环境工程原理课程设计丙酮吸收填料塔要点

1、环境工程原理课程设计水吸收丙酮填料塔设计环境工程原理课程设计13水吸收丙酮填料塔设计学 院专业班级学生姓名学生学号指导教师2014年6月16日目录第一章设计任务书31.1 设计题目31.2 设计任务及操作条件31.3 设计内容31.4 设计要求3第二章设计方案的确定42.1 设计方案的内容42.1.1 流程方案的确定42.1.2 设备方案的确定42.2 填料的选择5第三章吸收塔的工艺计算63.1 基础物性数据61. 1.1液相物性数据63. 1.2气相物性数据64. 1.3气液平衡相数据73. 2物料衡算73. 3填料塔塔径的计算83. 3.1泛点气速的计算84. 3. 2塔径的计算及校核95

2、. 4. 1气相总传质单元数的计算106. 4.2气相总传质单元高度的计算103. 5填料塔流体力学校核133. 5.1气体通过填料塔的压降134. 5. 2泛点率135. 5.3气体动能因子13第四章塔内辅助设备的选择和计算144. 1液体分布器144.2填料塔附属高度154. 3填料支承装置154. 4填料压紧装置154.5液体进、出口管164. 6液体除雾器164.7筒体和封头174. 8手孔174. 9法兰184. 10 裙座19第五章设计计算结果总汇表21第六章课程设计总结24参考文献25附录26第一章设计任务书1.1 设计题目水吸收丙酮填料塔设计1.2 设计任务及操作条件（1）气体

3、处理量：1820 m3/h（2）进塔混合气含丙酮5% （Vol）,进塔温度35（3）进塔吸收剂（清水）温度：25,吸收剂的用量为最小用量的1.3倍（4）丙酮回收率:90%（5）操作压力：常压（6）每天工作24小时，一年300天1.3 设计内容（1）确定吸收流程（2）物料衡算，确定塔顶塔底的气液流量和组成（3）选择填料、计算塔径、填料层高度、填料分层、塔高（4）流体力学特性校核：液气速度求取、喷淋密度校核、填料层压降计算（5）附属装置的选择与确定：液体喷淋装置、液体再分布器、气体进出口 及液体进出口装置、栅板1.4 设计要求（1）设计说明书内容目录和设计任务书流程及流程说明设计计算及结果总汇表对

4、设计成果的评价及讨论参考文献（2）绘制填料塔设计图第二章设计方案的确定2.1 设计方案的内容2.1.1 流程方案的确定本工艺采用清水吸收丙酮，为易溶气体的吸收过程，由于逆流操作传质推动 力大，传质速率快，分离效率高，吸收剂利用率高，故选用逆流操作，即气体自 塔低进入由塔顶排出，液体自塔顶进入由塔底排出。流程说明：在该填料塔中，丙酮和空气的混合气体经由填料塔的下侧进口进入塔中，与 从填料塔塔顶流下的清水逆流接触，在填料表面进行传质吸收，经过吸收的混合 气体从塔顶排出，吸收了丙酮的水由填料塔的下端流出。常规逆流操作流程见图 l-lo2.1.2 设备方案的确定填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构

5、件的传质设备，塔身是一直立 式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料 的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。填料层的上方有液体分布装置，从 而使液体均匀喷洒在填料层上。2.2 填料的选择对于水吸收丙酮的过程，选择DN50金属环矩鞍填料，其具体结构特性参数见表2-1 o表2-1金属环矩鞍填料结构特性参数臼公称尺寸Dg /min外径X高X厚mxnmi）堆积个数/（个/nV）堆积密度比如）空隙率一%比表面积干填料因子5050x40x1104002919674.984第三章吸收塔的工艺计算3.1 基础物性数据3.1.1 液相物性数据对于低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近

6、似取纯水的物性数据。由手册查 得，25时水的有关物性数据如下：密度2： pL= 997.08依/外黏度：4 =0.8937?尸= 3.22依/(?)表面张力口：6=71.97加7 /7 =932731.2 依 / /查手册习得15时丙酮在水中的扩散系数为：。=1.25xl0fM/s乂因液体中扩散系数6：7.4xlO-8(/?Mr2)1/2TDab溶质1在溶剂2中的扩散系数，C7/S；M,一溶剂2的分子量；T温度，K；小溶剂2的粘度；七一溶质1在正常沸点下的分子体积；P溶剂2的缔合参数，无因次，水为2.6：甲醇为L9；乙醇为1.5；其他非缔合液体为1故25时丙酮在水中的扩散系数为：a 7.4xW

7、8x (2.6x18.O2)05 x (273.15 + 25)=l0.8937x75.6°6=1.261x10-7/ / 5 = 4.5396 xlOn?2 / h3.1.2 气相物性数据混合气体的平均摩尔质量:MVm =W= 0.05 x 58.08+0.95 x29 = 30.45依 / kmol混合气体的平均密度：Pvnt =RT1013x30,458.314 + (273.15 + 35)= 1.2040依/加混合气体的粘度可近似取空气的粘度，查手册得35空气的粘度为:/v = L832x10-5P4s = 0.06595kg /(mh)查手册网得丙酮在空气中扩散系数为：D

8、v = 0.0043ZT jk = 0.00426故35c时丙酮在空气中的扩散系数为：Dv = 0.0043x 0.00426x (273.15 + 35)15 = 990.88/n2/? = 0.03567/ /?3.1.3 气液平衡相数据由lgE = 9171-等可知：常压下25c时丙酮在水中的亨利系数为:9.171- 2040,E = 10273.15+25 =213.209。相平衡常数为:213.209101.3= 2.105溶解度系数为:Pl _EM、997.08213.209x18.02 -0.2595kmol / (kPa-3.2 物料衡算进塔气相摩尔比为:if0.051-0.0

9、5= 0.0526出塔气相摩尔比为:K =匕(1 %) = 0.0526x(1-0.9) = 0.00526进塔惰性气体流量为：1 qoQ 77 1 5V = Xx(l-0.05) = 68.42h。/ / h22.4 273.15 + 35该过程属低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算，即:K/m-X.对于纯吸收过程，进塔液相组成为：K=00.0526-0.00526 ,八八,二=i.yuoj 0.0526/2.105-0取操作液气比为：L L-=1.3(-) = 13x1.9065 = 2.4784 VL =故吸收剂用量为：-V = 2.4784x68.42 = 169.572

10、/?由物料衡算式Va-Y2) = L区一 X2)可知:= 0.0191_ VCX-Yj _ 68.42x(0.0526-0.00526)169.572Xi =一3.3 填料塔塔径的计算3.3.1 泛点气速的计算采用埃克特(氏kert)泛点气速关联图进行计算，关联图见图3-1。气相质量流量为：Wv=l 820 x 1.2040=2191.28依 / 人液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即：WL = 169.572x18.02 = 3055.69依/hEckert通用关联图的横坐标为:晟资产=!?!黑、焉黑。侬1.0080.60.20060040 020.010 0080.0060.0040.0

11、020.001 0J)1图3-1 Eckert通用关联图9】查图3-1得："泌'尸=0.045 gpL查附表1得：方=135?t（舞齐产=（遇潟焉粽产"664" s取 =0.8尸=0.8x1.664 = 1.331/n/5332塔径的计算及校核比八（4V7 /4x1820/3600塔径的计算：D Y嗫=0.696m塔径圆整,取。=0.7机泛点率校核:1820/36000.785x0.72=1.314/n/s环境工程原理课程设计水吸收丙酮填料塔设计= xl00% = 79.0% （在允许范围内） m 卜.1.664填料规格校核：。700 0= =14 >

12、; 8d 50液体喷淋密度校核：取最小润湿速率为（4，）皿=°08>/（7/0由表2-1可知:。=74.9?2/苏Umm = （= 0.08x74.9 = 5.99 病 /（ h） 3055.69/997.08)2 ,，U =- = 7.97 > i/ .0.785x0.7-皿经以上校核可知，填料塔直径选用0=700”合理。3.4 填料层高度的计算3.4.1 气相总传质单元数的计算匕=mX, = 2.105x0.0191 = 0.0402Y： =*=0脱吸因数为c mV2.105x68.42 八八S = 0.849L 169.572气相总传质单元数为1-0.8490.84

13、9）x 0 0526一0 + 0.849 = 5.684 0.00526-0342气相总传质单元高度的计算气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算:包=1 - exp (- 1.45(区)。75 (幺产(学)7。5 (J)。21“Pig PQA J查附表2得(Jc = 75dv / cm = 972000kg Hr液体质量通量为U, = 30869 = 7903.80依 / (* h) 0.785x0.720 = 1-exp4 q49720007903.807903.803 74.9.7932731.2，l74.9x3.22，V997.082 xl.27xlOs；7903.8025997.0

14、8x932731.2x74.9)°2= 0.580气膜吸收系数由下式计算:3。237（粉严（急）/喘）气体质量通量为%=器翼= 5696.82叱0f）5696.82。.70.06595%/49x 0.03567°74.9x0.065951.2040x0.035678.314x298.15=OMIOkmol/ (m2 h - kPa)液膜吸收系数由下式计算:kL = 0.0095(-)% 吆("声44 0A Pl3.22997.08x4.5396xl0H5（江前 耳。.38973由kGa = kGawi/lA,查附表3得 = L45则 kGa = kGawi/11=

15、0.0410x0.580x74.9x 1.4511 = 2.680km。/(W hkPa)=0.3897 x 0.580 x 74.9 x 1.4504 = 19.6421 / h= 79.0% > 50%uF 1.664由 kGa = 1 + 9.5( - 0.5)1, ka = 1 + 2.6( -0.5)22kLa ,得uFuFkGa = 1 + 9.5x (0.7897-0.5)14x 2.680 = 7.174kmol/ (m，h kPa)kLa = l + 2,6x (0.7897 - 0.5产x 19.642 = 22.987 1 /?则 %= 1 M + Hk'/

16、i=-i- = 3.257 h- kPa)7.174 + 0.2595x22.987, V V由H og =°。 K.Q KcaPCl68.42八=0.5397n3.257x1013x0.785x0.7-由 Z = H“gN“g=0-539x5.684 = 3.064？，得Z =1.25x3.064 = 3.830？设计取填料层高度为Z = 4m查附表4,对于环矩鞍填料，- = 8-15, /max<6w D取，=8,则Z? = 8x 700 = 56OO,77m计算得填料层高度为4000，故不需分段。3.5填料塔流体力学校核3.5.1 气体通过填料塔的压降采用Eckeit通用

17、关联图计算填料层压降。横坐标为查附表5得，0 = 71犷纵坐标为1机卬 Pv 0,1.3142x71xl 1.2040 八。，八八工。' lj, =xx 0.8937°- =0.0148g pL9.81997.08查附图1得AP/Z = 186.39P«/77?填料层压降为” = 186.39x4 = 745.56。3.5.2 泛点率 = -x 100% = 79.0%uF 1.665泛点率介于50%80%之间，合理。353气体动能因子F = 1.314x-71.2040 = 1 A4kg2 /Sm1气体动能因子在常用的范围内。 从以上的各项指标分析，该吸收塔的设计

18、合理，可以满足吸收操作的工艺要求。第四章塔内辅助设备的选择和计算4.1液体分布器(1)液体分布器的选型本设计任务液相负荷为：L 169.572x18.02 7巾.，小=7.97? / (nr - /?)Q 997.08x0.785x0.72液相负荷较小，故选用排管式液体分布器。(2)布液点数根据附表6氏ken的散装填料塔分布点密度推荐值，D=700mm时，分布点 密度可取180点/nF塔截面。故布液点数为：n = 180 x 0.785 x 0.72 = 69.2 « 70点、(3)孔径计算由 V=.d，kj2gh1"I式中d布液孔直径，m：V 液体流率，nf/s；n 彳j

19、液孔数；k 孔流系数；h液体高度，m；g重力加速度，11通2。取 =0.55 , h = 170mm169.572x18.23600x997.08=0.0008598m3V =0.00395/w = 3.95/ww4x0.00085983.14 x 70 x 0.55 x J2x9.81x0.17设计取d = 4/h/h o（4）液体分配管与布液支管尺寸查表口2】可得：当。= 700时，主管直径取50mm,支管排数取4,管外缘直径取660mm, 最大体积流量为9.5m3/ho4.2 填料塔附属高度塔上部空间高度可取为1.2m,塔底液相停留时间按1mm考虑，则塔釜液所 占空间高度为：.60x16

20、9.572x18.02It =；= 0.13m1 0.785x0.7-x997.08x3600考虑到气相接管所占空间高度，底部空间高度可取L2m,故填料塔附属高 度为：/? = 1.2 + 12 = 2.4/h4.3 填料支承装置口力梁式气体喷射式支承板气体流通自由界面率大，阻力小，承载能力强，气液 两相分布效果小，性能优良，因此，本设计选用梁式气体喷射式支承板，其尺寸 如表4-lo注：尺寸b是塔中间支承板宽度，在塔边缘支承板的尺寸b将随塔径不同而异，左右不对称。H为波高，t为波矩。4.4 填料压紧装置口4本设计选用丝网床层限制板，重量约为300N/nf,限制板的外径选用690nmio4.5

21、液体进、出口管（1）气体进出口管径计算工业上，一般气体进料流速为1020m/s,本设计取流速为15m/s。, 瓯 I471820一 _7V mi 、3.14x15x36004x1820核算：u =由标准GB/T 8163-99,选用。225乂8无缝钢管。=f r = 14.77 / S , 故满足 条件。7td-3 - 14 x 3600 x (0.225 - 0.008 x 2)一（2）液体进出口管径计算工业上，一般液体进料流速为0.5L5m/s,本设计取流速为lm/s。d =4x0.0008598 =33 1/3.14x1由标准GB/T 8163-99,选用04Ox3?小无缝钢管。4x0.

22、00085984Vr wvw核算：u =* =:- = 0.95m / s , 故满足 条件。red1 3.14x(0.040-0.003x2)-4.6 液体除雾器本设计选用上装式丝网除沫器，见图4-1,由标准HGT 21618-1998,得除沫 器规格参数见表4-2。图47网式除沫器表4-2上装式丝网除沫器规格参数mm主要外形尺寸重量(kg)HHjD丝网格栅及定距杆支撑件1502686208.678.788.634.7 筒体和封头(1)筒体由标准JBU53 73,得筒体规格参数见表4-3。表4-3筒体规格参数1米高的容积V/11131米高的内表面积FVm?厚度6/nun1米高筒节钢板理论质量

23、/kg0.3852.20469封头本设计选用椭圆封头，由标准JB/T4737 95,得封头规格参数见表4-4。表4-4 EHA椭圆形封头规格参数曲边高度hi/nun直边局度112/111111内表面积A/m?容积V/m3175250.58610.05454.8 手孔由标准HG/T 21514-2005,得手孔规格参数见表4-5。表4-5手孔规格参数名称简图密封面 型式及 代号公称直径DN(mm)公称压力PN (MPa)标准编号常压手 孔1全平面FF150常压HG/T21528-20054.9 法兰本设计选用PNO.25Mpa (2.5bar)板式平焊钢制管法兰，见图4-2。图4-2板式平焊钢制

24、管法兰由标准HG 20593-1997,得法兰选择结果见表4-6和表4-7。(1)管法兰的选择表4-6管法兰规格参数nun位置公称通径DN管子外径Ai连接尺寸法 ¥ 厚 度 C法兰内径Bi法兰 理论 重量 (kg)法兰外径D螺栓孔 中心圆 直径K螺栓孔直径L螺栓孔 数量11螺纹ThABAB气体进出口管2502732733753351812M1624276.52768.96液体进出口管4048.345130100144M121649.5461.38（2）容器法兰的选择表4-7容器法兰特性参数nun公称通径DN管子外径Ai连接尺寸法兰厚度C法兰内径Bi法兰理论重量（kg）法兰外径D螺栓孔

25、中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量11螺纹ThABAB7007117208608102624M243671572444.24.10裙座本设计选用圆锥形裙座，见图4-3。0）圆傕形相座1 一螺性座，2一人孔：3一担邨体：4一无保温时的排气孔，5塔体6有保温时的推气孔，7引出管通道,8一排液孔图4-3圆锥形裙座裙座筒体上端面至塔釜封头切线距离：4 = 27口习直进料管高度：久= 200将”对环境工程原理课程设计水吸收丙酮填料塔设计弯进料管高度：/3 = 600/wn t17l检查孔中心高度：h4 = 600 18裙座高度 /2 =23 + 600 + 600 + 600x2 2000mm = 2m

26、2第五章设计计算结果总汇表设计计算结果汇总见表5-1、表5-2、表5-3。表5-1填料设计计算汇总表公称尺寸Dg / mm50孔隙率£/%96比表面积/(/，/)74.9泛点填料因子6 /疝'135压降填料因子孙/尸71表5-2物料设计计算汇总表混合气体处理量2/(/?)1820混合气体平均摩尔质量Mv“J(kg / kmol)30.45混合气体平均密度pVlJ(kg /*1.2040混合气体的粘度/v / kg / (m- h)0.06595丙酮在空气中扩散系数 Dv/(nr/h)0.03567吸收液密度 /(依/m3)997.08吸收液粘度 4/依/ (加h)3.22表面

27、张力aL/(kg/h2)932731.2丙酮在水中扩散系数 &/(>/?)4.5396x10 6丙酮在水中亨利系数E/kPa213.209丙酮在水中溶解度系数 H/kmol / (kPa - W)0.2595环境工程原理课程设计水吸收丙酮填料塔设计丙酮在水中相平衡常数2.105进塔气相摩尔比K0.0526出塔气相摩尔比X0.00526进塔液和摩尔比x20出塔液相摩尔比X10.0191进塔惰性气体流量V/(kmol/h)68.42吸收剂流量L / (kmol / h)169.672气相质量流量Wv / (kg / h)2191.28液相质量流量WL/(kg/h)3055.69表5-

28、3塔设备的工艺设计计算汇总表塔径Dn / imn700空塔气速u / (/« / 5)1.314泛点气速uF / (nV s)1.664泛点率尸/%79.0气相总传质单元数nog5.684气相总传质单元高度0.539填料层高度Zimm4000填料塔附属高度him2.4裙座图度/ m2.0填料层压降P/(Pa/m)186.392气体动能因子 尸/（依5/S.?5）1.44第六章课程设计总结通过此次课程设计，我对填料塔的设计原理和方法有了更深刻的认识。通过 查阅大量的资料，我了解了设计中的计算过程，明确了设计的思路，丰富了所学 的知识。此外，课程设计中需要反复的校核和综合的考量，才能设计

29、出最合适的 方案，这在一定程度上也磨练了我的耐心。本次课程设计基本上能按照任务书的要求、参考书的指导顺利进行。我明确 到在填料的选择上往往要考虑多方面的因素，如：流量的大小、吸收率的控制、 填料的类型、填料的公称直径等。设计过程中计算所需塔填料层高度时，填料的 选择将决定塔是否合理。在设计过程中存在着校核结果不合适的情况，在老师的 指导下，我进行了修改，得到了较合适的设计方案。参考文献1王树楹主编，现代填料塔技术指南，中国石化出版社M, 1997.12:492刘光启，马连湘等主编，化学化工物性数据手册M,化学工业出版社, 2012.4:33刘光启，马连湘等主编，化学化工物性数据手册M,化学工业

30、出版社, 2012.4:124刘光启，马连湘等主编，化学化工物性数据手册M,化学工业出版社, 2012.4:155时钧，汪家鼎等主编，化学工程手册第二版上卷M,化学工业出版社, 1996.1:1506时钧，汪家鼎等主编，化学工程手册第二版上卷M,化学工业出版社, 1996.1:1497刘光启，马连湘等主编，化学化工物性数据手册M,化学工业出版社, 2012.4:718刘光启，马连湘等主编，化工物性算图手册M,化学工业出版社, 2002.1:6949贾绍义，柴诚敬主编，化工原理课程设计M,天津大学出版社, 2002.8:1509贾绍义，柴诚敬主编，化工原理课程设计M,天津大学出版社, 2002.8:1431