工程原理课程设计清水吸收混合气中二氧化硫Word格式.docx
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由于氨水具有轻度腐蚀性,故需要防腐泵,气体则需选用风机。
泵一个型号需配置两台,供替换使用,风机需一台。
详细流程参见流程图。
实际操作中的流量计和压力表等也需要考虑出现问题以后不影响正常工作。
1.2.2流程布置
由于逆流操作时平均推动力大,吸收剂利用率高,完成一定分离任务所需传质面积小,所以选定流程为逆流。
对于无相变传热,当冷、热流体的进、出口温度一定时,逆流操作的平均推动力大于并流,因而传递同样的热流量,所需传热面积较小。
就增加传热推动力而言,逆流操作总是优于并流。
此时吸收剂用量未知,我们可以按照逆流进行物料衡算得出吸收剂用量后,以此作为一个评判标准,判断是否该用逆流。
1.2.3吸收剂的选择
吸收剂性能的优劣是决定吸收操作效果的关键之一,选择吸收剂用量时应着重考虑以下几个方面:
1.溶解度要大,以提高吸收率并减少吸收剂的需用量;
2.选择性要好,对溶质组分以外其他组分的溶解度要很低或基本不溶;
3.挥发度要低,以减少吸收和再生过程中吸收剂的会发;
4.操作温度下吸收剂应具有较低的粘度,且不易产生泡沫,以实现吸收塔内良好的气液接触状况;
5.对设备腐蚀性小或基本无腐蚀性,尽可能无毒;
6.价廉、易得、化学稳定性要好,便于再生,不易燃烧等。
本次课设的题目中,已给出吸收剂为25℃地下水。
1.3填料的选择
1.3.1吸收过程对填料的要求
填料的选择是填料塔设计中最为重要的一步,在本次课设中,选用两种填料进行计算,最终根据计算结果择优。
填料塔对填料的要求表现在以下几方面:
1.比表面积要大;
2.能提供大的流体通量;
3.液体的再分布性能要好;
4.要有足够的机械强度;
5.价格低廉。
1.3.2填料的选取
首先选择散装填料,这是由于规整填料在装卸、清理时相对困难,且同种类型的规整填料,其表面积越大,传质效率越高,但阻力增加,通量减少,填料费用造价也明显增高。
其次,要进行两种填料间的比较,则应选用相同的外径,这样才具有可比性。
陶瓷材质的材料虽然质脆、易碎,但其耐腐蚀性较好,一般能耐除氢氟酸以外的常见的无机酸、有机酸及各种有机溶剂的腐蚀。
且表面润湿性强,价格便宜,可在低温、高温下工作,具有一定的抗冲击性,故应用较为广泛。
塑料材质的虽耐腐蚀性能好,价格适中,但耐温性及湿润性较差。
金属材质有碳钢、铝铝和铝合金等,多用于操作温度较高而无显著腐蚀性的操作。
本次设计任务是高浓氨混合气体吸收,其具有强腐蚀性,故最佳填料选择应为陶瓷质地。
一般用于直径小于900的小塔,选用外径为25mm的填料;
而直径大于900的塔,一般采用50mm以上的大填料。
综上所述,选取的两种填料见表1-1
表1-1(乱堆)
填料
类型
外径d
mm
比表面积
m2/m3
Uf
U
填料因子φ
填料塔经(mm_)
D
陶瓷鲍尔环
25
220
1.9947
1.5957
300
1000
50
110
1.995
1.935
0.046
130
900
陶瓷拉西环
190
1.6286
1.3029
450
93
3.03
1.568
0.05
综合比较,合理范围内填料塔径D均大于900mm,据此采用50mm以上的大填料。
故d=25mm的等数值无需再继续计算比较。
1.4设备的选用
塔体
喷淋装置
填料塔填料
液体再分布器
填料支撑装置等
在本次课程设计中,要求用25℃小于0.005%的稀氨水作为吸收剂吸收氨气,原料气由45%的氨气和55%的空气组成。
选用填料塔来吸收,填料塔有结构简单、压力降小、传质效率高、便于采用耐腐蚀材料制造,以及生产能力大、吸收效果好、操作弹性大等优点,塔的底部有用来支撑填料的栅板,并允许气液通过,支撑板上的填料有乱堆方式。
填料层的上方有液体分布装置,从而使液体均匀喷洒于填料的表面上,使整个塔截面的填料表面润湿。
但因填料层中的液体有向塔壁流动的趋势,即“趋壁效应”,因此填料层较高时往往将其分为几段,每一段填料层上方设有再分布器,将沿塔壁流动的液体导向填料层内。
近些年来,由于性能优良的新型填料不断开发,改善了填料层内气液两相的分布与接触情况。
在某些场合甚至正逐步取代传统板式塔。
第二章吸收塔的工艺计算
吸收设计计算过程主要包括以下几点:
1.确定气液平衡关系。
2.确定吸收剂用量及操作线方程。
3.填料的选择。
4.确定塔径及塔的流体力学性能。
5.填料层高度的计算。
6.管路及辅助设备的计算。
2.1气液平衡关系
由于原料气组成中,氨气占45%,含量较高,用地下水吸收时会产生很大的热效应,使塔内温度显著升高,对气液平衡关系和吸收速度产生明显影响,属于非等温吸收。
在逆流吸收塔中气液平衡关系是温度的函数,温度升高,平衡关系便要改变,所以,在这种情况下不能再利用我们熟悉的亨利定律,应重新按照非等温吸收的热衡算,根据液相浓度和温度的变化情况,定出实际的平衡关系。
非等温吸收的热效应主要包括:
1.吸收质与吸收剂混合时产生的混合热,即溶解热。
2.气体溶解时由气态转变为液态时放出的潜热。
3.化学反应热。
物理吸收计算中只考虑溶解热,溶解热分为积分溶解热和微分溶解热。
在吸收过程中所用的吸收剂量很大,液相浓度一般变化较小,于是混合热可考虑为微分溶解热。
在假定非等温吸收的平衡关系时,为简化计算,通常做如下三点假设:
1.不考虑热损失。
2.吸收剂带走的潜热不计。
3.气相带走的热量不计。
以上假设,即是假定吸收过程中所释放出的热量全部用来加热液体。
在给定的设计条件中得知,要设计的是高浓度气体的非等温吸收。
由塔顶到塔底的浓度及温度变化较大,平衡关系的确定常采用近似法。
将吸收塔按液相浓度x的变化分成若干段,每段浓度变化为,如图2-1所示,对第i段作热量衡算:
根据课设要求,此处我们可以假设浓度变化范围为x=(0~0.1),分为20段,即每段浓度变化为=0.005。
溶质被吸收时放出的热量:
液相温度由升至时吸收的热量:
根据前面的假设,吸收过程中放出热量全部用于液相升温,=
即
则有:
(2-1)
式中:
,—第i段两端的液相温度,℃;
—第i段两端的液相浓度差;
—溶液流率,Kmol/h(由于很小,L可视为常数)
—溶液的平均比热,(KJ/Kmol·
℃)
—溶质的微分溶解热,KJ/Kmol(取和间的平均值)
在塔顶液相浓度=0,温度=25℃的情况下,由式2-1逐段计算出每个下的液相温度,建立吸收塔中液相浓度x与温度t的对应关系。
2.2平衡关系及平衡线的确定
在非等温吸收操作中,吸收塔内液相的浓度和温度分别由塔顶处的,增加到塔底处的,。
在此液相浓度和温度范围内,随着和t的变化,气液两相的平衡关系也在改变,即不同温度对应着不同的平衡曲线。
实际平衡关系可由温度与浓度的关系得到,可由经验公式来确定。
对于氨气和水溶液的平衡物系,若选用经验公式,可作如下计算:
式中:
—氨在水溶液中的摩尔分率
T—溶液的温度,K
—溶液上方氨的平衡分压,㎜Hg
由于是常压下吸收,气相可是为理想气体,按道尔顿分压定律,计算与相平衡的:
P—操作压强,㎜Hg
计算过程如下:
(以第二组数据为例)。
㎜Hg
=
根据计算结果,以为横坐标,为纵坐标,在坐标纸上绘出非等温吸收的平衡关系曲线,如下图2-2所示。
(见附图一)
表2-2计算结果
x
hd
t
T
lgP
p
y*
298.15
0.005
34884.38
27.3143
300.4643
0.564548
3.669001
0.00546
0.01
34853.13
29.6266
302.7766
0.940161
8.712865
0.012966
0.015
34821.88
31.9367
305.0867
1.177626
15.0531
0.022401
0.02
34790.63
34.2449
307.3949
1.35813
22.81026
0.033945
0.025
34759.38
36.5509
309.7009
1.507121
32.14554
0.047837
0.03
34728.13
38.8549
312.0049
1.635947
43.24612
0.064356
0.035
34696.88
41.1567
314.3067
1.750665
56.32028
0.083812
0.04
34665.63
43.4566
316.6066
1.854902
71.59814
0.106548
0.045
34634.38
45.7543
318.9043
1.950994
89.32933
0.132934
34603.13
48.05
321.2
2.040548
109.7863
0.163377
0.055
34571.88
50.3436
323.4936
2.124709
133.2629
0.198314
0.06
34540.63
52.6351
325.7851
2.204327
160.0764
0.238216
0.065
34509.38
54.9246
328.0746
2.280052
190.5689
0.283593
0.07
34478.13
57.5211
330.6711
2.35734
227.688
0.338831
0.075
34446.88
59.4973
332.6473
2.42174
264.0828
0.392992
0.08
34415.63
61.7805
334.9305
2.488434
307.9175
0.458224
0.085
34384.38
64.0617
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