水吸收氯化氢填料塔设计

1、化工原理大作业目录1、 填料塔主体设计方案的确定 31.1 装置流程的确定 31.2 吸收剂的选择 31.3 填料的选择 32、基础物性数据及物料衡算 42.1 基础物性数据 42.1.1液相物性数据 42.1.2气相物性数据 42.1.3气液相平衡数据2.1.4物料横算 52.2 填料塔工艺尺寸的计算 62.2.1塔径的计算 62.2.2填料层高度的计算及分段 72.2.3填料层压降计算：102.2.4液体分布装置 113、附属设备的选择与计算 123.1 填料支撑装置 123.2 填料压紧装置 123.3 吸收塔主要接管的尺寸计算 123.3.1液体进料接管 133.3.2气体进料接管 1

2、33.4 填料塔附属高度的计算 143.5 离心泵和风机的选择 144 设计一览表 154.1 基础物性数据和物料衡算结果汇总：154.2 填料塔工艺尺寸计算结果表：164.3 吸收塔设计一览表 17前言化工设计任务书设计全套分离设备，以满足以下要求：利用水吸收废气中的HCl气体，制备稀盐酸。温度为45c的HCl的废气中的HCl的含量为1640.7mg/m3,吸收率高于95.37%,并且要求每年按运行10个月来计算，年产出2000吨4.0%以上的稀盐酸。要求：从化工专业网站上查询塔参数，设计全套设备，并做出经费预算。填料塔不但结构简单，且流体通过填料层的压降较小，易于用耐腐蚀材料制造，所以它特

3、别适用于处理量肖，有腐蚀性的物料及要求压降小的场合。液体自塔顶经液体分布器喷洒于填料顶部,并在填料的表面呈膜状流下，气体从塔底的气体口送入，流过填料的空隙，在填料层中与液体逆流接触进行传质。因气液两相组成沿塔高连续变化，所以填料塔属连续接触式的气液传质设备。1、填料塔主体设计方案的确定1.1装置流程的确定本次设计采用逆流操作：气相自塔低进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出，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。工业生产中多采用逆流操作。1.2吸收剂的选择因为用水做吸收剂，故采用纯溶剂。1.3填料的选择塔填料的选择包括确定填料的种类、规格及材

4、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/d1L综合考虑填料规格，种类和材质后，选用聚丙烯鲍尔环填料2、基础物性数据及物料衡算2.1 基础物性数据2.1.1液相物性数据对低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。由手册查得20C水的有关物性数据如下：2.黏度：1.005父10人一3Pas2二z=72.6dyn/cm=940896kg/h4. 20CHCl溶解度系数：H=0.199kmol/(m3kPa)5. 20CHCl:DL=2.8X10A-9m2/s6. 20CHCl:DV=1.56X1015m2/s2.1.2

5、气相物性数据1.混合气体的平均摩尔质量为M=0.001236.5(1-0.0012)29=29.009(kg/kmol)2 .混合气体的平均密度PM101.310329.009103=1.206kg/mRT8.3142933R=8.314mKPa/kmolK3.混合气体黏度可近似取为空气黏度。查手册得20七时，空气的黏度注：1N=1kgm/s21Pa=1N/m2=1kg/s2m1Pa.s=1kg/(m.s)2.1.3气液相平衡数据七=1.73M10pas=6228M103kg/m力由手册查得，101.3kPa,20c时，HCl在水中的亨利系数为E=279kpa20c时，HCl在水中的溶解度：H

6、=0.199kmol/(m3*kPa)1.4=998.2kg/m33.表面张力为:998.2PHMSP0.19918.00101.3S溶解度系数：H=0.199kmol/(m3kpa)2.1.4物料横算1 .进塔气相摩尔比为1-0.00122 .出塔气相摩尔比为%=丫1(1一%)=0.001201(1-0.9537)=0.0000556对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为：X2=0(清水)3200010m0.04=11.11kg/h；103024)进气中HCl物质的量为：n=S.11*10=312.60mol/h0.093736.5进气的物质的量为：n气体=312.60=260.50kmol/h

7、0.0012n气体RT312.608.3142933)气体体积流重：Vs=-6300mp1010000.0012惰性气体流量：V=260.5(1-0.0012)=260.19kmol/h取实际液气比为最小液气比的2.5倍，则可得吸收剂用量为:LL=2.5(q)minV=2.624260.192.5=1706.83(kmol/h)YV(Y-丫2)X1一312.22(0.001201-0.0000556)2050.66相平衡常数：m=2.7510.0012=0.001201混合气体流量：1)每小时HCl的产量为:最小液气比:(-),、V/min丫1-丫2X1-X2丫1-丫2上-X2m0.00120

8、1-0.00005560.001201丁02.751=2.624=0.000174V单位时间内通过吸U塔的惰性气体量，kmol/s;L单位时间内通过吸收塔的溶解剂，kmol/s;YiY2分别为进塔及出塔气体中溶质组分的摩尔比，XiX2分别为进塔及出塔液体中溶质组分的摩尔比，2.2 填料塔工艺尺寸的计算2.2.1塔径的计算混合气体的密度飞=PM=101.310329.00910RT8.314293填料总比表面积：at=115m2/m3水的黏度为=1.00510-Pas采用贝恩-霍根泛点关联式计算泛点速度：koml/koml;koml/koml;3=1.206kg/m2UFat1gg；_11170

9、6.831811.2061=0.0942-1.75(-)4(-)863001.206998.2=-0.9773UFat702=0.1054g；3LUF0.10549.810.893998.21151.2061.0050.2=2.2893m/spF泛点气速，m/s；g重力加速度，9.81m/s2at填料总比表面积，m2m3填料层空隙率，m2m3pV,PL气相、7相密度，k/m3；液体粘度，mPas;取泛点率为0.85，即u=0.85UF=0.852.2893=1.9460m/sDVS1.0703m3.141.94603600D塔径，mV操作条件下混合气体的体积流量，m/s;u空塔气速，即按空塔截

10、面积计算的混合气体线速度，m/s.圆整后取D=1.2m（常用的标准塔径为400、500、600、700、800、1000、1200、1400、1600、2000、2200)泛点率校核:D1200填料规格校核：D=1=31.581015d38液体喷淋密度校核：取最小润湿速率为（LW）min=0.08m3/（mh）at=115m2/m3所以Umin=(LJmin%=0.08115=9.20m3府h)Lh20.785D21706.8318,998.20.7851.22经以上校核可知，填料塔直径选用D=1.2m合理。2.2.2填料层高度的计算及分段查表知，0=C,101.3kpa下，HCl在空气中的扩

11、散系数D=0.156cm2/s46300圆整后取D=1.2m630036000.7851.22=1.5481m/sUUF1.54812.2893=0.68（对于散装填料，具泛点率的经验值为U/UF=0.50.85）-27.23m3/(m2h)-Umin由DG=Do(p)(02,则293k,101.3kpa下，HCl在空气中的扩散系数为-3101.329332DG=0.156(-)()2=0.1734cm/s101.3273液相扩散系数DL=1.5010-m2/sY1=mX1=2.7510.000174=0.0004787Y2=mX2=01706.3气相总传质单元数为:1丫-丫2NOG=Ln(1

12、-S)-S1-SY2-丫210.001201-0=ln(1-0.4195)0.4195=4.41301-0.41950.0000556-0气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算:查表知，二c=33dyn/cm=427680kg/h2气膜吸收系数由下式计算:液体质量通量为UL气体质量通量为UV1706.8318-50.7851.22二27178.82kg/(m2h)63001.206_20.7851.22二6721.33kg/(m2h)2.751260.19=0.4195awC0.75/UL0.1二1-exp-1.45(-)(-)at-Lat“LULat、-0.052);LgUL2L；-La

13、t)0.2所以,包=1-exp-1.45(3严5at940896(27178.82)0.11153.6_2(27178.11父115产998.221.2710827178.822998.294089611502)=0.4772uUF=0.68-0.5,Ga=19.5(UFLa=12.6(UF-0.5)14a_0.5)2.2.LaGa=19.5(0.68-0.5)1.45.9792=11.1285kmol/(m3hkpa)La=12.6(0.68-0.5)2265.6900=68.6171*-113.贝UKGa=1=11=6.0565kmol/(mhkpa),GaH,La11.12850.199

14、65.6900HOG二KYaV=260.18KGaP6.0565101.30.7851.22=0.3752m由Z二HOGN0G=0.37524.4130=1.6558mZ=(1.21.5)Z6721.33070.06511151.56360010-=0.237()0(5)3()1150.0651.2061.5610536008.314293=0.0724kmol/(m2hkpa)液膜吸收系数由下式计算:2U二L=0.0095(L)3awL27178.82x3,3.6)3(0.47721153.6998.22.80103600=1.0317查表得：=1.45-Ga=Gaw1.1=0.07240.

15、47721151.451.1=5.9792kmol/(m3hkpa)，La=，Law-0.4=1.03170.47721151.450.4=65.69001h,G0.237(UV)0.7(V1)3(atDVRT181-23.61.27102()3998.2=0.0095(设计取填料层高度取3m查表：对于鲍尔环填料，-=5-10,hmax6m，所以填料层不用分段。D（）0.5=0.140663001.206998.2查表得：1P=114m，横坐标为：(-V)0.5V：L2.2.3填料层压降计算:u/p-：V,021.548121141.451.20602纵坐标为：01.0050=0.04884g

16、：L9.81998.2查图得，占=392.4pa/m填料层压降为：.：P=392.41.6558pa=0.650kpa2.2.4液体分布装置液体的分布装置性能对填料塔效率影响很大,特别是大直径、低填料层的填料塔，尤其需要性能良好的液体分布装置。本设计选用槽式液体分布器。开孔数目的计算：取H=140mm中=0.55d0=8mmLVM水/R1706.83X18/(3600X998.2)n=186.5：1870.785d；、2gH0.7850.00820.55.29.810.14注：因为填料层高度为3m少于6m,所以可以不用设计再分液器。3、附属设备的选择与计算3.1填料支撑装置填料支承结构用于支承

17、塔内填料及其所持有的气体和液体的重量之装置。对填料的基本要求是：有足够的强度以支承填料的重量；提供足够的自由截面以使气液两相流体顺利通过，防止在此产生液泛；有利于液体的再分布；耐腐蚀，易制造，易装卸等。对于散装填料，通常选用孔管型、驼峰型支撑装置。本设计选用孔管型支撑装置。本设计塔径D=1200mm采用结构简单、自由截面较大、金属耗用量较小，由竖扁钢制成的栅板作为支承板，将其分成三块，栅板条之间的距离约为26.6mm且需要将其搁置在焊接于塔壁的支持圈或支持块上，分块式栅板，每块宽度为316mm以便从人孔进行装卸。3.2填料压紧装置填料上方安装压紧装置可防止在气流的作用下填料床层发生松动和跳动。

18、填料压紧装置分为填料压板和床层限制板两大类，每类又有不同的型式，填料压板自由放置于填料层上端，靠自身重量将填料压紧。它适用于陶瓷、石墨等制成的易发生破碎的散装填料。床层限制板用于金属、塑料等制成的不易发生破碎的散装填料及所有规整填料。床层限制板要固定在塔壁上，为不影响液体分布器的安装和使用，不能采用连续的塔圈固定，对于小塔可用螺钉固定于塔壁，而大塔则用支耳固定。本设计中填料塔在填料装填后于其上方安装了填料压紧栅板。3.3 吸收塔主要接管的尺寸计算气体出口装置既要保证气流畅通，又要尽量除去被夹带的液沫。最简单的装置是在气体出口处装一除沫挡板，或填料式、丝网式除雾器，对除沫要求高时可采用旋流板除雾

19、器。由于本设计对排放的净化气体中的液相夹带要求不严，可不设除液沫装置。常压塔气体进出口管气速可取1030m/s（高压塔气速低于此值）；液体进出口管气速可取0.81.5m/s（必要时可加大些）。管径依所选气速决定后，应按标准管规格进行圆整，并规定其厚度。3.3.1液体进料接管进料管的结构类型很多，有直管进料管、弯管进料管、T型进料管。本设计采用直管进料管，管径计算如下液体流速取u=1.5m/s8.2843.3.2气体进料接管气体流速取u气=20m/s管选用=360mmx10mm的无缝钢管，内径为340mm范围内。设计位于塔底的进气管时，主要考虑两个要求：压力降要小和气体分布要均匀。由于填料层压力

20、降较大，减弱了压力波动的影响，从而建立了较好的气体分布；同时，本装置由于直径较大，可采用简单的进气分布装置。由于对排放的净化气体中的液相夹带要求不严，可不设除液沫装置。WL1706.8318998.2=30.78m3/h设计液体进出口管内径:d1qL30.783.1436001.5=0.0854m管选用巾=110mmx5mm的无缝钢管,内径为100mm管内实际流速：u=乌3600d2420.7850.052=1.09m/s,在符合范围内。设计取气体进出管内径d2qG6300/36000.3334mi4u气0.78520.0则实际通过气体接管的气速为：u气qG6300/360024d20.785

21、0.3332=20.10m/s,在符合按标准管规格进行圆整后得，气体进口出管直径D=100,厚度为7mm液体进出管直径D2=640m厚度为4mm3.4 填料塔附属高度的计算塔的附属高度主要包括塔的上部空间高度，安装液体分布器所需的空间高度，塔的底部空间高度等。塔的上部空间高度是为使随气流携带的液滴能够从气相中分离出来而留取的高度1.2m。设塔定液相停留时间为1min,则塔釜液所占空间高度为60WL-60630018603600998.2二2-D24_20.7851.2=1.67考虑到气相接管的空间高度，底部空间高度取为1.5米，那么塔的附属空间高度可以取为3.17。吸收塔的总高度为H=2.17

22、+3+1.2=6.37m3.5 离心泵和风机的选择吸收塔的压力降AP=AR+AP2+Ag1c1c气体进口压强为（突然扩大己=1）:AP1=2XPu2=-x1.206x20.102=243.61Pa22气体出口压强为（突然缩小己=0.5）妒2=0.5X1Xpu2=0.5X1X1.206X20.012=121.81Pa22填料层压力降：P3=650Pa吸收塔的压力降AP=P+AP2+P3=243.61+121.81+650=1015.42PaRedu:0.11.55998.2一1005105=153951.2无缝钢管的绝对粗糙w=0.2/mm度，相对粗糙度%=。.%0=0.004查表得摩擦系数=0

23、.03泵入口管长：0.2m喷头前管长0.5m全程有1个标准截止阀（全开） ： 己=6.4三个90度弯头：W=0.75带滤水器的底阀（全开）：2吸入管伸进水里l=0.3m出口突然扩大=1.0进口突然缩小0=0.5=6.410.75321.00.5=12.15管路总压头损失flkQu2/ccc0.3+0.2+5.71.552Hf=九一十七i=0.03x+12.15M、dJ2gi0.122M9.81=1.50JKgP101542扬程：Hg-ZHf=3.1.50=4.60mg用998.29.81经查化工原理教材附表十五得，选用离心泵型号IS100-80-125的泵适合功率/kwq必需汽蚀余量转速流量吊

24、/h扬程H/m效率4/%轴功电功率（NPSH）r/m（r/min）306640.7712.51450选用风机型号为：C4-72机号3.6C转速(r/min)流量（m3/h）全压/Pa功率/kW280029905450931156834设计一览表4.1基础物性数据和物料衡算结果汇总:项目符号数值与同单位吸收剂（水）的密度PL998.2(kg/m3)溶剂的粘度LL上1.005父10(Pa.S)溶剂表面张力6L940896(kg/h2)盐酸在水中扩散系数DL2.8x10(m2/s)混合气体的平均摩尔质量MG29.009(kg/kmol).混合气体的平均密度PG1.206kg/m3流量Q=WL：L1706.8318998.23,=30.78m/h盐酸在空气中扩散系数D1.56x10/(m2/s)亨利系数E279KPa;气液相平衡常数m2.751溶解度系数H0.199kmol/(m3.KPa);盐酸进塔摩尔比Y10.001201盐酸出塔摩尔比Y20.0000556惰性气体摩尔流量G260.17kmol/h;吸收剂摩尔流量L1706.83kmol/h液相进口摩尔比X20液相出口摩尔比X0.0001744.2 填料塔工艺尺寸计算结果表:项目符号数值与同单位气相质里濡里W7597.8kg/h液相质量流量WL30722.94kg/h塔径D1200mm空塔气速