清水吸收填料吸收塔的设计书.doc

清水吸收填料吸收塔的设计书1概述气体吸收是利用气体在液体中的溶解度差异来分离气态均相混合物的一种单元操作。用于吸收的设备类型很多，如我们常见的填料塔、板式塔。填料塔是气液成连续性接触的气液传质设备。塔的底部有支撑板用来支撑填料，并允许气液通过。支撑板上的填料有整砌和乱堆两种方式。填料层的上方有液体分布装置，从而使液体均匀喷洒于填料层上。当填料层较高时就可以通过分段来减少“壁流”现象的影响。2.设计方案的确定1.2.1设备方案的确定及论证 确定设计方案是课程设计的首要步骤，设计方案的确定要从技术上和经济上进行综合论证。填料塔具有结构简单、容易加工、生产能力大、压降小、吸收效果好、操作弹性大等优点，所以在工业吸收操作中被广泛应用。在本次课设中，要求用清水吸收氨气，且氨气含量较高，故选用填料塔。填料的选择见1.4 。1.2.2 流程方案由于氨气属于易溶气体，设计条件中氨气含量较高，逆流操作适用于平均推动力大的吸收，吸收剂利用率高，完成一定分离任务所需的传质面积小，故选为逆流操作。但吸收剂用量特别大时，逆流容易引起液泛，所以需要通过调节液体流量来控制。1.2.3 吸收剂的选择本次课设的题目中，已给出吸收剂清水，对于吸收空气氨气混合气体选用清水有如下优点： 1. 溶解度大； 2选择性好； 3. 挥发度低； 4. 吸收剂具有较低的黏度，且不易产生泡沫； 5. 对设备腐蚀性小，无毒；6. 价廉、易得、化学稳定性好，便于再生，不以燃烧。1.3填料的选择1.3.1吸收过程对填料选取的要求填料的选择要根据以下几个方面来考虑： 1. 比表面积要大，有较高的传质效率；2. 能提供大的流体通量；3. 填料层的压降小；4. 填料的操作性能好5. 液体的再分布性能要好；6. 要有足够的机械强度；7. 价格低廉，稳定性好。1.3.2 填料的选择填料的选取包括确定其种类、规格、及材质等1.3.2.1 填料的种类颗粒填料般为湿法乱堆或干法乱堆的散装填料，其中常用的包括拉西环、鲍尔环、阶梯环等；规整填料是由若干形状和几何尺寸相同的单元组成的填料，以整砌方式装填在塔内，主要有波纹填料、格栅填料、绕卷填料等。1.3.2.2 填料的尺寸一般所选填料的尺寸小于75mm。径比D/d有一个下限值（一般为10），若径比低于此下限值时，塔壁附近的填料层空隙率大而不均匀，气流易走短路、液体壁流加剧。1.3.2.3 填料的材质 常用的填料材质为金属，陶瓷和塑料等。金属主要有碳钢，不锈钢，铝和铝合金，低碳合金钢等。塑料材质主要有聚乙烯，聚氯乙烯，聚丙烯和其他工程塑料等。但塑料材质的耐温低和润湿性较差，故多用于操作温度较低的吸收，水洗等操作，不能用于精馏。陶瓷材料耐腐蚀性，耐湿性强，价格便宜，但容易破碎。由于规整填料在装卸、清理时相对困难，且造价也高，所以选择颗粒填料。要进行不同种类填料吸收效果的比较，为了使它们具有可比性，所以选用两种外径相同的填料；根据氨水具有腐蚀性这一特点，吸收过程中对机械强度要求不高，而陶瓷具有较好的耐腐蚀性，节省资金投入，故选用陶瓷材质的填料。由于不知道径比，所选填料外径不应太太,填料的尺寸大了，效率就变低.一般50mm以上的大填料，虽然成本合算，但通量的提高不能补偿成本的降低,常用在大塔中.据此，初步选用50mm外径的填料。在此设计中是常压，温度较低，选取的两种陶瓷材质的填料特性见下表：填料种类规 格(mm)比表面积a(m/m)空隙率填料个N(/m)堆密度(kg/m)填料因子陶瓷拉西环50504.5 930.81610457205陶瓷鲍尔环50504.51100.81610457130二 工艺计算 2.1 概述 整个工艺计算过程包括以下几点：1. 确定气液平衡关系2. 确定吸收剂用量及操作线方程3. 准备计算所需的物性参数4. 填料的选择5. 确定塔径及塔的流体力学性能计算6. 填料层高度的计算2.1气液平衡关系 由于原料气组成中，氨气占45%，含量较高，用清水吸收时会产生明显的热效应，使塔内温度显著升高，对气液平衡关系和吸收速度产生明显影响，属于非等温吸收。在逆流吸收塔中气液平衡关系是温度的函数，温度升高，平衡关系便要改变，所以，在这种情况下不能再利用亨利定律，应重新按照非等温吸收的热衡算，根据液相浓度和温度的变化情况，定出实际的平衡关系。非等温吸收的热效应主要包括：吸收质与吸收剂混合时产生的混合热，即溶解热。气体溶解时由气态转变为液态时放出的潜热。化学反应热。物理吸收计算中只考虑溶解热，溶解热分为积分溶解热和微分溶解热。在吸收过程中所用的吸收剂量很大，液相浓度一般变化较小，于是混合热可考虑为微分溶解热。在假定非等温吸收的平衡关系时，为简化计算，通常做如下三点假设：忽略热损失。忽略吸收剂带走的热量。忽略气相带走的热量。以上三点假设使溶解热全部用于液相温度升高。就全塔而言，由塔顶到塔底的浓度及温度变化较大，平衡关系的确定常采用近似法。将吸收塔按液相浓度范围0-0.1内平均分为20份，每段浓度变化为=0.005。混合热就可按微分溶解热来计算。根据课程设计书中的推导过程及公式对第n段作热衡算则有 i : : i-1 i i+1 : : 溶质被吸收时放出的热量：液相温度由升至时吸收的热量：根据前面的假设，吸收过程中放出热量全部用于液相升温，=即H =349006250x（kJ/kmol） （2-1） t = t + (x-x) = t + x （2-2）式中：， 第i段两端的液相温度，； 第i段两端的液相浓度差； 溶液流率，kmol/h(由于x很小，L可视为常数) 溶液的平均比热(kJ/kmolK)H 溶质的微分溶解热，kJ/Kmol(可取x与x间的平均值)在塔顶液相浓度=0，温度=12的情况下，由式（2-1）、（2-2）逐段计算出每个下的液相温度，建立吸收塔中液相浓度x与温度t的对应关系。2.2平衡关系的确定在吸收操作中，吸收塔内液相的浓度和温度分别由塔顶处的，增加到塔底处的，。在此液相浓度和温度范围内，随着和t的变化，气液两相的平衡关系也在改变，即不同温度对应着不同的平衡曲线。实际平衡关系可由温度与浓度的关系得到，也可由经验公式来确定。对于氨气和水溶液的平衡物系，若选用经验公式，可作如下计算： lg P = 1.1 lg x - + 8.92 （2-3）式中： 氨在水溶液中的摩尔分率 T 溶液的温度， K P 溶液上方氨的平衡风压 ，Hg由于是常压下吸收，气相可是为理想气体，按道尔顿分压定律，计算与x相平衡的y： = （2-4）式中：P 操作压强，mmHg应用以上公式计算所需数据列于下表:H(kJ/kmol)H(kJ/kmol)t()T(K)p(mmHg)03490025298.15000.00534868.7534884.37527.31300.463.6680.005460.01034837.534853.12529.62302.778.7100.012970.01534806.2534821.87531.93305.0815.0490.022410.0203477534790.62534.24307.3922.8030.033960.02534743.7534759.37536.54309.6932.1290.047850.03034712.534727.12538.84311.9943.2190.064360.03534681.2534696.87541.14314.2956.2820.083810.0403465034665.62543.44316.5971.5480.106550.04534618.7534634.37545.74318.8989.2790.132950.05034587.534603.12548.03321.18109.7010.163360.05534556.2534571.87550.32323.47133.1370.198270.0603452534540.62552.61325.74159.9240.238160.06534493.7534509.37554.90328.05190.3930.283530.07034462.534478.12557.19330.34224.9240.334950.07534431.2534446.87559.47332.62263.8200.392880.0803440034415.62561.75334.90307.5800.458040.08534368.7534384.37564.03337.18356.6000.531130.09034337.534353.12566.31339.46411.5480.612870.09534306.2534321.87568.59341.74472.7630.704030.1003427534290.62570.86344.01540.6780.80517 根据计算结果，以为横坐标，为纵坐标，在坐标纸上绘出非等温吸收的平衡关系曲线。由、关系，代入=0.45，0.0468对下表数据内插求得、0.02000250.0750.0800.033960.047850.392880.45804=0.0794，=0.0246 2.3.吸收剂用量及操作线的确定2.3.1物料衡算如图2-2，对于并流操作的吸收塔，在任意截面M-N与塔顶或塔底作物料衡算： 或 MN图2-2逆流吸收塔的物料衡算示意图 2.3.2 吸收剂用量的确定 1.最小吸收剂用量 （2-5） （2-6）式中： V 惰性气体摩尔流率，Kmol/h； 最小吸收剂用量,Kmol/h； Y,X 气相和液相组成，摩尔比； 下标： 1塔底 ； 2塔顶 与平衡的液相组成，摩尔比。 对高浓度气体的吸收，需根据塔底气相浓度y1,由平衡关系找出与之对应的,计算：然后利用（26）确定最小吸收剂用量。摩尔比：=； =； ； 下标： 1塔底 ； 2塔顶吸收剂用量 由设计任务书知氨气体积分率为45%，空气的体积分率55% ；原料气温度35 ；吸收率不低于 94%；吸收剂为25地下水；操作压力为89590Pa,个参数计算过程如下：由道尔顿分压定律知 = 45% =0.45 所以Y= 0.8182由回收率为94%得 Y= Y(1-94%)=0.0491 所以=0.0468因为所选用的吸收极为清水，所以x=X=0对表中数据采用插法求，结合数据表代入=0.45知0.01750.0800.39288= 0.450.45804采用内插法得=0.07938所以X= =0.0862 所以=8.92因为V=109.75kmol/h取液气比为最小液气比的1.6倍得=8.921.6=14.272，代入V值得：L=1566.352kmol/h所以=14.272，将上面求的的Y=0.818， Y=0.04908，X=0（2） 操作线方程对于高浓度的气体吸收，溶质含量一般用摩尔分率来表示。于是高浓度气体的逆流吸收，其操作线方程为： =+由于是清水吸收，故=0（3）确定操作线的演算示例 由任务书中的设计条件可得到：=0 =0.45 =4470N/h可以推出 =0 由式（2-7）可求得：= 在图2-4中读出，即 根据公式（2-8）可得 由公式（2-5） 可得 假设实际的液气比试最小的液气比的1.5倍时，由公式（2-9）即可得到 而惰性气体的摩尔流量为：V = (1-)=6kmol/h则液体的摩尔流量为：L=9.4884119.196=1130.9793kmol/h由公式（2-10）即可得到 =代入以上公式所需要的数据得到操作线方程为：=14.272+0.04908由以上操作线方程可得如下操作线的坐标：00.0050.0100.0150.0200.0250.0300.0350.0400.0450.046780.107780.161950.210370.253920.293300.329080.361720.391630.419140.0500.0550.0600.0650.0700.0750.0800.0850.0900.0950.1000.444520.468010.489810.510100.529040.546750.563340.577940.593590.607420.62047代入由=0.45，0.0468与的关系内插求得的=0.0794，=0.0246到操作线方程解得操作关系=0.54141，0.29029根据如上数据以为横坐标，为纵坐标可绘得操作线，且将操作线和平衡线绘制到同一张坐标纸上。2.4 物性参数（1）操作温度（定性温度） = 其中为塔顶温度由设计任务书已知为25，需要从计算的平衡关系得到的的数据中内插求出，其值为所对应的温度。由公式解得：又=0.05110.0500.05110.05548.0350.32内插求的=48.53所以 =36.77 =36.77+273.15=309.92K(2)物性参数的确定气象的物性参数1. 分子量 因为=17，=29代入、得到=23.6kg/kmol , =28.4kg/kmol所以26kg/kmol2. 氨在空气中的扩散系数由公式,其中已知=89590 ， 定性温度=309.92K代入数据解得=0204cm/s3.混合气体的粘度已知公式：= ，混合气体的平均粘度查课本得：=0.91810,代入数据得：=1.417,所以=1.5594.混合气体的密度由1.中求得的分子量26.02kg/kmol，结合理想气体的密度计算公式：,其中,=273.15K,为定性温度，为操作压强，代入数据解得：=0.987kg/m5.操作温度下氨的溶解度查化工工艺设计手册，对定性温度下的氨的溶解度插值得如下数据：温度（）3036.7740溶解度（g/g）40.3S30.7对以上数据内插求的氨的溶解度S=33.8g/g液相的物性参数1.液体的平均粘度先用公式求得塔顶和塔底的质量百分比浓度、，代入=0.0545，=0，=17kg/kmol，=19kg/kmol,解得：=0.0516，=0所以=0.0242=2.42%根据查氮肥工艺设计手册第223页图2-40求得=7.610=7.4572.氨在水中的扩散系数=7.4其中，=7.610=7.457代入数据解得0.11463. 氨水的表面张力查化工工艺设计手册表中只有20氨水的值，用1.中的插值求出氨水20下表面张力=70.70，用水的表面张力随温度的变化，估算操作温度下氨水的表面张力： 项目温度 水的表面张力()2072.436.774068.9为操作温度下水的表面张力，由内插求得；为20水的表面张力，其值分别为=68.89，=72.40解得：65.284.氨水的比热已求的氨水的质量分水为2.42%，操作温度为36.77，计算氨水的摩尔分数为2.56%，经三次内插法求的氨水的比热容为：1.008kcal/（kg）1.0084186.8 = 4220.29J/kgK由化工工艺设计手册查的数据如下表氨水比热容摩尔分数%温度20.6410.01.00.995810.50.9951.065.氨水的密度=，代入数据结算出平均密度查氮肥工艺设计手册图2-38得氨水的密度0.984=984（四）填料的选择在此设计中是常压，温度较低，选取的两种陶瓷材质的填料特性见下表：填料种类规 格(mm)比表面积a(m/m)空隙率填料个N(/m)堆密度(kg/m)填料因子陶瓷拉西环50504.5 930.81610457205陶瓷鲍尔环50504.51100.81610457130塔底气体流量：=塔顶气体流量：=115.14所以=157.345=1.15（其中各参数与上面数值相同）计算泛点气速：塔顶液相质量流量7.832塔底液相质量流量=8.231所以=8.077塔顶气相质量流量=0.908塔底气相质量流量1.308所以1.108因为0.987，984，0.7457=993，对于拉西环=205，对于鲍尔环=1300.231，由通用关联图查的得=0.09代入数据解得拉西环2.12，鲍尔环2.67取速度为液泛速度的0.7倍得拉西环=1.49鲍尔环=1.8692.5 塔径计算：对于拉西环0.992圆整为1对于鲍尔环0.885圆整为0.9因为所以对于拉西环=1.46，=0.69，在容许的范围内；对于鲍尔环=1.81，=0.68，在容许的范围内。由通用关联图查得拉西环=0.043，鲍尔环=0.04，它们的单位压降分别为480.69和431.64，均在容许的操作范围内。 综上可知相同的瓷质拉西环和鲍尔环相比较其泛点气速较低，单位高度压降较大，而且鲍尔环的比表面积较拉西环大，所以鲍尔环的性能优于拉西环，所以填料选用瓷质鲍尔环。 通用关联图2.6喷淋密度的核算填料塔中气液两相间的传质主要是在填料表面流动的液膜上进行的。要形成液膜，填料表面必须被液体充分润湿，而填料表面的润湿状况取决于塔内的液体喷淋密度及填料材质的表面润湿性能。液体喷淋密度是指单位塔截面积上，单位时间内喷淋的液体体积，以U表示，单位为m3/(m2h)。为保证填料层的充分润湿，必须保证液体喷淋密度大于某一极限值，该极限值称为最小喷淋密度，以Umin表示。式中 Umin最小喷淋密度，m3/m2s (LW)min 最小润湿速率，m3/ms 填料的比表面积，m2/m3最小润湿速率是指在塔的截面上，单位长度的填料周边的最小液体体积流量。其值可由经验公式计算，也可采用经验值。对于直径不超过75mm的散装填料，可取最小润湿速率(LW)min为0.08 m3/（mh）；对于直径大于 75mm的散装填料，取(LW)min =0.12 m3/（mh）。因为所选用的填料为直径50mm鲍尔环(LW)min=0.08 =110 D =1.0m 显然， 所以合格。2.7 填料层高度 填料层高度计算涉及物料衡算、传质速率和相平衡关系。对于整个吸收塔，气、液的浓度分布都沿塔高变化，吸收速率也在变化。所以要在全塔范围应用吸收速率关系式，就要采用微分方法，然后积分得到填料层的总高度。 选取传质单元数法求解填料层高度。原料气组成中氨气含45%，属于高浓度气体的吸收。气液流率沿塔高变化明显，溶液热效应大，气液温度升高，平衡线斜率也将沿塔高改变。气液相吸收分系数并非常数，总吸收系数变化更为显著，因此，高浓度气体的吸收可用如下公式计算:Z=传质单元高度传质单元数选取传质单元数法求解填料层高度。原料气组成中氨气含45%，属于高浓度气体的吸收。气液流率沿塔高变化明显，溶液热效应大，气液温度升高，平衡线斜率也将沿塔高改变。气液相吸收分系数并非常数，总吸收系数变化更为显著，因此，高浓度气体的吸收可用如下公式计算： = （2-17）式中：V气相总摩尔流量，kmol/s 气膜体积吸收系数 成平衡的气相度其中可视为常数，故式2-15可变为：= 即： （ 2-18） 2.7.1传质系数的计算2.7.1.1有效面积（润湿面积） （2-13）式中：单位体积填料的总表面积，/ t单位体积填料的总表面积，/ 液体的表面张力， c填料材质临界表面张力， ，由化工原理课程设计中查得陶瓷c=6110-3 液体通过塔截面的质量流率， 液相粘度， 液气相密度， / g 重力加速度, 其中=110/，=65.2810，c=6110，=12.94，=7.45710，=982 /，g=9.81.代入数据解得: =84.91/ 2.7.1.2 气相传质系数的计算 由于氨水是易容气体，属于气膜控制，无需计算液相传质系数。气相传质系数的计算式：= （2-14）式中：系数，一般环形填料和鞍形填料为5.23，小于15的填料为2.00气体常数，8.314 气体温度， 溶质在气相中的扩散系数， 气体通过空塔截面的质量流率， 气体粘度， 气体密度， / 已知309.92，=0.204/=2.04，=1.74，=1.559，=0.987 /代入数据解得2.11所以=1.89，其中=89.590。所以=0.54传质单元数的计算，对于该函数值通过直接积分难以求得，故在此处选用图解积分法求取其函数值。即以、为横坐标，为纵坐标作图，曲线所围成的面积即为其函数值。其中，将从0到0.100分为20段取值（且代入塔底、塔顶的气体摩尔分数，即、）并令=，代入数值得如下表格：0.046780.107780.161950.210370.253920.290290.2933021.88710.4157.3095.8475.1884.7814.7470.329080.361720.391630.419140.444520.454.4824.3354.2774.2984.3964.438由以上数据利用图解法得传质单元总数2.83=0.542.83=1.53所以填料层的高度为1.53。 三 结果评价 3.1.填料的确定及论证根据前一章对所选两种填料进行各方面的计算分析，我们将在这一节根据计算结果确定所用填料。保证工艺计算流程及数据误差在合理范围内的前提下，引起误差的原因与所选填料种类、在计算过程中选择的参数有关。根据工艺条件设计出的填料塔的主要参数如表3-1所示：表3-1 设计的填料塔数据题 目清水吸收填料塔吸收的设计流程布置逆流操作气液平衡关系非等温吸收塔高1.53m塔径0.9m填料瓷质鲍尔环填料3.2.逆流的确定及论证根据前面计算知清水吸收氨的吸收剂用量不大，一般不会引起液泛，所以选用逆流操作。逆流操作适用于平均推动力大的吸收，吸收剂利用率高，完成一定分离任务所需的传质面积小 数据汇总表表吸收塔的吸收剂用量计算总表意义及符号结果混合气体处理量G4470Nm3/h进塔气相摩尔分率y10.45出塔气相摩尔分率y20.04678进塔液相摩尔分率x10.0511最小液气比（L/V）min8.92混合气体的密度0.987kg/m3混合气体的粘度1.559吸收剂用量L1566.352kmol/h表塔设备计算总表意义及符号结果塔径D0.9 m填料层高Z1.53m气相总传质单元高度 0.57 m气相总传质单元数2.83m表填料计算总表意义及符号结果填料直径dp50mm空隙率0.81填料比表面积a110m2/m3填料因子130 m-1主要符号说明1、英文字母 填料层的有效传质比表面积（m/m）填料层的润滑比表面积m/m填料当量直径，mm填料直径，mm；亨利系数，KPa扩散系数，m/s； 塔径;溶解度系数，kmol /(m.KPa)重力加速度，kg/(m.h)液相传质单元高度，m气相传质单元高度 ，m液相总传质单元高度，m气相总传质单元高度，m吸收液质量流速kg/(m.h)气膜吸收系数, kmol /(m.s.KPa);液相传质单元数，无因次液体喷淋密度; 液相总传质系数，无因次气相传质单元数，无因次分压，KPa气相总传质系数，无因次空塔速度，m/s总压，KPa惰性气体流量，kmol/s气体通用常数，kJ/(kmol.K)液膜吸收系数 ，kmol/(m2.s.kmol/m3)液泛速度，m/s气相总吸收系数kmol/(m.s)混合气体体积流量，m3/s;气相总吸收系数，kmol/(m2.s.kpa)气膜吸收