第二章 工艺计算

第二章工艺计算2.1概述整个工艺计算过程包括以下几点：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。2.2气液平衡关系由于原料气组成中，丙酮占1.5%，含量较低，属于溶解度较小的难溶气体或低浓（1.0x）气体混合物溶于溶剂中，用地下水吸收时不会产生热效应，对气液平衡关系和吸收速度没有明显影响，属于等温吸收。因此吸收操作中的气液平衡关系可用亨利定律描述。即：Expe（2-1）式中：ep——溶质的气相平衡分压，KPa;x——溶质在平衡液相中的摩尔分率，无因次；E——亨利系数，KPa.亨利定律表明，稀溶液上方的溶质分压与该溶质在平衡液相中的摩尔分率成正比，其比例系数称为亨利系数，亨利系数越大表示溶质在溶剂中的溶解度越小。如果溶液的浓度不用摩尔分率而改用体积摩尔浓度c来表示，则亨利定律也可写成：ep=Hc（2-2）H——溶解度系数，H越大则溶质在溶剂中的溶解度越大。亨利定律还可表示：mxye（2-3）ey——溶质在气相中的摩尔分率，m称为相平衡常数，m越大溶质越难溶。亨利系数E和相平衡常数m间的关系为：PEm（2-4）p为操作系统的总压强。当溶质在液相中的浓度比较低时（05.0x),亨利系数E和溶解度系数H间的关系可表示为：sEMH（2-5）式中：sM——溶质的分子量，KmolKg；——溶液的密度，3mKg2.3平衡关系的确定操作条件下，进入吸收塔气体的摩尔流量：hKmolVVVm64.444.221000标总操作条件下，进入吸收塔惰性气体的摩尔流量：hKmolVV93.47)015.01(64.44)1(总惰操作条件下，进入吸收塔丙酮气体的摩尔流量：hKmolVV67.0015.064.44总丙酮因为气体中丙酮的体积分率为1.5%，所以015.01y进塔气体中丙酮的组成为（下标：1—塔底；2—塔顶）:0194.0019.01019.01111yyY00194.0)9.01(0194.0)1(12YY当01.0x时，由以下公式计算得出亨利系数E：]1[)2040(165.7lgTE代入数据得：)]41273(2040[165.7lgE解得：KPaatmE06.4723.10166.466.4由公式（2-4）得：27.559.8906.472PEm由公式mYXe11；（1eX—与1Y平衡的液相组成）得：00368.066.400194.011mYXe2.4吸收剂用量及操作线的确定2.4.1物料衡算如图2-3，对于逆流操作的吸收塔，在任意截面M-N与塔顶或塔底作物料衡算：LXVYLXVY11或LXVYLXVY222.4.2吸收剂用量的确定1.最小吸收剂用量2121minXXYYVLe（2-5）2121minXXYYVLe（2-6）式中：V—惰性气体流率，Kmol/hminL—最小吸收剂用量Y,X—气相和液相组成由公式（2-6）得：hKmolXXYYVLe61.29000368.000194.00194.031.612121min2.吸收剂用量minmin)0.2~1.1()0.2~1.1(LLVLVL或1,YV2,YVMN1,XL2,XL图2-3吸收塔的逆流物料衡算示意图取min5.1LL，即：hKmolLL91.43561.2905.15.1min2.4.3操作线方程的确定由以上计算得操作可得操作线方程为：2211XVLYXVLYXVLYXVLY或由于是清水吸收，故2X=0,代入数据得操作线方程为：00194.011.7031.6191.43500194.031.6191.435XXY平衡线方程为：XmXYe27.5出塔液相丙酮的摩尔比为：0025.0)00194.00194.0(91.43531.61)(2211XYYLVX出塔液相中丙酮的摩尔分数：0025.00025.010025.01111XXx2.5物性参数的计算2.5.1气相密度的计算塔底混合气摩尔质量：molMMMg55.2929981.008.58019.0985.0015.01空气丙混塔底混合气密度：311kg014.1314314.855.2959.89mRTPMV混塔顶混合气摩尔质量：0019.000194.0100194.01222YYymolgM06.292900194.0108.5800194.02）（混塔顶混合气密度：RTPMV22混0.997kg/m3气相密度：221VVV1.066kg/m32.5.2液相密度塔顶液的密度：324.999mkgL水塔底液密度：kgm58.79081891.4359.008.5819.1总3928.74.9991891.43508.8049.008.5819.1mmmV水水丙酮丙酮总＝31/55.997928.758.7908mkgVmL总总液相密度;221LLL=3/48.998255.9974.999mkg2.5.3液体粘度塔顶液粘度：查资料得：smPaL2363.12水塔底液粘度:查资料得：丙酮0.379mPa·s由公式2111lg)1lglg水丙酮（xxL可得塔底液粘度1L；代入数据得：1LsmPa·2327.1液体粘度：221LLLsmPa·2345.122363.12327.12.5.4气体粘度查表可得：Co时，丙酮；smPa0129.0空气21211iiiiiVMyMysmP·001912.0299981.008.580019.02901915.09981.008.580082.00019.02/12/12/12/121212iiiiiVMyMysmP·01885.029981.008.58019.02900915.0981.008.580082.0019.02/12/12/12/1221VVVsPa·10899.1201912.001885.052.5.5液体的质量流量：塔顶的质量流量：水MLWL2hkg/38.78461891.435塔底的质量流量：丙酮丙酮MVWWLL21hkg/58.79089.019.108.581891.435液体的质量流量：221LLL2.5.6气体的质量流量塔底的质量流量：空气空气丙酮丙酮MVMVWV1hkg/11.184708.5819.12931.61塔顶的质量流量：丙酮丙酮MVWWVV12hkg/90.1784气体的质量流量:221VVV2.6塔径的计算2.6.1泛点气速填料塔塔径的大小是根据生产能力与空塔气速来计算的。空塔气速由下面经验公式确定：8.0~5.0uuF（2-12）式中：Fu—泛点气速，m/su—空塔气速，m/s泛点气速与气液流量、物系性质及填料的类型、尺寸等因素有关。其计算方法很多。目前工程上常采用Eckert通用关联图或Bian&Hougen关联式计算Fu。采用Bian&Hougen关联式计算Fu，计算公式为：81412.032lgLVVLLLVtFWWKAagu从这一步开始，要对所选两种填料分别进行计算，填料物性参数见表1-1。以下演算过程是以塑料阶梯环为例的，两种填料的结果汇总将在后面几节中依次列出。代入数据：81412.032lgLVVLLLVtFWWKAagu解得：Fusm/84.22.6.2塔径由式2-12得F8)u.0~5.0(u取F0.7uu阶u=sm/526.17.018.2塔径可按下式计算：D=uVs4（2-13）式中：sV—操作条件下混合气体体积流量，3m/sD—塔径，m先求塔径，当计算出的数值不足整数时，往往需要圆整。圆整的根据是符合加工要求及设备定型，以便于设备加工。根据国内压力容器的公称直径标准（JB-1153-71），直径在1m以下时，间隔为100㎜，（必要时在700㎜以下时可用50㎜为间隔）；直径在1m以上时，间隔为200㎜（必要时在2m以下时可用100㎜为间隔）。演算过程如下：（塑料阶梯环）D阶=988.114.3506.04=0.569m圆整：D阶=0.6m考虑到所选填料尺寸，故圆整时以50㎜为间隔。2.7校核2.7.1单位高度填料层压降ZP压强降是塔设计中的重要参数。气体通过填料层压强降的大小决定了塔的动力消耗。填料层压降的计算方法有多种，这次课设采用的是Eckert通用关联图方法。图2-5Eckert通用关联图vWLW—液气相流率，Kg/sL,v—液气相密度，Kg/3mL—液相粘度，mPa.s—液相密度校正系数，=LoH2—填料因子，1/mg—重力加速度,m/s2如图2-5所示，Eckert通用关联图除了有液泛线以外，还有许多等压降线。由已知参数及所用填料的压降填料因子P代替，计算出该图的横、纵坐标值，查图读取相应压降曲线的值（若交点没正好落在压降线上，可用相邻两条线内插读取），即为单位高度填料层压降Zp。在常压塔中，一般Zp在145～490Pa/m较为合理，如超出这个范围，应按要求的Zp值，由Eckert通用关联图反求气速u，再重新计算塔径。演算过程如下：(塑料阶梯环）1、用圆整后的塔径反算uD阶=0.6m0.6=阶u14.3506.04，阶u=1.79m/s2、校核：P按近似计算，由于前面求出的L与oH2相近，故取=1纵坐标2.0LLv2Fgu=48.998006.12345.148.9984.9999.8111161.792.02=0.040横坐标21LvvLWW138.048.998006.101.181648.78772/1在Eckert通用关联图上查得相应压降曲线的值Zp=26×9.81＝255.06Pa/m，压降合理。2.7.2喷淋密度填料塔中气液两相间的传质主要是在填料表面流动的液膜上进行的。要形成液膜，填料表面必须被液体充分润湿，而填料表面的润湿状况取决于塔内的液体喷淋密度及填料材质的表面润湿性能。液体喷淋密度是指单位塔截面积上，单位时间内喷淋的液体体积，以U表示，单位为m3/(m2·h)。为保证填料层的充分润湿，必须保证液体喷淋密度大于某一极限值，该极限值称为最小喷淋密度，以Umin表示。minmin)(WLU式中Umin最小喷淋密度，m3/m2s(LW)min—最小润湿速率，m3/m·s—填料的比表面积，m2/m3最小润湿速率是指在塔的截面上，单位长度的填料周边的最小液体体积流量。其值可由经验公式计算，也可采用经验值。对于直径不超过75mm的散装填料，可取最小润湿速率(LW)min为0.08m3/（m·h）；对于直径大于75mm的散装填料，取(LW)min=0.12m3/（m·h）。填料表面润湿性能与填料的材质有关，就常用的陶瓷、金属、塑料三种材质而言，以陶瓷填料的润湿性能最好，塑料填料的润湿性能最差。实际操作时采用的液体喷淋密度应大于最小喷淋密度。若喷淋密度过小，可采