氯化氫吸收制備鹽酸--化工原理大作業(yè).doc

此文檔收集于網絡，如有侵權，請聯(lián)系網站刪除 化工原理大作業(yè) 目錄一、任務及操作條件- 1 -1.1設計題目：- 1 -1.2工藝操作條件：- 1 -二、設計條件及主要物性參數(shù)- 2 -2.1設計條件：- 2 -2.2主要的物性參數(shù)值- 2 -三、設計方案的確定- 3 - 3.1設計方案的內容- 3 -3.1.1流程方案的確定- 3 -3.1.2設備方案的確定- 3 -3.2流程布置- 4 -3.3吸收劑的選擇- 4 -3.4操作溫度和壓力的確定- 4 -3.5填料的選擇- 5 - 3.5.1填料種類的選擇-5- 3.5.2填料規(guī)格的選擇 - 5 -3.5.3填料材質的選擇 - 6 -四、填料塔工藝尺寸的計算- 8 -4.1物料計算- 8 -4.1.1出塔吸收液中各組分的量- 8 -4.1.2混合氣進出塔的摩爾組成- 9 -4.1.3混合氣進塔的流量- 9 -4.1.4出塔混合氣量- 9 -4.2氣液平衡關系- 9 -4.3塔徑計算- 10 -4.3.1采用Eckert通用關聯(lián)圖法計算泛點氣速- 10 -4.3.2操作氣速的確定- 12 -4.3.3塔徑的計算- 12 -4.3.4核算操作氣速- 12 -4.3.5核算徑比- 12 -4.3.6噴淋密度校核- 13 -4.3.7單位填料程壓降（）的校核- 13 -4.4填料層高度的確定- 13 -4.4.1傳質單元高度計算- 14 -4.4.2計算- 16 -4.4.3計算- 16 -4.4.4傳質單元數(shù)NOL計算- 16 -4.4.6填料塔附屬高度計算- 16 -4.4.7填科目的分段- 17 -4.4.8封頭的選擇- 17 -五、填料吸收塔的附屬設備- 18 -5.1填料支承板- 18 -5.2填料壓板和床層限制板- 18 -5.3液體分布器計算和再分布器的選擇和計算- 18 -5.3.1液體分布器- 18 -5.3.2氣體進出口裝置與排液裝置- 19 -六、輔助設備的選型- 21 -6.1管徑的計算- 21 -6.2離心泵的選擇與計算- 22 - 工藝設計計算結果匯總與主要符號說明- 23 -1.吸收塔的吸收劑用量計算總表- 23 -塔設備計算總表- 24 -填料計算總表- 24 - 參考文獻 -25- 經費預算 -26- 設計心得 -27-此文檔僅供學習與交流一、任務及操作條件1.1設計題目：設計全套分離設備，以滿足以下要求：利用水吸收廢氣中HCl氣體，制備稀鹽酸。溫度為45的HCl廢氣中HCl含量為1640.7 mg/m3，吸收率高于95.37%，并且要求每年按運行10個月來計算，年產出2000 噸4.0%（質量分率）以上的稀鹽酸。要求，從化工方面的專業(yè)網站上查詢適當?shù)乃?shù)，設計全套設備，并做出經費預算。希望細致完成計劃書。1.2工藝操作條件：（1）操作壓力為101.3KPa（2）操作溫度為20（3）逆流操作二、設計條件及主要物性參數(shù)2.1設計條件：（1） 生產能力: 稀鹽酸生產量（2） 原料: 以氯化氫空氣二元體系，進料混合氣體含氯化氫的含量為1640.7 mg/m3。（3）處理要求: 氯化氫的回收率高于95.37%，該設計中去96%。（4） 操作壓力：101.3KPa（5） 操作溫度：20 2.2主要的物性參數(shù)值（1）空氣的分子量：29 ；氯化氫的分子量：36.5 ；水的分子量：18（2）293飽和水蒸氣壓強為2.3346KPa（3）在1 atm時，水的凝固點（f.p.）為0，沸點（b.p.）為100。三、設計方案的確定3.1設計方案的內容3.1.1流程方案的確定常用的吸收裝置流程主要有逆流操作、并流操作、吸收及部分再循環(huán)操作、多塔串聯(lián)操作、串聯(lián)并聯(lián)操作，根據(jù)設計任務、工藝特點，結合各種流程的優(yōu)缺點，采用常規(guī)逆流操作的流程，傳質平均推動力大，傳質速率快，分離效率高，吸收及利用率高。3.1.2設備方案的確定本設計要求的是選用填料吸收塔，填料塔是氣液呈連續(xù)性接觸的氣液傳質設備，它的結構和安裝比板式塔簡單。它的底部有支撐板用來支撐填料，并允許氣液通過。支撐板上的填料有整砌或亂堆兩種方式。填料層的上方有液體分布裝置，從而使液體均勻噴灑在填料層上。圖1.1 常規(guī)逆流操作流程圖3.2流程布置吸收裝置的流程布置是指氣體和液體進出吸收塔的流向安排。本設計采用的是逆流操作，即氣相自塔底進入由塔頂排出，液相流向與之相反，自塔頂進入由塔底排出。逆流操作時平均推動力大，吸收劑利用率高，分離程度高，完成一定分離任務所需傳質面積小，工業(yè)上多采用逆流操作。3.3吸收劑的選擇 吸收劑性能的優(yōu)劣是決定吸收操作效果的關鍵之一，吸收劑的選擇應考慮以下幾方面：(1)溶解度: 吸收劑對溶質的溶解度要大，以提高吸收速率并減少吸收劑的用量。(2)選擇性: 吸收劑對溶質組分有良好的溶解能力，對其他組分不吸收或甚微。(3)揮發(fā)度：操作溫度下吸收劑的蒸汽壓要低，以減少吸收和再生過程中的揮發(fā)損失。(4)粘度: 吸收劑在操作溫度下粘度要低，流動性要好，以提高傳質和傳熱速率。(5)其他： 所選用的吸收劑盡量要無毒性、無腐蝕性、不易爆易燃、不發(fā)泡、冰點低、廉價易得及化學性質穩(wěn)定一般來說，任何一種吸收劑都難以滿足以上所有要求，選用是要針對具體情況和主要因素，既考慮工藝要求又兼顧到經濟合理性，綜上因素的考慮，本次設計任務選用清水做吸收劑。3.4操作溫度和壓力的確定(1)溫度：低溫利于吸收，但溫度的底限應由吸收系統(tǒng)決定，本設計溫度選20(2)壓力：加壓利于吸收，但壓力升高操作費用、能耗增加，需綜合考慮，本設計采用常壓。3.5填料的選擇 3.5.1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效率.除此之外,還應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.通?？紤]以下幾個方面: 傳質效率，傳質效率即分離效率，它有兩種表示方法：一是以理論級進行計算的表示方法，以每個理論級當量的填料層高度表示，即HETP值；另一是以傳質速率進行計算的表示方法，以每個傳質單元相當?shù)奶盍蠈痈叨缺硎?，即HTU值。在滿足工藝要求的前提下，應選用傳質效率高，即HETP(或HTU值)低的填料。對于常用的工業(yè)填料，其HETP(或HTU)值可由有關手冊或文獻中查到，也可通過一些經驗公式來估算。 通量，在相同的液體負荷下，填料的泛點氣速愈高或氣相動能因子愈大，則通量愈大，塔的處理能力亦越大。因此，在選擇填料種類時，在保證具有較高傳質效率的前提下，應選擇具有較高泛點氣速或氣相動能因子的填料。對于大多數(shù)常用填料，其泛點氣速或氣相動能因子可由有關手冊或文獻中查到，也可通過一些經驗公式來估算。填料層的壓降，填料層的壓降是填料的主要應用性能，填料層的壓降愈低，動力消耗越低，操作費用愈小。選擇低壓降的填料對熱敏性物系的分離尤為重要。比較填料的壓降有兩種方法，一是比較填料層單位高度的壓降P/Z；另一是比較填料層單位傳質效率的比壓降P/NT。填料層的壓降可用經驗公式計算，亦可從有關圖表中查出。填料的操作性能，填料的操作性能主要指操作彈性、抗污堵性及抗熱敏性等。所選填料應具有較大的操作彈性，以保證塔內氣液負荷發(fā)生波動時維持操作穩(wěn)定。同時，還應具有一定的抗污堵、抗熱敏能力，以適應物料的變化及塔內溫度的變化。 此外，所選的填料要便于安裝、拆卸和檢修。 3.5.2填料規(guī)格的選擇 填料按規(guī)格規(guī)格通常分為散裝填料與規(guī)整填料：散裝填料規(guī)格的選擇 散裝填料的規(guī)格通常是指填料的公稱直徑。工業(yè)塔常用的散裝填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等幾種規(guī)格。（一般推薦：300時，選25的填料；時，選2538的填料;時，選用的填料，但一般大塔中常用的填料。）規(guī)整填料規(guī)格的選擇 工業(yè)上常用規(guī)整填料習慣用比表面積表示，主要有125、150、250、350、500、700等幾種規(guī)格。3.5.3填料材質的選擇 工業(yè)上，填料的材質分為陶瓷、金屬和塑料三大類。陶瓷填料：陶瓷填料具有良好的耐腐蝕性及耐熱性，一般能耐除氫氟酸以外的常見的各種無機酸、有機酸的腐蝕，對強堿介質，可以選用耐堿配方制造的耐堿陶瓷填料。陶瓷填料因其質脆、易碎，不宜在高沖擊強度下使用。陶瓷填料價格便宜，具有很好的表面潤濕性能，工業(yè)上，主要用于氣體吸收、氣體洗滌、液體萃取等過程。 金屬填料：金屬填料可用多種材質制成，金屬材質的選擇主要根據(jù)物系的腐蝕性和金屬材質的耐腐蝕性來綜合考慮。碳鋼填料造價低，且具有良好的表面潤濕性能，對于無腐蝕或低腐蝕性物系應優(yōu)先考慮使用；不銹鋼填料耐腐蝕性強，一般能耐除Cl-以外常見物系的腐蝕，但其造價較高；鈦材、特種合金鋼等材質制成的填料造價極高，一般只在某些腐蝕性極強的物系下使用。金屬填料可制成薄壁結構(0.21.0mm)，與同種類型、同種規(guī)格的陶瓷、塑料填料相比，它的通量大、氣體阻力小，且具有很高的抗沖擊性能，能在高溫、高壓、高沖擊強度下使用，工業(yè)應用主要以金屬填料為主。 塑料填料：塑料填料的材質主要包括聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)及聚氯乙烯(PVC)等，國內一般多采用聚丙烯材質。塑料填料的耐腐蝕性能較好，可耐一般的無機酸、堿和有機溶劑的腐蝕。其耐溫性良好，可長期在100以下使用。聚丙烯填料在低溫(低于0)時具有冷脆性，在低于0的條件下使用要慎重，可選用耐低溫性能好的聚氯乙烯填料。塑料填料具有質輕。價廉、耐沖擊、不易破碎等優(yōu)點，多用于吸收、解吸、萃取、除塵等裝置中。塑料填料的缺點是表面潤濕性能差，在某些特殊應用場合，需要對其表面進行處理，以提高表面潤濕性能。綜合以上：本設計中選擇塑料鮑爾環(huán)散裝填料 DN50。四、填料塔工藝尺寸的計算4.1物料計算 如圖所示，對于逆流操作的吸收塔，在任意截面M-N與塔頂或塔底作物料衡算： 或 吸收塔的逆流物料衡算示意圖如下：MN吸收塔的逆流物料衡算示意圖 4.1.1出塔吸收液中各組分的量 本設計任務是年處理2000t稀鹽酸，氯化氫含量為4%以上，年生產時間10個月，為設計計算所需，取氯化氫含量為8%，所以： 吸收液的質量流量：吸收劑水的流量：液相中 液相中，X2=0.4.1.2混合氣進出塔的摩爾組成 進塔廢氣冷卻到20OC后其中HCl的含量為 1. 進塔氣相摩爾分率為 進塔氣相摩爾比 2. 出塔氣相摩爾比為 查資料可知，在20的時候混合氣密度4.1.3混合氣進塔的流量由物料衡算知,所以混合氣體中惰性氣體的流量 混合氣體的流量 4.1.4出塔混合氣量出塔混合氣量： 4.2氣液平衡關系 查閱資料得到20時氯化氫溶于水的亨利系數(shù)為 4.3塔徑計算塔底氣液負荷大，依塔底條件(混合氣20)，101.3kPa，吸收液20計算 4.3.1采用Eckert通用關聯(lián)圖法計算泛點氣速空塔液泛氣速，m/s；g重力加速度，；填料因子（packing factor）,；氣、液相密度，；是水的密度，；液相與氣相的質量通率，；液相粘度，。4.3.1.1有關數(shù)據(jù)計算廢氣的平均摩爾質量： 進塔混合氣密度(混合氣濃度低，可近似視為空氣密度)混合氣質量流量混合氣體體積流量查化工原理附錄吸收液密度 吸收液質量流量 吸收液的體積流量 吸收液黏度經比較，選D=50mm塑料鮑爾環(huán)(米字筋)。查化工原理教材附錄可知其主要性能參數(shù)有，填料因子 =120 ，比表面積1064。4.3.1.2關聯(lián)圖的橫坐標值 4.3.1.3關聯(lián)圖的縱坐標值 由圖查得縱坐標值為0.25，即 故液泛氣速4.3.2操作氣速的確定 一般操作氣速推薦范圍為，在此取。 4.3.3塔徑的計算 取塔徑為 4.3.4核算操作氣速 故滿足要求。 4.3.5核算徑比 對于同類填料，尺寸越小，分離效率越高，但阻力增加，通量減小，填料 費用也增加很多。而大尺寸的填料應用于小直徑塔中，又會產生液體分布不良及嚴重的壁流，使塔的分離效率降低。因此，對塔徑與填料尺寸的比值要有一規(guī)定，常用填料的塔徑與填料公稱直徑比值D/d的推薦值列于下表。 塔徑與填料公稱直徑的比值D/d的推薦值 填 料 種 類 D/d的推薦值 拉西環(huán) D/d2030鞍環(huán) D/d15鮑爾環(huán) D/d1015階梯環(huán) D/d8環(huán)矩鞍 D/d8通過以上表的數(shù)據(jù)可知所選鮑爾環(huán)滿足鮑爾環(huán)的徑比要求。4.3.6噴淋密度校核填料的最小潤濕速率(MWR)為0.08 (mh) 最小噴淋密度 0.0810648.512 (mh) 因故滿足最小噴淋密度要求。4.3.7單位填料程壓降（）的校核 在壓降關聯(lián)圖中取橫坐標值0.07787，將操作氣速 (u4.9m/s) 代替縱坐標中的 查表，DN=50mm塑料鮑爾環(huán)(米字筋)的壓降填料因子 125代替縱坐標中的則縱標值為： 查資料得：，在145-490范圍內，故滿足要求。4.4填料層高度的確定計算填料層高度，即 4.4.1傳質單元高度計算，其中 ，本設計采用（恩田式）計算填料潤濕面積aw作為傳質面積a，依改進的恩田式分別計算及，再合并為和。列出備關聯(lián)式中的物性數(shù)據(jù)氣體性質(以塔底20，101.3kPa空氣計)： (前已算出)（氣體密度） (查化工原理附錄)（氣體黏度）（依據(jù)Gilliland式估算)(溶質在氣相中的擴散系數(shù))液體性質(以塔底20水為準)：(查化工原理附錄)。氣體與液體的質量流速： 塑料鮑爾環(huán)(亂堆)特性： d50mm005m（塑料鮑爾環(huán)直徑） （比表面積） （填料材質的臨界表面張力）（水的表面張力） （鮑爾環(huán)為開孔環(huán)）依式計算有效面積。依式：代入上述數(shù)據(jù)得： 故 ；根據(jù)修正的Onda關聯(lián)式：液相傳質系數(shù)： 代入上述數(shù)據(jù)得： 為液相傳質系數(shù)，為溶質在液相中的擴散系數(shù)，/s;氣相傳質系數(shù)： 代入上述數(shù)據(jù)得： 為氣相傳質系數(shù)代入數(shù)據(jù)得：得：4.4.3計算4.4.4傳質單元數(shù)NOL計算 采用吸收因數(shù)法計算傳質單元數(shù)：吸收因子S：，因，則有其中：， ， 則： 4.4.5填料層高度z的計算根據(jù)設計經驗，填料層的設計高度為Z=14.5，故取實際填料層高度取為14.5m 。4.4.6填料塔附屬高度計算塔上部空間高度，通過相關資料可取1.5m, 塔底液相停留時間按1.5min考慮, 則塔釜所占空間高度為考慮到氣相接管所占的空間高度,底部空間高度可取1m,所以塔的附屬高度可以取所以塔高為 4.4.7填科目的分段 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。壁流效應會造成填料層內氣液分布本均勻，使傳質效率降低。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裝置，即將填料層分段。對于散裝填料，一般推薦的分段高度值見下表。填料類型H/Dhmax拉西環(huán)2.54矩鞍5-86鮑爾環(huán)5-106因為H/D=16/1.2=13.3,取hmax=4m,可將填料層分4段。4.4.8封頭的選擇填料塔的頂部與底部均選用標準橢圓形封頭。公稱直徑1200mm，曲面高度200mm,直邊高40mm。五、填料吸收塔的附屬設備5.1填料支承板 填料支承板主要分為兩類：氣液逆流通過平板型支承板，板上有篩孔或柵板式;氣體噴射型，分為圓柱升氣管式的氣體噴射型支承板和梁式氣體噴射型支承板。由于填料支承板本身對塔內氣液的流動狀態(tài)也會產生影響，因此除考慮其有足夠的強度和剛度以支持填料及其所持液體的重量外，還應考慮其對流體流動的影響，要保證有足夠的開孔率，以防在填料支承處發(fā)生夜泛現(xiàn)象，在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。本設計項目的塔徑及液體負荷不大，可采用較簡單的柵格行支承板。5.2填料壓板和床層限制板 在填料頂部設置壓板和床層限制板。有柵條式和絲網式。5.3液體分布器計算和再分布器的選擇和計算5.3.1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)應用以管式、槽式、及槽盤式為主。性能優(yōu)良的液體分布器設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；分布點的幾何均勻性；降液點間流量的均勻性。分布點密度。液體分布器分布點密度的選取與填料類型及規(guī)格、塔徑大小、操作條件等密切相關，各種文獻推薦的值也相差較大。大致規(guī)律是：塔徑越大，分布點密度越??；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。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。設計中，一般需通過反復計算和繪圖排列，進行比較，選擇較佳方案。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計、精細的制作和正確的安裝。高性能的液體分布器，要求個分布點與平均流量的偏差小于6%。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以上，此時，分布器必須特殊設計。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在35%以上。其他，液體分布器應結構緊湊、占用空間小、制造容易、調整和維修方便。本設計中塔徑較小，故此選用管式液體分布器。5.3.2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、絲網式除霧器，對除沫要求高時可采用旋流板除霧器。本設計中選用折板除霧器。折板除霧器的結構簡單有效，除霧板由的角鋼組成，板間橫向距離為25mm，垂直流過的氣速可按下式計算：式中 u氣速，； ,液相及氣相密度，； k系數(shù)，0.085-0.10；本設計中取 ，則流過的氣速所需除霧板組的橫斷面為 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0.06mm，即60。（2）排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，應按標準管規(guī)定進行圓整。 六、輔助設備的選型6.1管徑的計算對于液相，由于進塔為地下水，出塔為混合溶液，所以應以出塔為準，選擇流速；對于氣相，則屬于常壓操作。以此為據(jù)，選出相應流速：某些流體在管路中的常用流速范圍流體的類別及情況流速范圍, m/s水及低粘度流體（1105Pa1106Pa）1.53.0常壓氣體1020進氣為常壓氣體 取u=18m/s查資料按標準可選用0.60m為外徑，內徑：600-220=560進水管與混合液出口管：清水（常壓）取 u=2.0 m/s 參照標準選用10為外徑，內徑：10-21.5=7mm由于管路采用標準管路，因此實際操作情況下的流速不是選取的流速，需要根據(jù)標準管徑反算操作流速，進行校核。以液相為例：同理可得氣相：此時流速：流速較核合格。6.2離心泵的選擇與計算 計算過程如下所選管為熱軋無縫鋼管校核管內流速則雷諾數(shù) 局部阻力損失：三個標準截止閥全開 ; 三個標準90彎頭 ；管路總壓頭損失 揚程：流量： 經查化工原理附表泵與風機，型號IS80-50-250ABC泵合適。工藝設計計算結果匯總與主要符號說明下面將計算結果進行匯總，分別列出：題目年生產2000t質量分數(shù)為8%稀鹽酸填料吸收塔流程布置逆流主體設備填料塔氣液平衡關系塔高15.3m塔徑1200mm填料塑料鮑爾環(huán)液體分布器雙排管式分布器填料支撐板柵格形支撐板封頭標準橢圓形封頭1.吸收塔的吸收劑用量計算總表意義及符號結果混合氣體處理量G氣液相平衡常數(shù)m2.754進塔氣相摩爾分率y10.0011出塔氣相摩爾分率y20.000044進塔液相摩爾分率x10.04出塔液相摩爾分率x20最小液氣比L/V無混合氣體的密度混合氣體的粘度0.000018Pa.s吸收劑用量L4.698kg/h塔設備計算總表意義及符號結果塔徑D800mm填料層高H16m液相質單元高度4.4m液相總傳質單元數(shù)3.86塔的實際高度H20m布液孔數(shù)n275個空塔氣速4.9m/s泛點氣速8.22m/s填料計算總表意義及符號結果孔隙率%0.9填料比表面積a填料因子填料常數(shù)A0.0942參考文獻【1】環(huán)境工程原理 胡洪營、張旭、黃霞、王偉 高等教育出版社【2】化工原理 .大連理工大學 .高等教育出版社【3】化工原理 . 夏清、賈紹義. 天津大學出版社【4】GB150-211 中華人民共和國國家標準【5】鋼制化工容器設計基礎規(guī)定、鋼制化工容器材料選用規(guī)定、鋼制化工容器強度計算規(guī)定（HG20580