化工原理课程设计

1、化工原理课程设计设计题目 填料吸收塔工艺设计 班 级 环境工程141班 学生姓名 梁世君 学 号 201418040129 日 期 2016.6.24 设计任务试设计常压填料塔，以水吸收丙酮。a混合气（空气、丙酮）处理量为1500m3/h；b进塔混合气含丙酮体积分数5，温度35；c进塔吸收剂（清水）的温度25；d丙酮回收率97；e操作压力为常压；设计方案的确定1.1.填料吸收塔设计方案的确定 （1）装置的确定 用水吸收丙酮属中等溶解度的吸收过程，为提高传质效率，选用逆流吸收流程。图4-1 逆流吸收塔 1 吸收塔2 贮槽 3 泵 4 冷却器（2）吸收剂的选择 用水作为吸收剂，且丙酮不作为产品，故

2、采用纯溶剂 工业常用吸收剂溶质 吸收剂 氨 水、硫酸 丙酮蒸气 水 氯化氢 水 二氧化碳 水、碱液、碳酸丙烯酯 二氧化硫 水 硫化氢 碱液、砷碱液、有机溶剂 苯蒸气 煤油、洗油 丁二烯 乙醇、乙腈 二氯乙烯 煤油 一氧化碳 铜氨液 (3) 操作温度与压力的确定操作温度的确定 由吸收过程的气液平衡关系可知，温度降低可增加溶质组分的溶解度，即低温有利于吸收，但操作温度的低限应由吸收系统的具体情况决定。操作压力的确定 由吸收过程的气液平衡关系可知，压力升高可增加溶质组分的溶解度，即加压有利于吸收。但随着操作压力的升高，对设备的加工制造要求提高，且能耗增加，因此需结合具体工艺条件综合考虑，以确定操作压

3、力。1.2 填料的类型与选择对于水吸收丙酮的过程，操作温度及操作压力较低，工业上通常选用塑料散装填料。在塑料散装填料中，塑料阶梯环填料的综合性能较好，故此选用DN38聚丙烯阶梯环填料。1.3 填料塔工艺尺寸的计算 填料塔工艺尺寸的计算包括塔径的计算、填料层高度的计算及分段等。（1）液相物性的数据水的分子量：18g/mol压力：101.325Kpa查化工原理附录得，25时，水的物性如下：密度为 L=997.1 kg/m3粘度为 L=0.0008937 Pa·s=3.2173kg/(m·h)表面张力为L=71.97 dyn/cm=932731 kg/h2丙酮在水中的扩散系数为

4、DL=1.327×10-9m2/s=4.776×10-6m2/hD=（2）气相物性的数据进塔混合气体温度为35空气的分子量：29g/mol丙酮的分子量：58g/mol混合气体的平均摩尔质量为 MVm=yiMi=0.05×58.08+0.95×29=30.45g/mol混合气体的平均密度为混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得35空气的粘度为 V=1.86 ×10-5Pas=0.067kg/(mh)查手册得丙酮在空气中的扩散系数为计算，其中293K时，100kPa时丙酮在空气中扩散系数为1×（3）气液相平衡数据当x<0.01

5、,t=1545时，丙酮-水体系的亨利系数可用式：计算E=211.5kPa相平衡常数为m=E/P=211.5/101.3=2.09溶解度系数为1.4物料恒算进塔气相摩尔比为 出塔气相摩尔比为 进塔惰性气相流量为 该吸收过程属低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算，即 对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为 取操作液气比为 1.5塔径的计算采用Eckert通用关联图计算泛点气速气相质量流量为 kg/h液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即 kg/hEckert通用关联图的横坐标为 填料塔泛点和压降的通用关联图 图中 u0空塔气速，m /s； 湿填料因子，简称填料因子，1 /m； 水的密度和

6、液体的密度之比； g重力加速度，m /s2； V、L分别为气体和液体的密度，kg /m3； wV、wL分别为气体和液体的质量流量，kg /s。查图一得 查表 取 由 圆整塔径，取D=0.6m泛点率校核： （在允许范围内） 填料规格校核： （满足阶梯环的径比要求）液体喷淋密度校核：取最小润湿速率为 查表 经以上校核可知，填料塔直径选用D=600mm合理。1.6填料层高度计算 脱吸因数为 气相总传质单元数为 气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算： 常见材质的临界表面张力值材质 碳 瓷 玻璃 聚丙烯 聚氯乙烯 钢 石蜡 表面张力, mN /m 56617333407520查表二得聚丙烯材质的临

7、界表面张力 液体质量通量为 气膜吸收系数由下式计算： 气体质量通量为 液膜吸收系数由下式计算： 常见填料的形状系数 填料类型 球形 棒形 拉西环 弧鞍 开孔环 值 0.720.7511.191.45由 ，查表三得 则 h 由 得 h则 由 由 设计取填料层高度为 散装填料分段高度推荐值填料类型h/DHmax/m拉西环 2.54矩鞍 586鲍尔环 5106阶梯环 8156环矩鞍 5156查表4，对于阶梯环填料，。取，则 计算得填料层高度为6600mm<7200mm,故不需分段1.7填料层压降计算 采用Eckert通用关联图计算填料层压降。横坐标为 查表 纵坐标为 散装填料压降填料因子平均值

8、 填料类型 填料因子, 1/mDN16DN25DN38DN50DN76金属鲍尔环 306-11498-金属环矩鞍 -13893.47136金属阶梯环 -11882-塑料鲍尔环 34323211412562塑料阶梯环 -17611689-瓷矩鞍环 700215140160-瓷拉西环 1050576450288-查图5得 填料层压降为 1.8 液体分布器简要设计(1).液体分布器的选型该吸收塔液相负荷较大，而气相负荷相对较小，故选用槽式液体分布器。(2).分布点密度计算按Eckert建议值，D=600mm时，取喷淋点密度为250点/m2。布液点数为n=0.785×0.6×0.6

9、×250=70.65点71点按分布点几何均匀与流量均匀的原则，进行布点设计。设计结果为：二级槽共设七道，在槽侧面开孔，槽宽度为45mm ，槽高度为210mm 。两槽中心矩为90mm 。分布点采用三角形排列，实际设计布点数为 n=112点。(3).布液计算由取则d0=4mm 槽式液体分布器二级槽的布液点示意图2辅助设备的计算及选型 2.1 填料支承设备 填料支承结构用于支承塔内填料及其所持有的气体和液体的重量之装置。对填料的基本要求是：有足够的机械强度;支承板的自由载面积不应小于填料层的自由截面积，以免气液在通过支承板时流动阻力过大，在支承板首先发生液泛；有利于液体的再分布；耐腐蚀，易

10、制造，易装卸等。常用填料支承板有栅板型，孔管型，驼峰型等，对于本设计的散装填料类型，选用孔管型支承装置。2.2填料压紧装置 为防止在上升气流的作用下填料床层发生松动或者跳动，需在填料层上方设置填料压紧装置。对于本设计的散装填料类型，选用压紧网板。2.3液体收集再分布装置 由于液体从塔顶流下时有向壁流动的趋势（称为壁流效应），并造成填料层内传质面积减少，影响传质。因此，设置液体收集及再分布器来改善因壁流效应造成的液体在填料层内不均匀分布。由于槽盘式液体分布器兼有集液和分液的功能。故本设计采用槽盘式液体分布器。2.4气体和液体的进出口装置由 Vs 为流体的体积流量，m3/su 为适宜的流体流速，m

11、/s .常压气体进出口管气速可取1020m/s；液体进出口速度可取0.81.5 m/s选用气体流速为15m/s,代入上式计算得：，圆整之后，气体进出口管径为d=200mm。选液体流速为1.2m/s，由 代入上公式得:，圆整之后，液体进出口管径为d=30mm底液出口管径：选择0.60.6设计一览表课程设计名称水吸收丙酮填料吸收塔的设计操作条件操作温度 ：25操作压力：常压物性数据液相气相液体密度997.1kg/m3混合气体平均摩尔质量30.45g/mol液体粘度3.2173kg/(m.h)混合气体平均密度1.205kg/m3液体表面张力932731混合气体粘度0.067kg/(m.h)丙酮在水中

12、的扩散系数4.776×10-6m2/h丙酮在空气中的扩散系数0.038m2/h重力加速度1.27×108m/h气相平衡数据 丙酮在水中的亨利系数E相平衡常数m溶解度系数H211.5 kpa2.090.262物料衡算数据Y1Y2X1X2气相流量V液相流量L(L/V)minL/V0.05260.001580.0167056.39 kmol/ h171.45 kmol/ h2.0273.04工艺数据气相质量流量（kg/h）液相质量流量（kg/h）塔径气相总传质单元数气相总传质单元高度 填料层高度填料层压降1807.53089.530.6m7.740.71m6.6m1100.68p

13、a填料塔附件除沫器液体分布器 填料压紧装置填料支承板液体再分布器丝网式二级槽压紧网板栅板型槽盘式4.符号说明a填料的有效比表面积，m2/m3at填料的总比表面积，m2/m3aw填料的润湿比表面积，m2/m3AT塔截面积，m2；C计算umax时的负荷系数，m/s；Cs气相负荷因子，m/s； d填料直径，m；D塔径，m；DL液体扩散系数，m2/s；Dv气体扩散系数，m2/s ； ev液沫夹带量,kg(液)/kg(气)； E液流收缩系数，无因次;ET总板效率，无因次； g重力加速度，9.81 m/s2 ； h填料层分段高度，m； HETP关联式常数； hmax允许的最大填料层高度，m； HB塔底空间

14、高度，m； HD塔顶空间高度，m； HoG气相总传质单元高度，m； H1封头高度，m； H2裙座高度，m； HETP等板高度，m； kG气膜吸收系数，kmol/(m2·s·kPa)； kL液膜吸收系数，m/s； KG气相总吸收系数，kmol/(m2·s·kPa)； lW堰长，m； Lb液体体积流量，m3/h； LS液体体积流量，m3/s； LW润湿速率，m3/(m·s)； m相平衡常数，无因次； n筛孔数目； NOG气相总传质单元数； P操作压力，Pa； P压力降，Pa； u空塔气速，m/s； uF泛点气速，m/su0.min漏液点气速，m/s； u0液体通过降液管底隙的速度，m/s； U液体喷淋密度，m3/(m2·h)UL液体质量通量，kg/(m2·h)Umin最小液体喷淋密度，m3/(m2·h)Uv气体质量通量，kg/(m2·h)Vh气体体积流量，m3/h； VS气体体积流量，kg/s； wL液