填料塔化工原理课程设计完整版.pdf
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1、填料塔化工原理课程设计HEN syste1n office room HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688 摘要在化工生产中,气体吸收过程是利用气体混合物中,各组分在液体中浴解,度或化学反应活性的差异,在气液两相接触是发生传质,实现气液混合物的分离。在化学工业中,经常需将气体混合物中的各个组分加以分离,其目的是:回收或楠、获气体混合物中的有用物质,以制取产品;除去工艺气体中的有害成分,使气体净化,以便进一步加工处理:或除去工业放空尾气中的有害物,以免污染大气。实际过穰往往同时兼有净化和应收双重目的。吸收是利用混合气体中各组分在液体中的溶解度的差异来分离气态均相混合物的一种
2、单元操作。在化工生产中主要用于原料气的净化,有用组分的回收等。气液两相的分离是通过它们密切的接触进行的,在正常操作下,气相为连续相而液相为分散相,气相组成里连续变化,气相中的成分逐渐被分离出来。填料塔是气液呈连续性接触的气1(1传质设备,属微分接触逆流操作过程。塔的底部有支撑板用来支撑填料,并允许气液通过。支撑板上的填料有虫在砌和乱堆两种方式。填料层的上方有液体分布装置,从而使液体均匀喷洒子填料层上。填料层的空默率超过90%,一般液泛点较高,单位熔截商积上填料搭的生产能力较高,研究表明,在压力小子时,填料路的分离效率明显优于板式踏。这次课程设材的任务是用水吸收空气中的二氧化硫,然后再进行解吸处
3、理得到二氧化硫。要求设i-1包括踏径、填料熔高度、熔管的尺寸等,需要通过物料衡算得到所需要的基础数据,然后进行所需尺寸的训算得到各种设i-1参数,为阁的绘制打基础,提供数据参考。目录第一章设计方案的内容流程方案指完成设i:I任务书所达的任务采用怎样的工艺路线,包括需要哪些装置设备,物料在E个设备间的走向,l哪些地方需要有观测仪表、调节装置,那些取样点以及是否需要有备用设备等,按上述内容绘制流程图。设备方案根据设备要求,确定选用什么形式的设备。如I吸收塔选用板式塔还是填料塔,为什么选用填料塔。若选用填料塔,塔内填料的形式、尺寸和材质如何选定。方案的确定需要加以论证在技术上可仔的基础上考虑经济性。
4、第二章设计方案的确定吸收流程选择吸收工艺流程的确定工业上使用的吸收流程多种多样,可以从不同的角度进行分类,从所用的吸收剂的种类看,有仅用一种吸收剂的一步吸收流程和使用两种吸收剂的两部吸收流程,从所用的塔设备数量看,可分为单塔吸收流程很多塔吸收流程,从塔内气液两相得流向可分为逆流吸收流程、并流吸收流程等基本流程,此外,还有用于特定条件下的部分浴剂循环流程。(一一步吸收流程和两部吸收流程一步流程一般用于混合气体浴质浓度较低,同时过程的分离要求不高,选用一种吸收剂即可完成任务的情况。若混合气体中浴质浓度较高且吸收要求也高,难以用一步吸收达到规定的吸收要求,但过程的操作费用较高,从经济性的角度分析不够
5、适宣时,可以考虑采用两步吸收流程。(二)单塔吸收流程和多塔吸收流程单t苔吸收流程是吸收过程中最常用的流程,如过程无特别需要,则一般采用单塔吸收流程。若过程的分离要求较高,使用单塔操作时,所需要的搭体过高,或采用两步吸收流程时,则需要采用多塔流程(通常是双塔吸收流程)(三逆流吸收与并流吸收吸收塔或再生塔内气浓相可以逆流操作也可以并流操作,由于逆流操作具有传质推动力大,分离效率高(具有多个理论级的分离能力)的显着优点而广泛应用。工程上,如无特别需要,一般均采用逆流吸收流程。(四)部分溶剂循环吸收流程r:l:1于填料搭的分离效率受填料层上的液体喷淋量影响较大,当液相I质淋量过小时,将降低填料辖的分离
6、效率,因此当搭的液相负荷过小而难以充分i阀混填料表面时,可以采用部分浴剂循环吸收流程,以提高浓相喷淋量,改善塔的操作条件。本设i:I采用单塔逆流操作。流程装置的确定常用的吸收装置流程主要有逆流操作、并流操作、吸收及部分再循环操作、多塔串联操作、串联一并联操作,根据设讨任务、工艺特点,结合各种流程的优缺点,采用常规逆流操作的流程,传质平均推动力大,传质速率快,分离效率高,吸收及利用率高。流程如下图:阁工艺流程阁吸收剂的选择吸收剂的;也择应考虑以下几方面:(1)溶解,度:吸收剂对浴质的浴解,度要大,以提高吸收速率并减少吸收剂的用量。(2)选择性:吸收剂对溶质组分有良好的溶解能力,对其他组分不吸收或
7、甚微。(3)挥发度:操作温度下吸收剂的蒸汽压要低,以减少吸收和再生过程的挥损失。(4)粘度:吸收剂在操作温度下粘度要低,流动性要好,以提高传质和传热速率。(5)其他:所选用的吸收剂尽量要无毒性、无腐蚀性、不易爆易燃、不发泡、点低、廉价易得及化学性质稳定一般来说,任何一种吸收剂都难以满足以上所有要求,选用是要针对具体情况和主要因素,既考虑工艺要求又兼顾到经济合理性。本设i:I采用水作为吸收剂,二氧化硫作为浴质。吸收剂再生方法的选择依据所用的吸收剂不同可以采用不同的再生方案,工业上常用的吸收剂再生方法主要有减压再生、加热再生及气提再生等。A.减压再生(闪蒸吸收剂的减压再生是最简单的吸收剂再生方法之
8、一。在吸收熔内,吸收了大量浴质后的吸收剂进入再生踏并减压,使得融入吸收剂中的浴质得以再生。该方法最适用于加压吸收,而且吸收后的后续工艺处于常压或较低压力的条件,如吸收操作处于常压条件下进行,若采用减压再生,那么解吸操作需要在真空条件下进行,则过程可能不够经济B.加热再生加热再生也是吸收剂再生最常用的方法。吸收了大量海质后的吸收剂进入再生熔内并加热使其升温,浴入吸收剂中的溶质得以解吸。由于再生温度必须高于吸收¥1fil度,因而,该方法最适用于常温吸收或在接近于常温的吸收操作,否则,若吸收温度较高,贝。再生温度必然更高,从而,需要消耗更商品位的能量。一般采用水蒸气作为加热介质,加热方法可依据具体情
9、况采用直接蒸汽加热或采用间接蒸汽加热。操作温度和压力的确定对于物理吸收而言,降低操作温度,对吸收有利但低于环填温度的操作温度因其要消耗大量的制冷动力而一般是不可取的,所以一般情况下,取常温吸收较为有利对于特殊条件的吸收操作方可采用低于或高于环境的温度操作对于化学吸收,操作温度应根据化学反应的性质而定,既要考虑、温度对化学反应速度常数的影响,也要考虑对化学平衡的影响,使吸收反应具有适室的反应速度对于再生操作,较高的操作温度可以降低浴质的溶解度,因而有利于吸收剂的再生而对本设讨而言,主吸收过程的气液关系可知,温度降低可增加浴质组分的浴解度,1111低温有利于吸收,但操作温度的低限应有吸收系统的具体
10、情况决定。依据本次设i:I要求,操作温度定为20。操作压力的确定操作压力的选择根据具体情况的不同分为三种:对于物理吸收,加压操作一方商有利于提高吸收过程的传质推动力而提高过程的传质速率,另一方面,也可以减小气体的体积流率,减小吸收塔径所以操作十分有利但工程上,专门为吸收操作而为气体加压,从过程的经济性角度看是不合理的,因而若在前一道工序的压力参数下可以进行吸收操作的情况下,一般是以前道工斤,的压力作为吸收单元的操作压力对于化学吸收,若过程由质量传递过程控制,则提高操作压力有利,若为化学反应过程控制,则操作压力对过程的影响不大,可以完全根据前后工斤,的压力参数确定吸收操作压力,但加大吸收压力依然
11、可以减小气相的体积流率,对减小塔径仍然是有利的对于减压再生(闪蒸)Jl朵作,其操作压力应以吸收剂的再生要求而定,:ijs次或一次从吸收压力减至再生操作压力,逐次闪蒸的再生效果一般要优于一次闪蒸效果本设讨中主吸收过程的气浪平衡可知,压力升高可增加游质组分的浴解度,即加压有利于吸收。但随着操作压力的升高,对设备的加工制造要求提高,且能耗增加,综合考虑,采用常压。第三章吸收塔设备及填料类型与选择吸收塔设备的选择对于吸收过程,能够完成其分离任务的塔设备有多种,如何从众多的塔设备中选择合适的类型是进行工艺设i:I得首要工作。而进行这一项工作则需对吸收过程进行充分的研究后,并经多方案对比方能得到较满意的结
12、果。一般而言,吸收用塔设备与精馆过程所需要的塔设备具有相同的原则要求,flll用较小直径的塔设备完成规定的处理量,塔板或镇料层阻力要小,具有良好的传质性能,具有合适的操作弹性,结构简单,造价低,易于制造、安装、操作和维修等。在液体流率很低难以充分润湿填料,或塔径过大,使用填料塔不很经济的情况下,以采用板式塔为室。但作为吸收过程,一般具有操作浓气比大的特点,因而更适用于填料塔。此外,填料塔阻力小,效率高,有利于过程节能,所以对于吸收过程来说,以采用填料塔居多。本次吸收培设i:I选择填料吸收塔。填料类型的选择+2)工业上填料按形状和结构可分为散装均料和规整填料两类(65-67页:(1)散装填料以随
13、机的方式堆积在塔内,以下是几种典型的散装填料:捡回环填料最早的工业填料,但因性能较差,目前工业上已经很少使用鲍尔环填料是在捡回环基础上的改进,利用率有了很大提高阶梯环填料对鲍尔环的改进,为目前所使用的环形填料最为优良的一种弧鞍填料一般采用瓷质材料,易碎,工业中不常用环矩鞍填料袋环型与鞍型优点,是工业应用最广的一科l金属散装填料(2)规章在填料 以一定的几何形状,整齐士的切,工业用多为波纹填料,其优点是结构紧凑、传质效率高、处理量大,但不易处理粘度大或有悬浮物的物料,且造价合r11。根据分离工艺的要求,考虑以下因素:(1)传质效率在满足工艺条件的前提下,选用传质效率高,即HETP(或HTU)低的
14、填料。(2)通量保证较高的传质效率前提下,选用有较高泛点或气相动能因子的填料。(3)填料层压降压降越小,动力耗费越少,操作费用越小。(4)操作性能填料具有较大操作弹性,且具有一定的抗污烧、抗热敏能力等。填料规格的选择(1)散装填料常用主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等几乎1,规格。一般推荐:D三300时,选25111111的填料;300,nni豆D豆佣Omrn时,选25-38rnm的填料,D三师Omni时,选用50-70,n,n的填料,但一般大搭中常用50,nm.的填料。(2)规整填料从分离要求、通量要求、场地条件、物料性质及设备投资、操作费用等2)方面综合考虑,既考虑工
15、艺要求又兼顾到经济合理性(67-68页)。填料材质的选择(1)陶瓷具有耐腐性及耐热性,但质脆、易碎,不宣高冲击强度下使用。(2)金属碳钢对低腐蚀无腐蚀物系优先考虑,不锈钢耐c1以外物系腐蚀,特科l合金钢价格高,只在特殊条件下使用(3)塑料主要包括PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)、PVC(聚氯乙烯)等,一般采用pp(聚丙烯)材质。塑料耐腐蚀性、耐低热性好,但具有冷脆性,表面前可湿性较差。一般讲,操作温度较高但无显着腐蚀性时,选用金属填料:温度较低选用塑料填料:物系具有腐蚀性、操作温度高,室采用陶瓷填料综上所述考虑到本设i:I是利用清水吸收S02,吸收液显弱酸性,有一定的腐蚀性,同时考虑到经济的合理
16、性及吸收的效率,故先选用DN=501n1n聚乙烯阶梯环,是2)否合理在下面的i:I算中进行核算校验(68页。第四章吸收塔工艺条件的计算基础物性数据液相物性数据对于低浓度的吸收过程,浴浓的物性数据可以近似取纯水的物性数据20时水的有关物性数据如下(上册附录332页:密度PL=998.2(kg/rn3)粘度L=0.001制(Pa.S)=3融g!(n1.h)表面张力在726(d归Ic,n)=940896(kg/h2)so,在水中的扩散系数DL=l.47旷(cm2/s)=5.29旷(nlth)气相物性数据混合气体的平均摩尔质量为M=0.05x64.06+0.9529=30.75混合气体的平均密度为l混
17、合气体的粘度可近似取为空气的粘度,查手册(上册附录330页)的20空气的粘度为so2在空气中的扩散系数为确定气液平衡的关系?查化工原理(上附录(附录332页得20时水的有关物理数据如下:密度:凡998.2kg I rn3 摩尔质量:114s=18.02,no/I kg o,998.2 溶解度系数为:H=_t:J_=,=0.0 l 56k1110/I(仰1n3)EM,3.5510 xl8.02 该系统的相平衡关系可以表示为y*=mX=吸收剂及操作线的确定吸收剂用量的确定Y,0.。当进塔气相摩尔比为:只一一一一一0.0526:I-y1 1-0.05 出塔气相摩尔比为:乓写(1)=0.0526(1-
18、0.95)=0.00263 进塔惰性气体流量为:该吸收过程属于低浓度吸收,平衡关系为直线,最小浓气比可按下使i:I算,对于纯溶剂吸收过程,进塔浓相组成为:x2=O 一般情况下取吸收剂用量为最小用量的()倍时较为适宣。取操作浓气比为:(;)吼,in吸收剂用量:L=49.9285.48=4267.16kmol/h 操作线方程的确定如图3-1对逆流操作吸收搭在任一截面m-n与搭底问列物料衡算:吸收塔操作线方程式为:Y=79.92X+0.00263 塔径计算采用Eckert通用关联图法计算泛点速率ul阁填料塔泛点和l玉降的通用关联图(查自:化工原理课程设讨化工传递与单元操作课程设讨对于水吸收二氧化硫的
19、过程,操作温度及压力较低,工业用塑料散装填料,其中阶梯环填料综合性能较好,故选用DN50聚乙烯阶梯环填料。A相关数据:如化工原理(上)附录查20C下水的有关数据如下(上册附录332页:教度:,u*=J00.510-5Pa s=3.6kg/(ni h);密度:水998.2kg m.-3 塔1成混合气体的平均摩尔质量:故塔内气体平均密度为:气相质量流量为:i位相质量流量可近似按纯水的流量i:-1第flllEckert通用关联阁的横坐标为:查图填料塔泛点和l玉降的通用关联图纵坐标为式中:句:泛点气速misg:重力加速度s内,L:气相,液相密度kg/m:液体粘度mPa s 伊:水密度与液体密度之比:此
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