氯化氢吸收制备盐酸-化工原理大作业

哈工大化工学院化工原理大业

哈工大化工学院目录一、任务及操作条件.-1.1设题目：....................................................................................................................-1.2工操作条件：-1二、设计条件及主要物性参数-2.1设条件：....................................................................................................................--2三、设计方案的确定.--3-3-3-4-4-4-53.5.1填料种类的选择………-5-3.5.3料材质的选择-四、填料塔工艺尺寸的计算.--8-8-9-9-9-9-

F

-10------4.3.7位填料程压降（

Z

）的校核--H

计算..................................................................................................................-K

L

错误未义签H

-16-OL

OL哈工大化工学院OL计算-16----五、填料吸收塔的附属设备------六、辅助设备的选型.-21---工艺设计计算结果汇总与主要符号说明........................................................................-23-⒉塔设备计算总表.⒊填料计算总表.-24-参考文献…………………经费预算……………设计心得………………………

哈工大化工学院一、任务操作条件1.1设计题目：设计全套分离设备，以满足以下要求：利用水吸收废气中气体，制备稀盐酸。温度为45℃的HCl气中HCl含量为1640.7mg/m3收率高于95.37%且要求每年按运行个月来计算，年产出2000吨4.0%（质量分率）以上的稀盐酸。要求从化工方面的专业网站上查询适当的塔参数设计全套设备并做出经费预算。希望细致完成计划书。1.2工艺操作条件（2）操作温度为（3）逆流操作--

哈工大化工学院二、设计件及主要物参数2.1设计条件：（1）生产能力:稀盐酸生产L（2）原料:

mix

/以氯化氢—空气二元体系，进料混合气体含氯化氢的含量为1640.7mg/m3。（3）处理要求:氯化氢的回收率高于，该设计中去96%。（4）（5）操作温度：（1）空气的分子量：；氯化氢的分子量：36.5；水的分子量：（2）293℃（3）在1atm时，水的凝固点（f.p.）为0℃，沸点（b.p.）为100℃。--

哈工大化工学院三、设计案的确定常用的吸收装置流程主要有逆流操作、并流操作、吸收及部分再循环操作、多塔串联操作、串联—并联操作，根据设计任务、工艺特点，结合各种流程的优缺点采用常规逆流操作的流程质平均推动力大传质速率快分离效率高，吸收及利用率高。本设计要求的是选用填料吸收塔料塔是气液呈连续性接触的气液传质设备它的结构和安装比板式塔简单它的底部有支撑板用来支撑填料并允许气液通过撑板上的填料有整或乱堆两种方式料层的上方有液体分布装置，从而使液体均匀喷洒在填料层上。图1.1常逆流操作流程图-3

哈工大化工学院吸收装置的流程布置是指气体和液体进出吸收塔的流向安排设计采用的是逆流操作即气相自塔底进入由塔顶排出液相流向与之相反自塔顶进入由塔底排出。逆流操作时平均推动力大，吸收剂利用率高，分离程度高，完成一定分离任务所需传质面积小，工业上多采用逆流操作。吸收剂性能的优劣是决定吸收操作效果的关键之一，吸收剂的选择应考虑以下几方面：(1)溶解度:吸收剂对溶质的溶解度要大，以提高吸收速率并减少吸收剂的用量。(2)选择性:吸收剂对溶质组分有良好的溶解能力，对其他组分不吸收或甚微。(3)挥发度：操作温度下吸收剂的蒸汽压要低，以减少吸收和再生过程中的挥发损失。(4)粘度:速率。

吸收剂在操作温度下粘度要低流动性要好以提高传质和传热(5)其他：选用的吸收剂尽量要无毒性无腐蚀性易爆易燃不发泡、冰点低、廉价易得及化学性质稳定一般来说任何一种吸收剂都难以满足以上所有要求选用是要针对具体情况和主要因素既考虑工艺要求又兼顾到经济合理性综上因素的考虑本次设计任务选用清水做吸收剂。(1)温度：低温利于吸收，但温度的底限应由吸收系统决定，本计温度选20(2)压力：加压利于吸收，但压力升高操作费用、能耗增加，需合考虑，本设计采用常压。--

哈工大化工学院填料种类的选择要考虑分离工艺的要求,还要确保有较高的传质效率.此之外,应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料这样可以使通量增大塔的处理能力也增大.通常考虑以下几个方面①传质效率传质效率即分离效率它有两种表示方法一是以理论级进行计算的表示方法以每个理论级当量的填料层高度表示即HETP值另一是以传质速率进行计算的表示方法每个传质单元相当的填料层高度表示值。在满足工艺要求的前提下，应选用传质效率高，HETP(或HTU)低的填料。对于常用的工业填料，其HETP(或HTU)值可由有关手册或文献中查到，也可通过一些经验公式来估算。②通量，在相同的液体负荷下，填料的泛点气速愈高或气相动能因子愈大，则通量愈大，塔的处理能力亦越大。因此，在选择填料种类时，在保证具有较高传质效率的前提下应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料对于大多数常用填料其泛点气速或气相动能因子可由有关手册或文献中查到也可通过一些经验公式来估算。③填料层的压降料层的压降是填料的主要应用性能层的压降愈低，动力消耗越低作费用愈小择低压降的填料对热敏性物系的分离尤为重要。比较填料的压降有两种方法，一是比较填料层单位高度的压降P/Z；另一是比较填料层单位传质效率的比压降。填料层的压降可用经验公式计算，亦可从有关图表中查出。④填料的操作性能填料的操作性能主要指操作弹性抗污堵性及抗热敏性等所选填料应具有较大的操作弹性以保证塔内气液负荷发生波动时维持操作稳定。同时，还应具有一定的抗污堵、抗热敏能力，以适应物料的变化及塔内温度的变化。此外，所选的填料要便于安装、拆卸和检修。-5

哈工大化工学院填料按规格规格通常分为散装填料与规整填料：①散装填料规格的选择散装填料的规格通常是指填料的公称直径。工业塔常用的散装填料主要有DN16DN25、DN38、DN50、DN76等几种规格。（一般推荐时，选25mm的填料D900时选25—38mm的填料;900mm时，选用mm的填料一般大塔中常50mm的填料整填料规格的选择工业上常用规整填料习惯用比表面积表示，主要125150250350等几种规格。填料材质选择工业上，填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。①陶瓷填料陶瓷填料具有良好的耐腐蚀性及耐热性一般能耐除氢氟酸以外的常见的各种无机酸有机酸的腐蚀对强碱介质可以选用耐碱配方制造的耐碱陶瓷填料。陶瓷填料因其质脆、易碎，不宜在高冲击强度下使用。陶瓷填料价格便宜，具有很好的表面润湿性能，工业上，主要用于气体吸收、气体洗涤、液体萃取等过程。②金属填料金属填料可用多种材质制成金属材质的选择主要根据物系的腐蚀性和金属材质的耐腐蚀性来综合考虑碳钢填料造价低且具有良好的表面润湿性能于无腐蚀或低腐蚀性物系应优先考虑使用锈钢填料耐腐蚀性强，一般能耐除Cl-以外常见物系的腐蚀，但其造价较高；钛材、特种合金钢等材质制成的填料造价极高一般只在某些腐蚀性极强的物系下使用金属填料可制成薄壁结构(，与同种类型、同种规格的陶瓷、塑料填料相比，它的通量大、气体阻力小，且具有很高的抗冲击性能，能在高温、高压、高冲击强度下使用，工业应用主要以金属填料为主。③塑料填料：塑料填料的材质主要包括聚丙烯、聚乙烯PE)及聚氯乙烯等，国内一般多采用聚丙烯材质。塑料填料的耐腐蚀性能较好，可耐一般的无机酸、碱和有机溶剂的腐蚀。其耐温性良好，可长期100℃以下使用。聚丙烯填料在低温(低于0℃时具有冷脆性，在低于0℃的条件下使用要慎重，可选用耐低温性能好的聚氯乙烯填料。塑料填料具有质轻。价廉、耐冲击、不易破--

哈工大化工学院碎等优点，多用于吸收、解吸、萃取、除尘等装置中。塑料填料的缺点是表面润湿性能差在某些特殊应用场合需要对其表面进行处理提高表面润湿性能。综合以上：本设计中选择塑料鲍尔环散装填料DN50。--

mix哈工大化工学院mix四、填料工艺尺寸的算如图所示，对于逆流操作的吸收塔，在任意截面与塔顶或塔底作物料衡算：GYLX或LXGYLX12吸收塔的逆流物料衡算示意图如下：GY

L,

2M

NGY

L,

1吸收塔的逆流物料衡算示意图本设计任务是年处理2000t稀盐酸，氯化氢含为以上，年生产时间个月，为设计计算所需，取氯化氢含量为8%所以：吸收液的质量流量L24277.8吸收剂水的流量：L18.02

kg/h14.6kmol/h液相中x1

M0.0836.5HCl0.04111稀-8

21哈工大化工学院21x0.041液相中，X=0.11进塔废气冷却到

O

C后其中HCl的含量为273451640.71780.69(m273201.进塔气相摩尔分率为

)y/1

HCl

0.0011进塔气相摩尔比Y1

y0.00111110.001112.出塔气相摩尔比为Y

查资料可知，在℃的时候混气密度

G

29273(Kg22.4293

)流量由物料衡算V()),所以混合气体中惰性气体的流量21L(X)14.6mol/)1混合气体的流量

mix

1664.3(/)11.00111出塔混合气量Vmix2

663.6663.6)kmolh)查阅资料得到℃氯化氢溶于水的亨利系数-9

E3Kpa

E0.279m

哈工大化工学院H

EM

s

0.2793

塔底气液负荷大，依塔底条件(混合气20℃，吸收液20℃计算D

G

F

F

——空塔液泛气速，；g——重力加速度2；-10-

VV哈工大化工学院VV

——填料因子（factor）,

2

m

3

；、——气、液相密度KgmL

3

；水，是水的密度Kg3；水L——液相与气相的质量通率s；LG

L

——液相粘度Pa废气的平均摩尔质量：M

m

yM0.0011ii进塔混合气密度

292731.206(Kgm22.4293

3

)混合气浓度低，可近似视为空气密度)混合气质量流WMmix

29.0119271.3()混合气体体积流G/

1.206

3

/)查化工原理附录吸收液密

L

998.2

吸收液质量流量WL吸收液的体积流V/277.8/mhLLL吸收液黏度

L

经比较，选D=50mm塑料鲍尔环米字筋)。查《化工原理》教材附录可知其主要性能参数有，填料因m，比表面＝．42/m。t-11-

1g哈工大化工学院1g1W227.8LG19271.3998.2由图查得纵坐标值为，即2F0.00373u20.25LFL故液泛气umsF的确定一般操作气速推荐范围为u0.8在此uF的计算

F

ms。

取塔径为u

415979.5

故满足要求。Dd50对于同类填料寸越小离效率越高阻力增加量减小料

费用也增加很多而大尺寸的填料应用于小直径塔中又会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率降低。因此，对塔径与填料尺寸的比值要有一规定，-12-

2100.5哈工大化工学院2100.5常料的塔与填公D/d的荐值下表塔径与填料公称直径的比值D/d的推荐值填料种类拉西环鞍环鲍尔环阶梯环环矩鞍

D/d的推荐值D/d≥20~30D/d≥15D/d≥10~15D/d>8D/d>8通过以上表的数据可知所选鲍尔环满足鲍尔环的径比要求。填料的最小润湿速率(MWR)

m

／(m•h)最小喷淋密度U

＝0.08×1064＝m3min

／(m•h)因U

4L0.28998.2L

3

m故满足最小喷淋密度要求。单位填料压降（

）的校在压降关联图中取横坐标值，将操作气速(u＝m/s)代替纵坐标中的查表，塑料鲍尔环(米筋)的压降填料因中．则纵标值为：

＝125代替纵坐标998.2

查资料得：/30300Pa/料，/z在145-490Pam料范围内，故满足要求。-13-

ABpVV哈工大化工学院ABpVV的确定计算填料层高度，即Z

YdYKYYYa

*H

计算H

KY

，其中KaG

11akGGL

，本设计采用（恩田式）计算填料润湿面积a作为传质面积a，依改进的恩田式分别计k及，wLG再合并kk。La列出备关联式中的物性数据气体性质(以塔底，101.3kPa空气计)：

G

1.206m

3

(前已算出)（气体密度）

G

0.018查化工原理附录)（气体黏度）

114.3T32MM13，Am，B

0.1672s依据Gilliland估算)(溶质在气相中的扩散系数)液体性质(以塔底水为准)：

L

998.2

L

D2.82(查化工原理附录)。L气体与液体的质量流速UGUL

4W19271.3L1.2236004W4G23600--

4.74Kg2Kg

tLLLt40106.40.068LtLLLt40106.40.068LLLLLLGtG塑料鲍尔环乱堆)特性：d＝50mm＝0．05m（塑料鲍尔环直径）

t

2（比表面积）

t

40dyncm40

N（料材质的临界表面张力）

L

72.6

Nm（水的表面张力）

（鲍尔环为开孔环）依式计算有效面a。w依式：Wexpt

tL

L

0.1

2LtgL

0.05

UL

0.2

代入上述数据得：Wtexp106.40.0637故t

w

m

；根据修正的关式：2液相传质系数0.0095LL

12

1L0.4代入上述数据得：0.0681.005

23

100.5

12

-5

12

0.4L

msk

L

W

6.8

0.001s

———k

L

为液相传质系数，

D

L

为溶质在液相中的扩散系数m2/s;U气相传质系数G

0.7

G

13tGRT代入上述数据得：-15-

G1.2060.1678.314293kmolG1.2060.1678.314293kmol0.237

0.7

10.018kkmolk

W

8.77

———k为气相传质系数1H1KkLGL代入数据得：11KL得K3.66LHOL

H

L

V664.3nnKK101

4.4m计算采用吸收因数法计算传质单元数：U吸收因子L0.005，则有mU2.754GN

11-其中：

YlnYY0.0011Y，

X

，

m2.754则：

H

4.414.21m根据设计经验，填料层的设计高度为，故取实际填料层高度取为-16-

哈工大化工学院14.5m。塔上部空间高度通过相关资料可取1.5m,塔底液相停留时间按考虑,则塔釜所占空间高度为Vs

LL

998.2

0.00008mh

4s2

考虑到气相接管所占的空间高,底部空间高度可取1m,所以塔的附属高度可以1.50.01m所以塔高16m液体沿填料层下流时，有逐渐向塔壁方向集中的趋势，形成壁流效应。壁流效应会造成填料层内气液分布本均匀使传质效率降低因此设计中每隔一定的填料层高度．需要设置液体收集再分布装置，即将填料层分段。对于散装填料，一般推荐的分段高度值见下表。填料类型拉西环矩鞍鲍尔环

H/D5-85-10

hmax≤4≤6≤6因为H/D=16/1.2=13.3,取h=4m,可将填料层分4段。max填料塔的顶部与底部均选用标准椭圆形封头。公称直径1200mm，曲面高度200mm,直边高40mm。--

哈工大化工学院五、填料收塔的附属备填料支承板主要分为两类：气液逆流通过平板型支承板，板上有筛孔或栅板式;气体喷射型，分为圆柱升气管式的气体喷射型支承板和梁式气体喷射型支承板。由于填料支承板本身对塔内气液的流动状态也会产生影响此除考虑其有足够的强度和刚度以支持填料及其所持液体的重量外应考虑其对流体流动的影响要保证有足够的开孔率以防在填料支承处发生夜泛现象在结构上应有利于气液相的均匀分布，同时不至于产生较大的阻力。本设计项目的塔径及液体负荷不大，可采用较简单的栅格行支承板。在填料顶部设置压板和床层限制板。有栅条式和丝网式。和再分布器选择和计算液体分布装置的种类多样，有喷头式、盘式、管式、槽式、及槽盘式等。工业应用以管式、槽式、及槽盘式为主。性能优良的液体分布器设计时必须满足以下几点：⑴液体分布均匀评价液体分布均匀的标准是足够的分布点密度分布点的几何均匀性；降液点间流量的均匀性。①分布点密度体分布器分布点密度的选取与填料类型及规格大小、操作条件等密切相关，各种文献推荐的值也相差较大。大致规律是：塔径越大，分布点密度越小；液体喷淋密度越小，分布点密度越大。对于散装填料，填料尺寸越大，分布点密度越小。②分布点的几何均匀性布点在塔截面上的几何均匀分布是较之分布点密--

哈工大化工学院度更为重要的问题。设计中，一般需通过反复计算和绘图排列，进行比较，选择较佳方案。分布点的排列可采用正方形、正三角形等不同方式。③降夜点间流量的均匀性为保证各分布点的流量均匀需要分布器总体的合理设计精细的制作和正确的安装高性能的液体分布器要求个分布点与平均流量的偏差小于6%。⑵操作弹性大，液体分布器的操作弹性是指液体的最大负荷与最小负荷之比。设计中，一般要求液体分布器的操作弹性为2～4，对于液体负荷变化很大的工艺过程，有时要求操作弹性达到10以上，此时，分布器必须特殊设计。⑶自由截面积大体分布器的自由截面积是指气体通道占塔截面积最小应在35%以上。⑷其他液体分布器应结构紧凑用空间小制造容易调整和维修方便。本设计中塔径较小，故此选用管式液体分布器。（1）气体进出口装置填料塔的气体进口既要防止液体倒灌，更要有利于气体的均匀分布。对500mm直径以下的小塔可使进气管伸到塔中心位置管端切成向下斜口或切成向下切口，使气流折转向上。对1.5m以下直径的塔，管的末端可制成下弯的锥形扩大器，或采用其它均布气流的装置。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器。除雾的结由mmmm的角钢组成板间横向距离为25mm垂直流过的气速可按下式计算

G式中u——气速s；

L

,

——液相及气相密度kg/m3；k——系数，；--

哈工大化工学院本设计中取，则流过的气u0.09

998.21.2061.206

2.588m所需除雾板组的横断面为

S

G0.671u

由上式确定的气速范围，除雾板的阻力49-98pa，此时能除去的最小雾滴直径约为0.06mm，即

。（2）排液装置液体出口装置既要使塔底液体顺利排出又能防止塔内与塔外气体串通常压吸收塔可采用液封装置。常压塔气体进出口管气速可取～20m/s高压塔气速低于此值）；液体进出口气速可取0.8～1.5m/s必要时可加大些）管径依气速决定后，应按标准管规定进行圆整。-20-

哈工大化工学院六、辅助备的选型对于液相，由于进塔为地下水，出塔为混合溶液，所以应以出塔为准，选择流速；对于气相，则属于常压操作。以此为据，选出相应流速：某些流体在管路中的常用流速范围流体的类别及情况水及低粘度流体1×105Pa～1×106Pa）常压气体

流速范围,m/s10～20进气为常压气体

取d

43600

m查资料按标准可选用为外径，内径：600-2×20=560㎜进水管与混合液出口管：清水（常压）取u=2.0m/s0.28L

/hd

40.282

0.007参照标准选用㎜为外径，内径：10-2×1.5=7mm由于管路采用标准管路因此实际操作情况下的流速不是选取的流速需要根据标准管径反算操作流速，进行校核。以液相为例：d

4L40.28

u

4L40.280.0072

m同理可得气相：此时流速

G415979.50.56

s流速较核合格。-21-

f22哈工大化工学院f22计算过程如下所选管mm轧无缝钢管4L40.28校核管内流u0.007

2

m则雷诺数Re

du2.02998.2L

1.4

4

0.316Re

局部阻力损失：三个标准截止阀全开

6.4;三个标准90°弯头

0.75；管路总压头损失

l

202.025.55g9.81扬程：H

5.55f流量Q/h经查《化工原理》附表泵与风机，型号泵合适。-22-

哈工大化工学院工艺设计算结果汇总主要符号说明下面将计算结果进行汇总，分别列出：年生产2000t质分数为8%稀盐题目填料吸收塔流程布置主体设备

逆流填料塔气液平衡关系

Y

*

塔高塔径填料液体分布器填料支撑板封头

1200mm塑料鲍尔环双排管式分布器栅格形支撑板标准椭圆形封头意义及符号混合气体处理量G气液相平衡常数m进塔气相摩尔分率y出塔气相摩尔分率y进塔液相摩尔分率x出塔液相摩尔分率x最小液气比L/V

结果/h0无混合气体的密度ρ

1.206m

混合气体的粘度μ吸收剂用量L-23-

哈工大化工学院⒉塔设计算总表意义及符号塔径D填料层高

结果800mm16m液相质单元高度

H

OGN液相总传质单元数塔的实际高度H布液孔数空塔气速

OG

20m275个泛点气速

f⒊填料算总表意义及符号