水吸收丙酮填料塔設(shè)計(jì)

1、摘 要 空氣-丙酮混合氣填料吸收塔設(shè)計(jì)任務(wù)為用水吸收丙酮常壓填料塔，即在常壓下，從含丙酮1.82%、相對(duì)濕度70%、溫度35的混合氣體中用25的吸收劑清水在填料吸收塔中吸收回收率為90%丙酮的單元操作。設(shè)計(jì)主要包括設(shè)計(jì)方案的確定、填料選擇、工藝計(jì)算等內(nèi)容，其中整個(gè)工藝計(jì)算過(guò)程包括確定氣液平衡關(guān)系、確定吸收劑用量及操作線方程、填料的選擇、確定塔徑及塔的流體力學(xué)性能計(jì)算、填料層高度計(jì)算、附屬裝置的選型以及管路及輔助設(shè)備的計(jì)算，在設(shè)計(jì)計(jì)算中采用物料衡算、亨利定律以及一些經(jīng)驗(yàn)公式，該設(shè)計(jì)的成果有設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)和填料吸收塔的裝配圖及其附屬裝置圖。目錄摘 要I水吸收丙酮填料塔設(shè)計(jì)1第一章 任務(wù)及操作條件1第二

2、章 設(shè)計(jì)方案的確定22.1 設(shè)計(jì)方案的內(nèi)容22.1.1 流程方案的確定22.1.2 設(shè)備方案的確定22.2 流程布置32.3 收劑的選擇32.4 操作溫度和壓力的確定3第三章 填料的選擇43.1填料的種類和類型43.1.1 顆粒填料43.1.2 規(guī)整填料43.2 填料類型的選擇43.3填料規(guī)格的選擇53.4填料材質(zhì)的選擇5第四章 工藝計(jì)算64.1 物料計(jì)算64.1.1 進(jìn)塔混合氣中各組分的量64.1.2 混合氣進(jìn)出塔的摩爾組成64.1.3 混合氣進(jìn)出塔摩爾比組成74.1.4 出塔混合氣量74.2氣液平衡關(guān)系74.3 吸收劑(水)的用量74.4 塔底吸收液濃度84.5 操作線84.6 塔徑計(jì)算8

3、采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖法計(jì)算泛點(diǎn)氣速84.6.2 操作氣速的確定94.6.3 塔徑的計(jì)算94.6.4 核算操作氣速104.6.5 核算徑比104.6.6 噴淋密度校核104.6.7 單位填料程壓降（）的校核104.7 填料層高度的確定114.7.1 傳質(zhì)單元高度計(jì)算114.7.2 計(jì)算134.7.3 計(jì)算134.7.4 傳質(zhì)單元數(shù)計(jì)算134.7.5 填料層高度z的計(jì)算14填料塔附屬高度的計(jì)算14第五章 填料吸收塔的附屬設(shè)備155.1 填料支承板155.2 填料壓板和床層限制板155.3 氣體進(jìn)出口裝置和排液裝置155.4分布點(diǎn)密度及布液孔數(shù)的計(jì)算155.5塔底液體保持管高度的計(jì)算16第六章

4、 輔助設(shè)備的選型186.1管徑的計(jì)算18參考文獻(xiàn)19附錄20附表21致謝24水吸收丙酮填料塔設(shè)計(jì)第一章 任務(wù)及操作條件混合氣(空氣、丙酮蒸汽)處理量：進(jìn)塔混合氣含丙酮 1.82(體積分?jǐn)?shù))；相對(duì)濕度:70；溫度:35；進(jìn)塔吸收劑(清水)的溫度25；丙酮回收率：90；操作壓強(qiáng)：常壓操作。第二章 設(shè)計(jì)方案的確定2.1 設(shè)計(jì)方案的內(nèi)容2.1.1 流程方案的確定常用的吸收裝置流程主要有逆流操作、并流操作、吸收及部分再循環(huán)操作、多塔串聯(lián)操作、串聯(lián)并聯(lián)操作，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)、工藝特點(diǎn)，結(jié)合各種流程的優(yōu)缺點(diǎn)，采用常規(guī)逆流操作的流程，傳質(zhì)平均推動(dòng)力大，傳質(zhì)速率快，分離效率高，吸收及利用率高。2.1.2 設(shè)備方案的

5、確定本設(shè)計(jì)要求的是選用填料吸收塔，填料塔是氣液呈連續(xù)性接觸的氣液傳質(zhì)設(shè)備，它的結(jié)構(gòu)和安裝比板式塔簡(jiǎn)單。它的底部有支撐板用來(lái)支撐填料，并允許氣液通過(guò)。支撐板上的填料有整砌或亂堆兩種方式。填料層的上方有液體分布裝置，從而使液體均勻噴灑在填料層上。圖1.1 常規(guī)逆流操作流程圖2.2 流程布置吸收裝置的流程布置是指氣體和液體進(jìn)出吸收塔的流向安排。本設(shè)計(jì)采用的是逆流操作，即氣相自塔底進(jìn)入由塔頂排出，液相流向與之相反，自塔頂進(jìn)入由塔底排出。逆流操作時(shí)平均推動(dòng)力大，吸收劑利用率高，分離程度高，完成一定分離任務(wù)所需傳質(zhì)面積小，工業(yè)上多采用逆流操作。2.3 收劑的選擇 吸收劑性能的優(yōu)劣是決定吸收操作效果的關(guān)鍵之

6、一，吸收劑的選擇應(yīng)考慮以下幾方面：(1)溶解度: 吸收劑對(duì)溶質(zhì)的溶解度要大，以提高吸收速率并減少吸收劑的用量。(2)選擇性: 吸收劑對(duì)溶質(zhì)組分有良好的溶解能力，對(duì)其他組分不吸收或甚微。(3)揮發(fā)度：操作溫度下吸收劑的蒸汽壓要低，以減少吸收和再生過(guò)程中的揮發(fā)損失。(4)粘度: 吸收劑在操作溫度下粘度要低，流動(dòng)性要好，以提高傳質(zhì)和傳熱速率。 (5)其他： 所選用的吸收劑盡量要無(wú)毒性、無(wú)腐蝕性、不易爆易燃、不發(fā)泡、冰點(diǎn)低、廉價(jià)易得及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定一般來(lái)說(shuō)，任何一種吸收劑都難以滿足以上所有要求，選用是要針對(duì)具體情況和主要因素，既考慮工藝要求又兼顧到經(jīng)濟(jì)合理性。2.4 操作溫度和壓力的確定(1) 溫度:

7、低溫利于吸收，但溫度的底限應(yīng)由吸收系統(tǒng)決定，本設(shè)計(jì)溫度選25(2) 壓力：加壓利于吸收，但壓力升高操作費(fèi)用、能耗增加，需綜合考慮，本設(shè)計(jì)采用常壓。 第三章 填料的選擇3.1填料的種類和類型工業(yè)上填料按形狀和結(jié)構(gòu)可分為散裝填料和規(guī)整填料兩類： 3.1.1 顆粒填料以隨機(jī)的方式堆積在塔內(nèi)，以下是幾種典型的散裝填料：拉西環(huán)填料 最早的工業(yè)填料，但因性能較差，目前工業(yè)上已經(jīng)很少使用鮑爾環(huán)填料 是在拉西環(huán)基礎(chǔ)上的改進(jìn)，利用率有了很大提高階梯環(huán)填料 對(duì)鮑爾環(huán)的改進(jìn)，為目前所使用的環(huán)形填料最為優(yōu)良的一種弧鞍 填料 一般采用瓷質(zhì)材料，易碎，工業(yè)中不常用環(huán)矩鞍填料 集環(huán)型與鞍型優(yōu)點(diǎn)，是工業(yè)應(yīng)用最廣的一種金屬散裝

8、填料3.1.2 規(guī)整填料 以一定的幾何形狀，整齊堆砌，工業(yè)用多為波紋填料，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、傳質(zhì)效率高、處理量大，但不易處理粘度大或有懸浮物的物料，且造價(jià)高。3.2 填料類型的選擇根據(jù)分離工藝的要求，考慮以下因素：(1)傳質(zhì)效率 在滿足工藝條件的前提下，選用傳質(zhì)效率高，即HETP(或HTU)低的填料。(2)通量 保證較高的傳質(zhì)傳質(zhì)效率前提下，選用有較高泛點(diǎn)或氣相動(dòng)能因子的填料。(3)填料層壓降 壓降越小，動(dòng)力耗費(fèi)越少，操作費(fèi)用越小。(4)操作性能 填料具有較大操作彈性，且具有一定的抗污堵、抗熱敏能力等。3.3填料規(guī)格的選擇(1)散裝填料 常用主要有16、25、38、50、76等幾種規(guī)格。一般推

9、薦： 300時(shí)，選25的填料；時(shí)，選2538的填料; 時(shí)，選用的填料，但一般大塔中常用的填料。(2)規(guī)整填料 從分離要求、通量要求、場(chǎng)地條件、物料性質(zhì)及設(shè)備投資、操作費(fèi)用等方面綜合考慮，既考慮工藝要求又兼顧到經(jīng)濟(jì)合理性。3.4填料材質(zhì)的選擇(1)陶瓷 具有耐腐性及耐熱性，但質(zhì)脆、易碎，不宜高沖擊強(qiáng)度下使用。 (2)金屬 碳鋼對(duì)低腐蝕無(wú)腐蝕物系優(yōu)先考慮，不銹鋼耐以外物系腐蝕，特種合金鋼價(jià)格高，只在特殊條件下使用 (3)塑料 主要包括PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)、 PVC(聚氯乙烯)等，一般采用PP(聚丙烯)材質(zhì)。塑料耐腐蝕性、耐低熱性好，但具有冷脆性，表面潤(rùn)濕性較差。 一般講，操作溫度較高但無(wú)

10、顯著腐蝕性時(shí)，選用金屬填料；溫度較低選用塑料填料；物系具有腐蝕性、操作溫度高，宜采用陶瓷填料。 由于本設(shè)計(jì)操作溫度較低且無(wú)腐蝕性，壓強(qiáng)采用常壓，所以選用塑料填料。第四章 工藝計(jì)算4.1 物料計(jì)算4.1.1 進(jìn)塔混合氣中各組分的量近似取塔平均操作壓強(qiáng)為101.3kPa，故：混合氣量 n混合氣中丙酮量              查化工原理附錄，35飽和水蒸氣壓強(qiáng)為，則每kmoI相對(duì)濕度為70的混合氣中含水蒸氣量為：n 0.0404kmol（水汽）kmol（空氣+丙酮）    &#

11、160;            混合氣中水蒸氣的含量= 混合氣中空氣量4.1.2 混合氣進(jìn)出塔的摩爾組成 4.1.3 混合氣進(jìn)出塔摩爾比組成若將空氣與水蒸氣視為惰氣，則惰氣量       丙酮/kmol惰氣 kmol丙酮kmol惰氣4.1.4 出塔混合氣量出塔混合氣量 4.2氣液平衡關(guān)系 當(dāng)x0.1，t1545時(shí)，丙酮溶于水其亨利常數(shù)E可用下式計(jì)算：    1gE9.171一2040(t十273) 液相溫度 t = 25時(shí) E=211.54 kPaH= =

12、0.262該系統(tǒng)的相平衡關(guān)系可以表示為4.3 吸收劑(水)的用量最小吸收劑用量 一般，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，吸收劑的用量L=（1.12.0），故取安全系數(shù)為1.5，則L=1.5= kmolh=kg/h4.4 塔底吸收液濃度依物料衡算式： 4.5 操作線依操作線方程式：                            所以4.6 塔徑計(jì)算塔底氣液負(fù)荷大，依塔底條件(混合氣35)，101.3kPa，吸收

13、液25計(jì)算 u =（0.60.8）采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖法計(jì)算泛點(diǎn)氣速4.6.1.1 有關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算塔底混合氣流量吸收液流量 進(jìn)塔混合氣密度1148  kg (混合氣濃度低，可近似視為空氣密度)查化工原理附錄  吸收液密度996.7kg 吸收液黏度經(jīng)比較，選D=50mm塑料鮑爾環(huán)(米字筋)。查化工原理教材附錄可知其主要性能參數(shù)有，填料因子 =120 ，比表面積1064 4.6.1.2 關(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)值 4.6.1.3 關(guān)聯(lián)圖的縱坐標(biāo)值由圖查得縱坐標(biāo)值為0.19 即 =0.01369 =0.19故液泛氣速=3.73m/s4.6.2 操

14、作氣速的確定  u0.5 4.6.3 塔徑的計(jì)算D=  取塔徑為0.7m(700mm)4.6.4 核算操作氣速u(mài)= m/s< 故滿足要求。4.6.5 核算徑比，滿足鮑爾環(huán)的徑比要求。4.6.6 噴淋密度校核填料的最小潤(rùn)濕速率(MWR)為0.08 (mh)最小噴淋密度 0.08×10648512 (mh)因   U (mh)故滿足最小噴淋密度要求。4.6.7 單位填料程壓降（）的校核 在壓降關(guān)聯(lián)圖中取橫坐標(biāo)值0.0615，將操作氣速 (155m/s) 代替縱坐標(biāo)中的 查表，D=50mm塑料鮑爾環(huán)(米字筋)的壓降填料因子 125代替

15、縱坐標(biāo)中的則縱標(biāo)值為： 查圖3-4得    在145-490范圍內(nèi)，故滿足要求。4.7 填料層高度的確定計(jì)算填料層高度，即Z 4.7.1 傳質(zhì)單元高度計(jì)算，其中 ，本設(shè)計(jì)采用（恩田式）計(jì)算填料潤(rùn)濕面積aw作為傳質(zhì)面積a，依改進(jìn)的恩田式分別計(jì)算及，再合并為和。列出備關(guān)聯(lián)式中的物性數(shù)據(jù)氣體性質(zhì)(以塔底35，101.325kPa空氣計(jì))：1.148 kg/ (前已算出)（氣體密度）0.01885× (查化工原理附錄)（氣體黏度）109×（依翻Gilliland式估算)(溶質(zhì)在氣相中的擴(kuò)散系數(shù))液體性質(zhì)(以塔底25水為準(zhǔn))：996.7 kg/08543

16、× Pas=1.344× (以式計(jì)算)(化學(xué)工程手冊(cè) 10-89)，式中為溶質(zhì)在常壓沸點(diǎn)下的摩爾體積，為溶劑的分子量，為溶劑的締合因子。液體表面張力716×Nm(查化工原理附錄)。氣體與液體的質(zhì)量流速：塑料鮑爾環(huán)(亂堆)特性：    d 50mm005m（塑料鮑爾環(huán)直徑）   1064  （比表面積）     （填料材質(zhì)的臨界表面張力）     =1.45（鮑爾環(huán)為開(kāi)孔環(huán)）依式計(jì)算有效面積依式代入上述數(shù)據(jù)得

17、： 故 =故=依式3-19 =0.0095代入上述數(shù)據(jù)得：為液相傳質(zhì)系數(shù)，為溶質(zhì)在液相中的擴(kuò)散系數(shù)，/s;依式3-20 =0.237 代入上述數(shù)據(jù)得：kmol/(.s.Kpa)為氣相傳質(zhì)系數(shù)故= l/s= kmol/(.s.Kpa)4.7.2 計(jì)算 ,而=P=4.7.3 計(jì)算= 4.7.4 傳質(zhì)單元數(shù)計(jì)算在上述兩個(gè)區(qū)間內(nèi)，可將平衡線視為直線，操作線系直線，故采用對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法計(jì)算 。=2.088 =0 = = 4.7.5 填料層高度z的計(jì)算根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，填料層的設(shè)計(jì)高度為，故取實(shí)際填料層高度取為 。填料塔附屬高度的計(jì)算塔上部空間高度，通過(guò)相關(guān)資料可知，可取為1.3m，塔底液相停留時(shí)

18、間按1.5min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，所以塔的附屬空間高度可以取為1.3+1.0=2.3米。因此塔的實(shí)際高度取H=第五章 填料吸收塔的附屬設(shè)備5.1 填料支承板分為兩類：氣液逆流通過(guò)平板型支承板，板上有篩孔或柵板式;氣體噴射型，分為圓柱升氣管式的氣體噴射型支承板和梁式氣體噴射型支承板。5.2 填料壓板和床層限制板在填料頂部設(shè)置壓板和床層限制板。有柵條式和絲網(wǎng)式。5.3 氣體進(jìn)出口裝置和排液裝置填料塔的氣體進(jìn)口既要防止液體倒灌，更要有利于氣體的均勻分布。對(duì)500mm直徑以下的小塔，可使進(jìn)氣管伸到塔中心位置，管端切成45度向下斜口或切

19、成向下切口，使氣流折轉(zhuǎn)向上。對(duì)1.5m以下直徑的塔，管的末端可制 成下彎的錐形擴(kuò)大器。氣體出口既要保證氣流暢通，又要盡量除去夾帶的液  沫。最簡(jiǎn)單的裝置是除沫擋板（折板），或填料式、絲網(wǎng)式除霧器。液體出口裝置既要使塔底液體順利排出，又能防止塔內(nèi)與塔外氣體串通，常壓吸收塔可采用液封裝置。注：(1)本設(shè)計(jì)任務(wù)液相負(fù)荷不大，可選水平排管式液體分布器；且填料層很高需設(shè)液體再分布器。 (2) 塔徑及液體負(fù)荷不大，可采用較簡(jiǎn)單的梁式支承板及壓板。(3) 為防止液體隨氣相帶出，在塔頂設(shè)一絲網(wǎng)除沫器。5.4分布點(diǎn)密度及布液孔數(shù)的計(jì)算按照Eckert建議值，D為750mm-1200mm 時(shí)，噴淋點(diǎn)密度

20、為170點(diǎn)/m2,因?yàn)樵撍合嘭?fù)荷較大，設(shè)計(jì)取噴淋點(diǎn)密度為170點(diǎn)/ m2 。布液點(diǎn)數(shù)為點(diǎn)按分布點(diǎn)幾何均勻與流量均勻的原則，進(jìn)行布點(diǎn)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)結(jié)果為：二級(jí)槽共設(shè)七道，槽側(cè)面開(kāi)孔，槽寬度為80mm,槽高度為210mm,兩槽中心矩為160mm,分布點(diǎn)采用三角形排列。實(shí)際設(shè)計(jì)布點(diǎn)數(shù)為n=210點(diǎn)，布液計(jì)算： 由 L: 液體流量 m3/sn: 開(kāi)孔數(shù)目: 孔流系數(shù)，取0.550.60d0: 孔徑，m: 開(kāi)孔上方的液位高度，m 取，m則設(shè)計(jì)取=18mm5.5塔底液體保持管高度的計(jì)算 取布液孔的直徑為18mm，則液位保持管中的液位高度可由公式：得，即： 式中：布液孔直徑，m L：液體流率，m3/s ：布液

21、孔數(shù) ：孔流系數(shù) ：液體高度，m ：重力加速度，m/s2 值由小孔液體流動(dòng)雷諾數(shù)決定 可取 因此，取 根據(jù)經(jīng)驗(yàn) ，則液位保持管高度為： 第六章 輔助設(shè)備的選型6.1管徑的計(jì)算進(jìn)氣管與混合液出氣管：進(jìn)氣為常壓氣體 取u=15m/s d= m取壁厚=8mm 查附錄選外徑為280mm的無(wú)縫鋼管。進(jìn)水管與混合液出口管：清水（常壓）取 u=2.0 m/s = d= 取壁厚=8mm 查附錄選外徑為50mm的無(wú)縫鋼管。參考文獻(xiàn)【1】夏清，陳常貴主編 化工原理（上、下冊(cè)）天津：天津大學(xué)出版社 2005【2】化工原理課程設(shè)計(jì)自編講義 2007【3】董大勤編 化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ) 北京：化學(xué)工業(yè)出版社 2003【4】

22、匡玉柱、史啟才主編 化工單元過(guò)程設(shè)備課程設(shè)計(jì)（第二版）北京：化學(xué)工業(yè)出版社 2008【5】朱有庭、曲文海、于浦義主編 化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè) 北京：化學(xué)工業(yè)出版社2004【6】路秀林，王者相編著 塔設(shè)備 北京：化學(xué)工業(yè)出版社 2004附錄 主要符號(hào)說(shuō)明E亨利系數(shù)， 氣體的粘度， 平衡常數(shù) 水的密度和液體的密度之比 重力加速度， 分別為氣體和液體的密度，分別為氣體和液體的質(zhì)量流量，氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)， 填料層高度， 塔截面積，氣相總傳質(zhì)單元高度， 氣相總傳質(zhì)單元數(shù)以分壓差表示推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)，單位體積填料的潤(rùn)濕面積以分壓差表示推動(dòng)力的氣膜傳質(zhì)系數(shù)，溶解度系數(shù)，以摩爾濃度差表示推動(dòng)力的液摩爾傳質(zhì)系數(shù)，氣體通過(guò)空塔截面的質(zhì)量流速，氣體常數(shù)， 溶質(zhì)在氣相中的擴(kuò)散系數(shù)，附表表1直塔徑與填料公稱徑的比值D/d的推薦值填 料 種 類D/d的推薦值拉西環(huán)D/d2030鞍環(huán)D/d15鮑爾環(huán)D/d1015階梯環(huán)D/d>8環(huán)矩鞍D/d>8表2散裝填料泛點(diǎn)填料因子平均值填料類型填料因子，1/mDN16DN25DN38DN50DN76金屬鮑爾環(huán) 410117160金屬環(huán)矩鞍 170150135120金屬階梯環(huán) 160140塑料鮑爾環(huán) 5502801841409