水吸收氯化氢填料塔设计.docx

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1、化工原理大作业1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 .1

2、33.3.2气体进料接管 .133.4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 .172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45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，

3、 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

4、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/d 1 。综合考虑填料规格，种类和材质后，选用聚丙烯鲍尔环填料32、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 20 水的有关物性数据如下：1.l 998.2kg / m32. 黏度： 1.005 10 3 Pa s3.表面张力为 :z 72.6 dyn / cm940896kg / h24.20 HCl 溶解

5、度系数： H0.199 kmol (m3 kPa)5.20 HCl ： DL 2.8 10-9m2 s6.20 HCl ： DV 1.56 10-5m2 s2.1.2 气相物性数据1. 混合气体的平均摩尔质量为M0.001236.5(10.0012)2929.009( kg / kmol )2. 混合气体的平均密度PM101.310329.00910 33V8.314 2931.206kg / mRTR=8.314m3KPa / kmol K3. 混合气体黏度可近似取为空气黏度。查手册得20 C 时，空气的黏度注： 1N1kg m / s21Pa1N / m21kg / s2 m 1Pa.s=

6、1kg/(m.s)2.1.3气液相平衡数据v1.7310 5 pa s622810 5 kg / m h由手册查得， 101.3kPa， 20时， HCl 在水中的亨利系数为E=279kpa20时， HCl 在水中的溶解度 : H=0.199 kmol/(m 3*kPa)4相平衡常数： mEL998.22.751PHM S P 0.19918.00 101.3溶解度系数 : H0.199kmol /(m3 kpa)2.1.4物料横算1. 进塔气相摩尔比为Y10.00120.0012010.001212. 出塔气相摩尔比为Y2 Y1 (1 A )0.001201 (10.9537)0.00005

7、56对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为：X 20 ( 清水 )3200010混合气体流量： 1）每小时 HCl 的产量为：0.0411.11kg / h ；2）进气中HCl 物质的量为： n11.111030.0937312.60mol / h36.5进气的物质的量为：n气体312.60260.50kmol / h0.00123）气体体积流量： Vsn气体 RT312.608.314 2933p6300m101000 0.0012惰性气体流量： V260.5(10.0012)260.19kmol / hLY1Y2(V )minX1X 2最小液气比：Y1Y20.001201 0.00005562

8、.624Y1X 20.0012010m2.751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：L 2.5( L )min V2.624 260.192.5 1706.83(kmol / h)VV (Y1Y2 )X1L312.22(0.0012010.0000556)2050.660.0001745V单位时间内通过吸收塔的惰性气体量，kmol/s;L单位时间内通过吸收塔的溶解剂，kmol/s;Y1、 Y2分别为进塔及出塔气体中溶质组分的摩尔比，koml/koml;X1、 X2分别为进塔及出塔液体中溶质组分的摩尔比，koml/koml;22 填料塔工艺尺寸的计算2.2.1塔径的计算混合

9、气体的密度GP M101.3 10329.009 10 33RT8.314 2931.206kg / m填料总比表面积： at115m2 / m3水的黏度L1.00510 3 Pas采用贝恩 - 霍根泛点关联式计算泛点速度：u2aw1/ 41/ 8tV0.2VlgFL AKLg3LwVL0.09421.75 ( 1706.8318 )41(1.206 )8163001.206998.20.9773uF2 atV0.20.1054g 3LLuF0.10549.810.893998.22.2893m / s1151.2061.0050.2 F泛点气速， m/s；g 重力加速度， 981m/s2 a

10、 t 填料总比表面积， m2 m3填料层空隙率，m2 m3 V, L气相、液相密度， k/m3；L液体粘度， mPas;6取泛点率为 0.85 ，即 u0.85uF0.852.28931.9460m / sD 4VS u463001.0703m3.141.94603600圆整后取D1.2mD塔径， m；3V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：6300u36001.5481m / s

11、0.7851.22u1.54810.68（对于散装填料，其泛点率的经验值为 u / uF0.5 0.85 ）uF2.2893填料规格校核：D1200d31.58 10 1538液体喷淋密度校核：取最小润湿速率为( LW ) min0.08m3 /( m h)at115m2 / m3所以 U min(LW)minat0.08 1159.20mmh3 /(2)ULh0.785D 21706.8318 998.227.23m3 /(m2h)U min0.7851.22经以上校核可知，填料塔直径选用D1.2m 合理。2.2.2填料层高度的计算及分段查表知， 0C，101.3kpa 下， HCl 在空气

12、中的扩散系数D0.156cm2 / s7由 D G D o ( Po )( T ) 23 ，P To则293 k， 101.3kpa 下 ， HCl在 空 气 中 的 扩 散 系 数 为D G0.156(101.3)( 293) 230.1734cm2 / s101.3273液相扩散系数 D L1.5010 5 m2 / s液体质量通量为U L1706.83 1827178.82/(m2)0.7851.22kgh气体质量通量为UV63001.2066721.33/(m2)0.7851.22kghY1mX12.7510.0001740.0004787Y2mX 20脱吸因数为SmV 2.75126

13、0.190.4195L1706.3气相总传质单元数为：NOG1Ln(1Y1Y2S1 SS)Y2Y21ln( 10.4195)0.00120100.41954.413010.41950.00005560气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：aw1 exp1.45 (c)0. 75(U L)0.1U L2 at)0.05(U L20. 2at(2 g)Lat LLLL at查表知， c33dyn / cm427680kg / h2aw1 exp 1.45 (427680)0.7527178 .820. 1(27178.1121158 )0. 05所以， at()227178 .8229408

14、961153.6998.21.2710()0. 20.4772998.2940896115气膜吸收系数由下式计算：80.237( U V)0.7 (1( at DV )GV)3atvV DVRT6721.33 ) 0.70.0651(115 1.563600 10 50.237 () 3)1150.0651.2061.5610 536008.3142930.0724kmol /( m2h kpa)液膜吸收系数由下式计算：0.0095 ( U L211L) 3(L)2( Lg ) 3awLL D LL27178.8223.6) 3()0.0095 (115998.22.8010 90.47723

15、.636001.03171( 3.6 1.27 10812)3998.2查表得：1.45则G a1.1GawL a0.4Lawu0.680.5uF0.07240.4772 115 1.451.15.9792kmol /(m3 h kpa)1.03170.47721151.450.465.69001hG a19.5( u0.5)1.4 G a由uF得，( u0.5)2.2 L a12.6L auFG a19.5(0.680.5)1.4 5.979211.1285kmol /( m3 hkpa)L a12.6(0.680.5)2.2 65.690068.61711h则 KG a116.0565km

16、ol/(m3)1111h kpaG aHL a11.12850.199 65.6900由 H OGVV260.180.3752 mK Y aK G aP6.0565101.3 0.785 1.22由 ZH OGNOG0.37524.41301.6558mZ(1.2 1.5)Z9设计取填料层高度取3m查表：对于鲍尔环填料，hhmax6m ，所以填料层不用分段。5 10,D2.2.3 填料层压降计算：采用 Eckert 通用关联图计算填料层压降横坐标为：L ( V )0.51706.83 18( 1.206 )0.50.1406VL6300 1.206998.2查表得：P114m 110纵坐标为：

17、u 2PV0.21.54812114 1.451.2060.2gL9.81998.21.0050.04884L查图得，P392.4pa / mZ填料层压降为：P392.41.6558 pa0.650kpa2.2.4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 140mm0.55 d0 8mmLVM 水 / l1706.8318 /(3600998.2)186.5 187n=0.785 0.00820.785 d022g H0.55 29.81 0.14注：因为填料层高度

18、为3m，少于 6m，所以可以不用设计再分液器。113、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

19、，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。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

20、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 0.8 1.5m/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。123.3.1 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 u1.5m/ sqLWL 1706.83 1830.78m3 / hL 998.2设计液体进出口管内径：d1qL30.780.0854m3600 3.143600u1.544管选用110mm5mm 的无缝钢管，内径为 100mmqL8.284管内实际流速：u3600ms ，在符合范围内。d20.7850.0521.09/43.3.2 气体进料接管气体流速取u气20 m/s设计取气体进出管内径qG6300 / 3600d20.7850.3334mu气20.04管选用360mm 10mm 的无缝钢管，内径为 340mm则实际通过气体接管的气速为：u气qG6300 / 3600m/s，在符合20.785