填料塔设计.docx
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填料塔设计.docx
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填料塔设计
xxxxx大学
化工原理课程设计任务书
专业:
班级:
组长:
成员:
设计日期:
设计题目:
空气丙酮填料塔的吸收
设计条件:
空气-丙酮体系
●混合气:
丙酮蒸气和空气
●吸收剂:
清水(25℃)
●处理量:
1500m3/h(标准状态)
●相对湿度:
70%
●温度:
20O℃
●含量:
进塔混合气中含丙酮:
1.82%(V%)
●要求:
丙酮回收率:
90%
●操作条件:
常压操作
●厂址地区:
任选
●设备型式:
自 选
设计内容:
相关说明
1.设计方案的选择及流程说明
2.工艺计算
3.主要设备工艺尺寸设计
(1)塔径的确定
(2)填料层高度计算
(3)总塔高、总压降及接管尺寸的确定
4.辅助设备选型与计算
5.设计结果汇总
6.工艺流程图及换热器工艺条件
指导教师:
xxxx
第一节概述------------------------------------------4
1.1吸收技术概况------------------------------------------4
1.2吸收设备的发展------------------------------------------4
1.3吸收过程在工业生产中的应用------------------------------------------5
1.4丙酮的相关资料------------------------------------------6
第二节设计方案的确定-----------------------------------------7
2.1吸收剂的选择--------------------------------------------7
2.2吸收流程的选择----------------------------------------8
2.3吸收塔设备及填料的选择-------------------------------------------------9
2.4操作参数的选择------------------------------------------9
2.5设计模型图------------------------------------------10
第三节吸收塔的工艺计算----------------------------------------11
3.1基础性数据--------------------------------------------11
3.2物料计算-------------------------------11
3.3填料塔工艺尺寸的计算--------------------------------------------12
第四节设计后的感想-------------------------------------------------18
4.1对设计过程的评述和有关问题的讨论-------------------------------------------------18
4.2设计感想-------------------------------------------------------------------------------------------18
附录:
参考文献-----------------------------------------------------------------------------------20
第一节概述
1.1吸收技术概况
吸收的依据即为混合气体中各组分在同一种液体中的溶解度差异。
吸收塔设备是气液接触的传质设备,一般可分为级式接触和微分接触两类。
一般级式接触采用气相分散,设计采用理论板数及板效率;而微分接触设备常采用液相分散,设计采用传质单元高度及传质单元数。
本设计采用后者。
吸收是气液传质的过程,应用填料塔较多。
而塔填料是填料塔的核心构件,它提供了塔内气—液两相接触而进行传质和传热的表面,与塔的结构一起决定了填料塔的性能。
1.2吸收设备的发展
吸收操作主要在填料塔和板式塔中进行,尤其以填料塔的应用较为广泛。
塔填料的研究与应用已获得长足的发展,鲍尔环、阶梯环、莱佛厄派克环、金属环矩鞍等的出现标志着散装填料朝高通量、高效率、低阻力方向发展有新的突破。
规整填料在工业装置大型化和要求高分离效率的情况下,倍受重视,已成为塔填料的重要品种。
其中金属与塑料波纹板造价适中,抗污力强,操作性能好,并易于工业应用,可作为通用填料使用;栅格填料对液体负荷和允许压降要求苛刻的过程十分有利,并具有自净机能,即使应用在污垢系统也能长期稳定运转;脉冲填料独特的结构使之在大流量、大塔径下也不会发生偏流,极易工业放大,从发展上看很有希望。
塔填料仍处于发展之中,今后的研究方向主要是提高传质效率,同时考虑填料的强度、操作性能及使用上的通用因素,并综合环型、鞍型及规整填料的优点,进而开发构型优越、堆积接触方式合理、流体在整个床层能均匀分布的新型填料。
就目前看,填料的材质仍以陶瓷、金属和塑料为主,特别为满足化工生产中温度和耐腐蚀的要求,以开发并采用了氟塑料制成的填料。
填料塔原先被认为设备笨重,放大效应显著,所以常用于塔径较小的场合。
近二三十年来,填料塔得到了较大的发展,特别是气液分布装置上的改进及规整填料的开发,使塔的直径可超过15m,在加大通量,减少压力降,提高效率及降低能耗方面,取得了明显的经济效益。
填料塔的发展,与塔填料的开发与研究是分不开的,除了提高原有填料的流体力学与传质性能外,还开发了不少效率高、放大效益小的新型填料,加上填料塔本身具有压降小、持液量小、耐腐蚀、操作稳定、弹性大等优点,使填料塔的开发研究达到了一个新的高度。
1.3吸收过程在工业生产中的应用
在化学工业中,气体吸收操作广泛应用于直接生产化工产品,分离气体混合物,原料气的精制及从废气中回收有用组分或除去有害物质等。
尤其是从保护环境,防止大气污染角度出发,对废气中的硫化氢,硫氧化物,氮氧化物等有害物质吸收除去过程的开发研究,有关着方面已提出了不少新的方法,发表了不少论著与文献。
除此之外,地球化学、生物物理和生物医药工程,也要应用气体吸收的理论及其研究成果。
工业上的气体吸收过程,由于所用的吸收剂、吸收剂浓度、操作温度与压力、
再生方法等的不同,可能有各种不同的工艺流程。
吸收过程可以在填料塔、板式塔、鼓泡塔、搅拌反应釜等设备中进行。
从传质角度讲,吸收所用的是气液接触设备,应增加气液两相的接触界面,但在吸收过程中也可能发生化学反应,因此吸收设备与蒸馏设备及气液反应器都有许多共同之处。
化学工业中的吸收操作,应用于脱除CO2及脱除H2S等装置数目为最多,开发研究也最多。
工业生产中的应用主要有以下几个方面:
A制取化工产品
(1)应用98%硫酸吸收SO3制取98%硫酸,应用20%发烟硫酸吸收SO3制取20%的发烟硫酸。
(2)应用93%硫酸脱除气体中的水蒸气以干燥气体。
(3)用水吸收氯化氢制取31%的工业盐酸。
(4)用水吸收NO2生产50%-60%的硝酸。
(5)用水或37%甲醛水溶液吸收甲醛制取福尔马林溶液。
(6)氨水吸收CO2生产碳酸氢铵。
(7)纯碱生产中用氨盐水吸收CO2生成NaHCO3。
(8)用水吸收异丙醇催化脱氢生产的丙酮。
B分离气体混合物
(1)油吸收法分离裂解气。
(2)用水吸收乙醇氧化脱氢法制取的乙醛。
(3)用水吸收丙烯氨氧化法生产的丙烯腈。
(4)用醋酸亚铜氨液从C4馏分中提取丁二烯。
(5)用水吸收乙烯氧化制取的环氧乙烷。
C从气体中回收有用组分
(1)用硫酸从煤气中回收氨生成硫铵。
(2)用洗油从煤气中回收粗笨(B.T.X)。
(3)从烟道气或合成氨原料气中回收高纯度CO2。
吸收过程的
描述
D气体净化
(1)原料气的净化。
其主要目的是清除后续加工时所不允许存在的杂质,它们或会使催化剂中毒,或会产生副反应而生成杂质。
例如,合成氨原料气的脱CO2和脱H2S,天然气、石油气和焦炉气的脱H2S以及硫酸原料气的干燥脱水等。
(2)尾气、废气的净化以保护环境。
燃煤锅炉烟气、冶炼废气等脱SO2,硝酸尾气脱除NOX,磷酸生产中除去气态氟化物(HF)以及液氯生产时弛放气中脱除氯气等。
E生化工程
生化技术过程中采用好气性菌,发酵中需要大量的空气以维持微生物的正常吸收和代谢,要应用空气中的氧在水中的溶解(吸收)这一基本过程[1]。
1.4丙酮的相关资料
丙酮概述
丙酮,也称作二甲基酮,饱和脂肪酮系列中最简单的酮。
熔点-95度,沸点56度,无色液体,有特殊气味,能溶解醋酸纤维和硝酸纤维,丙酮对人体没有特殊的毒性,但是吸入后可引起头痛,支气管炎等症状。
如果大量吸入,还可能失去意识。
丙酮的一些物化性质
密度
0.788(25℃)
溶水性
易溶于水
熔点
-94℃
自燃点
465℃
沸点
56.48℃
爆炸极限
2.6%~12.8%
饱和蒸汽压
53.32(kPa)
燃烧热值
1792千焦/摩尔
折光率
1.3588
挥发性
易挥发
闪点
-17.78℃
第二节设计方案的确定
2.1吸收剂的选择
对于吸收操作,选择适宜的吸收剂,具有十分重要的意义。
其对吸收操作过程的经济性有着十分重要的影响。
一般情况下,选择吸收剂,要着重考虑如下问题。
1.对溶质的溶解度大
所选的吸收剂多溶质的溶解度大,则单位量的吸收剂能够溶解较多的溶质,在一定的处理量和分离要求下,吸收剂的用量小,可以有效地减少吸收剂循环量,这对于减少过程功耗和再生能量消耗十分有利。
另一方面,在同样的吸收剂用量下,液相的传质推动力大,则可以提高吸收效率,减小塔设备的尺寸。
2.对溶质有较高的选择性
对溶质有较高的选择性,即要求选用的吸收剂应对溶质有较大的溶解度,而对其他组分则溶解度要小或基本不溶,这样,不但可以减小惰性气体组分的损失,而且可以提高解吸后溶质气体的纯度。
3.挥发度要低
吸收剂在操作条件下应具有较低的蒸气压,以避免吸收过程中吸收剂的损失,提高吸收过程的经济性。
4.再生性能好
由于在吸收剂再生过程中,一般要对其进行升温或气提等处理,能量消耗较大,因而,吸收剂再生性能的好坏,对吸收过程能耗的影响极大,选用具有良好再生性能的吸收剂,往往能有效地降低过程的能量消耗。
以上四个方面是选择吸收剂时应考虑的主要问题,其次,还应注意所选择的吸收剂应具有良好的物理、化学性能和经济性。
其良好的物理性能主要指吸收剂的粘要小,不易发泡,以保证吸收剂具有良好的流动性能和分布性能。
良好的化学性能主要指其具有良好的化学稳定性和热稳定性,以防止在使用中发生变质,同时要求吸收剂尽可能无毒、无易燃易爆性,对相关设备无腐蚀性(或较小的腐蚀性)。
吸收剂的经济性主要指应尽可能选用廉价易得的溶剂。
工业上常选用水做二氧化硫的吸收剂。
除了物理吸收可能还会发生化学反应。
2.2吸收流程的选择
用水吸收丙酮属中等溶解度的吸过程,为提高传质效率,采用逆流吸收流程。
因用水作为吸收剂,且丙酮不作为产品,故采用纯溶剂。
2.3吸收塔设备及填料的选择
各种填料的结构差异较大,具有不同的优缺点,因此在使用上应根据具体情况选择不同的塔填料。
在选择塔填料时,应该考虑如下几个问题:
1.面积大
比表面积是指单位堆积体积填料所具有的表面积;
2.布性能要好
主要有如下三个方面:
A.填料在塔内装填之后,整体结构均匀。
B.填料在塔内堆放形状应有利于液体向四周均匀分布。
C.减轻液体想避面偏流。
3.填料材质的选择
陶瓷:
耐腐蚀、耐热,价格便宜,润湿性能好;质脆、易碎是其最大缺点;金属:
通量大、阻力小,抗冲击性好,能在高温、高压下使用,应用范围最广;塑料:
耐腐蚀好,可长期在100︒C以下使用,质轻、价廉,耐冲击、不易碎,可以制成薄壁结构。
缺点是表面润湿性能差。
综合三种材质,考虑到该流程处理量不大,所以所用的塔径不会太大,以采用填料塔比较适宜,碳钢填料造价低,且具有良好的表面润湿性能,对于无腐蚀或低腐蚀性物系应优先考虑使用。
同时金属填料可制成薄壁结构,它的通量大、气体阻力小,且具有很高的抗冲击性能,能在高温、高压、高冲击强度下使用,应用范围最为广泛。
4.填料类型的选择
从华东理工大学出版社出版的化工原理教材中查到一些参考数据
填料名称
评估值
语言值
排序
丝网波纹填料
0.86
很好
1
孔板波纹填料
0.61
相当好
2
金属环矩鞍填料
0.59
相当好
3
金属矩鞍
0.57
相当好
4
金属阶梯环
0.53
一般好
5
金属鲍尔环
0.51
一般好
6
瓷环矩鞍填料
0.41
较好
7
瓷矩鞍
0.38
略好
8
瓷拉西环
0.36
略好
9
填料类型的选择是一个比较复杂的问题。
一般来说,同一类填料塔中,比表面积大的填料虽然具有较高的分离效率,但是由于在同样的处理量下,所需要的塔径较大,塔体造价升高。
由于本次设计是在常压(101.3Kpa),常温(20°C)下进行的,故本次设计采用16金属鲍尔环填料,其主要性能参数为:
填料类型
公称直径
填料个数
堆积密度
空隙率
比表面积
泛点填料因子
金属鲍尔环
16mm
24680/m-3
365kg/m3
0.96
239m2/m3
410/m-1
我就是传说中的鲍尔环
2.4操作参数的选择
温度为20℃,炉气流量为1000m3/h,丙酮摩尔分率为0.05,要求回收率不小于96%,由左图知,当液-气比较小时,吸收剂用量少,操作费用低,但吸收塔较高,设备费用高;反之,当液-气比较大时,吸收剂用量多,操作费用高,但吸收塔较低,设备费用少。
所以根据生产需要,实际液气比为最小液气比的1.5倍。
2.5设计模型图
填料塔的模型图
填料支撑板
气体出口
液体出口
气体进口
填料
液体进口
第三节吸收塔的工艺计算
3.1基础物性数据
液相物性数据
35℃时水的相关物性ρ=998.2㎏/m3,
黏度μ=1.0050mpa.s=3.6㎏/(m.h),
表面张力б=72.6mN/m=940869㎏/h2。
丙酮在水中的扩散系数为:
表常见溶剂的缔合因子
溶剂名称
水
甲醇
乙醇
苯
非缔合溶剂
缔合因子
2.6
1.9
1.5
1.0
1.0
由参考书查得正常沸点下的分子体积得:
气相物性数据
混合气体的平均摩尔质量为=0.05×58.08+0.95×28.95=30.41Kg/Kmol
混合气体的平均密度为=1.266㎏/m3
混合气体的黏度可近似取为空气的黏度,查手册得20℃空气的黏度为μv=1.73×10-5Pa。
S
气液相平衡数据
由亨利系数经验公式求得常压20℃丙酮在水中的亨利系数:
E=161.6377KPa=161.6KPa
相平衡常数m==1.60
溶解度系数=0.343kmol/(kpa.M3)
3.2物料计算
1.进塔混合气体中各组分的量
近似压强为101.3kPa,故
混合气体量为=1500(273/(273+35))/22.4=59.36kmol/h
混合气体丙酮量=59.36*0.0182=1.08kmol/h
=1.08*58=62.64kg/h
由35C饱和水蒸气压强为5623.4Pa,则每千摩尔相对湿度为70%的混合气体中含水蒸气量=5623.4*0.7/(101.3*1000-0.7*5623.4)=0.0404kmol水气/kmol(空气丙酮)
混合气体中水蒸气含量=59.36*0.0404/(1+0.0404)=2.31kmol/h
=2.31*18=41.58kg/h
混合气体中空气量=59.36-1.08-2.31=55.97kmol/h
=55.97*29=1623kg/h
2.混合气进出塔的摩尔组成
Y1=0.0182
Y2=1.08(1-0.9)/(55.97+2.31+1.08(1-0.9))=0.00185
3.混合气进出塔的摩尔比组成
若将空气与水蒸气视为惰气,则
惰气量=55.97+2.31=58.28kmol/h
=1623+41.58=1664.6kg/h
Y1=1.08/58.28=0.0185kmol丙酮/kmol惰气
Y2=1.08(1-0.9)/58.28=0.00185kmol丙酮/kmol惰气
4.出塔混合气量
出塔混合气量=58.28+1.08*0.1=58.388kmol/h
=1664.6+62.64*0.1=1670.8kg/h
3.3填料塔工艺尺寸的计算
3.31热量衡算
热量横算为计算液相温度的变化以判明是否为等温吸收过程。
假设丙酮溶于水放出的热量全被水吸收,且忽略气象温度变化及塔的散热损失(塔保温良好)。
查手册,丙酮的微分溶解热(丙酮蒸汽冷凝热及对水的溶解热之和):
Hdm=30230+10467.5=40675.5kJ/kmol
吸收液(依水计)平均比定压热容CL=75.366kJ/(kmol·℃),依式(5-7)
tn=tn-1+Hdm(xn-xn-1)
对低浓度气=体吸收吸收液浓度很低时,依惰性组分及摩尔比组成计算较为方便,故式(5-7)也可写为:
tL=25+40697.6ΔX/75.366
依上式、可在X=0.000-0.008
之间,设系列X值,求出相应X组成下吸收液的温度tL,计算结果列于表5-15第1.2列中。
由表中数据可见,液相浓度X变化0.001时,温度升高0.54,依此求取平衡线。
表5-15各液相组成下的吸收液温度及相平衡数据
X
T/1℃
E/kPa
m=(E/P)
Y*×1000
0.000
25.00
211.5
2.008
0.000
0.001
25.54
217.6
2.148
2.148
0.002
26.08
223.9
2.210
4.420
0.003
26.62
230.1
2.272
6.816
0.004
27.16
236.9
2.338
9.352
0.005
27.70
243.7
2.406
12.025
0.006
28.24
250.6
2.474
14.844
0.007
28.78
257.7
2.544
17.808
0.008
29.32
264.96
2.616
20.928
3.32.气液平衡曲线
由式(5-3)可知,当x<0.01,t=15-45℃时,丙酮溶于水其亨利平衡常数E可用下式计算:
LgE=9.171-[2040/(t+273)]
由前设X值求出夜温tL,依上式计算出相应E值,且m=E/P,分别将相应E值及相平衡常数m值列于表5-15中第3.4列。
由Y*=mX求取对应m及X时的气相平衡组成Y*,结果列于表5-15第5列。
3.33.吸收剂的容量L
由5-16查出,当Y1=0.0185时,
X
=0.0072,X2=0,依式(5-10)计算最小吸收剂用量Lmin
Lmin=V
取安全系数为1.8,则
L=1.8*134.8=242.6kmol/h
=242.6*18=4367kg/h
3.34.塔底吸收液组成X1
依式(5-10)(物料衡算式)
V(Y1-Y2)=L(X1-X2)
X1=58.28(0.0185-0.00185)/242.6=0.004
3.35操作线
依操作线方程(5-9)
Y=LX/V+(Y2-LX2/V)
Y=4.163X+0.00185
依上式绘制操作线于图5-16
3.36.塔径计算
塔底气液负荷大,依塔底条件(混合气35摄氏度),101.3kPa。
查表5-15,吸收液27.16计算。
D=
u=(0.6-0.8)uF
1.采用Eckert通用关联图法(图5-7)计算泛点气速uF
(1)有关数据计算
塔底混合气流量V’=1623+62.64+41.58=1727kg/h
吸收液流量L’=4367+1.08×0.9×58=4423kg/h
进塔混合气密度ρV=
×
=1.15kg/m
(混合气密度低可近似视为空气密度)查《化工原理》教材附录,吸收液密度ρL=996.7kg/m
吸收液黏度μL=0.8543mPa.s
经比较,选Dg50mm塑料鲍尔环,查《化工原理》教材附录。
其填料因子Ф=120m
,比表面积at=106.4
。
(2)关联图的横坐标值
=
(3)由图5-7查得纵坐标值为0.14
故,液泛气速uF=
m/s
2.操作气速
u=0.6uF=0.6×3.197=1.92m/s
3.塔径
D=
取塔径为0.6m
4.核算操作气速
u=
m/s 5.核算径比 D/d=600/50=12,满足鲍尔环的径比要求。 6.喷淋密度校核 依Morris等推荐,d〈75mm的环形及其他填料的最小湿润速率LW,min为0.08m /(m.h),由式(5-17): 最小喷淋密度Umin=LW,minat=0.08×106.4=8.512 因U=4367kg/h= ,故满足最小喷淋要求。 3.37填料层高度计算 依式(5-18)计算填料层高度,即 Z=HOGNOG= 1.传质单元高度HOG的计算 HOG= ,其中KYa=KGaP (1)本设计采用式(5-30)计算填料润湿面积a作为传质面积aW,依改进的恩田式(5-33)及式(5-34)分别计算kL及kG,在合并为kLa和kGa。 A.列出各关联式中的物性数据 气体性质(以塔底35℃,101.3kPa空气计) ρG=1.15kg/m ,μG=0.01885×10 Pa·s,DG=1.09×10 液体性质(以塔底27.16℃水为准) ρL=996.7kg/m ,μL=0.8543×10 Pa·s DL=1.344×10 ,σL=71.6×10 N/m 气体与液体的质量流速: LG= Dg50mm塑料鲍尔环特性。 查《化工原理》教材附录: dP=50mm=0.05m at=106.4 σC=40×10 N/m =1.45(鲍尔环为开孔环) B.依式(5-30) =0.469 故 ×a =0.469×106.4=49.9 C.依式(5-33) =1.93×10 m/s D.依式(5-34) 故, (2)计算KYa 。 由于在操作范围内,随液相组成X和温度tL的增加,m(E)亦变,故本设计分为两个液相区,分别计算 ,即 区间ⅠX=0.004~0.002 区间ⅡX=0.002~0 由表5-15知 HⅠ= 故 (3)计算HOG HOG(Ⅰ)= HOG(Ⅱ)= 2.
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