化工原理课程设计 填料吸收塔的设计

. 课 程 设 计题 目：填料吸收塔的设计 教 学 院： 化学与材料工程学院 专 业：化学工程与工艺（精细化工方向）学 号： 学生姓名： 指导教师： 2012 年 5 月 31 日化工原理课程设计任务书20112012 学年第2学期学生姓名： 专业班级： 化学工程与工艺(2009) 指导教师： 工作部门： 化工教研室 一、课程设计题目：填料吸收塔的设计二、课程设计内容（含技术指标）1. 工艺条件与数据煤气中含苯2%（摩尔分数），煤气分子量为19；吸收塔底溶液含苯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2000m；冷却水进口温度25，出口温度50。2. 操作条件吸收操作条件为：1atm、27，解吸操作条件为：1atm、120；连续操作；解吸气流为过热水蒸气；经解吸后的液体直接用作吸收剂，正常操作下不再补充新鲜吸收剂；过程中热效应忽略不计。3. 设计内容 吸收塔、解吸塔填料层的高度计算和设计； 塔径的计算； 其他工艺尺寸的计算。三、进度安排15月14日：分配任务；25月14日-5月20日：查询资料、初步设计；35月21日-5月27日：设计计算，完成报告。四、基本要求1. 设计计算书1份：设计说明书是将本设计进行综合介绍和说明。设计说明书应根据设计指导思想阐明设计特点，列出设计主要技术数据，对有关工艺流程和设备选型作出技术上和经济上的论证和评价。应按设计程序列出计算公式和计算结果，对所选用的物性数据和使用的经验公式、图表应注明来历。设计说明书应附有带控制点的工艺流程图。设计说明书具体包括以下内容：封面；目录；绪论；工艺流程、设备及操作条件；塔工艺和设备设计计算；塔机械结构和塔体附件及附属设备选型和计算；设计结果概览；附录；参考文献等。2. 图纸1套：包括工艺流程图(3号图纸)。 教研室主任签名：年 月 日目录1 绪论11.1吸收技术概况11.2吸收过程对设备的要求及设备的发展概况12 课程设计任务22.1设计内容22.2设计要求22.3设计方案介绍33 吸收塔的工艺计算43.1 基础物性数据计算43.1.1 物料衡算43.1.2 液气比的计算53.1.3 吸收剂的用量53.2 塔径的计算及校核53.2.1 填料选择53.2.2 泛点气速、塔径的计算63.2.3 数据校核73.3 填料层高度的计算73.3.1 传质单元高度计算73.3.2 传质单元数的计算93.3.3 总高度的计算103.4流体力学参数计算103.4.1 吸收塔的压力降103.4.2 气体动能因子113.4.3 吸收因子113.5 吸收塔辅助设备计算及选型123.5.1 液体初始分布器123.5.2 液体再分布器123.5.3 其他附属塔内件124 解吸塔工艺计算134.1基础数据计算134.1.1 最小气液比及吸收剂用量134.2塔径的计算及校核144.2.1 填料的选择144.2.2 塔径计算144.2.3 数据校核154.3.1 传质单元高度计算154.3.2 传质单元数的计算174.3.3 总高度的计算184.4 流体力学参数的计算184.4.1 解吸塔的压力降184.4.2 气体动能因子194.4.3 解吸因子194.5解吸塔的辅助设备的计算与选型204.5.1 液体初始分布器204.5.2 其他附属内件205设计结果及评述215.1设计结果一览表215.2设计评述216 参考文献22.1 绪论1.1吸收技术概况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）根据流程进行过程的物料和热量衡算，确定工艺参数；（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概况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过程中。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。2 课程设计任务2.1设计内容1. 工艺条件与数据煤气中含苯2%（摩尔分数），煤气分子量为19；吸收塔底溶液含苯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2000m；冷却水进口温度25，出口温度50。2. 操作条件吸收操作条件为：1atm、27，解吸操作条件为：1atm、120；连续操作；解吸气流为过热水蒸气；经解吸后的液体直接用作吸收剂，正常操作下不再补充新鲜吸收剂；过程中热效应忽略不计。3. 设计内容 吸收塔、解吸塔填料层的高度计算和设计； 塔径的计算； 其他工艺尺寸的计算。4. 进度安排5月14日：分配任务；5月14日-5月20日：查询资料、初步设计；5月21日-5月27日：设计计算，完成报告。2.2设计要求1. 设计计算书1份：设计说明书是将本设计进行综合介绍和说明。设计说明书应根据设计指导思想阐明设计特点，列出设计主要技术数据，对有关工艺流程和设备选型作出技术上和经济上的论证和评价。应按设计程序列出计算公式和计算结果，对所选用的物性数据和使用的经验公式、图表应注明来历。设计说明书应附有带控制点的工艺流程图。设计说明书具体包括以下内容：封面；目录；绪论；工艺流程、设备及操作条件；塔工艺和设备设计计算；塔机械结构和塔体附件及附属设备选型和计算；设计结果概览；附录；参考文献等。2. 图纸1套：包括工艺流程图(3号图纸)。2.3设计方案介绍本设计为填料吸收塔，设计中说明吸收剂为洗油，被吸收的气体是含苯的煤气，且混合气中含苯的摩尔分数为0.02.除了吸收塔以外，还需其他的辅助设备构成完整的吸收-脱吸塔。气液采用逆流流动，吸收剂循环再用，所设计的流程图如图所示。图中左侧为吸收部分，混合气由塔底进入吸收塔，其中混合气中的苯被由塔顶淋下的洗油吸收后，由塔顶送出（风机在图中未画出来）。富液从富油贮罐由离心泵送往右侧的脱吸部分。脱吸常用的方法是溶液升温以减小气体溶质的溶解度。故用换热器使送去的富油和脱吸的贫油相互换热。换热而升温的富油进入脱吸塔的顶部，塔底通入过热蒸汽，将富油中的苯逐出，并带出塔顶，一道进入冷凝器，冷凝后的水和苯在贮罐中出现分层现象，然后将其分别引出。回收后的苯进一步加工。由塔顶到塔底的洗油的含苯量已脱的很低，从脱吸贮罐用离心泵打出，经过换热器、冷凝器再进入吸收塔的顶部做吸收用，完成一个循环。3 吸收塔的工艺计算13.1 基础物性数据计算基础数据的计算包括最小液气比的计算及吸收剂用量的计算。3.1.1 物料衡算 进口气相组成摩尔分数 y1=0.02 出口气相组成摩尔分数 y2 =（1-0.95）y1=0.001 进口气相组成 kmol（苯）/kmol（煤气） 出口气相组成 kmol（苯）/kmol（煤气） 塔底出口液体浓度最低要求 吸收塔液相进口的组成应低于其平衡浓度，该系统的相平衡关系可以表示为于是可得吸收塔进口液相的平衡浓度为：吸收剂入口浓度应低于，其值的确定应同时考虑其吸收和解吸操作，兼顾两者，经优化计算后方能确定，这里取： kmol（苯）/kmol（煤气）入口气体混合物的平均分子量为:kg/kmolQvG=2000m3/h kmol/h kg/h 3.1.2 液气比的计算求最小液气比，进而确定适宜的液气比:3.1.3 吸收剂的用量实际液气比通常取最小液气比的1.21.5倍2，这里取1.4倍： kmol/h kg/h m3/h3.2 塔径的计算及校核工艺计算包括塔径的计算，填料层高度的计算，总高度的计算。物性数据：取P=101.325Kpakg/m3液相密度可以近似取为： kg/m3液体黏度3为： mPas3.2.1 填料选择 根据优选原则：1 单位体积填料表面积大2 单位体积填料孔隙率大3 有较好的液体分布性能，对吸收剂有较好的润湿4 气体通过阻力小，并且填料层能均匀分布气体，压降均衡5 制造容易，耐腐蚀6 对气体和液体有较好的化学稳定性选择聚丙烯阶梯环4d=38mm 堆积密度 =57.5 kg/m 个数=27200个/m 孔隙率=0.91 比表面积a=132.5m2/m3 散填料A值=0.204 临界表面张力c=54 dyn/cm=0.0054 N/m3.2.2 泛点气速、塔径的计算利用 贝恩-霍根公式计算泛点气速可得： (3-1)由公式（3-1）可得： 其中 a=132.5 =0.91代入计算得：m/s 取操作气速是泛点气速的0.6倍5 m/sm3/sm圆整后取塔径 D=600mm.3.2.3 数据校核m2 实际气速： m/s 泛点率校正： (在50%80%的范围内)6 填料规格校核： D/d=600/38=15.7915（满足径比条件）7 喷淋量的校核：吸收剂的喷淋密U=L/S （3-2) U = （3-3） 由公式（3-3）可得： m3/m2h 润湿率： （3-4)由公式（3-4）可得： m3/m2h对于直径小于75mm的环形填料，必须满足润湿率的的最小值L0.08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。 3.3 填料层高度的计算3.3.1 传质单元高度计算塔内的液相及气象物性如下9L=800Kg/m3 G=0.8198 Kg/m3 L=1.210-3Pas 表面张力8L=20dyn/cm=0.02N/m 粘度9L=1.210-5Pas 苯在煤气中的扩散系数近似取苯在空气中的扩散系数10：m2/s 苯在洗油中的扩散系数查取得11：m2/s 气相及液相的流速： (3-5) 由公式（3-5）可得：(Kg/m2s) （3-6） 由公式（3-6）可得：(Kg/m2s) 气相传质系数12： （3-7） 由公式（3-7）可得： Kmol/m2sPa (3-8）由公式（3-8)可得 m2/m3 液相传质系数： （3-9）由公式（3-9)可得： m/s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： (3-10） 由公式（3-10）可得： Kmol/m3s Kmol/m3s （3-11）由公式（3-11）可得： （3-12）由公式（30-12）可得：m考虑到计算公式的偏差，实际上取13：m3.3.2 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，填料层高度 m 圆整后实际填料层高度取为9m.依据阶梯环填料的分段要求14： Z/D=510 m 可将填料分为两段,每段4.5m，两段间设置一个液体再分布器.3.3.3 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。塔底液相停留时间按5min考虑，则塔釜液所占高度为：m 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=h0+h+1.2+1+1.2+2.5=9+1.34+1.2+1+1.2+2.5=16.24m3.4流体力学参数计算3.4.1 吸收塔的压力降 （1）气体进出口压力降取气体进出口接管的内径为219mm，则气体进出口流速近似为16.52m/s，则进口压力降为： Pa 出口压力降为：Pa （2）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： m/s （3-13）由公式（3-13）可得： (3-14）由公式（3-14）可得： 查Ecker图可得每米填料的压力降为500pa15，所以填料层的压力降为：Pa （3）其他塔内件的压力降，其他塔内件的压力降较小，在此可以忽略。于是得吸收塔的压力降为： Pa3.4.2 气体动能因子 吸收塔内气体动能因子为： (3-15） 由公式（3-15）可得：Kg2/sm2 气体动能因子在常用的范围内16。3.4.3 吸收因子 吸收塔内气体吸收因子为： （3-16） 又公式(3-16）可得： 在吸收因子适宜的范围内17。从以上的各项指标分析，该吸收塔的设计合理，可以满足解吸塔操作的工艺要求。3.5 吸收塔辅助设备计算及选型3.5.1液体初始分布器 （1）布液孔数，根据该物系性质可选用莲蓬式喷洒器取布液孔数为100个/m。则总布液孔数为： n=0.2826100=29个 （2）液位保持管高度，取布液孔直径5mm，则液位保持管中的液位高度为18： （3-17） 由公式（3-17）可得： m 则液位保持高度为：=1.15653=751mm 其他尺寸计算从略。3.5.2 液体再分布器 采用截锥式再分布器193.5.3其他附属塔内件 支撑装置选用栅板式，填料压板选用栅条形压板20，气体分布装置采用简单的气体分布装置，同时，对排放的净化气体中的液相夹带要求不严。4 解吸塔工艺计算4.1基础数据计算基础数据的计算包括吸收剂用量的计算及最小液气比的计算。再生塔的设计条件为： 洗油处理量为 3637.73kg/h 洗油中苯的摩尔比为 0.117kmol苯/kmol洗油 再生后洗油中苯的摩尔比为 5.025kmol苯/kmol惰性气体 所用的汽提气入口苯含量近似为0。 4.1.1最小气液比及吸收剂用量 则提气用量与吸收塔设计一样，首先要缺定最小汽提气用量，依据物料衡算方程，求取最小气液比，但需注意这里的 表示的是塔顶的液相和气相摩尔比，而表示的是塔底的液气相摩尔比，于是得： kmol 苯/kmol 洗油取： 气的实际用量为： =Kmol/h m3/h Kg/h Kg/h m3/h4.2塔径的计算及校核4.2.1填料的选择解吸塔的填料规格为聚丙烯阶梯环（25251.4）散堆填料，气体的进出口尺为 502.5，液体的进出口尺寸为502.5。 散堆填料A=0.204 公称直径d=25mm 孔隙率=0.9 比表面积a=228m2/m3 堆积个数81500个/m3 堆积密度97.8Kg/m3 临界表面张力N/m4.2.2 塔径计算取P=101.325KPa 气相密度 Kg/m3液相密度可以近似取为： 查表可知120时 Kg/m3Kg/m3 液体黏度为21：L=0.810-3Pas 利用贝恩-霍根泛点气速方程可得： 取A=0.204 取a=228 m/s取u=0.7u=0.71.1997m/s=0.8398m/s m/s m 圆整后取D=300mm 4.2.3 数据校核m2实际气速: m/s泛点率校正: (在50%80%的范围内） 填料规格校正: D/d= 喷淋量的校核：吸收剂的喷淋密度U=L/S m3/m2h润湿率： m3/m2h 对于直径小于75mm的环形填料，必须满足润湿率最小值满足最小喷淋密度要求。 经以上校核可知填料塔径选用300mm。4.3 填料层高度的计算4.3.1 传质单元高度计算 塔内的气液相物性如下： ka/m3 ka/m3 气体粘度22Pas Pas 表面张力23dyn/cm 气相扩散系数为 m2/s液相扩散系数m2/s 气相及液相的流速为kg/m2skg/m2s气相传质系数 Kmol/m2sKPa液相传质系数 m/m2 m/s 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Kmol/m3sKmol/m3sm 考虑到计算公式的偏差，实际上取m4.3.2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解释塔底洗油中苯的组成Kmol(苯)/Kmol(水蒸气) 于是，可以计算该塔德塔底、塔顶以及平均传质推动力分别为则解吸塔填料高度：m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=515hm故，可以不进行分段。4.3.3 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m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=12.6m4.4 流体力学参数的计算4.4.1解吸塔的压力降（1）气体进出口压力降.取气体进出口接管内径为50mm，则气体的进出口液速近似为37m/s，则进口压力降为：Pa 出口压力降为：Pa （2）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：m/s查Eckert关联图得每米填料的压力降为200Pa，所以填料层的压Pa （3）其他塔内件的压力降 其他塔内件的压力降较小，在此可以忽略。于是得吸收塔的总压力降为：Pa4.4.2气体动能因子 解吸塔内气体动能因子为：Kg1/2/sm1/2 气体动能因子在常用的范围内。4.4.3解吸因子 解吸塔内气体解吸因子为： (4-1） 由公式（4-1）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。4.5解吸塔的辅助设备的计算与选型4.5.1液体初始分布器 布液孔数. 根据该物系性质可选用多孔直管式布液器，取布液孔数为100个/m,则总布液孔数为： n=0.07065100=8个4.5.2其他附属内件 支撑装置选用栅板式，填料压板选用栅条形压板，气体分布装置采用简单的气体分布装置，同时，对排放的净化气体的液相夹带要求不严，可不设除液沫装置。5设计结果及评述5.1设计结果一览表项目吸收塔解吸塔 操作气速u,m/s2.2050.8398 泛点气速，m/s3.6751.1997 喷淋密度U,16.0968.24 塔径D，m0.600.3 高度h,m16.2412.6 塔压降/z,pa/m500200 塔布液点数N298 填料规格及名称聚丙烯阶梯环（38191）聚丙烯阶梯环（2512.51.4 液体分布器莲蓬式喷洒器多孔直管式 液体再分布器截锥式再分器 支撑板栅板式栅板式 压板栅条板栅条形 气体进出口尺寸2196502.5 液体进出口尺寸502.5502.5表 5-1设计结果一览表5.2设计评述本课题是通过给定的工艺条件，设计填料吸收塔，在设计过程中，我们按照工艺要求，操作安全可靠，所需材料和操作较低的原则，参阅了部分文献，从理论计算的角度设计出所需的填料吸收塔及解吸塔。在设计中，我们对填料进行了选择，计算了塔径、塔高机流体力学参数，由此对塔进行了适当的分段，并选择了再分布器。于此同时，对一些主要的性能参数进行了校正，如泛点率校正、填料规格校核、喷淋量的校核。 此次设计中，也存在不足。如在Eckert泛点气速关联图中，对压降的查找时，读数存在一定的误差。再者，物料衡算过程中未考虑吸收剂洗油在循环利用中的损失，我们是用最理想的情况进行计算，这是本设计的缺陷。6 参考文献1 匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计.第二版.北京：化学工业出版社，2010,6:1972322 王松汉.石油化工设计手册 第三卷.第一版.北京：化学工业出版社，2001，12：122812283 吴德荣.化学工艺设计手册.第四版上册.北京：化学工业出版社，2009，6：109310934 王松汉.石油化工设计手册 第三卷.第一版.北京：化学工业出版社，2001，12：15441544匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计.第二版.北京：化学工业出版社，2010,6:2112115 王松汉.石油化工设计手册 第三卷.第一版.北京：化学工业出版社，2001，12：122912296 匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计.第二版.北京：化学工业出版社，2010,6:2252257 匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计.第二版.北京：化学工业出版社，2010,6:2052058 王松汉.石油化工设计手册 第一卷.第一版.北京：化学工业出版社，2001，12：8108109 吴德荣.化学工艺设计手册.第四版上册.北京：化学工业出版社，2009，6：1028102810 吴德荣.化学工艺设计手册.第四版上册.北京：化学工业出版社，2009，6：1041104111 冯伯华.化学工程手册.第一版.北京：化学工业出版社，1989，10：10-8910-9512 匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计.第二版.北京：化学工业出版社，2010,6:21221213 匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计.第二版.北京：化学工业出版社，2010,6:22922914 匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计.第二版.北京：化学工业出版社2010,6:21421415 吴德荣.化学工艺设计手册.第四版上册.北京：化学工业出版社，2009，6：48248216 匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计.第二版.北京：化学工业出版社，2010,6:22622617 谭天恩，窦梅，周明华.化工原理 下册.第三版.北京：化学工业出版社，2010,6：373718 匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计.第二版.北京：化学工业出版社，2010,6:21621619 匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计.第二版.北京：化学工业出版社，2010,6:22022020 王松汉.石油化工设计手册 第三卷.第一版.北京：化学工业出版社，2001，12：1600160221 吴德荣.化学工艺设计手册.第四版上册.北京：化学工业出版社，2009，6：1093109322 吴德荣.化学工艺设计手册.第四版上册.北京：化学工业出版社，2009，6：1056105623 王松汉.石油化工设计手册 第一卷.第一版.北京：化学工业出版社，2001，12：810810.