化工原理课程设计清水吸收废气中的氟化氢

1、化工原理课程设计-清水吸收废气中的氟化氢 前 言为进行传质过程所选用的设备有多种类型其共同的要求首先是要提供应传质的两相或者多相一良好的接触时机包括增大相界面面积和增大湍动程度并要求两界在接触前尽可能完全的别离其中还要求结构简单紧凑操作便利稳定运转周期长能量消耗小等总之希望能以最小的代价保证传质任务的完成气液传质设备形式多式多样其中用的最多的是塔设备根据塔内气液接触部件的形式可以分为填料塔和板式塔板式塔属于逐级接触逆流操作填料塔属于连续接触操作塔设备广泛应用在炼油化工石油化工等生产中塔设备的评价指标主要有以下几个方面1生产能力大即单位时间单位面积的处理量大2别离效率高对板式塔是指每层塔板的别离

2、程度大对填料塔是指单位高度填料层所到达的别离程度3操作弹性大即最大气速负荷与最小气速负荷之比大说明气速负荷波动较大时也能维持正常工作4气体阻力小即气体通过每层塔板或单位高度填料层的压降小5塔的结构简单造价低廉安装容易维修方便运行可靠 塔型的合理选择是做好塔设备设计的首要环节选择时应考虑物料的性质操作的条件塔设备的性能以及塔设备的制造安装运转和维修等方面的因素目 录一 绪论 4 1设计方案简介 4 2填料塔的概述 5 3填料的类型 6 4填料的几何特性 7 5填料的性能评价 7二 根底物性参数 8 1气液相平衡数据 8 2物料衡算 8 3物性参数10三 填料塔工艺尺寸的计算及校核11 1塔径的计

3、算及校核11 2填料高度的计算14四 填料塔塔结构设计17 1接管17 2圆筒壁厚18 3封头18 4法兰185裙座206手孔检查孔20五 辅助设备的选取21 1风机21 2除沫器22 3液体分布器23 4液体再分布器24 5填料支承板25 6填料压紧装置25六 设计结果总汇26设计评述 27主要参考文献 28一绪 论1设计任务及方案简介磷酸工业中会产生大量的含氟废气其主要是HFHF有剧毒且有强腐蚀性如果直接排放会造成严重的环境污染由于HF极易溶于水工业上通常用水左吸收剂吸收含氟废气中的HF然后再将其加工成氟化钠货冰晶石等有价值的氟化工业品本设计是以清水吸收废气中的氟化氢进气中氟化氢的体积分率

4、为2混合气处理量为2400m3h操作条件为40操作压力为常压设计要求氟化氢的吸收率为995常压 P 1013kpa 下操作塔内压降小于10 kpa由任务的吸收要求选择吸收为单塔逆流操作考虑氟化氢溶于水生成酸性溶液对塔设备有很强的腐蚀性而且操作压降较低应选用填料塔吸收为宜同时由于鲍尔环环壁开孔大大提高了环内空间及环内外表的利用率气流阻力小液体分布均匀与拉西环相比气体通量可增加50以上传质效率提高30左右鲍尔环是一种应用较广的填料而且塑料鲍尔环填料价格廉价效率高故初步选用塑料鲍尔环填料参数对操作的影响常用数值填料尺寸 一般填料尺寸越小传值效率越高但压力降越大为防止液体向壁流的倾向填料尺寸d与塔径D

5、的比应小于一定值一般取填料尺寸对塔径的推荐值塔径m填料尺寸mm 03031 1 2525505080本设计选取塑料鲍尔环直径d 25mm查2 表11-4 常用散装填料的特性数据 得 塑料鲍尔环 25 填料名称 规格mm 比外表积 am-1 填料因子 m-1 鲍尔环 25 209 170 表1 填料参数综上所述本设计的方案为清水作吸收剂采用塑料鲍尔环填料塔单塔逆流操作吸收空气中的氟化氢气2填料塔的概述填料塔是以塔内装有一定高度的填料层为相间接触构件的气液传质设备液体从塔顶参加经液体再分布器喷淋到填料上液体在填料外表形成液膜向下流动气体自下而上与液体呈连续接触由于填料塔的特定结构和由之决定的气液两

6、相膜式接触传质使之具有以下特点1生产能力大2别离效率较高3压降低4持液量小5操作液气比和弹性较大填料塔也有一些缺乏之处如填料造价高当液体负荷较小时不能较好润湿填料塔外表是传质效率降低不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料对侧线出料和进料的不太适合等填料塔由塔体和内件构成塔体一般多为圆筒型少数亦可方型塔内件中核心组成局部是塔填料分散堆型和规整型此外为固定填料层设有填料支撑板和填料压板为使液体均匀分布在填料层顶部设有液体初始分布器为减少液体的壁流现象常将填料层分段放置在两段填料层之间这有液体收集再分布器在液体初始分布器上方装有除雾沫器对大直径填料塔气体入填料层前需经气体分布器还设有各种气液进出口视孔

7、及人孔等部件3填料的类型填料是填料塔中的传质件填料的类型两大类拉西环矩鞍填料鲍尔环对填料的根本要求有传质效率高要求填料能提供大的气液接触面即要求具有大的比外表积并要求填料外表易于被液体润湿只有润湿的外表才是气液接触外表生产能力大气体压力降小因此要求填料层的空隙率大不移引起偏流和沟流经久耐用具有良好的耐腐蚀性较高的机械强度和必要的耐热性取材容易价格廉价 散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体一般以随机的方式堆积在塔内又称为乱堆填料或颗粒填料散装填料根据结构特点不同又可分为环形填料鞍形填料环鞍形填料及球形填料等4 填料的几何特性填料的几何特性是评价填料性能的根本参数填料几何特性数据主要包括

8、比外表积空隙率填料因子等比外表积单位体积填料的填料外表积称为比外表积以表示其单位为m2m3填料的比外表积愈大所提供的气液传质面积愈大因此比外表积是评价填料性能优劣的一个重要指标2空隙率单位体积填料中的空隙体积称为空隙率以 表示其单位为m3m3或以表示填料的空隙率越大气体通过的能力越大且压降低因此空隙率是评价填料性能优劣的又一重要指标3填料因子填料的比外表积与空隙率三次方的比值即称为填料因子以表示其单位为填料因子分为干填料因子与湿填料因子填料未被液体润湿时的称为干填料因子它反映填料的几何特性填料被液体润湿后填料外表覆盖了一层液膜和均发生相应的变化此时的称为湿填料因子它表示填料的流体力学性能值越小

9、说明流动阻力越小5 填料的性能评价填料性能的优劣通常根据效率通量及压降三要素衡量在相同的操作条件下填料的比外表积越大气液分布越均匀外表的润湿性能越好那么传质效率越高填料的空隙率越大结构越开敞那么通量越大压降亦越低丝网波纹填料综合性能最好拉西环最差二根底物性参数1汽液相平衡数据查2 附录二氟化氢在水中的溶解度得40时氟化氢在在水中的溶解度数据x00452 00909 0137101837 02308 0278403750 y10-41776 4551 8011 13813 23022 34994 89590相平衡曲线如图1所示由图1查得 当yb 2时 xb 0466 xb 0466 图1 40时

10、氟化氢在水中溶解度曲线2物料衡算 xa 0 yb 2 ya 10×10-4 xb 0466那么 操作气液比 427 又 427解得xb 00058 xb 00058 G 9345 kmolh L ×G 427×9345 39907 kmolh L 39907 kmolh 所以操作线方程为y 427x00001所做操作线如图2 所示图2 操作线方程3 物性参数1由能量恒算得操作温度C HF 1463 KJKgK 1017 KJKgK C H2O 4174KJKgKm HF C HF m air ×323-T m H2O C H2OT-313即 XHF 00

11、2×2001002×2001098×29 0013886 1- XHF 0986114 0013886×2693229×71912×4174× T-313 解得 T 31400K T 4100 2气相气体平均摩尔质量MG 002×2001098×29 2802kgkmol MG 2802kgkmol3混合气体密度4100时 G P×MGRT 1013×28028314×31408 11219 kgkmol G 11219 kgkmol4气液质量流率P 1013kpaT 410

12、0由1附录五得 9922 kgm3液体的质量流率m L 1802×39907 71912kgh m L 71912kgh气体的质量流率m G MGG 2802×9345 2693229 kgh m G 2693229 kgh5黏度 由1附录五 知4100时 6气体扩散系数由2表82 知DG DG 03447 cm2s 03447 cm2s三 填料塔工艺尺寸的计算及校核1塔径的计算及校核1泛点气速uF确实定因为溶液中氟化氢的浓度很低故取液体的密度近似为水的密度FP 00899由2中图11-27 埃克特泛点和压降的通用关联图查得YF 0148YF 那么uF 296 ms 2塔径

13、的计算假定液泛分率为08那么u 08uF 08×296 2368ms校正后气体的体积流量为VSVS 0767 m3s所需塔径 D 064 m D 07m将D 圆整取07 m即D 07m塔截面积A D24 0384654m2 A 038465m23泛点率校核u 1986 ms u 1986 ms 067在05 到09 之间符合条件4塔径校核Dd 70025 288满足鲍尔环的径比要求5喷淋密度校核喷淋密度 LV 1881 m2s LV 1881 m2s又 D 75mm 时LVmin 008at 1672LV LVmin 经校正 D 07m 合理由恩田公式得aw a t单位体积填料层的有

14、效传质面积及填料的外表积m-1 L c液体的外表张力及填料材质的临界外表张力mNm-1由1中附表得 c 40 mNmL 696mNm液体的空塔质量流速L 51932 kg m2s L 0656mpa·sa 209 m-1填料湿润外表积aw aw 9023m-1 9023m-16流动阻力校核FP 00899Y 0071由2中图11-27 埃克特泛点和压降的通用关联图由内插法得PZ 850 Pam 1000 Pam PZ 850 Pam2填料高度的计算1气相总传质单元数 NOG的计算由于操作温度较低故不可将平衡数据按直线处理应采用图解积分法求取NOG作平衡线和操作线如下列图求出作出对y的

15、曲线如下列图所示图解积分得NOG 5295 NOG 52952气相总传质单元高度HOG的计算由参考文献3知恩田关联式气膜传质系数C 关联系数尺寸小于15mm的填料取20其它尺寸取523WG气相质量流率kg m2s G气相黏度Pa·sDG气体扩散系数m2sadp填料结构特性的形状系数又 C 523WG 1945 kg m2s G 1898×10-5 Pa sDG 03447 cm2sG 11219 kgkmol 297×10-5 kmols·kpaKy kGawP 297×10-5×9023×1013 02711 k y 02

16、711 kmols·mHOG 02489m HOG 02489mho HOGNOG 02489×5295 13179m ho 13179m设计填料层高度z 13h 1713m取z 18m 填料堆高z 18m四填料塔塔结构设计1接管1气体流速及管径计算空气体积流量V 0767m3s查1表1-4知低压气体的经济流速为820ms取u 18msd 233mm查6下册选用钢制无缝管件D 250mm 4mm D× 250×4那么实际管内径为d 242mmu 1668ms18ms 实际流速u 1668ms2液体流速及管径计算液相体积流量L 201×10-3m

17、3s查1表1-4水流经济速度为053ms取u 26ms d 3138mm查6附表选热轧无缝钢管D 32mm 3mm 液体管道 D× 32实际内径为d 26mmm u 228ms2 圆筒壁厚DN 700mm选取材料 筒体DN 700mm选用16MnR内层聚乙烯防腐最高温度时设备的操作压力 由于氟化氢强腐蚀性所以计算压力取操作压力的15倍得 08 腐蚀余量取 2 壁厚圆整取余后取 3封头 查3JBT 4737-95椭圆形封头与圆筒厚度相等即3mm 封头椭圆封头 3mmDN 700mmDN 800mm公称直径DNmm曲面高度h1mm直边高度h2mm厚度mm内外表积Am3容积Vm3 7001

18、75403061700603 4 法兰1压力容器法兰甲型查6附录14 甲型平焊法兰乙型平焊法兰尺寸系列 法兰-RF 700-3 JBT 4701-2000法兰mm螺柱DNDD1D3d规格数量7008307907453623M20242管法兰查6附录15-10 PN 06MPa板式平焊钢制管法兰公称直径DN管子外径A1法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n螺纹Th·法兰厚度C法兰内径B1323812090144M1216336576160130144M121678200219320280188M16222222502733753351812M16242765裙座 裙座是最

19、常见的塔设备支承结构按所支承设备的高度与直径比裙座可分为两种一种是圆筒形一种是圆锥形由于圆筒形裙座制造方便且节省材料所以被广泛采用对与承受较大的风载荷和地震载荷的塔需要配置较多的地脚螺栓和承受面积的根底环那么采用圆锥形裙座支承结构 本设计采用圆筒形裙座支承结构6手孔检查孔 手孔即缩小的人孔其安设是为了安装拆卸清洗和检修设备内部装置手孔与人孔的结构根本相同由一个短筒节盖上一块盲板构成手孔直径一般为150250mm应使工人戴上手套并握住工具的手能方便地通过标准化手孔的公称直径有DN150DN250两种当设备直径超过900mm时应开设人孔手孔的公称直径DN150 手孔 DN150流程示意图如下图6

20、吸收流程示意图进管为热轧无缝钢管查1表1-1知外表粗糙度 0102mm取 02mm那么d 02265 0000751截面1-1 至截面2-2 的沿程损失估取管长为10m41时 Re 6880×105查1 图1-27得 00182 00182 11737 pa2由于温度不变截面2-2至截面3-3的沿程损失3气体动压头4填料因子损失 Pa 动压头 15607Pa5填料吸收塔内压差 综上全程所需总压为 标定风压 因风压在13KPa之间应选用中压离心风机查1附录十八 8-189-27离心通风机综合特性曲线图 风机型号 应选择型号为8-18-101No4 的风机 8-18-101No42除沫器

21、丝网除雾沫器用于捕集除填料层气流中夹带的液滴和雾沫以保证分离效率降低有价值物料的损失和改善塔后压缩机的操作一般在塔顶部液体入塔初始分布器的上方设置一定形式的丝网除雾沫器 本设计采用清水吸收氟化氢液体为酸性易起泡沫需要安装除沫器以滤除悬浮于气流中的液沫气速除沫器直径D 查6 根据要求需要应选用HG5-1404-81-6上装式丝网除沫器公称直径DN 600mm 除沫器D 600mmH 100mm H 100mm3液体分布器填料塔的传质过程要求塔内任一截面上气液两相能均匀分布从而实现密切接触高效传质其中液体初始分布器的均布液体性能直接关系填料塔的别离效率理想的液体分布器应具备以下条件具有与塔填料相匹

22、配的分液点密度和均匀的分布质量并保证液体分布均匀操作弹性大适应性好为气体提供最大的自由截面率实现气体均布而且阻力小抗污性能好不易堵塞不易产生雾沫夹带和发泡结构合理便于安装调整和维护尽量紧凑少占空间 且多功能化本设计由于塔径d 07m 12m且液料不含沉淀或其他它悬浮颗粒因此选用多孔盘管式喷淋器比拟适宜流体系数取082085推动力液柱高度H可取012021m以上本设计选用H 015m小孔流速小孔输液能力小孔总面积 小孔直径d可取410mm取6mm 环管多孔式喷淋器孔数 取n 60 d 6mm喷射圆周半径 n 60喷射角可选范围 选用 r 027m喷洒中心到填料外表距离 h 083450m4液体再

23、分布器液体沿填料层向下流动时有偏向塔壁流动的现象这种现象称为壁流当填料层比拟高时液流有流向塔壁造成壁流的倾向使液体分布不均甚至塔中心处的填料长不能被湿润引起干吹现象降低了填料塔的效率为消除此现象故将填料分段填装层间设置液体再分配器以便在整个高度内的填料都得到均匀喷淋本设计由于填料高度塔径hD 故无需再分布器5填料支承板填料支承板的作用是支承填料床层填料支承板一方面应具有足够的强度和刚性能承受住填料层持液量以及操作中附加的作用力另一方面应具有大于填料层孔隙率的开孔率以防止在此首先发生液泛为此在结构上应利于汽液两相流体的均布阻力宜小易拆装因此设计合理的支承结构是非常重要的常用的结构多为栅板式和梁式

24、两大类其中梁型支承板是目前性能最优的大塔支承板使用塔径最大达12m 本设计由于填料环外径为25mm塔径为700mm选用栅板支承板 填料支承板栅板条间距选填料环外径的08倍即 栅板间距20mm6填料压紧装置填料压板是固定填料层防止在操作中发生窜动的固定装置用于螺钉固定在塔壁上对于金属或塑料填料因其质量较轻在流体压力差和冲击作用下填料层逐渐膨胀升高以致改变填料层的初始堆积状态这样当填料层不均匀膨胀后流体将主要流经阻力较小的区域因而沟流现象增加流体不均匀分布加剧于是降低了塔的效率有时顶层的填料还可能被气流带出塔外为此对陶瓷填料须安装填料压板对金属或塑料填料须安装床层限制板填料压板凭借自身重量到达限制填料活动的目的无须固定于塔壁床层限制版的重量较轻固定在塔壁上对填料层起限制作用安装时位置要准确在确保限位的情况下不应对填料层施加过大的附加载荷本设