化工原理課程設計吸收塔-終極版.doc

目錄引言11.流程的說明21.1吸收劑的選擇21.2填料層21.2.1填料的作用21.2.2填料種類的選擇31.2.3填料的選擇31.2.4填料塔的選擇31.3吸收流程41.4液體分布器41.5液體再分布器42.吸收塔工藝計算52.1基礎物性數(shù)據(jù)52.1.1 液相物性數(shù)據(jù)52.1.2氣相物性數(shù)據(jù)52.2物料衡算52.3填料塔的工藝尺寸計算62.3.1塔徑計算62.3.2傳質單元高度的計算82.3.3 傳質單元數(shù)的計算82.3.4填料層高度的計算92.4塔附屬高度的計算102.5填料層壓降的計算102.6其他附屬塔內件的選擇112.6.1液體分布器的選擇：112.6.2布液計算122.7.3液體再分布器的選擇132.6.4填料支承裝置的選擇132.6.5填料壓緊裝置142.6.6塔頂除霧器142.7吸收塔的流體力學參數(shù)計算142.7.1 吸收塔的壓力降142.7.2 吸收塔的泛點率校核142.7.3 氣體動能因子153.其他附屬塔內件的選擇153.1吸收塔主要接管的尺寸計算153.2離心泵的計算與選擇163.3風機的選取174.總結18附錄一 吸收塔設計計算用量符號總表19參考文獻2121引言吸收是分離氣體混合物的單元操作，其分離原理是利用氣體混合物中各組分在液體溶劑中溶解度的差異來實現(xiàn)不同氣體的分離。一個完整的吸收過程應包括吸收和解吸兩部分。氣體吸收過程是利用氣體混合物中，各組分在液體溶解度或化學反應活性的差異，在氣液兩相接觸時發(fā)生傳質，實現(xiàn)氣液混合物的分離。在化工生產(chǎn)過程中，原料氣的凈化，氣體產(chǎn)品的精制，治理有害氣體，保護環(huán)境等方面都廣泛應用到氣體吸收過程。本次化工原理課程設計的目的是根據(jù)設計要求采用填料吸收塔的方法處理含有二氧化硫的混合物，使其達到排放標準，采用填料吸收塔吸收操作是因為填料可以提供巨大的氣液傳質面積而且填料面積具有良好的湍流狀態(tài)，從而使吸收易于進行，填料塔有通量大，阻力小，壓降低，操作彈性大，塔內持液量小，耐腐蝕，結構簡單，分率效率高等優(yōu)點，從而使吸收操作過程節(jié)省大量人力和物力。在設計中，以水吸收混合氣中的二氧化硫，在給定的操作條件下對填料吸收塔進行物料衡算。本次設計包括設計方案的選取、主要設備的工藝設計計算物料衡算、設備的結構設計和工藝尺寸的設計計算、工藝流程圖、主要設備的工藝條件圖等內容。1.流程的說明工業(yè)上使用的吸收流程多種多樣，可以從不同的角度進行分類，從所用的吸收劑的種類看，有僅用一種吸收劑的一步吸收流程和使用兩種吸收劑的兩部吸收流程，從所用的塔設備數(shù)量看，可分為單塔吸收流程很多塔吸收流程，從塔內氣液兩相得流向可分為逆流吸收流程、并流吸收流程等基本流程，此外，還有用于特定條件下的部分溶劑循環(huán)流程。1.1 吸收劑的選擇吸收劑的選擇是吸收操作的關鍵，吸收劑的選擇與吸收方法的選擇有一定的聯(lián)系。選擇吸收劑時，首先要考慮吸收過程在整個生產(chǎn)過程中的作用和前后工序所提供的工藝條件和要求；其次從吸收過程的基本原理出發(fā)，按照各項技術經(jīng)濟要求加以分析和選擇。選擇吸收劑的基本要求：1.溶解度要大，減少吸收劑用量，降低輸送與再生的能。2.選擇性好，吸收劑的選擇性可以減少惰性組分的溶解損失，提高解吸后所得溶質的純度。選擇性以選擇性系數(shù)表示： 3.易于再生。4.揮發(fā)性小，對應一定溫度，其蒸汽壓要低。這樣可以減少吸收劑的損耗，并提高溶質氣體純度。5.具有較好的化學穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性，以減少吸收劑的降解和變質，尤其在使用化學吸收劑時。6.粘度低，以利于傳質與輸送；不易發(fā)泡，以利于實現(xiàn)高效、穩(wěn)定操作。7.安裝性能好。8.經(jīng)濟、易得，且對環(huán)境沒有污染。本次設計次用水作為吸收劑。1.2 填料層1.2.1填料的作用填料塔內充以某種特定形狀的固體填料以構成填料層。填料層是塔實現(xiàn)氣、液接觸的主要部位。填料的主要作用是：填料層內空隙體積所占比例很大，填料間隙形成不規(guī)則的彎曲通道，氣體通過時可達到很高的湍動程度；單位體積填料層內提供很大的固體表面，液體分布于填料表面呈膜狀流下，增大了氣、液之間的接觸面積。填料的選擇包括確定填料的種類、規(guī)格及材質等。所選填料既要滿足生產(chǎn)工藝的要求，又要使設備投資和操作費用最低。1.2.2填料種類的選擇填料種類的選擇要考慮分離工藝的要求，通常考慮以下幾個方面：(1)傳質效率要高：一般而言，規(guī)整填料的傳質效率高于散裝填料。(2)通量要大：在保證具有較高傳質效率的前提下，應選擇具有較高泛點氣速或氣相動能因子的填料。(3)填料層的壓降要低。(4)填料抗污堵性能強，易拆裝、檢修。1.2.3填料的選擇散堆填料 目前散堆填料主要有環(huán)形填料、鞍形填料、環(huán)鞍形填料及球形填料。所用的材質有陶瓷、塑料、石墨、玻璃及金屬等（1）拉西環(huán)填料拉西環(huán)填料于1914年由拉西（F. Rashching）發(fā)明，為外徑與高度相等的圓環(huán)，如圖片拉西環(huán)所示。拉西環(huán)填料的氣液分布較差，傳質效率低，阻力大，通量小，目前工業(yè)上已較少應用。（2）鮑爾環(huán)填料如圖片鮑耳環(huán)所示，鮑爾環(huán)是對拉西環(huán)的改進，在拉西環(huán)的側壁上開出兩排長方形的窗孔，被切開的環(huán)壁的一側仍與壁面相連，另一側向環(huán)內彎曲，形成內伸的舌葉，諸舌葉的側邊在環(huán)中心相搭。鮑爾環(huán)由于環(huán)壁開孔，大大提高了環(huán)內空間及環(huán)內表面的利用率，氣流阻力小，液體分布均勻。與拉西環(huán)相比，鮑爾環(huán)的氣體通量可增加50%以上，傳質效率提高30%左右。鮑爾環(huán)是一種應用較廣的填料。（3）階梯環(huán)(Stairs wreath)填料如圖片階梯環(huán)所示，填料的階梯環(huán)結構與鮑爾環(huán)填料相似，環(huán)壁上開有長方形小孔，環(huán)內有兩層交錯 45的十字形葉片，環(huán)的高度為直徑的一半，環(huán)的一端成喇叭口形狀的翻邊。這樣的結構使得階梯環(huán)填料的性能在鮑爾環(huán)的基礎上又有提高，其生產(chǎn)能力可提高約10%，壓降則可降低25%，且由于填料間呈多點接觸，床層均勻，較好地避免了溝流現(xiàn)象。階梯環(huán)一般由塑料和金屬制成，由于其性能優(yōu)于其它側壁上開孔的填料，因此獲得廣泛的應用。（4）矩鞍填料如圖片矩鞍填料所示，將弧鞍填料兩端的弧形面改為矩形面，且兩面大小不等，即成為矩鞍填料。矩鞍填料堆積時不會套疊，液體分布較均勻。矩鞍填料一般采用瓷質材料制成，其性能優(yōu)于拉西環(huán)。目前，國內絕大多數(shù)應用瓷拉西環(huán)的場合，均已被瓷矩鞍填料所取代。（5）金屬環(huán)矩鞍填料如圖片金屬換環(huán)聚鞍填料所示，環(huán)矩鞍填料（國外稱為Intalox）是兼顧環(huán)形和鞍形結構特點而設計出的一種新型填料，該填料一般以金屬材質制成，故又稱為金屬環(huán)矩鞍填料。環(huán)矩鞍填料將環(huán)形填料和鞍形填料兩者的優(yōu)點集于一體，其綜合性能優(yōu)于鮑爾環(huán)和階梯環(huán)，在散裝填料中應用較多。填料采用亂堆形式，因為亂堆形式能使氣液相對充分接觸，而且填料時省時省工。1.2.4填料塔的選擇單塔吸收流程是吸收過程中最常用的流程，如過程無特別需要，則一般采用單塔吸收流程。若過程的分離要求較高，使用單塔操作時，所需要的塔體過高，或采用兩步吸收流程時，則需要采用多塔流程（通常是雙塔吸收流程）1.3 吸收流程吸收塔或再生塔內氣液相可以逆流操作也可以并流操作，由于逆流操作具有傳質推動力大，分離效率高（具有多個理論級的分離能力）的顯著優(yōu)點而 廣泛應用。工程上，如無特別需要，一般均采用逆流吸收流程。本設計采用單塔逆流操作。1.4 液體分布器根據(jù)本吸收的要求和物系的性質可選用重力型排管式液體分布器，布液孔數(shù)應應依所用填料所需的質量分布要求決定，噴淋點密度應遵循填料的效率越所需的噴淋點密度越大這一規(guī)律。1.5 液體再分布器升氣管式再分布器適用于直徑0.6m以上的塔，而且可以分段卸下填料，更換填料方便，所以本設計選用升氣管式再分布器。2.吸收塔工藝計算2.1基礎物性數(shù)據(jù)2.1.1 液相物性數(shù)據(jù)對低濃度吸收過程，溶液的物性數(shù)據(jù)可近似取水的物性數(shù)據(jù)。由手冊查得，20時水的有關物性數(shù)據(jù)如下：密度黏度表面張力為SO2在水中的擴散系數(shù)為2.1.2氣相物性數(shù)據(jù)混合氣體的平均摩爾質量為: 混合氣體的密度為： 混合氣體的黏度可近似取為空氣的黏度，查資料得20空氣的黏度為：查得SO2在空氣中的擴散系數(shù)為：2.2物料衡算進口氣體的體積流量：二氧化硫的摩爾分數(shù)為： 進塔氣相摩爾比為:效率: 出塔氣相摩爾比 ： 進塔惰性氣相流量 ： 出口液體中溶質與溶劑的摩爾比 ： X2=0查表知20時最小液氣比： 取液氣比 ：故 2.3填料塔的工藝尺寸計算2.3.1塔徑計算 該流程的操作壓力及溫度適中，避免二氧化硫腐蝕，故此選用型的陶瓷鮑爾環(huán)填料。 其主要性能參數(shù)為：比表面積： 空隙率： 形狀修正系數(shù)：填料因子平均值： 吸收液的密度近似看成20度水的密度：采用Eckert關聯(lián)式計算泛點氣速：氣相質量流量為：液相質量流量為：選用型的陶瓷鮑爾環(huán) 填料因子比表面積 查亂堆填料泛點線圖知： 代入數(shù)值得：取空塔氣速：塔徑圓整塔徑，取 (50%-80%為經(jīng)驗值，所以在允許范圍之內) 遇到的問題：空塔氣速取泛點氣速的百分比，取值70%以下校核時超出經(jīng)驗值填料規(guī)格校核 (合格)液體噴淋密度校核：填料表面的潤濕狀況是傳質的基礎，為保持良好的傳質性能，每種填料應維持一定的液體潤濕速率（或噴淋密度）。依Morris等推薦，的環(huán)形及其它填料的最小潤濕速率（）min為最小噴淋密度 ： 噴淋密度：經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用合理。2.3.2傳質單元高度的計算2.3.3 傳質單元數(shù)的計算 液體質量通量：氣體質量通量： 氣相總傳質單元高度采用修正的恩田關聯(lián)式計算：氣膜吸收系數(shù)： 液膜吸收系數(shù)： 查表知：繼續(xù)修正：2.3.4填料層高度的計算由填料有效高度取：設計取填料層高度為 ： 對于亂堆鮑爾環(huán) ： ,取 計算得填料層高度為6.3m需要分層2.4塔附屬高度的計算塔的附屬高度主要包括塔的上部空間高度，安裝液體分布器所需的空間高度，塔的底部空間高度等。塔的上部空間高度是為使隨氣流攜帶的液滴能夠從氣相中分離出來而留取的高度，可取1.2m（包括除沫器高度）。設塔定液相停留時間為10s，則塔釜液所占空間高度為考慮到氣相接管的空間高度，底部空間高度取為0.5米，那么塔的附屬空間高度可以取為1.7m。吸收塔的總高度為2.5填料層壓降的計算 氣體通過填料塔的壓強降，對填料塔影響較大。如果氣體通過填料塔的壓強降大，則操作過程的消耗動力大，特別是負壓操作更是如此，這將增加塔的操作費用。氣體通過填料塔的壓力降主要包括氣體進入填料的進口及出口壓力降，液體分布器及再分布器的壓力降，填料支撐及壓緊裝置壓力降以及除沫器壓力降等。填料層壓降的計算取 Eckert (通用壓降關聯(lián)圖)；將操作氣速(0.8688m/s) 代替縱坐標中的查表，DG50mm陶瓷鮑爾環(huán)的壓降填料因子代替縱坐標中的則縱標值為：橫坐標為：查圖得：全塔填料層壓降 ： 填料塔泛點氣速及氣體壓力降計算用關聯(lián)圖2.6其他附屬塔內件的選擇2.6.1液體分布器的選擇：液體分布器可分為初始分布器和再分布器，初始分布器設置于填料塔內，用于將塔頂液體均勻的分布在填料表面上，初始分布器的好壞對填料塔效率影響很大，分布器的設計不當，液體預分布不均，填料層的有效濕面積減小而偏流現(xiàn)象和溝流現(xiàn)象增加，即使填料性能再好也很難得到滿意的分離效果。因而液體分布器的設計十分重要。特別對于大直徑低填料層的填料塔，特別需要性能良好的液體分布器。液體分布器的性能主要由分布器的布液點密度（即單位面積上的布液點數(shù)），各布液點均勻性，各布液點上液相組成的均勻性決定，設計液體分布器主要是決定這些參數(shù)的結構尺寸。對液體分布器的選型和設計，一般要求：液體分布要均勻；自由截面率要大；操作彈性大；不易堵塞，不易引起霧沫夾帶及起泡等；可用多種材料制作，且操作安裝方便，容易調整水平。液體分布器的種類較多，有多種不同的分類方法，一般多以液體流動的推動力或按結構形式分。若按流動推動力可分為重力式和壓力式，若按結構形式可分為多孔型和溢流型。其中，多孔型液體分布器又可分為：蓮蓬式噴灑器、直管式多孔分布器、排管式多孔型分布器和雙排管式多孔型分布器等。溢流型液體分布器又可分為：溢流盤式液體分布器和溢流槽式液體分布器。根據(jù)本吸收的要求和物系的性質可選用重力型排管式液體分布器，布液孔數(shù)應應依所用填料所需的質量分布要求決定，噴淋點密度應遵循填料的效率越所需的噴淋點密度越大這一規(guī)律。按Eckert建議值，按分布點幾何均勻與流量均勻的原則，進行布點設計。設計結果為：盤式分布器（篩孔式）：分布盤直徑：600mm分布盤厚度：4mm2.6.2布液計算由點按分布點幾何均勻與流量均勻的原則，進行布點設計。設計結果為：二級槽共設七道，槽側面開孔，槽寬度為80mm,槽高度為210mm,兩槽中心矩為160mm,分布點采用三角形排列。實際設計布5點數(shù)為n=132點，(見示意圖)布液計算： L: 液體流量 m3/sn: 開孔數(shù)目: 孔流系數(shù)，取d0: 孔徑，m: 開孔上方的液位高度，m 取，根據(jù)物質性質取分布點數(shù)取100 設計取2.7.3液體再分布器的選擇除塔頂液體的分布之外，填料層中的液體的再分布是填料塔中的一個重要問題。往往會發(fā)現(xiàn)，在離填料頂面一定距離處，噴淋的液體便開始向塔壁偏流，然后雁塔壁下流，塔中心處填料得不到好的濕潤，形成所謂“干椎體”的不正?，F(xiàn)象，減少了氣液兩相的有效接觸面積。因此每隔一定距離必須設置液體再分布器，以克服此種現(xiàn)象。升氣管式再分布器適用于直徑0.6m以上的塔，而且可以分段卸下填料，更換填料方便，所以本設計選用升氣管式再分布器。2.6.4填料支承裝置的選擇填料支承裝置的作用是支承填料以及填料層內液體的重量，同時保證氣液兩相順利通過。支承若設計不當，填料塔的液泛可能首先發(fā)生在支承板上。為使氣體能順利通過，對于普通填料塔，支承件上的流體通過的自由截面積為填料面的50%以上，且應大于填料的空隙率。此外，應考慮到裝上填料后要將支承板上的截面堵去一些，所以設計時應取盡可能大的自由截面。自由截面太小，在操作中會產(chǎn)生攔液現(xiàn)象。增加壓強降，降低效率，甚至形成液泛。由于填料支承裝置本身對塔內氣液的流動狀態(tài)也會產(chǎn)生影響，因此作為填料支承裝置，除考慮其對流體流動的影響外，一般情況下填料支承裝置應滿足如下要求：足夠的強度和剛度，以支持填料及所持液體的重量（持液量），并考慮填料空隙中的持液量，以及可能加于系統(tǒng)的壓力波動，機械震動，溫度波動等因素。足夠的開孔率（一般要大于填料的空隙率），以防止首先在支撐處發(fā)生液泛；為使氣體能順利通過，對于普通填料塔，支承件上的流體通過的自由截面積為填料面的50%以上，且應大于填料的空隙率。此外，應考慮到裝上填料后要將支承板上的截面堵去一些，所以設計時應取盡可能大的自由截面。自由截面太小，在操作中會產(chǎn)生攔液現(xiàn)象。增加壓強降，降低效率，甚至形成液泛12。結構上應有利于氣液相的均勻分布，同時不至于產(chǎn)生較大的阻力（一般阻力不大于20Pa）。本設計運用的瓷質鮑爾環(huán)，孔隙率相對較大，升氣管式支撐板能更好的克服支撐板的強度和自由截面之間的矛盾，耗能更好的適應高空隙率填料的要求，本設計選用升氣管式支撐板。2.6.5填料壓緊裝置為保證填料塔在工作狀態(tài)下填料床能夠穩(wěn)定，防止高氣相負荷或負荷突然變動時填料層發(fā)生松動，破壞填料層結構，甚至造成填料損失，必須在填料層頂部設置填料限定裝置。填料限定可分為類：一類是將放置于填料上端，僅靠自身重力將填料壓緊的填料限定裝置，稱為填料壓板；一類是將填料限定在塔壁上，稱為床層限定板。填料壓板常用于陶瓷填料，以免陶瓷填料發(fā)生移動撞擊，造成填料破碎。床層限定板多用于金屬和塑料填料，以防止由于填料層膨脹，改變其開始堆積狀態(tài)而造成的流體分布不均勻的現(xiàn)象。一般要求壓板和限制板自由截面分率大于70%。本任務由于使用陶瓷填料，故選用床層限定板。2.6.6塔頂除霧器由于氣體在塔頂離開填料塔時，帶有大量的液沫和霧滴，為回收這部分液相，經(jīng)常需要在頂設置除沫器。根據(jù)本吸收塔的特點，此處用絲網(wǎng)除霧器：2.7吸收塔的流體力學參數(shù)計算2.7.1 吸收塔的壓力降 氣體通過填料塔的壓強降，對填料塔影響較大。如果氣體通過填料塔的壓強降大，則操作過程的消耗動力大，特別是負壓操作更是如此，這將增加塔的操作費用。氣體通過填料塔的壓力降主要包括氣體進入填料的進口及出口壓力降，液體分布器及再分布器的壓力降，填料支撐及壓緊裝置壓力降以及除沫器壓力降等。填料層壓降的計算 可以利用Eckert通用關聯(lián)圖計算壓強降；2.7.2 吸收塔的泛點率校核塔的操作氣速為，泛點氣速為泛點率(50%-80%為經(jīng)驗值，所以在允許范圍之內)2.7.3 氣體動能因子吸收塔內氣體動能因子為氣體動能因子在常用的范圍內。3.其他附屬塔內件的選擇3.1吸收塔主要接管的尺寸計算本設計中填料塔有多處接管，但主要的是氣體和液體的進料口和出料口接管。在此分別以液體進料管和氣體進料管的管徑計算為例進行說明。氣體和液體在管道中流速的選擇原則為：常壓塔氣體進出口管氣速可取1020m/s（高壓塔氣速低于此值）；液體進出口流速可取0.81.5m/s（必要時可加大些）1液體進料接管進料管的結構類型很多，有直管進料管、彎管進料管、T型進料管。本設計采用直管進料管，管徑計算如下選管內液體流速：估算管內徑：管選用的普通焊接鋼管，內徑為156mm管內實際流速：2氣體進料接管采用直管進料。取氣速 取管徑為實際管內徑為，則實際通過氣體接管的氣速為：3.2離心泵的計算與選擇鋼管的絕對粗糙度，相對粗糙度查表得摩擦系數(shù)泵入口管長：0.2m 噴頭前管長0.5m 全程有一個截止閥（全開）： 三個90度彎頭： 帶濾水器的底閥（全開）：吸入管伸進水里出口突然擴大 進口突然縮小以河面為1-1截面，出口處為2-2截面列伯努利方程：選用IS100-80-125型 流量為 揚程為20m的泵流量m3/h揚程H/m效率/%功率/kw必需汽蝕余量(NPSH)r /m轉速（r/min）軸功率電功率10020787.00114.52900準備兩個泵，一個備用3.3風機的選取本設計混合氣體流量為2000m3/h，上面算的填料塔的全壓降為1260Pa，所以選擇4-72-3.2A型離心式鼓風機 其參數(shù)如下流量m3/h全壓Pa轉速r/min功率Kw電機型號2100130029002.2Y90L-2準備兩個風機，一個備用4.總結這次課程設計經(jīng)過兩周的時間得以完成，主要包括目錄、引言、設計方案、吸收塔的工藝計算等內容，主要通過上網(wǎng)搜集資料、查找統(tǒng)計文獻、數(shù)據(jù)的整合計算、文字的篩選等部分組成，在此基礎上形成了該課程設計的基礎框架，最后由本人加以總結整合，提出了相關設計方案，具體內容在課程設計各章節(jié)有所體現(xiàn)。在短短的兩周里，我真實的體會到理論與實踐結合的困難，也學到了用所學的有限的理論知識去解決實際過程中的問題的不易。在初步設計的時候，由于二氧化硫在30度的時候的溶解度曲線不是一條直線，而是一條曲線，而在計算相關參數(shù)的時候用亨利定律只能計算溶解度曲線是直線的情形，所以不能用亨利定律來計算相關參數(shù)。我們不得不通過查找文獻來尋找30度時候二氧化硫的溶解度時及在各個溶解度點的時候的平衡分壓，然后在坐標紙上準確的作出這么一條曲線。通過這條曲線找到在進氣口處氣體中含有百分之九的二氧化硫的時候，對應的吸收擠中二氧化硫的平衡摩爾分數(shù)，從而確定平均溶解度系數(shù)。在設計過程中我慢慢發(fā)現(xiàn)吸收單元的操作型設計與計算，在工業(yè)生產(chǎn)中起著非常重要的作用，要求也很嚴格，設計合理與實用性好是必須的。為使化工生產(chǎn)更加便捷，操作費用低廉，有些工藝材質需要加以改進，如塔填料。同時也要注意相關附屬設備的選擇，如選泵，要從多方面考慮，管道的直徑，管中流速，流量等。這次課程設計讓我有了很多的收獲。首先，通過課程設計資料的搜索以及對數(shù)據(jù)的計算中，讓我對化工原理有了更加清晰、更加深刻的認識，課程設計本身的完成過程，其實也是自己對化工原理輪廓的理解，對內容的把握的過程，這樣可以更加豐富的了解了化工原理的全貌，對自己的專業(yè)知識學習也更加深刻，不在流于表面。其次通過這次課程設計提高了我的邏輯思維能力以及對材料的整合和篩選能力，這對于我今后的研究和學習有很大的幫助，通過整個