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四川大学化工原理课程设计(吸收塔)

来源:个人技术集锦
四 川 大 学 化 工 原 理 课 程 设 计

四川大学化工学院 化工原理课程设计说明书

题目: 设计水吸收半水煤气体混合物中的二氧化碳的填料吸收塔 专业: 过 程 装 备 与 控 制 工 程 年级: 2 0 1 1 级 学生姓名 学号:

指导老师: 设计时间:

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目录

第一章 设计任务 ................................................... 3 第二章 设计流程的选择 ............................................. 4 第三章 吸收塔的设计计算 ........................................... 5

3.1 气液平衡关系 ............................................... 6 3.2 确定吸收剂的用量 ........................................... 6 3.3 计算热效应 ................................................. 7 3.4 塔径的计算 ................................................. 8

3.4.1 混合气体的密度........................................ 8 3.4.2 填料的选择............................................ 8 3.4.2 计算塔径 ............................................................................... 11

3.5喷淋密度的校核 .................................................................................... 12

3.6总传质系数KXa计算 ......................................... 13 3.7 填料层高度的计算 ........................................... 14 3.8 填料层阻力计算 ............................................. 16 第四章 附属设备的选型和计算 ...................................... 16

4.1 液体喷淋装置 .............................................. 16 4.2 液体再分布器 .................................................................................. 18 4.3 塔附属高度 ...................................................................................... 19 4.4 填料支撑板 ................................................ 19 4.5 填料限定装置 .............................................. 20 4.6 气体入口装置 .............................................. 20 4.7 除沫装置 ......................................................................................... 20 4.8 封头 ...................................................... 21 4.9 泵的选择 ......................................................................................... 21 第五章 设计结果概览 ............................................. 23

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第六章 设计评价 .................................................. 25 主要符号说明....................................................... 27 参考文献........................................................... 28

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第一章 设计任务

题目:设计水吸收半水煤气体混合物中的二氧化碳的填料吸收塔

目的和意义:

在合成氨工艺中,由任何含碳原料制得的原料气(半水煤气)都含有相当量的二氧化碳,这些二氧化碳在进入合成工序以前必须清除干净,因为在合成过程中为高温高压,在高压下,二氧化碳很容易化成干冰,会堵塞设备和管道,给操作带来很大的危害;另外,二氧化碳的存在还会使氨合成的催化剂中毒,而且还给清除少量一氧化碳过程带来困难,同时二氧化碳又是制造尿素、碳酸氢铵、纯碱和干冰的重要原料。因此,合成氨生产中,二氧化碳的脱除极其回收利用往往是脱碳过程的双重目的。

已知数据

(一)气体混合物: 1.组成(V%):CO2 10.2% ,H2 65%,N2 21%,

CH4 0.5% ,CO 3.2% , O2 0.1%

2.气体量:4200Nm3/h

3.温度:30C 4.压力:1700KN/m3

(二)气体出口要求(V%):CO2 0.65%

(三)吸收剂:水

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第二章 设计流程的选择

吸收装置的流程主要有一下几种:

(1)逆流吸收:气体自塔底进入由塔顶排出,液相自塔顶进入由塔底排出,此即逆流操作。

(2)并流操作:气液两相均从他塔顶流向塔底,此即并流操作。

(3)吸收剂部分再循环操作:在逆流操作系统中,用泵将吸收塔排出的液体部分冷却后与新鲜吸收剂一同送回塔内。

(4)多塔串联操作:若设计的填料层高度过大,或者由于所处理的物料等原因需经常清理填料,为了便于维修,可把填料层分装在几个串联的塔内,每个吸收塔通过的吸收剂和气体量都相等。 各种操作的优缺点比较如下表1所示: 优点 逆流 传质推动力比较大,传质速率快,分离效率高。吸收剂利用率高,可降低吸收塔所需的传质面积。 液体的下流受到上升气体的作用力,因此限制了吸收塔所允许的液体流速和气体流速。 并流 当平衡曲线较平坦,流向对推动力影响不大;被处理气体不需要吸收很完全;吸收剂用量特别大时使用。 相同分离程度下,平均推动力下,所需要的传质面积大 部分回流 多塔串联操作 提高他的液体喷淋密降低单个塔的度,控制塔内的温升,填料层高度,便提高吸收剂的使用于维修 率,特别适用于相平衡常数很小的情况下。 较逆流操作的平均推动力要低,且需设置循环泵,操作费用增加。 操作因塔内需要留较大空间,输液,喷淋,支撑板等辅助装置增加,使设备投资加大。 缺点 综合上面的分析,因二氧化碳属难溶气体,进出塔的吸收率较高,即要求处理吸收的较为完全,为了减少设备的投资,所以从工艺技术和经济两方面综合考虑,初步采用单塔逆流操作吸收流程。当然工业生产中一般工艺流程都涉及吸收和解吸联合流程,虽然本设计中吸收剂为水,价值不高,极易得到,所吸收的溶质为二氧化碳,无毒,直接排放对环境的影响不大,但作为一个完整的工艺流程还是必需有的,整个工艺流程图如下图所示:

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第三章 吸收塔的设计计算

3.1气液平衡关系

本设计题目的操作压力为1700KN/m2,属于高压,因此压力影响产生对理想气体定律的偏差需进行校核。由《化工原理(上册)》附录四,查得:CO2的临界温度Tc=31.1C,临界压力Pc=7.38Mpa 求得:对比温度:Tr=

30273.15T= =0.9964,

31.1273.15TcP1.7Mpa0.2304 Pc7.38Mpa 对比压力:Pr=

由《物理化学》58页,图2-2-5 普遍化逸度系数图,查得:=0.925 则可得逸度:fp1700Kpa0.9251573KPa

由《物理化学》64页,表2-4-1,查得T=30C时CO2在水为溶剂的亨利常

E1.88102MPa119.55 数E=1.8810MPa,mf1.573MPa2Y

mX1(1m)X119.55X119.55X

1(1119.55)X1118.55X3.2确定吸收剂的用量

已知y1=0.102,y2=0.0065:Y10.1020.1136,

10.102Y20.00650.0065

10.00654200(1y1)168.38Kmol/h 22.4惰性气体的摩尔流量:V=

最大出口浓度X1maxX18.54104

该吸收过程属于低浓度吸收,最小液汽比可按下式计算即:对于纯吸收过程,

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进塔液相组成为X2=0;

LY1Y20.11360.0065125.41 V4XX8.5410min1max2

LL由于()(1.1~2)()min,实际液气比,取1.3,1.5,1.8倍三组数据计算;

VVLL第一组:1.31.3125.41163.03 VV1minL1163.03V27451.50kmol/h,

X11Y1Y20.11360.00656.57104;

163.03LV1LL第二组:1.51.5125.41188.12 VV2minL2188.12V31674.19kmol/h,

X21Y1Y20.11360.00655.69104;

188.12LV2LL第三组:1.81.8125.41225.74 VV3minL3225.74V38009.03kmol/h,

X31Y1Y20.11360.00654.74104;

225.74LV3

3.3计算热效应

水吸收二氧化碳的量:

GAV(Y1Y2)168.375(0.11360.0065)18.03kmol/h

查《化工原理设计导论》图4-5,得到CO2的溶解热为:q=106kcal/kg

查《化工原理》上册附录,用内插法得T=30C时水的比热容为:Cp=4.174kJ/(kg·k)

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根据公式L18CptGA44q4.18,可得:tGA44q4.18;

L18Cpt118.03441064.180.1711C

27451.50184.17418.03441064.180.1481C

31674.19184.17418.03441064.180.1231C,

38009.03184.179t2t3上述计算可知,三组数据的溶液温度变化都很小,可视为等温吸收。

3.4塔径的计算

3.4.1混合气体的密度

由各组分浓度计算平均摩尔质量:

M4410.2%265%2821%160.5%283.2%320.1%12.676kg/kmol由《化工原理(上册)》附录四,查得各组分的临界压力和临界温度为:

CO2:Tc=31.1C, Pc=7.38Mpa ,H2:Tc=-239.9C, Pc=1.30MPa N2:Tc=-147.13C, Pc=3.39Mpa ,CH4:Tc=-82.15C, Pc=4.62MPa

CO:Tc=-140.2C, Pc=3.50Mpa ,O2:Tc=-118.82C, Pc=5.04MPa 求得假临界压力:

Pcmyiyi•Pci10.2%7.3865%1.3021%3.390.5%4.623.2%3.500.1%5.042.4498MPa

假临界温度:

Tcm•Tci10.2%31.165%(239.9)21%(147.13)0.5%(82.15)3.2%(140.2)0.1%(118.82)188.676C由《工程热力学》附图1查得Z=1.03,

vPM170012.6768.30kg/m3 ZRmT1.038.314(273.1530)3.4.2填料的选择 1.填料类型的介绍:

填料是填料塔的核心构件,它提供了塔内气-液两相接触而进行传质传热的表面,与塔的结构一起决定了填料塔的性能。现代工业填料塔大体可分为实体填料塔和网状填料塔两大类,而就装填方式可分为散堆填料和规整调料。散装填料

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是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体,一般以随机的方式堆积在塔内,又称为乱堆填料或颗粒填料。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。现介绍几种较为典型的散装填料:

图2:几种常用填料形状:(a)拉西环填料(b)鲍尔环填料(c)阶梯环填料(d)抓繁填料(e)矩鞍填料(f)金用环矩鞍填料(g)多面球形填料(h)TRI球形填料(o)金属板波纹填料(p)脉冲填料

拉西环:拉西环填料于1914年由拉西(F. Rashching)发明,为外径与高度相等的圆环。拉西环填料的气液分布较差,传质效率低,阻力大,通量小,目前工业上已较少应用。

鲍尔环:是对拉西环的改进,在拉西环的侧壁上开出两排长方形的窗孔,被切开的环壁的一侧仍与壁面相连,另一侧向环内弯曲,形成内伸的舌叶,诸舌叶的侧边在环中心相搭。鲍尔环由于环壁开孔,大大提高了环内空间及环内表面的利用率,气流阻力小,液体分布均匀。与拉西环相比,鲍尔环的气体通量可增加50%以上,传质效率提高30%左右。鲍尔环是一种应用较广的填料。

阶梯环填料:是对鲍尔环的改进,与鲍尔环相比,阶梯环高度减少了一半并在一端增加了一个锥形翻边。由于高径比减少,使得气体绕填料外壁的平均路径大为缩短,减少了气体通过填料层的阻力。锥形翻边不仅增加了填料的机械强度,而且使填料之间由线接触为主变成以点接触为主,这样不但增加了填料间的空隙,同时成为液体沿填料表面流动的汇集分散点,可以促进液膜的表面更新,有利于传质效率的提高。阶梯环的综合性能优于鲍尔环,成为目前所使用的环形填料中最为优良的一种。

弧鞍填料:属鞍形填料的一种,其形状如同马鞍,一般采用瓷质材料制成。弧鞍填料的特点是表面全部敞开,不分内外,液体在表面两侧均匀流动,表面利用率高,流道呈弧形,流动阻力小。其缺点是易发生套叠,致使一部分填料表面被重合,使传质效率降低。弧鞍填料强度较差,容破碎,工业生产中应用不多。

矩鞍填料:将弧鞍填料两端的弧形面改为矩形面,且两面大小不等,即成为

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矩鞍填料。矩鞍填料堆积时不会套叠,液体分布较均匀。矩鞍填料一般采用瓷质材料制成,其性能优于拉西环。目前,国内绝大多数应用瓷拉西环的场合,均已被瓷矩鞍填料所取代。

金属环矩鞍填料:环矩鞍填料(国外称为Intalox)是兼顾环形和鞍形结构特点而设计出的一种新型填料,该填料一般以金属材质制成,故又称为金属环矩鞍填料。环矩鞍填料将环形填料和鞍形填料两者的优点集于一体,其综合性能优于鲍尔环和阶梯环,在散装填料中应用较多。 2.填料材质的介绍:

选塔填料时,首先应根据工艺的物料腐蚀性和操作温度,确定填料用材。一般可选用塑料,金属和陶瓷等。

常用于制作填料的塑料有:聚丙烯,聚乙烯,聚氯乙烯及其增强塑料。其中聚丙烯使用最为普遍,一者耐腐蚀好,可耐一般无机酸,碱和有机溶剂,二者质轻,易于注塑成型,价格低。塑料填料多用于操作温度较低的吸收,解析,洗涤,除尘等过程,便于装卸和重复使用,能节省设备的投资和操作费用。

值得注意的是:塑料填料表面有憎水特性,这使之不易被水所润湿,因此,使用初期有效湿润比表面积小,传质效果差。改善的办法是:一种进行表面处理,以改善表面对工艺流体的润湿性能;另一种是自然时效,经10-15天操作可使填料的分离效率达到正常值。此外,使用,检修时严防塑料填料超温,蠕变甚至熔融及至于起火燃烧等现象发生。

金属材质主要是:碳钢,铝及合金0Cr13,1Cr13等低合金钢及1Cr18Ni9Ti(不锈钢)等。金属填料多为薄金属片冲压制成,空隙率高,通量大,流动阻力小,特别适用于真空解析或蒸馏。在某些场合下,金属填料塔板式塔更为优越,从而目前已有许多以金属填料塔取代板式塔,同时收到高产,优质,低能耗的经济效益。

瓷质填料历史最悠久,具有很好的耐蚀性,应用面最广。一般能耐除氢氯酸以外常见的各种无机酸,有机酸以及各种有机溶剂的腐蚀。对强碱性介质可选用耐碱配方制的耐碱瓷质填料。瓷填料耐温性能好,价廉,因此它仍为优先考虑选用的填料材质。其缺点是质脆,易破碎。 3.填料的选择:

在填料的选择上主要考虑填料的流体力学性能和质量传递性能,一般应具有以下特点:1.具有较大的比表面积;2.表面润湿性能好,有效传质面积大;3.结构上应有利于气液相的均匀分布;4.填料层内的持液量适宜;5.具有较大的孔隙率,气体通过填料时的压降小,不易发生液泛现象。

基于上述考虑,结合本题设计,常温高压操作,水吸收二氧化碳,我初步选择公称直径为50mm的聚丙烯阶梯环填料。选择的原因是:(1)选择填料的类型:阶梯环是环形填料中综合性能最优的,具有较大的比表面积,较均匀的气液相分布和较大的空隙率,因此分离效率较高且不易发生液泛。(2)选择填料的材质:选择塑料是因为本设计的塔高塔径较大,需要的填料体积也较大,出于处理量较大,而聚丙烯价廉、普遍易得、易于装卸且质量较轻的考虑而选择的。(3)选择填料的尺寸:填料塔的塔径与填料直径的比值应保持不低于某一值,防止产生较大的壁效应,造成塔德分离率下降。一般说来,填料的尺寸大,成本低,处理量大,但效率低。使用大于50mm的填料,其成本的降低往往难以抵偿其效率降低所造成的成本增加,所以,一般大塔常使用50mm的填料,故在本设计中选用50mm的填料。

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公称直径为50mm的聚丙烯阶梯环填料的结构特性参数如下表2所示: 高*厚 比表面孔隙率 个数 堆积密干填料因子填料因子(H) 积(at) () (n) m3 度(p) kg/m3 (a/3) m1 () m1 mm m2/m3 m3/m3 25*1.5 114.2 0.927 10740 54.3 143.1 100 3.4.3计算塔径

应用散堆填料泛点气速联通关联式:贝恩-霍根泛点关联式:

1VWL10.2lg[3L]A1.75()4(V)8

gLWVLu2fa其中:公称直径为50mm的聚丙烯阶梯环填料a/3=143.1,关联常数A=0.204,

物性常数:V=8.3009kg/m3,L=995.7kg/m3,

L= 80.07×10−5Pa∙s 气体质量流量:

WV

TP273.1530101.3254200G42008.30092305.96kg/hTP273.151700 液体质量流量:WL1L11827450.9718494117.46kg/h

WL2L21831674.1918570135.42kg/h

WL3L31838009.0318684162.54kg/h

由关联式解得泛点速度:uf1 = 0.0536m/s,uf2=0.0459m/s,uf3=0.0374m/s

u/uf0.5~0.85,对于散装填料,其泛点率的经验值为:取泛点率为0.7得气速为:

u1=0.7×uf1=0.0375 m/s,u2=0.7×uf2=0.0321 m/s

u3=0.7×uf3=0.0262 m/s

操作条件下的气体流量:VS273.1530101.32542000.077m/s,

273.1517003600可由式 D4Vs 计算得塔径: u11

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4×0.0774×0.0774×0.077

D1=√=1.62m,D2=√=1.75m,D3=√=1.93m

π×0.0375π×0.0321π×0.0262

由于计算出的塔径不是整数,要按国家压力容器公称直径标准进行圆整。圆

整后可得填料塔直径:D1=1.7m,D2=1.8m,D3=2.0m。再核算操作空塔气速:

4Vs由公式:,可得:u1=0.0339 m/s,u2=0.0303 m/s ,u3=0.0245 m/s。 uD2uuu

圆整后的泛点率分别为:1⁄uf1=0.632,2⁄uf2=0.660 ,3⁄uf3=0.701 都在0.5~0.85允许范围以内,校核合格。

3.5喷淋密度的校核

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,其计算

Lh式为:U,其中Lh为液体喷淋量。 20.785D由《化工原理》附录五查得30C时,水的密度为L995.7kg/m3,则有: 第一组:

Lh1=

U1=;

Lh1496.25

==218.74 m3/(m2∙h) 220.785×D10.785×1.7L1×1827450.97×18==496.25m3/h ρL995.7第二组:

Lh2

U2=

Lh2572.60

==225.13m3/(m2∙h) 220.785×D20.785×1.8L2×1831674.19×18

===572.60m3/h

ρL995.7第三组:

Lh3=

U3=

Lh3687.11

==218.82m3/(m2∙h) 220.785×D30.785×2.0L3×1838009.03×18==687.11m3/h ρL995.7对于散装填料,其最小喷淋密度的计算式为:

Umin(LW)min•at

其中(LW)min是最小润湿速率,对于直径不超过75mm的散装填料,可取最

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小润湿(LW)min0.08m3/(m•h)

代入上式可得:Umin0.08114.29.14m3/(m2•h),

可知:U1Umin,U2Umin,U3Umin,即实际喷淋密度都大于最小喷淋密度,液体喷淋密度验算合格。

3.6总传质系数KXa计算

传质单元高度的计算采用修正的恩田(Onde)公式:

kL0.0095(UL23L12Lg13)()() aWLLDLLkLakLaW0.4

0.750.10.20.05cULUL2atUL2aW其中:1exp1.452

atlatLLgLLat由《化工原理》附录五查得:30C时水的表面张力: σL=72.6×10−3 N/m

由《化工原理课程设计》表4-6,查得聚丙烯的表面张力:

σc=54×10−3 N/m

WL UL为液体质量通量:由UL 计算得: 20.785D494117.46

UL1==217802.42 Kg/(m2∙h) 20.785×1.7,

570135.42

UL2==224162.70 Kg/(m2∙h) 20.785×1.8,

UL3

684162

==217886.16 Kg/(m2∙h) 20.785×2.0g为重力加速度,1.27108m/h

代入上式可得填料的润湿比表面积:

αw1=101.69 m2/m3,αw2=102.01 m2/m3,αw3=101.70 m2/m3

DL是二氧化碳在水中的扩散系数,由《化工原理》表2.7,查得30C时CO2

在水中的扩散系数为

DL=2.00×10−9 m2/s

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水的黏度:L= 80.07×10−5 Pa∙s

填料形状系数,由《化工原理课程设计》表4-7查得:1.45 由于二氧化碳溶于水为液膜控制,因此KLkL

则可以求得液相传质系数如下:

第一组:

21217802.42⁄360080.07×10−5−

kL1=0.0095()3×()2−5−9101.69×80.07×10995.7×2.0×10−5

80.07×10×9.811×()3=7.737×10−4 m/s

995.7,

(KLαw)1≅(kLαw)1=7.737×10−4×101.69=0.0787/s

第二组:

21224162.70⁄360080.07×10−5−

kL2=0.0095()3×()2101.69×80.07×10−5995.7×2.0×10−980.07×10−5×9.811×()3=7.870×10−4 m/s

995.7(KLαw)2≅(kLαw)2=7.870×10−4×102.01=0.0803/s; 第三组:

21217886.16⁄360080.07×10−5−

kL3=0.0095()3×()2101.69×80.07×10−5995.7×2.0×10−980.07×10−5×9.811×()3=7.738×10−4 m/s

995.7(KLαw)3≅(kLαw)3=7.738×10−4×101.70=0.0787/s; 将得到的传质系数换算成以摩尔分数差为推动力的传质系数:

KXaWKLCMaW,

其中

CM=

nρL995.7===55.317 Kmol/m3 VML18则可得:

(KXαw)1=0.0787×55.317=4.353 Kmol/(m3∙s); (KXαw)2=0.0803×55.317=4.442 Kmol/(m3∙s); (KXαw)3=0.0787×55.317=4.353 Kmol/(m3∙s);

3.7填料层高度的计算

液相总传质单元高度计算公式为:

HOLL

KXaW14

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其中:塔截面积0.785D2 ∴ HOL1HOL2HOL3

27451.50⁄3600==0.772m 4.353×0.785×1.7231674.19⁄3600==0.779m 4.442×0.785×1.8238009.03⁄3600==0.772m 4.353×0.785×2.02

液相总传质单元数的计算:

∗∗ ×10−4 X2X1=8.54=5.40×10−5

由3.2的计算已知:X11=6.57×10−4,X21=5.69×10−4 ,X31=4.74×10−4

(X1X1)(X2X2)代入平均液相推动力计算式:Xm XX1ln(1)X2X2解得:∆Xm1=1.10×10−4,∆Xm2=1.39×10−4,∆Xm3=1.67×10−4; 由液相总传质单元数的计算公式:NOL得:

NOL1

6.57×10−45.69×10−4

==5.97 NOL2==4.09 1.10×10−41.39×10−44.74×10−4

NOL3==2.84

1.67×10−4X1X2, Xm

工艺计算得到的填料层高度:ZNOLHOL,由上述方法计算出填料层高度后,还应留出一定的安全系数,即填料层的设计高度:Z'1.25Z:

∴Z1=HOL1×NOL1=0.772×5.97=4.61m,Z1=Z1×1.25=5.76m,

Z2=HOL2×NOL2=0.779×4.09=3.19m,Z2=Z2×1.25=3.99m,

Z3=HOL3×NOL3=0.772×2.84=2.19m,Z3=Z3×1.25=2.74m;

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将三组数据汇总如下表3比较: 最小液气比的倍数 1.3 1.5 1.8 水的用量L kmol/h 27451.50 31674.19 38009.03 水的出口浓度X1 6.57×10−4 5.69×10−4 4.74×10−4 泛点气uf (m/s) 0.0536 0.0459 0.0374 空塔气速u (m/s) 0.0375 0.0321 0.0262 塔径D (m) 1.7 1.8 2.0 填料层高度Z (m) 5.76 3.99 2.74 由上表数据可知,在这三组数据中,第一组水的用量最小,塔径最小,但填料层高度最高。从经济方面考虑来说,第一组数据的水用量的经常费用最少,而填料费用和泵所需的功率应较其他几组要更高。但由于是采用塑料填料,价廉,且从吸收效率上来说,较小的塔径更有利于吸收过程的进行。因此,我选用第一组数据,即选用液气比为最小液气比的1.3倍的一组数据。

3.8填料层阻力计算

计算气体通过填料层的阻力损失,在于确定输送气体所需的能耗,或判断在允许的压降下塔内能否进行正常操作。

根据公式:

PTh(6其中T1.2110,0.96710;

2GVV)10LL,

2气体质量流速:

WV2305.96

GV===1016.45Kg/m2∙h 220.785D0.785×1.7,

液体质量流速:

WL494117.462

L===217802.42Kg/m∙h

0.785D20.785×1.72,

填料层高度:h=5.76m

∴填料层压降为:

20.967×10−2×217802.421016.45

995.7∆P=1.21×10−6×5.76×()×10=113.12Pa

8.30

16

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第四章 附属设备的选型和计算

4.1液体喷淋装置

液体初始分布器设置于填料塔内填料层顶部,用于将塔顶液体均匀分布在填料表面上,液体初始分布器性能对填料塔效率影响很大,特别对于大直径,低填料层的塔,尤其需要性能良好的初始分布器。如果液体分布不良,必然减少填料的分离效率。逆流操作的填料塔,要求塔顶喷淋装置既结构简单,又要将液体均匀的喷洒在填料上,操作时本身不易堵塞,不产生过细的雾滴。常见的几种液体分布器如图3所示。

图3:液体分布器(a)喷头式(b)盘式筛孔型(c)盘式溢流型(d)槽管式(e)环管

式(f)槽式(g)槽盘式

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液体分布器的性能主要由分布器的布液点密度,各布液点的布液均匀性决定,设计液体分布器主要是确定决定这些参数的结构尺寸。就本设计而言,液体体积流量:

VL=

L(kmol/h)×M27451.50×18

==496.26m3/h=0.138m3/s

ρL995.7,考虑到液体流量较大,本人选用二级槽式溢流型分布器,如下图所示:

槽式溢流型分布器适用于高液量和易堵塞场合,但其分布质量不如槽式孔流型,常用于散堆填料塔中。其中,二级槽式分布器具有优良的布液能力,结构简单,气相阻力小,应用较为广泛。主要由主槽和分槽组成,液体物料由主槽上的加料管进入主槽中,然后,通过主槽的布液结构按比例分配到各支槽中,并通过各支槽上的布液结构均匀的分布在填料层表面上。

主槽为矩形敞开槽,其长度由塔径和分槽的数量及间距决定,其高度由最大液体留下所需的液位高度决定。设计时一般应使其保持在200—300mm之间。其宽度由槽内液体流速决定,一般要求流速在0.24—0.30m/s之间。

分槽的长度有塔径及排列情况而定,分槽的宽度主要由液体在槽内的流速决定,其数值通常为30—60mm,分槽高度也由液相最大负荷下的液位高度决定。分槽高度大约为最大液位高度的1.25倍。

溢流堰口一般为倒三角形或矩形。由于三角形堰口随液位的升高,液体流通面积加大,故这种开口形式具有较大的操作弹性,故在本设计中采用倒三角形堰口。

倒三角形堰溢流口夹角与液位高度间的关系:

arctan(VL)

2.36h2.5其中:h为溢流口液位高度,考虑到液体流量较大,取h0.25m;

为流量系数,一般可取0.6,可解得倒三角形的溢流口夹角:

α=tan−1(

0.138

)=72.22°

2.36×0.6×0.252.518

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溢流型分布器安装于填料表面的限定器以上,距填料表面距离约为50mm。

4.2液体再分布器

液体沿填料层下流时,有逐渐向塔壁方向集中的趋势,形成壁流效应。壁流效应造成填料层气液分布不均匀,使传质效率降低。因此,设计中,每隔一定的填料层高度,需要设置液体收集再分布器装置,即将填料层分段。

对于散装填料,根据《化工原理课程设计》表4-9可查得一般推荐的分离段高度值,对于填料类型为阶梯环,其填料层高度与塔径之比为h/D=8—15处分段,而本设计中h⁄D=5.76/1.7=3.34<8,故不用分段,也无需液体再分布器。

4.3塔附属高度

塔的附属空间高度包括上部空间高度,安装液体分布器和液体再分布器所需的空间高度,塔底部空间高度以及塔裙座高度。

塔上部空间高度是指塔内填料层以上,应有足够的空间高度,以使气流携带的液滴能够从气相中分离出来,该高度一般取1.2—1.5m,由于本设计采用二级槽式溢流型分布器,安装分布器的所需高度较大,取1.5m。由于本设计中不涉及再分布器,因此不占高度空间。考虑到气相接管所占的空间高度,底部空间高度可取2m。所以塔的附属高度可以取3.5m,因此本设计中吸收塔的总高度为: H=5.76+3.5=9.26m 。

4.4 填料支撑板

填料支承装置的作用是支承填料以及填料层内液体的重量,同时保证气液两相顺利通过。一般情况下填料支承装置应满足如下要求:

(1)足够的强度和刚度,以支持填料及所持液体的重量(持液量),并考虑填料空隙中的持液量,以及可能加于系统的压力波动,机械震动,温度波动等因素。(2)足够的开孔率(一般要大于填料的空隙率),以防止首先在支撑处发生液泛;为使气体能顺利通过,对于普通填料塔,支承件上的流体通过的自由截面积为填料面的50%以上,且应大于填料的空隙率。此外,应考虑到装上填料后要将支承板上的截面堵去一些,所以设计时应取尽可能大的自由截面。自由截面太小,在操作中会产生拦液现象。增加压强降,降低效率,甚至形成液泛。(3)结构上应有利于气液相的均匀分布,同时不至于产生较大的阻力(一般阻力不大于20Pa);(4)结构简单,便于加工制造安装和维修。(5)要有一定的耐腐蚀性。

常用的填料支承装置有栅板形、孔管型、驼峰形及各种具有气升管结构的支承板。

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本设计中选用驼峰型支承装置。选择原因是:驼峰形支撑板装置适合于散堆填料支撑,一般用于直径在1.5m以上的大塔,本设计中的塔径为1.7m,选用较为合适。此种支撑装置具有气体流通自由截面积率大,阻力小,承载能力强,气液两相分布效果好等优点。

4.5 填料限定装置

为保证填料塔在工作状态西填料床层能够稳定,防止高气相负荷或负荷突然变动时填料层发生松动,破坏填料层结构,甚至造成填料流失,必须在填料层顶部设置填料限定装置。

填料限定装置可分为两类,一类是放置于填料上端,仅靠自身重力将填料压紧的填料限定装置,成为填料压板。另一类是将填料限定装置固定在塔壁上,称为床层限定板。填料压板常用于陶瓷填料,以免陶瓷发生移动撞击,造成填料破碎。床层限定版多用于金属和塑料填料,以防止由于填料膨胀,改变其初始堆积状态而造成的流体分布不均匀现象。

在本设计中,由于是采用塑料填料,故只需采用质量较轻的床层限定板,根据一般值,取每平方米300N计算,本设计中所需的限定板重量为:

G=300×A=300×0.785×1.72=680.60 N

4.6 气体入口装置

一般来说,实现气相均匀分布相对容易一些,故气体入塔的分布装置也相对

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简单一些。但对于大塔径低压降填料塔来说,设置性能良好的气相分布装置仍然是十分重要的。

在本设计中,由于塔径为1.7m,较小,故采用进气管末端制成向下弯的喇叭形扩大口,或制成多环管式分布器。

4.7 除沫装置

气体在塔顶离开填料层时,带有大量的液沫和雾滴,为回收这部分液体,常需在塔顶设置除沫器,常用的除沫器有如下几种:折流板式除沫器,旋转板式除沫器,丝网除沫器。

在本设计中,选择最常用的丝网除沫器,这种除沫器由金属丝网卷成高度为

100~150mm的盘状,可捕集5m以上的微小雾滴。气体通过除沫器的压降约为120~250Pa,丝网除沫器直径由气体通过丝网的最大气速决定。

4.8 封头

采用标准椭圆封头。查国标JB/T4729-94可知该封头是由1/4椭圆线和平行于回转轴的短直线光滑的连接而成的,故它由半个椭圆球和一个高度为h0,的圆柱短节(称它为封头的直边部分)构成。

由《化工原理设计导论》表4-8续表,可查得以内径为公称直径的椭圆封头的尺寸,选用封头尺寸如下:公称直径为Dg=1700mm,曲面高度h1=425mm,直边高度h2=40mm,内表面积F=3.34m2,容积V=0.734m3。

4.9 泵的选择

入口水的体积流量为:

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L(kmol/h)×M27451.50×18VL===0.138m3/s

ρL×3600995.7×3600,由《化工原理》(上册)表3.3可知,水在管道中的常用流速范围在1~3m/s。

因此,先初步取流速u2.5m/s。可算得所需管内径为:

VL0.138

d=√=√=0.265m

0.785u0.785×2.5由《化工原理》(上册)附录21查得,选取采用普通热轧无缝钢管,外径为

273mm,壁厚为6.5mm,则可得内径为:d2736.52260mm,则管中实际流速为:

VL0.138

u===2.6m/s

0.785d20.785×0.2602可求得管中的雷诺数:

duρ0.260×2.60×995.7Re==≈840631

μ80.07×10−5可知Re>4000,处于湍流区 由《化工原理》(上册)表2.3查得具有轻微腐蚀的无缝钢管的绝对粗糙度0.3mm,∴相对粗糙度/d0.3mm/260mm0.0012

由《化工原理》(上册)图2.13,可查得,λ=0.024

局部阻力损失:三个标准截止阀全开136.419.2,230.752.25 则,管路总压头损失为:

lu2Hf(d)2g

其中长度近似取为塔高:l=9.26m,将数据代入得:

9.262.602

∑Hf=(0.024×+19.2+2.25)×=7.69m

0.2602×9.81由水进口到出口截面列伯努利方程有:

2u12p1u2pZ1HL2Z2Hf 2gg2ggu2pZHf∴ HL2gg

2.602(1700−101.325)×1000

=++9.26+7.69=180.96m 2×9.81995.7×9.81体积流量有:

L(kmol/h)×M27451.50×18VL===496.26m3/h

ρL995.7由《化工工艺设计手册》第19章,选择泵的型号为ZA200-400A

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第五章 设计结果概览

设计任务 设计任务 吸收任务(V%) 气体处理量Nm3/h 操作温度C 操作压力 吸收流程选择 相平衡计算 吸收塔设计计算 相平衡常数 m 最小液气比 实际液气比 液体质量流量W (kg/h ) 气体质量流量W (kg/h ) 吸收剂出口浓度 X1 塔径计算 混合气体密度 (kg/m3 ) 泛点气速 uf (m/s) 空塔气速 u (m/s) 泛点率校核 圆整后塔径D (m) 填料的类型 公称直径dp(mm 比表面积at(m2/m3) 干填料因子at/3(m1) 23

清水吸收二氧化碳 CO210.2% 0.65% 4200 30 1700KN/m3 单塔逆流操作吸收流程 119.55 125.41 163.03 494117.46 2305.96 6.57×10−4 8.30 0.0536 0.0375 0.632 1.7 聚丙烯阶梯环填料 50 114.2 143.1 填料的选择 四 川 大 学 化 工 原 理 课 程 设 计

空隙率(m3/m3) 喷淋密度校核 最小喷淋Umin(m3/m2h) 实际喷淋量U(m3/m2h) 填料层高度计算 液相传质单元高度HOL(m) 液相总传质单元数NOL 填料层理论高度 Z (m) 填料层安全高度 Z (m) 填料层压降 pa 附属设备的选择 喷淋器类型 溢流堰口形状 溢流口液位高mm 无 总塔高度 m 支撑板类型 类型 形状 类型 封头曲面高度mm 封头直边高度mm 封头厚度mm 封头内表面m2 容积 m3 液体进口管规格 0.972 9.14 218.74 0.772 5.97 4.61 5.76 113.12 二级槽式溢流型分布器 72.22° 倒三角形 250 9.26 驼峰形支撑装置 床层限定版 进气管末端制成向下弯的喇叭形扩大口 丝网除沫器 425 40 20 3.34 0.734 普通热轧无缝钢管压降计算 液体喷淋装置 液体再分布器 塔附属高度 填料支撑板 填料限定装置 气体入口装置 除沫装置 封头 泵的选择 2736.5mm 水泵型号 ZA200-400A

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第六章 设计评价

(1)从最后的计算结果来看,塔高9.26在正常范围内,即可证明在一开始初步选用的单塔逆流吸收操作是合理的。逆流操作传质推动力比较大,传质速率快,分离效率高,吸收剂利用率高,可降低吸收塔所需的传质面积。若采用并联操作,塔高必然增加,吸收剂用量也会加大,从而增加成本。由于处理量并未很大,也无需多塔串联。

(2)本设计为吸收塔配有解析塔和回收装置,既脱除了二氧化碳,又得到了由一定纯度的二氧化碳,做工业上的其他用途,如二氧化碳又是制造尿素、碳酸氢铵、纯碱和干冰的重要原料。故二氧化碳的回收方案很合理。

(3)本设计中,由于考虑到在高压操作条件下,实际气体对理想气体偏差,而进行了一系列的计算,后计算结果得出其压缩因子Z很小,即与理想气体相差很小

(4)在选定液气比用量时,取最小液气比的1.3、1.5、1.8倍分别进行计算,计算出塔高塔径后,比较三组数据。由于考虑到:1.3倍最小液气比计算出的塔高塔径更为合理,更大的塔径其内部气液分布不如小塔径分布得均匀;且液气比小,其吸收剂的用量小,也更加经济,因此得出液气比为最小液气比的1.3倍时的计算结果最佳,而被采用。

(5)填料的选择在本设计中至关重要:填料类型选择了环形填料中综合性能较优的阶梯环,主要是考虑到其气液扰动能力更强,孔隙率更大,由于本设计中的液体流量较大,故这一方面为重点考虑。填料材质选择了最常用也最常见的聚丙烯材料,主要是考虑到其价廉,质轻,但其表面的润湿性能较差。填料尺寸也选用了很常见的50mm:由于填料的尺寸大,成本低,处理量大,但效率低,因此综合考虑50mm为最优。

由于本人缺乏经验和一些专业常识,并不了解在特定的高压下水吸收二氧化碳,什么因素应该成为考虑重点,一般选用什么填料等,因此在选用填料这一环节比较薄弱。

(6)考虑到各个生产环节可能出现的复杂情况,为了确保生产任务的完成,提高设计的可靠性和安全性:在计算出理论高度后都填乘以了1.25的安全系数而得到实际填料层高度;在选择泵时也都是选择了流量和扬程都大于理论值的离心泵。

(7)在选择液体分布装置时,主要考虑到本设计中高液量,易堵塞的情况,而选定了二级槽式溢流型分布器,这样的分布器结构简单,以装卸,选用应该较为合理。

分布器中槽的宽度、高度、长度、数量、溢流口夹角和排布等,由于由塔径、液相负荷、喷淋点数、液体在槽内流速、气相流通截面积等因素决定,需要全面协

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调后确定,较为复杂,故在本设计中并未深入讨论,仅做了简单的计算了初步的溢流槽液位高度和溢流口夹角。

(8)在本设计中,塔的直径和管道的直径,都在计算出数值后以国家标准进行了圆整和重新校核,采用的所有设备零件都是国家标准,不用特制,更加易得且方面维修和拆换。

(9)本设计在计算过程中采用了大量的经验式和经验关联式,由于不同的经验式很多,故每种算法之间肯定存在偏差,且与实际情况也肯定存在一定的偏差。

主要符号说明

at填料的总比表面积 m2/m3aw填料的润湿比表面积 m2/m3d填料直径 mD-塔径 mDL液体扩散系数 m2/sg重力加速度 m/s2h填料层分段高度 mHD塔顶空间高度 mHOG气相总传质单元高度 mNOG气相总传质单元数kL液膜吸收系数 m/sLv液体体积流量 m3/sLw润湿速率 m3/(ms)m相平衡常数,无因次P压力降 Pau-空塔速率 m/suf泛点速率 m/s

U-喷淋密度 m3/(m2h)26

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UL液体质量通量 kg/(m2h)Umin最小喷淋量 m3/(m2h)Vh-气体体积流量 m3/hWL-液体质量流量 kg/sWv-气体质量流量 kg/s x-液相摩尔分数 y气相摩尔分数X-液相比摩尔分数Y-气相比摩尔分数Z-填料层高度 m-空隙率,无因次-粘度 Pas-密度 kg/m3表面张力 N/mL液相V气相

参考文献

1.《化工原理》第二版上下册 叶世超 夏素兰 易美桂 科学出版社 2.《化工原理课程设计》 王国胜 大连理工大学出版社

3.《工程热力学》 第二版 毕明树 冯殿义 马连湘 化工工业出版社

4.《化工单元过程及设备课程设计》 匡国柱 史启才 主编 化学工业出版社 5.《化工原理课程设计》 马江权 冷一欣 等编 中国石化出版社

6.《化工原理设计导论》成都科技大学《化工原理设计导论》编写组 编 成都科技大学出版社

7.《物理化学教程》 周鲁 主编 科学出版社

8.《化工工艺设计手册》 中国石化集团上海工程有限公司 化学工业出版社 9.《合成氨工学》第三卷 姜圣阶 石油化学工业出版社

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