丙酮氣體填料吸收塔的設(shè)計

第一章丙酮氣體填料吸收塔的設(shè)計1.1概述吸收是利用氣體在液體中的溶解度差異來分離氣態(tài)均相混合物的一種單元操作。用于吸收的設(shè)備類型很多，如我們常見的填料塔、板式塔、鼓泡塔和噴灑塔等。但工業(yè)吸收操作中更多的使用填料塔，這是由于填料塔具有結(jié)構(gòu)簡單、容易加工，便于用耐腐蝕材料制造，以及壓強小、吸收效果好、裝置靈活等優(yōu)點，尤其使用于小塔徑的場合。1.2設(shè)備的選用在本次課設(shè)中，要求用地下水吸收丙酮氣體，且丙酮含量較低，故選用填料塔。這是由于填料塔具有結(jié)構(gòu)簡單、容易加工，便于耐腐蝕材料制造，以及生產(chǎn)能力大、壓降小、吸收效果好、操作彈性大等優(yōu)點。在工業(yè)吸收操作中，填料塔被廣泛應(yīng)用。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)和安裝相對于板式塔簡單。塔的底部有支撐板用來支撐填料，并允許氣液通過。支撐板上的填料有亂堆和整砌兩種方式。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。填料層中的液體有向塔壁流動的趨勢，因此填料層較高時往往將其分為幾段，每一段填料層上方設(shè)有再分布器，將沿塔壁流動的液體導(dǎo)向填料層內(nèi)。近些年來，由于性能優(yōu)良的新型填料不斷開發(fā)，改善了填料層內(nèi)氣液兩相的分布與接觸情況。促使填料塔的應(yīng)用日趨廣泛。1.3流程方案的確定1.3.1流程方案用地下水吸收，水來自地下或水槽，由于是逆流操作，需要泵將水抽到塔頂；還需一個泵將吸收液送走，由于丙酮不具有腐蝕性，故不需要防腐泵。氣體則需選用風(fēng)機。泵和風(fēng)機一個型號需配置兩臺，供替換使用。詳細(xì)流程參見流程圖。1.3.2流程布置由于逆流操作時平均推動力大，吸收劑利用率高，完成一定分離任務(wù)所需傳質(zhì)面積小，故可以暫定為逆流。對于無相變傳熱，當(dāng)冷、熱流體的進(jìn)、出口溫度一定時，逆流操作的平均推動力大于并流，因而傳遞同樣的熱流量，所需傳熱面積較小。就增加傳熱推動力而言，逆流操作總是優(yōu)于并流。此時吸收劑用量未知，我們可以按照逆流進(jìn)行物料衡算得出吸收劑用量后，以此作為一個評判標(biāo)準(zhǔn)，判斷是否該用逆流。1.3.3吸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)鍵之一，選擇吸收劑用量時應(yīng)著重考慮以下幾個方面：1，溶解度要大，以提高吸收率并減少吸收劑的需用量；2，選擇性要好，對溶質(zhì)組分以外其他組分的溶解度要很低或基本不溶；3，揮發(fā)度要低，以減少吸收和再生過程中吸收劑的會發(fā)；4，操作溫度下吸收劑應(yīng)具有較低的粘度，且不易產(chǎn)生泡沫，以實現(xiàn)吸收塔內(nèi)良好的氣液接觸狀況；5，對設(shè)備腐蝕性小或基本無腐蝕性，盡可能無毒；6，價廉、易得、化學(xué)穩(wěn)定性要好，便于再生，不易燃燒等。由于地下水具有以上優(yōu)點，因此選用地下水為吸收劑。1.4填料的選擇1.4.1對填料的要求在本次課設(shè)中，選用兩種填料進(jìn)行計算，最終根據(jù)計算結(jié)果擇優(yōu)。填料塔對填料的要求表現(xiàn)在以下幾方面：比表面積要大。能提供大的流體通量。液體的再分布性能要好。要有足夠的機械強度。價格低廉。1.4.2填料的選取首先選擇顆粒填料，這是由于規(guī)整填料在裝卸、清理時相對困難，且造價也高。其次，要進(jìn)行兩種填料間的比較，則應(yīng)選用相同的外徑，這樣才具有可比性。根據(jù)塑料材質(zhì)多用于操作溫度較低的吸收、水洗等操作的特點，可選用塑料材質(zhì)；根據(jù)陶瓷材質(zhì)耐腐蝕性、耐濕性強，價格便宜，多用于物系具有腐蝕性、操作溫度高等特點，可選用陶瓷材質(zhì)；選用外徑為38mm的瓷質(zhì)填料，雖然此時不知道塔徑及徑比，可填料的尺寸一旦大了，效率就變低，一般50mm以上的大填料，雖然成本合算，但通量的提高不能補償成本的降低，大塔中常見，據(jù)此，選用38mm的填料外徑。綜上所述，選取的兩種填料見表1-1表表1-1所選填料常見性能參數(shù)填料名稱外徑（mm）比表面積（）空隙率壓降填料因子AK塑料階梯環(huán)38132.50.911160.2041.75瓷質(zhì)矩鞍環(huán)381310.8041400.1761.75第二章工藝計算2.1概述整個工藝計算過程包括以下幾點：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。填料層高度的計算。管路及輔助設(shè)備的計算。2.2氣液平衡關(guān)系由于原料氣組成中，丙酮占1.5%，含量較低，屬于溶解度較小的難溶氣體或低濃（）氣體混合物溶于溶劑中，用地下水吸收時不會產(chǎn)生熱效應(yīng)，對氣液平衡關(guān)系和吸收速度沒有明顯影響，屬于等溫吸收。因此吸收操作中的氣液平衡關(guān)系可用亨利定律描述。即：（2-1）式中：——溶質(zhì)的氣相平衡分壓，KPa;——溶質(zhì)在平衡液相中的摩爾分率，無因次；——亨利系數(shù)，KPa.亨利定律表明，稀溶液上方的溶質(zhì)分壓與該溶質(zhì)在平衡液相中的摩爾分率成正比，其比例系數(shù)稱為亨利系數(shù)，亨利系數(shù)越大表示溶質(zhì)在溶劑中的溶解度越小。如果溶液的濃度不用摩爾分率而改用體積摩爾濃度c來表示，則亨利定律也可寫成：=（2-2）——溶解度系數(shù)，H越大則溶質(zhì)在溶劑中的溶解度越大。亨利定律還可表示：（2-3）——溶質(zhì)在氣相中的摩爾分率，m稱為相平衡常數(shù)，m越大溶質(zhì)越難溶。亨利系數(shù)E和相平衡常數(shù)m間的關(guān)系為：（2-4）為操作系統(tǒng)的總壓強。當(dāng)溶質(zhì)在液相中的濃度比較低時（),亨利系數(shù)和溶解度系數(shù)間的關(guān)系可表示為：（2-5）式中：——溶質(zhì)的分子量，；——溶液的密度，2.3平衡關(guān)系的確定操作條件下，進(jìn)入吸收塔氣體的摩爾流量：操作條件下，進(jìn)入吸收塔惰性氣體的摩爾流量：操作條件下，進(jìn)入吸收塔丙酮氣體的摩爾流量：因為氣體中丙酮的體積分率為1.5%，所以進(jìn)塔氣體中丙酮的組成為（下標(biāo)：1—塔底；2—塔頂）:當(dāng)時，由以下公式計算得出亨利系數(shù)：代入數(shù)據(jù)得：解得：由公式（2-4）得：由公式；（—與平衡的液相組成）得：2.4吸收劑用量及操作線的確定2.4.1物料衡算如圖2-3，對于逆流操作的吸收塔，在任意截面M-N與塔頂或塔底作物料衡算：或MN圖MN圖2-3吸收塔的逆流物料衡算示意圖2.4.2吸收劑用量的確定1.最小吸收劑用量（2-5）（2-6）式中：V—惰性氣體流率，Kmol/h—最小吸收劑用量Y,X—氣相和液相組成由公式（2-6）得：吸收劑用量取，即：2.4.3操作線方程的確定由以上計算得操作可得操作線方程為：由于是清水吸收，故=0,代入數(shù)據(jù)得操作線方程為：平衡線方程為：出塔液相丙酮的摩爾比為：出塔液相中丙酮的摩爾分?jǐn)?shù)：2.5物性參數(shù)的計算2.5.1氣相密度的計算塔底混合氣摩爾質(zhì)量：塔底混合氣密度：塔頂混合氣摩爾質(zhì)量：塔頂混合氣密度：0.997kg/m3氣相密度：1.066kg/m32.5.2液相密度塔頂液的密度：塔底液密度：EQ液相密度;=2.5.3液體粘度塔頂液粘度：查資料得：塔底液粘度:查資料得：0.379mPa·s由公式可得塔底液粘度；代入數(shù)據(jù)得：液體粘度：2.5.4氣體粘度查表可得：時，；EQ2.5.5液體的質(zhì)量流量：塔頂?shù)馁|(zhì)量流量：塔底的質(zhì)量流量：液體的質(zhì)量流量：2.5.6氣體的質(zhì)量流量塔底的質(zhì)量流量：塔頂?shù)馁|(zhì)量流量：氣體的質(zhì)量流量:2.6塔徑的計算2.6.1泛點氣速填料塔塔徑的大小是根據(jù)生產(chǎn)能力與空塔氣速來計算的。空塔氣速由下面經(jīng)驗公式確定：（2-12）式中：—泛點氣速，m/s—空塔氣速，m/s泛點氣速與氣液流量、物系性質(zhì)及填料的類型、尺寸等因素有關(guān)。其計算方法很多。目前工程上常采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖或Bian&Hougen關(guān)聯(lián)式計算。采用Bian&Hougen關(guān)聯(lián)式計算，計算公式為：從這一步開始，要對所選兩種填料分別進(jìn)行計算，填料物性參數(shù)見表1-1。以下演算過程是以塑料階梯環(huán)為例的，兩種填料的結(jié)果匯總將在后面幾節(jié)中依次列出。代入數(shù)據(jù)：解得：2.6.2塔徑由式2-12得取=塔徑可按下式計算：D=（2-13）式中：—操作條件下混合氣體體積流量，/sD—塔徑，m先求塔徑，當(dāng)計算出的數(shù)值不足整數(shù)時，往往需要圓整。圓整的根據(jù)是符合加工要求及設(shè)備定型，以便于設(shè)備加工。根據(jù)國內(nèi)壓力容器的公稱直徑標(biāo)準(zhǔn)（JB-1153-71），直徑在1m以下時，間隔為100㎜，（必要時在700㎜以下時可用50㎜為間隔）；直徑在1m以上時，間隔為200㎜（必要時在2m以下時可用100㎜為間隔）。演算過程如下：（塑料階梯環(huán)）D階==0.569m圓整：D階=0.6m考慮到所選填料尺寸，故圓整時以50㎜為間隔。2.7校核2.7.1單位高度填料層壓降壓強降是塔設(shè)計中的重要參數(shù)。氣體通過填料層壓強降的大小決定了塔的動力消耗。填料層壓降的計算方法有多種，這次課設(shè)采用的是Eckert通用關(guān)聯(lián)圖方法。圖2-5Eckert通用關(guān)聯(lián)圖—液氣相流率，Kg/s,—液氣相密度，Kg/—液相粘度，mPa.s—液相密度校正系數(shù)，=—填料因子，1/mg—重力加速度,m/s2如圖2-5所示，Eckert通用關(guān)聯(lián)圖除了有液泛線以外，還有許多等壓降線。由已知參數(shù)及所用填料的壓降填料因子P代替，計算出該圖的橫、縱坐標(biāo)值，查圖讀取相應(yīng)壓降曲線的值（若交點沒正好落在壓降線上，可用相鄰兩條線內(nèi)插讀取），即為單位高度填料層壓降。在常壓塔中，一般在145～490Pa/m較為合理，如超出這個范圍，應(yīng)按要求的值，由Eckert通用關(guān)聯(lián)圖反求氣速u，再重新計算塔徑。演算過程如下：(塑料階梯環(huán)）1、用圓整后的塔徑反算uD階=0.6m0.6=，=1.79m/s2、校核：P按近似計算，由于前面求出的與相近，故取=1縱坐標(biāo)==0.040橫坐標(biāo)在Eckert通用關(guān)聯(lián)圖上查得相應(yīng)壓降曲線的值=26×9.81＝255.06Pa/m，壓降合理。2.7.2噴淋密度填料塔中氣液兩相間的傳質(zhì)主要是在填料表面流動的液膜上進(jìn)行的。要形成液膜，填料表面必須被液體充分潤濕，而填料表面的潤濕狀況取決于塔內(nèi)的液體噴淋密度及填料材質(zhì)的表面潤濕性能。液體噴淋密度是指單位塔截面積上，單位時間內(nèi)噴淋的液體體積，以U表示，單位為m3/(m2·h)。為保證填料層的充分潤濕，必須保證液體噴淋密度大于某一極限值，該極限值稱為最小噴淋密度，以Umin表示。式中Umin最小噴淋密度，m3/m2s(LW)min—最小潤濕速率，m3/m·s—填料的比表面積，m2/m3最小潤濕速率是指在塔的截面上，單位長度的填料周邊的最小液體體積流量。其值可由經(jīng)驗公式計算，也可采用經(jīng)驗值。對于直徑不超過75mm的散裝填料，可取最小潤濕速率(LW)min為0.08m3/（m·h）；對于直徑大于75mm的散裝填料，取(LW)min=0.12m3/（m填料表面潤濕性能與填料的材質(zhì)有關(guān)，就常用的陶瓷、金屬、塑料三種材質(zhì)而言，以陶瓷填料的潤濕性能最好，塑料填料的潤濕性能最差。實際操作時采用的液體噴淋密度應(yīng)大于最小噴淋密度。若噴淋密度過小，可采用增大回流比或采用液體再循環(huán)的方法加大液體流量，以保證填料表面的充分潤濕；也可采用減小塔徑予以補償。演算過程如下：（塑料階梯環(huán)）(LW)min=0.08m3/（m·=121.8m2/m3，D階=0.6m∴m3/（m2·h）S階===0.2826㎡V=V’===U==27.78m3/m2h>Umin合格2.7.3泛點率演算過程如下：（塑料階梯環(huán)）因為0.5<0.63<0.8合格2.7.4塔徑比實踐證明，塔徑（D）與填料外徑（d)之比值（簡稱徑比）應(yīng)該在一定的范圍內(nèi)，若徑比不在此范圍內(nèi)時，塔壁附近的填料層空隙率大而不均勻，氣流易走短路及液體壁流等現(xiàn)象劇增。演算過程如下：（塑料階梯環(huán)）合格2.7.5填料尺寸對于一定塔徑而言，滿足徑比下限的填料可能有幾種尺寸，需要根據(jù)填料性能及經(jīng)濟(jì)因素選定，一般推薦，當(dāng)：時，選用25mm的填料；時，選用2538mm的填料；時，選用5070mm的填料。對于所選塑料階梯環(huán)，因為D=600mm,填料外徑;,選用填料，合格。2.8填料層高度2.8.1傳質(zhì)系數(shù)的確定傳質(zhì)系數(shù)液體的表面張力；；；；－0.917代入數(shù)據(jù)可得：（1)應(yīng)用：（2）聯(lián)立（1）、（2）解得：0.928;0.0718。則：0.068N/m有效面積（潤濕面積）（2-14）式中：—單位體積填料的總表面積，㎡/m3t—單位體積填料的總表面積，㎡/m3—液體的表面張力，N/mc—填料材質(zhì)臨界表面張力，N/m，陶瓷c=61×10-3N/mGL——液體通過塔截面的質(zhì)量流率，Kg/㎡.s—液相粘度，Pa.s—液氣相密度，Kg/g—重力加速度,m/s2演算過程如下：（塑料階梯環(huán)）GL===7.71Kg/㎡.st=121.8㎡/m3S階===0.2826㎡∴階=65.50㎡/m33.氣相傳質(zhì)系數(shù)=0.237式中：R—氣體常數(shù)，8.314T—氣體溫度，KDV—溶質(zhì)在氣相中的擴散系數(shù)，㎡/sUV—氣體通過空塔截面的質(zhì)量流率，—氣體粘度，—氣體密度，Kg/m3—潤濕表面積，—氣相擴散系數(shù)，演算過程如下：（塑料階梯環(huán)）；==t階=121.8㎡/m3T=314K∴階=0.237＝0.237=0.057Kmol/m2.h.KPa查資料得：＝4.液相傳質(zhì)系數(shù)式中：—溶質(zhì)在液相中的擴散系數(shù)，㎡/s—液體通過空塔截面的質(zhì)量流率，—液體粘度，—液體密度，Kg/m3—潤濕表面積，—液相擴散系數(shù)，—重力加速度，演算過程如下（塑料階梯環(huán)）：查資料得：溶解度系數(shù)6.傳質(zhì)系數(shù)2.8.2填料層高度填料層高度計算涉及物料衡算、傳質(zhì)速率和相平衡關(guān)系。對于整個吸收塔，氣、液的濃度分布都沿塔高變化，吸收速率也在變化。所以要在全塔范圍應(yīng)用吸收速率關(guān)系式，就要采用微分方法，然后積分得到填料層的總高度。低濃度氣體的吸收，若進(jìn)塔混合氣濃度很低（不超過），則在塔內(nèi)氣液兩相的摩爾流速變化都較小，可視為常數(shù)，而塔內(nèi)各處濃度都很低，變化也較小，其體積傳質(zhì)系數(shù)也可視為常數(shù)，故采用總體積吸收系數(shù)求取填料層高度時，可依一下式計算：——氣相總傳質(zhì)單元高度，，。——氣相總傳質(zhì)單元數(shù)，，——脫吸因數(shù)，是平衡線斜率與操作線斜率的比值，，量綱為一?！c平衡的氣相組成，摩爾比。演算過程如下：（塑料階梯環(huán)）=0.88×4.64＝4.08mZ’=(1.2-1.5)Z=1.2×4.08=4.896m設(shè)計取填料層高度為4.9米兩種填料的對比可參見表4-5。工藝計算部分告一段落，接下來的工作是確定填料及塔的輔助設(shè)備，定出塔高，畫出總裝圖和工藝流程圖，我們將在下一章討論。第三章設(shè)備我們已經(jīng)在前面幾章中確定了完成此次吸收任務(wù)的主體設(shè)備—填料塔，并且計算出了塔徑和填料層的高度。填料塔高度的確定還需先選出其附屬裝置。填料吸收塔附屬裝置的選型及輔助設(shè)備的選型，均在本章中予以介紹。3.1填料塔3.1.1填料的確定上一章已對所選用的兩種填料進(jìn)行各方面的分析，我們將在這一節(jié)根據(jù)計算結(jié)果對填料進(jìn)行篩選。塑料階梯環(huán)陶瓷矩鞍標(biāo)準(zhǔn)比較泛點氣速2.842.18大好塑料階梯環(huán)好空塔氣速1.791.53大好塑料階梯環(huán)好塔徑D600650小好塑料階梯環(huán)好噴淋密度27.7823.67大好塑料階梯環(huán)好壓降353.16255，06小好陶瓷矩鞍好綜合上一章的計算數(shù)據(jù)，進(jìn)行比較，最終選出塑料階梯環(huán)作為填料。3.1.2塔高的確定填料吸收塔附屬裝置的選型設(shè)備名稱選用個數(shù)液體分布器1填料支撐板1根據(jù)計算出的氣液流量、塔徑、及氣液流速的綜合考慮，我們選用以下附屬裝置。具體尺寸參見設(shè)備總裝圖。液體分布器的水平和垂直主管直徑d為進(jìn)液管管徑。安裝時應(yīng)高于填料100～200㎜。支撐板的直徑略小于塔徑輔助設(shè)備的選型1.管徑的計算管路的內(nèi)徑可用圓形管路的流量公式，即：（3-1）對于液相，由于進(jìn)塔為地下水，出塔為混合溶液，所以應(yīng)以出塔為準(zhǔn)，選擇流速；對于氣相，則屬于常壓操作。以此為據(jù)，選出相應(yīng)流速：表表3-2某些流體在管路中的常用流速范圍流體的類別及情況流速范圍,m/s水及低粘度流體（1×105Pa～1×106Pa）1.5～3.0常壓氣體10～20由此計算的管徑不一定是整數(shù)值，需要參照標(biāo)準(zhǔn)，選用標(biāo)準(zhǔn)管徑，才能作為操作中的實際管徑。以氣相為例：==207.3㎜參照標(biāo)準(zhǔn)選用219㎜為外徑，內(nèi)徑：219-2×6=207㎜同理可得液相：=37.45㎜參照標(biāo)準(zhǔn)選用50㎜為外徑，內(nèi)徑：50-2×6=38mm由于管路采用標(biāo)準(zhǔn)管路，因此實際操作情況下的流速不是選取的流速，需要將標(biāo)準(zhǔn)管徑代入式3-1，反算操作流速，進(jìn)行校核。以液相為例：===0.038u=1.94m/s同理可得氣相：==0.207u=15.04m/s2.封頭的選擇填料塔的頂部與底部均選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭[9]。塔的高度求出各個設(shè)備的高度后就可以定出塔的高度。=6.45m定出塔高后，便可以繪制總裝圖和工藝流程圖。第四章結(jié)果評價設(shè)計出的塔徑與填料層高度有些不夠合理。在保證工藝計算流程及數(shù)據(jù)誤差在合理范圍內(nèi)的情況下，不合理的原因與所選填料有關(guān)，選用的外徑偏小，對填料層高度造成影響。下面將計算結(jié)果進(jìn)行匯總，分別列出：表4-1結(jié)果匯總表題目流程布置逆流主體設(shè)備填料塔氣液平衡關(guān)系Ye=5.27X塔高6.45m塔徑600mm填料塑料階梯環(huán)液體分布器直板多孔式分布器填料支撐板平板型支撐板封頭標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭

塑料階梯環(huán)陶瓷矩鞍校核泛點氣速(m/s)2.842.18合格空塔氣速(m/s)1.791.53合格塔徑D(mm)600600合格壓降校核(Pa/m)353.16255.06合格泛點率校核0.630.70合格噴淋密度校核合格塔徑比校核15.717.1合格潤濕面積65.581.261.451.1923657.72()0.4380.341EQ34.2631.951.791.520.0570.0525.625.128.6910.232.762.75(m)0.880.754.644.64(m)4.083.48參考文獻(xiàn)[1]化學(xué)工程手冊編委會，化學(xué)工程手冊，化學(xué)工業(yè)出版社，1979；[2]柴誠敬等，化工傳質(zhì)與分離過程，化學(xué)工業(yè)出版社，2000；[3]B.E.波林等，氣液物性估算手冊，化工工業(yè)出版社，2005；[4]賈紹義等，化工原理課程設(shè)計，天津大學(xué)出版社，2002；[5]國家醫(yī)藥管理局上海醫(yī)藥設(shè)計院編，化工工藝設(shè)計手冊，1986；[6]柴誠敬等，化工流體流動與傳熱，化學(xué)工業(yè)出版社，2000；[7]董大勤，化工設(shè)備機械基礎(chǔ)，化學(xué)工業(yè)出版社，2008；目錄第一章丙酮氣體填料吸收塔的設(shè)計 11.1概述 11.2設(shè)備的選用 11.3流程方案的確定 21.3.1流程方案 21.3.2流程布置 21.3.3吸收劑的選擇 21.4填料的選擇 31.4.1對填料的要求