化工原理與化工設(shè)備課程設(shè)計講解

1、化工原理與化工設(shè)備課程設(shè)計任務(wù)書 (51 吸收簡介 (51.1 吸收技術(shù)概況 (51.2 塔設(shè)備在化工生產(chǎn)中的作用和地位 (62 設(shè)計方案簡介 (72.1吸收劑的選擇 (72. 2吸收工藝流程的確定 (82.2.1吸收工藝流程 (82.2.2吸收工藝流程圖及工藝過程說明 (92.3吸收塔設(shè)備及填料的選擇 (92.3.1吸收塔的設(shè)備選擇 (92.3.2填料的選擇 (103 吸收塔的工藝計算 (113.1基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù) (113.1.1液相物性數(shù)據(jù) (113.1.2氣相物性數(shù)據(jù) (113.1.3氣液相平衡數(shù)據(jù) (123.2物料衡算 (123.3填料塔的工藝尺寸的計算 (133.3.1塔徑的計算 (1

2、33.3.2泛點率校核 (143.3.3填料規(guī)格校核 (143.3.4液體噴淋密度校核 (143.4填料塔填料高度計算 (143.4.1傳質(zhì)單元高度計算 (143.4.2傳質(zhì)單元數(shù)的計算 (163.4.3填料層高度的計算 (173.5填料塔附屬高度計算 (173.6液體分布器計算和再分布器的選擇和計算 (173.6.1液體分布器 (173.6.2布液孔數(shù) (183.6.3 液體保持管高度 (193.7其他附屬塔內(nèi)件的選擇 (193.7.1液體分布器 (193.7.2液體再分布器 (203.7.3填料支承板 (203.7.4填料壓板與床層限制板 (203.7.5氣體進出口裝置與排液裝置 (203

3、.8吸收塔的流體力學參數(shù)的計算 (213.8.1吸收塔的壓力降 (213.8.2吸收塔的泛點率 (233.8.3氣體動能因子 (233.9附屬設(shè)備的計算與選擇 (233.9.1離心泵的選擇與計算 (233.9.2進出管工藝尺寸的計算舉例 (24工藝設(shè)計計算結(jié)果匯總與主要符號說明 (25化工機械設(shè)備部分 (281設(shè)計條件 (281.1塔體與裙座的機械設(shè)計條件如下: (282按計算壓力計算塔體與封頭厚度 (282.1塔體厚度計算: (282.2封頭厚度計算 (293塔設(shè)備的質(zhì)量載荷計算 (293.1筒體圓筒、封頭和裙座質(zhì)量01m (293.2塔內(nèi)構(gòu)件質(zhì)量 (293.3平臺、扶梯質(zhì)量03m . 30

4、 3.4操作時物料質(zhì)量04m . 30 3.5附件質(zhì)量a m . 30 3.6充水質(zhì)量w m (304 風載荷與風彎矩計算 (314.1風載荷計算 (314.2風彎矩計算 (325 地震彎矩計算 (336 各種載荷引起的軸向應(yīng)力 (346.1計算壓力引起的軸向拉應(yīng)力1 . 34 6.2操作質(zhì)量引起的軸向壓應(yīng)力2 . 34 6.3最大彎矩引起的軸向應(yīng)力3 (357 塔體與裙座危險截面的強度與穩(wěn)定校核 (367.1塔體的最大組合軸向拉應(yīng)力校核 (367.2塔體與裙座的穩(wěn)定校核 (367.3各危險截面強度與穩(wěn)定校核匯總 (378 水壓試驗時各種載荷引起的應(yīng)力 (398.1試驗壓力和液柱靜壓力引起的環(huán)

5、向應(yīng)力 (398.1.1塔體水壓試驗 (398.1.2試驗壓力引起的軸向應(yīng)力 (398.1.3最大質(zhì)量引起的軸向應(yīng)力 (398.1.4彎矩引起的軸向應(yīng)力 (398.2水壓試驗時應(yīng)力校核 (398.2.1筒體環(huán)向應(yīng)力校核 (398.2.2最大組合軸向拉應(yīng)力校核 (408.2.3最大組合軸向壓應(yīng)力校核 (409、基礎(chǔ)環(huán)設(shè)計 (409.1基礎(chǔ)環(huán)尺寸 (409.2基礎(chǔ)環(huán)的應(yīng)力校核 (409.3基礎(chǔ)環(huán)的厚度 (4110、地腳螺栓計算 (4210.1地腳螺栓承受的最大拉應(yīng)力 (4210.2地腳螺栓的螺紋小徑 (4211、開孔及補強 (4311.1.開孔設(shè)計 (4311.2.開孔補強 (4312、設(shè)計結(jié)果評

6、價及總結(jié) (43附錄A主要符號說明 (44參考文獻 (44化工原理與化工設(shè)備課程設(shè)計說明書學生:指導(dǎo)教師:梅麗班級:2011級勵志班專業(yè):應(yīng)用化學化工原理與化工設(shè)備課程設(shè)計任務(wù)書專業(yè)應(yīng)用化學班級2011級班設(shè)計人課程設(shè)計任務(wù)書1、設(shè)計題目:水吸收丙酮過程填料吸收塔的設(shè)計;試設(shè)計一座填料吸收塔,用于脫除混于空氣中的丙酮氣體。生產(chǎn)能力:在101.3kPa、25的操作條件下,丙酮含量為5%(摩爾分數(shù)的混合氣以0.521m3/s的流量(1875.6m3/h進入吸收塔,要求塔內(nèi)的吸收率達到98%。(其他參數(shù)自行根據(jù)實際條件進行合理確定2、工藝操作條件:(1操作平均壓力常壓(2操作溫度t=25(3填料類型

7、及規(guī)格自選。3、設(shè)計任務(wù):設(shè)計方案簡介:根據(jù)設(shè)計任務(wù)書所提供的條件和要求,通過對現(xiàn)有生產(chǎn)現(xiàn)場調(diào)查或?qū)ΜF(xiàn)有資料的分析對比,選定適宜的設(shè)備附件類型。設(shè)備的工藝設(shè)計計算:包括工藝參數(shù)的選定、物料衡算、塔設(shè)備的工藝尺寸計算及結(jié)構(gòu)設(shè)計。設(shè)備的機械設(shè)計計算:包括強度設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計。設(shè)備工藝條件圖,包括設(shè)備的主要工藝尺寸、技術(shù)特性表和管口表。設(shè)備結(jié)構(gòu)裝配詳圖,按化工設(shè)備裝配圖的要求繪制完成。1 吸收簡介1.1 吸收技術(shù)概況在化工生產(chǎn)中,經(jīng)常要處理各種原料、中間產(chǎn)物、粗產(chǎn)品。這些物料幾乎都是混合物,而且大部分都是均相物系,往往不能滿足生產(chǎn)要求,需要把它們分離成較為純凈的物質(zhì)。為了實現(xiàn)這種分離,常利用均相物系中

8、不同組分的某種性質(zhì)差異,使其中的一種組分(或幾種組分,在分離設(shè)備所提供的兩相物系界面上,通過充分的接觸,從一相轉(zhuǎn)移到另一相,其它組分仍保留在原物系中,從而實現(xiàn)了分離。這種分離是物質(zhì)在相際間的轉(zhuǎn)移過程,即物質(zhì)傳遞過程,也是化工生產(chǎn)中的單元操作。吸收就是這種以物質(zhì)分離為目的的單元操作。吸收是用來分離氣體混合物的,是利用混合氣體中各組分在吸收劑中的溶解度的差異而實現(xiàn)分離的操作。在吸收過程中,混合氣體與合適的液體吸收劑在吸收設(shè)備中充分接觸,氣體中易溶解的組分被溶解,不能溶解的組分仍保留在氣相中,這樣混合氣體就實現(xiàn)了分離。吸收劑將混合氣體中溶質(zhì)組分吸收后所得到的溶液是混合溶液,在生產(chǎn)中常需要使溶質(zhì)從吸收

9、后的溶液中重新釋放出來,實現(xiàn)最終分離,而液相的吸收劑有可得以再生重新使用。這種使溶質(zhì)組分從溶液中脫出的過程稱為解吸,是吸收的逆過程,也是一種通過相際間傳質(zhì)而實現(xiàn)物質(zhì)分離的單元操作。在化工生產(chǎn)中,吸收和解吸是常用的聯(lián)合操作,共同構(gòu)成了一個完整的工藝流程。1.2 塔設(shè)備在化工生產(chǎn)中的作用和地位塔設(shè)備是化學工業(yè)、石油工業(yè)、石油化工等生產(chǎn)中最重要的設(shè)備之一。在塔設(shè)備中能進行的單元操作有:精餾、吸收、解吸、氣體的增濃及冷卻等。吸收設(shè)備有多種形式,但以塔式最為常見。按氣、液兩相接觸方式的不同可將吸收設(shè)備分為級式接觸和微分接觸兩大類。在級式接觸設(shè)備中,氣體與液體逐級逆流接觸。氣體自下而上通過板上小孔,在每一

10、板上與溶劑接觸,其中可溶組分被部分的溶解。氣體每上升一塊塔板,其可溶組分的濃度階越式的降低;溶劑逐板下降,其可溶組分的濃度則階越式的升高。但是,在級式接觸過程中所進行的吸收過程仍可不隨時間而變,為定態(tài)連續(xù)過程。在微分接觸設(shè)備中,液體自塔頂均勻流下,氣體通過填料間的空隙上升與液體做連續(xù)接觸,氣體中的可溶組分不斷的被吸收,其濃度自下而上連續(xù)的降低;液體則相反,其中可溶組分的濃度則有上而下連續(xù)的增高?；どa(chǎn)中吸收主要用于回收或捕獲氣體混合物中的有用物質(zhì),以制取產(chǎn)品;還用于出去工藝氣體中的有害成分,使氣體凈化,以便進一步加工處理;或除去工業(yè)放空尾氣中的有害物,以免污染空氣。實際過程往往同時兼有凈化和

11、回收的雙重目的。2 設(shè)計方案簡介吸收過程的設(shè)計方案主要包括吸收劑的選擇、吸收流程的選擇、解吸方法選擇、設(shè)備類型選擇、操作參數(shù)的選擇等內(nèi)容.2.1吸收劑的選擇在填料吸收塔的設(shè)計中,選擇合適的吸收劑,對物系的有效分離、流程的確定、溶劑的用量或循環(huán)量、設(shè)備的尺寸大小等都有至關(guān)重要的影響,也直接決定了分離操作的經(jīng)濟效益。對吸收劑的選擇,一般遵循以下原則:(一對溶質(zhì)的溶解度大選用溶解度大的溶劑,可大大降低溶劑用量,溶劑的循環(huán)量和再生處理量都隨之減小,這意味著日常操作費用的降低。在吸收劑同樣用量的情況下,完成一定的分離任務(wù),選用溶解度大的溶劑,則可減小吸收設(shè)備的尺寸,從而降低設(shè)備費用。(二對溶質(zhì)有較高的吸

12、收選擇性對溶質(zhì)有較高的選擇性,即吸收劑應(yīng)對溶質(zhì)有較大的溶解度,而對其他組分則溶解度要小,這樣不但可以減小惰性氣體組分的損失,還可以提高解吸后溶質(zhì)氣體的純度.(三不易揮發(fā)吸收劑在操作條件下應(yīng)具有較低的蒸氣壓,避免吸收過程中吸收劑的損失,提高吸收過程的經(jīng)濟性.(四再生性能好由于在吸收劑再生過程中,一般要對其進行升溫或氣提等處理,能量消耗較大,因而,吸收劑再生性能的好壞,對吸收過程能耗的影響極大,選用具有良好再生性能的吸收劑,往往能有效地降低過程的能量消耗.以上四個方面是選擇吸收劑時應(yīng)考慮的主要問題,其次,還應(yīng)注意所選擇的吸收劑應(yīng)具有良好的物理、化學性能和經(jīng)濟性.其良好的物理性能主要指吸收劑的粘要小

13、,不易發(fā)泡,以保證吸收劑具有良好的流動性能和分布性能.良好的化學性能主要指其具有良好的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性,以防止在使用中發(fā)生變質(zhì),同時要求吸收劑盡可能無毒、無易燃易爆性,對相關(guān)設(shè)備無腐蝕性(或較小的腐蝕性.吸收劑的經(jīng)濟性主要指應(yīng)盡可能選用廉價易得的溶劑.綜上所述,選擇水作為吸收劑吸收丙酮.2. 2吸收工藝流程的確定2.2.1吸收工藝流程工業(yè)上使用的吸收流程多種多樣,可以從不同角度進行分類,從所選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步吸收流程,從所用的塔設(shè)備數(shù)量看,可分為單塔吸收流程和多塔吸收流程,從塔內(nèi)氣液兩相的流向可分為逆流吸收流程、并流吸收流程等基本流程

14、,此外,還有用于特定條件下的部分溶劑循環(huán)流程。(一一步吸收流程和兩步吸收流程一步流程一般用于混合氣體溶質(zhì)濃度較低,同時過程的分離要求不高,選用一種吸收劑即可完成任務(wù)的情況。若混合氣體中溶質(zhì)濃度較高且吸收要求也高,難以用一步吸收達到規(guī)定的吸收要求,但過程的操作費用較高,從經(jīng)濟性的角度分析不夠適宜時,可以考慮采用兩步吸收流程。(二單塔吸收流程和多塔吸收流程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(三逆流吸收與并流吸收吸收塔或再生塔內(nèi)氣液相可以逆

15、流操作也可以并流操作,由于逆流操作具有傳質(zhì)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(yīng)用。工程上,如無特別需要,一般均采用逆流吸收流程。(四部分溶劑循環(huán)吸收流程由于填料塔的分離效率受填料層上的液體噴淋量影響較大,當液相噴淋量過小時,將降低填料塔的分離效率,因此當塔的液相負荷過小而難以充分潤濕填料表面時,可以采用部分溶劑循環(huán)吸收流程,以提高液相噴淋量,改善踏的操作條件。綜上所述,采用單塔逆流吸收能滿足分離要求.2.2.2吸收工藝流程圖及工藝過程說明 圖1 吸收與解吸流程2.3吸收塔設(shè)備及填料的選擇2.3.1吸收塔的設(shè)備選擇按氣液兩相接觸的方式不同可將吸收設(shè)備分為級式接觸設(shè)備與

16、微分接觸設(shè)備兩大類。板式吸收塔是典型的級式接觸設(shè)備,氣體與液體逐級逆流接觸。氣體自下而上通過板上小孔逐板上升,在每一板上與溶劑接觸,其中可溶組分被部分地溶解。在此類設(shè)備中,氣體每上升一塊板,其可溶組分的濃度階越式地降低;溶劑逐板下降, 其可溶組分的濃度階越式地升高。但是,在級式接觸過程中所進行的吸收過程仍可不隨時間而變,為定態(tài)連續(xù)過程。填料吸收塔是常用的微分接觸設(shè)備。液體呈膜狀沿壁流下,此為壁塔或降膜塔。更常見的是在塔內(nèi)充以諸如瓷環(huán)之類的填料,液體自塔頂均勻淋下并沿填料表面下流,氣體通過填料間的空隙上升與液體做連續(xù)的逆流接觸。在這類設(shè)備中,氣體中的可溶組分不斷地被吸收,其濃度自下而上連續(xù)地降低

17、;液體則相反, 其可溶組分的濃度則由上而下連續(xù)地增高。對于吸收過程,能夠完成其分離任務(wù)的塔設(shè)備有多種,如何從眾多的塔設(shè)備中選出合適的類型是進行工藝設(shè)計的首要工作.而進行這一項工作則需對吸收過程進行充分的研究后,并經(jīng)多方案對比方能得到較滿意的結(jié)果.一般而言,吸收用塔設(shè)備與精餾過程所需要的塔設(shè)備具有相同的原則要求,即用較小直徑的塔設(shè)備完成規(guī)定的處理量,塔板或填料層阻力要小,具有良好的傳質(zhì)性能,具有合適的操作彈性,結(jié)構(gòu)簡單,造價低,易于制造、安裝、操作和維修等.但作為吸收過程,一般具有操作液氣比較大大的特點,因而更適用于填料塔.此外,填料塔阻力小,效率高,有利于過程節(jié)能,所以對于吸收過程來說,以采用

18、填料塔居多.但在液體流率很低難以充分潤濕填料,或塔徑過大,使用填料塔不經(jīng)濟的情況下,以采用板式塔為宜.2.3.2填料的選擇填料的選擇包括確定填料的種類、尺寸及材質(zhì)等.所選填料既要滿足生產(chǎn)工藝的要求,又要使設(shè)備投資和操作費用較低.并且各種填料的結(jié)構(gòu)差異較大,具有不同的優(yōu)缺點,因此在使用上應(yīng)根據(jù)具體情況選擇不同的塔填料。在選擇塔填料時,應(yīng)該考慮如下幾個問題:1.填料種類的選擇填料種類的選擇要考慮分離工藝的要求,還要確保有較高的傳質(zhì)效率.除此之外,還應(yīng)選擇具有較高泛點氣速或氣相動能因子的填料,這樣可以使通量增大,塔的處理能力也增大.填料層壓降是填料的主要應(yīng)用性能,填料層的壓降愈低,動力消耗就愈低,操

19、作費用愈小.填料的操作性能主要指操作彈性、抗污堵性及抗熱敏性等.所選填料應(yīng)具有較大的操作彈性,以保證塔內(nèi)氣液負荷發(fā)生波動時維持操作穩(wěn)定.同時還應(yīng)具有一定的抗污堵、抗熱敏能力,以適應(yīng)物料的變化及塔內(nèi)溫度的變化.2.填料尺寸的選擇實踐表明,填料塔的塔徑與填料直徑的比值應(yīng)保持不低于某一下限值,以防止產(chǎn)生較大的壁效應(yīng),造成塔的分離效率下降。一般來說,填料尺寸大,成本低,處理量大,但是效率低,使用大于50mm的填料,其成本的降低往往難以抵償其效率降低所造成的成本增加。所以,一般大塔經(jīng)常使用50mm的填料。 3.填料材質(zhì)的選擇選擇填料材質(zhì)應(yīng)根據(jù)吸收系統(tǒng)的介質(zhì)以及操作溫度而定,一般情況下,可以選用塑料,金屬

20、,陶瓷等材料。對于腐蝕性介質(zhì)應(yīng)采用相應(yīng)的抗腐蝕性材料,如陶瓷,塑料,玻璃,石墨,不銹鋼等,對于溫度較高的情況,應(yīng)考慮材料的耐溫性能。38聚丙烯塑料階梯環(huán)填料,有關(guān)特綜合考慮以上各個因素,本設(shè)計中選用DN性數(shù)據(jù)如下表: 3 吸收塔的工藝計算3.1基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù) 3.1.1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)可近似取純水的物性數(shù)據(jù)。由手冊查得,25時水的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下:密度為 08.997=L kg/m 3粘度為 8937.0=L m P =3.217 kg/(m ·h 表面張力為 255.45/718632/L dyn cm kg h = 查手冊得25 時丙酮在水中的擴散系數(shù)為

21、:52621.6510 5.9410/L D m s m h -=3.1.2氣相物性數(shù)據(jù)混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為kmol M y M i i Vm /45.302995.05805.0=+=混合氣體的平均密度為3/245.1298314.845.303.101m kg RT PM Vm Vm = 混合氣體的粘度可近似取為空氣的粘度,查手冊得25 時空氣的黏度為:18.350.06606/(v pa s kg m h =由手冊查得, 1atm 0 時丙酮在空氣中的擴散系數(shù)為:420.10910/D m s -=則25 時丙酮在空氣中的擴散系數(shù)為:4 1.812273.1525101.30.109

22、10(0.04608/273.1515101.3v D m s -+=+3.1.3氣液相平衡數(shù)據(jù)化工單元操作設(shè)計手冊(化學工業(yè)部化學工程設(shè)計技術(shù)中心站主編表2-1查得常壓下25時丙酮在水中的亨利系數(shù)為 4 211.5E kPa =相平衡常數(shù)為211.532.088101.3E m P =溶解度系數(shù):L S H EM =3997.080.262/(.211.518.02kmol kPa m =3.2物料衡算回收率98.005.005.0%1002121=-=-y y y y 所以001.02=y回流比取1.5倍最小回流比1212min 121(1.6( 1.6 1.6 1.6 2.0880.98

23、 3.217e y y m y y L LG G x x y -=- 氣體處理量 h kg h m G /122.2335/6.18753= 可得出吸收劑用量為 7582.141/L kg h = 全塔物料衡算: 1212(G y y L x x -=- 可得 10.01509x =3.3填料塔的工藝尺寸的計算 3.3.1塔徑的計算填料塔直徑的計算采用式子D = 計算 計算塔徑關(guān)鍵是確定空塔氣速 ,采用泛點氣速法確定空塔氣速. 泛點氣速是填料塔操作氣速的上限,填料塔的操作空塔氣速必須小于泛點氣速才能穩(wěn)定操作.泛點氣速(/f u m s 的計算可以采用EcKert 通用關(guān)聯(lián)圖查圖計算,但結(jié)果不準

24、確,且不能用于計算機連續(xù)計算,因此可采用貝恩-霍根公式計算:210.20.2583lg(ft G G L L L G Lu a W A K g W =- 式中 29.81/g ms = 23132.5/t a m m =3/2450.191.0mkg G =3997.08/L k g m = 0.2041.750.8937.7582.141/2335.122/L L G A K m p a s W k g h W k g h = 代入以上數(shù)據(jù)解得泛點氣速 2.9369/f u m s = 取0.6 1.7621/f u u m s = 則塔徑0.6134D m = = 圓整后取 0.65650

25、D m mm =3.3.2泛點率校核21875.6/36001.571/3.140.654u m s =1.571100%53.5%2.9369f u f u = f 在50%-80%之間,所以符合要求.3.3.3填料規(guī)格校核 有65017.1838D d => 即符合要求. 3.3.4液體噴淋密度校核對于直徑不超過75mm 的散裝填料塔,取最小潤濕速率為:(h m m L w =/08.03m in本設(shè)計中填料塔的噴淋密度為:32227582.14122.93/(.0.785997.080.7850.65n L U m m h D = 最小噴淋密度: 32min min (0.0813

26、2.510.6/(w t U L a m m h =min U U >說明填料能獲得良好的潤濕效果.經(jīng)以上校核可知,填料塔直徑選用D=600mm 能較好地滿足設(shè)計要求。 3.4填料塔填料高度計算 3.4.1傳質(zhì)單元高度計算傳質(zhì)過程的影響因素十分復(fù)雜,對于不同的物系、不同的填料及不同的流動狀況與操作條件, 傳質(zhì)單元高度迄今為止尚無通用的計算方法和計算公式.目前,在進行設(shè)計時多選用一些準數(shù)關(guān)聯(lián)式或經(jīng)驗公式進行計算,其中應(yīng)用較普遍的是修正的恩田(Onde 公式: -=-2.0205.0221.075.045.1exp 1t L L L L t L L t L L C t w a U g a U

27、 a U a a 查113-5 得240518400c dyn cm h kg = 液體質(zhì)量通量為227582.14122858.43/(.0.7850.65L U kg m h = 0.050.750.12280.2251840022858.4322858.43132.51.45934934.4132.5 3.21732997.08 1.27101exp 0.491822858.43997.08934934.4132.5W ta a - =-= 230.491865.19/W t a a m m =氣膜吸收系數(shù)有下式計算:氣體質(zhì)量通量為:221875.6 1.24507039.86/(.0.

28、7850.65V U kg m h = 10.7310.732117039.860.06606132.50.046080.237132.50.06606 1.24500.046088.3142980.06617(.V V t V G t V V V u a D k c a D RT kmol m h kpa -= = =液膜吸收系數(shù)由下式計算:210.533120.583360.00957039.86 3.217 3.217 1.27100.009565.19 3.217997.08 4.39210997.080.5703(/L L L L W L L L L U g k a D m h -=

29、 = =由1.1=w G G a k a k ,查1 14-5 得46.1=則1.1 1.130.0661765.19 1.46 6.541/(.G G w k a k a kmol m h kpa =0.40.40.570365.19 1.4643.254/L L w k a k a L h = 因為53.5%50%Fu u => ,所以必須對G k a 和L k a 進行校正,校正計算如下:由 a k u u a k G F G -+=4.1'5.0(5.91 2.21 2.6(0.5L L F u k a k a u '=+-得 ' 1.4319.5(0.5

30、350.5 6.5417.114/(.G k a kmol m h kpa =+-=' 2.21 2.6(0.5350.543.25443.324/L k a L h =+-=則氣相總傳質(zhì)系數(shù)為:3''11 4.373/(11117.1140.26243.324G G L k a kmol m h kpa k a Hk a =+ 由272.87220.4964.373101.30.7850.65OG G V H m K aP = 3.4.2傳質(zhì)單元數(shù)的計算*11 1.750.015240.02667y mx =*11 2.0880.015090.0315y mx =*2

31、20y mx =解吸因數(shù)為2.08810.64913.217mV S L = 氣相總傳質(zhì)單元數(shù)為:(*12*22110.050ln 1ln 10.64910.64918.2676110.64910.0010OG y y N S S S y y -=-+=-+=-3.4.3填料層高度的計算由0.4968.2676 4.102OG OG Z H N m =得' 1.2 4.102 4.92Z m =設(shè)計取填料層高度為m Z 5'=查 16-51 對于階梯環(huán)填料, h/D=815, m h 6m ax 取8h D=,則 86004800h mm mm = 計算得填料塔高度為5000m

32、m ,故不需分段 3.5填料塔附屬高度計算塔上部空間高度可取1.8m, 塔底液相停留時間按5min 考慮, 則塔釜所占空間高度為125607582.141 1.910.650.7853600997.08h m = 考慮到氣相接管所占的空間高度,底部空間高度可取2m,所以塔的附屬高度可以取4m.所以塔高為 m H A 954=+=3.6液體分布器計算和再分布器的選擇和計算3.6.1液體分布器液體分布裝置的種類多樣,有噴頭式、盤式、管式、槽式、及槽盤式等。工業(yè)應(yīng)用以管式、槽式、及槽盤式為主。性能優(yōu)良的液體分布器設(shè)計時必須滿足以下幾點:液體分布均勻 評價液體分布均勻的標準是:足夠的分布點密度;分布點

33、的幾何均勻性;降液點間流量的均勻性。分布點密度。大致規(guī)律是:塔徑越大,分布點密度越小;液體噴淋密度越小,分布點密度越大。對于散裝填料,填料尺寸越大,分布點密度越小。表3-1列出了散裝填料塔的分布點密度推薦值 分布點的幾何均勻性。分布點在塔截面上的幾何均勻分布是較之分布點密度更為重要的問題。分布點的排列可采用正方形、正三角形等不同方式。降夜點間流量的均勻性。為保證各分布點的流量均勻,需要分布器總體的合理設(shè)計、精細的制作和正確的安裝。操作彈性大 液體分布器的操作彈性是指液體的最大負荷與最小負荷之比。設(shè)計中,一般要求液體分布器的操作彈性為24,對于液體負荷變化很大的工藝過程,有時要求操作彈性達到10

34、以上,此時,分布器必須特殊設(shè)計。自由截面積大 液體分布器的自由截面積是指氣體通道占塔截面積最小應(yīng)在35%以上。其他 液體分布器應(yīng)結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小、制造容易、調(diào)整和維修方便。3.6.2布液孔數(shù)(1液體分布器選型本設(shè)計中塔徑較小,故此選用管式液體分布器。(2分布點密度計算該塔的塔徑較小,且填料的比表面積較大,故應(yīng)選較大的分布點密度。設(shè)計中取分布點密度為200點/m 2。布液點數(shù)為 20.7850.6520066.3467n =點按分布點幾何均勻與流量均勻的原則,進行布點設(shè)計。設(shè)計結(jié)果為:主管直徑38 3.5,支管直徑183.采用7根支管,支管中心距為65mm ,采用正方形排列,實際布點數(shù)為70

35、.(3布液計算 由 204L d n =取65.0= ,160H mm = 則 00.0058d m = 設(shè)計取 0 5.8d mm =3.6.3 液體保持管高度取布液孔直徑為5.8mm ,則液位保持管中的液位高度為:222247582.141/3600997.084 3.14700.00580.6220.17129.81L h g m d nk = 設(shè)計取液位高度 ' 1.150.197197h h m mm =3.7其他附屬塔內(nèi)件的選擇本裝置的直徑較小可采用簡單的進氣分布裝置,同時排放的凈化氣體中的液相夾帶要求嚴格,應(yīng)設(shè)除液沫裝置,為防止填料由于氣流過大而是翻,應(yīng)在填料上放置一個篩

36、網(wǎng)裝置,防止填料上浮.3.7.1液體分布器液體在填料塔頂噴淋的均勻狀況是提供塔內(nèi)氣液均勻分布的先決條件,也是使填料達到預(yù)期分離效果的保證。為此,分布器設(shè)計中應(yīng)注意以下幾點:(1、為保證液體在塔截面上均布,顆粒型(散裝填料的噴淋點數(shù)為4080個/m 2(環(huán)形填料自分布性能差應(yīng)取高值,此外,為減少壁流效應(yīng),噴淋孔的分布應(yīng)使近塔壁520區(qū)域內(nèi)的液體流量不超過總液量的10。規(guī)整填料一般為100200個/噴淋點。(2、噴淋孔徑不宜小于2,以免引起堵塞,孔徑也不宜過大,否則液位高度難維持穩(wěn)定。液體分布器有以下幾種形式:1. 多孔型液體分布器多孔型液體分布器系借助孔口以上的液層靜壓或泵送壓力使液體通過小孔注

37、入塔內(nèi)。2.直管式多孔分布器根據(jù)直管液量的大小,在直管下方開24排對稱小孔,孔徑與孔數(shù)依液體的流量范圍確定,通常取孔徑26,孔的總面積與及進液管截面積大致相等,噴霧角根據(jù)塔徑采用30°或45°,直管安裝在填料層頂部以上約300。此形分布器用于塔徑600800,對液體的均布要求不高的場合。根據(jù)要求,也可以采用環(huán)形管式多孔分布器。3. 排管式多孔分布器支管上孔徑一般為35,孔數(shù)依噴淋點要求決定。支管排數(shù)、管心距及孔心距依塔徑和液體負荷調(diào)整。一般每根支管上可開13排小孔,孔中心線與垂直線的夾角可取15°、22.5°、30°或45°等,取決于

38、液流達到填料表面時的均布狀況。主管與支管直徑由送液推動力決定,如用液柱靜壓送液,中間垂直管和水平主管內(nèi)的流速為0.20.3m/s,支管流速取為0.150.2m/s;采用泵送液則流速可提高。3.7.2液體再分布器液體再分布器的作用是將流到塔壁近旁的液體重新匯集并引向中央?yún)^(qū)域。填料層較高時,應(yīng)分段安裝,段與段間設(shè)液體分布器。比較完善的裝置可以做成像上述升氣管篩板型液體分布器的樣子,只是要在各升氣管口之上加笠形罩,以防止從上段填料層底部落下的液體進入升氣管。平盤底部各處的液層高度大體相同,于是各處篩孔所流下的液體速度大致相同。本設(shè)計中塔高為6米,不需要分段,故不需要安裝液體再分布器3.7.3填料支承

39、板填料支撐板既要具備一定的機械強度以承受填料層及其所持液體的重量,又要留出足夠的空隙面積空氣、液流量,氣體通過支承板空隙的線速不能不等于通過填料層空隙的線速度,否則便會在填料層內(nèi)尚未發(fā)生液泛之前,已在支撐板處發(fā)生液泛。一般要求支承板的自由截面積之比大于填料層的空隙率。最簡單的支承裝置是用扁鋼條制作的格柵或開孔的金屬板。格柵的間隙或孔板的孔徑如果過大,容易使填料落下,此時可于支承裝置上先鋪一層尺寸較大的同類填料。氣體噴射支承板,適于在大直徑塔中使用,從塔底上升的氣體通過水平部分的孔流下。通氣孔的總截面積可以做到大于塔的截面積,這種設(shè)計使得氣流阻力小而通過能力大,并排除了在支承板上發(fā)生液泛的危險。

40、3.7.4填料壓板與床層限制板填料壓板系藉自身質(zhì)量壓住填料但不致壓壞填料;限制板的質(zhì)量輕,需固定于塔壁上。一般要求壓板或限制板自由截面分率大于70%。3.7.5氣體進出口裝置與排液裝置(1氣體進出口裝置填料塔的氣體進口既要防止液體倒灌,更要有利于氣體的均勻分布。對500mm直徑以下的小塔,可使進氣管伸到塔中心位置,管端切成45°向下斜口或切成向下切口,使氣流折轉(zhuǎn)向上。對1.5m以下直徑的塔,管的末端可制成下彎的錐形擴大器,或采用其它均布氣流的裝置。氣體出口裝置既要保證氣流暢通,又要盡量除去被夾帶的液沫。最簡單的裝置是在氣體出口處裝一除沫擋板,或填料式、絲網(wǎng)式除霧器,對除沫要求高時可采

41、用旋流板除霧器。本設(shè)計中選用折板除霧器。折板除霧器的結(jié)構(gòu)簡單有效,除霧板由50503mm mm mm 的角鋼組成,板間橫向距離為25mm ,垂直流過的氣速可按下 式計算:u =式中 u 氣速,m /s ; L v 液相及氣相密度,3/kg m ; k 系數(shù),0.085-0.10;本設(shè)計中取 0.09k =,則流過的氣速s m u /545.22450.12450.108.99709.0=-=所需除霧板組的橫斷面為 2205.0545.236006.1875m u q S V =由上式確定的氣速范圍,除霧板的阻力為49-98pa ,此時能除去的最小霧滴直徑約為0.05mm ,即50m . (2排

42、液裝置液體出口裝置既要使塔底液體順利排出,又能防止塔內(nèi)與塔外氣體串通,常壓吸收塔可采用液封裝置。常壓塔氣體進出口管氣速可取1020m/s (高壓塔氣速低于此值;液體進出口氣速可取0.81.5m/s (必要時可加大些管徑依氣速決定后,應(yīng)按標準管規(guī)定進行圓整.3.8吸收塔的流體力學參數(shù)的計算 3.8.1吸收塔的壓力降填料塔的的壓力降為:p p p p p +=321(1氣體進出口壓降:取氣體進出口接管的內(nèi)徑為200mm,則氣體的進出口流速為/(592.162.014.336006.187542s m u =則進口壓強為 (突然擴大 =1(37.171592.162450.12121221pa p

43、= 出口壓強為 (突然縮小 =0.522210.50.50.5 1.245016.59285.68(2P u pa =(2填料層壓降:氣體通過填料層的壓降采用Eckert 關(guān)聯(lián)圖計算, 其中橫坐標為0.50.1013V L V L W W = 查 18-51得1116P m -=縱坐標為22.0.20.21.5711161 1.24500.89370.036449.81997.08P V L L u g =查 21-5圖1得259.81245.25/PPa m Z= 填料層壓力降(25.1226525.245Pa P =(3其他塔內(nèi)件的壓降:其他塔內(nèi)件的壓降p 較小,在此處可以忽略.所以吸收塔

44、的總壓降為(3.148325.122668.8537.171321Pa P P P P =+=+=(4持液量計算持液量計算方法較多,但大部分都是對拉西環(huán)填料的測試數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)的公式。本設(shè)計采用Leva 及大竹、岡田的關(guān)聯(lián)式: Leva 關(guān)聯(lián)式: 0.60.143(t e L H d =式中 t H 總持液量,3m 液體3/m 填料; L 液相流率,32/(m m h ; e d 填料當量直徑,m ; 大竹、岡田發(fā)表的持液量關(guān)聯(lián)式: 320.6760.440 1.295(L LLLLdu d g H -=式中 0H 動持液量, 3m 液體3/m 填料; d 填料的公稱直徑,m ; L 液相密度,

45、3/kg m ; L u 液相空塔線速度, m/s ; L 液相粘度, /(kg m s g 重力加速度,9.81 2/m s ;上述兩式的計算誤差為20% ,本設(shè)計中填料的持液量為:(0.440.6762233020.038 1.571997.080.0389.81997.081.2950.0732(/3.217 3.21736003600H m m - = 3.8.2吸收塔的泛點率吸收塔操作氣速為1.571m/s ,泛點氣速為2.9369m/s 所以泛點率為1.844100%53.5%3.1299f =對于散裝填料,其泛點率的經(jīng)驗值為:85.05.0=F u u所以符合。3.8.3氣體動能

46、因子氣體動能因子簡稱F 因子,其定義為F = 其中u 為空塔氣速. 本設(shè)計中氣體動能因子為(0.531.753/F m s kg m =氣能因 子在常用的范圍內(nèi)3.9附屬設(shè)備的計算與選擇 3.9.1離心泵的選擇與計算 計算過程如下337582.1412.1110/3600997.08s L m s -=所選管為45.006mm mm 熱軋無縫鋼管校核管內(nèi)流速32244 2.1110 2.468/3.140.033S l u m s d -=則雷諾數(shù) 430.033 2.468997.089.0865100.893710e Ldu R -= 0.250.31640.01025R -=局部阻力損失

47、:三個標準截止閥全開13 6.419.2= ;三個標準90°彎頭 230.75 2.25=;管路總壓頭損失22(220 2.468(0.0102521.458.590.03329.81f l u H dg m =+=+=揚程1483.358.5913.74997.089.81f P H Z H mg =+=+= 流量27582.1416.108/997.08LLW Q m h =經(jīng)查化工原理附表八泵與風機,P296型號IS50-32-200泵合適。3.9.2進出管工藝尺寸的計算舉例本設(shè)計中填料塔有多處接管,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。相關(guān)數(shù)據(jù)查參考書 1、

48、液體進料管進料管的結(jié)構(gòu)類型很多,有直管進料管、彎管進料管、T 型進料管。本設(shè)計采用直管進料管,管徑計算如下:112/0.0352u m sD m =取設(shè)計取進料管管徑 所以查參考書取管徑為48 5.5流速校正: 32244 2.1110 1.97/3.140.037S l u m s d -=在正常范圍內(nèi).2、氣體進料管采用直管進料。取氣速220/u m s = 設(shè)計取進料管管徑s m u V D /1822.036002014.36.18754422=所以查參考書1取管徑為21918工藝設(shè)計計算結(jié)果匯總與主要符號說明 1、英文字母a 填料層的有效傳質(zhì)比表面積(m ²/m ³

49、; w a 填料層的潤滑比表面積m ²/m ³A 吸收因數(shù);無因次; d 填料直徑,mm ;p d 填料當量直徑,mm; D 擴散系數(shù),m ²/s ; 塔徑;E 亨利系數(shù),KPa; g 重力加速度,kg/(m².h; H 溶解度系數(shù),kmol /(m ³.KPa; G H 氣相傳質(zhì)單元高度 ,m;L H 液相傳質(zhì)單元高度,m; OG H 氣相總傳質(zhì)單元高度,m;OL H 液相總傳質(zhì)單元高度,m; G k 氣膜吸收系數(shù), kmol /(m³.s.KPa;G L 吸收液質(zhì)量流速kg/(m².h; 噴L 液體噴淋密度;m 相平衡常

50、數(shù),無因次; G N 氣相傳質(zhì)單元數(shù),無因次;L N 液相傳質(zhì)單元數(shù),無因次; OG N 氣相總傳質(zhì)系數(shù),無因次;OL N 液相總傳質(zhì)系數(shù),無因次; P 總壓,KPa ;p 分壓,KPa ; R 氣體通用常數(shù),kJ/(kmol.K ;S 解吸因子; T 溫度,0C ;u 空塔速度,m/s ; f u 液泛速度,m/s ;V 混合氣體體積流量,m 3/s;L k 液膜吸收系數(shù) ,kmol/(m 2.s.kmol/m 3; y k 氣膜吸收系數(shù),kmol/(m 2.s;y K 氣相總吸收系數(shù)kmol/(m².s; x k 液膜吸收系數(shù),kmol/(m 2.s;G k 氣相總吸收系數(shù),km

51、ol/(m 2.s.kpa; x K 液相總吸收系數(shù)kmol/(m².s;S L 吸收劑用量kmol/h; kmol/s; L 是吸收液量 kmol/h ;'L 吸收液質(zhì)量流量kg/h ; V L 吸收液流量,m ³/s密度kg/ m ³ 填料因子, m -1;2、下標L 液相的 G 氣相的V 混合氣流量 kmol/s 'V 混合氣質(zhì)量流量 x 溶質(zhì)組分在液相中的摩爾分率 無因次 X 溶質(zhì)組分在氣相中的摩爾比 無因次y 溶質(zhì)組分在液相中的摩爾分率 無因次 Y 溶質(zhì)組分在氣相中的摩爾比 無因次Z 填料層高度 m Zs 填料層分段高度 m3.希臘字母粘度 Pa.s 密度 kg/m 3表面張力 N/m m 平均的,對數(shù)平均的min 最小的 max 最大的1塔底 2塔頂化工機械設(shè)備部分1設(shè)計條件1.1塔體與裙座的機械設(shè)計條件如下:1.塔體內(nèi)徑650i D mm =,塔高取H=10000mm(包括裙座高度:圓筒:8438mm ,裙座:1400mm2.計算壓力0.1013c P MPa =,設(shè)計溫度t=253.設(shè)置地區(qū):基本風壓值20300Nq m =,地震設(shè)防烈度為8度,場地土壤:類,設(shè)計地震分組第二組,設(shè)計基本地震加速度為0.40g4.塔內(nèi)裝有塑料聚氯乙烯階梯環(huán)散堆填料5.0m ,