水吸收丙酮填料塔的設(shè)計

1、 化工原理課程設(shè)計水吸收丙酮填料塔的設(shè)計學 院 醫(yī)藥化工學院 專 業(yè) 化學工程與工藝 班 級 姓 名 學 號 指導教師 2012年 1 月 1 日設(shè)計任務(wù)水吸收丙酮填料塔的設(shè)計（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_1600_m3/h。進口混合氣中含丙酮蒸汽_10%_（體積百分數(shù)）；混合氣進料溫度為35。采用清水進行吸收。要求： 出塔氣體中丙酮氣流量為入塔丙酮流量的_1/90_。 丙酮的回收率達到_。（二） 操作條件（1）操作壓力 常壓（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（三） 填料類型填料類型與規(guī)格自選。（四） 設(shè)計內(nèi)容（1）

2、設(shè)計方案的確定和說明（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）吸收塔接管尺寸計算； （8）設(shè)計參數(shù)一覽表；（9）繪制生產(chǎn)工藝流程圖（A3號圖紙）； （10）繪制吸收塔設(shè)計條件圖（A3號圖紙）； （11）對設(shè)計過程的評述和有關(guān)問題的討論。設(shè)計任務(wù)二序號丙酮含量（體積分數(shù)）出口丙酮氣流量為入塔丙酮流量的混合氣體處理量（m3/h）5810%1/901600目 錄1. 設(shè)計方案簡介 11.1設(shè)計方案的確定11.2填料的選擇32. 工藝計算 42.1 基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)4液相物性的數(shù)據(jù) 4氣相物性的數(shù)據(jù) 5氣液

3、相平衡數(shù)據(jù) 5 物料衡算 52.2 填料塔的工藝尺寸的計算6 塔徑的計算 6 填料層高度計算 8 填料層壓降計算 11 液體分布器簡要設(shè)計 113. 輔助設(shè)備的計算及選型 12 3.1 填料支承設(shè)備 123.2填料壓緊裝置 133.3液體再分布裝置134. 設(shè)計一覽表145. 后記156. 參考文獻157. 主要符號說明168. 附圖（工藝流程簡圖、主體設(shè)備設(shè)計條件圖）1. 設(shè)計方案簡介 塔設(shè)備在化工、石油化工、生物化工、醫(yī)藥、食品等生產(chǎn)過程中廣泛應用的汽液傳質(zhì)設(shè)備1。其作用實現(xiàn)氣液相或液液相之間的充分接觸，從而達到相際間進行傳質(zhì)及傳熱的過程。根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸部件的結(jié)構(gòu)形式，可將塔設(shè)備分為兩大

4、類：板式塔和填料塔。板式塔內(nèi)沿塔高度裝有若干層塔板，液體靠重力作用由頂部逐板流向塔釜，并在各塊板面上形成流動的液層，氣體靠壓強差推動，由塔底向上依次穿過各塔板上的液層而流向塔頂。氣液兩相在塔內(nèi)進行逐級接觸，兩相組成沿塔高呈階梯式變化。填料塔則在塔體內(nèi)裝填填料，液體由上而下流動中在填料上分布匯合，氣體則在填料縫隙中向上流動。填料為氣液傳質(zhì)提供了較大的氣液接觸面積。2填料塔的基本特點是結(jié)構(gòu)簡單，壓力降小，傳質(zhì)效率高，便于采用耐腐蝕材料制造等，對于熱敏性及容易發(fā)泡的物料，更顯出其優(yōu)越性。過去，填料塔多推薦用于0.60.7m以下的塔徑。近年來，隨著高效新型填料和其他高性能塔內(nèi)件的開發(fā)，以及人們對填料流

5、體力學、放大效應及傳質(zhì)機理的深入研究，使填料塔技術(shù)得到了迅速發(fā)展。31.1 設(shè)計方案的確定1.1.1 裝置流程的確定吸收裝置的流程主要有以下幾種。41.1.1.1 逆流操作氣相自塔底進入塔頂排出，液體反向流動，即為逆流操作。逆流操作的特點是，傳質(zhì)平均推動力大，傳質(zhì)速率快，分離程度高，吸收劑利用率高。工業(yè)上多采用逆流操作。1.1.1.2 并流操作氣液兩相均從塔頂流向塔底，此即并流操作。其特點是系統(tǒng)不受液流限制，可提高操作氣速，以提高生產(chǎn)能力。其通常用于以下情況：當吸收過程的平衡曲線較平坦時，流向?qū)ξ胀苿恿τ绊懖淮螅灰兹軞怏w的吸收或處理的去氣體不需要吸收很完全；吸收劑用量特別大，逆流操作易引起液

6、泛。1.1.1.3 吸收劑部分再循環(huán)操作在逆流操作系統(tǒng)中，用泵將吸收塔排出液體的一部分冷卻后與補充的新鮮吸收劑一同送回塔內(nèi)，即為部分再循環(huán)操作。通常用于已下情況：當吸收劑用量較小，為提高塔的液體噴淋密度；對于非等溫吸收過程，為控制塔內(nèi)的溫升，需取出一部分熱量。該流程特別適宜于平衡常數(shù)m很小的情況，通過吸收液的部分再循環(huán)，提高吸收劑的使用效率。其平均推動力要低，接需設(shè)置循環(huán)泵，操作費用增加。1.1.1.4 多塔串聯(lián)操作若設(shè)計的填料層高度過大，或由于所處理物料等原因需經(jīng)常清理填料，為便于維修，可把填料層分裝在幾個串聯(lián)的塔內(nèi)，每個吸收塔通過的吸收劑和氣體量都相等，即為多塔串聯(lián)操作。此種操作因塔內(nèi)需留

7、較大空間，輸液，噴淋，支撐板等輔助裝置增加，使設(shè)備投資加大。1.1.1.5 串并聯(lián)混合操作若吸收處理的液量很大，如果用通常的流程，則液體在塔內(nèi)的噴淋密度過大，操作氣速勢必很?。ǚ駝t易引起液泛），塔的生產(chǎn)能力很低。實際生產(chǎn)中可采用氣相作串聯(lián)，液相作并聯(lián)的混合流程；若吸收過程處理的液量不大而氣相流量很大時，可采用液相作串聯(lián)，氣相作并聯(lián)的混合流程。綜上所述，在實際應用中，根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)、工藝特點，該設(shè)計選用逆流操作的流程裝置。1.1.2 吸收劑的選擇對于吸收操作，選擇適宜的吸收劑，具有十分重要的意義。其對吸收操作過程的經(jīng)濟性有著十分重要的影響。一般情況下，選擇吸收劑，要著重考慮如下問題：（1） 對溶質(zhì)

8、的溶解度大。（2） 對溶質(zhì)有較高的選擇性。（3） .揮發(fā)度要低。（4） 再生性能好。（5） 吸收劑的黏度小，有利于氣液兩相接觸良好，提高傳質(zhì)速率。（6） 吸收劑應具有良好化學穩(wěn)定性好，不易燃，無腐蝕性，無毒，易得，廉價等特點。本設(shè)計采用水做吸收劑。1.2 填料的選擇填料塔的基本特點是結(jié)構(gòu)簡單，壓力降小，傳質(zhì)效率高，便于采用耐腐蝕材料制造等，對于熱敏性及容易發(fā)泡的物料，更顯出其優(yōu)越性。填料的選擇包括填料的種類、規(guī)格及材質(zhì)等。所選的填料既要滿足生產(chǎn)工藝的要求，又要使設(shè)備投資和操作費用低。幾種典型的散裝填料：（1） 拉西環(huán)填料拉西環(huán)填料于1914年由拉西（F. Rashching）發(fā)明，為外徑與高度

9、相等的圓環(huán)。拉西環(huán)填料的氣液分布較差，傳質(zhì)效率低，阻力大，通量小，目前工業(yè)上已較少應用。（2） 鮑爾環(huán)填料鮑爾環(huán)填料是對拉西環(huán)的改進，在拉西環(huán)的側(cè)壁上開出兩排長方形的窗孔，被切開的環(huán)壁的一側(cè)仍與壁面相連，另一側(cè)向環(huán)內(nèi)彎曲，形成內(nèi)伸的舌葉，諸舌葉的側(cè)邊在環(huán)中心相搭。鮑爾環(huán)由于環(huán)壁開孔，大大提高了環(huán)內(nèi)空間及環(huán)內(nèi)表面的利用率，氣流阻力小，液體分布均勻。與拉西環(huán)相比，鮑爾環(huán)的氣體通量可增加50%以上，傳質(zhì)效率提高30%左右。鮑爾環(huán)是一種應用較廣的填料。（3） 矩鞍填料填料矩鞍填料 將弧鞍填料兩端的弧形面改為矩形面，且兩面大小不等，即成為矩鞍填料。矩鞍填料堆積時不會套疊，液體分布較均勻。矩鞍填料一般采用

10、瓷質(zhì)材料制成，其性能優(yōu)于拉西環(huán)。目前，國內(nèi)絕大多數(shù)應用瓷拉西環(huán)的場合，均已被瓷矩鞍填料所取代。（4） 階梯環(huán)填料階梯環(huán)填料是對鮑爾環(huán)的改進，與鮑爾環(huán)相比，階梯環(huán)高度減少了一半并在一端增加了一個錐形翻邊。由于高徑比減少，使得氣體繞填料外壁的平均路徑大為縮短，減少了氣體通過填料層的阻力。錐形翻邊不僅增加了填料的機械強度，而且使填料之間由線接觸為主變成以點接觸為主，這樣不但增加了填料間的空隙，同時成為液體沿填料表面流動的匯集分散點，可以促進液膜的表面更新，有利于傳質(zhì)效率的提高。階梯環(huán)的綜合性能優(yōu)于鮑爾環(huán)，成為目前所使用的環(huán)形填料中最為優(yōu)良的一種。（5） 金屬環(huán)矩鞍填料金屬環(huán)矩鞍填料 環(huán)矩鞍填料（國外

11、稱為Intalox）是兼顧環(huán)形和鞍形結(jié)構(gòu)特點而設(shè)計出的一種新型填料，該填料一般以金屬材質(zhì)制成，故又稱為金屬環(huán)矩鞍填料。環(huán)矩鞍填料將環(huán)形填料和鞍形填料兩者的優(yōu)點集于一體，其綜合性能優(yōu)于鮑爾環(huán)和階梯環(huán)。填料的種類的選擇要考慮分離工藝的要求，如傳質(zhì)效率、通量、填料層的壓降、填料的操作性能，還要便于安裝、拆卸和檢修。填料的規(guī)格的選擇有散裝填料規(guī)格和規(guī)整填料規(guī)格。填料的材質(zhì)分為陶瓷、金屬和塑料三大類。選擇填料材質(zhì)應根據(jù)吸收系統(tǒng)的介質(zhì)，工藝物料的腐蝕性及操作溫度而定。對于腐蝕性介質(zhì)應采用相應的抗腐蝕性材料，如陶瓷，塑料，玻璃，石墨，不銹鋼等，對于溫度較高的情況，應考慮材料的耐溫性能。綜上所述水吸收丙酮適合

12、用散裝填料，并選用DN38聚丙烯階梯環(huán)填料表1塑料階梯環(huán)填料特性數(shù)據(jù)公稱直徑DN mm外徑×高×厚 d ×h ×,mm 比表面積 m2/m3空隙率 %個數(shù)n m-3堆積密度pKg/m3干填料因子 m-13838×19×1.0132.5912720057.51702. 工藝計算122.1 基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)空氣的分子量：29 ；丙酮的分子量：58；水的分子量：18常壓：101.3 kPa ： 操作溫度：25 5 2.1.1 液相物性的數(shù)據(jù)對低濃度吸收過程，溶液的物性數(shù)據(jù)6可近似取純水的物性數(shù)據(jù)。由手冊查得，25時 水的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度為

13、： = 997.043 kg/m3黏度：=0.8937×10-3 Pa·s =3.217 kg/（h）表面張力：= 71.97dyN/cm=932731.2/h2丙酮在水中的擴散系數(shù)：=1.276×10-9 m2/s=4.594×10-6 m2/h2.1.2 氣相物性的數(shù)據(jù)混合氣體的平均摩爾質(zhì)量M=0.10×58+0.90×29= 31.9 g/mol = 31.9 kg/kmol混合氣體的平均密度=1.304（kg/m3）混合氣體的黏度可近似取為空氣的黏度，查手冊得25空氣的粘度為=1.835×10-5Pas=0.066

14、kg/（h）丙酮在空氣中的擴散系數(shù)：2.1.3 氣液相平衡數(shù)據(jù)查得有機物的亨利系數(shù)與溫度的關(guān)系lgE=9.171-2040/(t+273)當溫度為25時，亨利系數(shù)為：E=211.5kPa25時系統(tǒng)的相平衡常數(shù)：m=E/p=211.5/101.3=2.09溶解度系數(shù)為：H=0.2619（kmol/（kPam3）2.1.4 物料衡算進塔氣相摩爾比為： Y1= =0.1111出塔氣相摩爾比為： Y2= 0.00111進塔惰性氣相流量為：V=××（1-0.10）=58.90（kmol/h）該吸收過程屬低濃度吸收，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┪?/p>

15、過程，進塔液相組成為：X2=0 （）= =2.069取操作液氣比為： （ ）=1.5（ ） =1.5×2.069=3.1035 L=3.1035×58.90=182.7961（kmol/h） V（Y1-Y2）=L（X1-X2） X1=0.03542.2 填料塔的工藝尺寸的計算2.2.1 塔徑的計算通用壓降關(guān)聯(lián)圖采用EcKert通過關(guān)聯(lián)圖計算泛點氣速WL氣相質(zhì)量流量為WV=qv=1.304×1600=2086.4 kg/h液相質(zhì)量流量可以近似按純水的流量計算，即WL=182.7961×18=3290.33kg/hEcKert通用關(guān)系圖的橫坐標為 ()0.5

16、= ×( )0.5=0.057查通用壓降關(guān)聯(lián)圖得 查表1得 u=0.7F=0.7×2.85=1.995m/s D= = =0.532m圓整塔經(jīng)，取D=0.6m泛點率校核：u= =1.573m/s u/F=1.573/2.85×100%=55.2%（在允許范圍內(nèi)）填料規(guī)格校核： = =18.42>8 (滿足階梯環(huán)的徑比要求) 液體噴淋密度校核： 取最小濕潤速率 =0.08（m3/mh）查表1得： =132.5（m2/m3） = =0.08×132.5=10.6（m3/mh） = =11.68>10.6 經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用D=600m

17、m合理2.2.2 填料層高度計算2.2.2.1 傳質(zhì)單元數(shù)的計算=2.09×0.0354=0.07399 =0 脫吸因數(shù)為： =0.6734 氣相總傳質(zhì)單元數(shù)為： = =10.73932.2.2.2 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7計算：查資料得，聚丙烯材質(zhì)的臨界表面張力為：； =132.5m2/m3；液體質(zhì)量通量為UL=11643.06kg/(m2h)1-exp-1.45()()()()=0.3628 則w=48.07m2/m3 氣膜吸收系數(shù)由下式計算= 氣體質(zhì)量通量為=7382.87kg/（m2·h） = =0.237×()()()

18、=0.0605（kmol/（mhkPa） 液膜吸收系數(shù)由下式計算：=0.0095×()()()=0.4747m/h由 查得 =0.0605×48.07×1.45=4.377kmol/(mhkpa)=0.4747×48.07×1.45=26.475 1/h因為=55.2%>% 所以必須對和進行校正，矯正計算如下：由 ， 得=1+9.5(0.552-0.5) ×4.377=5.040（kmol/(mhkpa)）=1+2.6(0.552-0.5) ×26.475=26.578/h由H=0.4701m由Z=HN=0.4701&

19、#215;10.7393=5.049m取=1.2×5.049=6.059m設(shè)計取填料高度=7m查得：對于階梯環(huán)填料 取=10, h=10×600=6000 mm計算得填料高度為7000mm,故不需分段，將塔分兩段,每段3.5m,中間設(shè)置一個液體再分布器2.2.3 填料層壓降計采用Ecker通用關(guān)聯(lián)式計算填料層壓降橫坐標 ()0.5= ×( )0.5=0.057查得 縱坐標 =××0.8937=0.0374查圖1得 填料層壓降為 P=215.82×7=1510.74Pa2.2.4 液體分布器簡要設(shè)計液體分布器可分為初始分布器和再分布器，

20、初始分布器設(shè)置于填料塔內(nèi)，用于將塔頂液體均勻的分布在填料表面上，初始分布器的好壞對填料塔效率影響很大，分布器的設(shè)計不當，液體預分布不均，填料層的有效濕面積減小而偏流現(xiàn)象和溝流現(xiàn)象增加，即使填料性能再好也很難得到滿意的分離效果。因而液體分布器的設(shè)計十分重要。特別對于大直徑低填料層的填料塔，特別需要性能良好的液體分布器。液體分布器的性能主要由分布器的布液點密度（即單位面積上的布液點數(shù)），各布液點均勻性，各布液點上液相組成的均勻性決定，設(shè)計液體分布器主要是決定這些參數(shù)的結(jié)構(gòu)尺寸。對液體分布器的選型和設(shè)計，一般要求：液體分布要均勻；自由截面率要大；操作彈性大；不易堵塞，不易引起霧沫夾帶及起泡等；可用多

21、種材料制作，且操作安裝方便，容易調(diào)整水平。液體分布器的種類較多，有多種不同的分類方法，一般多以液體流動的推動力或按結(jié)構(gòu)形式分。若按流動推動力可分為重力式和壓力式，若按結(jié)構(gòu)形式可分為多孔型和溢流型。其中，多孔型液體分布器又可分為：蓮蓬式噴灑器、直管式多孔分布器、排管式多孔型分布器和雙排管式多孔型分布器等。溢流型液體分布器又可分為：溢流盤式液體分布器和溢流槽式液體分布器。82.2.4.1 液體分布器的選擇該吸收塔液相負荷較大，而氣相負荷相對較小，根據(jù)本吸收的要求和物系的性質(zhì)可選用槽式液體分布器。2.2.4.2 分布點密度計算按Eckert建議值，D=600mm時，噴淋點密度為200點/m2。布氏點

22、數(shù)為n=0.785×0.6×20057（個）；2.2.4.3 布液計算由 取，則 d=0.00833. 輔助設(shè)備的計算及選型3.1 填料支承設(shè)備填料支承板分為兩類：氣液逆流通過平板型支承板，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。常用的填料支承裝置有柵板型和駝峰型及各種具有氣升管結(jié)構(gòu)的支承板。如圖：33.13.2 填料壓緊裝置為保證填料塔在工作狀態(tài)下填料床能夠穩(wěn)定，防止高氣相負荷或負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，必須在填料層頂部設(shè)置填料限定裝置。填料限定可分為類：一類是將放置于填料上端，僅靠自

23、身重力將填料壓緊的填料限定裝置，稱為填料壓板；一類是將填料限定在塔壁上，稱為床層限定板。填料壓板常用于陶瓷填料，以免陶瓷填料發(fā)生移動撞擊，造成填料破碎。床層限定板多用于金屬和塑料填料，以防止由于填料層膨脹，改變其初始堆積狀態(tài)而造成的流體分布不均勻的現(xiàn)象。一般要求壓板和限制板自由截面分率大于70%。3.3液體再分布裝置 為使流向塔壁的液體能重新流回塔中心部位，一般在液體流過一定高度的填料層后裝置一個液體再分布器。液體再分布器形狀如漏斗，在液體再分布器側(cè)壁裝有若干短管，使近塔壁的上升氣流通過短管與中心氣流匯合，以利氣流沿塔截面均勻分布。4. 設(shè)計一覽表工藝設(shè)計計算結(jié)果計算數(shù)據(jù)計算結(jié)果單位液體密度9

24、97.043kg/m3液體粘度0.8937×10-3Pa·s液體表面張力932731.2kg/h2丙酮在水中的擴散系數(shù)1.27610m2/s混合氣體平均摩爾質(zhì)量31.9kg/kmol混合氣體平均密度1.304kg/m3混合氣體粘度1.835×10-5丙酮在空氣中的擴散系數(shù)0.03924m2/h相平衡常數(shù)1.75Pas亨利系數(shù)211.5kPa溶解度系數(shù)0.2619kmol/（kPa·m3）進塔氣相摩爾比0.1111出塔氣相摩爾比0.00111進塔惰性氣相流量58.90kmol/h氣相質(zhì)量流量2086.4kg/h液相質(zhì)量流量3290.33kg/h最小液氣比2.069操作液氣比3.1035填料的泛點2.85m/s氣速1.995m/s塔徑0.6m填料層高度7m總布液孔數(shù)57脫吸因數(shù)0.6734傳質(zhì)單元高度0.4701m傳質(zhì)單元數(shù)10.7393填料塔的壓力降1510.74Pa泛點率55.2%填料高度7000mm后記通過本次課程設(shè)計，讓我對水吸收丙酮填料塔的設(shè)計方案和填料塔設(shè)計的基本過程的設(shè)計方法、步驟、思路、有一定的了解與認識。在課程設(shè)計過程中，基本能按照化工原理設(shè)計課程和規(guī)定的程序進行設(shè)計，先針對填料塔的特點和收集、調(diào)查有關(guān)資料，然后進入草案階段，其間與同學進行一些討論，后逐步了解設(shè)計