清水吸收丙酮填料塔的設(shè)計說明

1、化工原理課程設(shè)計清水吸收丙酮填料塔的設(shè)計學(xué)院 醫(yī)藥化工學(xué)院 專 業(yè) 高分子材料與工程 班級 高分子材料與工程13（1）班姓 名 凱杰 學(xué)號 13155301xx 指導(dǎo)教師 嚴(yán)明芳、龍春霞 年月日設(shè)計書任務(wù)（一） 設(shè)計題目試設(shè)計一座填料吸收塔，用于脫除空氣中的丙酮蒸汽?；旌蠚怏w處理量為_4000_m3/h。進(jìn)口混合氣中含丙酮蒸汽_6_（體積百分?jǐn)?shù)）；混合氣進(jìn)料溫度為35。采用25清水進(jìn)行吸收，要求：丙酮的回收率達(dá)到_95%_（二）操作條件（1）操作壓力 101.6 kPa（2）操作溫度 25（3）吸收劑用量為最小用量的倍數(shù)自己確定（4）塔型與填料自選，物性查閱相關(guān)手冊。（三）設(shè)計容（1）設(shè)計方案

2、的確定和說明（2）吸收塔的物料衡算；（3）吸收塔的工藝尺寸計算；（4）填料層壓降的計算；（5）液體分布器簡要設(shè)計；（6）繪制液體分布器施工圖；（7）其他填料塔附件的選擇；（8）塔的總高度計算；（9）泵和風(fēng)機的計算和選型；（10）吸收塔接管尺寸計算；（11）設(shè)計參數(shù)一覽表；（12）繪制生產(chǎn)工藝流程圖（A3號圖紙）；（13）繪制吸收塔設(shè)計條件圖（A3號圖紙）；（14）對設(shè)計過程的評述和有關(guān)問題的討論。目錄前言1第1章填料塔主體設(shè)計方案的確定21.1 裝置流程的確定21.2 吸收劑的選擇21.3 操作溫度與壓力的確定21.4 填料的類型與選擇2第2章基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)與物料衡算22.1 基礎(chǔ)物性衡算32.

3、1.1 液相物性數(shù)據(jù)32.1.2 氣相物性數(shù)據(jù)32.1.3 氣液相平衡數(shù)據(jù)42.2 物料衡算4第3章填料塔的工藝尺寸計算53.1 塔徑的計算53.2 泛點率的校核63.3 填料規(guī)格校核73.4 液體噴淋密度校核73.5 填料塔填料高度的計算73.5.1 傳質(zhì)單元數(shù)的計算73.5.2 傳質(zhì)單元高度的計算83.5.3 填料層高度的計算93.6 填料塔附屬高度的計算103.7 填料層壓降的計算10第4章填料塔附件的選擇與計算114.1 液體分布器簡要設(shè)計114.1.1 液體分布器的選型114.1.2 分布點密度計算114.1.3 布液計算124.2 液體收集與分布裝置124.3 氣體分布裝置134.

4、4 除沫裝置144.5 填料支承與壓緊裝置144.5.1 填料支承裝置144.5.2 填料限定裝置144.6 裙座144.7 人孔15第5章填料塔的流體力學(xué)參數(shù)計算155.1 吸收塔主要接管的計算155.1.1 液體進(jìn)料管的計算155.1.2 氣體進(jìn)料管的計算165.2 離心泵和風(fēng)機的計算與選型165.2.1 離心泵的計算與選型165.2.2 風(fēng)機的計算與選取18設(shè)計參數(shù)一覽表20對設(shè)計過程的評述和有關(guān)問題的討論24參考文獻(xiàn)2525 / 31前言吸收是利用混合氣體中各組分在液體中的溶解度的差異來分離氣態(tài)均相混合物的一種單元操作。在化工生產(chǎn)中主要用于原料氣的凈化，有用組分的回收等。 填

5、料塔是氣液呈連續(xù)性接觸的氣液傳質(zhì)設(shè)備。塔的底部有支撐板用來支撐填料，并允許氣液通過。支撐板上的填料有整砌和亂堆兩種方式。填料層的上方有液體分布裝置，從而使液體均勻噴灑于填料層上。 本次化工原理課程設(shè)計的目的是根據(jù)設(shè)計要求采用填料吸收塔的方法處理含有丙酮的混合物，使其達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計中,主要以清水吸收混合氣中的丙酮，在給定的操作條件下對填料吸收塔進(jìn)行物料衡算。本次設(shè)計包括設(shè)計方案的選取，主要設(shè)備的工藝設(shè)計計算物料衡算、設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝尺寸的設(shè)計計算，工藝流程圖，主要設(shè)備的工藝條件圖等容。第1章 填料塔主體設(shè)計方案的確定1.1裝置流程的確定因為逆流操作的傳質(zhì)平均推動力大，傳質(zhì)速率

6、快，分離效率高，吸收劑利用率高。因此本次設(shè)計采用逆流操作，即氣相自塔底進(jìn)入由塔頂排出，液相自塔頂進(jìn)入由塔底排出。1.2 吸收劑的選擇由設(shè)計任務(wù)書可知，本次設(shè)計用清水做吸收劑，故采用純?nèi)軇?.3 操作溫度與壓力的確定由設(shè)計任務(wù)書可知，本次設(shè)計操作溫度為25，操作壓力為101.6kPa1.4 填料的類型與選擇填料的種類有很多，根據(jù)裝填方式的不同，可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類。規(guī)整填料是按一定的幾何圖形排列，整齊堆砌的填料，其造價較高，因此從實際出發(fā)，本次設(shè)計采用散裝填料。在散裝填料中，階梯環(huán)填料具有氣通量大、氣流阻力小、傳質(zhì)效率高等特點，是目前所使用的環(huán)形填料中最為優(yōu)良的一種；從填料的材質(zhì)考慮

7、，塑料填料具有質(zhì)輕、價廉、耐沖擊、不易破碎等優(yōu)點，多用于吸收、解吸、萃取、除塵等裝置中；在散裝填料中，同類填料的尺寸越小，分離效率越高，但阻力增加，通量減少，填料費用也增加，而大尺寸的填料應(yīng)用于小直徑塔中有會產(chǎn)生液體分布不良與嚴(yán)重的壁流，使塔的分離效率降低1。綜上分析，本次設(shè)計采用DN38-聚丙烯階梯環(huán)填料。第2章 基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)與物料衡算2.1 基礎(chǔ)物性衡算2.1.1 液相物性數(shù)據(jù)對低濃度吸收過程，溶液的物性數(shù)據(jù)可近似取純水的物性數(shù)據(jù)。由手冊2查得，常壓、25時水的相關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度為表面力為粘度為則101.6kPa，25時，水的粘度為查手冊3得20時丙酮在水中的擴散系數(shù)為則25時丙酮在水

8、中的擴散系數(shù)為2.1.2 氣相物性數(shù)據(jù)混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為混合氣體的平均密度為混合氣體的粘度可近似取為空氣的粘度，查手冊3得常壓下、20時空氣的粘度為則在101.6kPa、25時空氣的粘度為在101.3kPa，20時，查手冊3丙酮在空氣中的擴散系數(shù)為則101.6kPa，25時，丙酮在空氣中的擴散系數(shù)為2.1.3 氣液相平衡數(shù)據(jù)查手冊4得，常壓下20時丙酮在水中的亨利系數(shù)為相平衡常數(shù)為溶解度系數(shù)為2.2 物料衡算進(jìn)塔氣相摩爾比為出塔氣相摩爾比為進(jìn)塔惰性氣相流量為該吸收過程為低濃度吸收，平衡關(guān)系為直線，最小液氣比可按下式計算，即對于純?nèi)軇┪者^程，進(jìn)塔液相組成為取操作液氣比為第3章 填料塔的工

9、藝尺寸計算3.1 塔徑的計算采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖3計算泛點氣速氣相質(zhì)量流量為液相質(zhì)量流量可近似按純水的流量計算，即則Eckert通用關(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)為查圖5-323得查表5-111得取由圓整塔徑，取3.2 泛點率的校核（不在允許圍）則填料塔塔徑?。ㄔ谠试S圍）3.3 填料規(guī)格校核3.4 液體噴淋密度校核對于直徑不超過75mm的散裝填料，可取最小潤濕速率為查附錄51得經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用合理3.5 填料塔填料高度的計算3.5.1 傳質(zhì)單元數(shù)的計算塔底吸收推動力為塔頂吸收推動力為對數(shù)平均推動力為氣相總傳質(zhì)單元數(shù)為3.5.2 傳質(zhì)單元高度的計算氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式1計算

10、：查表5-131得液體質(zhì)量流量為填料的潤濕比表面積為氣膜吸收系數(shù)由下式計算：氣體質(zhì)量通量為液膜吸收系數(shù)有下式計算：由，階梯環(huán)填料是開孔環(huán)，查表5-141得，則修正的恩田公式只使用于的情況，當(dāng)時，需要按下式進(jìn)行校正，即氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)為氣相總傳質(zhì)單元高度為3.5.3 填料層高度的計算采用上述方法計算出填料層高度后，還應(yīng)保留一定的安全系數(shù)，則設(shè)計取填料層高度為查表5-161，對于階梯環(huán)填料，。取,則計算得填料層高度為12000mm>7200mm，依據(jù)表5-161階梯環(huán)填料的分段要求，可將填料層分為兩段設(shè)置，每段6m，兩段之間設(shè)置一個液體再分布器。3.6 填料塔附屬高度的計算塔的附屬空間高度

11、包括塔上部空間高度、安裝液體分布器和液體再分布器（包括液體收集器）所需要的高度、塔底部空間高度以與塔裙座高度5。本次設(shè)計塔上部空間高度，可取為1.2m，液體再分布器的空間高度約為1m，塔底液相停留時間按5min考慮，則塔釜液所占空間高度為考慮到氣相接管所占空間高度，底部空間高度可取1.0m，所以塔的附屬高度為（不含裙座高度）3.7 填料層壓降的計算散裝填料的壓降值由Eckert通用關(guān)聯(lián)式計算，則橫坐標(biāo)為查表5-181得，縱坐標(biāo)為查圖5-323得則填料層壓降為第4章 填料塔附件的選擇與計算4.1 液體分布器簡要設(shè)計4.1.1 液體分布器的選型液體分布裝置的種類多樣，有噴頭式、盤式、管式、槽式、與

12、槽盤式等。因槽式液體分布器具有較大的操作彈性、優(yōu)良的布液性能、極好的抗堵塞、結(jié)構(gòu)簡單、氣相阻力小等優(yōu)點，故本設(shè)計選用槽式分布器。4.1.2 分布點密度計算液體噴淋密度越小，分布點密度越大。噴淋點密度為，因該塔噴淋電密度較小，設(shè)計去噴淋點密度為100點/m2布液點數(shù)為按分布點幾何均勻與流量均勻的原則，進(jìn)行布點設(shè)計。設(shè)計結(jié)果為：二級槽共設(shè)5道，在槽側(cè)面開孔，槽寬度為40mm，槽高度為200mm，兩槽中心距為170mm。分布點采用三角形排列，實際設(shè)計布點數(shù)為66點，布液點示意圖如圖4-1所示。圖4-1槽式液體分布器二級槽的布液點示意圖4.1.3 布液計算液體體積流量為取，則布液孔徑為設(shè)計取4.2 液

13、體收集與分布裝置為減小壁流現(xiàn)象，當(dāng)填料層較高時需進(jìn)行分段，本次設(shè)計填料層高度Z=12m，故需分成2段，兩段之間設(shè)置液體收集與再分布裝置。多孔盤式液體再分布器是集液體收集和在分布功能于一體的液體收集和再分布裝置，其具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、安裝空間高度低等優(yōu)點。故本次設(shè)計采用多孔盤式液體再分布器作為液體收集與分布裝置。多孔盤式液體再分布器如圖4-2所示。圖4-2多孔盤式液體再分布器4.3 氣體分布裝置為了實現(xiàn)氣相均勻分布，設(shè)置性能良好的氣相分布裝置是十分重要的。通常情況下，對于直徑小于2.5m的小塔多采用簡單的氣體分布裝置，本次設(shè)計填料塔塔徑D=0.9m，可采用如圖4-3所示的簡單的氣體分布裝置。圖4

14、-3小塔氣體分布裝置4.4 除沫裝置除沫裝置的作用是為了進(jìn)行氣液分離，出去氣體夾帶的霧沫，保證后續(xù)設(shè)備的正常操作。除沫裝置可以安裝在塔或塔的上部，也可以作為獨立的氣液分離設(shè)備。絲網(wǎng)除沫器具有除沫效率高、壓降小的特點，因此本次設(shè)計采用絲網(wǎng)除沫器作為除沫裝置。4.5 填料支承與壓緊裝置4.5.1 填料支承裝置填料支承裝置的作用是支承填料以與填料層液體的重量，一般情況下填料支承裝置應(yīng)具備足夠的強度和剛度、開孔率，以支持填料與其所持液體的重量，防止在支撐板發(fā)生液泛，結(jié)構(gòu)上應(yīng)簡單易于加工制造和安裝，有利于氣液相的均勻分布，同時不至于產(chǎn)生較大的阻力。氣體噴射式填料支承裝置具有氣體流通量自由截面率大、阻力小

15、、承載能力強、氣液兩相分布效果好等特點，因此本次設(shè)計采用氣體噴射式填料支承裝置。4.5.2 填料限定裝置為保證填料塔在工作狀態(tài)下填料床層能夠穩(wěn)定，防止高氣相負(fù)荷或負(fù)荷突然變動時填料層發(fā)生松動，破壞填料層結(jié)構(gòu)，甚至造成填料損失，在填料層頂部設(shè)置填料限定裝置。填料限定裝置分為填料壓板和床層限定板。填料壓板常用于瓷填料，床層限定板多用于金屬和塑料填料。本次設(shè)計選用DN38-聚丙烯階梯環(huán)塑料填料，因此采用床層限定板。4.6 裙座一般塔設(shè)備的高徑比較大，要承受地震、風(fēng)、偏心以與壓等載荷，為保證塔設(shè)備的安全可靠運行，在設(shè)備下部一圈焊接裙座。裙座結(jié)構(gòu)有圓筒形和圓錐形兩種形式。對于直徑小且細(xì)高的塔（即且），為

16、了增加設(shè)備的穩(wěn)定性降低地腳螺栓和基礎(chǔ)環(huán)支承面上的應(yīng)力，可采用圓錐形裙座。本次設(shè)計中，填料塔總高度為則故本次設(shè)計填料塔不屬于直徑小且細(xì)高的塔，因此采用圓筒形裙座。4.7 人孔人孔是安裝或檢修人員進(jìn)入塔的唯一通道。人孔可設(shè)在每段填料層的上下方，同時兼作填料裝卸孔用，同時也設(shè)置在氣液緊、出口等需要經(jīng)常維修清理的部位。參考國家標(biāo)準(zhǔn)的手孔和人孔手冊6，本次設(shè)計選用公稱壓力為常壓，公稱直徑450mm的平面型人孔。第5章 填料塔的流體力學(xué)參數(shù)計算5.1 吸收塔主要接管的計算5.1.1 液體進(jìn)料管的計算進(jìn)料管的結(jié)構(gòu)類型很多，有直管進(jìn)料管、彎管進(jìn)料管、T型進(jìn)料管。本次設(shè)計選用直管進(jìn)料管。進(jìn)料管管的允許流速一般不

17、超過0.51.8m/s，故取管液體流速為，則液體進(jìn)出口徑為查參考書5選用的無縫鋼管，其實際徑為校正流速為5.1.2 氣體進(jìn)料管的計算采用直管進(jìn)料，由于常壓下塔的氣體進(jìn)出口管氣速可取1020m/s，故取氣體進(jìn)出口流速近似為16m/s，則氣體進(jìn)出口徑為查參考書5選用的無縫鋼管，其實際徑為氣體的實際流速為5.2 離心泵和風(fēng)機的計算與選型5.2.1 離心泵的計算與選型管液體的流速為則雷諾數(shù)為取管壁絕對粗糙度，則相對粗糙度查圖1-363得直管阻力壓頭損失為泵入口管長0.2m液體分布器前的管長0.5m吸入管深入清水里的管長0.3m局部阻力壓頭損失為一個標(biāo)準(zhǔn)截止閥（全開）一個帶濾水器的底閥（全開）三個90&

18、#176;彎頭，管路系統(tǒng)總的壓頭損失為氣體進(jìn)口壓力降為氣體出口壓力降為吸收塔的總壓力降為其他塔件的壓力降較小，在此可以忽略揚程為流量為參考離心泵規(guī)格7，根據(jù)上述所計算得出的流量和揚程，選用離心泵型號為IS50-32-125，其規(guī)格為如下表5-1所示。表5-1 IS50-32-125單級單吸離心泵規(guī)格流量m3/h揚程H/m效率/%必需汽蝕余量(NPSH)r /m轉(zhuǎn)速（r/min）功率/kw軸功率電功率12.520602.029001.132.2注：準(zhǔn)備兩個離心泵，一個備用。5.2.2 風(fēng)機的計算與選取氣體流量為以風(fēng)機進(jìn)、出口外側(cè)為截面列伯努利方程，得將上述各項同乘以，整理可得由于較小，氣體也較小

19、，故項可忽略；由于以風(fēng)機進(jìn)、出口外側(cè)為截面，截面速度，故項可忽略；中，由于進(jìn)、出口管段很短，直管阻力忽略不計，即由于本設(shè)計任務(wù)是吸收空氣中的丙酮，混合氣體直接從大氣進(jìn)入通風(fēng)機，管流速亦可忽略，進(jìn)一步化簡得吸收塔氣體的操作壓力為101.6kPa，氣體進(jìn)入塔要克服塔氣體的壓力、填料層的壓降以與氣體從塔頂排出的出口壓降，所以通過一系列的簡化，全風(fēng)壓整理可得將使用條件下的風(fēng)壓換算為標(biāo)定條件下的風(fēng)壓參考通風(fēng)機選型使用手冊8，根據(jù)上述計算得出的流量和全風(fēng)壓，選用的通風(fēng)機為SL-5-45-11型物料輸送型通風(fēng)機，批號為No5.6，風(fēng)機傳動為C式傳動，其規(guī)格如下表5-2所示。表5-2 SL-5-45-11型物

20、料輸送型通風(fēng)機規(guī)格批號No傳動方式轉(zhuǎn)速/（r/min）序號流量/（m3/h）全壓效率/(%)需用功率/kw電動機型號功率5.6C240074900295756.18.2Y160M2-215注：由于全壓較大，故兩臺通風(fēng)機串聯(lián)工作。設(shè)計參數(shù)一覽表表1 基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)和物料衡算總表項目符號數(shù)值與計量單位丙酮在水中的擴散系數(shù)4.28×10-6 m2/h丙酮在空氣中的擴散系數(shù)0.0372 m2/h丙酮在水中的亨利系數(shù)211.5 kPa丙酮在水中的溶解度系數(shù)0.25kmol/(kPa·m3)吸收劑的摩爾流量412.2 kmol/h混合氣體的平均摩爾質(zhì)量30.74 g/mol氣液相平衡常數(shù)

21、2.08混合氣體的體積流量4000 m3/h出塔液相摩爾比0.0219進(jìn)他液相摩爾比0進(jìn)塔氣相摩爾比0.0638出塔氣相摩爾比0.00319回收率95%水的黏度3.227 kg/(m·h)空氣的黏度0.066 kg/(m·h)水的密度997.043kg/m3混合氣體的平均密度1.22 kg/m3水的表面力932731 kg/h2表2 塔設(shè)備衡算總表項目符號數(shù)值與單位塔徑0.9 m布液孔徑6 mm填料塔的總高度15.2 m總傳質(zhì)單元高度1.29 m塔釜液所占空間高度0.8 m氣相總傳質(zhì)系數(shù)1.79 kmol/(m3·h·kPa)氣膜吸收系數(shù)0.0614 k

22、mol/(m2·h·kPa)液膜吸收系數(shù)0.15 m/h氣相總吸收系數(shù)4.432 kmol/(m3·h·kPa)液相總吸收系數(shù)8.348 h-1氣相總吸收系數(shù)（校正后）8.855 kmol/(m3·h·kPa)液相總吸收系數(shù)（校正后）8.977h-1最小濕潤速率0.08 m3/(m·h)氣相總傳質(zhì)單元數(shù)7.13布液點數(shù)62點填料層壓降4944.2 Pa液體噴淋密度11.70m3/（m2·h）液體質(zhì)量通量液體體積流量Ls11668.79kg/(m2·h)2.07×10-3m3/h氣體質(zhì)量通量767

23、4.8 kg/(m2·h)續(xù)表2項目符號數(shù)值與單位泛點氣速2.5 m/s實際氣速1.75 m/s泛點率70%與X1平衡氣相摩爾比0.046與X2平衡氣相摩爾比0填料層的高度12 m塑料階梯環(huán)比表面積132.5 m2·m-3填料的濕潤比表面積47.97 m2·m-3塑料階梯環(huán)泛點填料因子平均值170 m-1塑料階梯環(huán)壓降填料因子平均值116 m-1液相質(zhì)量流量7419.6 kg/h氣相質(zhì)量流量4880 kg/h階梯環(huán)形狀系數(shù)1.45表3 接管、泵和風(fēng)機計算總表項目符號數(shù)值與單位液體進(jìn)料管徑44 mm氣體進(jìn)料管徑301mm揚程19.26 m直管阻力壓頭損失1.11 m

24、局部阻力壓頭損失2.22 m續(xù)表3項目符號數(shù)值與單位風(fēng)機全風(fēng)壓風(fēng)機全風(fēng)壓（校正后）5166.8 Pa5082.1 Pa氣體出口壓力降74.2 Pa吸收塔總的壓力降5166.6 Pa液體流量7.44 m3/h氣體流量4000 m3/h雷諾數(shù)Re59366.2氣體進(jìn)料管的流速15.6 m/s液體進(jìn)料管的流速1.36 m/s絕對粗糙度0.2 mm相對粗糙度0.0068摩擦系數(shù)0.032表4 填料、接管、泵和風(fēng)機的選型總表項目型號填料DN38聚丙烯階梯環(huán)填料液體進(jìn)料管氣體進(jìn)料管離心泵IS50-32-125風(fēng)機SL-5-45-11型物料輸送型通風(fēng)機 批號No 5.6對設(shè)計過程的評述和有關(guān)問題的討論本次課程設(shè)計深深地讓我感受到