內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)氨填料吸收塔課程設(shè)計(jì)

1、前言填料塔是以塔內(nèi)的填料作為氣液兩相間接觸構(gòu)件的傳質(zhì)設(shè)備,它是化工類(lèi)企業(yè)中 最常用的氣液傳質(zhì)設(shè)備之一。而塔填料塔內(nèi)件及工藝流程又是填料塔技術(shù)發(fā)展的關(guān) 鍵。從塔填料、塔內(nèi)件以及工藝流程 , 特別是塔填料三方面對(duì)填料塔技術(shù)。填料塔洗 滌吸收凈化工藝不單應(yīng)用在化工領(lǐng)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(shí)踐表明 ,合理的系統(tǒng)工藝和塔體設(shè)計(jì) ,是保證凈化效果的前提。 本文簡(jiǎn) 述聚丙烯階梯填料應(yīng)用于水吸收氨過(guò)程的工藝設(shè)計(jì)以及工程問(wèn)題。在化工、 煉油、 醫(yī)藥、 食品及環(huán)境保護(hù)等工業(yè)部門(mén), 塔設(shè)備是一種重要的單元操 作設(shè)備。 其作用實(shí)現(xiàn)氣液相或液液相之間的充分接觸, 從而達(dá)到相際間進(jìn)行傳

2、質(zhì) 及傳熱的過(guò)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(shè)備的合理造型設(shè)計(jì)將越來(lái)越受到關(guān)注和重視。 塔設(shè)備有板式塔和填料塔兩 種形式,下面我們就填料塔展開(kāi)敘述。填料塔的基本特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 壓力降小, 傳質(zhì)效率高, 便于采用耐腐蝕材料制 造等,對(duì)于熱敏性及容易發(fā)泡的物料,更顯出其優(yōu)越性。過(guò)去,填料塔多推薦用于 0.6至 0.7m 以下的塔徑。近年來(lái),隨著高效新型填料和其他高性能塔內(nèi)件的開(kāi)發(fā), 以及人們對(duì)填料流體力學(xué)、 放大效應(yīng)及傳質(zhì)機(jī)理的深入研究, 使填料塔技術(shù)得到了迅 速發(fā)展。氣體吸收過(guò)程是化工生產(chǎn)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(shí)現(xiàn)各組分分離的單元操 作。板式塔和填料塔都可用于吸收過(guò)程,此次設(shè)計(jì)用填料塔作為吸收的主設(shè)備目錄摘 要 . 1第一章 氨吸收填料吸收塔的設(shè)計(jì) . 21.1 概述 . 21.2 設(shè)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(jì)算 . 82.1 概述 . 82.2 氣液平衡關(guān)系 . 82.3 平衡關(guān)系的確定 . 102.4 吸收劑用量及操作線的確定 . 122.5 塔徑的計(jì)算 . 162.6 校核 . 23摘 要填料塔洗滌吸收凈化工藝不單應(yīng)用在化工領(lǐng)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(shí)踐表明,

4、 合理的系統(tǒng)工藝和塔體設(shè)計(jì), 是保證凈化效果 的前提。此設(shè)計(jì)是在各種版本教材和資料的基礎(chǔ)上、 在吸收原理的支持下, 由本人編輯設(shè) 計(jì)而成的,其中的各種物性數(shù)據(jù)全部來(lái)自于其他各種版本、各類(lèi)于吸收有關(guān)的圖書(shū)、 教材之上, 它們?nèi)员３种陀^物質(zhì)的特性。 在選材和計(jì)算理論上, 也有著與其它吸收 設(shè)計(jì)相同的基本原理。首先, 在此設(shè)計(jì)中講述了吸收技術(shù)的概況、 發(fā)展以及應(yīng)用, 當(dāng)今吸收技術(shù)的發(fā)展 狀況; 再講述怎樣根據(jù)所給的已知條件來(lái)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(shè)備類(lèi)型選擇、操作參數(shù)的選擇等內(nèi)容;在計(jì)算環(huán)節(jié),先要 集眾家之所有 -查出所有相關(guān)的物性數(shù)據(jù),由此計(jì)算出相應(yīng)的

5、理論結(jié)果,確定出理 論上吸收的工程圖。關(guān)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(shè)計(jì)1.1 概述在煉油、石油化工、精細(xì)化工、食品、醫(yī)藥及環(huán)保等部門(mén),塔設(shè)備 屬于使用量大應(yīng)用面廣的重要單元設(shè)備。塔設(shè)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(shè)備的研究一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者 普遍關(guān)注的重要課題。在化學(xué)工業(yè)中,經(jīng)常需要將氣體混合物中的各個(gè)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(zhì),以制取產(chǎn)品,或除去工藝氣 體中的有害成分,使氣體凈化,以便進(jìn)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(jù)混合物中各

6、組分在某一種溶劑中溶解度不同而達(dá)到分離的 目的。1.2 設(shè)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(shè)計(jì)中,要求用稀氨水吸收氨氣,由于填料塔具有結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單、壓力降小、傳質(zhì)效率高、便于采用耐腐蝕材料制造,以及生產(chǎn)能 力大、吸收效果好、操作彈性大等優(yōu)點(diǎn),所以選用填料塔吸收氨氣。塔 的底部有用來(lái)支撐填料的柵板,并允許氣液通過(guò),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(gè)塔截面的填料表面潤(rùn)濕。但因填料層中的液體有向塔壁 流動(dòng)的趨勢(shì),即“趨壁效應(yīng)” ,因此填料層較高時(shí)往往將其分為幾段,每一段填料層上方設(shè)有再分布器,將沿塔壁流

7、動(dòng)的液體導(dǎo)向填料層內(nèi)。近 些年來(lái),由于性能優(yōu)良的新型填料不斷開(kāi)發(fā),改善了填料層內(nèi)氣液兩相 的分布與接觸情況。在某些場(chǎng)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(lái)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(fēng)機(jī)。 泵一個(gè)型號(hào)需配置兩臺(tái),供替換使用,風(fēng)機(jī)需一臺(tái)。詳細(xì)流程參見(jiàn)流程 圖。實(shí)際操作中的流量計(jì)和壓力表等也需要考慮出現(xiàn)問(wèn)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(jìn)入由塔頂排出,液相自塔頂進(jìn)入由塔底 排出,此即逆流操作。逆流操作的特點(diǎn)是傳質(zhì)平均推動(dòng)力大,傳質(zhì)速率 快,

8、分離效率高,吸收劑利用率高。工業(yè)生產(chǎn)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(diǎn)是,系統(tǒng)不受液流限制,可提高操作氣速,以提高生產(chǎn)能力。并 流操作通常用于以下情況:當(dāng)吸收過(guò)程的平衡曲線較平坦時(shí),流向?qū)ν?動(dòng)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(bǔ)充的新鮮吸收劑一同送回塔內(nèi),即為部分再循 環(huán)操作。通常用于以下操作:當(dāng)吸收劑用量較小,為提高塔的液體噴淋 密度 ; 對(duì)于非等溫吸收過(guò)程,為控制塔內(nèi)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(shù) m 值很小的情況,通過(guò)吸收液的部分再循環(huán), 提高吸收劑的使用效率。應(yīng)當(dāng)指出,吸收劑部分再循環(huán)操作較逆流操作的平均推動(dòng)力要低,且需設(shè)置循環(huán)泵,操作費(fèi)用增加。(4多塔串聯(lián)操作 若設(shè)計(jì)的填料層高度過(guò)大,或由于所處理物料等 原因需經(jīng)常清理填料,為便于維修,可把填料層分裝在幾個(gè)串聯(lián)的塔內(nèi), 每個(gè)吸收塔通過(guò)的吸收劑和氣體量都相等,即為多塔串聯(lián)操作。此種操 作因塔內(nèi)需留較大空間,輸液、噴淋、支撐板等輔助裝置增加,使設(shè)備 投資加大。(5串聯(lián) -并聯(lián)混合操作 若吸收過(guò)程處理的液量很大, 如果用通常的 流程,則液體在塔內(nèi)的噴淋密度過(guò)大,操作氣速勢(shì)必很小(否則易引起 塔的液泛,塔的生產(chǎn)能力很

10、低。實(shí)際生產(chǎn)中可采用氣相作串聯(lián)、液相 作并聯(lián)的混合流程;若吸收過(guò)程處理的液量不大而氣相流量很大時(shí),可 采用液相作串聯(lián)、氣相作并聯(lián)的混合流程。列出幾種常見(jiàn)的吸收過(guò)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(guò)程,為提高傳質(zhì)效率和分離效率, 所以,本設(shè)計(jì)選用逆流吸收流程。該填料塔中,氨氣和空氣混合氣體,經(jīng)由填料塔的下側(cè)進(jìn)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(jìn)行吸收。經(jīng)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(shí)平均推動(dòng)力大, 吸收劑利用率高, 完成一定分離任務(wù) 所需傳質(zhì)面積小,所以選定流程為逆

11、流。對(duì)于無(wú)相變傳熱,當(dāng)冷、熱流 體的進(jìn)、出口溫度一定時(shí),逆流操作的平均推動(dòng)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(dòng)力而言,逆流操作 總是優(yōu)于并流。此時(shí)吸收劑用量未知,我們可以按照逆流進(jìn)行物料衡算 得出吸收劑用量后,以此作為一個(gè)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),判斷是否該用逆流。吸收過(guò)程是依靠氣體溶質(zhì)在吸收劑中的溶解來(lái)實(shí)現(xiàn)的,因此,吸收 劑性能的優(yōu)劣,是決定吸收操作效果的關(guān)鍵之一,選擇吸收劑時(shí)應(yīng)著重 考慮以下幾方面。(1溶解度 吸收劑對(duì)溶質(zhì)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(duì)溶質(zhì)組分要有良好的吸收能力,而對(duì)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(shí)現(xiàn)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(guò)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(nèi)的流動(dòng)性越好, 有助于傳質(zhì)速率和傳熱速率的提高。(5其他 所選用的吸收劑應(yīng)盡可能滿足無(wú)毒性、無(wú)腐蝕性,不易燃 易爆、不發(fā)泡、冰點(diǎn)低、價(jià)廉易得以及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等要求。吸收劑對(duì)溶質(zhì)的組分要有良好地吸收能力,而對(duì)混合氣體中的其他 組分不吸收,且揮發(fā)度要低。所以本設(shè)計(jì)選擇用清水作吸收劑,氨氣為 吸收質(zhì)。水廉價(jià)易得,物理化學(xué)性能穩(wěn)定,選擇性好,符合吸收過(guò)程對(duì) 吸收劑的基本要求。且氨氣不作為產(chǎn)品,故采用純?nèi)軇?。本次課設(shè)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(jiǎn)稱為填料是填料塔的核心構(gòu)件,它提供了氣、液兩相 相接觸傳質(zhì)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(zhì)效率也越高,它 與塔內(nèi)件一起決定了填料塔的性質(zhì)。因此,填料的選擇是填料塔設(shè)計(jì)的 重要環(huán)節(jié)。塔填料的選擇包括確定填料的種類(lèi)、規(guī)格及材料。填料的種類(lèi)主要 從傳質(zhì)效率、通量、填料層的壓降來(lái)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(shè)中,選用兩種填料進(jìn)行計(jì)算,最終根據(jù)計(jì)算結(jié)果擇優(yōu)。 填料塔對(duì)填料的要求表現(xiàn)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(jī)械強(qiáng)度;5. 價(jià)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(shí)相對(duì)困難, 且 同種類(lèi)型的規(guī)整填料,其表面積越大,傳質(zhì)效率越高,但阻力增加,通 量減少,填料費(fèi)用造價(jià)也明顯增高。其次,要進(jìn)行兩種填料間的比較,則應(yīng)選用相同的外徑,這樣才具有可比性。陶瓷材質(zhì)的材料雖然質(zhì)脆、易碎,但其耐腐蝕性較好,一般 能耐除氫氟酸以外的常見(jiàn)的無(wú)機(jī)酸、有機(jī)酸及各種有機(jī)溶劑的腐蝕。且 表面潤(rùn)濕性強(qiáng),價(jià)格便宜,可在低溫、高溫下工作,具有一定的抗沖擊 性,故應(yīng)用較為廣泛。塑料材質(zhì)的雖耐腐蝕性能好,價(jià)格適中,但耐溫 性及濕潤(rùn)性較差。金屬材質(zhì)有碳鋼、鋁鋁和鋁合金等,多用于操作溫度 較高而

15、無(wú)顯著腐蝕性的操作。本次設(shè)計(jì)任務(wù)是高濃氨混合氣體吸收,其具有強(qiáng)腐蝕性,故最佳填 料選擇應(yīng)為陶瓷質(zhì)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(jiàn)表 1-1表 1-1 綜合比較, 合理范圍內(nèi)填料塔徑 D 均大于 900mm, 據(jù)此采用 50mm 以上的大填料。 故 d=25mm的 Z P等數(shù)值無(wú)需再繼續(xù)計(jì)算比較。第二章 工藝計(jì)算2.1 概述整個(gè)工藝計(jì)算過(guò)程包括以下幾點(diǎn):1. 確定氣液平衡關(guān)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(xué)性能。5. 填料層

16、高度的計(jì)算。6. 管路及輔助設(shè)備的計(jì)算。2.2 氣液平衡關(guān)系由于原料氣組成中, 氨氣占 45%,含量較高,用地下水吸收時(shí)會(huì)產(chǎn)生 很大的熱效應(yīng),使塔內(nèi)溫度顯著升高,對(duì)氣液平衡關(guān)系和吸收速度產(chǎn)生 明顯影響,屬于非等溫吸收。在逆流吸收塔中氣液平衡關(guān)系是溫度的函 數(shù),溫度升高,平衡關(guān)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(yīng)重新按照非等溫吸收的熱衡算,根據(jù)液相濃度和 溫度的變化情況,定出實(shí)際的平衡關(guān)系。非等溫吸收的熱效應(yīng)主要包括:1. 吸收質(zhì)與吸收劑混合時(shí)產(chǎn)生的混合熱,即溶解熱。2. 氣體溶解時(shí)由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)放出的潛熱。3. 化學(xué)反應(yīng)熱。物理吸收計(jì)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(guò)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(guān)系時(shí),為簡(jiǎn)化計(jì)算,通常做如下三點(diǎn)假 設(shè):1. 不考慮熱損失。 2. 吸收劑帶走的潛熱不計(jì)。 3. 氣相帶走的熱量不計(jì)。以上假設(shè),即是假定吸收過(guò)程中所釋放出的熱量全部用來(lái)加熱液體。 在給定的設(shè)計(jì)條件中得知,要設(shè)計(jì)的是高濃度氣體的非等溫吸收。 由塔頂?shù)剿椎臐舛燃皽囟茸兓^大,平衡關(guān)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(duì)第 i 段作熱量衡算: 根據(jù)課設(shè)要求,此處我們可以假設(shè)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(zhì)被吸收時(shí)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(shí)吸收的熱量: (12-=i i L t t LC Q根據(jù)前面的假設(shè),吸收過(guò)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(shù) L C 溶液的平均比熱, (KJ/Kmol· d H 溶質(zhì)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(jì)算出 每個(gè) 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(duì)應(yīng)關(guān)系。2.3 平衡關(guān)系的確定在非等溫吸收操作中,吸收塔內(nèi)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(nèi),隨著 x 和 t 的變化,氣液兩相的平衡關(guān)系也在改變,即不同溫度對(duì)應(yīng)著不同的平衡 曲線。實(shí)際平衡關(guān)系可由溫度與濃度的關(guān)系得

20、到,可由經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)確定。 對(duì)于氨氣和水溶液的平衡物系,若選用經(jīng)驗(yàn)公式,可作如下計(jì)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(jì) 算與 i x 相平衡的 ei y : Pp y e ei=式中:P 操作壓強(qiáng), Hg計(jì)算過(guò)程如下:(以第二組數(shù)據(jù)為例 。92. 8313. 2715. 2731750005. 0lg 1. 1lg +-=e p479. 32=e p Hg2e y =0.005576059. 89325. 101479. 3

21、=根據(jù)計(jì)算結(jié)果,以 x 為橫坐標(biāo), e y 為縱坐標(biāo), 在坐標(biāo)紙上繪出非等溫 吸收的平衡關(guān)系曲線,如下圖 2-2所示。 (見(jiàn)附圖一 2.4 吸收劑用量及操作線的確定如圖 2-3,對(duì)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(biāo): 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(jì)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(biāo) y=0.45時(shí)的橫坐標(biāo) , , 45. 0, 012=y x 。根據(jù)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(jì)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(jù) x y 在圖上畫(huà)出操作線,如圖 2-2所示。 (見(jiàn)附圖一附表一 2.5 塔徑的計(jì)算填料塔塔徑的大小是根據(jù)生產(chǎn)能力與空塔氣速來(lái)計(jì)算的?？账馑?由下面經(jīng)驗(yàn)公式確定:8. 06. 0u u F=式中:F u 泛點(diǎn)氣速, m/s u 空塔氣速, m/s泛點(diǎn)氣速與氣液流量、物系性質(zhì)及填料的類(lèi)型、尺寸等因素有關(guān)。 其計(jì)算方法很多。 目前工程上常采用 Eckert 通用關(guān)聯(lián)圖或 Bian & Hougen 關(guān)聯(lián)式計(jì)算 F u 。選用 Eckert 通用關(guān)聯(lián)圖求解。 如圖 2-4所示,根據(jù)氣液相流量及密度計(jì)算出

25、橫標(biāo)值 21L v v L W W ,作垂直線與亂堆填料的泛點(diǎn)線相交, 讀取縱坐標(biāo) 2. 0L L v 2F g u , 由已知參數(shù)縱坐標(biāo)中解出氣速即為泛點(diǎn)氣速 F u 。演算過(guò)程如下:如前所述,非等溫吸收時(shí),各物性參數(shù)隨組成變化而變化,故求取 時(shí)應(yīng)取其平均值。計(jì)算過(guò)程中還應(yīng)注意單位的統(tǒng)一。1. 橫坐標(biāo) L v v L W W 要求 L v v L W W , 首先對(duì)全塔作平均處理, 求出 L W , v W L , v ,(1定性溫度 T現(xiàn)在已知進(jìn)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(nèi)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(zhì)量分?jǐn)?shù): 因?yàn)?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(yuǎn)大于氣體,故氣體的進(jìn)、出的溫度按液體的出、 進(jìn)的溫度來(lái)計(jì)。進(jìn)塔氣:平均摩爾質(zhì)量 1M 空 氨 M y M y 1(11-+=mol g /.6232955. 01745. 0=+= 出塔氣:平均摩爾質(zhì)量 2M 空氨

27、M y M y 1(22-+=(molg /5284. 2829393.001170393. 0=-+=平均摩爾質(zhì)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(duì)應(yīng)溫度氨水的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 1:(單位均為 g/c3m 內(nèi)插法可得:20時(shí)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(shí),83.49206893.

29、40-=-L 3mkg 78.49=L(4氣體的質(zhì)量流量 氣體進(jìn)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(jìn)口處與出口處的氣體的平均摩爾質(zhì)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(zhì)量流量進(jìn)塔液體摩爾流量:h kmol V L /3339. 125855. 01071. 1994907. 114907. 112=進(jìn)塔液體質(zhì)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(zhì)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(biāo) 1755. 0978.48954. 01043. 14054. 6W W L v v L =2. 泛點(diǎn)氣速 F u從這一步開(kāi)始,要對(duì)所選兩種填料分別進(jìn)行計(jì)算,填料物性參數(shù)見(jiàn) 表 1-2。根據(jù) Eckert通用關(guān)聯(lián)圖可知 20.2v L F L u g 09. 0=其中 為液體密度修正系數(shù) ,40時(shí), 3kg/m2. 992=水; 50時(shí), 3kg/m1. 98

32、8=水內(nèi)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(jù)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(jù)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(jì)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(dāng)計(jì)算出的數(shù)值不足整數(shù)時(shí),往往需要圓整。圓整的根 據(jù)是符合加工要求及設(shè)備定型,以便于設(shè)備加工。根據(jù)國(guó)內(nèi)壓力容器的 公稱直徑標(biāo)準(zhǔn)(JB-1153-71 ,直徑在 1m 以下時(shí),間隔為 100, (必要 時(shí)在

34、 700以下時(shí)可用 50為間隔 ;直徑在 1m 以上時(shí),間隔為 200 (必要時(shí)在 2m 以下時(shí)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(jì)算公式推導(dǎo)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(zhì)速率較大, 且操作過(guò)程的動(dòng)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(qiáng)降是塔設(shè)計(jì)中

36、的重要參數(shù)。氣體通過(guò)填料層壓強(qiáng)降的大小決定 了塔的動(dòng)力消耗。填料層壓降的計(jì)算方法有多種,這次課程設(shè)計(jì)采用的 是 Eckert 通用關(guān)聯(lián)圖方法。如圖 2-5所示, Eckert 通用關(guān)聯(lián)圖除了有液泛線以外,還有許多等 壓降線。 由已知參數(shù)及所用填料的壓降填料因子 P 代替 (注:本設(shè)計(jì)中 仍采用 , 計(jì)算出該圖的橫、 縱坐標(biāo)值, 查圖讀取相應(yīng)壓降曲線的值 (若 交點(diǎn)沒(méi)正好落在壓降線上,可用相鄰兩條線內(nèi)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(gè)范圍,應(yīng)按要求的 Z p 值, 由 Eckert 通用關(guān)聯(lián)圖反求氣速 u ,

37、再重新計(jì)算塔徑。表 2-4 壓降填料因子(P 演算過(guò)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(guān)聯(lián)圖上查得,當(dāng)橫坐標(biāo) 1755. 0W W 2L v v L =時(shí),縱坐標(biāo) 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(guān)聯(lián)圖上查得,當(dāng)橫坐標(biāo) 1755. 0W W 2L v v L =時(shí),縱坐標(biāo) 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(shuō)明實(shí)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(guò)程動(dòng)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(nèi), 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(zhì)主

39、要是在填料表面流動(dòng)的液膜上進(jìn)行的。 要形成液膜,填料表面必須被液體充分潤(rùn)濕,而填料表面的潤(rùn)濕狀況取 決于塔內(nèi)的液體噴淋密度及填料材質(zhì)的表面潤(rùn)濕性能。液體噴淋密度是指單位塔截面積上, 單位時(shí)間內(nèi)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(rùn)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(rùn)濕速率, m 3/m·s 填料的比表面積, m 2/m3最小潤(rùn)濕速率是指在塔的截面上, 單位長(zhǎng)度的填料周邊的最小液體

40、體 積流量。 其值可由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算, 也可采用經(jīng)驗(yàn)值。 對(duì)于直徑不超過(guò) 75mm 的散裝填料,可取最小潤(rùn)濕速率 (LW min 為 0.08 m3/(m ·h ;對(duì)于直徑大 于 75mm的散裝填料,取 (LW min =0.12 m3/(m ·h 。填料表面潤(rùn)濕性能與填料的材質(zhì)有關(guān),就常用的陶瓷、金屬、塑料三 種材質(zhì)而言,以陶瓷填料的潤(rùn)濕性能最好,塑料填料的潤(rùn)濕性能最差。實(shí)際操作時(shí)采用的液體噴淋密度應(yīng)大于最小噴淋密度。 若噴淋密度過(guò) 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(rùn)濕;也可采用減小塔徑予以補(bǔ)償。鮑爾環(huán)陶瓷填料演算過(guò)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(jìn)塔時(shí)液體密度,即 25時(shí)水的密度,由內(nèi)插法得:2. 99820-25998.2-995.720-30L -=則 3/95. 996m kg L =U > Umin泛點(diǎn)率 005. 711007854. 29907. 1100=Fu u (鮑爾環(huán)填料根據(jù)8. 06. 0=Fu u

42、陶瓷鮑爾環(huán)(d=50mm填料的泛點(diǎn)率符合2.7 填料層高度2.7. 1傳質(zhì)系數(shù)的確定 有效面積(潤(rùn)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(zhì)臨界表面張力, N/m ,陶瓷 c=61×10-3N/m GL液體通過(guò)塔截面的質(zhì)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(nèi)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(zhì)量分?jǐn)?shù)的氨水溶液的表面張力 1 利用內(nèi)插法可得 20時(shí)質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(guò)程中,氨溶于水中的量較少,氨水溶液的物性參數(shù)均與水相似,所以有2W1W2L1L-=-31L 3106287. 696. 72(107398. 69-=-即可知 39.269時(shí)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(zhì)為聚氯乙烯,臨界表面張力 mN C31061-=液體通過(guò)塔截面的質(zhì)量流速 /(0738. 109. 0(444054. 64222s m kg DW G LL=根 據(jù)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(zhì)系數(shù)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(shù), 5.23R 氣體常數(shù), 8.314 (3K Kmol KPa m T氣體溫度, KDV溶質(zhì)在氣相中的擴(kuò)散系數(shù), /s GV氣體通過(guò)空塔截面的質(zhì)量流率, (2h m kg V 氣體粘度, s Pa V 氣體密度, kg/m3 演算過(guò)程如下:(1氣體黏度的計(jì)算 : 2121ii i i i VMy M u y =根據(jù)圖 3知:在溫度為 39.269時(shí)的空氣的粘度為 smPa 01911. 0在溫度為 30.21773時(shí)的液氨的粘度為 smPa 00925. 0平均摩爾分?jǐn)?shù):245. 020393. 04

46、5. 0221=+=+=y y y 氨根據(jù)公式可以計(jì)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(kuò)散系數(shù) 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(guò)空塔截面的質(zhì)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(zhì)系數(shù)鮑爾環(huán):根據(jù)公式可知?dú)庀鄠髻|(zhì)系數(shù)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(jì)算涉及物料衡算、傳質(zhì)速率和相平衡關(guān)系。對(duì)于整個(gè) 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(yīng)用吸收速率關(guān)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(jì)算: Z=傳質(zhì)單元高度×傳質(zhì)單元數(shù)選取傳質(zhì)單元數(shù)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(yīng)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(shù)并非常數(shù),總 吸收系數(shù)變化更為顯著,因此,高濃度氣體的吸收可用如下公式計(jì)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(shù)e y 成平衡的氣相度其中 a k y 可視為常數(shù),故公式可變?yōu)?Z =a k Vy 12y y 1(1( 1(e y y m y -dy傳質(zhì)單元數(shù) NOG 需用圖解積分法求出。 以 1(1( 1(e y y m y -為縱坐標(biāo), 以y為 橫 坐 標(biāo) 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(zhì)單元高度(OG H