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1、化工原理课程设计-填料吸收塔设计(水吸收氨气)一、精馏塔主体设计方案的确定1.1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。1.2 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1.3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。1.3.1 填料种类的选择本次采
2、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、环鞍形填料与球形填料等。鲍尔环是目前应用较广的填料之一,本次选用鲍尔环。1.3.2 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与严重的壁流,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/d2030鞍环D/d15鲍尔环D/d1015阶梯环D/d8环矩鞍D/d
3、81.3.3 填料材质的选择工业上,填料的材质分为瓷、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 Dn501.4 基础物性数据1.4.1 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. 表面力为:4. 5. 6. 1.4.2 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=8.3143. 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 1P
4、a.s=1kg/m.s2.4.3 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) 1.4.4 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=1.2676356234.599=297.3860441kmol/h因为V(Y1-Y2)=L(X1-X
5、2) X1第二节 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、填料能高度的计算与分段2.1 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=0.50.85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)=0.246053756UF=3.974574742m/s其中:泛点气速,m/s;g 重力加速度,9.81m/sWL=5358.89572/h WV=7056.6kg/hA=0.0942; K=1.75;取u=0.7 =2.78220m/s (3-2) 圆整塔径后
6、 D=0.8m1. 泛点速率校核: m/s则在允许围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。2.2 填料层高度的计算与分段 (3-5) (3-6) 2.2.1 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) = =0.0068952.2.2 质单元高度
7、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:w/t =0.37404748液体质量通量为: =WL/0.7850.80.8=10666.5918kg/(h)气体质量通量为: =600001.1761/0.64=14045.78025kg/(h)气膜吸收系数由下式计算: (3-10) =0.237(14045.78025100.622810-5)0.7(0.062280.0811.1761)0.3(1000.0818.314293)=0.152159029kmol/(h kpa)液膜吸收数据由下式计算: (3-11)=0.566130072m/h因为0.152150.374
8、01.451.1100 (3-12)=8.565021kmol/(m3 h kpa) =0.566131000.374041.450.4 (3-13)=24.56912/h因为: =0.8346所以需要用以下式进行校正: (3-14) =19.5(0.699990.5)1.4 8.56502=17.113580 kmol/(m3 h kpa) (3-15)=1 2.6 (0.69990.5)2.2 24.569123=26.42106/h (3-16) =1(117.1358+10.72526.4210) =9.038478 kmol/(m3 h kpa) (3-17) =234.5999.0
9、3847101.30.7850.64=0.491182m (3-18)=0.4911829.160434=4.501360m,得=1.44.501=6.30m2.2.3 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=510。h=580010800=48 m计算得填料层高度为7000mm,故不需分段2.3 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
10、塔填料层压降 =9817=6867 Pa至此,吸收塔的物科衡算、塔径、填料层高度与填料层压降均已算出。第三节 填料塔件的类型与设计3.1 塔件类型填料塔的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件,对保证填料塔的正常操作与优良的传质性能十分重要。3.2 塔件的设计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3.2.2 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
11、不设液体再分布器。 (2)塔径与液体负荷不大,可采用较简单的栅板型支承板与压板。其它塔附件与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/h2 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
12、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与氨气在水中的扩散系数; 液体质量通量为: =WL/0.7850.80.8=10666.5918kg/(h)气体质量通量为: =600001.1761/0.64=14045.78025kg/(h)3 参考文献1夏清.化工原理(下)M. :大学, 2005.2 贾绍义,柴诚敬. 化工原理课程设计M. :大学, 2002.3 华南理工大学化工原理教研室著化工过程与设备设计M: 华南理工大学,1986.4 周军.秋利 化工AutoCAD制图应用基础 。. 化学工业。4 后记与其他通过本次课程设计,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,发现自己基础知识不牢固,需加强学习,扩大知识面的广度。11 / 11