四川大學化工原理課程設計 - 圖文-

1、四川大學化工學院化工原理課程說明書題目:設計水吸收半水煤氣體混合物中的二氧化碳的填料吸收塔專業(yè):過程裝備與控制工程年級:09級學生姓名:劉勇學號:0843082121指導老師:曹麗淑設計時間:2011年12月16日至2012年1月6日目錄第一章設計任務 (3第二章設計流程的選擇 (4第三章吸收塔的設計計算 (53.1氣液平衡關系 (63.2確定吸收劑的用量 (63.3計算熱效應 (73.4塔徑的計算 (83.4.1混合氣體的密度 (83.4.2填料的選擇 (83.4.2計算塔徑 (113.5噴淋密度的校核 (12K a計算 (133.6總傳質系數X3.7填料層高度的計算 (143.8填料層阻力

2、計算 (16第四章附屬設備的選型和計算 (164.1液體噴淋裝置 (164.2液體再分布器 (184.3塔附屬高度 (194.4填料支撐板 (194.5填料限定裝置 (204.6氣體入口裝置 (204.7除沫裝置 (204.8封頭 (214.9泵的選擇 (21第五章設計結果概覽 (23第六章設計評價 (25主要符號說明 (27參考文獻 (28第一章設計任務題目:設計水吸收半水煤氣體混合物中的二氧化碳的填料吸收塔目的和意義:在合成氨工藝中,由任何含碳原料制得的原料氣(半水煤氣都含有相當量的二氧化碳,這些二氧化碳在進入合成工序以前必須清除干凈,因為在合成過程中為高溫高壓,在高壓下,二氧化碳很容易化

3、成干冰,會堵塞設備和管道,給操作帶來很大的危害;另外,二氧化碳的存在還會使氨合成的催化劑中毒,而且還給清除少量一氧化碳過程帶來困難,同時二氧化碳又是制造尿素、碳酸氫銨、純堿和干冰的重要原料。因此,合成氨生產中,二氧化碳的脫除極其回收利用往往是脫碳過程的雙重目的。已知數據(一氣體混合物:1.組成(V%:2CO 10.8%,2H 65%,2N 21%,4CH 0.5%,CO 2.6%,2O 0.1%2.氣體量:40003/Nm h3.溫度:30C4.壓力:17003/KN m (二氣體出口要求(V%:2CO 0.55%(三吸收劑:水第二章設計流程的選擇吸收裝置的流程主要有一下幾種:(1逆流吸收:氣

4、體自塔底進入由塔頂排出,液相自塔頂進入由塔底排出,此即逆流操作。(2并流操作:氣液兩相均從他塔頂流向塔底,此即并流操作。(3吸收劑部分再循環(huán)操作:在逆流操作系統(tǒng)中,用泵將吸收塔排出的液體部分冷卻后與新鮮吸收劑一同送回塔內。(4多塔串聯操作:若設計的填料層高度過大,或者由于所處理的物料等原因需經常清理填料,為了便于維修,可把填料層分裝在幾個串聯的塔內,每個吸收塔通過的吸收劑和氣體量都相等。各種操作的優(yōu)缺點比較如下表1所示:逆流并流部分回流多塔串聯操作優(yōu)點傳質推動力比較大,傳質速率快,分離效率高。吸收劑利用率高,可降低吸收塔所需的傳質面積。當平衡曲線較平坦,流向對推動力影響不大;被處理氣體不需要吸

5、收很完全;吸收劑用量特別大時使用。提高他的液體噴淋密度,控制塔內的溫升,提高吸收劑的使用率,特別適用于相平衡常數很小的情況下。降低單個塔的填料層高度,便于維修缺點液體的下流受到上升氣體的作用力,因此限制了吸收塔所允許的液體流速和氣體流速。相同分離程度下,平均推動力下,所需要的傳質面積大較逆流操作的平均推動力要低,且需設置循環(huán)泵,操作費用增加。操作因塔內需要留較大空間,輸液,噴淋,支撐板等輔助裝置增加,使設備投資加大。綜合上面的分析,因二氧化碳屬難溶氣體,進出塔的吸收率較高,即要求處理吸收的較為完全,為了減少設備的投資,所以從工藝技術和經濟兩方面綜合考慮,初步采用單塔逆流操作吸收流程。當然工業(yè)生

6、產中一般工藝流程都涉及吸收和解吸聯合流程,雖然本設計中吸收劑為水,價值不高,極易得到,所吸收的溶質為二氧化碳,無毒,直接排放對環(huán)境的影響不大,但作為一個完整的工藝流程還是必需有的,整個工藝流程圖如下圖所示: 第三章吸收塔的設計計算3.1氣液平衡關系本設計題目的操作壓力為17002/KN m ,屬于高壓,因此壓力影響產生對理想氣體定律的偏差需進行校核。由化工原理(上冊附錄四,查得:2CO 的臨界溫度Tc=31.1C ,臨界壓力Pc=7.38Mpa求得:對比溫度:Tr=T Tc =15.2731.3115.27330+=0.9964,對比壓力:Pr=2304.038.77.1=MpaMpa P P

7、 c 由物理化學58頁,圖2-2-5普遍化逸度系數圖,查得:=0.92則可得逸度:KPaKpa p f 156492.01700=由物理化學64頁,表2-4-1,查得T=30C 時2CO 在水為溶劑的亨利常數E=Pa 910188.0,20.12010564.110188.069=Pa Pa f E m XX X X X m mX Y 20.119120.12020.1201(120.1201(1-=-+=-+=3.2確定吸收劑的用量已知1y =0.108,2y =0.0055:1211.0108.01108.01=-=Y ,0055.00055.010055.02=-=Y 惰性氣體的摩爾流量

8、:V=29.1591(4.2240001=-y Kmol/h 最大出口濃度4111max 11099.820.11920.120-*=+=Y Y X X 該吸收過程屬于低濃度吸收,最小液汽比可按下式計算即:對于純吸收過程,進塔液相組成為2X =0;59.1281099.80055.01211.042max 121min =-=-= -X X Y Y V L由于min (1.12(L L V V=,實際液氣比,取1.3,1.5,1.8倍三組數據計算;第一組:167.16759.1283.13.1min1= = V L V L h kmol V L /03.26628167.1671=,41211

9、11092.6167.1670055.01211.0-=-= -=V L Y Y X ;第二組:885.19259.1285.15.1min2= = V L V L h kmol V L /65.30724885.1922=,4221211099.50055.01211.0-=-= -=L Y Y X ;第三組:462.23159.1288.18.1min3= = V L V L hkmol V L /58.36869462.2313=,4321311099.4462.2310055.01211.0-=-= -=V L Y Y X ;3.3計算熱效應水吸收二氧化碳的量:hkmol Y Y V

10、G A /41.180055.01211.0(29.159(21=-=-=查化工原理設計導論圖4-5,得到CO 2的溶解熱為:q=106kcal/kg查化工原理上冊附錄,用內插法得T=30C 時水的比熱容為:Cp=4.174kJ/(kg ·k根據公式1844 4.18A L Cp t G q =,可得:44 4.1818A G q t L Cp=;C t <=1179.018.41064441.181C t <=1155.0174.41865.3072418.41064441.182C t <=1130.018.41064441.183,上述計算可知,三組數據的溶液

11、溫度變化都很小,可視為等溫吸收。3.4塔徑的計算3.4.1混合氣體的密度由各組分濃度計算平均摩爾質量:kmol kg M /772.12%1.032%6.228%5.016%2128%652%8.1044=+=由化工原理(上冊附錄四,查得各組分的臨界壓力和臨界溫度為:2CO :Tc=31.1C ,Pc=7.38Mpa ,2H :Tc=-239.9C ,Pc=1.30MPa 2N :Tc=-147.13C ,Pc=3.39Mpa ,4CH :Tc=-82.15C ,Pc=4.62MPa CO :Tc=-140.2C ,Pc=3.50Mpa ,2O :Tc=-118.82C ,Pc=5.04MPa

12、 求得假臨界壓力:+=62.4%5.039.3%2130.1%6538.7%8.10ci i cm P y P MPa47.204.5%1.050.3%6.2=+假臨界溫度:C T y T ci i cm -=-+-+-+-+-+=65.18782.118(%1.02.140(%6.215.82(%5.013.147%(219.239%(651.31%8.10由工程熱力學附圖1查得Z=1.01,3/53.8772.121700m kg M P m v =+=3.4.2填料的選擇1.填料類型的介紹:填料是填料塔的核心構件,它提供了塔內氣-液兩相接觸而進行傳質傳熱的表面,與塔的結構一起決定了填料塔

13、的性能。現代工業(yè)填料塔大體可分為實體填料塔和網狀填料塔兩大類,而就裝填方式可分為散堆填料和規(guī)整調料。散裝填料是一個個具有一定幾何形狀和尺寸的顆粒體,一般以隨機的方式堆積在塔內,又稱為亂堆填料或顆粒填料。散裝填料根據結構特點不同,又可分為環(huán)形填料、鞍形填料、環(huán)鞍形填料及球形填料等。現介紹幾種較為典型的散裝填料: 圖2:幾種常用填料形狀:(a拉西環(huán)填料(b鮑爾環(huán)填料(c階梯環(huán)填料(d抓繁填料(e矩鞍填料(f金用環(huán)矩鞍填料(g多面球形填料(hTRI球形填料(o金屬板波紋填料(p脈沖填料拉西環(huán):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)。拉西環(huán)填料的氣液分布較差,

14、傳質效率低,阻力大,通量小,目前工業(yè)上已較少應用。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。階梯環(huán)填料:是對鮑爾環(huán)的改進,與鮑爾環(huán)相比,階梯環(huán)高度減少了一半并在一端增加了一個錐形翻邊。由于高徑比減少,使得氣體繞填料外壁的平均路徑大為縮短,減少了氣體通過填料層的阻力。錐形翻邊不僅增加了填料的機械強度,而

15、且使填料之間由線接觸為主變成以點接觸為主,這樣不但增加了填料間的空隙,同時成為液體沿填料表面流動的匯集分散點,可以促進液膜的表面更新,有利于傳質效率的提高。階梯環(huán)的綜合性能優(yōu)于鮑爾環(huán),成為目前所使用的環(huán)形填料中最為優(yōu)良的一種?；“疤盍?屬鞍形填料的一種,其形狀如同馬鞍,一般采用瓷質材料制成?；“疤盍系奶攸c是表面全部敞開,不分內外,液體在表面兩側均勻流動,表面利用率高,流道呈弧形,流動阻力小。其缺點是易發(fā)生套疊,致使一部分填料表面被重合,使傳質效率降低?；“疤盍蠌姸容^差,容破碎,工業(yè)生產中應用不多。矩鞍填料: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

16、,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,國內絕大多數應用瓷拉西環(huán)的場合,均已被瓷矩鞍填料所取代。金屬環(huán)矩鞍填料: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。2.填料材質的介紹:選塔填料時,首先應根據工藝的物料腐蝕性和操作溫度,確定填料用材。一般可選用塑料,金屬和陶瓷等。常用于制作填料的塑料有:聚丙烯,聚乙烯,聚氯乙烯及其增強塑料。其中聚丙烯使用最為普遍,一者耐腐蝕好,可耐一般

17、無機酸,堿和有機溶劑,二者質輕,易于注塑成型,價格低。塑料填料多用于操作溫度較低的吸收,解析,洗滌,除塵等過程,便于裝卸和重復使用,能節(jié)省設備的投資和操作費用。值得注意的是:塑料填料表面有憎水特性,這使之不易被水所潤濕,因此,使用初期有效濕潤比表面積小,傳質效果差。改善的辦法是:一種進行表面處理,以改善表面對工藝流體的潤濕性能;另一種是自然時效,經10-15天操作可使填料的分離效率達到正常值。此外,使用,檢修時嚴防塑料填料超溫,蠕變甚至熔融及至于起火燃燒等現象發(fā)生。金屬材質主要是:碳鋼,鋁及合金0Cr13,1Cr13等低合金鋼及1Cr18Ni9Ti (不銹鋼等。金屬填料多為薄金屬片沖壓制成,空

18、隙率高,通量大,流動阻力小,特別適用于真空解析或蒸餾。在某些場合下,金屬填料塔板式塔更為優(yōu)越,從而目前已有許多以金屬填料塔取代板式塔,同時收到高產,優(yōu)質,低能耗的經濟效益。瓷質填料歷史最悠久,具有很好的耐蝕性,應用面最廣。一般能耐除氫氯酸以外常見的各種無機酸,有機酸以及各種有機溶劑的腐蝕。對強堿性介質可選用耐堿配方制的耐堿瓷質填料。瓷填料耐溫性能好,價廉,因此它仍為優(yōu)先考慮選用的填料材質。其缺點是質脆,易破碎。3.填料的選擇:在填料的選擇上主要考慮填料的流體力學性能和質量傳遞性能,一般應具有以下特點:1.具有較大的比表面積;2.表面潤濕性能好,有效傳質面積大;3.結構上應有利于氣液相的均勻分布

19、;4.填料層內的持液量適宜;5.具有較大的孔隙率,氣體通過填料時的壓降小,不易發(fā)生液泛現象?；谏鲜隹紤],結合本題設計,常溫高壓操作,水吸收二氧化碳,我初步選擇公稱直徑為50mm的聚丙烯階梯環(huán)填料。選擇的原因是:(1選擇填料的類型:階梯環(huán)是環(huán)形填料中綜合性能最優(yōu)的,具有較大的比表面積,較均勻的氣液相分布和較大的空隙率,因此分離效率較高且不易發(fā)生液泛。(2選擇填料的材質:選擇塑料是因為本設計的塔高塔徑較大,需要的填料體積也較大,出于處理量較大,而聚丙烯價廉、普遍易得、易于裝卸且質量較輕的考慮而選擇的。(3選擇填料的尺寸:填料塔的塔徑與填料直徑的比值應保持不低于某一值,防止產生較大的壁效應,造成塔

20、德分離率下降。一般說來,填料的尺寸大,成本低,處理量大,但效率低。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,一般大塔常使用50mm的填料,故在本設計中選用50mm 的填料。公稱直徑為50mm的聚丙烯階梯環(huán)填料的結構特性參數如下表2所示:高*厚(H mm 比表面積(t a 23/m m 孔隙率(33/m m 個數(n 3m -堆積密度(p 3/kg m 干填料因子3(/a 1m -填料因子(1m -25*1.5114.20.9271074054.3143.11003.4.3計算塔徑應用散堆填料泛點氣速聯通關聯式:貝恩-霍根泛點關聯式:2110.23lg 1

21、.75(f V V L L L V L u W a A g W =-其中:公稱直徑為50mm 的聚丙烯階梯環(huán)填料3/a =143.1,關聯常數A=0.204,物性常數:V =8.533/kg m ,L =996.953/kg m ,L =5280.071080.0710Pa s mPa s-=氣體質量流量:h kg P T W G V /01.225753.84000325.1013015.2734000=+=''=液體質量流量:hkg L W L /54.4793041803.266281811=hkg L W L /7.5530431865.307241822=hkg L

22、W L /44.6636521858.368691833=由關聯式解得泛點速度:1f u =0.0528m/s ,2f u =0.0453m/s ,3f u =0.0369m/s 對于散裝填料,其泛點率的經驗值為:/0.50.85f u u =,取泛點率為0.7得氣速為:110.70.037/f u u m s =,220.70.032/f u u m s =,330.70.026/f u u m s =操作條件下的氣體流量:s m V S /073.0360040001700325.10115.2733015.273=+= ,可由式D =計算得塔徑:1 1.58D m =,2 1.70D m

23、 =,3 1.89D m =由于計算出的塔徑不是整數,要按國家壓力容器公稱直徑標準進行圓整。圓整后可得填料塔直徑:1 1.6D m =,2 1.8D m =,3 2.0D m =。再核算操作空塔氣速:由公式:24s V u D =,可得:10.036/u m s =,20.029/u m s =,30.023/u m s =。圓整后的泛點率分別為:110.682f u u =,220.640f u u =,330.623f u u =都在0.50.85允許范圍以內,校核合格。3.5噴淋密度的校核填料塔的液體噴淋密度是指單位時間,單位塔截面上液體的噴淋量,其計算式為:20.785h L U D=

24、,其中h L 為液體噴淋量。由化工原理附錄五查得30C 時,水的密度為3/7.995m kg L =,則有:第一組:31118481.4/h L L L m h =,3211221481.4239.6/(0.7850.785 1.6h L U m m h D =;第二組:3221830724.6518555.4/995.7h L L L m h =,3222222555.4218.4m /(0.7850.785 1.8h L U m h D =第三組:3331836869.5818666.5m /995.7h L L L h =,3233223666.5212.3m /(0.7850.785

25、2.0h L U m h D =;對于散裝填料,其最小噴淋密度的計算式為:min min (W t U L a =其中min (W L 是最小潤濕速率,對于直徑不超過75mm 的散裝填料,可取最小潤濕3min (0.08/(W L m m h =代入上式可得:32min 0.08114.29.14/(U m m h =,可知:1min U U >,2min U U >,3min U U >,即實際噴淋密度都大于最小噴淋密度,液體噴淋密度驗算合格。3.6總傳質系數X K a 計算傳質單元高度的計算采用修正的恩田(Onde 公式:231130.0095(L L L L W L L

26、 L LU g k a D -=0.4L L W k a k a =其中:0.750.10.20.052221exp 1.45W c L t L L t l t L L L L t a U a U U a a g a -=- 由化工原理附錄五查得:30C 時水的表面張力:272.6/940896/L mN m kg h =由化工原理課程設計表4-6,查得聚丙烯的表面張力:33/c mN m =L U 為液體質量通量:由20.785L L W U D =計算得:212479304.54238507.4/(0.785 1.6L U kg m h =,222553043.7217442.7/(0.7

27、85 1.8L U kg m h =,232663652.44211354.3/(0.785 2.0L U kg m h =g 為重力加速度,81.2710/m h代入上式可得填料的潤濕比表面積:23190.79m /W a m =,23289.41m /W a m =,23388.97m /W a m =L D 是二氧化碳在水中的擴散系數,由化工原理表2.7,查得25C 時2CO 在水中的擴散系數為:92622.0010/7.210/m s m h -=,由此可得30C 時CO 2在水中的擴散系數為:662273.15307.2107.3210/273.1525L D m h -+=+水的黏

28、度:L =580.0710 2.88/(Pa s kg m h -=填料形狀系數,由化工原理課程設計表4-7查得: 1.45=由于二氧化碳溶于水為液膜控制,因此L LK k 則可以求得液相傳質系數如下:第一組:823121316238507.4 2.88 2.88 1.27100.0095( 3.220m/s 90.79 2.88996.957.3210996.95L k -=,1(L W K a 0.41( 3.22090.79 1.45339.18/s L W k a =;第二組:823121326217442.7 2.88 2.88 1.27100.0095( 3.058m/s 89.4

29、1 2.88996.957.3210996.95L k -=2(L W K a 0.42( 3.05889.411.45317.28/s L W k a =;第三組:82121336211354.3 2.88 2.88 1.27100.0095( 3.011m/s 88.97 2.88996.957.3210996.95L k -=,3(L W K a 0.43( 3.01188.97 1.45310.81/s L W k a =;將得到的傳質系數換算成以摩爾分數差為推動力的傳質系數:X W L M W K a K C a =,其中3996.9555.386/18L M L n C kmol

30、m V M =,則可得:31(339.1855.38618785.82kmol/(m X W K a s =;32(317.2855.38617572.87kmol/(m X W K a s =;33(310.8155.38617214.52kmol/(m X W K a s =;3.7填料層高度的計算液相總傳質單元高度計算公式為:OL X W LH K a =其中:塔截面積20.785D =126628.030.70518785.82 2.0096OL H m =,230724.650.68717572.87 2.5434OL H m =,336869.580.68217214.52 3.1

31、4OL H m =;液相總傳質單元數的計算:111120.20119.20Y X Y *=+=0.1211120.20119.200.1211+=48.9910-,42220.00550.45510120.20119.20120.20119.200.0055Y X Y *-=+由3.2的計算已知:411 6.9210X -=,421 5.9910X -=,431 4.9910X -=代入平均液相推動力計算式:11221122(ln(m X X X X X X X X X *-=-解得:41 1.0710m X -=,42 1.3510m X -=,43 1.6310m X -=;由液相總傳質單

32、元數的計算公式:12OL mX X N X -=,得:4146.9210 6.471.0710OL N -=,4245.9910 4.441.3510OL N -=,4344.9910 3.061.6310OL N -=工藝計算得到的填料層高度:OL OL Z N H =,由上述方法計算出填料層高度后,還應留出一定的安全系數,即填料層的設計高度:' 1.25Z Z =:1110.705 6.47 4.56OL OL Z H N m =,11' 1.25 5.7Z Z m =,2220.687 4.44 3.05OL OL Z H N m =,22' 1.25 3.81Z

33、 Z m =,3330.682 3.06 2.09OL OL Z H N m =,33' 1.25 2.61Z Z m =;將三組數據匯總如下表3比較:最小液氣比的倍數水的用量L /kmol h 水的出口濃度1X 泛點氣f u (m/s空塔氣速u (m/s塔徑D (m填料層高度Z (m 1.326628.0346.9210-0.0530.037 1.6 5.71.530724.6545.9910-0.0450.032 1.8 3.811.836869.5844.9910-0.0370.026 2.0 2.61由上表數據可知,在這三組數據中,第一組水的用量最小,塔徑最小,但填料層高度最高

34、。從經濟方面考慮來說,第一組數據的水用量的經常費用最少,而填料費用和泵所需的功率應較其他幾組要更高。但由于是采用塑料填料,價廉,且從吸收效率上來說,較小的塔徑更有利于吸收過程的進行。因此,我選用第一組數據,即選用液氣比為最小液氣比的1.3倍的一組數據。3.8填料層阻力計算計算氣體通過填料層的阻力損失,在于確定輸送氣體所需的能耗,或判斷在允許的壓降下塔內能否進行正常操作。根據公式:2(10LL V T V G P h =,其中61.2110T -=,20.96710-=;氣體質量流速:2222257.011123.11kg/m 0.7850.785 1.6V V W G h D =,液體質量流速

35、:222479304.54238507.43kg/m 0.7850.785 1.6L W L h D =,填料層高度: 5.7h m =填料層壓降為:20.96710238507.43261123.111.2110 5.7(10209.88Pa8.53P -=第四章附屬設備的選型和計算4.1液體噴淋裝置液體初始分布器設置于填料塔內填料層頂部,用于將塔頂液體均勻分布在填料表面上,液體初始分布器性能對填料塔效率影響很大,特別對于大直徑,低填料層的塔,尤其需要性能良好的初始分布器。如果液體分布不良,必然減少填料的分離效率。逆流操作的填料塔,要求塔頂噴淋裝置既結構簡單,又要將液體均勻的噴灑在填料上,操

36、作時本身不易堵塞,不產生過細的霧滴。常見的幾種液體分布器如圖3所示。 圖3:液體分布器(a噴頭式(b盤式篩孔型(c盤式溢流型(d槽管式(e環(huán)管式(f槽式(g槽盤式液體分布器的性能主要由分布器的布液點密度,各布液點的布液均勻性決定,設計液體分布器主要是確定決定這些參數的結構尺寸。就本設計而言,液體體積流量:33(/26628.0318480.77/0.134/996.95L L L kmol h MV m h m s =,考慮到液體流量較大,本人選用二級槽式溢流型分布器,如下圖所示: 槽式溢流型分布器適用于高液量和易堵塞場合,但其分布質量不如槽式孔流型,常用于散堆填料塔中。其中,二級槽式分布器具

37、有優(yōu)良的布液能力,結構簡單,氣相阻力小,應用較為廣泛。主要由主槽和分槽組成,液體物料由主槽上的加料管進入主槽中,然后,通過主槽的布液結構按比例分配到各支槽中,并通過各支槽上的布液結構均勻的分布在填料層表面上。主槽為矩形敞開槽,其長度由塔徑和分槽的數量及間距決定,其高度由最大液體留下所需的液位高度決定。設計時一般應使其保持在200300mm 之間。其寬度由槽內液體流速決定,一般要求流速在0.240.30m/s 之間。分槽的長度有塔徑及排列情況而定,分槽的寬度主要由液體在槽內的流速決定,其數值通常為3060mm ,分槽高度也由液相最大負荷下的液位高度決定。分槽高度大約為最大液位高度的1.25倍。溢

38、流堰口一般為倒三角形或矩形。由于三角形堰口隨液位的升高,液體流通面積加大,故這種開口形式具有較大的操作彈性,故在本設計中采用倒三角形堰口。倒三角形堰溢流口夾角與液位高度間的關系:2.5arctan(2.36L V h =其中:h 為溢流口液位高度,考慮到液體流量較大,取0.25h m =;為流量系數,一般可取0.6=可解得倒三角形的溢流口夾角: 2.50.134arctan(722.360.60.25=溢流型分布器安裝于填料表面的限定器以上,距填料表面距離約為50mm 。4.2液體再分布器液體沿填料層下流時,有逐漸向塔壁方向集中的趨勢,形成壁流效應。壁流效應造成填料層氣液分布不均勻,使傳質效率

39、降低。因此,設計中,每隔一定的填料層高度,需要設置液體收集再分布器裝置,即將填料層分段。對于散裝填料,根據化工原理課程設計表4-9可查得一般推薦的分離段高度值,對于填料類型為階梯環(huán),其填料層高度與塔徑之比為h/D=815處分段,而本設計中/ 5.7/1.6 3.568h D=<,故不用分段,也無需液體再分布器。4.3塔附屬高度塔的附屬空間高度包括上部空間高度,安裝液體分布器和液體再分布器所需的空間高度,塔底部空間高度以及塔裙座高度。塔上部空間高度是指塔內填料層以上,應有足夠的空間高度,以使氣流攜帶的液滴能夠從氣相中分離出來,該高度一般取1.21.5m,由于本設計采用二級槽式溢流型分布器,

40、安裝分布器的所需高度較大,取1.5m。由于本設計中不涉及再分布器,因此不占高度空間?？紤]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3.5m,因此本設計中吸收塔的總高度為: =+=。H m5.7 3.59.24.4填料支撐板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。一般情況下填料支承裝置應滿足如下要求:(1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。(2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

41、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,在操作中會產生攔液現象。增加壓強降,降低效率,甚至形成液泛。(3結構上應有利于氣液相的均勻分布,同時不至于產生較大的阻力(一般阻力不大于20Pa;(4結構簡單,便于加工制造安裝和維修。(5要有一定的耐腐蝕性。常用的填料支承裝置有柵板形、孔管型、駝峰形及各種具有氣升管結構的支承板。 本設計中選用駝峰型支承裝置。選擇原因是:駝峰形支撐板裝置適合于散堆填料支撐,一般用于直徑在1.5m以上的大塔,本設計中的塔徑為1.6m

42、,選用較為合適。此種支撐裝置具有氣體流通自由截面積率大,阻力小,承載能力強,氣液兩相分布效果好等優(yōu)點。4.5填料限定裝置為保證填料塔在工作狀態(tài)西填料床層能夠穩(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,甚至造成填料流失,必須在填料層頂部設置填料限定裝置。 填料限定裝置可分為兩類,一類是放置于填料上端,僅靠自身重力將填料壓緊的填料限定裝置,成為填料壓板。另一類是將填料限定裝置固定在塔壁上,稱為床層限定板。填料壓板常用于陶瓷填料,以免陶瓷發(fā)生移動撞擊,造成填料破碎。床層限定版多用于金屬和塑料填料,以防止由于填料膨脹,改變其初始堆積狀態(tài)而造成的流體分布不均勻現象。在本設計中,由

43、于是采用塑料填料,故只需采用質量較輕的床層限定板,根據一般值,取每平方米300N計算,本設計中所需的限定板重量為23003000.785 1.6603=G N4.6氣體入口裝置一般來說,實現氣相均勻分布相對容易一些,故氣體入塔的分布裝置也相對簡單一些。但對于大塔徑低壓降填料塔來說,設置性能良好的氣相分布裝置仍然是十分重要的。在本設計中,由于塔徑為1.6m,較小,故采用進氣管末端制成向下彎的喇叭形擴大口,或制成多環(huán)管式分布器。4.7除沫裝置氣體在塔頂離開填料層時,帶有大量的液沫和霧滴,為回收這部分液體,常需在塔頂設置除沫器,常用的除沫器有如下幾種:折流板式除沫器,旋轉板式除沫器,絲網除沫器。 在

44、本設計中,選擇最常用的絲網除沫器,這種除沫器由金屬絲網卷成高度為100150mm 的盤狀,可捕集5m 以上的微小霧滴。氣體通過除沫器的壓降約為120250Pa ,絲網除沫器直徑由氣體通過絲網的最大氣速決定。4.8封頭采用標準橢圓封頭。查國標JB/T4729-94可知該封頭是由1/4橢圓線和平行于回轉軸的短直線光滑的連接而成的,故它由半個橢圓球和一個高度為h 0,的圓柱短節(jié)(稱它為封頭的直邊部分構成。由化工原理設計導論表4-8續(xù)表,可查得以內徑為公稱直徑的橢圓封頭的尺寸,選用封頭尺寸如下:公稱直徑為1600Dg mm =,曲面高度1400h mm =,直邊高度250h mm =,內表面積23.0

45、26F m =,容積30.637V m =。4.9泵的選擇入口水的體積流量為:3(/26628.03180.1335/3600996.953600L L L kmol h M V m s =,由化工原理(上冊表3.3可知,水在管道中的常用流速范圍在13/m s 。因此,先初步取流速 2.5/u m s =?？伤愕盟韫軆葟綖?0.261d m= =由化工原理(上冊附錄21查得,選取采用普通熱軋無縫鋼管,外徑為273mm ,壁厚為6mm ,則可得內徑為:273 6.52260d mm =-=,則管中實際流速為:220.13352.52/0.7850.7850.260L V u m sd =可求得

46、管中的雷諾數:50.260 2.52996.95Re 81578880.0710du -=可知Re>4000,處于湍流區(qū)由化工原理(上冊表2.3查得具有輕微腐蝕的無縫鋼管的絕對粗糙度0.3mm =,相對粗糙度/0.3/2600.0012d mm mm =由化工原理(上冊圖2.13,可查得,0.024=局部阻力損失:三個標準截止閥全開13 6.419.2=,230.75 2.25=則,管路總壓頭損失為:2(2f l u H d g=+其中長度近似取為塔高:9.2l m =,將數據代入得:29.2 2.52(0.02419.2 2.257.220.26029.81f H m=+=由水進口到出

47、口截面列伯努利方程有:2211221222L f u p u p Z H Z H g g g g+=+22L fu pH Z H g g=+2.52(1700101.32510009.27.22180.029.81996.959.81m-=+=體積流量有:3(/26628.0318480.8/996.95LL kmol h MQ m h=由化工工藝設計手冊第19章,選擇泵的型號為DSJH8-10-15M.第五章設計結果概覽設計任務設計任務清水吸收二氧化碳吸收任務(V%2CO 10.8%0.55%氣體處理量3/Nm h 4000操作溫度(C 30操作壓力17003/KN m 吸收流程選擇單塔逆流

48、操作吸收流程吸收塔設計計算相平衡計算相平衡常數m 120.20最小液氣比128.59實際液氣比167.167液體質量流量W (kg/h 479304.54氣體質量流量W (kg/h 2257.01吸收劑出口濃度1X 46.9210-塔徑計算混合氣體密度(kg/m 38.53泛點氣速fu (m/s0.053空塔氣速u (m/s0.037泛點率校核0.682圓整后塔徑D (m 1.6填料的選擇填料的類型聚丙烯階梯環(huán)填料公稱直徑dp(mm 50比表面積t a (23/m m 114.2干填料因子3/t a (1m -143.1空隙率(33/m m 0.972噴淋密度校核最小噴淋min U (32/m

49、 m h 9.14實際噴淋量U (32/m m h 239.6填料層高度計算液相傳質單元高度OL H (m0.705N 6.47液相總傳質單元數OL填料層理論高度Z(m 4.56填料層安全高度Z(m 5.7壓降計算填料層壓降pa209.88附屬設備的選擇液體噴淋裝置噴淋器類型二級槽式溢流型分布器溢流堰口形狀72°倒三角形溢流口液位高mm250液體再分布器無塔附屬高度總塔高度m9.42填料支撐板支撐板類型駝峰形支撐裝置填料限定裝置類型床層限定版氣體入口裝置形狀進氣管末端制成向下彎的喇叭形擴大口除沫裝置類型絲網除沫器封頭封頭曲面高度mm400封頭直邊高度mm50封頭厚度mm20封頭內表面

50、m2 3.026容積m30.637泵的選擇液體進口管規(guī)格普通熱軋無縫鋼管273 6.5mm水泵型號DSJH8-10-15M四 川 大 學 化 工 原 理 課 程 設 計 第六章 設計評價 （1）從最后的計算結果來看，塔高 9.2 米，在正常范圍內，即可證明在一開始 初步選用的單塔逆流吸收操作是合理的。逆流操作傳質推動力比較大，傳質速率 快，分離效率高，吸收劑利用率高，可降低吸收塔所需的傳質面積。若采用并聯 操作，塔高必然增加，吸收劑用量也會加大，從而增加成本。由于處理量并未很 大，也無需多塔串聯。 （2）本設計為吸收塔配有解析塔和回收裝置，既脫除了二氧化碳，又得到了由 一定純度的二氧化碳，做工業(yè)上的其他用途，如二氧化碳又是制造尿素、碳酸氫 銨、純堿和干冰的重要原料。故二氧化碳的回收方案很合理。 （3）本設計中，由于考慮到在高壓操作條件下，實際氣體對理想氣體偏差，而 進行了一系列的計算， 后計算結果得出其壓縮因子 Z 很小，即與理想氣體相差很 小 （4）在選定液氣比用量時，取最小液氣比的 1.3、1.5、1.8 倍分別進行計算， 計算出塔高塔徑后，比較三組數據。由于考慮到：1.3 倍最小液氣比計算出的塔 高塔徑更為合理， 更大的塔徑其內部氣液分布不如小塔徑分布得均勻；且液氣比 小，其吸收劑的用量小，也更加經濟，因此得出液氣