填料吸收塔设计任务书

  设计题目填料吸收塔设计 设计任务及操作条件1、原料气处理量:5000m 2、原料气组成:98%空气+2.5%的氨气。3、操作温度:20。 4、氢氟酸回收率:98%。 5、操作压强:常压。 6、吸收剂:清水。u乐国际。 7、填料选择:拉西环。 第一章设计方案的简介 第一节塔设备的选型………………………………………………………(4) 第二节 填料吸收塔方案的确定……………………………………………(6) 第三节 吸收剂的选择………………………………………………………(6) 第四节 操作温度与压力的确定……………………………………………(7) 第二章 填料的类型与选择 第一节填料的类型…………………………………………………………(7) 第二节 填料的选择 第三章填料塔工艺尺寸 (10)第一节 基础物性数据 (10)第二节 物料衡算…………………………………………………………(11) 第三节 填料塔的工艺尺寸的计算………………………………………(12) 第四节 填料层压降的计算 ………………………………………………(16) 第四章 辅助设备的设计与计算 ……………………………………(16) 第一节 液体分布器的简要设计 …………………………………………(16) 第二节 支承板的选用 ……………………………………………………(17) 第三节 管子、泵及风机的选用 …………………………………………(18) 第五章 塔体附件设计 ……………………………………………………(20) 第一节 塔的支座 ………………………………………………………(20) 第二节 其他附件 ………………………………………………………(20) 第一章设计方案的简介 第一节 塔设备的选型 塔设备是化工、石油化工、生物化工制药等生产过程中广泛采用的气液传质 设备。根据塔内气液接触构件的结构形式,可分为板式塔和填料塔两大类。 1、板式塔 板式塔为逐级接触式气液传质设备,是最常用的气液传质设备之一。 传质 机理如下所述:塔内液体依靠重力作用,由上层塔板的降液管流到下层塔板的受 液盘,然后横向流过塔板,从另一侧的降液管流至下一层塔板。溢流堰的作用是 使塔板上保持一定厚度的液层。气体则在压力差的推动下,自下而上穿过各层塔 板的气体通道(泡罩、筛孔或浮阀等),分散成小股气流,鼓泡通过各层塔板的 液层。在塔板上,气液两相密切接触,进行热量和质量的交换。在板式塔中,气 液两相逐级接触,两相的组成沿塔高呈阶梯式变化,在正常操作下,液相为连续相, 气相为分散相。 一般而论,板式塔的空塔速度较高,因而生产能力较大,塔板效率稳定,操 作弹性大,且造价低,检修、清洗方便,故工业上应用较为广泛。 2、填料塔 填料塔是最常用的气液传质设备之一,它广泛应用于蒸馏、吸收、解吸、汽 提、萃取、化学交换、洗涤和热交换等过程。几年来,由于填料塔研究工作已日 益深入,填料结构的形式不断更新,填料性能也得到了迅速的提高。金属鞍环, 改型鲍尔环及波纹填料等大通量、低压力降、高效率填料的开发,使大型填料塔 不断地出现,并已推广到大型汽—液系统操作中,尤其是孔板波纹填料,由于具 有较好的综合性能,使其不仅在大规模生产中被采用,且由于其在许多方面优于 各种塔盘而越来越得到人们的重视,在某些领域中,有取代板式塔的趋势。近年 来,在蒸馏和吸收领域中,最突出的变化是新型填料,特别是规整填料在大直径 塔中的采用,它标志作塔填料、塔内件及塔设备的综合设计技术已进入到一个新 的阶段。 填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料塔的塔身 是一直立式圆筒(如右图所示),底部装有填料支承板,填料以乱堆或整砌的方 式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板,以防被上升气流吹动。液体从塔 顶经液体分布器喷淋到填料上,并沿填料表面流下。气体从塔底送入,经气体分布装置(小直径塔一般不设气体分布装置)分布后,与液体呈逆流连续通过填料层的 空隙,在填料表面上,气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液 传质设备,两相组成沿塔高连续变化,在正常操作状态下,气相为连续相,液相 为分散相。 当液体沿填料层向下流动时,有逐渐向塔壁集中的趋势,使得塔壁附近的液 流量逐渐增大,这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均, 从而使传质效率下降。因此,当填料层较高时,需要进行分段,中间设置再分布 装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分,上层填料流下的 液体经液体收集器收集后,送到液体再分布器,经重新分布后喷淋到下层填料上。 填料塔具有生产能力大,分离效率高,压降小,持液量小,操作弹性大等优点。 3、板式塔和填料塔的比较 如下表格所示 表1-1 板式塔与填料塔的比较 序号 填料塔 板式塔 Φ800mm以下,造价低,直径大则价高 Φ600mm 以下时,安装困 用小填料时,小塔的效率高,塔径增大,效率下降,所需高度急增 效率较稳定。大塔板效率 比小塔板有所提高 空塔速度(生产能力)低空塔速度高 大塔检修费用高,劳动量大检修清理比填料塔容易 对液相喷淋量有一定要求气液比的适应范围大 内部结构简单,便于非金属材料制作,可用于腐蚀较严重的场合 多数不便于非金属材料 的制作 持液量大表1-2 塔型选用顺序 4、选塔的基本原则:1、生产能力大,有足够的弹性。 2、满足工艺要求,分离效率高。 3、运行可靠性高,操作、维修方便,少出故障。 4、结构简单,加工方便,造价较低。 综上考虑,吸收5000m 2.5%的生产任务不是很大,由于它结构简单,造价较低,便于采用耐蚀材料使得寿命较长,而且本次设计用到的物料是氢氟酸, 氢氟酸是具有腐蚀性的物料,因此我们采用填料吸收塔完成该项生产任务。 第二节 填料吸收塔方案的确定 1、装置流程的确定 装置流程的主要有以下几种: a.逆流操作 气相自塔底进入由塔顶排出,液相由塔顶流入由塔底流出, 其传质速率快,分离效率高,吸收剂利用率高。工业生产中多采用此操作。 b.并流操作 气液两相均由塔顶流向塔底,其系统不受液流限制,可提高 操作气速,以提高生产能力。通常用于以下情况:当吸收过程的平衡曲线较平坦 时,液流对推动力影响不大;易溶气体的吸收或吸收的气体不需吸收很完全;吸 收剂用量很大,逆流操作易引起液泛。 c.吸收剂部分循环操作 在逆流操作过程中,用泵将吸收塔排除的一部 分冷却后与补充的新鲜吸收剂一同送回塔内,通常以下情况使用:当吸收剂用量 较少,为提高塔的喷淋密度;对于非等温吸收过程,为控制塔内的温度升高,需 取出一部分热量。该流程特别适用于相平衡常数m 较小的情况,通过吸收液的部 分再循环,提高吸收剂的利用率。需注意吸收剂的部分再循环较逆流操作费用的 平均推动力较小,且需设置循环泵,操作费用提高。 由于氢氟酸在水中的溶解度很大。逆流操作时平均推动力大,传质速率快, 分离效率高,吸收剂利用率高。逆流操作是完成该项任务的最佳选择。 第三节吸收剂的选择 吸收过程是依靠气体溶质在溶剂中的溶解来实现的,因此,吸收剂的性能的 和优劣,是决定吸收操作效果的关键之一,选择时有以下考虑方面: 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 的用量。 b.选择性 吸收剂对溶质组分要有良好的选择吸收能力,而对混合气体中的 其他组分不吸收或吸收甚微,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,要减少吸收和再生过程中 吸收剂的挥发和损失。 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,有助于 传质速率和传热速率的提高。 e.其他 所选的吸收剂尽量的满足无毒性、无腐蚀性、不易燃易爆、不发泡、 冰点低、廉价易得以及化学性质稳定等要求。 在吸收空气中少量的氢氟酸时,水是最理想的溶剂,由于氢氟酸在水中的溶 解度很大;常温常压下,水的挥发度很小;粘度较小;价格低廉等。 第四节 操作温度与压力的确定 1、操作温度的确定 由于吸收过程的气液平衡关系可知,温度降低可增加溶质组分的溶解度。即 低温有利于吸收,当操作温度的低限应由吸收系统的具体情况决定。 2、操作压力的确定 由吸收过程的气液平衡关系可知,压力升高可增加溶质组分的溶解度,即加 压有利于吸收。但随着操作压力的升高,对设备的加工制造要求提高,且能耗增 加因此需结合具体工艺的条件综合考虑,以确定操作压力。 在该任务中,由于在常温常压下操作且在此条件下氨的溶解度很大,且受温 度与压力的影响不大,在此不做过多的考虑。 第二章 填料的类型与选择 第一节 填料的类型 填料的选择包括确定填料的种类、规格及材质等。所选填料既要满足生产工艺的要求,又要使设备投资和操作费用最低。 填料的种类很多,根据装填的方式的不同,可分为散装填料和规整填料两大 1、散装填料散装填料是一个个具有一定集合形状和尺寸的颗粒体一般以随机的方式堆 积在塔内的,又称为乱堆填料和颗粒填料。散装填料根据结构特点不同,又可分 为环形填料、鞍形填料、和环鞍的填料等。以下是典型的散装填料: a.拉西环填料 拉西环填料是最早提出的工业填料,其结构为外径与高度相 等的圆环,可用陶瓷、塑料、金属等材质制成。拉西环填料的气液分布较差、传 质效率低、阻力大、通量小,目前工业上用得较少。 b.鲍尔环填料 鲍尔环是在拉西环的基础上改进而得。其结构为在拉西环的 侧壁上开出两排长方形的窗口,被切开的环壁的一侧仍与壁面相连,另一侧向环 内弯曲,形成内伸的舌叶诸舌叶的侧边与环中间相搭,可用陶瓷、塑料、金属制 造鲍耳环由于环内开孔,大大提高了环内空间及环内表面的利用率气流阻力小,, 液体分布均匀。与拉西环相比通量可提高50%以上,传质效率提高 30%左右。鲍 尔环是目前应用较广的填料之一。 c.阶梯环填料 阶梯环是对鲍尔环的改进。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的翻边由于高径比减少,使得气体绕填料外外壁的 平均路径大为缩短,减少了气体通过填料层的阻力。锥形翻边不仅提高了填料的 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 层之间的空隙,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,成为目前环形 填料中最为优良的一种。 2、规整填料 规整填料是按一定的的几何图形排列,整齐堆砌的填料。规整填料种类很多, 根据其几何结构分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料。工业上使用的绝大多数规 整填料为波纹填料。波纹填料按结构分为网波纹填料和板波纹填料可用陶瓷、塑 料、金属制造。 金属丝波纹填料是网波纹填料的主要形式,是由金属丝制成。其特点是压降低、分离效率高,特别适用于精密精馏及真空精馏装置,为难分离物系、热敏性 的精馏提供了有效的手段。尽管造价高,但因性能优越仍得到了广泛的应用。 金属板波纹填料是板填料的主要形式。该填料的波纹板片上冲压有许多 Φ4mm~Φ6mm 的小孔,可起到粗分配板片上的液体、加强横向混合的作用。波 纹板片上扎成细小沟纹,可起到细分配板片上的液体、增强表面润湿性能的作用。 金属孔板波纹填料强度高,耐腐蚀性强,特别适用于大直径塔及气液负荷较大的 场合。 波纹填料的优点是结构紧凑,阻力小,传质效率高,处理能力大,比表面积 大。其缺点是不适用于处理粘度大、易聚合或有悬浮物的物料,且装卸、清洗困 难、造价高。 第二节 填料的选择 填料种类的选择:填料种类的选择要考虑分离工艺的要求,通常考虑以下几个方面: a.传质效率要高 一般而言,规整填料的传质效率高于散装填料 b.通量要大 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 d.填料抗污堵性能强,拆装、检修方便2、填料规格的选择 填料规格是指填料的公称尺寸或比表面积。 (1)散装填料规格的选择 工业塔常用的散装填料主要有 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,通量减少,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 尺寸的比值要有一规定,一般塔径与填料公称直径的比值D/d 应大于8。 (2)规整填料规格的选择 工业上常用规整填料的型号和规格的表示方法 很多,国内习惯用比表面积表示,主要有125、150、250、350、500、700 种规格,同种类型的规整填料,其比表面积越大,传质效率越高,但阻力增加,通量减少,填料费用也明显增加。选用时应从分离要求、通量要求、场地条件、 物料性质及设备投资、操作费用等方面综合考虑,使所选填料既能满足技术要求, 又具有经济合理性。 应予指出,一座填料塔可以选用同种类型,同一规格的填料,也可选用同种 类型不同规格的填料;可以选用同种类型的填料,也可以选用不同类型的填料; 有的塔段可选用规整填料,而有的塔段可选用散装填料。设计时应灵活掌握,根 据技术经济统一的原则来选择填料的规格。 填料材质的选择填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。 (1)陶瓷填料 陶瓷填料具有很好的耐腐蚀性及耐热性,陶瓷填料价格便宜, 具有很好的表面润湿性能,质脆、易碎是其 最大缺点。在气体吸收、气体洗涤、 液体萃取等过程中应用较为普遍。 (2)金属填料 金属填料可用多种材质制成,选择时主要考虑腐蚀问题。碳 钢填料造价低,且具有良好的表面润湿性能,对于无腐蚀或低腐蚀性物系应优先 考虑使用;不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,且表面润湿性能较差,在某些特殊场合(如极低喷淋密度下的减压精 馏过程),需对其表面进行处理,才能取得良好的使用效果;钛材、特种合金钢 等材质制成的填料造价很高,一般只在某些腐蚀性极强的物系下使用。 一般来说,金属填料可制成薄壁结构,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,应用范围最为广泛。 (3)塑料填料 塑料填料的材质主要包括聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)及聚氯 乙烯(PVC)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,可长期在100C 以下使 塑料填料质轻、价廉,具有良好的韧性,耐冲击、不易碎,可以制成薄壁结构。它的通量大、压降低,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,但可通过适当的表面处理来改善其表面润湿性能。 综上对各种类型、各种规格填料的分析,对于在 20,101.3KPa 下吸收 10 5000m3/h 空气含 2.5%的氢氟酸,由于操作温度及操作压力较低,工业上常用散 装填料。故选用DN38 瓷质拉西环填料。 2、净化塔强度设计和稳定校核 2.1 2.1.1材料选择 根据设计温度 T=320 ,设计压力 P=0.6MPa ,塔壳外表面保温层厚度为 0.8mm,保温层材料的密度为 1.117g/cm 等因素,材料可以选用普通碳素钢Q235 系列或低合金Q345R 等.但由于介质为有毒气体,且其具有 腐蚀性,故不能选用 Q235 系列钢板.而低合金钢中 Q345 340MPa的压力容器专用钢 板,具有良好的综合力学性能和制造工艺性能,且价 格便宜,使用广泛,故选用Q345 2.1.2按设计压力计算筒体壁厚 筒体壁厚 Di—塔内径Di 为2400mm 1341-0.6 由于Q345 钢板厚度为7.5~25mm 时的钢板负偏差 C1 0.8mm,腐蚀裕 5.4+3=8.4mm 考虑刚度,稳定性及各种载荷的影响取名义厚度 C2)=12-(0.8+ 8.2mm2.1.3 封头壁厚计算 1)封头选择 112)壁厚计算 标准椭圆封头壁厚 1341-0.5 0.6 其中,Di 计算压力Pc 0.77MPa 1341-0.5 0.77 12mm,有效厚度 12-(0.8+3) 8.2mm图2-2 椭圆形封头 第三章 填料塔工艺尺寸 第一节 基础物性数据 1、液相物性数据 对于低浓度吸收过程,溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。由手册查 得,20水的物性数据: 密度为 =0.001Pas=3.6kg/(mh)表面张力 HF在水中的扩散系数为 =2.0710-5 cm /s=7.4510-6 2、气相物性数据混合气体的平均摩尔质量为 =(0.02517.03)+(0.9829)=28.85混合气体的平均密度 12 101.328.85 1.200 8.314293 Vm Vm PM kg =1.8110-5 Pas=0.065 kg/(mh) 查手册得HF 在空气中的扩散系数为 DV=0.224cm 3、气液相平衡数据由手册查得,常压下,20时,HF 在水中的亨利系数为 E=76.99kPa 相平衡常数为 m=E/P=76.99/101.3=0.76 溶解度系数为 998.20.72 76.9918.02 kmolkPa 第二节物料衡算 进塔的气相摩尔比为 0.0250.0256 0.0256(10.99) 0.000256 进塔惰性气相流量为5000 273 0.025)202.78 22.4293 0.02560.000256 0.0256 =0.7524取操作液气比为 13 min =1.053*V=1.053*244.58=257.54kmol/h 244.58(0.02560.000256) 0.0241 257.54 第三节填料塔的工艺尺寸的计算 1、塔径计算 采用Eckert 通用关联图计算泛点气速。 气相的质量流量为 =50001.196=5980kg/h液相质量流量可近似按纯水的质量流量计算,即 =L18.02=257.5418.02=4640.87kg/h Eckert 通用关联图的横坐标为 0.54640.87 1.200 5980 998.2 =0.0269查Eckert 通用关联图得 =0.23查表拉西环填料泛点填料因子平均值为 36003.14 0.345 =2.265m圆整塔径,取D=2.4m 泛点率校核: 14 36000.307 0.7852.4 0.3070.493 100% =62.27% (在允许范围内) 填料规格校核: =2400/38=63.16

  8(满足要求) 液体喷淋密度校核: 取最小润湿率为 查表得:DN38 拉西环填料的比表面积 998.20.785 2.4 =1.028

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