環(huán)境工程原理課程設(shè)計(jì)丙酮吸收填料塔

1、環(huán)境工程原理課程設(shè)計(jì)題目水吸收丙酮填料塔設(shè)計(jì)學(xué)院專業(yè)班級學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號指導(dǎo)教師2021年6月16日目錄第一章設(shè)計(jì)任務(wù)書31.1 設(shè)計(jì)題目31.2 設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件31.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容31.4 設(shè)計(jì)要求3第二章設(shè)計(jì)方案確實(shí)定42.1 設(shè)計(jì)方案的內(nèi)容42.1.1 流程方案確實(shí)定42.1.2 設(shè)備方案確實(shí)定42.2 填料的選擇5第三章吸收塔的工藝計(jì)算63.1 根底物性數(shù)據(jù)63.1.1 液相物性數(shù)據(jù)63.1.2 氣相物性數(shù)據(jù)63.1.3 氣液平衡相數(shù)據(jù)73.2 物料衡算73.3 填料塔塔徑的計(jì)算83.3.1 泛點(diǎn)氣速的計(jì)算83.3.2 塔徑的計(jì)算及校核93.4.1 氣相總傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算103.4.

2、2 氣相總傳質(zhì)單元高度的計(jì)算103.5填料塔流體力學(xué)校核123.5.1 氣體通過填料塔的壓降123.5.2 泛點(diǎn)率133.5.3 氣體動能因子13第四章塔內(nèi)輔助設(shè)備的選擇和計(jì)算134.1 液體分布器134.2 填料塔附屬高度144.3 填料支承裝置154.4 填料壓緊裝置154.5 液體進(jìn)、出口管154.6 液體除霧器164.7 筒體和封頭174.8 手孔174.9 法蘭174.10 裙座19第五章設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果總匯表20第六章課程設(shè)計(jì)總結(jié)23參考文獻(xiàn)24附錄25第一章設(shè)計(jì)任務(wù)書1.1 設(shè)計(jì)題目水吸收丙酮填料塔設(shè)計(jì)1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件(1)氣體處理量：1820m3/h(2)進(jìn)塔混合氣含丙酮

3、5%(Vol),進(jìn)塔溫度35C(3)進(jìn)塔吸收劑(清水)溫度：25C,吸收劑的用量為最小用量的1.3倍(4)丙酮回收率：90%(5)操作壓力：常壓(6)每天工作24小時,一年300天1.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容(1)確定吸收流程(2)物料衡算,確定塔頂塔底的氣液流量和組成(3)選擇填料、計(jì)算塔徑、填料層高度、填料分層、塔高(4)流體力學(xué)特性校核：液氣速度求取、噴淋密度校核、填料層壓降計(jì)算(5)附屬裝置的選擇與確定：液體噴淋裝置、液體再分布器、氣體進(jìn)出口及液體進(jìn)出口裝置、柵板1.4 設(shè)計(jì)要求(1)設(shè)計(jì)說明書內(nèi)容目錄和設(shè)計(jì)任務(wù)書流程及流程說明設(shè)計(jì)計(jì)算及結(jié)果總匯表對設(shè)計(jì)成果的評價(jià)及討論參考文獻(xiàn)(2)繪制填料塔設(shè)計(jì)

4、圖第二章設(shè)計(jì)方案確實(shí)定2.1 設(shè)計(jì)方案的內(nèi)容2.1.1 流程方案確實(shí)定本工藝采用清水吸收丙酮,為易溶氣體的吸收過程,由于逆流操作傳質(zhì)推動力大,傳質(zhì)速率快,別離效率高,吸收劑利用率高,應(yīng)選用逆流操作,即氣體自塔低進(jìn)入由塔頂排出,液體自塔頂進(jìn)入由塔底排出.流程說明：在該填料塔中,丙酮和空氣的混合氣體經(jīng)由填料塔的下側(cè)進(jìn)口進(jìn)入塔中,與從填料塔塔頂流下的清水逆流接觸,在填料外表進(jìn)行傳質(zhì)吸收,經(jīng)過吸收的混合氣體從塔頂排出,吸收了丙酮的水由填料塔的下端流出.常規(guī)逆流操作流程見圖1-1.圖1-1常規(guī)逆流操作流程圖2.1.2 設(shè)備方案確實(shí)定填料塔是以塔內(nèi)的填料作為氣液兩相間接觸構(gòu)件的傳質(zhì)設(shè)備,塔身是一直立式圓筒

5、,底部裝有填料支承板,填料以亂堆或整砌的方式放置在支承板上.填料的上方安裝填料壓板,以防被上升氣流吹動.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.2.2 填料的選擇對于水吸收丙酮的過程,選才DN50金屬環(huán)矩鞍填料,其具體結(jié)構(gòu)特性參數(shù)見表2-1.表2-1金屬環(huán)矩鞍填料結(jié)構(gòu)特性參數(shù)1公稱尺寸Dg/mm外徑*X厚dH/(mmxmmXmm)堆積個數(shù)n/(個/m-3)堆積密度p/(kg/m3)空隙率/%比外表積a/(m2/m3)干填料因子Fa/3/m-1505040M104002919674.984第三章吸收塔的工藝計(jì)算3.1 根底物性數(shù)據(jù)3.1.1 液相物性數(shù)據(jù)對于低濃度吸收過程,溶液

6、的物性數(shù)據(jù)可近似取純水的物性數(shù)據(jù).由手冊查得,25c時水的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度：L997.08kg/m3黏度3:l0.8937mPas3.22kg/(mh)外表張力4：L71.97mN/m=932731.2kg/h2查手冊得15c時丙酮在水中的擴(kuò)散系數(shù)為:92Dl1.25109m2/s又因液體中擴(kuò)散系數(shù)6:7.4108(Mr,2)1/2T2Vm.6Dab-溶質(zhì)1在溶劑2中的擴(kuò)散系數(shù),Mr,2溶劑2的分子量;T溫度,K;2洛齊1J2的粘度;Vm,1溶質(zhì)1在正常沸點(diǎn)下的分子體積;溶劑2的締合參數(shù),無因次,水為2.6;甲酉享為1.9;乙醇為1.5;其他非締合液體為1故25c時丙酮在水中的擴(kuò)散系數(shù)為

7、:Dl7.4108(2.618.02)0.5(273.1525)0.893775.60.61.261109m2/s4.5396106m2/h3.1.2氣相物性數(shù)據(jù)混合氣體的平均摩爾質(zhì)量:MVmyiMi0.0558.080.952930.45kg/kmol混合氣體的平均密度:PMvm101.330.45Vm_RT8.314(273.1535)_31.2040kg/m3混合氣體的粘度可近似取空氣的粘度,查手冊7得35c空氣的粘度為:_5_V1.83210Pas0.06595kg/(mh)查手冊網(wǎng)得丙酮在空氣中擴(kuò)散系數(shù)為:_15DV0.0043kTk0.00426故35c時丙酮在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為:

8、_15_2_2Dv0.00430.00426(273.1535).990.88m/h0.03567m/h3.1.3氣液平衡相數(shù)據(jù)由lgE9.171軍竺可知：T常壓下25c時丙酮在水中的亨利系數(shù)為:9.1712040E10273.1525213.209kPa相平衡常數(shù)為:E213.209m-2.105P101.3溶解度系數(shù)為：997.0830.2595kmol/(kPam3)213.20918.023.2物料衡算進(jìn)塔氣相摩爾比為:y10.05Yy1LL0.05261y110.05出塔氣相摩爾比為:工1A)0.0526(10.9)0.00526進(jìn)塔惰性氣體流量為：1820273.15V(10.05

9、)68.42kmol/h22.4273.1535該過程屬低濃度吸收,平衡關(guān)系為直線,最小液氣比可按下式計(jì)算,即:YYY/mX2對于純吸收過程,進(jìn)塔液相組成為：X20(L).min0.05260.005262八1.90650.0526/2.1050取操作液氣比為：L1.3(L)min1.31.90652.4784故吸收劑用量為：L(L)minV2.478468.42169.572kmol/h由物料衡算式V(YY2)L(XiX2)可知:XiV(YiY2)68.42(0.05260.00526)169.5720.01913.3填料塔塔徑的計(jì)算3.3.1 泛點(diǎn)氣速的計(jì)算采用?？颂?Eckert)泛點(diǎn)氣

10、速關(guān)聯(lián)圖進(jìn)行計(jì)算,關(guān)聯(lián)圖見圖3-1氣相質(zhì)量流量為：WV=18201.2040=2191.28kg/h液相質(zhì)量流量可近似按純水的流量計(jì)算,即：WL169.57218.023055.69kg/hEckert通用關(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)為：Wl、.53055.69,1.20400.5()()0.048WVL2191.28997.08圖3-1Eckert通用關(guān)聯(lián)圖92查圖3-1得：uF-F一V：20.045gl,0.045gl、0.5Uf(07)FVL查附表1得：f135m11.664m/s(0.0459.81997.08)0.5(13511.20400.89370.2取u0.8uf0.81.6641.331m

11、/s3.3.2 塔徑的計(jì)算及校核塔徑的計(jì)算:D41820/36003.141.3310.696m塔徑圓整,取D0.7m泛點(diǎn)率校核：1820/36000.7850.721.314m/suUf1314100%79.0%(在允許范圍內(nèi))1.664填料規(guī)格校核:D700d50148液體噴淋密度校核:取最小潤濕速率為3.(Lw)min0.08m/(mh)由表2-1可知：a74.9m2/m3Umin(Lw)mina0.0874.9325.99m/(mh)3055.69/997.080.7850.727.97Umin經(jīng)以上校核可知,填料塔直徑選用D700mm合理.3.4填料層高度的計(jì)算3.4.1 氣相總傳質(zhì)

12、單元數(shù)的計(jì)算*Y=mX12.1050.01910.0402*Y2mX2脫吸因數(shù)為氣相總傳質(zhì)單元數(shù)為*SNogln(1S)YY-Y1ln(10.849)10.8491SY2Y20.052600.8495.6840.0052603.4.2 氣相總傳質(zhì)單元高度的計(jì)算氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式10計(jì)算：22aw1exp1.45(-riNWlUA)0.).2atlatlLgllA查附表2得2C75dyn/cm972000kg/h液體質(zhì)量通量為Ul3055.69_20.7850.7227903.80kg/(m2h)972000、0.75/7903.80皿,7903.80274.9、0.051.

13、45()()(28)awd932731.274.93.22997.0821.271081exp2at(7903.802出997.08932731.274.90.580氣膜吸收系數(shù)由下式10計(jì)算:Uv07v13atDvkG0.237嚴(yán)()3(TV)atVVDvRT氣體質(zhì)量通量為Uv18201.20400.7850.725696.82kg/(m2h)kG025696.82)0.7(0.06595)13(74.90.03567)74.90.065951.20400.035678.314298.150.0410kmol/(m2hkPa)液膜吸收系數(shù)由下式10計(jì)算:kL0.0095(-UM23(awlL

14、K)12(Lg.)/3L0.0095(7903.800.5874.93.22)23(3.22)129997.084.53961.“0.3897m/h3.221.27108、i3()3997.0811%a%aw,查附表3得1.45%a1.130.04100.58074.9113_1.452.680kmol/(m3hkPa)kLaUf0.38970.580包79.0%1.66474.950%1.450.419.6421/h19.5(0.5)1.4kGa,Uf2.6(0.5)2.2kLa,得UfkLaKga11_149.5(0.78970.5)._222.6(0.78970.5).2.68019.6

15、4237.174kmol/(mhkPa)22.9871/h17.1743.257kmol(m3hkPa)kGaHkLa110.259522.987HOGKYaKg3P0.539m23.257101.30.7850.7268.42由ZHogNog0.5395.6843.064m,得Z1.253.0643.830m設(shè)計(jì)取填料層高度為一,Z4m查附表4,對于環(huán)矩鞍填料,-815,hmax6mD取n8,那么Dh87005600mm計(jì)算得填料層高度為4000mm,故不需分段.3.5填料塔流體力學(xué)校核3.5.1 氣體通過填料塔的壓降采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算填料層壓降.橫坐標(biāo)為Wk(_v_)o,5Wv

16、l0.048查附表5得,1P71m縱坐標(biāo)為2Upv0.2L1.31427119.811.2040020.893700.0148997.08查附圖1得P/Z186.39Pa/m填料層壓降為P186.394745.56Pa3.5.2 泛點(diǎn)率u1.314100%79.0%Uf1.665泛點(diǎn)率介于50%80%之間,合理.3.5.3 氣體動能因子_11Fu11.314.1.20401.44kgW/Sm2氣體動能因子在常用的范圍內(nèi).從以上的各項(xiàng)指標(biāo)分析,該吸收塔的設(shè)計(jì)合理,可以滿足吸收操作的工藝要第四章塔內(nèi)輔助設(shè)備的選擇和計(jì)算4.1 液體分布器(1)液體分布器的選型本設(shè)計(jì)任務(wù)液相負(fù)荷為：7.97m3/(m

17、2h)L169.57218.02_2997.080.7850.72液相負(fù)荷較小,應(yīng)選用排管式液體分布器.(2)布液點(diǎn)數(shù)根據(jù)附表6Eckert的散裝填料塔分布點(diǎn)密度推薦值,D=700mm時,分布點(diǎn)密度可取180點(diǎn)/m2塔截面.故布液點(diǎn)數(shù)為：2.n1800.7850.769.270點(diǎn)(3)孔徑計(jì)算由V=d2nk.麗11式中d布液孔直徑,m；V液體流率,m3/s；n布液孔數(shù)；k孔流系數(shù)；h液體高度,m；g重力加速度,m/s2.取k0.55,h170mm169.57218.23600997.080.0008598m3/s4Vnk、,2gh0.00395m3.95mm40.00085983.14700.

18、5529.810.17設(shè)計(jì)取d4mm.(4)液體分配管與布液支管尺寸查表12可得：當(dāng)D700mm時,主管直徑取50mm,支管排數(shù)取4,管外緣直徑取660mm,最大體積流量為9.5m3/h04.2 填料塔附屬高度塔上部空間高度可取為1.2m,塔底液相停留時間按1min考慮,那么塔釜液所占空間高度為:hi60169.57218.0220.13m0.7850.72997.083600考慮到氣相接管所占空間高度,底部空間高度可取1.2m,故填料塔附屬高度為:h1.21.22.4m4.3 填料支承裝置13梁式氣體噴射式支承板氣體流通自由界面率大,阻力小,承載水平強(qiáng),氣液兩相分布效果小,性能優(yōu)良,因此,本

19、設(shè)計(jì)選用梁式氣體噴射式支承板,其尺寸如表4-1.表4-1支承板波形尺寸mm波形波形尺寸bHt7b幾192250192注：尺寸b是塔中間支承板寬度,在塔邊緣支承板的尺寸b將隨塔徑不同而異,左右不對稱.H為波高,t為波矩.4.4 填料壓緊裝置14本設(shè)計(jì)選用絲網(wǎng)床層限制板,重量約為300N/m2,限制板的外徑選用690mm.4.5 液體進(jìn)、出口管(1)氣體進(jìn)出口管徑計(jì)算工業(yè)上,一般氣體進(jìn)料流速為1020m/s,本設(shè)計(jì)取流速為15m/s207mm由標(biāo)準(zhǔn)GB/T8163-99,選用225mm8mm無縫鋼管.核算：u竺320214.7m/s,故滿足條件d3.143600(0.2250.0082)(2)液體

20、進(jìn)出口管徑計(jì)算工業(yè)上,一般液體進(jìn)料流速為0.51.5m/s,本設(shè)計(jì)取流速為1m/s.,4V740.0008598d.:一S,33.1mm:u.3.141由標(biāo)準(zhǔn)GB/T8163-99,選用40mm3mm無縫鋼管.核算：u隼40.000859820.95m/s,故湎足條件o3.14(0.0400.0032)24.6液體除霧器本設(shè)計(jì)選用上裝式絲網(wǎng)除沫器,見圖4-1,由標(biāo)準(zhǔn)HGT21618-1998,得除沫器規(guī)格參數(shù)見表4-2.圖4-1網(wǎng)式除沫器表4-2上裝式絲網(wǎng)除沫器規(guī)格參數(shù)mm主要外形尺寸重量(kg)HHiD絲網(wǎng)格柵及定距桿支撐件1502686208.678.788.634.7筒體和封頭(1)筒體

21、由標(biāo)準(zhǔn)JB115373,得筒體規(guī)格參數(shù)見表4-3.表4-3筒體規(guī)格參數(shù)1米高的容積V/m31米局的內(nèi)外表積FB/m2厚度Nmm1米高筒節(jié)鋼板理論質(zhì)量/kg0.3852.20469(2)封頭本設(shè)計(jì)選用橢圓封頭,由標(biāo)準(zhǔn)JB/T4737-95,得封頭規(guī)格參數(shù)見表4-4表4-4EHA橢圓形封頭規(guī)格參數(shù)曲邊高度h1/mm直邊高度h2/mm內(nèi)外表積A/m2容積V/m3175250.58610.05454.8手孔由標(biāo)準(zhǔn)HG/T21514-2005,得手孔規(guī)格參數(shù)見表4-5表4-5手孔規(guī)格參數(shù)名稱簡圖密封面型式及代號公稱直徑DN(mm)公稱壓力PN(MPa)標(biāo)準(zhǔn)編號常壓手孔(力r全平面FF150常壓HG/T2

22、1528-2005T1TN114.9法蘭本設(shè)計(jì)選用PN0.25MPa(2.5bar)板式平焊鋼制管法蘭,見圖4-2圖4-2板式平焊鋼制管法蘭由標(biāo)準(zhǔn)HG20593-1997,得法蘭選才?結(jié)果見表4-6和表4-7(1)管法蘭的選擇表4-6管法蘭規(guī)格參數(shù)mm(2)容器法蘭的選擇表4-7容器法蘭特性參數(shù)mmag公稱通徑DN管子外徑Ai法蘭外徑D連螺栓孔中央圓直徑K接尺寸螺栓孔直徑L螺栓孔數(shù)量n螺紋Th法蘭厚度C法蘭內(nèi)徑B1法蘭理論(kg)ABAB氣體進(jìn)出口管2502732733753351812M1624276.52768.96液體進(jìn)出口管4048.345130100144M121649.5461.3

23、8管子外徑連接尺寸法蘭內(nèi)徑公稱通A1法蘭外螺栓孔中央螺栓孔螺栓孔數(shù)法蘭B1法蘭理徑徑圓直徑直徑量螺紋厚度論重量DNABDKLnThCAB(kg)7007117208608102624M243671572444.24.10裙座本設(shè)計(jì)選用圓錐形裙座,見圖4-3.圖4-3圓錐形裙座裙座筒體上端面至塔釜封頭切線距離：hi27mm15直進(jìn)料管高度：h2200mm16彎進(jìn)料管高度：h3600mm17檢查孔中央高度：h4600mm18裙座高度H22360060060022000mm2m第五章設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果總匯表設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果匯總見表5-1、表5-2、表5-3.表5-1填料設(shè)計(jì)計(jì)算匯總表公稱尺寸Dg/mm50孔隙

24、率/%96一I2比外表積a/(m/m3)74.9泛點(diǎn)填料因子F/m1135壓降填料因子P/m171表5-2物料設(shè)計(jì)計(jì)算匯總表混合氣體處理量一3Q/(m3/h)1820混合氣體平均摩爾質(zhì)量Mvm/(kg/kmol)30.45混合氣體平均密度,八,3、Vm/(kg/m)1.2040混合氣體的粘度v/kg/(mh)0.06595內(nèi)酮在空氣中擴(kuò)散系數(shù)_2DV/(m/h)0.03567吸收液密度L/(kg/m3)997.08吸收液粘度L/kg/(mh)3.22外表張力L/(kg/h2)932731.2內(nèi)酮在水中擴(kuò)散系數(shù)_2DL/(m/h)4.539610-6丙酮在水中亨利系數(shù)E/kPa213.209內(nèi)酮

25、在水中溶解度系數(shù)_3H/kmol/(kPam)0.2595內(nèi)酮在水中相平衡常數(shù)2.105進(jìn)塔氣相摩爾比Y10.0526出塔氣相摩爾比y20.00526進(jìn)塔液相摩爾比X20出塔液相摩爾比X10.0191進(jìn)塔惰性氣體流量V/(kmol/h)68.42吸收劑流量L/(kmol/h)169.672氣相質(zhì)里流里WV/(kg/h)2191.28液相質(zhì)量流量WL/(kg/h)3055.69表5-3塔設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)計(jì)算匯總表塔徑Dn/mm700空塔氣速u/(m/s)1.314泛點(diǎn)氣速uf/(m/s)1.664泛點(diǎn)率F/%79.0氣相總傳質(zhì)單元數(shù)Nog5.684氣相總傳質(zhì)單兀圖度H0G/m0.539填料層高度Z

26、/mm4000填料塔附屬高度h/m2.4裙座圖度H2/m2.0填料層壓降P/(Pa/m)186.3911氣體動能因子F/(kg2/Sm2)1.44第六章課程設(shè)計(jì)總結(jié)通過此次課程設(shè)計(jì),我對填料塔的設(shè)計(jì)原理和方法有了更深刻的熟悉.通過查閱大量的資料,我了解了設(shè)計(jì)中的計(jì)算過程,明確了設(shè)計(jì)的思路,豐富了所學(xué)的知識.止匕外,課程設(shè)計(jì)中需要反復(fù)的校核和綜合的考量,才能設(shè)計(jì)出最適宜的方案,這在一定程度上也磨練了我的耐心.本次課程設(shè)計(jì)根本上能根據(jù)任務(wù)書的要求、參考書的指導(dǎo)順利進(jìn)行.我明確到在填料的選擇上往往要考慮多方面的因素,如：流量的大小、吸收率的限制、填料的類型、填料的公稱直徑等.設(shè)計(jì)過程中計(jì)算所需塔填料

27、層高度時,填料的選擇將決定塔是否合理.在設(shè)計(jì)過程中存在著校核結(jié)果不適宜的情況,在老師的指導(dǎo)下,我進(jìn)行了修改,得到了較適宜的設(shè)計(jì)方案.1王樹楹主編,現(xiàn)代填料塔技術(shù)指南,中國石化出版社M,1997.12:492劉光啟,馬連湘等主編,化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊M,化學(xué)工業(yè)出版社,2021.4:33劉光啟,馬連湘等主編,化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊M,化學(xué)工業(yè)出版社,2021.4:124劉光啟,馬連湘等主編,化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊M,化學(xué)工業(yè)出版社,2021.4:155時鈞,汪家鼎等主編,化學(xué)工程手冊第二版上卷M,化學(xué)工業(yè)出版社,1996.1:1506時鈞,汪家鼎等主編,化學(xué)工程手冊第二版上卷M,化學(xué)工業(yè)出版社,1996.1:1497劉光啟,馬連湘等主編,化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊M,化學(xué)工業(yè)出版社,2021.4:718劉光啟,馬連湘等主編,化工物性算圖手冊M,化學(xué)工業(yè)出版社,2002.1:6949賈紹義,柴誠敬主編,化工原理課程設(shè)計(jì)M,天津大學(xué)出版社,2002.8:1509賈紹義,柴誠敬主編,化工原理課程設(shè)計(jì)M,天津大學(xué)出版社,2002.8:14310匡國柱,史啟才主編,化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)第二版M,化學(xué)工業(yè)出版社,20