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第二章工艺计算........................................................8
2.1概述............................................................8
2.2气液平衡关系....................................................8
2.3平衡关系的确定.................................................10
2.4吸收剂用量及操作线的确定.......................................12
2.4.1物料衡算..................................................12
2.4.2吸收剂用量的确定.........................................12
2.4.3操作线方程的确定.........................................14
2.5塔径的计算.....................................................16
2.5.1空塔气速的确定...........................................16
2.5.2塔径......................................................21
2.6校核...........................................................23
2.6.1单位高度填料层压降⎪⎭
⎫⎝⎛∆Zp的校核.............................232.6.2喷淋密度的校核............................................25
2.6.2泛点率的核算..............................................26
2.7填料层高度.....................................................262.7.2填料层高度...............................................30第三章设备.........................................................333.1填料的确定.....................................................333.2填料吸收塔附属装置的选型.......................................333.2.1液体分布器...............................................333.2.2填料支承板...............................................343.2.3填料压板和床层限制板.....................................343.2.4气体的进口装置与排液装置.................................343.2.5塔高的确定...............................................353.3辅助设备的选型.................................................353.3.1管径的计算...............................................353.3.1泵的选型.................................................373.3.2风机的选型...............................................39第四章结果评价......................................................41结束语................................................................43参考文献..............................................................44
摘要
填料塔洗涤吸收净化工艺不单应用在化工领域,在低浓度工业废气净化方面也能很好地发挥作用。
工程实践表明,合理的系统工艺和塔体设计,是保证净化效果的前提。
此设计是在各种版本教材和资料的基础上、在吸收原理的支持下,由本人编辑设计而成的,其中的各种物性数据全部来自于其他各种版本、各类于吸收有关的图书、教材之上,它们仍保持着客观物质的特性。
在选材和计算理论上,也有着与其它吸收设计相同的基本原理。
首先,在此设计中讲述了吸收技术的概况、发展以及应用,当今吸收技术的发展状况;
再讲述怎样根据所给的已知条件来确定吸收方案,如吸收剂的选择、吸收流程的选择、解吸方法选择、设备类型选择、操作参数的选择等内容;
在计算环节,先要集众家之所有---查出所有相关的物性数据,由此计算出相应的理论结果,确定出理论上吸收的工程图。
关键词:
水填料塔吸收氨气低浓度
第一章氨吸收填料吸收塔的设计
1.1概述
在炼油、石油化工、精细化工、食品、医药及环保等部门,塔设备属于使用量大应用面广的重要单元设备。
塔设备广泛用于蒸馏、吸收、萃取、洗涤、传热等单元操作中。
所以塔设备的研究一直是国内外学者普遍关注的重要课题。
在化学工业中,经常需要将气体混合物中的各个组分加以分离,其主要目的是回收气体混合物中的有用物质,以制取产品,或除去工艺气体中的有害成分,使气体净化,以便进一步加工处理,或除去工业放空尾气中的有害成分,以免污染空气。
吸收操作是气体混合物分离方法之一,它是根据混合物中各组分在某一种溶剂中溶解度不同而达到分离的目的。
1.2设备的选用
塔体
喷淋装置
填料塔填料
液体再分布器
填料支撑装置等
在本次课程设计中,要求用稀氨水吸收氨气,由于填料塔具有结构简单、压力降小、传质效率高、便于采用耐腐蚀材料制造,以及生产能力大、吸收效果好、操作弹性大等优点,所以选用填料塔吸收氨气。
塔的底部有用来支撑填料的栅板,并允许气液通过,支撑板上的填料有乱堆方式。
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的表面上,使整个塔截面的填料表面润湿。
但因填料层中的液体有向塔壁流动的趋势,即“趋壁效应”,因此填料层较高时往往将其分为几段,每
一段填料层上方设有再分布器,将沿塔壁流动的液体导向填料层内。
近些年来,由于性能优良的新型填料不断开发,改善了填料层内气液两相的分布与接触情况。
在某些场合甚至正逐步取代传统板式塔。
1.3流程方案的确定
1.3.1流程方案
用稀氨水作为吸收剂,水来自水槽,由于是逆流操作,需要泵将水抽到塔顶;
由于氨水具有轻度腐蚀性,故需要防腐泵,气体则需选用风机。
泵一个型号需配置两台,供替换使用,风机需一台。
详细流程参见流程图。
实际操作中的流量计和压力表等也需要考虑出现问题以后不影响正常工作。
1.3.2流程选择及流程说明
吸收装置的流程主要有以下几种:
(1逆流操作气相自塔底进入由塔顶排出,液相自塔顶进入由塔底排出,此即逆流操作。
逆流操作的特点是传质平均推动力大,传质速率快,分离效率高,吸收剂利用率高。
工业生产中多用逆流操作。
(2并流操作气、液两相均从塔顶流向,此即并流操作。
并流操作的特点是,系统不受液流限制,可提高操作气速,以提高生产能力。
并流操作通常用于以下情况:
当吸收过程的平衡曲线较平坦时,流向对推动力影响不大;
易溶气体的吸收或处理的气体不需吸收很完全;
吸收剂用量特别大,逆流操作易引起液泛。
(3吸收剂部分再循环操作在逆流操作系统中,用泵将吸收塔排除液体的一部分冷却后与补充的新鲜吸收剂一同送回塔内,即为部分再循环操作。
通常用于以下操作:
当吸收剂用量较小,为提高塔的液体喷淋密度;
对于非等温吸收过程,为控制塔内的温升,需取出一部分热量。
该流程特别适宜于相平衡常数m值很小的情况,通过吸收液的部分再循环,提高吸收剂的使用效率。
应当指出,吸收剂部分再循环操作较逆流操作
的平均推动力要低,且需设置循环泵,操作费用增加。
(4多塔串联操作若设计的填料层高度过大,或由于所处理物料等原因需经常清理填料,为便于维修,可把填料层分装在几个串联的塔内,每个吸收塔通过的吸收剂和气体量都相等,即为多塔串联操作。
此种操作因塔内需留较大空间,输液、喷淋、支撑板等辅助装置增加,使设备投资加大。
(5串联-并联混合操作若吸收过程处理的液量很大,如果用通常的流程,则液体在塔内的喷淋密度过大,操作气速势必很小(否则易引起塔的液泛,塔的生产能力很低。
实际生产中可采用气相作串联、液相作并联的混合流程;
若吸收过程处理的液量不大而气相流量很大时,可采用液相作串联、气相作并联的混合流程。
列出几种常见的吸收过程如图2.1
。
(a并流(b逆流
图2.1吸收流程
用水吸收NH3属高溶解度的吸收过程,为提高传质效率和分离效率,所以,本设计
选用逆流吸收流程。
该填料塔中,氨气和空气混合气体,经由填料塔的下侧进入填料塔中,与从填料塔顶流下的水逆流接触,在填料的作用下进行吸收。
经吸收后的混合气体由塔顶排除,吸收了氨气的水由填料塔的下端流出。
1.3.3流程布置
由于逆流操作时平均推动力大,吸收剂利用率高,完成一定分离任务所需传质面积小,所以选定流程为逆流。
对于无相变传热,当冷、热流体的进、出口温度一定时,逆流操作的平均推动力大于并流,因而传递同样的热流量,所需传热面积较小。
就增加传热推动力而言,逆流操作总是优于并流。
此时吸收剂用量未知,我们可以按照逆流进行物料衡算得出吸收剂用量后,以此作为一个评判标准,判断是否该用逆流。
1.3.4吸收剂的选择
吸收过程是依靠气体溶质在吸收剂中的溶解来实现的,因此,吸收剂性能的优劣,是决定吸收操作效果的关键之一,选择吸收剂时应着重考虑以下几方面。
(1溶解度吸收剂对溶质组分的溶解度要大,以提高吸收速率并减少吸收剂的用量。
(2选择性吸收剂对溶质组分要有良好的吸收能力,而对混合气体中其他组分不吸收或吸收甚微,否则不能直接实现有效分离。
(3挥发度要低操作温度下吸收剂的蒸气压要低,以减少吸收和再生过程中吸收剂的挥发损失。
(4黏度吸收剂在操作温度下的黏度越低,其在塔内的流动性越好,有助于传质速率和传热速率的提高。
(5其他所选用的吸收剂应尽可能满足无毒性、无腐蚀性,不易燃易爆、不发泡、冰点低、价廉易得以及化学性质稳定等要求。
吸收剂对溶质的组分要有良好地吸收能力,而对混合气体中的其他组分不吸收,且挥发度要低。
所以本设计选择用清水作吸收剂,氨气为吸收质。
水廉价易得,物理化学性能稳定,选择性好,符合吸收过程对吸收剂的基本要求。
且氨气不作为产品,故采用纯溶剂。
本次课设的题目中,已给出吸收剂为稀氨水。
1.4填料的选择
1.4.1塔填料选择
塔填料(简称为填料是填料塔的核心构件,它提供了气、液两相相接触传质与传热的表面,其性能优劣是决定填料塔操作性能的主要因素。
填料的比表面积越大,气液分布也就越均匀,传质效率也越高,它与塔内件一起决定了填料塔的性质。
因此,填料的选择是填料塔设计的重要环节。
塔填料的选择包括确定填料的种类、规格及材料。
填料的种类主要从传质效率、通量、填料层的压降来考虑,填料规格的选择常要符合填料的塔径与填料公称直径比值D/d。
1.4.2填料选取的要求
在本次课设中,选用两种填料进行计算,最终根据计算结果择优。
填料塔对填料的要求表现在以下几方面:
1.比表面积
t
a要大;
2.能提供大的流体通量;
3.液体的再分布性能要好;
4.要有足够的机械强度;
5.价格低廉。
1.4.3填料的选取
首先选择散装填料,这是由于规整填料在装卸、清理时相对困难,且同种类型的规整填料,其表面积越大,传质效率越高,但阻力增加,通量减少,填料费用造价也明显增高。
其次,要进行两种填料间的比较,则应选用相同的外径,这样才具
有可比性。
陶瓷材质的材料虽然质脆、易碎,但其耐腐蚀性较好,一般能耐除氢氟酸以外的常见的无机酸、有机酸及各种有机溶剂的腐蚀。
且表面润湿性强,价格便宜,可在低温、高温下工作,具有一定的抗冲击性,故应用较为广泛。
塑料材质的虽耐腐蚀性能好,价格适中,但耐温性及湿润性较差。
金属材质有碳钢、铝铝和铝合金等,多用于操作温度较高而无显著腐蚀性的操作。
本次设计任务是高浓氨混合气体吸收,其具有强腐蚀性,故最佳填料选择应为陶瓷质地。
一般用于直径小于900的小塔,选用外径为25mm的填料;
而直径大于900的塔,一般采用50mm以上的大填料。
综上所述,选取的两种填料见表1-1
表1-1
综合比较,合理范围内填料塔径D均大于900mm,据此采用50mm以上的大填料。
故d=25mm的ZP
∆等数值无需再继续计算比较。
第二章工艺计算
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.填料的选择。
4.确定塔径及塔的流体力学性能。
5.填料层高度的计算。
6.管路及辅助设备的计算。
2.2气液平衡关系
由于原料气组成中,氨气占45%,含量较高,用地下水吸收时会产生很大的热效应,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我们熟悉的亨利定律,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:
1.吸收质与吸收剂混合时产生的混合热,即溶解热。
2.气体溶解时由气态转变为液态时放出的潜热。
3.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:
1.不考虑热损失。
2.吸收剂带走的潜热不计。
3.气相带走的热量不计。
以上假设,即是假定吸收过程中所释放出的热量全部用来加热液体。
在给定的设计条件中得知,要设计的是高浓度气体的非等温吸收。
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x的变化分成若干段,每段浓度变化为x∆,如图2-1所示,对第i段作热量衡算:
根据课设要求,此处我们可以假设浓度变化范围为x=(0~0.1,分为20段,即每段浓度变化为x∆=0.005。
溶质被吸收时放出的热量:
(11--=iidxxLHQ
液相温度由1-it升至it时吸收的热量:
(12
--=iiLttLCQ
根据前面的假设,吸收过程中放出热量全部用于液相升温,1Q=2Q
即((11---=-iiLiidttLCxxLH
则有:
xCH
txxCH
ttL
d
iiiL
ii
∆+
=-+
=---111((2-1
式中:
1-it,it—第i段两端的液相温度,℃;
x∆—第i段两端的液相浓度差;
L—溶液流率,Kmol/h(由于x∆很小,L可视为常数LC—溶液的平均比热,(KJ/Kmol·
℃
dH—溶质的微分溶解热,KJ/Kmol(取1-ix和ix间的平均值
在塔顶液相浓度2x=0,温度2t=25℃的情况下,由式2-1逐段计算出每个ix下的液相温度it,建立吸收塔中液相浓度x与温度t的对应关系。
2.3平衡关系的确定
在非等温吸收操作中,吸收塔内液相的浓度和温度分别由塔顶处的2x,2t增加到塔底处的1x,1t。
在此液相浓度和温度范围内,随着x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,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:
92
.81750lg1.1lg+-
=T
xpe
x—氨在水溶液中的摩尔分率
T—溶液的温度,K
ep—溶液上方氨的平衡分压,㎜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ix相平衡的eiy:
P
pyeei
=
P—操作压强,㎜Hg
计算过程如下:
(以第二组数据为例。
.8313
.2715.2731750005.0lg1.1lg++-
⨯=ep
479
.32
=ep
㎜Hg
2
ey=0.0055
760
59.89325
.101479.3=⨯⨯
根据计算结果,以x为横坐标,ey为纵坐标,在坐标纸上绘出非等温吸收的平衡关系曲线,如下图2-2所示。
(见附图一
2.4吸收剂用量及操作线的确定
2.4.1物料衡算
如图2-3,对于逆流操作的吸收塔,在任意截面M-N与塔顶或塔底
作物料衡算:
LXVYLXVY+=+11或LXVYLXVY+=+22
2.4.2吸收剂用量的确定
1.最小吸收剂用量
121min
XXYYVLe---=⎪
⎭⎫
⎝⎛
121minXXYYV
Le--=
V—惰性气体流率,Kmol/h
minL—最小吸收剂用量
Y,X—气相和液相组成
摩尔比:
y
yY
-=
1x
xX-=
1
下标:
1—塔底;
2—塔顶
1eX—与1Y平衡的液相组成2.吸收剂用量
minminL0.2~1.1(L0.2~1.1(=⎪⎭⎫
⎝⎛=或VLVL
3.吸收剂计算
XXYYVLe--=⎪
其中:
0794
.01=ex(1ex为汽液平衡线纵坐标y=0.45时的横坐标,,45.0,012==yx。
根据试
2-5,2-6可算出:
95.012
1=-YYY
0862
.00794.010794.0111
1=-=
eeexxX
8182
.045
.0145
.011
yyY
04091.08182.005.005.012=⨯==YY
0393
.012
22=+=
YYy005025
22
=-=xxX
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