清水吸收丙酮填料塔地设计

1、化工原理课程设计清水吸收丙酮填料塔的设计学院医药化工学院专业高分子材料与工程班级高分子材料与工程13(1)班姓名李凯杰学号13155301xx指导教师严明芳、龙春霞设计书任务(一)设计题目试设计一座填料吸收塔，用于脱除空气中的丙酮蒸汽。混合气体处理量为4000吊h。进口混合气中含丙酮蒸汽_6%_(体积百分数)；混合气进料温度为35Co采用25c清水进行吸收，要求：丙酮的回收率达到95%(二)操作条件(1)操作压力101.6kPa(2)操作温度25C(3)吸收剂用量为最小用量的倍数自己确定(4)塔型与填料自选，物性查阅相关手册。(三)设计内容(1)设计方案的确定和说明(2)吸收塔的物料衡算；(3

2、)吸收塔的工艺尺寸计算；(4)填料层压降的计算；(5)液体分布器简要设计；(6)绘制液体分布器施工图；(7)其他填料塔附件的选择；(8)塔的总高度计算；(9)泵和风机的计算和选型；(10)吸收塔接管尺寸计算；(11)设计参数一览表；(12)绘制生产工艺流程图(A3号图纸)；(13)绘制吸收塔设计条件图(A3号图纸)；(14)对设计过程的评述和有关问题的讨论。目录前言1第1章填料塔主体设计方案的确定21.1 装置流程的确定21.2 吸收剂的选择21.3 操作温度与压力的确定21.4 填料的类型与选择2第2章基础物性数据与物料衡算22.1 基础物性衡算32.1.1 液相物性数据32.1.2 气相物

3、性数据32.1.3 气液相平衡数据42.2 物料衡算4第3章填料塔的工艺尺寸计算53.1 塔径的计算53.2 泛点率的校核63.3 填料规格校核73.4 液体喷淋密度校核73.5 填料塔填料高度的计算73.5.1 传质单元数的计算73.5.2 传质单元高度的计算83.5.3 填料层高度的计算93.6 填料塔附属高度的计算103.7 填料层压降的计算10第4章填料塔附件的选择与计算114.1 液体分布器简要设计114.1.1 液体分布器的选型114.1.2 分布点密度计算114.1.3 布液计算124.2 液体收集及分布装置124.3 气体分布装置134.4 除沫装置144.5 填料支承及压紧装

4、置144.5.1 填料支承装置144.5.2 填料限定装置144.6 裙座144.7 人孔15第5章填料塔的流体力学参数计算155.1 吸收塔主要接管的计算155.1.1 液体进料管的计算155.1.2 气体进料管的计算165.2 离心泵和风机的计算与选型165.2.1 离心泵的计算与选型165.2.2 风机的计算与选取18设计参数一览表20对设计过程的评述和有关问题的讨论24参考文献25前言吸收是利用混合气体中各组分在液体中的溶解度的差异来分离气态均相混合物的一种单元操作。在化工生产中主要用于原料气的净化，有用组分的回收等。填料塔是气液呈连续性接触的气液传质设备。塔的底部有支撑板用来支撑填料

5、，并允许气液通过。支撑板上的填料有整砌和乱堆两种方式。填料层的上方有液体分布装置，从而使液体均匀喷洒于填料层上。本次化工原理课程设计的目的是根据设计要求采用填料吸收塔的方法处理含有丙酮的混合物，使其达到排放标准。在设计中，主要以清水吸收混合气中的丙酮，在给定的操作条件下对填料吸收塔进行物料衡算。本次设计包括设计方案的选取，主要设备的工艺设计计算一一物料衡算、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算，工艺流程图，主要设备的工艺条件图等内容。第1章填料塔主体设计方案的确定1.1 装置流程的确定因为逆流操作的传质平均推动力大，传质速率快，分离效率高，吸收剂利用率高。因此本次设计采用逆流操作，即气相自塔底进

6、入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出。1.2 吸收剂的选择由设计任务书可知，本次设计用清水做吸收剂，故采用纯溶剂。1.3 操作温度与压力的确定由设计任务书可知，本次设计操作温度为25C,操作压力为101.6kPa1.4 填料的类型与选择填料的种类有很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。规整填料是按一定的几何图形排列，整齐堆砌的填料，具造价较高，因此从实际出发，本次设计采用散装填料。在散装填料中，阶梯环填料具有气通量大、气流阻力小、传质效率高等特点，是目前所使用的环形填料中最为优良的一种；从填料的材质考虑,塑料填料具有质轻、价廉、耐冲击、不易破碎等优点，多用于吸收、解吸、萃

7、取、除尘等装置中；在散装填料中，同类填料的尺寸越小，分离效率越高，但阻力增加，通量减少，填料费用也增加，而大尺寸的填料应用于小直径塔中有会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率降低10综上分析，本次设计采用DN38-聚丙烯阶梯环填料。第2章基础物性数据与物料衡算2.1基础物性衡算2.1.1液相物性数据对低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。由手册2查得，常压、25c时水的相关物性数据如下:密度为L997.043kg/m3表面张力为l=71.97dyn/cm3=932731kg/h2粘度为L=0.0008937Pa?s3.217kg/(m?h)贝U101.6kPa,25c时

8、，水的粘度为L=0000893710160.0008963Pa?s3.227kg/(m?h)101.3查手册3得20c时丙酮在水中的扩散系数为DL0=1.16X10-9m2/s4.1810-6m2/h则25c时丙酮在水中的扩散系数为P0T、3/2-9/101.3、,298.13、3/2-92-62.DlDL0()()1.1610()()1.1910m/s4.2810m/hpT0101.6293.132.1.2气相物性数据混合气体的平均摩尔质量为MVm=yiMi=0.06X58+(1-0.06)X29=30.74混合气体的平均密度为PMVm101.630.743VmVm1.22kg/mRT8.3

9、14308.13混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册网得常压下、20c时空气的粘度为V1.8110-5Pa?s0.06516kg/(m?h)则在101.6kPa、25c时空气的粘度为3T二_(-)2(T0110.4)T0T110.4298133()2(293.13110.4)293.13298.13110.4T3()2(-110.4)V001.81105T110.41.83105Pa?s0.066kg/(m?h)在101.3kPa,20c时，查手册3丙酮在空气中的扩散系数为DV110-5m2/s则101.6kPa,25c时，丙酮在空气中的扩散系数为-5/273.1325.1.81/101

10、.6-522Dv110()()1.0310m/s0.0372m/h273.1320101.32.1.3气液相平衡数据查手册得，常压下20c时丙酮在水中的亨利系数为E211.5kPa相平衡常数为E211.5m2.08P101.6溶解度系数为H-.9970.25EMs211.5182.2物料衡算进塔气相摩尔比为丫1y10.060.06381-y11-0.06出塔气相摩尔比为Y2“1-)0.0638(1-0.95)0.00319进塔惰性气相流量为400022.4148.8kmol/h273.13(10.06)273.1335该吸收过程为低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算，即VL)mi

11、nm对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为X20,1_、0.0638-0.00319(-)min77751.976V0.0638-02.08取操作液气比为XLWnL1.41.9762.77VL2.77148.8412.2kmol/hV(丫丫2)L(X1X2)VV(“1丫2)c148.8(0.06380.00319)X1X21200.0219L412.2第3章填料塔的工艺尺寸计算3.1 塔径的计算采用Eckert通用关联图网计算泛点气速气相质量流量为VVmVV1.2240004880kg/h液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即LLMS412,2187419.6kg/hL（V）0.5VL则Ecker

12、t通用关联图的横坐标为（）o,50.0544880997.043查图5-323得2UFFg0,20.13查表5-111得F170m-1Uf0.13gl0.2FVL0.139.81997.043.17011.221022.5m/s取u0.7uf0.72.51.75nYs由D4Vs44000/36000.808m、冗uV3.141.75圆整塔径，取D0.8m3.2 泛点率的校核4000/36000.7850.822.21m/sUUF2.212.5100%88.4%（不在允许范围内）则填料塔塔径取D900mm4000/36000.7850.921.75m/sUF1.752.5100%70%（在允许范

13、围内）3.3 填料规格校核D900d3823.6883.4 液体喷淋密度校核对于直径不超过75mmi勺散装填料，可取最小润湿速率为(Lw)min0.08m3/(m?h)查附录51得at132.5m2/m3Lh0.785D2Umin(Lw)min0.08132.510.6m3/(m2?h)11.70Umin7419.6/997.0430.7850.92经以上校核可知，填料塔直径选用D900mm合理3.5 填料塔填料高度的计算3.5.1 传质单元数的计算Xi0.0219X20*丫mX12.080.02190.046*Y20塔底吸收推动力为*丫Y1Y10.06380.0460.0178塔顶吸收推动力

14、为*Y2Y2Y20.0031900.00319对数平均推动力为YmYiY2丫20.01780.00319'0.0178In0.003190.00850气相总传质单元数为Nog丫YYm0.0638-0.003190.008507.133.5.2 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1计算:22Wc0.75ULx0.1ULt0.05U|_0.2一1-exp1.45()()(-)()tLatLL9LLL查表5-131得2c33dyn/cm427680kg/h2液体质量流量为UL7419.6211668.79kg/(m2?h)0.7850.94276800751-exp1.

15、45()93273111668.790.111668.792132.50.05(132.53.227)(997.04321.27108)11668.792997.043932731132.5产0.362填料的润湿比表面积为aw0.362at0.362132.547.97m2/m3气膜吸收系数由下式计算:kG0.237(-U)0一)1/3(-DV)tVvDvRT气体质量通量为Uv40001.2今7674.8kg/(m2?h)0.7850.9kG0.237(7674.800.7(0.066)1*132.50.0372)132.50.066，1.220.0372，8.314298.13,0.0614

16、kmol/(m2?h?kPa)液膜吸收系数有下式计算:kL0.0095Ul)2/3(l)1/2(Lg)1/3DWLLLL11668.79、2/3,3.227、吟3.2271.27108、i/30.0095)(6)()47.973.2271.224.2810-1.220.15m/h由kGakGaW1.1,阶梯环填料是开孔环，查表5-14川得1.45,则kGakGaW1.10.061447.971.451.14.432kmol/(m3?h?kPa)kLakLaW0.40.1547.971.450.48.348l/h70%50%Uf修正的恩田公式只使用于u0.5uf的情况，当u0.5uf时，需要按下

17、式进行校正，即U_14kGa19.5(0.5)kGaUf19.5(1750.5)1.44.4322.58.855kmol/(m3?h?kPa)u_22kLa12.6(0.5)：1kLaUf1.752212.6(0.5)8.3488.977l/h2.5气相总体积传质系数为KGa111.''kGaHkLa18.855110.258.9771.79kmol/(m3?h?kPa)气相总传质单元高度为VV148.8Hog21.29mGa"p1.79101.60.7850.93.5.3填料层高度的计算ZHogNog1.297.139.20m采用上述方法计算出填料层高度后，还应保留

18、一定的安全系数，则Z'1.259.211.5m设计取填料层高度为Z'12m查表5-16,对于阶梯环填料，h815,hmax6mm。取名8,则Dh89007200mm计算得填料层高度为12000mm>7200mm&据表5-161阶梯环填料的分段要求，可将填料层分为两段设置，每段6m两段之间设置一个液体再分布器。3.6 填料塔附属高度的计算塔的附属空间高度包括塔上部空间高度、安装液体分布器和液体再分布器（包括液体收集器）所需要的高度、塔底部空间高度以及塔裙座高度50本次设计塔上部空间高度，可取为1.2m,液体再分布器的空间高度约为1m塔底液相停留时间按5min考虑，则

19、塔釜液所占空间高度为560Zi7419.6997.04336000.7850.8m考虑到气相接管所占空间高度，底部空间高度可取1.0m,所以塔的附属高度乙1.2113.2m（不含裙座高度）3.7 填料层压降的计算散装填料的压降值由Eckert通用关联式计算，则横坐标为()0.50.054VL查表5-18川得，p116m-1,纵坐标为2uPV0.2LgL1.75211619.811.22997.043023.22700.056查图5-32网得p/Z429.81412.02Pa/m则填料层压降为p412.02124944.2Pa第4章填料塔附件的选择与计算4.1 液体分布器简要设计4.1.1 液体

20、分布器的选型液体分布装置的种类多样，有喷头式、盘式、管式、槽式、及槽盘式等。因槽式液体分布器具有较大的操作弹性、优良的布液性能、极好的抗堵塞、结构简单、气相阻力小等优点，故本设计选用槽式分布器。L11.70,0.785D24.1.2 分布点密度计算液体喷淋密度越小，分布点密度越大。喷淋点密度为U因该塔喷淋电密度较小，设计去喷淋点密度为100点/m2布液点数为n0.7850.9210063.585点64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5道，在槽侧面开孔，槽宽度为40mm槽高度为200mm两槽中心距为170mm分布点采用三角形排列，实际设计布点数为66点，布

21、液点示意图如图4-1所示。图4-1槽式液体分布器二级槽的布液点示意图4.1.3 布液计算液体体积流量为Ls412.218997.04336002.0710-3m3/sLs-d2n12gH,0.550.604取0.60,H160mm,则布液孔径为d04Ls1/2,7419.64(997.043)1/20.0063m3.14620.6029.810.16设计取d06mm4.2 液体收集及分布装置为减小壁流现象，当填料层较高时需进行分段，本次设计填料层高度Z=12m故需分成2段，两段之间设置液体收集及再分布装置。多孔盘式液体再分布器是集液体收集和在分布功能于一体的液体收集和再分布装置，其具有结构简单

22、、紧凑、安装空间高度低等优点。故本次设计采用多孔盘式液体再分布器作为液体收集及分布装置。多孔盘式液体再分布器如图4-2所示。图4-2多孔盘式液体再分布器4.3 气体分布装置为了实现气相均匀分布，设置性能良好的气相分布装置是十分重要的。通常情况下，对于直径小于2.5m的小塔多采用简单的气体分布装置，本次设计填料塔塔径D=0.9m可采用如图4-3所示的简单的气体分布装置。图4-3小塔气体分布装置4.4 除沫装置除沫装置的作用是为了进行气液分离，出去气体夹带的雾沫，保证后续设备的正常操作。除沫装置可以安装在塔内或塔的上部，也可以作为独立的气液分离设备。丝网除沫器具有除沫效率高、压降小的特点，因此本次

23、设计采用丝网除沫器作为除沫装置。4.5 填料支承及压紧装置4.5.1 填料支承装置填料支承装置的作用是支承填料以及填料层内液体的重量,一般情况下填料支承装置应具备足够的强度和刚度、开孔率，以支持填料及其所持液体的重量，防止在支撑板发生液泛，结构上应简单易于加工制造和安装，有利于气液相的均匀分布，同时不至于产生较大的阻力。气体喷射式填料支承装置具有气体流通量自由截面率大、阻力小、承载能力强、气液两相分布效果好等特点，因此本次设计采用气体喷射式填料支承装置。4.5.2 填料限定装置为保证填料塔在工作状态下填料床层能够稳定，防止高气相负荷或负荷突然变动时填料层发生松动，破坏填料层结构，甚至造成填料损

24、失，在填料层顶部设置填料限定装置。填料限定装置分为填料压板和床层限定板。填料压板常用于陶瓷填料，床层限定板多用于金属和塑料填料。本次设计选用DN38聚丙烯阶梯环塑料填料，因此采用床层限定板。4.6 裙座一般塔设备的高径比较大，要承受地震、风、偏心以及内压等载荷，为保证塔设备的安全可靠运行，在设备下部一圈焊接裙座。裙座结构有圆筒形和圆锥形两种形式。对于直径小且细高的塔（即DN1m且H/DN25或DN1m且H/DN30),为了增加设备的稳定性降低地脚螺栓和基础环支承面上的应力，可采用圆锥形裙座。本次设计中，填料塔总高度为H15.2m则DN900mmH/DN16.925故本次设计填料塔不属于直径小且

25、细高的塔，因此采用圆筒形裙座。4.7 人孔人孔是安装或检修人员进入塔内的唯一通道。人孔可设在每段填料层的上下方，同时兼作填料装卸孔用，同时也设置在气液紧、出口等需要经常维修清理的部位。参考国家标准的手孔和人孔手册6,本次设计选用公称压力为常压，公称直径450mmi勺平面型人孔。第5章填料塔的流体力学参数计算5.1 吸收塔主要接管的计算5.1.1 液体进料管的计算d1342.041033.141.5进料管的结构类型很多，有直管进料管、弯管进料管、T型进料管。本次设计选用直管进料管。进料管管内的允许流速一般不超过0.51.8m/s,故取管内液体流速为U11.5”s,则液体进出口内径为0.042m4

26、2mm查参考书选用50mm3mm的无缝钢管，其实际内径为d150-3244mm校正流速为Ui4Ls,2九d142.0710-33.140.04421.36m/s5.1.2气体进料管的计算采用直管进料，由于常压下塔的气体进出口管气速可取1020m/s,故取气体进出口流速近似为16m/s,则气体进出口内径为d244000/36003.14160.297m297mm查参考书5选用325mm12mm的无缝钢管，其实际内径为d2325-122301mm气体的实际流速为U24Usdd244000/36003.140.301215.6m/s5.2离心泵和风机的计算与选型5.2.1 离心泵的计算与选型管内液体

27、的流速为u1.36m/s则雷诺数为ReLdu997.0430.0441.360.00100559366.2取管壁绝对粗糙度0.2mm,则相对粗糙度-030.0068d44查图1-36网得0.032直管阻力压头损失为泵入口管长0.2m液体分布器前的管长0.5m吸入管深入清水里的管长0.3m2hf-0.032d2g0.20.30.515.2且1.11m0.04429.81局部阻力压头损失为一个标准截止阀（全开）6.0一个带滤水器的底阀（全开）2.0三个90°弯头0.7532.25进口0.5出口hf2(6.02g2.02.250.51)1.362.22m29.81管路系统总的压头损失为hf

28、hfhf1.112.223.33m气体进口压力降为12p1万Vmu气体出口压力降为12p2-VmU4吸收塔的总压力降为11.2215.6221o1.2215.624148.5Pa74.2PaPfPP1P24944.2148.574.25166.6Pa其他塔内件的压力降p较小，在此可以忽略扬程为HeLghf(15.20.2)5166.6-3.3319.26m997.0439.81流量为Ql7419.637.44m/h997.043参考离心泵规格7,根据上述所计算得出的流量和扬程，选用离心泵型号为IS50-32-125,其规格为如下表5-1所示。表5-1IS50-32-125单级单吸离心泵规格流量

29、m/h扬程H/m效率Y/%必需汽蚀余量转速（r/min）功率/kw(NPSH)r/m轴功率电功率12.520602.029001.132.2注：准备两个离心泵，一个备用5.2.2风机的计算与选取气体流量为QV4000m3/h以风机进、出口外侧为截面列伯努利方程，得P112P212ziguiWez2gU2Wf22将上述各项同乘以，整理可得22、PtWe（Z2zi）g（P2Pi）（U2-U1）Pf2由于（Z2-Z1）较小，气体也较小，故（Z2-Z1）g项可忽略；由于以风机进、出口外侧为截面，截面速度叫u20,故一（u2-u；）项可忽略；PfPfPf中,2由于进、出口管段很短，直管阻力Pf忽略不计，

30、即PfPfWf进口'2U1出口'22由于本设计任务是吸收空气中的丙酮,内流速u1亦可忽略，进一步化简得混合气体直接从大气进入通风机，管'2u2PfPf出口-吸收塔内气体的操作压力为101.6kPa,气体进入塔内要克服塔内气体的压力、填料层的压降以及气体从塔顶排出的出口压降，所以P2P操作P2PP1P常压P2-PlP2P通过一系列的简化，全风压Pt整理可得2Pt(P2-P1)PfP2Pvm出口,215.6274,24944.21.2215166.8Pa2将使用条件下的风压换算为标定条件下的风压1.2PtoPtVm1.2_5166.8一5082.1Pa1.22参考通风机选型

31、使用手册网，根据上述计算得出的流量和全风压，选用的通风机为SL-5-45-11型物料输送型通风机，批号为No5.6,风机传动为C式传动,其规格如下表5-2所示。表5-2SL-5-45-11型物料输送型通风机规格批号No转速/流量/(m/h)全压内效率/(%)需用功率/kw电动机序号方式(r/min)型号功率5.6C240074900295756.18.2Y16015M2-2注：由于全压较大，故两台通风机串联工作设计参数一览表表1基础物性数据和物料衡算总表项目丙酮在水中的扩散系数Dl4.28X10-6m/h丙酮在空气中的扩散系数Dv0.0372rn/h丙酮在水中的亨利系数E211.5kPa丙酮在

32、水中的溶解度系数H0.25kmol/(kPa-n3)吸收剂的摩尔流量L412.2kmol/h混合气体的平均摩尔质量Mvm30.74g/mol气液相平衡常数m2.08混合气体的体积流量V4000M/h出塔液相摩尔比Xi0.0219进他液相摩尔比X20进塔气相摩尔比Y10.0638出塔气相摩尔比Y20.00319回收率95%水的黏度L3.227kg/(m'h)空气的黏度V0.066kg/(m-h)水的密度L3997.043kg/m混合气体的平均密度Vm1.22kg/m3水的表面张力L2932731kg/h表2塔设备衡算总表塔径D0.9m布液孔径d06mm填料塔的总高度H15.2m总传质单元

33、高度HOG1.29m塔釜液所占空间高度h0.8m气相总传质系数Kg1.79kmol/(m3h-kPa)气膜吸收系数kG0.0614kmol/(m2,h-kPa)液膜吸收系数kL0.15m/h气相总吸收系数Kg4.432kmol/(m3h-kPa)液相总吸收系数kL-18.348h气相总吸收系数（校正后）Kg8.855kmol/(m3hkPa)液相总吸收系数（校正后）Kl-18.977h最小湿润速率LWmin0.08m/(m'h)气相总传质单元数Nog7.13布液点数n62点填料层压降P4944.2Pa液体喷淋密度U11.70m/Fh)液体质量通量Ul11668.79kg/(m2-h)液

34、体体积流量Ls2.07X10-3m/h气体质量通量Uv7674.8kg/(m2-h)续表2泛点气速Uf2.5m/s实际气速u1.75m/s泛点率%F70%与X平衡气相摩尔比*Y0.046与火平衡气相摩尔比*Y20填料层的高度Z12m塑料阶梯环比表面积t132.5m-m3填料的湿润比表面积W2-347.97m-m塑料阶梯环泛点填料因子平均值F170m塑料阶梯环压降填料因子平均值P-1116m液相质量流量L7419.6kg/h气相质量流量G4880kg/h阶梯环形状系数1.45表3接管、泵和风机计算总表符号液体进料管内径di44mm气体进料管内径心301mm扬程He19.26m直管阻力压头损失hf1.11m局部阻力压头损失hf2.22m续