化工原理课程设计任务书1下册.doc
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1、 淮 海 工 学 院 化工原理课程设计任务书设计题目: 除硫吸收塔设计(1) 系 部: 化工系 专 业: D制药091 学生姓名: 陈娜 学 号: 510930517 起迄日期: 2011年12月19日 2011年12月30日指导教师: 钱 礼 华 教研室主任: 王 寿 武 目录1.引言.12. 设计计算.221 设计示例.222 设计方案的确定.223 填料的选择.424 基础物性数据.6241.液相物性数据.6242.气相物性数据.6243.气液相平衡数据.725填料塔的工艺尺寸的计算.7251.塔径计算.7252.填料层高度计算.1126 填料层压降计算.1327 填料精馏塔设计的主要结
2、果汇总表.143 对设计过程的评述和有关问题的讨论.144 个人体会.185 主要符号说明.196 所用参考文献.201. 引言化工原理课程设计是学生学过相关基础课程及化工原理理论与实验后,进一步学习化工设计的基础知识,培养工程设计能力的重要教学环节。通过该环节的实践,可使学生初步掌握单元操作设计的基本程序与方法,得到工程设计能力的基本锻炼。化工原理课程设计是以实际训练为主的课程,学生应在过程中收集设计数据,在教师指导下完成一定的设备设计任务,以达到培养设计能力的目的。单元过程及单元设备设计是整个过程和装备设计的核心和基础,并贯穿于设计过程的始终,从这个意义上说,作为相关专业的本科生能够熟练地
3、掌握典型的单元过程及装备的设计过程和方法,无疑是十分重要的。课程设计是化工原理课程教学中综合性和实践性较强的教学环节,是理论系实际的桥梁,是体察工程实际问题复杂性的初次尝试。通过化工原理课程设计,要求我们能综合运用本课程和前修课程的基本知识,进行融汇贯通的独立思考,在规定的时间内完成指定的化工设计任务,从而得到化工工程设计的初步训练。化工原理课程设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节,通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法;学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧;掌握各种结果的校核,能画出工艺流程、塔板结构等图形。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性
4、,还要考虑生产上的安全性、经济合理性。化工生产常需进行液体混合物的分离以达到提纯或回收有用组分的目的,精馏是利用液体混合物中各组分挥发度的不同并借助于多次部分汽化和部分冷凝达到轻重组分分离的方法。塔设备一般分为阶跃接触式和连续接触式两大类。前者的代表是板式塔,后者的代表则为填料塔。气体吸收是重要的化工单元操作之一。用适当的液体吸收剂处理气体混合物以去除其中一种或多种组分的操作。按吸收性质分化学吸收和物理吸收两大类。广泛应用在合成氨、石油化工及废气处理中。本次课程设计的题目是均相物系分离系统设计,要求分离丙酮和空气,采用吸收的单元操作。若混合气体中只有一个组分进入液相,其余组分皆可认为不溶解于吸
5、收剂,这样的吸收过程称为单组分吸收;如果混合气体中有两个或多个组分进入液相,则称为多组分吸收。例如合成氨原料气含有、及等几种成分,其中唯独在水中有较为显著的溶解度,这种原料气用水吸收的过程即属于单组分吸收;用洗油处理焦炉气时。气体中的苯。 甲苯、二甲苯等几种组分都在洗地中有显著的溶解度,这种吸收过程则应属于多组分吸收。 气体溶解于液体之中;常常伴随着热效应,当发生化学反应时,还会有反应热,其结果是使液相温度逐渐升高,这样的吸收过程称为非等温吸收。但若热效应很小,或被吸收的组分在气相中浓度很低而吸收剂的用量相对很大则;温度升高并不显著,可认为是等温吸收。如果吸收设备散热良好,能及时引出热量而维持
6、液相温度大体不变,自然也应按等温吸收处理。吸收过程进行的方向与限度取决于溶质在气液两相中的平衡关系。当气相中溶质的实际分压高于与液相成平衡的溶质分压时,溶质便由气相向液相转移,即发生吸收过程。反之,如果气相中溶质的实际分压低于与液相成平衡的溶质分压时,溶质便由液相向气相转移,即发生吸收的逆过程,这种过程称为脱吸(或解吸)。脱吸与吸收的原理相同,所以,对于脱吸过程的处理方法也完全用以对照吸收过程加以考虑。填料塔填料层是塔内实现气液接触的有效部位。填料塔内的气液两相流动方式,可分为逆流合并流。塔内液体作为分散相,总是靠重力作用自上而下地流动;气体靠压强差的作用流经全塔,逆流时气体自塔底进入而自塔顶
7、流出。并流时则相反。吸收塔的工艺计算,首先是在选定吸收剂的基础上确定吸收剂用量,继而计算塔的主要工艺尺寸,包括塔径和塔的有效段高度,即填料层高度。2 设计计算21 设计示例(一)设计题目水吸收SO2过程填料吸收塔的设计:试设计一座填料吸收塔,用于脱除焙烧炉送出的混合气体(先冷却)中的SO2,其余为惰性组分,采用清水进行吸收。混合气体的处理量m3/h2000混合气体SO2含量(体积分数)6%SO2的回收率不低于96%吸收剂的用量与最小用量之比1.4(二)操作条件(1)操作压力 常压 (2)操作温度 25(三)设计内容(1)设计方案的确定;(2)填料的选择;(3)基础物性数据的查取;(4)填料塔的
8、工艺尺寸的计算;(5)填料压降计算;(6)填料精馏塔设计的主要结果汇总表;(7)对设计过程的评述和有关问题的讨论。22 设计方案的确定装置流程的确定填料塔内的气、液两相流动方式原则上可分为逆流也可称为并流。一般情况下,塔内液体作为分散相,总是靠重力作用自上而下地流动;气体靠压强差的作用流经全塔,逆流时气体从塔底进入而自塔顶排除,并流时则相反。在对等条件下,逆流方式可以获得较大的平均推动力,因而能有效地提高过程速率。从另一方面来讲,逆流时,降至塔底的液体恰与刚刚进塔的混合气体接触,有利于提高出塔吸收液的组成,从而减小吸收剂的耗用量;升至塔顶的气体恰与刚刚进塔的混合气体接触,有利于提高出塔吸收液的
9、组成,从而提高溶质的吸收率。综上所述,为提高传质效率,选用逆流吸收过程。吸收剂的选择吸收过程是依靠气体溶质在吸收剂中的溶解来实现的,因此,吸收性能的优劣,是决定吸收操作效果的关键之一,选择吸收剂时应着重考虑一下几个方面。a.溶解度 吸收剂对溶质组分的溶解度要大,以提高吸收速率并减少吸收剂的需用量b.选择性 吸收剂对溶质组分要有良好的吸收能力,而对混合气体中的其他组分不吸收或者吸收甚微,否则不能直接实现有效的分离。c.挥发度要低 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吸收剂的挥发损失。d.粘度 吸收剂在操作温度下的粘度越低,其在塔内的流动性越好,有利于传质效率和传热速率的提高。e.
10、其他 所选用的吸收剂应尽可能满足无毒性、无腐蚀性、不易燃易爆、不发泡、冰点低、价格低廉易得以及化学性质稳定等要求。综上所述,用水吸收属中等溶解度的吸收过程,且不作为产品,故采用纯溶剂。23 填料的选择填料塔内充以某种特定形状的固形物填料,已构成填料层,填料层是塔内气体实现气、液接触的有效部位。填料层的空隙体积所占比例颇大,气体在填料间隙所形成的曲折通道中流过,提高湍动程度;单位体积填料层内有大量的固体表面,液体分布于填料表面呈膜状留下,增大了气、液之间的接触面积。根据装填方式的不同,可分为散装填料和规整填料两大类。散装填料时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
11、为乱堆填料或者颗粒填料。散装填料中较为典型的方式有拉西环填料、鲍尔环填料、阶梯环填料、弧鞍填料、矩鞍填料、环矩鞍填料等,其中阶梯环与鲍尔环相比,阶梯环的高度减少了一半,并在一端增加了一个锥形翻边。由于高径比减少,似的气体绕填料外壁的平均路径大为缩小,减少了气体通过填料层的阻力。锥形翻边不仅增加了填料的机械强度,而且使填料之间由线接触为主变为点接触为主,这样不但增加了填料的空隙,同时成为液体沿填料表面流动的汇集分散点,可以促进液膜的表面更新,有利于传质效率的提高。阶梯环的综合性能由于鲍尔环,成为目前所使用的环形填料中最为优良的一种。对于水吸收SO2的过程,操作温度及操作压力较低,工业上通常选用塑
12、料散装填料。在塑料散装填料中,塑料阶梯环填料的综合性能较好,故此选用DN38聚丙烯阶梯环填料。阶梯环是对鲍尔环的改进。与鲍尔环相比,阶梯环高度减少了一半,并在一端增加了一个锥形翻边。由于高径比减少,使得气体绕填料外壁的平均路径大为缩短,减少了气体通过填料层的阻力。锥形翻边不仅增加了填料的机械强度,而且使填料之间由线接触为主变成以点接触为主,这样不但增加了填料间的空隙,同时成为液体沿填料表面流动的汇集分散点,可以促进液膜的表面更新,有利于传质效率的提高。阶梯环的综合性能优于鲍尔环,成为目前所使用的环形填料中最为优良的一种。对于填料种类的选择要考虑一下几个方面传质效率通量填料层的压降填料的操作性能
13、散装填料的规格通常是指填料的公称直径.工业塔常用的散装主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等几种规格。同类填料,尺寸越小,分离效率越高。但阻力增加,通量减小,填料费用也增加很多。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有规定。工业上,填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。陶瓷填料因其质脆、易碎,不宜在高冲击强度小使用。陶瓷填料价格便宜,具有较好的表面润湿性能,工业上,主要用于气体吸收、气体洗涤、液体萃取等过程。金属填料的通量大、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
14、用主要以金属填料为主。塑料填料具有质轻、价廉、耐冲击、不易破碎等优点,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,以提高表面润湿性能。对于水吸收的过程,操作温度及操作压力较低,工业上通常选用塑料散装填料。在塑料散装填料中,塑料阶梯环填料的综合性能较好,故此选用聚丙烯阶梯环填料。24 基础物性数据241.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时水的有关物性数据如下: 密度为: 粘度为: 表面张力为: 在水中的扩散系数为 242.气相物性数据混合气体的平均摩尔质量为 混合气体的平均密度
15、为混合气体的粘度可近似取为空气的粘度,查手册得20空气的粘度为查手册得在空气中的扩散系数为243.气液相平衡数据由手册查得,常压下20时在水中的亨利系数为相平衡常数为溶解度系数为25填料塔的工艺尺寸的计算251.塔径计算物料衡算进塔气相摩尔比为出塔气相摩尔比为进塔惰性气相流量为该吸收过程属低浓度吸收,平衡关系为直线,最小液气比可按下式计算,即对于纯溶剂吸收过程,进塔液相组成为取操作液气比为76.89(0.0638-0.00255)采用Eckert通用关联图计算泛点气速。(1)采用Ecekert通用关联图法计算泛点气速uF。通用填料塔泛点和压降的通用关联图如下:图一填料塔泛点和压降的通用关联图(
16、引自化工原理)图中 u0空塔气速,m /s;湿填料因子,简称填料因子,1 /m;水的密度和液体的密度之比; g重力加速度,m /s2;V、L分别为气体和液体的密度,kg /m3; wV、wL分别为气体和液体的质量流量,kg /s。此图适用于乱堆的颗粒形填料,如拉西环、弧鞍形填料、矩鞍形填料、鲍尔环等,其上还绘制了整砌拉西环和弦栅填料两种规整填料的泛点曲线。对于其他填料,尚无可靠的填料因子数据。气相质量流量为液相质量流量可近似按纯水的流量计算,即Eckert通用关联图的横坐标为查参考文献5图5-21得 查参考文献5表5-11得 取 由 圆整塔径,取泛点率校核:(在允许范围内)填料规格校核:液体喷
17、淋密度校核:取最小润湿速率为 查参考文献5附录五得经以上校核可知,填料塔直径选用合理。252.填料层高度计算脱吸因数为气相总传质单元数为 气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算:查参考文献5表5-13得 液体质量通量为 气膜吸收系数由下式计算: 气体质量通量为 液膜吸收系数由下式计算:由 ,查参考文献5表5-14得则 由 , ,得 则 由由 , 得 设计填料层高度为 查参考文献5表5-16 , 对于阶梯环填料 , , 。取 , 则 计算得填料层高度为6000mm , 故不需分段。26 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 查参考文献5表5-18得 , 纵坐标为
18、查参考文献5图5-21 ,得 填料层压降为27填料精馏塔设计的主要结果汇总表项目符号单位计算数据入塔炉气流量Vm3/h2000气相摩尔比进塔 Y100638出塔 Y2000255液相组成进塔 X20出塔 X100013操作液气比4710气相质量流量Kg/h2544液相质量流量Kg/h65257.63塔径Dm1.0填料层高度hmm8000填料层压强降PPa863.283 对设计过程的评述和有关问题的讨论A.填料塔的结构及填料特性1、填料塔的结构 典型填料塔的结构如图所示,主要部件有塔体、填料及支承、流体分布器及再分布器、除沫器等。操作时,液体自塔上部进入,并通过液体分布气均匀喷洒于塔截面上,并在
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