化工原理課程設(shè)計(jì)吸收塔-終極版

PAGEPAGE1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(jì)算 52.1基礎(chǔ)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(jì)算 62.3.1塔徑計(jì)算 62.3.2傳質(zhì)單元高度的計(jì)算 82.3.3傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算 82.3.4填料層高度的計(jì)算 92.4塔附屬高度的計(jì)算 102.5填料層壓降的計(jì)算 102.6其他附屬塔內(nèi)件的選擇 112.6.1液體分布器的選擇： 112.6.2布液計(jì)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(xué)參數(shù)計(jì)算 142.7.1吸收塔的壓力降 142.7.2吸收塔的泛點(diǎn)率校核 142.7.3氣體動能因子 153.其他附屬塔內(nèi)件的選擇 153.1吸收塔主要接管的尺寸計(jì)算 153.2離心泵的計(jì)算與選擇 163.3風(fēng)機(jī)的選取 174.總結(jié) 18附錄一吸收塔設(shè)計(jì)計(jì)算用量符號總表 19參考文獻(xiàn) 21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(shí)現(xiàn)不同氣體的分離。一個完整的吸收過程應(yīng)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(xué)反應(yīng)活性的差異，在氣液兩相接觸時發(fā)生傳質(zhì)，實(shí)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(hù)環(huán)境等方面都廣泛應(yīng)用到氣體吸收過程。本次化工原理課程設(shè)計(jì)的目的是根據(jù)設(shè)計(jì)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(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，采用填料吸收塔吸收操作是因?yàn)樘盍峡梢蕴峁┚薮蟮臍庖簜髻|(zhì)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(jìn)行，填料塔有通量大，阻力小，壓降低，操作彈性大，塔內(nèi)持液量小，耐腐蝕，結(jié)構(gòu)簡單，分率效率高等優(yōu)點(diǎn)，從而使吸收操作過程節(jié)省大量人力和物力。在設(shè)計(jì)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(jìn)行物料衡算。本次設(shè)計(jì)包括設(shè)計(jì)方案的選取、主要設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算——物料衡算、設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算、工藝流程圖、主要設(shè)備的工藝條件圖等內(nèi)容。則需要采用多塔流程（通常是雙塔吸收流程）吸收流程吸收塔或再生塔內(nèi)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(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(diǎn)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。本設(shè)計(jì)采用單塔逆流操作。液體分布器根據(jù)本吸收的要求和物系的性質(zhì)可選用重力型排管式液體分布器，布液孔數(shù)應(yīng)應(yīng)依所用填料所需的質(zhì)量分布要求決定，噴淋點(diǎn)密度應(yīng)遵循填料的效率越所需的噴淋點(diǎn)密度越大這一規(guī)律。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(shè)計(jì)選用升氣管式再分布器。2.吸收塔工藝計(jì)算2.1基礎(chǔ)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℃密度黏度表面張力為SO2在水中的擴(kuò)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(zhì)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℃查得SO2在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為：2.2物料衡算進(jìn)口氣體的體積流量：二氧化硫的摩爾分?jǐn)?shù)為：進(jìn)塔氣相摩爾比為:效率: 出塔氣相摩爾比：進(jìn)塔惰性氣相流量：出口液體中溶質(zhì)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(jì)算2.3.1塔徑計(jì)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(guān)聯(lián)式計(jì)算泛點(diǎn)氣速：氣相質(zhì)量流量為：液相質(zhì)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(diǎn)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(yàn)值，所以在允許范圍之內(nèi))遇到的問題：空塔氣速取泛點(diǎn)氣速的百分比，取值70%以下校核時超出經(jīng)驗(yàn)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(zhì)的基礎(chǔ)，為保持良好的傳質(zhì)性能，每種填料應(yīng)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(zhì)單元高度的計(jì)算2.3.3傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算液體質(zhì)量通量：氣體質(zhì)量通量：氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計(jì)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(jì)算由填料有效高度?。涸O(shè)計(jì)取填料層高度為：對于亂堆鮑爾環(huán)：,取計(jì)算得填料層高度為6.3m需要分層 2.4塔附屬高度的計(jì)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(shè)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(jì)算氣體通過填料塔的壓強(qiáng)降，對填料塔影響較大。如果氣體通過填料塔的壓強(qiáng)降大，則操作過程的消耗動力大，特別是負(fù)壓操作更是如此，這將增加塔的操作費(fèi)用。氣體通過填料塔的壓力降主要包括氣體進(jìn)入填料的進(jìn)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(jì)算取Eckert(通用壓降關(guān)聯(lián)圖)；將操作氣速(＝0.8688m/s)代替縱坐標(biāo)中的查表，DG50mm陶瓷鮑爾環(huán)的壓降填料因子代替縱坐標(biāo)中的．則縱標(biāo)值為：橫坐標(biāo)為：查圖得：全塔填料層壓降：填料塔泛點(diǎn)氣速及氣體壓力降計(jì)算用關(guān)聯(lián)圖2.6其他附屬塔內(nèi)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(shè)置于填料塔內(nèi)，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(shè)計(jì)不當(dāng)，液體預(yù)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(shè)計(jì)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(diǎn)密度（即單位面積上的布液點(diǎn)數(shù)），各布液點(diǎn)均勻性，各布液點(diǎn)上液相組成的均勻性決定，設(shè)計(jì)液體分布器主要是決定這些參數(shù)的結(jié)構(gòu)尺寸。對液體分布器的選型和設(shè)計(jì)，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(diào)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(jié)構(gòu)形式分。若按流動推動力可分為重力式和壓力式，若按結(jié)構(gòu)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(zhì)可選用重力型排管式液體分布器，布液孔數(shù)應(yīng)應(yīng)依所用填料所需的質(zhì)量分布要求決定，噴淋點(diǎn)密度應(yīng)遵循填料的效率越所需的噴淋點(diǎn)密度越大這一規(guī)律。按Eckert建議值，，按分布點(diǎn)幾何均勻與流量均勻的原則，進(jìn)行布點(diǎn)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)結(jié)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(jì)算由點(diǎn)按分布點(diǎn)幾何均勻與流量均勻的原則，進(jìn)行布點(diǎn)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)結(jié)果為：二級槽共設(shè)七道，槽側(cè)面開孔，槽寬度為80mm,槽高度為210mm,兩槽中心矩為160mm,分布點(diǎn)采用三角形排列。實(shí)際設(shè)計(jì)布5點(diǎn)數(shù)為n=132點(diǎn)，(見示意圖)布液計(jì)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(zhì)性質(zhì)取分布點(diǎn)數(shù)取100設(shè)計(jì)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”的不正常現(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(shè)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(shè)計(jì)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(nèi)液體的重量，同時保證氣液兩相順利通過。支承若設(shè)計(jì)不當(dāng)，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(yīng)大于填料的空隙率。此外，應(yīng)考慮到裝上填料后要將支承板上的截面堵去一些，所以設(shè)計(jì)時應(yīng)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(qiáng)降，降低效率，甚至形成液泛。由于填料支承裝置本身對塔內(nèi)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(yīng)滿足如下要求：足夠的強(qiáng)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(jī)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(yīng)大于填料的空隙率。此外，應(yīng)考慮到裝上填料后要將支承板上的截面堵去一些，所以設(shè)計(jì)時應(yīng)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(qiáng)降，降低效率，甚至形成液泛[12]。結(jié)構(gòu)上應(yīng)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(shè)計(jì)運(yùn)用的瓷質(zhì)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(qiáng)度和自由截面之間的矛盾，耗能更好的適應(yīng)高空隙率填料的要求，本設(shè)計(jì)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(fù)荷或負(fù)荷突然變動時填料層發(fā)生松動，破壞填料層結(jié)構(gòu)，甚至造成填料損失，必須在填料層頂部設(shè)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(wù)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(shè)置除沫器。根據(jù)本吸收塔的特點(diǎn)，此處用絲網(wǎng)除霧器：2.7吸收塔的流體力學(xué)參數(shù)計(jì)算2.7.1吸收塔的壓力降氣體通過填料塔的壓強(qiáng)降，對填料塔影響較大。如果氣體通過填料塔的壓強(qiáng)降大，則操作過程的消耗動力大，特別是負(fù)壓操作更是如此，這將增加塔的操作費(fèi)用。氣體通過填料塔的壓力降主要包括氣體進(jìn)入填料的進(jìn)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(jì)算可以利用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算壓強(qiáng)降；2.7.2吸收塔的泛點(diǎn)率校核塔的操作氣速為，泛點(diǎn)氣速為泛點(diǎn)率(50%-80%為經(jīng)驗(yàn)值，所以在允許范圍之內(nèi))2.7.3氣體動能因子吸收塔內(nèi)氣體動能因子為氣體動能因子在常用的范圍內(nèi)。3.其他附屬塔內(nèi)件的選擇3.1吸收塔主要接管的尺寸計(jì)算本設(shè)計(jì)中填料塔有多處接管，但主要的是氣體和液體的進(jìn)料口和出料口接管。在此分別以液體進(jìn)料管和氣體進(jìn)料管的管徑計(jì)算為例進(jìn)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(jìn)出口管氣速可取10～20m/s（高壓塔氣速低于此值）；液體進(jìn)出口流速可取0.8～1.5m/s（必要時可加大些）1．液體進(jìn)料接管進(jìn)料管的結(jié)構(gòu)類型很多，有直管進(jìn)料管、彎管進(jìn)料管、T型進(jìn)料管。本設(shè)計(jì)采用直管進(jìn)料管，管徑計(jì)算如下選管內(nèi)液體流速：估算管內(nèi)徑：管選用的普通焊接鋼管，內(nèi)徑為156mm管內(nèi)實(shí)際流速：2．氣體進(jìn)料接管采用直管進(jìn)料。取氣速取管徑為實(shí)際管內(nèi)徑為，則實(shí)際通過氣體接管的氣速為：3.2離心泵的計(jì)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(jìn)水里出口突然擴(kuò)大進(jìn)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(yáng)程為20m的泵流量m3/h揚(yáng)程H/m效率η/%功率/kw必需汽蝕余量(NPSH)r/m轉(zhuǎn)速（r/min）軸功率電功率10020787.00114.52900準(zhǔn)備兩個泵，一個備用3.3風(fēng)機(jī)的選取本設(shè)計(jì)混合氣體流量為2000m34-72-3.2A型離心式鼓風(fēng)機(jī)其參數(shù)如下流量m3/h全壓Pa轉(zhuǎn)速r/min功率Kw電機(jī)型號2100130029002.2Y90L-2準(zhǔn)備兩個風(fēng)機(jī)，一個備用

4.總結(jié)這次課程設(shè)計(jì)經(jīng)過兩周的時間得以完成，主要包括目錄、引言、設(shè)計(jì)方案、吸收塔的工藝計(jì)算等內(nèi)容，主要通過上網(wǎng)搜集資料、查找統(tǒng)計(jì)文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)的整合計(jì)算、文字的篩選等部分組成，在此基礎(chǔ)上形成了該課程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)框架，最后由本人加以總結(jié)整合，提出了相關(guān)設(shè)計(jì)方案，具體內(nèi)容在課程設(shè)計(jì)各章節(jié)有所體現(xiàn)。在短短的兩周里，我真實(shí)的體會到理論與實(shí)踐結(jié)合的困難，也學(xué)到了用所學(xué)的有限的理論知識去解決實(shí)際過程中的問題的不易。在初步設(shè)計(jì)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(jì)算相關(guān)參數(shù)的時候用亨利定律只能計(jì)算溶解度曲線是直線的情形，所以不能用亨利定律來計(jì)算相關(guān)參數(shù)。我們不得不通過查找文獻(xiàn)來尋找30度時候二氧化硫的溶解度時及在各個溶解度點(diǎn)的時候的平衡分壓，然后在坐標(biāo)紙上準(zhǔn)確的作出這么一條曲線。通過這條曲線找到在進(jìn)氣口處氣體中含有百分之九的二氧化硫的時候，對應(yīng)的吸收擠中二氧化硫的平衡摩爾分?jǐn)?shù)，從而確定平均溶解度系數(shù)。在設(shè)計(jì)過程中我慢慢發(fā)現(xiàn)吸收單元的操作型設(shè)計(jì)與計(jì)算，在工業(yè)生產(chǎn)中起著非常重要的作用，要求也很嚴(yán)格，設(shè)計(jì)合理與實(shí)用性好是必須的。為使化工生產(chǎn)更加便捷，操作費(fèi)用低廉，有些工藝材質(zhì)需要加以改進(jìn)，如塔填料。同時也要注意相關(guān)附屬設(shè)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(shè)計(jì)讓我有了很多的收獲。首先，通過課程設(shè)計(jì)資料的搜索以及對數(shù)據(jù)的計(jì)算中，讓我對化工原理有了更加清晰、更加深刻的認(rèn)識，課程設(shè)計(jì)本身的完成過程，其實(shí)也是自己對化工原理輪廓的理解，對內(nèi)容的把握的過程，這樣可以更加豐富的了