化工原理課程設(shè)計--清水吸收廢氣中的氟化氫

1、化工原理課程設(shè)計-清水吸收廢氣中的氟化氫 前 言為進行傳質(zhì)過程所選用的設(shè)備有多種類型其共同的要求首先是要提供給傳質(zhì)的兩相或者多相一良好的接觸機會包括增大相界面面積和增大湍動程度并要求兩界在接觸前盡可能完全的分離其中還要求結(jié)構(gòu)簡單緊湊操作便利穩(wěn)定運轉(zhuǎn)周期長能量消耗小等總之希望能以最小的代價保證傳質(zhì)任務(wù)的完成氣液傳質(zhì)設(shè)備形式多式多樣其中用的最多的是塔設(shè)備根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸部件的形式可以分為填料塔和板式塔板式塔屬于逐級接觸逆流操作填料塔屬于連續(xù)接觸操作塔設(shè)備廣泛應(yīng)用在煉油化工石油化工等生產(chǎn)中塔設(shè)備的評價指標(biāo)主要有以下幾個方面1生產(chǎn)能力大即單位時間單位面積的處理量大2分離效率高對板式塔是指每層塔板的分離

2、程度大對填料塔是指單位高度填料層所達到的分離程度3操作彈性大即最大氣速負荷與最小氣速負荷之比大表明氣速負荷波動較大時也能維持正常工作4氣體阻力小即氣體通過每層塔板或單位高度填料層的壓降小5塔的結(jié)構(gòu)簡單造價低廉安裝容易維修方便運行可靠 塔型的合理選擇是做好塔設(shè)備設(shè)計的首要環(huán)節(jié)選擇時應(yīng)考慮物料的性質(zhì)操作的條件塔設(shè)備的性能以及塔設(shè)備的制造安裝運轉(zhuǎn)和維修等方面的因素目 錄一 緒論 4 1設(shè)計方案簡介 4 2填料塔的概述 5 3填料的類型 6 4填料的幾何特性 7 5填料的性能評價 7二 基礎(chǔ)物性參數(shù) 8 1氣液相平衡數(shù)據(jù) 8 2物料衡算 8 3物性參數(shù)10三 填料塔工藝尺寸的計算及校核11 1塔徑的計

3、算及校核11 2填料高度的計算14四 填料塔塔結(jié)構(gòu)設(shè)計17 1接管17 2圓筒壁厚18 3封頭18 4法蘭185裙座206手孔檢查孔20五 輔助設(shè)備的選取21 1風(fēng)機21 2除沫器22 3液體分布器23 4液體再分布器24 5填料支承板25 6填料壓緊裝置25六 設(shè)計結(jié)果總匯26設(shè)計評述 27主要參考文獻 28一緒 論1設(shè)計任務(wù)及方案簡介磷酸工業(yè)中會產(chǎn)生大量的含氟廢氣其主要是hfhf有劇毒且有強腐蝕性如果直接排放會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染由于hf極易溶于水工業(yè)上通常用水左吸收劑吸收含氟廢氣中的hf然后再將其加工成氟化鈉貨冰晶石等有價值的氟化工業(yè)品本設(shè)計是以清水吸收廢氣中的氟化氫進氣中氟化氫的體積分率

4、為2混合氣處理量為2400m3h操作條件為40操作壓力為常壓設(shè)計要求氟化氫的吸收率為995常壓 p 1013kpa 下操作塔內(nèi)壓降小于10 kpa由任務(wù)的吸收要求選擇吸收為單塔逆流操作考慮氟化氫溶于水生成酸性溶液對塔設(shè)備有很強的腐蝕性而且操作壓降較低故選用填料塔吸收為宜同時由于鮑爾環(huán)環(huán)壁開孔大大提高了環(huán)內(nèi)空間及環(huán)內(nèi)表面的利用率氣流阻力小液體分布均勻與拉西環(huán)相比氣體通量可增加50以上傳質(zhì)效率提高30左右鮑爾環(huán)是一種應(yīng)用較廣的填料而且塑料鮑爾環(huán)填料價格便宜效率高故初步選用塑料鮑爾環(huán)填料參數(shù)對操作的影響常用數(shù)值填料尺寸 一般填料尺寸越小傳值效率越高但壓力降越大為防止液體向壁流的傾向填料尺寸d與塔徑d

5、的比應(yīng)小于一定值一般取填料尺寸對塔徑的推薦值塔徑m填料尺寸mm 03031 1 2525505080本設(shè)計選取塑料鮑爾環(huán)直徑d 25mm查2 表11-4 常用散裝填料的特性數(shù)據(jù) 得 塑料鮑爾環(huán) 25 填料名稱 規(guī)格mm 比表面積 am-1 填料因子 m-1 鮑爾環(huán) 25 209 170 表1 填料參數(shù)綜上所述本設(shè)計的方案為清水作吸收劑采用塑料鮑爾環(huán)填料塔單塔逆流操作吸收空氣中的氟化氫氣2填料塔的概述填料塔是以塔內(nèi)裝有一定高度的填料層為相間接觸構(gòu)件的氣液傳質(zhì)設(shè)備液體從塔頂加入經(jīng)液體再分布器噴淋到填料上液體在填料表面形成液膜向下流動氣體自下而上與液體呈連續(xù)接觸由于填料塔的特定結(jié)構(gòu)和由之決定的氣液兩

6、相膜式接觸傳質(zhì)使之具有以下特點1生產(chǎn)能力大2分離效率較高3壓降低4持液量小5操作液氣比和彈性較大填料塔也有一些不足之處如填料造價高當(dāng)液體負荷較小時不能較好潤濕填料塔表面是傳質(zhì)效率降低不能直接用于有懸浮物或容易聚合的物料對側(cè)線出料和進料的不太適合等填料塔由塔體和內(nèi)件構(gòu)成塔體一般多為圓筒型少數(shù)亦可方型塔內(nèi)件中核心組成部分是塔填料分散堆型和規(guī)整型此外為固定填料層設(shè)有填料支撐板和填料壓板為使液體均勻分布在填料層頂部設(shè)有液體初始分布器為減少液體的壁流現(xiàn)象常將填料層分段放置在兩段填料層之間這有液體收集再分布器在液體初始分布器上方裝有除霧沫器對大直徑填料塔氣體入填料層前需經(jīng)氣體分布器還設(shè)有各種氣液進出口視孔

7、及人孔等部件3填料的類型填料是填料塔中的傳質(zhì)件填料的類型兩大類拉西環(huán)矩鞍填料鮑爾環(huán)對填料的基本要求有傳質(zhì)效率高要求填料能提供大的氣液接觸面即要求具有大的比表面積并要求填料表面易于被液體潤濕只有潤濕的表面才是氣液接觸表面生產(chǎn)能力大氣體壓力降小因此要求填料層的空隙率大不移引起偏流和溝流經(jīng)久耐用具有良好的耐腐蝕性較高的機械強度和必要的耐熱性取材容易價格便宜 散裝填料是一個個具有一定幾何形狀和尺寸的顆粒體一般以隨機的方式堆積在塔內(nèi)又稱為亂堆填料或顆粒填料散裝填料根據(jù)結(jié)構(gòu)特點不同又可分為環(huán)形填料鞍形填料環(huán)鞍形填料及球形填料等4 填料的幾何特性填料的幾何特性是評價填料性能的基本參數(shù)填料幾何特性數(shù)據(jù)主要包括

8、比表面積空隙率填料因子等比表面積單位體積填料的填料表面積稱為比表面積以表示其單位為m2m3填料的比表面積愈大所提供的氣液傳質(zhì)面積愈大因此比表面積是評價填料性能優(yōu)劣的一個重要指標(biāo)2空隙率單位體積填料中的空隙體積稱為空隙率以 表示其單位為m3m3或以表示填料的空隙率越大氣體通過的能力越大且壓降低因此空隙率是評價填料性能優(yōu)劣的又一重要指標(biāo)3填料因子填料的比表面積與空隙率三次方的比值即稱為填料因子以表示其單位為填料因子分為干填料因子與濕填料因子填料未被液體潤濕時的稱為干填料因子它反映填料的幾何特性填料被液體潤濕后填料表面覆蓋了一層液膜和均發(fā)生相應(yīng)的變化此時的稱為濕填料因子它表示填料的流體力學(xué)性能值越小

9、表明流動阻力越小5 填料的性能評價填料性能的優(yōu)劣通常根據(jù)效率通量及壓降三要素衡量在相同的操作條件下填料的比表面積越大氣液分布越均勻表面的潤濕性能越好則傳質(zhì)效率越高填料的空隙率越大結(jié)構(gòu)越開敞則通量越大壓降亦越低絲網(wǎng)波紋填料綜合性能最好拉西環(huán)最差二基礎(chǔ)物性參數(shù)1汽液相平衡數(shù)據(jù)查2 附錄二氟化氫在水中的溶解度得40時氟化氫在在水中的溶解度數(shù)據(jù)x00452 00909 0137101837 02308 0278403750 y10-41776 4551 8011 13813 23022 34994 89590相平衡曲線如圖1所示由圖1查得 當(dāng)yb 2時 xb 0466 xb 0466 圖1 40時氟化

10、氫在水中溶解度曲線2物料衡算已知 xa 0 yb 2 ya 1010-4 xb 0466則 操作氣液比 427 又 427解得xb 00058 xb 00058 g 9345 kmolh l g 4279345 39907 kmolh l 39907 kmolh 所以操作線方程為y 427x00001所做操作線如圖2 所示圖2 操作線方程3 物性參數(shù)1由能量恒算得操作溫度c hf 1463 kjkgk 1017 kjkgk c h2o 4174kjkgkm hf c hf m air 323-t m h2o c h2ot-313即 xhf 0022001002200109829 0013886

11、 1- xhf 0986114 001388626932291463098611426932291017 323-t 719124174 t-313 解得 t 31400k t 4100 2氣相氣體平均摩爾質(zhì)量mg 002200109829 2802kgkmol mg 2802kgkmol3混合氣體密度4100時 g pmgrt 10132802831431408 11219 kgkmol g 11219 kgkmol4氣液質(zhì)量流率p 1013kpat 4100由1附錄五得 9922 kgm3液體的質(zhì)量流率m l 180239907 71912kgh m l 71912kgh氣體的質(zhì)量流率m

12、g mgg 28029345 2693229 kgh m g 2693229 kgh5黏度 由1附錄五 知4100時 6氣體擴散系數(shù)由2表82 知dg dg 03447 cm2s 03447 cm2s三 填料塔工藝尺寸的計算及校核1塔徑的計算及校核1泛點氣速uf的確定因為溶液中氟化氫的濃度很低故取液體的密度近似為水的密度fp 00899由2中圖11-27 ?？颂胤狐c和壓降的通用關(guān)聯(lián)圖查得yf 0148yf 則uf 296 ms 2塔徑的計算假定液泛分率為08則u 08uf 08296 2368ms校正后氣體的體積流量為vsvs 0767 m3s所需塔徑 d 064 m d 07m將d 圓整取0

13、7 m即d 07m塔截面積a d24 0384654m2 a 038465m23泛點率校核u 1986 ms u 1986 ms 067在05 到09 之間符合條件4塔徑校核dd 70025 288滿足鮑爾環(huán)的徑比要求5噴淋密度校核噴淋密度 lv 1881 m2s lv 1881 m2s又 d 75mm 時lvmin 008at 1672lv lvmin 經(jīng)校正 d 07m 合理由恩田公式得aw a t單位體積填料層的有效傳質(zhì)面積及填料的表面積m-1 l c液體的表面張力及填料材質(zhì)的臨界表面張力mnm-1由1中附表得 c 40 mnml 696mnm液體的空塔質(zhì)量流速l 51932 kg m2

14、s l 0656mpasa 209 m-1填料濕潤表面積aw aw 9023m-1 9023m-16流動阻力校核fp 00899y 0071由2中圖11-27 埃克特泛點和壓降的通用關(guān)聯(lián)圖由內(nèi)插法得pz 850 pam 1000 pam pz 850 pam2填料高度的計算1氣相總傳質(zhì)單元數(shù) nog的計算由于操作溫度較低故不可將平衡數(shù)據(jù)按直線處理應(yīng)采用圖解積分法求取nog作平衡線和操作線如下圖求出作出對y的曲線如下圖所示圖解積分得nog 5295 nog 52952氣相總傳質(zhì)單元高度hog的計算由參考文獻3知恩田關(guān)聯(lián)式氣膜傳質(zhì)系數(shù)c 關(guān)聯(lián)系數(shù)尺寸小于15mm的填料取20其它尺寸取523wg氣相

15、質(zhì)量流率kg m2s g氣相黏度pasdg氣體擴散系數(shù)m2sadp填料結(jié)構(gòu)特性的形狀系數(shù)又 c 523wg 1945 kg m2s g 189810-5 pa sdg 03447 cm2sg 11219 kgkmol 29710-5 kmolskpaky kgawp 29710-590231013 02711 k y 02711 kmolsmhog 02489m hog 02489mho hognog 024895295 13179m ho 13179m設(shè)計填料層高度z 13h 1713m取z 18m 填料堆高z 18m四填料塔塔結(jié)構(gòu)設(shè)計1接管1氣體流速及管徑計算空氣體積流量v 0767m3s

16、查1表1-4知低壓氣體的經(jīng)濟流速為820ms取u 18msd 233mm查6下冊選用鋼制無縫管件d 250mm 4mm d 2504則實際管內(nèi)徑為d 242mmu 1668ms18ms 實際流速u 1668ms2液體流速及管徑計算液相體積流量l 20110-3m3s查1表1-4水流經(jīng)濟速度為053ms取u 26ms d 3138mm查6附表選熱軋無縫鋼管d 32mm 3mm 液體管道 d 32實際內(nèi)徑為d 26mmm u 228ms2 圓筒壁厚dn 700mm選取材料 筒體dn 700mm選用16mnr內(nèi)層聚乙烯防腐最高溫度時設(shè)備的操作壓力 由于氟化氫強腐蝕性所以計算壓力取操作壓力的15倍得

17、08 腐蝕余量取 2 壁厚圓整取余后取 3封頭 查3jbt 4737-95橢圓形封頭與圓筒厚度相等即3mm 封頭橢圓封頭 3mmdn 700mmdn 800mm公稱直徑dnmm曲面高度h1mm直邊高度h2mm厚度mm內(nèi)表面積am3容積vm3 700175403061700603 4 法蘭1壓力容器法蘭甲型查6附錄14 甲型平焊法蘭乙型平焊法蘭尺寸系列 法蘭-rf 700-3 jbt 4701-2000法蘭mm螺柱dndd1d3d規(guī)格數(shù)量7008307907453623m20242管法蘭查6附錄15-10 pn 06mpa板式平焊鋼制管法蘭公稱直徑dn管子外徑a1法蘭外徑d螺栓孔中心圓直徑k螺栓

18、孔直徑l螺栓孔數(shù)量n螺紋th法蘭厚度c法蘭內(nèi)徑b1323812090144m1216336576160130144m121678200219320280188m16222222502733753351812m16242765裙座 裙座是最常見的塔設(shè)備支承結(jié)構(gòu)按所支承設(shè)備的高度與直徑比裙座可分為兩種一種是圓筒形一種是圓錐形由于圓筒形裙座制造方便且節(jié)省材料所以被廣泛采用對與承受較大的風(fēng)載荷和地震載荷的塔需要配置較多的地腳螺栓和承受面積的基礎(chǔ)環(huán)則采用圓錐形裙座支承結(jié)構(gòu) 本設(shè)計采用圓筒形裙座支承結(jié)構(gòu)6手孔檢查孔 手孔即縮小的人孔其安設(shè)是為了安裝拆卸清洗和檢修設(shè)備內(nèi)部裝置手孔與人孔的結(jié)構(gòu)基本相同由一個短

19、筒節(jié)蓋上一塊盲板構(gòu)成手孔直徑一般為150250mm應(yīng)使工人戴上手套并握住工具的手能方便地通過標(biāo)準(zhǔn)化手孔的公稱直徑有dn150dn250兩種當(dāng)設(shè)備直徑超過900mm時應(yīng)開設(shè)人孔手孔的公稱直徑dn150 手孔 dn150流程示意圖如下圖6 吸收流程示意圖進管為熱軋無縫鋼管查1表1-1知表面粗糙度 0102mm取 02mm則d 02265 0000751截面1-1 至截面2-2 的沿程損失估取管長為10m41時 re 6880105查1 圖1-27得 00182 00182 11737 pa2由于溫度不變截面2-2至截面3-3的沿程損失3氣體動壓頭4填料因子損失 pa 動壓頭 15607pa5填料吸

20、收塔內(nèi)壓差 綜上全程所需總壓為 標(biāo)定風(fēng)壓 因風(fēng)壓在13kpa之間故選用中壓離心風(fēng)機查1附錄十八 8-189-27離心通風(fēng)機綜合特性曲線圖 風(fēng)機型號 應(yīng)選擇型號為8-18-101no4 的風(fēng)機 8-18-101no42除沫器絲網(wǎng)除霧沫器用于捕集除填料層氣流中夾帶的液滴和霧沫以保證分離效率降低有價值物料的損失和改善塔后壓縮機的操作一般在塔頂部液體入塔初始分布器的上方設(shè)置一定形式的絲網(wǎng)除霧沫器 本設(shè)計采用清水吸收氟化氫液體為酸性易起泡沫需要安裝除沫器以濾除懸浮于氣流中的液沫氣速除沫器直徑d 查6 根據(jù)要求需要故選用hg5-1404-81-6上裝式絲網(wǎng)除沫器公稱直徑dn 600mm 除沫器d 600m

21、mh 100mm h 100mm3液體分布器填料塔的傳質(zhì)過程要求塔內(nèi)任一截面上氣液兩相能均勻分布從而實現(xiàn)密切接觸高效傳質(zhì)其中液體初始分布器的均布液體性能直接關(guān)系填料塔的分離效率理想的液體分布器應(yīng)具備以下條件具有與塔填料相匹配的分液點密度和均勻的分布質(zhì)量并保證液體分布均勻操作彈性大適應(yīng)性好為氣體提供最大的自由截面率實現(xiàn)氣體均布而且阻力小抗污性能好不易堵塞不易產(chǎn)生霧沫夾帶和發(fā)泡結(jié)構(gòu)合理便于安裝調(diào)整和維護盡量緊湊少占空間 且多功能化本設(shè)計由于塔徑d 07m 12m且液料不含沉淀或其他它懸浮顆粒因此選用多孔盤管式噴淋器比較合適流體系數(shù)取082085推動力液柱高度h可取012015m以上本設(shè)計選用h 0

22、15m小孔流速小孔輸液能力小孔總面積 小孔直徑d可取410mm取6mm 環(huán)管多孔式噴淋器孔數(shù) 取n 60 d 6mm噴射圓周半徑 n 60噴射角可選范圍 選用 r 027m噴灑中心到填料表面距離 h 083450m4液體再分布器液體沿填料層向下流動時有偏向塔壁流動的現(xiàn)象這種現(xiàn)象稱為壁流當(dāng)填料層比較高時液流有流向塔壁造成壁流的傾向使液體分布不均甚至塔中心處的填料長不能被濕潤引起干吹現(xiàn)象降低了填料塔的效率為消除此現(xiàn)象故將填料分段填裝層間設(shè)置液體再分配器以便在整個高度內(nèi)的填料都得到均勻噴淋本設(shè)計由于填料高度塔徑hd 故無需再分布器5填料支承板填料支承板的作用是支承填料床層填料支承板一方面應(yīng)具有足夠的

23、強度和剛性能承受住填料層持液量以及操作中附加的作用力另一方面應(yīng)具有大于填料層孔隙率的開孔率以防止在此首先發(fā)生液泛為此在結(jié)構(gòu)上應(yīng)利于汽液兩相流體的均布阻力宜小易拆裝因此設(shè)計合理的支承結(jié)構(gòu)是非常重要的常用的結(jié)構(gòu)多為柵板式和梁式兩大類其中梁型支承板是目前性能最優(yōu)的大塔支承板使用塔徑最大達12m 本設(shè)計由于填料環(huán)外徑為25mm塔徑為700mm選用柵板支承板 填料支承板柵板條間距選填料環(huán)外徑的08倍即 柵板間距20mm6填料壓緊裝置填料壓板是固定填料層防止在操作中發(fā)生竄動的固定裝置用于螺釘固定在塔壁上對于金屬或塑料填料因其質(zhì)量較輕在流體壓力差和沖擊作用下填料層逐漸膨脹升高以致改變填料層的初始堆積狀態(tài)這樣當(dāng)填料層不均勻膨脹后流體將主要流經(jīng)阻力較小的區(qū)域因而溝流現(xiàn)象增加流體不均勻分布加劇于是降低了塔的效率有時頂層的填料還可能被氣流帶出塔外為此對陶瓷填料須安裝填料壓板對金屬或塑料填料須安裝床層限制板填料壓板憑借自身重量達到限制填料活動的目的無須固定于塔壁床層限