水吸收丙酮填料塔设计

...wd......wd......wd...摘要空气-丙酮混合气填料吸收塔设计任务为用水吸收丙酮常压填料塔，即在常压下，从含丙酮1.82%、相对湿度70%、温度35℃的混合气体中用25℃的吸收剂清水在填料吸收塔中吸收回收率为90%丙酮的单元操作。设计主要包括设计方案确实定、填料选择、工艺计算等内容，其中整个工艺计算过程包括确定气液平衡关系、确定吸收剂用量及操作线方程、填料的选择、确定塔径及塔的流体力学性能计算、填料层高度计算、附属装置的选型以及管路及辅助设备的计算，在设计计算中采用物料衡算、亨利定律以及一些经历公式，该设计的成果有设计说明书和填料吸收塔的装配图及其附属装置图。目录摘要I水吸收丙酮填料塔设计1第一章任务及操作条件1第二章设计方案确实定22.1设计方案的内容22.1.1流程方案确实定22.1.2设备方案确实定22.2流程布置32.3收剂的选择32.4操作温度和压力确实定3第三章填料的选择43.1填料的种类和类型43.1.1颗粒填料43.1.2规整填料43.2填料类型的选择43.3填料规格的选择53.4填料材质的选择5第四章工艺计算64.1物料计算64.1.1进塔混合气中各组分的量64.1.2混合气进出塔的摩尔组成64.1.3混合气进出塔摩尔比组成74.1.4出塔混合气量74.2气液平衡关系74.3吸收剂(水)的用量74.4塔底吸收液浓度84.5操作线84.6塔径计算84.6.1采用Eckert通用关联图法计算泛点气速84.6.2操作气速确实定94.6.3塔径的计算94.6.4核算操作气速104.6.5核算径比104.6.6喷淋密度校核104.6.7单位填料程压降〔〕的校核104.7填料层高度确实定114.7.1传质单元高度计算114.7.2计算134.7.3计算134.7.4传质单元数计算134.7.5填料层高度z的计算144.7.6填料塔附属高度的计算14第五章填料吸收塔的附属设备155.1填料支承板155.2填料压板和床层限制板155.3气体进出口装置和排液装置155.4分布点密度及布液孔数的计算155.5塔底液体保持管高度的计算16第六章辅助设备的选型186.1管径的计算18参考文献19附录20附表21致谢24水吸收丙酮填料塔设计第一章任务及操作条件混合气(空气、丙酮蒸汽)处理量：进塔混合气含丙酮1.82％(体积分数)；相对湿度:70％；温度:35℃；进塔吸收剂(清水)的温度25℃；丙酮回收率：90％；操作压强：常压操作。第二章设计方案确实定2.1设计方案的内容2.1.1流程方案确实定常用的吸收装置流程主要有逆流操作、并流操作、吸收及局部再循环操作、多塔串联操作、串联—并联操作，根据设计任务、工艺特点，结合各种流程的优缺点，采用常规逆流操作的流程，传质平均推动力大，传质速率快，别离效率高，吸收及利用率高。2.1.2设备方案确实定本设计要求的是选用填料吸收塔，填料塔是气液呈连续性接触的气液传质设备，它的构造和安装比板式塔简单。它的底部有支撑板用来支撑填料，并允许气液通过。支撑板上的填料有整砌或乱堆两种方式。填料层的上方有液体分布装置，从而使液体均匀喷洒在填料层上。图1.1常规逆流操作流程图2.2流程布置吸收装置的流程布置是指气体和液体进出吸收塔的流向安排。本设计采用的是逆流操作，即气相自塔底进入由塔顶排出，液相流向与之相反，自塔顶进入由塔底排出。逆流操作时平均推动力大，吸收剂利用率高，别离程度高，完成一定别离任务所需传质面积小，工业上多采用逆流操作。2.3收剂的选择吸收剂性能的优劣是决定吸收操作效果的关键之一，吸收剂的选择应考虑以下几方面：(1)溶解度:吸收剂对溶质的溶解度要大，以提高吸收速率并减少吸收剂的用量。(2)选择性:吸收剂对溶质组分有良好的溶解能力，对其他组分不吸收或甚微。(3)挥发度：操作温度下吸收剂的蒸汽压要低，以减少吸收和再生过程中的挥发损失。(4)粘度:吸收剂在操作温度下粘度要低，流动性要好，以提高传质和传热速率。(5)其他：所选用的吸收剂尽量要无毒性、无腐蚀性、不易爆易燃、不发泡、冰点低、廉价易得及化学性质稳定一般来说，任何一种吸收剂都难以满足以上所有要求，选用是要针对具体情况和主要因素，既考虑工艺要求又兼顾到经济合理性。2.4操作温度和压力确实定(1)温度:低温利于吸收，但温度的底限应由吸收系统决定，本设计温度选25℃(2)压力：加压利于吸收，但压力升高操作费用、能耗增加，需综合考虑，本设计采用常压。第三章填料的选择3.1填料的种类和类型工业上填料按形状和构造可分为散装填料和规整填料两类：3.1.1颗粒填料以随机的方式堆积在塔内，以下是几种典型的散装填料：拉西环填料最早的工业填料，但因性能较差，目前工业上已经很少使用鲍尔环填料是在拉西环根基上的改进，利用率有了很大提高阶梯环填料对鲍尔环的改进，为目前所使用的环形填料最为优良的一种弧鞍填料一般采用瓷质材料，易碎，工业中不常用环矩鞍填料集环型与鞍型优点，是工业应用最广的一种金属散装填料3.1.2规整填料以一定的几何形状，整齐堆砌，工业用多为波纹填料，其优点是构造紧凑、传质效率高、处理量大，但不易处理粘度大或有悬浮物的物料，且造价高。3.2填料类型的选择根据别离工艺的要求，考虑以下因素：(1)传质效率在满足工艺条件的前提下，选用传质效率高，即HETP(或HTU)低的填料。(2)通量保证较高的传质传质效率前提下，选用有较高泛点或气相动能因子的填料。(3)填料层压降压降越小，动力消耗越少，操作费用越小。(4)操作性能填料具有较大操作弹性，且具有一定的抗污堵、抗热敏能力等。3.3填料规格的选择(1)散装填料常用主要有16、25、38、50、76等几种规格。一般推荐：300时，选25的填料；时，选25—38的填料;时，选用的填料，但一般大塔中常用的填料。(2)规整填料从别离要求、通量要求、场地条件、物料性质及设备投资、操作费用等方面综合考虑，既考虑工艺要求又兼顾到经济合理性。3.4填料材质的选择(1)陶瓷具有耐腐性及耐热性，但质脆、易碎，不宜高冲击强度下使用。(2)金属碳钢对低腐蚀无腐蚀物系优先考虑，不锈钢耐以外物系腐蚀，特种合金钢价格高，只在特殊条件下使用(3)塑料主要包括PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)、PVC(聚氯乙烯)等，一般采用PP(聚丙烯)材质。塑料耐腐蚀性、耐低热性好，但具有冷脆性，外表润湿性较差。一般讲，操作温度较高但无显著腐蚀性时，选用金属填料；温度较低选用塑料填料；物系具有腐蚀性、操作温度高，宜采用陶瓷填料。由于本设计操作温度较低且无腐蚀性，压强采用常压，所以选用塑料填料。第四章工艺计算4.1物料计算4.1.1进塔混合气中各组分的量近似取塔平均操作压强为101.3kPa，故：

混合气量n＝混合气中丙酮量

查化工原理附录，35℃饱和水蒸气压强为，那么每kmoI相对湿度为70％的混合气中含水蒸气量为：n＝＝0.0404kmol〔水汽〕／kmol〔空气+丙酮〕混合气中水蒸气的含量=

混合气中空气量4.1.2混合气进出塔的摩尔组成4.1.3混合气进出塔摩尔比组成假设将空气与水蒸气视为惰气，那么

惰气量丙酮/kmol惰气

kmol丙酮／kmol惰气4.1.4出塔混合气量出塔混合气量4.2气液平衡关系当x＜0.1，t＝15~45℃时，丙酮溶于水其亨利常数E可用下式计算：

1gE＝9.171一[2040／(t十273)]液相温度t=25℃时E=211.54kPaH===0.262该系统的相平衡关系可以表示为4.3吸收剂(水)的用量最小吸收剂用量一般，根据生产经历，吸收剂的用量L=〔1.1—2.0〕，故取安全系数为1.5，那么L=1.5=kmol／h=kg/h4.4塔底吸收液浓度依物料衡算式：4.5操作线依操作线方程式：所以4.6塔径计算塔底气液负荷大，依塔底条件(混合气35℃)，101.3kPa，吸收液25℃计算u=〔0.6~~0.8〕4.6.1采用Eckert通用关联图法计算泛点气速4.6.1.1有关数据计算塔底混合气流量＝

吸收液流量＝

进塔混合气密度＝＝1．148

kg／(混合气浓度低，可近似视为空气密度)

查化工原理附录

吸收液密度＝996.7kg／

吸收液黏度＝0.8543mPa.s

经比较，选D=50mm塑料鲍尔环(米字筋)。查?化工原理?教材附录可知其主要性能参数有，填料因子=120，比外表积＝106．4

4.6.1.2关联图的横坐标值4.6.1.3关联图的纵坐标值由图查得纵坐标值为0.19即

=0.01369=0.19故液泛气速=3.73m/s4.6.2操作气速确实定

u＝0.5＝＝4.6.3塔径的计算D=取塔径为0.7m(＝700mm)4.6.4核算操作气速u=m/s<故满足要求。4.6.5核算径比，满足鲍尔环的径比要求。4.6.6喷淋密度校核填料的最小润湿速率(MWR)为0.08／(m•h)

最小喷淋密度＝0.08×106．4＝8．512／(m•h)

因

U／(m•h)

故满足最小喷淋密度要求。4.6.7单位填料程压降〔〕的校核在压降关联图中取横坐标值0.0615，将操作气速(＝1．55m/s)代替纵坐标中的查表，D=50mm塑料鲍尔环(米字筋)的压降填料因子＝125代替纵坐标中的．那么纵标值为：查图3-4得

在145-490范围内，故满足要求。4.7填料层高度确实定计算填料层高度，即Z＝4.7.1传质单元高度计算，其中，本设计采用〔恩田式〕计算填料润湿面积aw作为传质面积a，依改进的恩田式分别计算及，再合并为和。列出备关联式中的物性数据气体性质(以塔底35℃，101.325kPa空气计)：＝1.148kg/(前已算出)〔气体密度〕＝0.01885×(查化工原理附录)〔气体黏度〕＝1．09×〔依翻Gilliland式估算)(溶质在气相中的扩散系数)液体性质(以塔底25℃水为准)：＝996.7kg/＝0．8543×Pa•s=1.344×(以式计算)(?化学工程手册?10-89)，式中为溶质在常压沸点下的摩尔体积，为溶剂的分子量，为溶剂的缔合因子。液体外表张力＝71．6×N／m(查化工原理附录)。气体与液体的质量流速：

塑料鲍尔环(乱堆)特性：d

＝50mm＝0．05m〔塑料鲍尔环直径〕＝106．4

〔比外表积〕〔填料材质的临界外表张力〕

=1.45〔鲍尔环为开孔环〕依式计算有效面积依式代入上述数据得：故=故==依式3-19=0.0095代入上述数据得：————为液相传质系数，为溶质在液相中的扩散系数，/s;依式3-20=0.237代入上述数据得：kmol/(.s.Kpa)————为气相传质系数故==l/s==kmol/(.s.Kpa)4.7.2计算,而==P=4.7.3计算=4.7.4传质单元数计算在上述两个区间内，可将平衡线视为直线，操作线系直线，故采用对数平均推动力法计算。=2.088==0==4.7.5填料层高度z的计算根据设计经历，填料层的设计高度为，故取实际填料层高度取为。4.7.6填料塔附属高度的计算塔上部空间高度，通过相关资料可知，可取为1.3m，塔底液相停留时间按1.5min考虑，那么塔釜液所占空间高度为：考虑到气相接收所占空间高度，底部空间高度可取1.0m，所以塔的附属空间高度可以取为1.3+1.0=2.3米。因此塔的实际高度取H=第五章填料吸收塔的附属设备5.1填料支承板分为两类：气液逆流通过平板型支承板，板上有筛孔或栅板式;气体喷射型，分为圆柱升气管式的气体喷射型支承板和梁式气体喷射型支承板。5.2填料压板和床层限制板在填料顶部设置压板和床层限制板。有栅条式和丝网式。5.3气体进出口装置和排液装置填料塔的气体进口既要防止液体倒灌，更要有利于气体的均匀分布。对500mm直径以下的小塔，可使进气管伸到塔中心位置，管端切成45度向下斜口或切成向下切口，使气流折转向上。对1.5m以下直径的塔，管的末端可制成下弯的锥形扩大器。气体出口既要保证气流畅通，又要尽量除去夹带的液沫。最简单的装置是除沫挡板〔折板〕，或填料式、丝网式除雾器。液体出口装置既要使塔底液体顺利排出，又能防止塔内与塔外气体串通，常压吸收塔可采用液封装置。注：(1)本设计任务液相负荷不大，可选水平排管式液体分布器；且填料层很高需设液体再分布器。塔径及液体负荷不大，可采用较简单的梁式支承板及压板。为防止液体随气相带出，在塔顶设一丝网除沫器。5.4分布点密度及布液孔数的计算按照Eckert建议值，D为750mm-1200mm时，喷淋点密度为170点/m2,因为该塔液相负荷较大，设计取喷淋点密度为170点/m2。布液点数为点按分布点几何均匀与流量均匀的原那么，进展布点设计。设计结果为：二级槽共设七道，槽侧面开孔，槽宽度为80mm,槽高度为210mm,两槽中心矩为160mm,分布点采用三角形排列。实际设计布点数为n=210点，布液计算：由L:液体流量m3/sn:开孔数目:孔流系数，取0.55～0.60d0:孔径，m:开孔上方的液位高度，m取，m那么设计取=18mm5.5塔底液体保持管高度的计算取布液孔的直径为18mm，那么液位保持管中的液位高度可由公式：得，即：：式中：：布液孔直径，mL：液体流率，m3/s：布液孔数：孔流系数：液体高度，m：重力加速度，m/s2值由小孔液体流动雷诺数决定可取因此，取根据经历，那么液位保持管高度为：第六章辅助设备的选型6.1管径的计算进气管与混合液出气管：进气为常压气体取u=15m/sd=m取壁厚=8mm查附录选外径为280mm的无缝钢管。进水管与混合液出口管：清水〔常压〕取u=2.0m/s=d=取壁厚=8mm查附录选外径为50mm的无缝钢管。参考文献【1】夏清，陈常贵主编?化工原理?〔上、下册〕天津：天津大学出版社2005【2】化工原理课程设计自编讲义2007【3】董大勤编?化工设备机械根基?北京：化学工业出版社2003【4】匡玉柱、史启才主编?化工单元过程设备课程设计?〔第二版〕北京：化学工业出版社2008【5】朱有庭、曲文海、于浦义主编?化工设备设计手册?北京：化学工业出版社2004【6】路秀林，王者相编著?塔设备?北京：化学工业出版社2004附录主要符号说明E—亨利系数，—气体的粘度，—平衡常数—水的密度和液体的密度之比—重力加速度，—分别为气体和液体的密度，—分别为气体和液体的质量流量，—气相总体积传质系数，—填料层高度，—塔截面积，—气相总传质单元高度，—气相总传质单元数—以分压差表示推动力的总传质系数，—单位体积填料的润湿面积—以分压差表示推动力的气膜传质系数