內蒙古工業(yè)大學氨填料吸收塔課程設計

1、前言填料塔是以塔內的填料作為氣液兩相間接觸構件的傳質設備,它是化工類企業(yè)中 最常用的氣液傳質設備之一。而塔填料塔內件及工藝流程又是填料塔技術發(fā)展的關 鍵。從塔填料、塔內件以及工藝流程 , 特別是塔填料三方面對填料塔技術。填料塔洗 滌吸收凈化工藝不單應用在化工領域 ,在低濃度工業(yè)廢氣凈化方面也能很好地發(fā)揮 作用。 工程實踐表明 ,合理的系統(tǒng)工藝和塔體設計 ,是保證凈化效果的前提。 本文簡 述聚丙烯階梯填料應用于水吸收氨過程的工藝設計以及工程問題。在化工、 煉油、 醫(yī)藥、 食品及環(huán)境保護等工業(yè)部門, 塔設備是一種重要的單元操 作設備。 其作用實現氣液相或液液相之間的充分接觸, 從而達到相際間進行傳

2、質 及傳熱的過程。它廣泛用于蒸餾、吸收、萃取、等單元操作,隨著石油、化工的迅速 發(fā)展, 塔設備的合理造型設計將越來越受到關注和重視。 塔設備有板式塔和填料塔兩 種形式,下面我們就填料塔展開敘述。填料塔的基本特點是結構簡單, 壓力降小, 傳質效率高, 便于采用耐腐蝕材料制 造等,對于熱敏性及容易發(fā)泡的物料,更顯出其優(yōu)越性。過去,填料塔多推薦用于 0.6至 0.7m 以下的塔徑。近年來,隨著高效新型填料和其他高性能塔內件的開發(fā), 以及人們對填料流體力學、 放大效應及傳質機理的深入研究, 使填料塔技術得到了迅 速發(fā)展。氣體吸收過程是化工生產中常用的氣體混合物的分離操作, 其基本原理是利用氣 體混合物

3、中各組分在特定的液體吸收劑中的溶解度不同,實現各組分分離的單元操 作。板式塔和填料塔都可用于吸收過程,此次設計用填料塔作為吸收的主設備目錄摘 要 . 1第一章 氨吸收填料吸收塔的設計 . 21.1 概述 . 21.2 設備的選用 . 21.3 流程方案的確定 . 31.4 填料的選擇 . 6第二章 工藝計算 . 82.1 概述 . 82.2 氣液平衡關系 . 82.3 平衡關系的確定 . 102.4 吸收劑用量及操作線的確定 . 122.5 塔徑的計算 . 162.6 校核 . 23摘 要填料塔洗滌吸收凈化工藝不單應用在化工領域, 在低濃度工業(yè)廢氣凈化方面 也能很好地發(fā)揮作用。 工程實踐表明,

4、 合理的系統(tǒng)工藝和塔體設計, 是保證凈化效果 的前提。此設計是在各種版本教材和資料的基礎上、 在吸收原理的支持下, 由本人編輯設 計而成的,其中的各種物性數據全部來自于其他各種版本、各類于吸收有關的圖書、 教材之上, 它們仍保持著客觀物質的特性。 在選材和計算理論上, 也有著與其它吸收 設計相同的基本原理。首先, 在此設計中講述了吸收技術的概況、 發(fā)展以及應用, 當今吸收技術的發(fā)展 狀況; 再講述怎樣根據所給的已知條件來確定吸收方案, 如吸收劑的選擇、 吸收流程 的選擇、解吸方法選擇、設備類型選擇、操作參數的選擇等內容;在計算環(huán)節(jié),先要 集眾家之所有 -查出所有相關的物性數據,由此計算出相應的

5、理論結果,確定出理 論上吸收的工程圖。關鍵詞:水 填料塔 吸收 氨氣 低濃度第一章 氨吸收填料吸收塔的設計1.1 概述在煉油、石油化工、精細化工、食品、醫(yī)藥及環(huán)保等部門,塔設備 屬于使用量大應用面廣的重要單元設備。塔設備廣泛用于蒸餾、吸收、 萃取、洗滌、傳熱等單元操作中。所以塔設備的研究一直是國內外學者 普遍關注的重要課題。在化學工業(yè)中,經常需要將氣體混合物中的各個組分加以分離,其 主要目的是回收氣體混合物中的有用物質,以制取產品,或除去工藝氣 體中的有害成分,使氣體凈化,以便進一步加工處理,或除去工業(yè)放空 尾氣中的有害成分,以免污染空氣。吸收操作是氣體混合物分離方法之 一,它是根據混合物中各

6、組分在某一種溶劑中溶解度不同而達到分離的 目的。1.2 設備的選用塔體噴淋裝置填料塔 填料液體再分布器填料支撐裝置等在本次課程設計中,要求用稀氨水吸收氨氣,由于填料塔具有結構 簡單、壓力降小、傳質效率高、便于采用耐腐蝕材料制造,以及生產能 力大、吸收效果好、操作彈性大等優(yōu)點,所以選用填料塔吸收氨氣。塔 的底部有用來支撐填料的柵板,并允許氣液通過,支撐板上的填料有亂 堆方式。填料層的上方有液體分布裝置,從而使液體均勻噴灑于填料的 表面上,使整個塔截面的填料表面潤濕。但因填料層中的液體有向塔壁 流動的趨勢,即“趨壁效應” ,因此填料層較高時往往將其分為幾段,每一段填料層上方設有再分布器,將沿塔壁流

7、動的液體導向填料層內。近 些年來,由于性能優(yōu)良的新型填料不斷開發(fā),改善了填料層內氣液兩相 的分布與接觸情況。在某些場合甚至正逐步取代傳統(tǒng)板式塔。1.3 流程方案的確定用稀氨水作為吸收劑, 水來自水槽, 由于是逆流操作, 需要泵將水抽 到塔頂 ; 由于氨水具有輕度腐蝕性,故需要防腐泵,氣體則需選用風機。 泵一個型號需配置兩臺,供替換使用,風機需一臺。詳細流程參見流程 圖。實際操作中的流量計和壓力表等也需要考慮出現問題以后不影響正 常工作。吸收裝置的流程主要有以下幾種:(1逆流操作 氣相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。逆流操作的特點是傳質平均推動力大,傳質速率 快,

8、分離效率高,吸收劑利用率高。工業(yè)生產中多用逆流操作。(2并流操作 氣、液兩相均從塔頂流向,此即并流操作。并流操作 的特點是,系統(tǒng)不受液流限制,可提高操作氣速,以提高生產能力。并 流操作通常用于以下情況:當吸收過程的平衡曲線較平坦時,流向對推 動力影響不大;易溶氣體的吸收或處理的氣體不需吸收很完全;吸收劑 用量特別大,逆流操作易引起液泛。(3吸收劑部分再循環(huán)操作 在逆流操作系統(tǒng)中,用泵將吸收塔排除 液體的一部分冷卻后與補充的新鮮吸收劑一同送回塔內,即為部分再循 環(huán)操作。通常用于以下操作:當吸收劑用量較小,為提高塔的液體噴淋 密度 ; 對于非等溫吸收過程,為控制塔內的溫升,需取出一部分熱量。該 流

9、程特別適宜于相平衡常數 m 值很小的情況,通過吸收液的部分再循環(huán), 提高吸收劑的使用效率。應當指出,吸收劑部分再循環(huán)操作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。(4多塔串聯操作 若設計的填料層高度過大,或由于所處理物料等 原因需經常清理填料,為便于維修,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,即為多塔串聯操作。此種操 作因塔內需留較大空間,輸液、噴淋、支撐板等輔助裝置增加,使設備 投資加大。(5串聯 -并聯混合操作 若吸收過程處理的液量很大, 如果用通常的 流程,則液體在塔內的噴淋密度過大,操作氣速勢必很小(否則易引起 塔的液泛,塔的生產能力很

10、低。實際生產中可采用氣相作串聯、液相 作并聯的混合流程;若吸收過程處理的液量不大而氣相流量很大時,可 采用液相作串聯、氣相作并聯的混合流程。列出幾種常見的吸收過程如圖 2.1 。(a 并流 (b 逆流圖 2.1 吸收流程用水吸收 NH 3屬高溶解度的吸收過程,為提高傳質效率和分離效率, 所以,本設計選用逆流吸收流程。該填料塔中,氨氣和空氣混合氣體,經由填料塔的下側進入填料塔 中,與從填料塔頂流下的水逆流接觸,在填料的作用下進行吸收。經吸 收后的混合氣體由塔頂排除,吸收了氨氣的水由填料塔的下端流出。由于逆流操作時平均推動力大, 吸收劑利用率高, 完成一定分離任務 所需傳質面積小,所以選定流程為逆

11、流。對于無相變傳熱,當冷、熱流 體的進、出口溫度一定時,逆流操作的平均推動力大于并流,因而傳遞 同樣的熱流量,所需傳熱面積較小。就增加傳熱推動力而言,逆流操作 總是優(yōu)于并流。此時吸收劑用量未知,我們可以按照逆流進行物料衡算 得出吸收劑用量后,以此作為一個評判標準,判斷是否該用逆流。吸收過程是依靠氣體溶質在吸收劑中的溶解來實現的,因此,吸收 劑性能的優(yōu)劣,是決定吸收操作效果的關鍵之一,選擇吸收劑時應著重 考慮以下幾方面。(1溶解度 吸收劑對溶質組分的溶解度要大,以提高吸收速率并減 少吸收劑的用量。(2選擇性 吸收劑對溶質組分要有良好的吸收能力,而對混合氣體 中其他組分不吸收或吸收甚微,否則不能直

12、接實現有效分離。(3揮發(fā)度要低 操作溫度下吸收劑的蒸氣壓要低,以減少吸收和再 生過程中吸收劑的揮發(fā)損失。(4黏度 吸收劑在操作溫度下的黏度越低, 其在塔內的流動性越好, 有助于傳質速率和傳熱速率的提高。(5其他 所選用的吸收劑應盡可能滿足無毒性、無腐蝕性,不易燃 易爆、不發(fā)泡、冰點低、價廉易得以及化學性質穩(wěn)定等要求。吸收劑對溶質的組分要有良好地吸收能力,而對混合氣體中的其他 組分不吸收,且揮發(fā)度要低。所以本設計選擇用清水作吸收劑,氨氣為 吸收質。水廉價易得,物理化學性能穩(wěn)定,選擇性好,符合吸收過程對 吸收劑的基本要求。且氨氣不作為產品,故采用純溶劑。本次課設的題目中,已給出吸收劑為稀氨水。1.

13、4 填料的選擇塔填料(簡稱為填料是填料塔的核心構件,它提供了氣、液兩相 相接觸傳質與傳熱的表面,其性能優(yōu)劣是決定填料塔操作性能的主要因 素。填料的比表面積越大,氣液分布也就越均勻,傳質效率也越高,它 與塔內件一起決定了填料塔的性質。因此,填料的選擇是填料塔設計的 重要環(huán)節(jié)。塔填料的選擇包括確定填料的種類、規(guī)格及材料。填料的種類主要 從傳質效率、通量、填料層的壓降來考慮,填料規(guī)格的選擇常要符合填 料的塔徑與填料公稱直徑比值 D/d。在本次課設中,選用兩種填料進行計算,最終根據計算結果擇優(yōu)。 填料塔對填料的要求表現在以下幾方面:1. 比表面積ta 要大;2. 能提供大的流體通量;3. 液體的再分布

14、性能要好;4. 要有足夠的機械強度;5. 價格低廉。首先選擇散裝填料, 這是由于規(guī)整填料在裝卸、 清理時相對困難, 且 同種類型的規(guī)整填料,其表面積越大,傳質效率越高,但阻力增加,通 量減少,填料費用造價也明顯增高。其次,要進行兩種填料間的比較,則應選用相同的外徑,這樣才具有可比性。陶瓷材質的材料雖然質脆、易碎,但其耐腐蝕性較好,一般 能耐除氫氟酸以外的常見的無機酸、有機酸及各種有機溶劑的腐蝕。且 表面潤濕性強,價格便宜,可在低溫、高溫下工作,具有一定的抗沖擊 性,故應用較為廣泛。塑料材質的雖耐腐蝕性能好,價格適中,但耐溫 性及濕潤性較差。金屬材質有碳鋼、鋁鋁和鋁合金等,多用于操作溫度 較高而

15、無顯著腐蝕性的操作。本次設計任務是高濃氨混合氣體吸收,其具有強腐蝕性,故最佳填 料選擇應為陶瓷質地。一般用于直徑小于 900的小塔, 選用外徑為 25mm 的填料 ; 而直徑大于 900的塔,一般采用 50mm 以上的大填料。綜上所述,選取的兩種填料見表 1-1表 1-1 綜合比較, 合理范圍內填料塔徑 D 均大于 900mm, 據此采用 50mm 以上的大填料。 故 d=25mm的 Z P等數值無需再繼續(xù)計算比較。第二章 工藝計算2.1 概述整個工藝計算過程包括以下幾點:1. 確定氣液平衡關系。2. 確定吸收劑用量及操作線方程。3. 填料的選擇。4. 確定塔徑及塔的流體力學性能。5. 填料層

16、高度的計算。6. 管路及輔助設備的計算。2.2 氣液平衡關系由于原料氣組成中, 氨氣占 45%,含量較高,用地下水吸收時會產生 很大的熱效應,使塔內溫度顯著升高,對氣液平衡關系和吸收速度產生 明顯影響,屬于非等溫吸收。在逆流吸收塔中氣液平衡關系是溫度的函 數,溫度升高,平衡關系便要改變,所以,在這種情況下不能再利用我 們熟悉的亨利定律,應重新按照非等溫吸收的熱衡算,根據液相濃度和 溫度的變化情況,定出實際的平衡關系。非等溫吸收的熱效應主要包括:1. 吸收質與吸收劑混合時產生的混合熱,即溶解熱。2. 氣體溶解時由氣態(tài)轉變?yōu)橐簯B(tài)時放出的潛熱。3. 化學反應熱。物理吸收計算中只考慮溶解熱,溶解熱分為

17、積分溶解熱和微分溶解 熱。在吸收過程中所用的吸收劑量很大,液相濃度一般變化較小,于是 混合熱可考慮為微分溶解熱。在假定非等溫吸收的平衡關系時,為簡化計算,通常做如下三點假 設:1. 不考慮熱損失。 2. 吸收劑帶走的潛熱不計。 3. 氣相帶走的熱量不計。以上假設,即是假定吸收過程中所釋放出的熱量全部用來加熱液體。 在給定的設計條件中得知,要設計的是高濃度氣體的非等溫吸收。 由塔頂到塔底的濃度及溫度變化較大,平衡關系的確定常采用近似法。 將吸收塔按液相濃度 x 的變化分成若干段,每段濃度變化為 x , 如圖 2-1所示,對第 i 段作熱量衡算: 根據課設要求,此處我們可以假設濃度變化范圍為 x=

18、(00.1 , 分為 20段,即每段濃度變化為 x =0.005。溶質被吸收時放出的熱量: (11-=i i d x x LH Q液相溫度由 1-i t 升至 i t 時吸收的熱量: (12-=i i L t t LC Q根據前面的假設,吸收過程中放出熱量全部用于液相升溫, 1Q =2Q即 (11-=-i i L i i d t t LC x x LH則有 :x C Ht x x C Ht t Ldi i i Ldi i+=-+=-111 ( (2-1式中:1-i t , i t 第 i 段兩端的液相溫度,;x 第 i 段兩端的液相濃度差;L 溶液流率, Kmol/h(由于 x 很小, L 可

19、視為常數 L C 溶液的平均比熱, (KJ/Kmol· d H 溶質的微分溶解熱, KJ/Kmol(取 1-i x 和 i x 間的平均 值 在塔頂液相濃度 2x =0,溫度 2t =25的情況下,由式 2-1逐段計算出 每個 i x 下的液相溫度 i t ,建立吸收塔中液相濃度 x 與溫度 t 的對應關系。2.3 平衡關系的確定在非等溫吸收操作中,吸收塔內液相的濃度和溫度分別由塔頂處的 2x , 2t 增加到塔底處的 1x , 1t 。在此液相濃度和溫度范圍內,隨著 x 和 t 的變化,氣液兩相的平衡關系也在改變,即不同溫度對應著不同的平衡 曲線。實際平衡關系可由溫度與濃度的關系得

20、到,可由經驗公式來確定。 對于氨氣和水溶液的平衡物系,若選用經驗公式,可作如下計算:92. 81750lg 1. 1lg +-=Tx p e式中: x 氨在水溶液中的摩爾分率T 溶液的溫度, Ke p 溶液上方氨的平衡分壓 , Hg由于是常壓下吸收,氣相可是為理想氣體,按道爾頓分壓定律,計 算與 i x 相平衡的 ei y : Pp y e ei=式中:P 操作壓強, Hg計算過程如下:(以第二組數據為例 。92. 8313. 2715. 2731750005. 0lg 1. 1lg +-=e p479. 32=e p Hg2e y =0.005576059. 89325. 101479. 3

21、=根據計算結果,以 x 為橫坐標, e y 為縱坐標, 在坐標紙上繪出非等溫 吸收的平衡關系曲線,如下圖 2-2所示。 (見附圖一 2.4 吸收劑用量及操作線的確定如圖 2-3,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:LX VY LX VY +=+11 或 LX VY LX VY +=+22 1. 最小吸收劑用量2121minX X Y Y V L e -=2121min X X Y Y VL e -=式中: V 惰性氣體流率, Kmol/hmin L 最小吸收劑用量Y,X 氣相和液相組成摩爾比: yy Y-=1 xx X -=1下標: 1塔底 ; 2塔頂1e X 與

22、 1Y 平衡的液相組成 2. 吸收劑用量min min L 0. 21. 1(L 0. 21. 1(=或 V L V L3.吸收劑計算2121minX X Y Y V L e -=其中:0794. 01=e x (1e x 為汽液平衡線縱坐標 y=0.45時的橫坐標 , , 45. 0, 012=y x 。根據試2-5, 2-6可算出:95. 0121=-Y Y Y0862. 00794. 010794. 01111=-=-=e e e x x X8182. 045. 0145. 01111=-=-=y y Y04091. 08182. 005. 005. 012=Y Y0393. 01222

23、=+=Y Y y 005025. 01222=-=x x X所以 5756. 9005025. 00862. 004091. 08182. 02121min =-=-=X X Y Y V L e由式 2-9得 min0. 21. 1-= V L V L ,范圍取 1.2倍,所以 4907. 115756. 92. 12. 1min= =V L V L由以上計算得操作可得操作線方程為:-+= -+=2211X V L Y X V L Y X V L Y X V LY 或 由于是清水吸收,由公式可得到0727. 014907. 1111112222+-= -+-=-x xX X V L y y x

24、 xV Lyy即操作線方程為 yy -1 =0172. 014907. 11+-xx根據 x y 在圖上畫出操作線,如圖 2-2所示。 (見附圖一附表一 2.5 塔徑的計算填料塔塔徑的大小是根據生產能力與空塔氣速來計算的?？账馑?由下面經驗公式確定:8. 06. 0u u F=式中:F u 泛點氣速, m/s u 空塔氣速, m/s泛點氣速與氣液流量、物系性質及填料的類型、尺寸等因素有關。 其計算方法很多。 目前工程上常采用 Eckert 通用關聯圖或 Bian & Hougen 關聯式計算 F u 。選用 Eckert 通用關聯圖求解。 如圖 2-4所示,根據氣液相流量及密度計算出

25、橫標值 21L v v L W W ,作垂直線與亂堆填料的泛點線相交, 讀取縱坐標 2. 0L L v 2F g u , 由已知參數縱坐標中解出氣速即為泛點氣速 F u 。演算過程如下:如前所述,非等溫吸收時,各物性參數隨組成變化而變化,故求取 時應取其平均值。計算過程中還應注意單位的統(tǒng)一。1. 橫坐標 L v v L W W 要求 L v v L W W , 首先對全塔作平均處理, 求出 L W , v W L , v ,(1定性溫度 T現在已知進液溫度 =1T 25,需求出出塔溫度。0678. 01=X 由由表 2-1可知介于 y=0.065和 x=0.070之間,可用內插法求算: 689

26、3. 4023786. 562523786. 56925. 54521. 57065. 007. 0575210678. 0065. 02122=+=+=-=-T T T T T在此溫度下查氨水的黏度和密度 , 必須知道氨水的質量分數: 因為 0w 1= 水氨 氨M 1(M M x w 1112x x -+=且 2w w21w +=所以 w=3.45%(2氣體的密度由于液體的比熱容遠大于氣體,故氣體的進、出的溫度按液體的出、 進的溫度來計。進塔氣:平均摩爾質量 1M 空 氨 M y M y 1(11-+=mol g /.6232955. 01745. 0=+= 出塔氣:平均摩爾質量 2M 空氨

27、M y M y 1(22-+=(molg /5284. 2829393.001170393. 0=-+=平均摩爾質量 molg MM M/0642. 2625284. 286. 23221=+=+=氣相平均密度:30/9268. 0325. 10121773. 3034. 2259. 8915. 2730642. 264. 22mkg TP PT Mv =(3液體的黏度和密度表 2-3氨水溶液黏度 1 30, 3.45%, 2611/ (109325. 8510045. 30283-1000-20ms kgf =-=-60, 3.45%, 2622/ (106733. 586. 6645. 3

28、-2057-7. 660-20ms kgf =-=-30.06773, 3.45%,112-03-0.68934-03-60=s mPa =7477. 0L 求液體密度表 2-4對應溫度氨水的質量分數 1:(單位均為 g/c3m 內插法可得:20時9895. 09811. 0249895. 0245. 3' -=-L, 33' mkg 83.49/9834. 0=cm g L25988. 0980. 024988. 0245. 3'-=-L 33'mkg 82.29/9822. 0=cmg L 外推法可得在定性溫度 T=39.269時,83.49206893.

29、40-=-L 3mkg 78.49=L(4氣體的質量流量 氣體進塔的摩爾流量為: V1 =h kmol /1071. 1994. 224460=氣體出塔的摩爾流量為: y y (221112V V V V -=hkmol V V /9887. 113y 1y 12112=-= (定性溫度 30.06773下的摩爾流量smhkmol VV V 04349. 0/5479. 15629887. 1131071. 199221=+=+=進口處與出口處的氣體的平均摩爾質量,則有M molg MM /0642. 2625284. 286. 23221=+=+=氣相流率:=V W M V s kg h k

30、g /1334. 1/2958. 40805479. 1560642. 26=(5 液體的質量流量進塔液體摩爾流量:h kmol V L /3339. 125855. 01071. 1994907. 114907. 112=進塔液體質量流量:skg L WL /2899. 63600995. 172=出塔液體摩爾流量:(sg M Y V Y V W W L L /k 218.56360017393.009887.263600221121=+=-+=氨4g/mol17.937655617x 181(/8275. 131123339. 12583210. 1365211121=+-=+=+=x M

31、hkmol L L L L液體平均摩爾質量: molg M M L L /96883. 172181=+=液體流量:s kg h kg ML WLL/5218. 6/44. 230599377. 175294. 1285=因此可知橫坐標 1755. 0978.48954. 01043. 14054. 6W W L v v L =2. 泛點氣速 F u從這一步開始,要對所選兩種填料分別進行計算,填料物性參數見 表 1-2。根據 Eckert通用關聯圖可知 20.2v L F L u g 09. 0=其中 為液體密度修正系數 ,40時, 3kg/m2. 992=水; 50時, 3kg/m1. 98

32、8=水內插法可得在定性溫度 CTo6893. 40=下,3kg/m992.198840-501. 9886893. 4050=-=-水 水得 =013043885. 1856033. 9825.6763992=LOH根據表 1-1可知 d=50mm的陶瓷鮑爾環(huán)的填料因子為 1130-=m 2. 02. 027477. 08954. 0130024. 1.497881. 909. 009. 009. 02. 0 (=v LF LLV F g u g u解得 F u =2.7854 m/s 取空塔氣速 s m u u根據表 1-1可知 d=50mm的陶瓷拉西環(huán)的填料因子為 1220-=m09. 0

33、2. 0 (2=LLV F gu 2. 02. 07477. 08954. 02200138. 14. 97881. 909. 009. 0=v LF g u解得 sm u uF /498. 114. 27. 07. 0=取空塔氣速 sm u uF 498. 114. 27. 07. 0= 塔徑的計算公式 D = 式中:s V 操作條件下混合氣體體積流量, 3m /s D 塔徑, m先求塔徑,當計算出的數值不足整數時,往往需要圓整。圓整的根 據是符合加工要求及設備定型,以便于設備加工。根據國內壓力容器的 公稱直徑標準(JB-1153-71 ,直徑在 1m 以下時,間隔為 100, (必要 時在

34、 700以下時可用 50為間隔 ;直徑在 1m 以上時,間隔為 200 (必要時在 2m 以下時可用 100為間隔 。hkmol V V V /5479. 156221=+=sm V s 2658. 159. 9815. 273360033. 1018393. 3135479. 1564. 22=鮑爾環(huán)的塔徑為 m uVsD 8973. 09498. 114. 32658. 144=圓整為 0.9m故鮑爾環(huán)的塔徑為 0.9m由塔徑計算公式推導可得到鮑爾環(huán)塔的操作氣速s m DV u S/9907. 19. 014. 32658. 14422=同理可以解得拉西環(huán)的塔徑 m uVsD 0375.

35、1498. 114. 32658. 144=圓整 1.1m故拉西環(huán)的塔徑為 1.1m 拉西環(huán)塔的操作氣速s m DVsu 3326. 11. 12658. 14422=因二者塔徑均大于 700,故填料選取 d=50mm是較為合理的,又操作氣速 拉西環(huán)(陶瓷 sm u/56756. 1= < 鮑爾環(huán)(陶瓷 1.9353m/s=u;:Zp 鮑爾環(huán)(陶瓷 d=50mm =0.046 < 拉西環(huán)(陶瓷 d=50mm =0.050,綜上可 得:鮑爾環(huán)(陶瓷 d=50mm 傳質速率較大, 且操作過程的動力消耗較小。 故塔徑最終確定為 D=900mm。2.6 校核 Z p 的校核壓強降是塔設計中

36、的重要參數。氣體通過填料層壓強降的大小決定 了塔的動力消耗。填料層壓降的計算方法有多種,這次課程設計采用的 是 Eckert 通用關聯圖方法。如圖 2-5所示, Eckert 通用關聯圖除了有液泛線以外,還有許多等 壓降線。 由已知參數及所用填料的壓降填料因子 P 代替 (注:本設計中 仍采用 , 計算出該圖的橫、 縱坐標值, 查圖讀取相應壓降曲線的值 (若 交點沒正好落在壓降線上,可用相鄰兩條線內插讀取 ,即為單位高度填 料層壓降 Z p 。在常壓塔中, 一般 Z p 在 145490Pa/m較為合理, 如超出這個范圍,應按要求的 Z p 值, 由 Eckert 通用關聯圖反求氣速 u ,

37、再重新計算塔徑。表 2-4 壓降填料因子(P 演算過程如下: 鮑爾環(huán)填料1130-=m p 0411. 09.817477. 08954. 00138. 1130 4989. 1(g u 2. 022. 0L Lv2= p在 Eckert 通用關聯圖上查得,當橫坐標 1755. 0W W 2L v v L =時,縱坐標 0411. 0g u 2. 0L Lv2= p壓降曲線的值 m P Z p a /4. 39281. 940=mPa Zp /4. 392=,介于 145490Pa/m,壓降合理。同理可得:拉西環(huán)填料塔1220-=mp 0441. 022. 0L Lv2= p在 Eckert

38、通用關聯圖上查得,當橫坐標 1755. 0W W 2L v v L =時,縱坐標 0441. 0g u 2. 0L Lv2= p壓降曲線的值 Zp =57×9.81=559.17Pa/mmPa Zp /431.64=,超出 145490Pa/m,壓降偏大,這說明實際液氣比與最小液氣比的比例因子選取的仍有些偏大。但因其未超出合理范圍 的 20%,且拉西環(huán)陶瓷(d=50mm的 Z p 明顯大于鮑爾環(huán)陶瓷(d=50mm的 Z p ,若選取拉西填料操作過程動力消耗顯著增大,又鮑爾陶瓷環(huán)(d=50mm Z p 在允許壓降范圍內, 綜合考慮后選取鮑爾陶瓷環(huán)作為最終填料。填料塔中氣液兩相間的傳質主

39、要是在填料表面流動的液膜上進行的。 要形成液膜,填料表面必須被液體充分潤濕,而填料表面的潤濕狀況取 決于塔內的液體噴淋密度及填料材質的表面潤濕性能。液體噴淋密度是指單位塔截面積上, 單位時間內噴淋的液體體積, 以 U 表示,單位為 m 3/(m2·h 。為保證填料層的充分潤濕,必須保證液體噴 淋密度大于某一極限值,該極限值稱為最小噴淋密度,以 U min 表示。min min(W L U =式中 Umin 最小噴淋密度, m 3/m2s (LW min 最小潤濕速率, m 3/m·s 填料的比表面積, m 2/m3最小潤濕速率是指在塔的截面上, 單位長度的填料周邊的最小液體

40、體 積流量。 其值可由經驗公式計算, 也可采用經驗值。 對于直徑不超過 75mm 的散裝填料,可取最小潤濕速率 (LW min 為 0.08 m3/(m ·h ;對于直徑大 于 75mm的散裝填料,取 (LW min =0.12 m3/(m ·h 。填料表面潤濕性能與填料的材質有關,就常用的陶瓷、金屬、塑料三 種材質而言,以陶瓷填料的潤濕性能最好,塑料填料的潤濕性能最差。實際操作時采用的液體噴淋密度應大于最小噴淋密度。 若噴淋密度過 小,可采用增大回流比或采用液體再循環(huán)的方法加大液體流量,以保證 填料表面的充分潤濕;也可采用減小塔徑予以補償。鮑爾環(huán)陶瓷填料演算過程如下:d&

41、lt;75mm的散裝填料,取 min (w L =0.08 /(23s m m 比表面積 =11023/m m 塔徑 D =0.9m 最小噴淋密度 s /(104444. 21108.00 (233minmin=-m m L U w操作噴淋密度 (71871723. 023s m mML ULL=上式中 L 為進塔時液體密度,即 25時水的密度,由內插法得:2. 99820-25998.2-995.720-30L -=則 3/95. 996m kg L =U > Umin泛點率 005. 711007854. 29907. 1100=Fu u (鮑爾環(huán)填料根據8. 06. 0=Fu u

42、陶瓷鮑爾環(huán)(d=50mm填料的泛點率符合2.7 填料層高度2.7. 1傳質系數的確定 有效面積(潤濕面積 a -=-2. 0205. 0221. 075. 045. 1exp 1tL L Lt LLt L c t a G g aG a G a a (2-14式中:a 單位體積填料的總表面積, /m3 a t 單位體積填料的總表面積, /m3 液體的表面張力, N/mc 填料材質臨界表面張力, N/m ,陶瓷 c=61×10-3N/m GL液體通過塔截面的質量流率, Kg/ .s L 液相粘度, Pa.s L 液氣相密度, Kg/3mg 重力加速度 , m/s2 利用內插法求定性溫度

43、40.6893下水的表面張力: 67. 722. 71203067. 72-206893. 40-=-W 解得 mN W3106287. 69-=表 2-5 20一定質量分數的氨水溶液的表面張力 1 利用內插法可得 20時質量分數為 3.45 %的氨水溶液的表面張力為55. 72-74. 6545. 0-72. 755. 7245. 045. 3L =-mN 3-L107398. 69=在此吸收過程中,氨溶于水中的量較少,氨水溶液的物性參數均與水相似,所以有2W1W2L1L-=-31L 3106287. 696. 72(107398. 69-=-即可知 39.269時氨水溶液的表面張力為 31

44、106985. 66-=LN/m鮑爾環(huán)填料 比表面積 t a =11023/mm填料材質為聚氯乙烯,臨界表面張力 mN C31061-=液體通過塔截面的質量流速 /(0738. 109. 0(444054. 64222s m kg DW G LL=根 據公式可 知:322. 03205. 0221. 0375. 03/672. 781107398. 694. 978100738. 1081. 94. 9781100387. 107477. 0110100738. 107398. 6910061. 045. 1exp 1mm a a at = -=-2. 氣相傳質系數28 (237. 0a (-

45、=p t V t VV V Vt V G d RTD a D a U C k 式中:C 系數, 5.23R 氣體常數, 8.314 (3K Kmol KPa m T氣體溫度, KDV溶質在氣相中的擴散系數, /s GV氣體通過空塔截面的質量流率, (2h m kg V 氣體粘度, s Pa V 氣體密度, kg/m3 演算過程如下:(1氣體黏度的計算 : 2121ii i i i VMy M u y =根據圖 3知:在溫度為 39.269時的空氣的粘度為 smPa 01911. 0在溫度為 30.21773時的液氨的粘度為 smPa 00925. 0平均摩爾分數:245. 020393. 04

46、5. 0221=+=+=y y y 氨根據公式可以計算出氣體的粘度 v為2121ii i i i V My M u y =21212121氨氨 空 空 氨氨 氨 空 空 空 M y M y M y M y +=29 spa v =+=-. 1074. 12955. 01745. 029100223. 055. 0171000925. 045. 055. 05. 05. 035. 031同理可求得:s pa v . 1025. 252-=故 s P a v v v=+=-52110995. 12(2擴散系數 V Dsm T T P P D D v /103680. 2 15. 27315. 27

47、36893. 40(89590101325(1017. 0 (253243200-=+=3氣體通過空塔截面的質量流速 鮑爾環(huán) : /(93677. 19. 04043.114222s m kg DW G vv=(4氣體溫度 采用定性溫度 KT 8393. 3136893. 4015. 273=+=(5 氣相傳質系數鮑爾環(huán):根據公式可知氣相傳質系數為/(10986. 19. 5(8393. 313314. 810368. 2110(10368. 28954. 010995. 1(1023. 5(C 25253/1557. 05237. 0a k s m kmol d a RTD a D a G

48、k p t V t VV V Vt V G P=-填料層高度計算涉及物料衡算、傳質速率和相平衡關系。對于整個 吸收塔,氣、液的濃度分布都沿塔高變化,吸收速率也在變化。所以要 在全塔范圍應用吸收速率關系式,就要采用微分方法,然后積分得到填 料層的總高度。填料層高度可用下面的通式計算: Z=傳質單元高度×傳質單元數選取傳質單元數法求解填料層高度。 原料氣組成中氨氣含 45%, 屬于 高濃度氣體的吸收。氣液流率沿塔高變化明顯,溶液熱效應大,氣液溫 度升高,平衡線斜率也將沿塔高改變。氣液相吸收分系數并非常數,總 吸收系數變化更為顯著,因此,高濃度氣體的吸收可用如下公式計算Z=12y y a k V y 1(1( 1(e y y my -dy式中:V 氣相總摩爾流量, Kmol/sa k y 氣膜體積吸收系數e y 成平衡的氣相度其中 a k y 可視為常數,故公式可變?yōu)?Z =a k Vy 12y y 1(1( 1(e y y m y -dy傳質單元數 NOG 需用圖解積分法求出。 以 1(1( 1(e y y m y -為縱坐標, 以y為 橫 坐 標 作 圖 , 所 得 曲 線 與1y ,2y 圍 成 的 面 積 即 為 定 積 分OGN =12y y 1(1( 1(e y y m y -dy1 .傳質單元高度(OG H