空氣—丙酮填料吸收塔設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、空氣丙酮填料吸收塔設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)設(shè)計(jì)題目：空氣-丙酮填料塔吸收設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件：混合氣（丙酮、空氣）處理量：1000m3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))進(jìn)塔混合氣中含丙酮：5%（V%）；溫度：20OC丙酮回收率：96%進(jìn)塔吸收劑（清水）溫度：20OC設(shè)計(jì)條件：        操作條件：常壓操作        設(shè)備型式：自    選        廠    址：本 地 區(qū)設(shè)計(jì)

2、內(nèi)容：1、設(shè)計(jì)方案的選擇及流程說(shuō)明2、工藝計(jì)算3、主要設(shè)備工藝尺寸設(shè)計(jì)(1)塔徑的確定(2)填料層高度計(jì)算(3)總塔高、總壓降及接管尺寸的確定4、輔助設(shè)備選型與計(jì)算5、設(shè)計(jì)結(jié)果匯總6、工藝流程圖及換熱器工藝條件圖71概述11吸收技術(shù)概況吸收塔設(shè)備是氣液接觸的傳質(zhì)設(shè)備，一般可分為級(jí)式接觸和微分接觸兩類(lèi)。一般級(jí)式接觸采用氣相分散，設(shè)計(jì)采用理論板數(shù)及板效率；而微分接觸設(shè)備常采用液相分散，設(shè)計(jì)采用傳質(zhì)單元高度及傳質(zhì)單元數(shù)。本設(shè)計(jì)采用后者。吸收是氣液傳質(zhì)的過(guò)程，應(yīng)用填料塔較多。而塔填料是填料塔的核心構(gòu)件，它提供了塔內(nèi)氣液兩相接觸而進(jìn)行傳質(zhì)和傳熱的表面，與塔的結(jié)構(gòu)一起決定了填料塔的性能1。12吸收設(shè)備的發(fā)

3、展吸收操作主要在填料塔和板式塔中進(jìn)行，尤其以填料塔的應(yīng)用較為廣泛。塔填料的研究與應(yīng)用已獲得長(zhǎng)足的發(fā)展，鮑爾環(huán)、階梯環(huán)、萊佛厄派克環(huán)、金屬環(huán)矩鞍等的出現(xiàn)標(biāo)志著散裝填料朝高通量、高效率、低阻力方向發(fā)展有新的突破。規(guī)整填料在工業(yè)裝置大型化和要求高分離效率的情況下，倍受重視，已成為塔填料的重要品種。其中金屬與塑料波紋板造價(jià)適中，抗污力強(qiáng)，操作性能好，并易于工業(yè)應(yīng)用，可作為通用填料使用；柵格填料對(duì)液體負(fù)荷和允許壓降要求苛刻的過(guò)程十分有利，并具有自?xún)魴C(jī)能，即使應(yīng)用在污垢系統(tǒng)也能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)；脈沖填料獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使之在大流量、大塔徑下也不會(huì)發(fā)生偏流，極易工業(yè)放大，從發(fā)展上看很有希望。塔填料仍處于發(fā)展之中，今后

4、的研究方向主要是提高傳質(zhì)效率，同時(shí)考慮填料的強(qiáng)度、操作性能及使用上的通用因素，并綜合環(huán)型、鞍型及規(guī)整填料的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而開(kāi)發(fā)構(gòu)型優(yōu)越、堆積接觸方式合理、流體在整個(gè)床層能均勻分布的新型填料。就目前看，填料的材質(zhì)仍以陶瓷、金屬和塑料為主，特別為滿(mǎn)足化工生產(chǎn)中溫度和耐腐蝕的要求，以開(kāi)發(fā)并采用了氟塑料制成的填料。填料塔原先被認(rèn)為設(shè)備笨重，放大效應(yīng)顯著，所以常用于塔徑較小的場(chǎng)合。近二三十年來(lái)，填料塔得到了較大的發(fā)展，特別是氣液分布裝置上的改進(jìn)及規(guī)整填料的開(kāi)發(fā)，使塔的直徑可超過(guò)15m，在加大通量，減少壓力降，提高效率及降低能耗方面，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。填料塔的發(fā)展，與塔填料的開(kāi)發(fā)與研究是分不開(kāi)的，除了提高原

5、有填料的流體力學(xué)與傳質(zhì)性能外，還開(kāi)發(fā)了不少效率高、放大效益小的新型填料，加上填料塔本身具有壓降小、持液量小、耐腐蝕、操作穩(wěn)定、彈性大等優(yōu)點(diǎn)，使填料塔的開(kāi)發(fā)研究達(dá)到了一個(gè)新的高度1。13吸收過(guò)程在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用2吸收方案21吸收劑的選擇對(duì)于吸收操作,選擇適宜的吸收劑,具有十分重要的意義。其對(duì)吸收操作過(guò)程的經(jīng)濟(jì)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(wèn)題。1.對(duì)溶質(zhì)的溶解度大所選的吸收劑多溶質(zhì)的溶解度大,則單位量的吸收劑能夠溶解較多的溶質(zhì),在一定的處理量和分離要求下,吸收劑的用量小,可以有效地減少吸收劑循環(huán)量,這對(duì)于減少過(guò)程功耗和再生能量消耗十分有利。另一方面,在同樣的吸收劑

6、用量下,液相的傳質(zhì)推動(dòng)力大,則可以提高吸收效率,減小塔設(shè)備的尺寸。2.對(duì)溶質(zhì)有較高的選擇性對(duì)溶質(zhì)有較高的選擇性,即要求選用的吸收劑應(yīng)對(duì)溶質(zhì)有較大的溶解度,而對(duì)其他組分則溶解度要小或基本不溶,這樣,不但可以減小惰性氣體組分的損失,而且可以提高解吸后溶質(zhì)氣體的純度。3.揮發(fā)度要低吸收劑在操作條件下應(yīng)具有較低的蒸氣壓,以避免吸收過(guò)程中吸收劑的損失,提高吸收過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性。4.再生性能好由于在吸收劑再生過(guò)程中,一般要對(duì)其進(jìn)行升溫或氣提等處理,能量消耗較大,因而,吸收劑再生性能的好壞,對(duì)吸收過(guò)程能耗的影響極大,選用具有良好再生性能的吸收劑,往往能有效地降低過(guò)程的能量消耗。以上四個(gè)方面是選擇吸收劑時(shí)應(yīng)考慮的

7、主要問(wèn)題,其次,還應(yīng)注意所選擇的吸收劑應(yīng)具有良好的物理、化學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)性。其良好的物理性能主要指吸收劑的粘要小,不易發(fā)泡,以保證吸收劑具有良好的流動(dòng)性能和分布性能。良好的化學(xué)性能主要指其具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性,以防止在使用中發(fā)生變質(zhì),同時(shí)要求吸收劑盡可能無(wú)毒、無(wú)易燃易爆性,對(duì)相關(guān)設(shè)備無(wú)腐蝕性(或較小的腐蝕性)。吸收劑的經(jīng)濟(jì)性主要指應(yīng)盡可能選用廉價(jià)易得的溶劑。工業(yè)上常選用水做二氧化硫的吸收劑。除了物理吸收可能還會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。22吸收流程的選擇用水吸收丙酮屬中等溶解度的吸過(guò)程，為提高傳質(zhì)效率，采用逆流吸收流程。因用水作為吸收劑，且丙酮不作為產(chǎn)品，故采用純?nèi)軇?21吸收工藝流程圖及工藝過(guò)

8、程說(shuō)明23吸收塔設(shè)備及填料的選擇各種填料的結(jié)構(gòu)差異較大，具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，因此在使用上應(yīng)根據(jù)具體情況選擇不同的塔填料。在選擇塔填料時(shí)，應(yīng)該考慮如下幾個(gè)問(wèn)題：1面積大比表面積是指單位堆積體積填料所具有的表面積；2布性能要好主要有如下三個(gè)方面：A填料在塔內(nèi)裝填之后，整體結(jié)構(gòu)均勻。B填料在塔內(nèi)堆放形狀應(yīng)有利于液體向四周均勻分布。C減輕液體想避面偏流。3填料材質(zhì)的選擇該流程處理量不大，所以所用的塔徑不會(huì)太大，以采用填料塔比較適宜，碳鋼填料造價(jià)低，且具有良好的表面潤(rùn)濕性能，對(duì)于無(wú)腐蝕或低腐蝕性物系應(yīng)優(yōu)先考慮使用。同時(shí)金屬填料可制成薄壁結(jié)構(gòu)，它的通量大、氣體阻力小，且具有很高的抗沖擊性能，能在高溫、高壓、

9、高沖擊強(qiáng)度下使用，應(yīng)用范圍最為廣泛。4填料類(lèi)型的選擇填料類(lèi)型的選擇是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，同一類(lèi)填料塔中，比表面積大的填料雖然具有較高的分離效率，但是由于在同樣的處理量下，所需要的塔徑較大，塔體造價(jià)升高。由于本次設(shè)計(jì)是在常壓（101.3Kpa）,常溫（20°C）下進(jìn)行的，故本次設(shè)計(jì)采用 16金屬鮑爾環(huán)填料，其主要性能參數(shù)為 ： 填料類(lèi)型公稱(chēng)直徑填料個(gè)數(shù)堆積密度空隙率比表面積泛點(diǎn)填料 因子金屬鮑爾環(huán)16mm24680/m-3365kg/m30.96239m2/m3410/m-124操作參數(shù)的選擇溫度為20，爐氣流量為1000m3/h，丙酮摩爾分率為0.05，要求回收率不小于96

10、%，實(shí)際液氣比為最小液氣比的1.5倍。3吸收塔的工藝計(jì)算31基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)311液相物性數(shù)據(jù)溶劑名稱(chēng)水甲醇乙醇苯非締合溶劑締合因子2.61.91.51.01.0由參考書(shū)查得正常沸點(diǎn)下的分子體積得: 混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為 =0.05×58.08+0.95×28.95=30.41Kg/Kmol混合氣體的平均密度為 =1.266/m3混合氣體的黏度可近似取為空氣的黏度,查手冊(cè)得20空氣的黏度為v=1.73×10-5Pa。s丙酮在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為：由查參考書(shū)查的分子擴(kuò)散體積是:313氣液相平衡數(shù)據(jù)由亨利系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式 求得常壓20丙酮在水中的亨利系數(shù)：E=161.637

11、7KPa=161.6 KPa相平衡常數(shù)m= =1.60溶解度系數(shù) =0.343kmol/(kpa. M3)32物料衡算進(jìn)塔氣相摩爾比為 =0.05/(1-0.05)=0.0526出塔氣相摩爾比為Y2=Y1×(1-A)=0.0526×(1-0.96)=0.0021進(jìn)塔惰性氣相流量為 kmol/s該吸收過(guò)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(jì)算,即 對(duì)于純?nèi)軇┪者^(guò)程,進(jìn)塔液相組成為X2=0通常 =（1.12.0）( )min取操作液氣比為最小液氣比的1.5倍，即 =1.5( )min=1.5×1.536=2.304所以L=2.304×0.01

12、098=0.02529 kmol/s由全塔物料衡算式 得吸收液出塔濃度 333填料塔的工藝尺寸的計(jì)算331塔徑的計(jì)算圖2通用壓降關(guān)聯(lián)圖1.u的確定通常由泛點(diǎn)氣速來(lái)確定空塔操作氣速，泛點(diǎn)氣速是填料塔操作氣速的上限，填料塔的操作氣速必須小于泛點(diǎn)氣速。操作空塔氣速與泛點(diǎn)氣速之比稱(chēng)為泛點(diǎn)率。對(duì)散裝填料，其泛點(diǎn)率的經(jīng)驗(yàn)值為：u=(0.50.85) 填料塔的泛點(diǎn)氣速可由Eckert通用關(guān)聯(lián)圖查得氣相質(zhì)量流量為 =qvvm=1000/3600×1.264=0.3511kg/s液相質(zhì)量流量可近似按純水的流量計(jì)算：=LMH2O=0.02529×18.02=0.4557kg/sEckert通用

13、關(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)為 查Eckert通用關(guān)聯(lián)圖得 查散裝填料泛點(diǎn)填料因子平均值得: F=410m-1設(shè)計(jì)氣速取泛點(diǎn)氣速的80%,則設(shè)計(jì)氣速u(mài)=0.8 =0.8×3.18=2.55m/s由 圓整塔徑,取D=400mm=0.4m2.泛點(diǎn)率校核: 由于泛點(diǎn)附近流體力學(xué)性能的不穩(wěn)定性，一般較難穩(wěn)定操作，故一般要求泛點(diǎn)率在50%-80%之間，而對(duì)于易起泡的物系可低于40%；由 得 =2.21m/s(在允許范圍內(nèi))填料規(guī)格校核: (在允許范圍內(nèi))以上式中： 泛點(diǎn)氣速， ；-空塔氣速 ；液體密度， ；氣體密度， ；， 氣液相質(zhì)量流量， ；g重力加速度，9.81 ；液體黏度， ；-填料因子，1/ m；-

14、液體密度校正系數(shù)；3.液體噴淋密度校核:為使填料塔能獲得良好的潤(rùn)濕，塔內(nèi)液體噴淋量應(yīng)不低于某一極限值，此極限值稱(chēng)為最小噴淋密度，以 表示對(duì)于散裝填料，其最小噴淋密度通常采用下式計(jì)算：Umin=(Lw)mint最小潤(rùn)濕速率是指在塔的截面上，單位長(zhǎng)度的填料周邊的最小液體體積流量。當(dāng) <75mm時(shí)，最小濕潤(rùn)速率為(Lw)min=0.08m3/m.h本次設(shè)計(jì)選用 16的金屬鮑爾環(huán)填料，其t=239m2/m3代入數(shù)值得最小噴淋密度為Umin=(Lw)mint=0.08×239=19.12m3/m2.h式中： 最小噴淋密度， ；最小潤(rùn)濕速率， ；填料的總比表面積， 填料塔的液體噴淋量密度是

15、指單位時(shí)間，單位塔截面上液體的噴淋量，其計(jì)算式為：Umin式中： 液體噴淋密度， ；液體噴淋量， ；( );填料塔直徑， 經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用D=400mm合理。332傳質(zhì)單元高度計(jì)算填料比表面積 ,實(shí)際操作中潤(rùn)濕的填料比表面積 由于只有在潤(rùn)濕的填料表面才可能發(fā)生氣、液傳質(zhì)，故 具有實(shí)際意義。相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計(jì)算表31常見(jiàn)材質(zhì)的臨界表面張力值材質(zhì)碳瓷玻璃聚丙烯聚氯乙烯鋼石蠟表面張力， 56617333407520查表常見(jiàn)材質(zhì)的臨界表面張力值得c=75dyn/cm=75×10-3N/m液體質(zhì)量通量Ul= Wl /0.785D2=0.4557/（0.785&

16、#215;0.42）=3.6263kg/(m2.s)代入數(shù)值:= 1.025= 1.4950=0.2377代入恩田關(guān)聯(lián)式：=1-exp（-1.45×1.025×1.3187×1.4950×0.2377=0.5017所以w=0.5017t=0.5017×239=119.9063m2/m3氣膜吸收系數(shù)由下式計(jì)算：式中： 填料的總比表面積， ；氣體通過(guò)空塔截面的質(zhì)量流速， ；，氣體的粘度， ； 氣體的密度， ；g重力加速度，9.81 ;氣體質(zhì)量通量為 10-5 由 Y2*=mX2=0脫吸因數(shù) 氣相總傳質(zhì)單元數(shù)為由Z= HOg NOg=1.0671&#

17、215;6.9482=7.4144m圓整后得Z=8.0m填料層分段>8所以，填料層分為兩段設(shè)置，擬將填料每4米分為一段。335填科層壓降計(jì)算氣體通過(guò)填料曾壓降用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算橫坐標(biāo) (前已算出)縱坐標(biāo) ， 其中 =3.18得：查Eckert通用關(guān)聯(lián)圖，得每米填料得壓降為100×9.81=981Pa/m所以填料總壓降為P=981×7.4144=7.27K Pa336塔附屬高度的計(jì)算1.塔上部空間高度，可取1.2m，2.液體分布器高度約為1米，若塔底液相停留時(shí)間按1min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1.5m，所以塔

18、的附屬高度為h=1.2+1.00.21801.5=3.918m4.0m塔得總高度H8.04.012.0m即塔得總高為12.0m附錄1工藝設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果匯總與主要符號(hào)說(shuō)明表32工藝設(shè)計(jì)計(jì)算匯總表混合氣體處理量U（m3/h）1000進(jìn)塔氣相摩爾比Y100526出塔氣相摩爾比Y20.0021出塔液相摩爾分率X1（ ）0.02193進(jìn)塔液相摩爾分率X2 （ ）0混合氣體平均摩爾質(zhì)量 （ ）35.11混合氣體的平均密度 （ ）1246混合氣體的粘度 （ ）1.73 10-5吸收劑用量L（ ）0.02529氣相質(zhì)量流量 （ ）0.3511液相質(zhì)量流量 （ ）0.4557氣相總傳質(zhì)單元數(shù) （m）6.9482氣

19、相總傳質(zhì)單元高度 (m)1.067空塔氣速u(mài) (m/s)2.55泛點(diǎn)氣速u(mài) (m/s)3.18泛點(diǎn)率f80%圓整塔徑D（m）0400填料塔上部高度h (m)12填料塔下部高度h (m)15塔的附屬高度h(m)4.0表33主要符號(hào)說(shuō)明 符號(hào)意義單位X平衡時(shí)液相丙酮摩爾比Y氣相丙酮摩爾比y氣相丙酮摩爾分率液體的質(zhì)量流量氣體的質(zhì)量流量，氣體密度Z填料層高度，mV惰性氣相流量溶劑的摩爾流率Y氣相中溶質(zhì)的比摩爾分率；X液相中溶質(zhì)的比摩爾分率。最小噴淋密度潤(rùn)濕率D填料塔直徑氣體的體積流量空塔氣速液泛氣速重力加速度液相傳質(zhì)系數(shù)溶質(zhì)在液相中的傳質(zhì)系數(shù)；氣相傳質(zhì)系數(shù)T氣體溫度KDV溶質(zhì)在氣體中的擴(kuò)散系數(shù)氣體黏度

20、氣相質(zhì)量流速u(mài)孔塔氣速m/sUV，UL氣體和液體的質(zhì)量通量氣體和液體的密度溶質(zhì)在氣體和液體中的擴(kuò)散系數(shù)R氣體常數(shù)液體黏度填料的總比表面積填料的潤(rùn)濕比表面積填料因子g重力加速度液體的表面張力填料材質(zhì)的臨界表面張力液體的質(zhì)量流速氣體密度h填料層高度m附錄2對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程的評(píng)述和有關(guān)問(wèn)題的討論對(duì)于設(shè)計(jì)過(guò)程我們通過(guò)查閱各種文獻(xiàn)得到數(shù)據(jù)，公式最后匯總，通過(guò)給出的任務(wù)進(jìn)行計(jì)算，使我們的自學(xué)能力，匯總能力都得到了提高。對(duì)于最后部分塔附屬高度的計(jì)算還不甚了解，采用計(jì)算機(jī)制圖也很不熟練，有待提高。通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)不僅增強(qiáng)了自己的自學(xué)能力更促進(jìn)了對(duì)化工原理知識(shí)的進(jìn)一步了解，同時(shí)通過(guò)同學(xué)之間，同學(xué)和老師之間的相互交流使

21、我的設(shè)計(jì)更加完善。在良好的互動(dòng)環(huán)境下我們大家都很努力認(rèn)真，不僅是為了取得成績(jī)，更是為了能在知識(shí)上，在能力上都有所提高。特別使對(duì)一些參考文獻(xiàn)的使用，和對(duì)圖表的查詢(xún)都有了實(shí)質(zhì)性的操作。動(dòng)手能力也有了顯著提高，使我們大家都很高興。雖然我們做設(shè)計(jì)的時(shí)間較以前的學(xué)哥學(xué)姐時(shí)間短，但我們相信我們的收獲不比他們少。當(dāng)然我知道自己的設(shè)計(jì)也許還存在這樣或那樣的不足，但我知道這是我努力的結(jié)果。我感謝能有這次讓我努力并增長(zhǎng)知識(shí)的機(jī)會(huì)，缺點(diǎn)和不足一定回盡力改正。也真心的希望這樣可以促進(jìn)我們學(xué)習(xí)和進(jìn)步的機(jī)會(huì)以后還有。附錄3 吸收操作系統(tǒng)的工藝流程圖參考文獻(xiàn)【1】、石油化學(xué)工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)院.塔的工藝計(jì)算。北京：石油化學(xué)工業(yè)出

22、版社，1997【2】、化工設(shè)備技術(shù)全書(shū)編輯委員會(huì).化工設(shè)備全書(shū)塔設(shè)備設(shè)計(jì).上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社1998【3】、時(shí)鈞，汪家鼎?；瘜W(xué)工程手冊(cè)，北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1986【4】、上海醫(yī)藥設(shè)計(jì)院.化學(xué)工業(yè)設(shè)計(jì)手冊(cè)（上、下）. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社1986【5】、陳敏恒，叢德茲等.化工原理（上、下冊(cè)）（第二版）. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社2000【6】、大連理工化工原理教研室,化工原理課程設(shè)計(jì),大連，大連理工大學(xué)出版社, 1994【7】、柴誠(chéng)敬，劉國(guó)維，李阿娜，化工原理課程設(shè)計(jì)，天津，天津科學(xué)技術(shù)出版社，1995【8】、化學(xué)工程手冊(cè)編輯委員會(huì).化學(xué)工業(yè)手冊(cè)（第1、？、13篇），化工出版社，1989【9】、賈紹義等.化工傳遞與單元操作課程設(shè)計(jì)，天津大學(xué)出版社2002【10】、匡國(guó)柱等. 化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)，化學(xué)工業(yè)出版社，2002 【11】、國(guó)外氣液傳質(zhì)設(shè)備的一些發(fā)展趨勢(shì)，化工進(jìn)展，1994，（1）：22-28【12】、鄭曉梅.化工制圖，化工出版社，2002結(jié)束語(yǔ)：本次課程設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)兩周的時(shí)間得以完成，主要包括目錄、緒論、設(shè)計(jì)方案、吸收塔的工藝計(jì)