化工课程方案填料吸收塔方案

1、化工原理课程设计 题目：填料吸收塔的设计 教学院：化学与材料项目学院 专 业：应用化工技术 20181 ）班 学号：2 学生姓名：罗全海 指导教师：胡燕辉屈媛 2018年6月14日 目录 1绪论1 1.1吸收技术简况1 1.2吸收过程对设备的要求及设备的发展简况1 1.3吸收的应用简况2 2课程设计任务2 2.1设计内容2 2.1.1工艺条件与数据2 2.1.3设计内容3 2.1.4进度安排3 2.2设计要求3 2.3设计方案介绍3 3填料选择5 3.1填料塔选择原则：5 3.2填料种类5 3.3填料尺寸的的选择：6 3.4 填料材质的选择： 6 4 吸收塔的工艺计算 7 4.1 基础物性数据

2、处理 7 4.1.1 液相物性数据 7 4.1.2 气相物性数据 7 4.1.3 气液平衡数据 8 4.1.4 物料衡算 8 4.1.5 液气比的计算 9 4.1.6 吸收剂的用量 9 4.2 塔径的计算及校核 10 4.2.1 物性数据： 10 4.2.2 泛点气速、塔径的计算 10 4.2.3 数据校核 11 4.3 填料层高度的计算 12 4.3.1 传质单元高度计算 12 4.3.2 传质单元数的计算 14 4.3.3 总高度的计算 14 4.4 流体力学参数计算 15 4.4.1 吸收塔的压力降 15 4.4.2 气体动能因子 16 4.4.3 吸收因子 16 5解吸塔工艺计算 16

3、 5.1 基础数据计算 16 5.1.1 最小气液比及吸收剂用量 17 5.2 塔径的计算及校核 17 5.2.1 塔径计算 17 5.2.2 数据校核 18 5.3 填料层高度的计算 19 5.3.1 传质单元高度计算 19 5.3.2 传质单元数的计算 21 5.3.3 总高度的计算 22 5.4 流体力学参数的计算 22 5.4.1 解吸塔的压力降 22 5.4.2 气体动能因子 23 5.4.3 解吸因子 23 5.5 设计结果 24 5.5.1 设计结果一览表 24 6附录 24 6.1 主要符号说明 24 6.2 希腊字母： 25 6.3 参考文 25 1 绪论 1.1 吸收技术简

4、况 在化学工业中，利用不同气体组分在液体溶剂中的溶解度差异对其进行选择 性溶解，从而将混合物各组分分类的传质过程称为吸收。 气体吸收过程是化工生产中常用的气体混合物的分离操作，其基本原理是利 用混合物中各组分在特定的液体吸收剂中的溶解度不同，实现各组分分离的单元 操作。 实际生产中，吸收过程所用的吸收剂常需回收利用，故一般来说，完整的吸 收过程应包括吸收和解吸两部分，因而在设计上应将两部分综合考虑，才能得到 较为理想的设计结果。作为吸收过程的工艺设计，其一般性问题是在给定混合气 体处理量、混合气体组成、温度、压力以及分离要求的条件下，完成以下工作： 1）根据给定的分离任务，确定吸收方案； 2）

5、根据流程进行过程的物料和热量衡算，确定工艺过程中的物性参数； 3）依据物料及热量衡算进行过程的设备选型或设备设计； 4）绘制工艺流程图及主要设备的工艺条件图； 5）编写工艺设计说明书。 1.2 吸收过程对设备的要求及设备的发展简况 对于吸收过程，能够完成分离任务的塔设备有多种，如何从众多的塔设备 中选择合适类型是进行工艺设计的首要任务。一般而言，吸收用塔设备与精馏过 程所需要的塔设备具有相同的原则要求，用较小直径的塔设备完成规定的处理 量，塔板或填料层阻力要小，具有良好的传质性能，具有合适的操作弹性，结构 简单，造价低，便于安装、操作和维修等。 但是吸收过程，一般具有液气比大的特点，因而更适用

6、填料塔。此外，填料 塔阻力小，效率高，有利于过程节能。所以对于吸收过程来说，以采用填料塔居 多。 近年来随着化工产业的发展，大规模的吸收设备已经广泛用于实际生产当 中。具有了很高的吸收效率，以及在节能方面也日趋完善。填料塔的工艺设计内 容是在明确了装置的处理量，操作温度及操作压力及相应的相平衡关系的条件 下，完成填料塔的工艺尺寸及其他塔内件设计。在今后的化学工业的生产中，对 吸收设备的要求及效率将会有更高的要求，所以日益完善的吸收设备会逐渐应用 于实际的工业生产中。 1.3 吸收的应用简况 在化工生产中，原料气的净化，气体产品的精制等方面得到了广泛应用。在研究 和开发过程中，在方法上多以吸收过

7、程的传质速率着手。在整个设备中气液两相 为连续微分接触过程，这一特点与填料塔得到了良好结合，因为填料塔的通量 大，阻力小，使其在吸收设备中得到了广泛应用。吸收在化工的应用中大致有以 下几种： 1）原料气的净化； 2）有用组分的回收； 3）某些产品的制取； 4）废气的处理。 2 课程设计任务 2.1 设计内容 2.1.1工艺条件与数据 煤气中含苯 2% 0.15%质量分数）;吸收塔气-液平衡y*=0.125x;解吸塔气-液平衡为 y*=3.16x;吸收回收率95%吸收剂为洗油，分子量 260,相对密度0.8;生产 能力为每小时处理含苯煤气2000m3;冷却水进口温度v 25C，出口温度 ,聚乙烯

8、PE），聚氯乙烯PVC） 等。国内一般使用聚丙烯材料，塑料填料的耐腐蚀性较好，可耐一般的无机酸， 碱，有机溶剂的腐蚀，其耐温性能较好，质轻，价廉，具有良好的韧性，耐冲 击，不易碎，且通量大，压降低。但其润湿性能差，多用于吸收，解吸，萃取 等。 综合以上分析考虑，对于在 27C, 1atm下处理量为2000m3/h煤气含苯2%）因 为操作温度和压力较低，吸收塔选择聚丙烯阶梯环38X 19X1）散堆填料， 其相关结构特性参数如下： 堆积密度=57.5 kg/m3个数=27200个/m3 23 孔隙率 =0.91比表面积a=132.5m/m 散填料A值=0.204 临界表面张力（T c=54 dyn

9、/cm=0.0054 N/m 解吸塔的填料规格为聚丙烯阶梯环 25 25 1.4）散堆填料，气体的进出口尺为 50 2.5,液体的进出口尺寸为 50 2.5。 散堆填料A=0.204公称直径d=25mm 比表面积a=228m2/m3孔隙率& =0.9 堆积个数81500个/m3堆积密度97.8kg/m3 临界表面张力 f N/m 4吸收塔的工艺计算 4.1基础物性数据处理 4.1.1液相物性数据 对于低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯洗油的物性数据，由 手册查得27r洗油的物性数据： 密度：p L=800kg/m3 粘度：卩 L=0.0012Pa.s=1.2mPa.s 表面张力：(T L

10、=0.02N/m 苯在洗油中的扩散系数：Dl=1.02X 10_ 9m2/s 4.1.2气相物性数据 混合气体的平均摩尔质量：M混气= =0.02X 78.102+1-0.02)X 19=20.18 混合气体的平均密度：p混气=.：= 3 =0.8194kg/m3 对于低浓度苯蒸气混合气体的总粘度近似取煤气粘度查手册27 r煤气时煤 气粘度: 卩煤气=1.68 x 10-5Pa.s 查手册27C时苯在煤气中的扩散系数为: D空气 =7.51 x 10-6m2/s 4.1.3气液平衡数据 由吸收塔气一液平衡方程y*=0.125x知，相平衡常数m=0.125 亨禾系数为：E=mx P=0.125x

11、 101.325KPa=12.666KPa 溶解系数为：H=-寸=.工.|=0.2429 4.1.4物料衡算 进料气摩尔分数：yi=0.02 出口气相组成摩尔分数：y2 = 由公式4-1）可得: 其中 a=132.5 f0.91 代入计算得： m/s 取操作气速是泛点气速的0.6倍一 JIm/s m3/s 圆整后取塔径D=600mm. 423数据校核 m2 m/s 实际气速: 泛点率校正: （在50% 80%的范围内 填料规格校核：D/d=600/38=15.79 15满足径比条件） 喷淋量的校核： 吸收剂的喷淋密U=L/S4-2 4-3 由公式4-3）可得: m3/m2?n 润湿率： 由公式

12、4-4）可得: m3/m2?n 对于直径小于75mm的环形填料，必须满足润湿率的的最小值L .4日0.08 满足最小喷淋密度要求。经以上校对可知填料塔径选用 600mm合理。 4.3填料层高度的计算 4.3.1传质单元高度计算 塔内的液相及气象物性如下 p=800kg/m3 pG=0.8194kg/m3粘度 n=1.2 x 10-3Pa.s m2/s 表面张力 q_=20dyn/cm=0.02N/m粘度 rp=1.2 为0-5Pas 苯在煤气中的扩散系数近似取苯在空气中的扩散系数： 苯在洗油中的扩散系数查取得：）m2/s 气相及液相的流速: 工 （4-5 由公式4-5）可得: 2 (Kg/m

13、?s x 气相传质系数: 4-7) 查表得屮=1.45 由公式4-7）可得: (4-8) 由公式4-8代入数据计算可得 液相传质系数： IIm2/m3 由公式4-9代入数据可得： Fm/s 4-9) 将得到的传质系数换算成以摩尔分数差为推动力的传质系数: (4-10) 由公式4-10）可得: Kmol/m 3?s Kmol/m 3/s 4-11) 由公式4-11）可得: + X 4-12) 气相总传质单元高度 由公式4-12）可得: 4.3.2传质单元数的计算 全塔的物料衡算方程为: 依据该方程可以确定吸收塔底洗油中苯的组成: 于是，可以计算该塔的塔底、塔顶以及平均传质推动力分别为: 则，填料

14、层高度 圆整后实际填料层高度取为6m.依据阶梯环填料的分段要求: Z/D=510I m 可将填料分为两段，每段3m，两段间设置一个液体再分布器. 4.3.3总高度的计算 塔上部空间高度可取为1.2m，液体再分布器的空间高度约为1m。塔底液相停 =1.436m 留时间按5min考虑，则塔釜液所占高度为： h1= I = 其中 qvL=4.872m3/h=1.353X 10-3m3/s 塔内塔釜液到填料支撑板的高度可取为1.2m，裙式支座的高度可取为2.5m， 所以塔的总高度为： h=ho+h +1.2+1+1.2+2.5=6+1.436+1.2+1+1.2+2.5=13.34m 4.4流体力学参

15、数计算 4.4.1吸收塔的压力降 1）填料层压力降，气体通过填料层的压力降采用Eckert关联图计算，其中实 际操作气速为： ri 由公式4-13）可得: 由公式4-14）可得: M较小，在此可以忽略 Pa (4-15) 2 2 Kg /s?m 查Ecker图可得每M填料的压力降为500pa,所以填料层的压力降为: I Pa 3）其他塔内件的压力降，其他塔内件的压力降 于是得吸收塔的压力降为： 4.4.2气体动能因子 吸收塔内气体动能因子为：二 由公式3-15）可得： 气体动能因子在常用的范围内。 4.4.3吸收因子 吸收塔内气体吸收因子为：上 /kmol（水蒸气 于是，可以计算该塔德塔底、塔

16、顶以及平均传质推动力分别为 则解吸塔填料高度: 圆整实际填料层高度取为5m,依据阶梯环塔填料的分段要求 Z/D=515h二1 m故，可以不进行分段。 5.3.3总高度的计算 塔上部空间高度，可取为1.2m,塔底液相停留时间按 3min考虑，塔液高 度 塔板到塔液高度取0.7m,则塔釜所占高度为： h=5+1.2+3.2+0.7+2.5=12.6m 5.4流体力学参数的计算 5.4.1解吸塔的压力降 50mm，则气体的进出口 Pa 1）气体进出口压力降.取气体进出口接管内径为 液速近似为37m/s，则进口压力降为： 出口压力降为: 2）填料层压力降 气体通过填料层的压力降采用 Eckert关联图

17、计算，其中实 际操作气速为： m/s 查Eckert关联图得每M填料的压力降为200Pa,所以填料层的压 .一I Pa 3）其他塔内件的压力降 其他塔内件的压力降r较小，在此可以忽略。于 是得吸收塔的总压力降为： JPa 5.4.2气体动能因子 1/2 kg /s?m 1/2 解吸塔内气体动能因子为： 一= 气体动能因子在常用的范围内。 5.4.3解军吸因子 解吸塔内气体解吸因子为: (5-1) 由公式5-1）可得: 在解吸因子适宜的范围内。 从以上的各项指标分析，该解吸塔的设计合理，可以满足解吸操作的工艺要 求。 5.5设计结果 5.5.1设计结果一览表 表5-1设计结果一览表 项目 吸收塔

18、 解吸塔 操作气速u,m/s 1.9676 0.8988 泛点气速3 , m/s 3.282 1.1997 喷淋密度U, 1 = 1 17.24 68.96 塔径D, m 0.60 0.3 高度h,m 13.34 12.6 塔压降凶亿pa/m 500 200 填料规格及名称 聚丙烯阶梯环38 XI9 X1) 聚丙烯阶梯环 Nog-气相总传质单元数 P操作压力,Pa P-压力降,Pa uf-泛点气速，m/s u空塔气速，m/s U液体喷淋密度m3/(m2.h x-液相摩尔分数 y-气相摩尔分数 Z-填料层高度m X液相摩尔比 丫气相摩尔比 6.2 希腊字母： B -充气系数 (T -表面张力N/m -开孔率或孔流系数 -填料因子 6.3 参考文献 P -密度 kg/m3 孔隙率 卩-黏度mpa.s W