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填料层压降的计算
发布时间发布时间:2020-09-27 14:54

  填料层压降的计算_物理_自然科学_专业资料。二、吸收操作技术: 工作任务: (1)吸收、解吸塔的仿线)填料塔的结构类型、特点与流体力学 性能; (3)低浓度吸收原理及基本计算; (4)其他吸收及解吸; (5)吸收塔的实际操作。 第

  二、吸收操作技术: 工作任务: (1)吸收、解吸塔的仿线)填料塔的结构类型、特点与流体力学 性能; (3)低浓度吸收原理及基本计算; (4)其他吸收及解吸; (5)吸收塔的实际操作。 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 吸收塔的结构及应用 吸收定义: 尾气 吸收剂 使混合气体与选择的某种 液体相接触时,利用混合气体 中各组分在该液体中溶解度的 差异,有选择的使混合气体中 一种或几种组分溶于此液体而 形成溶液,其它未溶解的组分 仍保留在气相中,以达到从混 合气体中分离出某些组分的目 的。 吸收塔 混合气体 溶液 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 一、工业吸收过程 必须解决问题: 1、选择合适的吸 收剂; 2、提供合适的气 液传质设备; 3、吸收剂的再生 循环使用。 吸收塔 解吸塔 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 二、吸收在工业生产中的应用 (1)净化或精制气体 (2)制备某种气体的溶液 (3)回收混合气体中的有用组分 (4)废气治理,保护环境 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 三、填料塔的结构与特点 填料塔的结构与特点 : ? (1)结构简单,便于安装,小直径的填料塔造 价低。 ? (2)压力降较小,适合减压操作,且能耗低。 ? (3)分离效率高,用于难分离的混合物,塔高 较低。 ? (4)适于易起泡物系的分离,因为填料对泡沫 有限制和破碎作用。 ? (5)适用于腐蚀性介质,因为可采用不同材质 的耐腐蚀填料。 ? (6)适用于热敏性物料,因为填料塔持液量低 ,物料在塔内停留时间短。 ? (7)操作弹性较小,对液体负荷的变化特别敏 感。当液体负荷较小时,填料表面不能和好地润 湿,传质效果急剧下降;当液体负荷过大时,则 易产生液泛。 ? (8)不宜处理易聚合或含有固体颗粒地物料。 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 填料的类型及性能评价 ? 填料特性有: ? 1 比表面积 ? 单位体积填料层所具有的表面积称为填料的 比表面积,以?表示,其单位为m2/m3 ; ?? 传质面积? ? 2 空隙率? ? 单位体积填料层所具有的空隙体积,?应尽可能大,以提高 气液通过能力和减小气液阻力 ? 3 填料因子? ? 把有液体喷淋条件下实测的?/ ? 3相应数值称湿填料因子, 单位:l/m。?? 填料阻力? 发生液泛时的气速? 亦即流体 力学性能好 ? 4 单位堆积体积的填料数目 ? 填料尺寸? 数目? ?? ?? 气流阻力? 填料造价? ? 填料尺寸? 塔壁处?? 气流易短路,为控制气流不均匀,填料 尺寸不应大于(1/10----1/8)D 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 1、实体填料 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 2、网状填料 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 填料塔的附件 填料支承装置 填料压紧装置 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 液体的分布装置 液体再分布装置 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 除沫装置 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 四、填料塔的流体力学性能 气体通过填料层的压力降 ? 当液体自塔顶向下借重力在填料表面作膜状流动时,膜 内平均流速决定于流动的阻力。而此阻力来自于液膜 与填料表面,及液膜与上升气流之间的摩擦。 ? 液膜厚度不仅取决于液体流量,而且与气体流量有关 ? 气量? 液膜厚? 填料内的持液量? ? 图7-29为不同液体喷淋量下取得的填料层压力降与空 塔气速的双对数关系线: ? 线A:气体通过干填料层时,压力降与空塔气速的关系,为 直线 ? 线B:有液体喷淋,液体量小 ? 线C:有液体喷淋,液体量大 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 第四章 吸收操作技术 以线B为例: u较低(点L以下):线与A线 大致平行。u? ?P? 液体下 流与流速无关 u大于uL以后:线斜率增大,上 升气流开始阻碍液体顺利下 流,?P? u大于uF以后:?P与u成垂直关 系,表明上升气体足以阻止液 体下流,于是液体填料层充满 填料层空隙,气体只能鼓泡上 升,随之液体被气流带出塔顶, 发生液泛。 化工单元操作技术 载点(L点):空塔气速u增大到uL以后,气速以使上升 气流与下降液体间摩擦力开始阻碍液体顺利下流,使 填料表面持液量增多,占去更多空隙,气体实际速度与 空塔气速的比值显著提高,故压力降比以前增加的快, 这种现象称载液,L点称载点。 泛点F:u增大到uF以后?P与u成垂直关系,表明上升气 体足以阻止液体下流,于是液体填料层充满填料层空 隙,气体只能鼓泡上升,随之液体被气流带出塔顶,塔的 操作极不稳定,甚至被完全破坏,这种现象称液泛,F点 称为泛点。 线C的载点和泛点气速都比线B的更低 目前一般认为填料塔的正常操作状态只到泛点为止. 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 埃克特通用关联 图的应用: (1)求泛点气速。 (2)根据工艺规定 的允许压降值计 算空塔气速,或 根据选定的空塔 气速计算压降。 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 填料塔的液泛与持液量 ? 填料塔液泛 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 填料塔正常操作 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 吸收的理论知识 一、吸收操作的分类 ? 按是否有化学反应分:物理吸收、化学吸收 ? 按有无明显温度变化分:等温吸收、非等温 吸收 ? 按组分数分:单组分吸收、多组分吸收 ? 按浓度分:低浓度气体吸收、 高浓度气体吸 收 ? 本章主要讨论:低浓度单组分等温的物理吸 收。 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 二、亨利定律 当总压不高时,在一定温度下,稀溶液上方气体溶质的平 衡分压与溶质在液相中的摩尔分率成正比,这就是亨利定 律。 其表达式为: p*=Ex E:亨利系数,由实验测定,单位与压强单位一致。 T? E? 溶解度? 在同一溶剂中,难溶气体的E值很大,易溶气体的E值则 很小。 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 亨利定律的不同表达形式: p*=c/H H:溶解度系数,单位:kmol/(kN ·m) H=?/Ems y*=mx m:相平衡常数 总压P一定时y*=p*/P=(E/P)x=mx m=E/P T? p? m?溶解度? 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 x? X 1? X y*=mx Y* 1?Y* ? mX 1? X y? Y 1?Y Y * ? mX 1? (1? m)X 亨利定律是稀溶液定律,则x很小,1+(1-m)X=1则 Y*=mX 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 三、相平衡与吸收的关系 1、判断过程进行方向 x=0.05 y=0.1 y*=0.94x y*=0.94×0.05=0.047 y x*=0.1/0.94=0.106 x 吸收 吸收 x=0.1 y=0.05 y*=0.1×0.94=0.094 y x*=0.05/0.94=0.053 x 解吸 解吸 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 2、计算过程推动力 V Y2 L X2 Y 吸收塔 Y Y`* Y* Y` Y`*-Y Y-Y* (X,Y) X*-X (X`,Y`) X`-X`* V Y1 L X1 X`*X X` X* X 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 3、判断过程进行极限 V Y2 L X2 吸收塔 V Y1 L X1 设塔足够高: L减小,X1增大, X1max=X1*=Y1/m; L增大, Y2减小, Y2min=Y2*=mX2 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 四、吸收传质机理 (一)传质基本方式 1、分子扩散 分子扩散:在一相内部有浓度差的条件下,由于 分子的无规则热运动而造成的物质传递现象。 菲克定律 JA ? ?DAB dCA dz DAB:扩散系数,m2/s; dCA/dz:物质A的浓度梯度,kmol/m4; JA:分子扩散通量,kmol/(m2 ·s) 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 2、涡流扩散 凭藉流体质点的湍动和旋涡来传递物质的现象。 3、对流传质 J ? ??D ? DE ? dcA dz 发生在流动着的流体与相界面之间的传质 过程。在滞流内层主要是分子扩散。在过渡层既 有分子扩散,也有对流扩散。在湍流主体中主要 是对流扩散,阻力很小,可以忽略,即认为浓度一致。 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 (二)双膜理论 1 在气液两流体相接触处,有一稳定的分界面,叫相界面。在 相界面两侧附近各有一层稳定的气膜和液膜。这两层薄膜 可以认为是由气液两流体的滞流层组成,即虚拟的层流膜层, 吸收质以分子扩散方式通过这两个膜层。 2 全部浓度变化集中在这两个膜层内。 3 在相界面处,气液浓度达成平衡,即界面上没有阻力。 通过以上假设,就把整个吸收过程简化为,吸收质经过双膜 层的过程,吸收阻力就是双膜的阻力。故该理论又称为双膜 阻力理论。 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 五、传质阻力的控制 (一)吸收速率方程 1、 气膜吸收速率方程 NA=kg(p-pi) kG:气膜吸收系数,单位:kmol/kN ·s,它与扩散系数,操作压 力,温度,气膜厚度,以及惰性组分的分压有关。 1/kG:与推动力p-pi相对N应A的=k气y(膜y-阻yi)力 ky:气膜吸收系数,单位:kmol/(m2 ·s),1/ky:与推动力y-yi 相对应的气膜阻力 。 ky=Pkg 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 2、液膜吸收速率方程 NA=kL(ci-c) kL:液膜吸收系数,单位:m/s; 1/kL:与推动力(ci-c)相对应的液膜阻力 NA=kx(xi-x) kx:液膜吸收系数,单位:kmol/(m2 ·s); 1/kL:与推动力(xi-x)相对应的液膜阻力 kx=C ·kL 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 3、总吸收速率方程 1 以(p-p*)表示总推动力的吸收速率方程 NA ? pA ? 1 pi ? ci ? cA 1 ? ci H ? cA H 1 ? pi ? p*A 1 ? pA ? p*A 1? 1 kG kL HkL HkL kG HkL ? ? N A ? KG p ? p* KG:气相吸收总系数,单位:kmol/(m2·s ·kPa) 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 2 以(c*-c)表示总推动力的总吸收速率方程 NA ? pA ? pi 1 ? ci ? cA 1 ? HpA ? Hpi H ? c*A ? ci H ? c*A ? cA H?1 kG kL kG kG kG kL ? ? N A ? KL c* ? c KL:液相吸收总系数,单位:m/s KG=H ·KL ? ? 同理可有: N A ? K X X * ? X ? ? N A ? KY Y ? Y * 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 (二)传质阻力的控制 对于易溶气体,H很大,1/kG1/kLH,则 KG=kG 吸收阻力主要集中在气膜中,这种吸收称为气膜控制。 例如:用水吸收氨,氯化氢气体 对于难溶气体,H很小,H/kG1/kL,,则 KL=kL 这种吸收称为液膜控制吸收,吸收阻力主要控制在液膜 例如:用水吸收氧气,二氧化碳等 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 六、吸收剂的选择 1 溶解度 溶解度越大,吸收速率越大,吸收剂用量越越少。 2 选择性 吸收剂要对溶质组分有良好的吸收能力,对其它组分基本 上不吸收,或吸收甚微,否则不能实现有效的分离。 3 挥发度 挥发度越大,则溶剂损失量越大,分离后气体中含溶剂量也 越大。 4 粘度 粘度越小,流动性越好,吸收速率越大,泵的功耗越小,且传质阻 力减小。 5 其它 要求无毒,无腐蚀性,不易燃,不发泡,冰点底,价廉易得,具有化学 稳定性。 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 第三节 吸收塔的设计计算 吸收塔分板式塔和填料塔,本章主要讨论填料塔。 主要计算任务: (1) 吸收剂用量的计算 (2) 塔底排除液浓度的计算 (3) 填料层高度的计算 (4) 塔径的计算 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 一、吸收塔的物料衡算和操作线+LX1 或 V(Y1-Y2)=L(X1-X2) Y2=Y1(1-?A) 吸收塔 2、吸收操作线 第四章 吸收操作技术 V Y1 L X1 化工单元操作技术 二、吸收剂用量的确定 1、吸收剂用量的影响 2、最小液气比和液气比 三、塔径的计算 D ? 4Vs ?u VS---操作条件下混合气体的体积流量m3/s u----空塔气速,即按空塔截面积计算的混合气体的线 速度,塔底气量最大,一般以塔底气量计算 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 塔径取决于气体的体积流量和适宜的空塔气速。 前者由生产条件决定,后者则在设计时规定 泛点率:适宜空塔气速与泛点气速之比。 u适宜=(50?--80?)u泛点 一般填料塔的操作气速大致在0.2--1.0m/s。 用上法计算出的塔径要进行圆整,且要验算塔内液 体的喷淋密度是否大于最小喷淋密度. 喷淋密度Umin=(LW)min? 润湿率LW:指塔的横截面上,单位长度的填料周 边上,液体的体积流量 LW=U/? 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 最小润湿速率指在塔的截面上,单位长度的填料周边的 最小液体体积流量。填料层的周边长度在数值上等于单 位体积填料层的表面积,即干填料的比表面积。(LW) min可由经验公式计算,也可采用一些经验值。对于直径 不超过75mm的散装填料,可取最小润湿速率为2.2×105 m3/(m·s);对于直径大于75mm的散装填料,可取最小 润湿速率为3.3×10-5 m3/(m·s)。 最后为保证填料均 匀润湿,避免壁流现象,需要对塔径与填料直径之比作 校和。对拉西环要求D/d20;鲍尔环D/d10;鞍形填料 D/d15。 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 四、填料层高度的计算 V Y2 L X2 1、基本计算式 dG ? NAdA ? NA???dz? ? ? ? ? NA ? KY Y ?Y* ? KX X * ? X dG ? VdY ? KY (Y ? Y *)??dz dG ? LdX ? K X ( X * ? X )??dz 将两式从塔顶至塔底积分,得: 吸收塔 ? z ? V KY?? Y1 dY Y2 Y ? Y * ? HOG ? NOG ? z ? L K X?? X1 dX X2 X * ? X ? HOL ? NOL V Y1 L X1 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 传质单元高度和传质单元数 ? NOG ? Y1 dY Y2 Y ? Y * 气相总传质单元数,无单位。它与气相进出口浓度及平衡 关系有关。反映吸收过程进行的难易程度,与吸收塔的结 构以及气液流动状况无关。NoG 值大 ,吸收进行困难,为使Z 减小,应选高效填料使HoG小,或改吸收剂使Y-Y*增大, NoG减 小. H OG ? V KY?? 气相总传质单元高度,单位m,与操作条件、设备形式有 关。反映吸收设备效能高低。 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 2、传质单元数的计算 (1)解析法 适用范围:平衡关系为Y*=mX,符合亨利定律 将相平衡关系、操作线方程代入传质单元数式,积分得到: NOG ? 1 1? s ? ln ?(1? ? s) Y1 Y2 ? mX 2 ? mX 2 ? ? s? ? s ? mV L 称为“脱吸因数”,无因次。 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 Y1 ? mX 2 Y2 ? mX 2 反映吸收率的高低对传质单元数的影响。 当Y1,X2一定, ? ↑Y2=Y1(1- ?)↓, Y1 Y2 ? ? mX m↑ X 2对于同一S, 2 NoG↑ S 反映吸收推动力的大小。 当Y1 ,? (Y2) , X2 , m 一定,S = mVB / Ls↑,即 Ls/VB↓,X1↑,Y-Y*↓,NoG↑,反之S↓,NoG↓。 S大,对吸收不利,S小,则Ls大,6up,操作费用大, 一般 S=0.7~0.8之间。 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 (2)对数平均推动力法 适用范围:平衡线为直线,或在吸收操作范围内近似为直线 仿照传热过程,用平均推动力代替全塔推动力。 ?Ym ? (Y1 ? Y1* ) ? (Y2 ? Y2* ) ln (Y1 (Y2 ? Y1* ) ? Y2* ) VB (Y1 ? Y2 ) ? N A ? Z?a ? KY ?Ym ? Z?a Z ? VB ? Y1 ? Y2 KY a? ?Ym N oG ? Y1 ? Y2 ?Ym 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 五、填料塔的设计原则 (一)填料的选择 1.填料种类的选择 (1)填料的传质效率 (2)填料的通量 (3)填料层的压降 (4)填料的使用性能 即填料的抗污垢、堵塞性能及是 否方便拆装与检修。 2.填料规格的选择 3.填料材质的选择 (1)陶瓷填料 (2)金属填料 (3)塑料填料 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 (二)填料塔的工艺尺寸计算原则 1.塔径计算 2.填料层高度计算 (三)填料层压降的计算 填料层压降,根据填料填充类型采用计算方法不同。 散装填料压降可从有关填料手册中的实测数据查取,也可 由埃克特通用联图来计算。整装填料可通过关联公式计算, 也可查填料手册。 (四)填料塔结构设计 填料塔的结构设计包括塔体设计及塔内件设计两部分。 有关填料塔结构设计的方法可参考有关专门书籍。 应予指出,填料塔可广泛地应用于吸收、萃取、精馏等单 元操作过程中,各种单元操作中填料塔的设计方法有所不 同,上述设计过程只是一般原则。 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 实训:吸收塔的日常运行与操作 一、工艺操作指标的调节 1.温度 吸收温度对塔的吸收率影响很大。吸收剂 的温度降低,气体的溶解度增大,溶解度系数增 大。 2.压力 提高操作压力,可以提高混合气体中溶质 组分的分压,增大吸收的推动力,有利于气体吸 收。但压力过高,操作难度和生产费用会增大, 因此,吸收一般在常压下操作。若吸收后气体在 高压下加工,则可采用高压吸收操作,既有利于 吸收,又有利于增大吸收塔的处理能力。 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 3.气体流量 在稳定的操作情况下,当气速不大,液体作层流流动, 流体阻力小,吸收速率很低;当气速增大为湍流流动 时,气膜变薄,气膜阻力减小,吸收速率增大;当气 速增大到液泛速度时,液体不能顺畅向下流动,造成 雾沫夹带,甚至造成液泛现象。因此。稳定操作流速, 是吸收高效、平稳操作的可靠保证。对于易溶气体吸 收,传质阻力通常集中在气侧,气体流量的大小及其 湍动情况对传质阻力影响很大。对于难溶气体,传质 阻力通常集中在液侧。此时气体流量的大小及湍动情 况虽可改变气侧阻力,但对总阻力影响很小。 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 4.吸收剂用量 改变吸收剂用量是吸收过程最常用的方法。当 气体流量一定时,增大吸收剂流量,吸收速率增大, 溶质吸收量增加,气体的出口浓度减小,回收率增 大。当液相阻力较小时,增大液体的流量,传质总 系数变化较小或基本不变,溶质吸收量的增大主要 是由于传质推动力的增加而引起,此时吸收过程的 调节主要靠传质推动力的变化。当液相阻力较大时, 增大吸收剂流量,传质系数大幅增加,传质速率增 大,溶质吸收量增大。 想一想:液气比的影响 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 5.吸收剂入塔浓度X2 吸收剂入塔浓度升高,使塔内的吸收推动力减 小,气体出口浓度Y2升高。吸收剂的再循环会使吸 收剂入塔浓度提高,对吸收过程不利。但有时采用 吸收剂再循环可能有利,例如当新鲜吸收剂量过小 以致不能满足良好润湿填料的要求时,采用吸收剂 再循环,推动力的降低可由有效比表面积α和体积传 质系数KYα的增大得到补偿,吸收效果好;某些有显 著热效应的吸收过程,吸收剂经塔外冷却后再循环 可降低吸收剂的温度,相平衡常数减小,全塔吸收 推动力有所提高,吸收效果好。 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术 二、开停车操作 总体上,吸收塔开车时应先进吸收剂,待其流量稳定后,再 将混合气体送入塔中;停车时应先停混合气体,再停吸收剂, 长期不操作时应将塔内液体卸空。操作过程中注意维持塔内 的温度、压力、气液流量稳定,维持塔釜恒定的液封高度。 第四章 吸收操作技术 化工单元操作技术

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