丙酮气体填料吸收塔的设计

第一章丙酮气体填料吸收塔的设计1.1概述吸收是利用气体在液体中的溶解度差异来分离气态均相混合物的一种单元操作。用于吸收的设备类型很多，如我们常见的填料塔、板式塔、鼓泡塔和喷洒塔等。但工业吸收操作中更多的使用填料塔，这是由于填料塔具有结构简单、容易加工，便于用耐腐蚀材料制造，以及压强小、吸收效果好、装置灵活等优点，尤其使用于小塔径的场合。1.2设备的选用在本次课设中，要求用地下水吸收丙酮气体，且丙酮含量较低，故选用填料塔。这是由于填料塔具有结构简单、容易加工，便于耐腐蚀材料制造，以及生产能力大、压降小、吸收效果好、操作弹性大等优点。在工业吸收操作中，填料塔被广泛应用。填料塔是气液呈连续性接触的气液传质设备，它的结构和安装相对于板式塔简单。塔的底部有支撑板用来支撑填料，并允许气液通过。支撑板上的填料有乱堆和整砌两种方式。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。填料层中的液体有向塔壁流动的趋势，因此填料层较高时往往将其分为几段，每一段填料层上方设有再分布器，将沿塔壁流动的液体导向填料层内。近些年来，由于性能优良的新型填料不断开发，改善了填料层内气液两相的分布与接触情况。促使填料塔的应用日趋广泛。1.3流程方案的确定1.3.1流程方案用地下水吸收，水来自地下或水槽，由于是逆流操作，需要泵将水抽到塔顶；还需一个泵将吸收液送走，由于丙酮不具有腐蚀性，故不需要防腐泵。气体则需选用风机。泵和风机一个型号需配置两台，供替换使用。详细流程参见流程图。1.3.2流程布置由于逆流操作时平均推动力大，吸收剂利用率高，完成一定分离任务所需传质面积小，故可以暂定为逆流。对于无相变传热，当冷、热流体的进、出口温度一定时，逆流操作的平均推动力大于并流，因而传递同样的热流量，所需传热面积较小。就增加传热推动力而言，逆流操作总是优于并流。此时吸收剂用量未知，我们可以按照逆流进行物料衡算得出吸收剂用量后，以此作为一个评判标准，判断是否该用逆流。1.3.3吸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，选择吸收剂用量时应着重考虑以下几个方面：1，溶解度要大，以提高吸收率并减少吸收剂的需用量；2，选择性要好，对溶质组分以外其他组分的溶解度要很低或基本不溶；3，挥发度要低，以减少吸收和再生过程中吸收剂的会发；4，操作温度下吸收剂应具有较低的粘度，且不易产生泡沫，以实现吸收塔内良好的气液接触状况；5，对设备腐蚀性小或基本无腐蚀性，尽可能无毒；6，价廉、易得、化学稳定性要好，便于再生，不易燃烧等。由于地下水具有以上优点，因此选用地下水为吸收剂。1.4填料的选择1.4.1对填料的要求在本次课设中，选用两种填料进行计算，最终根据计算结果择优。填料塔对填料的要求表现在以下几方面：比表面积要大。能提供大的流体通量。液体的再分布性能要好。要有足够的机械强度。价格低廉。1.4.2填料的选取首先选择颗粒填料，这是由于规整填料在装卸、清理时相对困难，且造价也高。其次，要进行两种填料间的比较，则应选用相同的外径，这样才具有可比性。根据塑料材质多用于操作温度较低的吸收、水洗等操作的特点，可选用塑料材质；根据陶瓷材质耐腐蚀性、耐湿性强，价格便宜，多用于物系具有腐蚀性、操作温度高等特点，可选用陶瓷材质；选用外径为38mm的瓷质填料，虽然此时不知道塔径及径比，可填料的尺寸一旦大了，效率就变低，一般50mm以上的大填料，虽然成本合算，但通量的提高不能补偿成本的降低，大塔中常见，据此，选用38mm的填料外径。综上所述，选取的两种填料见表1-1表表1-1所选填料常见性能参数填料名称外径（mm）比表面积（）空隙率压降填料因子AK塑料阶梯环38132.50.911160.2041.75瓷质矩鞍环381310.8041400.1761.75第二章工艺计算2.1概述整个工艺计算过程包括以下几点：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。填料层高度的计算。管路及辅助设备的计算。2.2气液平衡关系由于原料气组成中，丙酮占1.5%，含量较低，属于溶解度较小的难溶气体或低浓（）气体混合物溶于溶剂中，用地下水吸收时不会产生热效应，对气液平衡关系和吸收速度没有明显影响，属于等温吸收。因此吸收操作中的气液平衡关系可用亨利定律描述。即：（2-1）式中：——溶质的气相平衡分压，KPa;——溶质在平衡液相中的摩尔分率，无因次；——亨利系数，KPa.亨利定律表明，稀溶液上方的溶质分压与该溶质在平衡液相中的摩尔分率成正比，其比例系数称为亨利系数，亨利系数越大表示溶质在溶剂中的溶解度越小。如果溶液的浓度不用摩尔分率而改用体积摩尔浓度c来表示，则亨利定律也可写成：=（2-2）——溶解度系数，H越大则溶质在溶剂中的溶解度越大。亨利定律还可表示：（2-3）——溶质在气相中的摩尔分率，m称为相平衡常数，m越大溶质越难溶。亨利系数E和相平衡常数m间的关系为：（2-4）为操作系统的总压强。当溶质在液相中的浓度比较低时（),亨利系数和溶解度系数间的关系可表示为：（2-5）式中：——溶质的分子量，；——溶液的密度，2.3平衡关系的确定操作条件下，进入吸收塔气体的摩尔流量：操作条件下，进入吸收塔惰性气体的摩尔流量：操作条件下，进入吸收塔丙酮气体的摩尔流量：因为气体中丙酮的体积分率为1.5%，所以进塔气体中丙酮的组成为（下标：1—塔底；2—塔顶）:当时，由以下公式计算得出亨利系数：代入数据得：解得：由公式（2-4）得：由公式；（—与平衡的液相组成）得：2.4吸收剂用量及操作线的确定2.4.1物料衡算如图2-3，对于逆流操作的吸收塔，在任意截面M-N与塔顶或塔底作物料衡算：或MN图MN图2-3吸收塔的逆流物料衡算示意图2.4.2吸收剂用量的确定1.最小吸收剂用量（2-5）（2-6）式中：V—惰性气体流率，Kmol/h—最小吸收剂用量Y,X—气相和液相组成由公式（2-6）得：吸收剂用量取，即：2.4.3操作线方程的确定由以上计算得操作可得操作线方程为：由于是清水吸收，故=0,代入数据得操作线方程为：平衡线方程为：出塔液相丙酮的摩尔比为：出塔液相中丙酮的摩尔分数：2.5物性参数的计算2.5.1气相密度的计算塔底混合气摩尔质量：塔底混合气密度：塔顶混合气摩尔质量：塔顶混合气密度：0.997kg/m3气相密度：1.066kg/m32.5.2液相密度塔顶液的密度：塔底液密度：EQ液相密度;=2.5.3液体粘度塔顶液粘度：查资料得：塔底液粘度:查资料得：0.379mPa·s由公式可得塔底液粘度；代入数据得：液体粘度：2.5.4气体粘度查表可得：时，；EQ2.5.5液体的质量流量：塔顶的质量流量：塔底的质量流量：液体的质量流量：2.5.6气体的质量流量塔底的质量流量：塔顶的质量流量：气体的质量流量:2.6塔径的计算2.6.1泛点气速填料塔塔径的大小是根据生产能力与空塔气速来计算的。空塔气速由下面经验公式确定：（2-12）式中：—泛点气速，m/s—空塔气速，m/s泛点气速与气液流量、物系性质及填料的类型、尺寸等因素有关。其计算方法很多。目前工程上常采用Eckert通用关联图或Bian&Hougen关联式计算。采用Bian&Hougen关联式计算，计算公式为：从这一步开始，要对所选两种填料分别进行计算，填料物性参数见表1-1。以下演算过程是以塑料阶梯环为例的，两种填料的结果汇总将在后面几节中依次列出。代入数据：解得：2.6.2塔径由式2-12得取=塔径可按下式计算：D=（2-13）式中：—操作条件下混合气体体积流量，/sD—塔径，m先求塔径，当计算出的数值不足整数时，往往需要圆整。圆整的根据是符合加工要求及设备定型，以便于设备加工。根据国内压力容器的公称直径标准（JB-1153-71），直径在1m以下时，间隔为100㎜，（必要时在700㎜以下时可用50㎜为间隔）；直径在1m以上时，间隔为200㎜（必要时在2m以下时可用100㎜为间隔）。演算过程如下：（塑料阶梯环）D阶==0.569m圆整：D阶=0.6m考虑到所选填料尺寸，故圆整时以50㎜为间隔。2.7校核2.7.1单位高度填料层压降压强降是塔设计中的重要参数。气体通过填料层压强降的大小决定了塔的动力消耗。填料层压降的计算方法有多种，这次课设采用的是Eckert通用关联图方法。图2-5Eckert通用关联图—液气相流率，Kg/s,—液气相密度，Kg/—液相粘度，mPa.s—液相密度校正系数，=—填料因子，1/mg—重力加速度,m/s2如图2-5所示，Eckert通用关联图除了有液泛线以外，还有许多等压降线。由已知参数及所用填料的压降填料因子P代替，计算出该图的横、纵坐标值，查图读取相应压降曲线的值（若交点没正好落在压降线上，可用相邻两条线内插读取），即为单位高度填料层压降。在常压塔中，一般在145～490Pa/m较为合理，如超出这个范围，应按要求的值，由Eckert通用关联图反求气速u，再重新计算塔径。演算过程如下：(塑料阶梯环）1、用圆整后的塔径反算uD阶=0.6m0.6=，=1.79m/s2、校核：P按近似计算，由于前面求出的与相近，故取=1纵坐标==0.040横坐标在Eckert通用关联图上查得相应压降曲线的值=26×9.81＝255.06Pa/m，压降合理。2.7.2喷淋密度填料塔中气液两相间的传质主要是在填料表面流动的液膜上进行的。要形成液膜，填料表面必须被液体充分润湿，而填料表面的润湿状况取决于塔内的液体喷淋密度及填料材质的表面润湿性能。液体喷淋密度是指单位塔截面积上，单位时间内喷淋的液体体积，以U表示，单位为m3/(m2·h)。为保证填料层的充分润湿，必须保证液体喷淋密度大于某一极限值，该极限值称为最小喷淋密度，以Umin表示。式中Umin最小喷淋密度，m3/m2s(LW)min—最小润湿速率，m3/m·s—填料的比表面积，m2/m3最小润湿速率是指在塔的截面上，单位长度的填料周边的最小液体体积流量。其值可由经验公式计算，也可采用经验值。对于直径不超过75mm的散装填料，可取最小润湿速率(LW)min为0.08m3/（m·h）；对于直径大于75mm的散装填料，取(LW)min=0.12m3/（m填料表面润湿性能与填料的材质有关，就常用的陶瓷、金属、塑料三种材质而言，以陶瓷填料的润湿性能最好，塑料填料的润湿性能最差。实际操作时采用的液体喷淋密度应大于最小喷淋密度。若喷淋密度过小，可采用增大回流比或采用液体再循环的方法加大液体流量，以保证填料表面的充分润湿；也可采用减小塔径予以补偿。演算过程如下：（塑料阶梯环）(LW)min=0.08m3/（m·=121.8m2/m3，D阶=0.6m∴m3/（m2·h）S阶===0.2826㎡V=V’===U==27.78m3/m2h>Umin合格2.7.3泛点率演算过程如下：（塑料阶梯环）因为0.5<0.63<0.8合格2.7.4塔径比实践证明，塔径（D）与填料外径（d)之比值（简称径比）应该在一定的范围内，若径比不在此范围内时，塔壁附近的填料层空隙率大而不均匀，气流易走短路及液体壁流等现象剧增。演算过程如下：（塑料阶梯环）合格2.7.5填料尺寸对于一定塔径而言，满足径比下限的填料可能有几种尺寸，需要根据填料性能及经济因素选定，一般推荐，当：时，选用25mm的填料；时，选用2538mm的填料；时，选用5070mm的填料。对于所选塑料阶梯环，因为D=600mm,填料外径;,选用填料，合格。2.8填料层高度2.8.1传质系数的确定传质系数液体的表面张力；；；；－0.917代入数据可得：（1)应用：（2）联立（1）、（2）解得：0.928;0.0718。则：0.068N/m有效面积（润湿面积）（2-14）式中：—单位体积填料的总表面积，㎡/m3t—单位体积填料的总表面积，㎡/m3—液体的表面张力，N/mc—填料材质临界表面张力，N/m，陶瓷c=61×10-3N/mGL——液体通过塔截面的质量流率，Kg/㎡.s—液相粘度，Pa.s—液气相密度，Kg/g—重力加速度,m/s2演算过程如下：（塑料阶梯环）GL===7.71Kg/㎡.st=121.8㎡/m3S阶===0.2826㎡∴阶=65.50㎡/m33.气相传质系数=0.237式中：R—气体常数，8.314T—气体温度，KDV—溶质在气相中的扩散系数，㎡/sUV—气体通过空塔截面的质量流率，—气体粘度，—气体密度，Kg/m3—润湿表面积，—气相扩散系数，演算过程如下：（塑料阶梯环）；==t阶=121.8㎡/m3T=314K∴阶=0.237＝0.237=0.057Kmol/m2.h.KPa查资料得：＝4.液相传质系数式中：—溶质在液相中的扩散系数，㎡/s—液体通过空塔截面的质量流率，—液体粘度，—液体密度，Kg/m3—润湿表面积，—液相扩散系数，—重力加速度，演算过程如下（塑料阶梯环）：查资料得：溶解度系数6.传质系数2.8.2填料层高度填料层高度计算涉及物料衡算、传质速率和相平衡关系。对于整个吸收塔，气、液的浓度分布都沿塔高变化，吸收速率也在变化。所以要在全塔范围应用吸收速率关系式，就要采用微分方法，然后积分得到填料层的总高度。低浓度气体的吸收，若进塔混合气浓度很低（不超过），则在塔内气液两相的摩尔流速变化都较小，可视为常数，而塔内各处浓度都很低，变化也较小，其体积传质系数也可视为常数，故采用总体积吸收系数求取填料层高度时，可依一下式计算：——气相总传质单元高度，，。——气相总传质单元数，，——脱吸因数，是平衡线斜率与操作线斜率的比值，，量纲为一。——与平衡的气相组成，摩尔比。演算过程如下：（塑料阶梯环）=0.88×4.64＝4.08mZ’=(1.2-1.5)Z=1.2×4.08=4.896m设计取填料层高度为4.9米两种填料的对比可参见表4-5。工艺计算部分告一段落，接下来的工作是确定填料及塔的辅助设备，定出塔高，画出总装图和工艺流程图，我们将在下一章讨论。第三章设备我们已经在前面几章中确定了完成此次吸收任务的主体设备—填料塔，并且计算出了塔径和填料层的高度。填料塔高度的确定还需先选出其附属装置。填料吸收塔附属装置的选型及辅助设备的选型，均在本章中予以介绍。3.1填料塔3.1.1填料的确定上一章已对所选用的两种填料进行各方面的分析，我们将在这一节根据计算结果对填料进行筛选。塑料阶梯环陶瓷矩鞍标准比较泛点气速2.842.18大好塑料阶梯环好空塔气速1.791.53大好塑料阶梯环好塔径D600650小好塑料阶梯环好喷淋密度27.7823.67大好塑料阶梯环好压降353.16255，06小好陶瓷矩鞍好综合上一章的计算数据，进行比较，最终选出塑料阶梯环作为填料。3.1.2塔高的确定填料吸收塔附属装置的选型设备名称选用个数液体分布器1填料支撑板1根据计算出的气液流量、塔径、及气液流速的综合考虑，我们选用以下附属装置。具体尺寸参见设备总装图。液体分布器的水平和垂直主管直径d为进液管管径。安装时应高于填料100～200㎜。支撑板的直径略小于塔径辅助设备的选型1.管径的计算管路的内径可用圆形管路的流量公式，即：（3-1）对于液相，由于进塔为地下水，出塔为混合溶液，所以应以出塔为准，选择流速；对于气相，则属于常压操作。以此为据，选出相应流速：表表3-2某些流体在管路中的常用流速范围流体的类别及情况流速范围,m/s水及低粘度流体（1×105Pa～1×106Pa）1.5～3.0常压气体10～20由此计算的管径不一定是整数值，需要参照标准，选用标准管径，才能作为操作中的实际管径。以气相为例：==207.3㎜参照标准选用219㎜为外径，内径：219-2×6=207㎜同理可得液相：=37.45㎜参照标准选用50㎜为外径，内径：50-2×6=38mm由于管路采用标准管路，因此实际操作情况下的流速不是选取的流速，需要将标准管径代入式3-1，反算操作流速，进行校核。以液相为例：===0.038u=1.94m/s同理可得气相：==0.207u=15.04m/s2.封头的选择填料塔的顶部与底部均选用标准椭圆形封头[9]。塔的高度求出各个设备的高度后就可以定出塔的高度。=6.45m定出塔高后，便可以绘制总装图和工艺流程图。第四章结果评价设计出的塔径与填料层高度有些不够合理。在保证工艺计算流程及数据误差在合理范围内的情况下，不合理的原因与所选填料有关，选用的外径偏小，对填料层高度造成影响。下面将计算结果进行汇总，分别列出：表4-1结果汇总表题目流程布置逆流主体设备填料塔气液平衡关系Ye=5.27X塔高6.45m塔径600mm填料塑料阶梯环液体分布器直板多孔式分布器填料支撑板平板型支撑板封头标准椭圆形封头

塑料阶梯环陶瓷矩鞍校核泛点气速(m/s)2.842.18合格空塔气速(m/s)1.791.53合格塔径D(mm)600600合格压降校核(Pa/m)353.16255.06合格泛点率校核0.630.70合格喷淋密度校核合格塔径比校核15.717.1合格润湿面积65.581.261.451.1923657.72()0.4380.341EQ34.2631.951.791.520.0570.0525.625.128.6910.232.762.75(m)0.880.754.644.64(m)4.083.48参考文献[1]化学工程手册编委会，化学工程手册，化学工业出版社，1979；[2]柴诚敬等，化工传质与分离过程，化学工业出版社，2000；[3]B.E.波林等，气液物性估算手册，化工工业出版社，2005；[4]贾绍义等，化工原理课程设计，天津大学出版社，2002；[5]国家医药管理局上海医药设计院编，化工工艺设计手册，1986；[6]柴诚敬等，化工流体流动与传热，化学工业出版社，2000；[7]董大勤，化工设备机械基础，化学工业出版社，2008；目录第一章丙酮气体填料吸收塔的设计 11.1概述 11.2设备的选用 11.3流程方案的确定 21.3.1流程方案 21.3.2流程布置 21.3.3吸收剂的选择 21.4填料的选择 31.4.1对填料的要求