縱坐標中的查表,DG50mm塑料鮑爾環的壓降填料因子=125代替縱坐標中的.
           則縱標值為:
           =0.1652                                     (3-19)
            橫坐標為:
                                        =0.02606                                         (3-20)
           查圖得
                           981Pa/m                               (3-21)
           全塔填料層壓降  =981×7=6867 Pa
           至此,吸收塔的物科衡算、塔徑、填料層高度及填料層壓降均已算出。


        填料塔內件的類型及設計
        4.1 塔內件類型
           填料塔的內件主要有填料支撐裝置、填料壓緊裝置、液體分布裝置、液體收集再分布裝置等。合理的選擇和設計塔內件,對保證填料塔的正常操作及優良的傳質性能十分重要。
        4.2 塔內件的設計
             4.2.1  液體分布器設計的基本要求:
                   (1)液體分布均勻
                    (2)操作彈性大
                    (3)自由截面積大
               (4)其他
          4.2.2 液體分布器布液能力的計算
               (1)重力型液體分布器布液能力計算
                (2)壓力型液體分布器布液能力計算
        注:(1)本設計任務液相負荷不大,可選用排管式液體分布器;且填料層不高,可不設液體再分布器。    
           (2)塔徑及液體負荷不大,可采用較簡單的柵板型支承板及壓板。其它塔附件及氣液出口裝置計算與選擇此處從略。
                                            
        注:
                    1填料塔設計結果一覽表
        塔徑 0.8m
        填料層高度 7m 
        填料規格 50mm鮑爾環
        操作液氣比 1.2676356  1.7倍最小液氣比
        校正液體流速 2.78220/s
        壓降 6867 Pa
        惰性氣體流量 234.599kmol/h


                     2 填料塔設計數據一覽
        E—亨利系數,    
        —氣體的粘度,1.73=6228 
         —平衡常數   0.7532            
        —水的密度和液體的密度之比  1
         —重力加速度,  9.81 =1.27        
        —分別為氣體和液體的密度,1.1836;998.2;
         =5358.89572㎏/h   =7056.6kg/h—分別為氣體和液體的質量流量
        —氣相總體積傳質系數, 
        —填料層高度,                
        —塔截面積,
        —氣相總傳質單元高度,       
        —氣相總傳質單元數
        —以分壓差表示推動力的總傳質系數,
        —單位體積填料的潤濕面積
          100
         91.7%
        —以分壓差表示推動力的氣膜傳質系數,
        —溶解度系數,0.725
        —以摩爾濃度差表示推動力的液摩爾傳質系數,
        —氣體常數,
        —氨氣在空氣中中的擴散系數及氨氣在水中的擴散系數; 

        液體質量通量為: =WL/0.785×0.8×0.8=10666.5918kg/(㎡?h)
        氣體質量通量為: =60000×1.1761/0.64=14045.78025kg/(㎡?h)

        3 參考文獻
        [1] 夏清.化工原理(下)[M]. 天津:天津大學出版社, 2005.
        [2] 賈紹義,柴誠敬. 化工原理課程設計[M]. 天津:天津大學出版社, 2002.
        [3] 華南理工大學化工原理教研室著.化工過程及設備設計[M].廣州: 華南理工大學出版社, 1986.
        [4] 周軍.張秋利 化工AutoCAD制圖應用基礎 。北京. 化學工業出版社。


        4 后記及其他 
          1、通過本次課程設計,使我對從填料塔設計方案到填料塔設計的基本過程的設計方法、步驟、思路、有一定的了解與認識。在課程設計過程中,使我加深了對課本知識的認識,也鞏固了所學到的知識。此次課程設計按照設計任務書、指導書、技術條件的要求進行。同學之間相互討論,整體設計基本滿足使用要求,但是在設計指導過程中也發現一些問題,發現自己的基礎知識不牢。。
          2、 本次設計得到很多老師的指導,特別感謝化工原理——李衛宏老師、化工熱力學——劉海燕老師、化工制圖——張浩老師、化工工藝——錢慧娟,蘇州利盛化工設備有限公司----徐建國老師等幫助。

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