水吸收丙酮—空氣常壓填料-吸收塔設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上化工原理課程設(shè)計題目：水吸收丙酮常壓填料吸收塔學(xué)生姓名：學(xué)號：系別：化學(xué)與材料工程學(xué)院專業(yè)：高分子材料與工程指導(dǎo)教師：任海波起止日期：2014.12.302015.01.082015年 01月 08日 目 錄 概述及設(shè)計方案簡介2一、設(shè)計任務(wù)書及操作條件7二、設(shè)計條件及主要物性參數(shù)8三、設(shè)計方案的確定9四、物料計算10五、熱量衡算12六、氣液平衡曲線14七、吸收劑(水)的用量Ls15八、塔底吸收液濃度X116九、操作線方程17十、塔徑計算18十一、填料層高度計算21十二、填科層壓降計算26十三、液體分布器簡要設(shè)計27十四、填料吸收塔的輔助設(shè)備及選型27十五、填料塔的設(shè)

2、計結(jié)果概要29十六、課程設(shè)計總結(jié)30十七、設(shè)計一覽表十八、主要符號說明31十九、參考文獻(xiàn)32二十、附圖（工藝流程圖、主體設(shè)備設(shè)計條件圖）33 概述及設(shè)計方案簡介一、介紹在化工、煉油、醫(yī)藥、食品及環(huán)境保護(hù)等工業(yè)部門，塔設(shè)備是一種重要的單元操作設(shè)備。其作用實現(xiàn)氣液相或液液相之間的充分接觸，從而達(dá)到相際間進(jìn)行傳質(zhì)及傳熱的過程。它廣泛用于蒸餾、吸收、萃取、等單元操作，隨著石油、化工的迅速發(fā)展，塔設(shè)備的合理造型設(shè)計將越來越受到關(guān)注和重視。塔設(shè)備有板式塔和填料塔兩種形式，下面我們就填料塔展開敘述。 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

3、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)，以及人們對填料流體力學(xué)、放大效應(yīng)及傳質(zhì)機(jī)理的深入研究，使填料塔技術(shù)得到了迅速發(fā)展。氣體吸收過程是化工生產(chǎn)中常用的氣體混合物的分離操作，其基本原理是利用氣體混合物中各組分在特定的液體吸收劑中的溶解度不同，實現(xiàn)各組分分離的單元操作。板式塔和填料塔都可用于吸收過程，此次設(shè)計用填料塔作為吸收的主設(shè)備。在塔內(nèi)充以諸如瓷環(huán)之類的填料，液體自塔頂均勻淋下并沿瓷環(huán)表面下流，氣體通過填料間的空隙上升與液體做連續(xù)的逆流接觸。在這種設(shè)備中，氣體中的可溶組分不斷地被吸收，其濃度自下而上連續(xù)地降低；液體則相反，

4、其中可溶組分的濃度則由上而下連續(xù)地增高。二、填料塔的結(jié)構(gòu)及填料特性1填料塔的結(jié)構(gòu)塔體為一圓筒，筒內(nèi)堆放一定高度的填料。操作時，液體自塔上部進(jìn)入，通過液體分布器均勻噴灑于塔截面上，在填料表面呈膜狀流下。填充高度較高的填料塔可將填料分層，各層填料之間設(shè)置液體再分布器，收集上層流下的液體，并將液體重新均布于塔截面。氣體自塔下部進(jìn)入，通過填料層中的空隙由塔頂排出。離開填料層的氣體可能夾帶少量液沫，必要時可在塔頂安裝除沫器。2填料特性的評價氣液兩相在填料表面進(jìn)行逆流接觸，填料不僅提供了氣液兩相接觸的傳質(zhì)表面，而且促使氣液兩相分散，并使液膜不斷更新。填料性能可由下列三方面予以評價：（1）比表面積a 填料應(yīng)

5、具有盡可能多的表面積以提供液體鋪展，形成較多的氣液接觸界面。單位填充體積所具有的填料表面稱為比表面積a，單位為m2/m3。對同種填料，小尺寸填料具有較大的比表面積，但填料過小不但造價高而且氣體流動的阻力大。（2）空隙率 在填料塔內(nèi)氣體是在填料間的空隙內(nèi)通過的.。流體通過顆粒層的阻力與空隙率密切相關(guān)。為減少氣體的流動阻力，提高填料塔的允許氣速（處理能力），填料層應(yīng)有盡可能大的空隙率。對于各向同性的填料層，空隙率等于填料塔的自由截面百分率。（3）填料的幾何形狀 雖然填料形狀目前尚難以定量表達(dá),但比表面積、空隙率大致接近而形狀不同的兩種填料在流體力學(xué)與傳質(zhì)性能上可有顯著區(qū)別。形狀理想的填料為氣液兩相

6、提供了合適的通道，氣體流動的壓降低，通量大，且液流易于鋪展成液膜，液膜的表面更新迅速。因此，新型填料的開發(fā)主要是改進(jìn)填料的形狀。此外,理想的填料還需兼顧便于制造、價格低廉，有一定強(qiáng)度和耐熱、耐腐蝕性能，表面材質(zhì)與液體的潤濕性好等要求。3幾種常用填料（1）拉西環(huán)拉西環(huán)填料于1914年由拉西（F. Rashching）發(fā)明，為外徑與高度相等的圓環(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(yīng)用。 （2）鮑爾環(huán)鮑爾環(huán)填料是對拉西環(huán)的改進(jìn)，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)

7、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(yīng)用較廣的填料。（3）矩鞍填料矩鞍填料 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(yīng)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)階梯環(huán)填料是對鮑爾環(huán)的改進(jìn)，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

8、。錐形翻邊不僅增加了填料的機(jī)械強(qiáng)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(jìn)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)。（6）格柵填料格柵填料是以條狀單元體經(jīng)一定規(guī)則組合而成的，具有多種結(jié)構(gòu)形式。工業(yè)上應(yīng)用

9、最早的格柵填料為木格柵填料。目前應(yīng)用較為普遍的有格里奇格柵填料、網(wǎng)孔格柵填料、蜂窩格柵填料等，其中以格里奇格柵填料最具代表性。 格柵填料的比表面積較低，主要用于要求壓降小、負(fù)荷大及防堵等場合。在散裝填料中應(yīng)用較多。三、設(shè)計方案簡介1. 確定設(shè)計方案的原則：（1） 滿足工藝和操作的要求（2） 滿足經(jīng)濟(jì)上的要求（3） 保證安全生產(chǎn)三項原則在生產(chǎn)中都是同樣重要的。但在化工原理課程設(shè)計中，對第一個原則應(yīng)作較多的考慮，而對第三個原則只要求作一般的考慮。2. 本設(shè)計按以下幾個階段進(jìn)行：（1） 設(shè)計方案的確定和說明。根據(jù)給定任務(wù)，對吸收裝置的流程、 操作條件、主要設(shè)備型式及其材質(zhì)的選取等進(jìn)行論述。（2） 塔

10、的工藝計算，確定塔高和塔徑。（3） 計算各主要工藝尺寸，進(jìn)行流體力學(xué)校核計算。接管尺寸、泵等。（4） 管路及附屬設(shè)備的計算與選型，如冷凝器、加熱器等。（5） 抄寫說明書。（6） 繪制吸收裝置工藝流程圖和吸收塔的設(shè)備圖。 一、設(shè)計任務(wù)書及操作條件一、設(shè)計題目分離丙酮空氣混合氣體常壓填料吸收塔的工藝二、設(shè)計條件1. 進(jìn)入系統(tǒng)的混合氣體處理量1200/h2. 原料：含丙酮10%（體積分?jǐn)?shù)）的混合氣體，以丙酮空氣二元體系；相對濕度70%；3. 設(shè)計溫度 進(jìn)塔氣體溫度30；吸收劑：25的清水4. 出塔氣體中丙酮的氣流量為入塔丙酮的o.5%即回收率為99.5% 5. 操作壓力為常壓101.325KPa6.

11、 使用微分接觸式的吸收設(shè)備三、設(shè)計說明書的內(nèi)容1. 吸收流程的確定（本流程選擇逆流操作）；2. 丙酮濃度計算；3. 丙酮出塔濃度計算；4. 液體出塔溫度變化；5. 平衡線的獲?。?. 吸收劑量求取：最小吸收劑量，吸收劑用量；7. 操作線方程；8. 填料塔經(jīng)求?。哼x擇填料，泛點速度，空塔速度，塔徑及其圓整，最小潤濕速度求取及潤濕速度的選取，塔徑的校正；9. 單位填料層壓降的求??；10.傳質(zhì)單元高度的求??；11.傳質(zhì)單元數(shù)求取；12.填料層高度；13.吸收塔高度計算；14.液體分布，再分布器及分布器的選型；15.風(fēng)機(jī)選型及其他主要輔助設(shè)備選型；16.繪制生產(chǎn)工藝流程圖；17.繪制填料塔總裝配圖；1

12、8.對設(shè)計過程的評述。四、設(shè)計圖要求1.工藝流程圖要求畫“帶控制點的工藝流程圖”一張，圖紙大小為A2。內(nèi)容：（1） 設(shè)備示意圖-帶接口管的設(shè)備示意圖，注寫設(shè)備位號及名稱；（2） 管道流程圖-帶閥門等管件和儀表控制點（測溫、測壓、測流量及分析點等）的管道流程線，注寫管道代號；（3） 對閥門等管件和儀表控制點的圖例符號說明；（4） 標(biāo)題欄。2. 主體設(shè)備裝配圖要求畫主體設(shè)備詳圖一張，圖紙大小為A1。內(nèi)容：（1） 一組視圖：一般用主視圖、俯視圖及其他節(jié)點圖表示主要設(shè)備結(jié)構(gòu)形狀；（2） 必要尺寸：注明設(shè)備、零部件的定型和定位尺寸；（3） 技術(shù)特性表：列出設(shè)備操作壓力、溫度、物料名稱、設(shè)備特性等；（4）

13、 管口表（5） 明細(xì)欄（6） 標(biāo)題欄：說明設(shè)備名稱、圖號、比例、設(shè)計單位、設(shè)計人、審校人等。二、設(shè)計條件及主要物性參數(shù)一、設(shè)計條件：1. 生產(chǎn)能力混合氣處理量G=1200/h2. 原料 以丙酮空氣二元體系，進(jìn)料混合氣體含丙酮的體積分?jǐn)?shù)為10%3. 產(chǎn)品要求 塔頂逸出氣體含丙酮體積分?jǐn)?shù)為0.5%4. 操作壓力：常壓101.325KPa二、物性參數(shù)1. 空氣的分子量：28.95 ；丙酮的分子量：58.08；水的分子量：18.022. 常壓：101.325 kPa3. 在1 atm時，水的凝固點（f.p.）為0，沸點（b.p.）為100。水在0的凝固熱為5.99 kJ/mol（或80 cal/g），

14、水在100的汽化熱為40.6 kJ/mol（或540 cal/g）。 三、設(shè)計方案的確定1. 吸收工藝流程采用常規(guī)逆流操作，流程如下：流程說明:混合氣體進(jìn)入吸收塔，與水逆流接觸后，得到凈化氣排放；吸收丙酮后的水，經(jīng)取樣計算其組分的量，若其值符合國家廢水排放標(biāo)準(zhǔn)，則直接排入地溝，若不符合，待處理之后再排入地溝。 四、物料計算近似取塔平均操作壓力為101.3 kPa,故：混合氣量=1200*273/330*1/22.4=48.27 kmol/h混合氣中丙酮的量=48.270.1=4.827 kmol/h =4.82758.08=280.325 kg/h查化工原理附錄，30飽和水蒸氣壓強(qiáng)為4.241

15、KPa，則相對濕度為70的混合氣中含水蒸汽量: = 混合氣中空氣量48.274.827-1.41442.029 kmol / h42.02928.951216.74kg / h進(jìn)塔混合氣中丙酮的濃度：Ca=0.0040Kmol/m2 混合氣進(jìn)出塔的（物質(zhì)的量的比）組成 已知0.1則出塔混合氣量=42.029+1.414+4.8271/200=43.467Kmol/h=1243.621Kg/h3. 混合氣進(jìn)出塔（物質(zhì)的量比）組成若將空氣與水蒸氣視為惰氣，則 惰氣量=42.029 +1.414=43.443 Kmol/h =1242.219/h kmol（丙酮）/kmol（惰氣） kmol（丙酮）

16、/kmol（惰氣） 五、熱量衡算熱量衡算為計算液相溫度的變化以判明是否為等溫吸收過程。假設(shè)丙酮溶于水放出的熱量全被水吸收，且忽略氣相溫度變化及塔的散熱損失(塔的保溫良好)。查化工工藝算圖第一冊，常用物料物性數(shù)據(jù)，得丙酮的微分溶解熱(丙酮蒸氣冷凝熱及對水的溶解熱之和)： =3023010467.5=40697.5 kJ/kmol吸收液(依水計)平均比熱容75.366 kJ/（kmol），通過下式計算對低組分氣體吸收，吸收液濃度很低時，依惰性組分及比摩爾濃度計算較方便，故上式可寫為： 依上式，可在x0.0000.018之間，設(shè)系列x值，求出相應(yīng)x濃度下吸收液的溫度，計算結(jié)果列于表1第l，2列中。由

17、表中數(shù)據(jù)可見，濃相濃度x變化0.002時，溫度升高1.08，依此求取平衡線。表1 各液相濃度下的吸收液溫度及相平衡數(shù)據(jù)X/E/kPam（=E/p）Y*103025.00211.52.08800.00226.08223.92.2104.4200.00427.16236.92.3389.3520.00628.24250.62.47414.8440.00829.32264.92.61620.9280.01030.40280.02.76427.6440.01231.48295.82.92035.0450.01432.56312.43.08443.1770.01633.64329.83.25652.09

18、00.01834.72348.03.43561.839注：（1）與氣相濃度相平衡的液相濃度X10.0162，故取0.017； （2）平衡關(guān)系符合亨利定律，與液相平衡的氣相濃度可用Y*mX表示； （3）吸收劑為清水：X20；（4）近似計算中也可視為等溫吸收。 六、氣液平衡曲線當(dāng)x0.1，t=1545時，丙酮溶于水其亨利系數(shù)E可用下式計算：1gE =9.1712040/（t+273） 當(dāng)t=25時，E=211.53KPa，m=E/P=211.53/101.325=2.088所以相平衡關(guān)系式：y*=2.088x七、吸收劑（水）的用量Ls,min Y1=0.11時，X1*=Y1/m=0.0527,依下

19、式式計算最小吸收劑用量Ls,min. (L/G)min=Lmin=2.077G=2.07743.443=90.231Kmol/h根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗吸收劑用量L=(1.1-2.0)Lmin，取安全系數(shù)為1.8 即：L=1.8Lmin=162.416Kmol/h=2926.736Kg/h 八、塔底吸收液濃度X1依物料衡算式：G()L（）=367.66 = 0.0095=因為C= 所以 塔底吸收液濃度： 九、操作線方程依操作線方程式： =3.739X+0.00055Y=3.739X+0.00055由上式求得操作線繪于附圖中。 十、塔徑計算塔底氣液負(fù)荷大，依塔底條件(混合氣35)，101.325kPa，查表

20、1，吸收液30計算。圖2 通用壓降關(guān)聯(lián)圖（1）.采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖法(圖2)計算泛點氣速有關(guān)數(shù)據(jù)計算塔底混合氣流量G1280.352+25.485+1216.741522.577kg/h吸收液流量L12926.7664.8270.99558.083205.716kg/h進(jìn)塔混合氣平均摩爾質(zhì)量：進(jìn)塔混合氣密度25下吸收液密度996.7kg/25吸收液黏度（P336)0.8937 mPas經(jīng)比較，選DG的瓷質(zhì)亂堆鮑爾環(huán)。查化工原理教材附錄可得，其填料因子=130，比表面積A110。關(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)值 ()1/2 =由圖2查得縱坐標(biāo)值為0.165 即0.2=0.165故液泛氣速=（2）操作氣速

21、 u0.60.63.161.89 m/s（3）塔徑 = 取塔徑為o.5 m(500 mm)（4）核算操作氣速U= 在50%-80%之間，在允許范圍內(nèi)。（5）核算徑比D/d500/5025，滿足鮑爾環(huán)的徑比要求。（6）噴淋密度校核依Morris等推專，d75mm約環(huán)形及其它填料的最小潤濕速率(MWR)為0.08/(mh)：最小噴淋密度0.081108.8 /(m2h)因 /(mh)故滿足最小噴淋密度要求。十一、填料層高度計算計算填料層高度，即：Z（1）傳質(zhì)單元高度計算：=其中=；（化工單元操作及設(shè)備）本設(shè)計采用（恩田式）計算填料潤濕面積aw作為傳質(zhì)面積a，依改進(jìn)的恩田式分別計算及，再合并為和。列

22、出備關(guān)聯(lián)式中的物性數(shù)據(jù)氣體性質(zhì)(以塔底30，101.325kPa空氣計)：1.269 kg/ (前已算出)；=0.0188mPa/s= (查附錄)；Dv10910-5=（依翻Gilliland式估算)；液體性質(zhì)(以塔底20水為準(zhǔn))：996.7 kg/；0.8937Pas= =1.344 (以式計算)(化學(xué)工程手冊)，式中為溶質(zhì)在常壓沸點下的摩爾體積，為溶劑的分子量，為溶劑的締合因子。716Nm (查化工原理附錄)。氣體與液體的質(zhì)量流速：Wv= Wl= 塑料鮑爾環(huán)(亂堆)特性：50mm0.05m;A110;=61dy/cm= ;查化學(xué)工程手冊，第12篇，氣體吸收，有關(guān)形狀系數(shù)，=1.45（鮑爾環(huán)

23、為開孔環(huán)）依式=-1.45（）0.75（）-0.05（）0.2=-1.45=（-0.873）故=(（-0.873）)=64.05 依式=0.237()0.7()1/3(） 以式a=因為大于50%所以須對和進(jìn)行校正，校正計算如下：所以即(4) 傳質(zhì)單元數(shù)計算用吸收因數(shù)法計算3 填料層高度z計算 取25富余量，則完成本設(shè)計任務(wù)需Dg50mm瓷質(zhì)鮑爾環(huán)的填料層高度z1.254.291=5.36m。圓整后區(qū)填料層高度Z=6m。十二、填料層壓降計算取圖2(通用壓降關(guān)聯(lián)圖)橫坐標(biāo)值0.0751(前已算出)；將操作氣速 (1.89m/s) 代替縱坐標(biāo)中的查表，DG50mm瓷質(zhì)鮑爾環(huán)的壓降填料因子130，則縱

24、標(biāo)值為：查圖2(內(nèi)插)得即全塔填料層壓降 =2400Pa至此，吸收塔的物科衡算、塔徑、填料層高度及填料層壓降均已算出。關(guān)于吸收塔的物料計算總表和塔設(shè)備計算總表此處從略。十三、填料吸收塔的附屬設(shè)備1、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。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。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度向下斜口或切成向下切口，使氣流折轉(zhuǎn)向

25、上。對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)計任務(wù)液相負(fù)荷不大，可選用排管式液體分布器；且填料層不高，可不設(shè)液體再分布器。 （2）塔徑及液體負(fù)荷不大，可采用較簡單的柵板型支承板及壓板。其它塔附件及氣液出口裝置計算與選擇此處從略。 十四、填料塔的設(shè)計結(jié)果概要項 目數(shù) 據(jù)備 注混合氣摩爾流率kmol/h48.27清水密度kg/m3996.725清水摩爾流量kmol/h162.416清水質(zhì)量流量kg/h2926.736空塔氣速m/s1.89塔徑m0.5噴淋密度m3/m2h16.39全塔填料層壓降Pa2400塔底吸收液濃度I.624相平衡常數(shù)2.088=0.0527傳質(zhì)單元數(shù)9.843氣相傳質(zhì)單元高度m 0.436實際氣速m/s1.70填料層高度m 6 十五、課程設(shè)計總結(jié) 1、通過本次課程設(shè)計，使我對從填料塔設(shè)計方案到填料塔設(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(rèn)識。它相當(dāng)于實際填料塔設(shè)計工作的模擬。在課程設(shè)計過程中，基本能按照規(guī)定的程序進(jìn)行，先針對填料塔的特點和收集、調(diào)查有關(guān)資料，然后進(jìn)入草