水吸收丙酮填料吸收塔课程设计

目录TOC\o"1-3"\h\u第1章概述-1-1.1吸收塔的概述-1-1.2吸收设备的开展-1-1.3吸收过程在工业生产上应用-2-第2章设计方案-3-2.1设计任务-3-2.2吸收剂的选择-3-2.2吸收流程确实定-4-2.3吸收塔设备的选择-5-2.4吸收塔填料的选择-5-第3章吸收塔的工艺计算-9-3.1根底物性数据-9-3.1.1液相物性数据-9-3.1.2气相物性数据-9-3.1.3气液相平衡数据-10-3.2物料衡算-10-3.3填料塔的工艺尺寸的计算-11-3.3.1塔径的计算-11-3.3.2填料层高度计算-12-3.4填料层压降的计算-14-第4章塔内件及附属设备的计算-15-4.1液体分布器的计算-15-4.2填料塔附属高度的计算-15-4.3填料支撑板-16-4.4填料压紧装置-16-4.5液气进出管的选择-17-4.6液体除雾器-17-4.7筒体和封头的设计-18-4.8人孔的设计-19-4.9法兰的设计-19-第5章设计总结-21-符号说明-23-参考文献-25-第1章概述1.1吸收塔的概述气体吸收过程是化工生产中常用的气体混合物的别离操作，其根本原理是利用混合物中各组分在特定的液体吸收剂中的溶解度不同，实现各组分别离的单元操作。实际生产中，吸收过程所用的吸收剂常需回收利用。故一般来说，完整的吸收过程应包括吸收和解吸两局部。在设计上应将两局部综合考虑，才能得到较为理想的设计结果。作为吸收过程的工艺设计，其一般性问题是在给定混合气体处理量、混合气体组成、温度、压力以及别离要求的条件下，完成以下工作：根据给定的别离任务，确定吸收方案；根据流程进行过程的物料和热量衡算，确定工艺参数；依据物料及热量衡算进行过程的设备选型或设备设计；绘制工艺流程图及主要设备的工艺条件图；编写工艺设计说明书。1.2吸收设备的开展吸收操作主要在填料塔和板式塔中进行，尤以填料塔的应用较为广泛。塔填料的研究与应用已取得长足的开展：鲍尔环、阶梯环、金属环矩鞍等的出现标志散装填料朝高通量、高效率、低阻力方向开展有新的突破；规整填料在工业装置大型化和要求高别离效率的情况下倍受重视，已成为塔填料的重要品种。填料塔仍处于开展之中，今后的研究方向主要是提高传质效率，同时考虑填料的强度、操作性能及使用上的通用因素并综合环型、鞍型及规整填料的优点开发构型优越、堆积接触方式合理、流体在整个床层均匀分布的新型填料。目前看来，填料的材质以陶瓷、金属、塑料为主，为满足化工生产温度和耐腐蚀要求，已开发了氟塑料制成的填料。填料塔的开展，与塔填料的开发研究是分不开的。除了提高原有填料的流体力学与传质性能外，还开发了效率高、放大效应小的新型填料。加上塔填料本身具有压降小、持液量小、耐腐蚀、操作稳定、弹性大等优点，使填料塔开发研究到达了新的台阶。1.3吸收过程在工业生产上应用化工生产中吸收操作广泛应用于混合气体的别离：净化或精制气体，混合气体中去除杂质。如用K2CO3水溶液脱除合成气中的CO2，丙酮脱除石油裂解气中的乙炔等。制取某种气体的液态产品。如用水吸收氯化氢气体制取盐酸。混合气体以回收所需组分。如用汽油处理焦炉气以回收其中的芳烃。工业废气处理。工业生产中所排放的废气中常含有丙酮，NO，NO2，HF等有害组分，组成一般很低，但假设直接排入大气，那么对人体和自然环境危害都很大。因此排放之前必须加以处理，选用碱性吸收剂吸收这些有害的气体是环保工程中最长采用的方法之一。第2章设计方案2.1设计任务完成填料吸收塔的工艺设计及有关附属设备的设计和选用，绘制填料塔系统带控制点的工艺流程图及填料塔的设计条件图，编写设计说明书。2.2吸收剂的选择吸收剂的对吸收操作过程的经济性由十分重要的影响，因此对于吸收操作，选择适宜的吸收剂具有十分重要的意义。一般情况下，选择吸收剂，着重考虑以下方面：〔1〕对溶质的溶解度大所选的吸收剂对溶质的溶解度大，那么单位的吸收剂能够溶解较多的溶质，在一定的处理量和别离要求条件下，吸收剂的用量小，可以有效地减少吸收剂的循环量。另一方面，在同样的吸收剂用量下液相的传质推动力大可以提高吸收效率，减小塔设备的尺寸。〔2〕对溶质有较高的选择性对溶质有较高的选择性即要求选用的吸收剂应对溶质有较大的溶解度；而对其他组分那么溶解度要小或根本不溶。这样，不但可以减小惰性气体组分的损失，而且可以提高解吸后溶质气体的纯度。〔3〕不易挥发吸收剂在操作条件下应具有较低的蒸气压，以防止吸收过程中吸收剂的损失提高吸收过程的经济性。〔4〕再生性能好由于在吸收剂再生过程中一般要对其进行升温或气提等处理，能量消耗较大。因而，吸收剂再生性能的好坏对吸收过程能耗的影响极大。选用具有良好再生性能的吸收剂往往能有效地降低过程的能量消耗。〔5〕粘度和其他物性吸收剂在操作条件下的粘度越低，其在塔内的流动性越好，有助于传质速率和传热速率的提高。此外，所选的吸收剂还应尽可能满足无毒性、无腐蚀性、不易燃易暴、不发泡、冰点低，价廉易得以及化学性质稳定的要求。表2-1物理吸收剂和化学吸收剂的特性物理吸收剂化学吸收剂吸收容量〔溶解度〕正比于溶质分压吸收热效应很小〔近于等温〕常用降压闪蒸解吸溶质含量高而净化度要求不太高的场合对设备腐蚀性小，不易变质吸收容量对溶质分压不太敏感吸收热效应显著用低压蒸汽气提解吸溶质含量不高而净化度要求很高的场合对设备腐蚀性大，易变质结合以上吸收剂选择原那么和考虑经济最优原那么，本设计采用水作为吸收剂：丙酮在水中的溶解度大、吸收推动力大、溶剂用量小、设备尺寸也小；水的价格低廉，本设计题目要求吸收剂用水。2.2吸收流程确实定工业上有多种吸收流程，从所选吸收剂的种类看，有用一种吸收剂的一步吸收流程和用两种吸收剂的两步吸收流程；从所用的塔设备数量看，有单塔吸收流程和多塔吸收流程；从塔内气液两相的流向可分为逆流吸收流程，并流吸收流程等根本流程。此外，还有特定条件下的局部溶剂循环过程。〔1〕一步吸收流程和两步吸收流程一步吸收流程一般用于混合气体溶质浓度较低，同时过程的别离要求不高，选用一种吸收剂即可完成吸收任务的情况。假设混合气体中溶质浓度较高且吸收要求也高，难以用一步吸收到达吸收要求或者虽能到达吸收要求，但过程的操作费用较高，从经济性的角度分析不够适宜时，可以采用两步吸收流程。〔2〕单塔吸收流程和多塔吸收流程单塔吸收流程式吸收过程中的常用流程，如过程无特别需要，那么一般采用单塔吸收流程。假设过程的别离要求较高，使用单塔操作时，所需要的塔体过高，或采用两步吸收流程时，那么需要采用多塔流程。〔3〕逆流吸收与并流吸收吸收塔或再生塔内气液相可以逆流操作也可以并流操作，由于逆流操作具有传质推动力大，别离效率高的显著优点，工业上如无特别需要，一般均采用逆流吸收流程。〔4〕局部溶剂循环吸收流程由于填料塔的别离效率受填料层上的液体喷淋量影响较大，挡液相喷淋量过小时，将降低填料塔的别离效率。因此当塔的液相负荷过小而难以充分润湿填料外表时，可以采用局部溶剂循环吸收流程，以提高液相喷林量，改善塔的操作条件。结合设计要求和以上流程选择原那么，在本设计中选择单塔逆流的操作流程：吸收推动力大；吸收任务不大。2.3吸收塔设备的选择对于吸收过程，一般具有操作液气比大的特点，因而更适应于填料塔。此外，填料塔阻力小、效率高、有利于过程节能。所以对于吸收过程来说，以采用吸收塔的多。本设计中丙酮气体在水中的溶解度比拟大，吸收效率高，设计题目也要求采用填料塔，所以本设计选用填料塔作为气液传质设。2.4吸收塔填料的选择〔1〕填料种类的选择填料种类的选择要考虑别离工艺的要求，通常考虑以下几个方面。①传质效率即别离效率，它有两种表示方法：一是以理论级进行计算的表示方法，以每个理论级当量的填料层高度表示，即HETP值；另一是以传质速率进行计算的表示方法，以每个传质单元相当的填料层高度表示，即HTU值。在满足工艺要求的前提下，应选用传质效率高，即HETP〔或HTU〕值低的填料。对于常用的工业填料，其HETP(或HTU)值可由有关手册或文献中查到，也可以通过一些经验公式来估算。②通量在相同的液体负荷下，填料的泛点气速愈高或气相动能因子愈大，那么通量愈大，它的处理能力也愈大。因此，在选择填料种类时，在保证具有较高传质效率的前提下，应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料。对于大多数常用填料，其泛点气速或气相动能因子可在有关手册或文献中查到，也可由一些经验式来估算。③填料层的压降填料层的压降是填料的主要应用性能，压降越低，动力消耗越低，操作费用越小。选择低压降的填料对热敏性物系的别离尤为重要。比拟填料层的压降尤两种方法：一是比拟填料层单位高度的压降；另一是比拟填料层单位传质效率的比压降。填料层的压降可用经验公式计算，亦可从有关图标中查出。④填料的操作性能填料的操作性能主要指操作弹性，抗污堵性及抗热敏性等。所选填料应具有较大的操作弹性，以保证塔内气液负荷发生波动时维持操作稳定。〔2〕填料规格的分类①散装填料规格的分类散装填料的规格通常是指填料的公尺直径。工业塔常用的散装填料主要有、、、、等几种规格。同类填料，尺寸越小，别离效率越高；但阻力增加，通量减小，填料费用也增加很多。而大尺寸的填料应用于小直径塔中，又会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的别离效率降低。因此，对塔径与填料尺寸的比值要有一定的规定。表2-2常用填料的塔径与填料公称直径比值D/d的推荐值填料种类D/d的推荐值拉西环鞍环鲍尔环阶梯环环矩鞍D/d≥20～25D/d≥15D/d≥10～15D/d＞8D/d＞8②规整填料规格的分类工业上常用规整填料的型号和规格的表示方法很多，国内习惯用比外表积表示，主要有125，150，250，350，500，700等几种规格，同种类型的规整填料，其外表积越大，传质效率越高，但阻力增加，通量减小，填料费用也明显增加。选用时应从别离要求，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，使所选填料既能满足工艺要求，又具有经济合理性。应予指出，一座填料塔可以选用同种类型，同一规格的填料，也可选用同种类型，不通规格的填料；可以选用同种类型的填料，也可以选用不同类型的填料，有的塔段可选用规整填料，而有的塔段可选用散装填料。一的原那么来选择填料的规格。③填料材质的分类设计时应灵活掌握，根据技术经济统工业上，填料的材质分为陶瓷，金属和塑料三大类。a〕陶瓷填料陶瓷填料具有良好的耐腐蚀性及耐热性，一般能耐除氢氟酸以外的各种无机酸，有机酸的腐蚀，对强碱介质，可以选用耐碱配方制造的耐碱陶瓷填料。陶瓷填料因其质脆，易碎，不易在高冲击强度下使用，陶瓷填料价格廉价，具有很好的外表润湿性能，工业上，主要用于气体吸收，气体洗涤，液体萃取等过程。b〕金属填料金属填料可用多种材质制成，金属材质的选择主要根据物系的腐蚀性和金属材质的耐腐蚀性来综合考虑。炭钢填料造价低，且具有良好的外表润湿性能，对于无腐蚀或低腐蚀性物系应优先考虑使用；不锈钢填料耐腐蚀性强，一般能耐除以外常见物系的腐蚀，但其造价较高，钛材，特种合金钢材质制成的填料造价极高，一般只在某些腐蚀性极强的物系下使用。金属填料可制成薄壁结构〔0.2～1.0mm〕，与同种类型，同种规格的陶瓷，塑料填料相比，它的通量大，气体阻力小，且具有很高的抗冲击性能，能在高温，高压，高冲击强度下使用，工业应用主要以金属填料为主。c〕塑料填料塑料填料的材质主要包括聚丙烯〔PP〕，聚乙烯〔PE〕及聚氯乙稀〔PVC〕等，国内一般多采用聚丙烯材质。塑料填料的耐腐蚀性能好，可耐一般的无机酸，碱和有机溶剂的腐蚀。其耐温性良好，可长期在100℃以下使用，聚丙烯填料在低温〔低于0℃〕时具有冷脆性，在低于0℃的条件下使用要慎重，可选用耐低温性能好的聚氯乙稀填料。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，萃取，除尘等装置中。塑料填料的缺点是外表润湿性能差，在某些特殊应用场合，需要对其外表进行处理，以提高外表润湿性能。根据以上选择，考虑到以下方面〔1〕选择填料材质选择填料材质应根据吸收系统的介质和操作温度而定，一般情况下，可选用塑料，金属，陶瓷等材料。对于腐蚀性介质应采用相应的抗腐蚀性材料，如陶瓷，塑料，玻璃，石墨，不锈钢等，对于温度较高的情况，应考虑材料的耐温性能。〔2〕填料类型的选择填料类型的选择是一个比拟复杂的问题。一般来说，同一类填料塔中，比外表积大的填料虽然具有较高的别离效率，但是由于在同样的处理量下，所需要的塔径较大，塔体造价升高。〔3〕填料尺寸的选择实践说明，填料塔的塔径与填料直径的比值应保持不低于某一下限值，以防止产生较大的壁效应，造成塔的别离效率下降。一般来说，填料尺寸大，本钱低，处理量大，但是效率低，使用大于50mm的填料，其本钱的降低往往难以抵偿其效率降低所造成的本钱增加。所以，一般大塔经常使用50mm的填料。表2-3填料尺寸与塔径的对应关系塔径/填料尺寸/D≤250250≤D≤900D≥90020～2525～3850～80设计题目根据以上的设计原那么和后面的计算得，采用塑料阶梯环38的填料。第3章吸收塔的工艺计算3.1根底物性数据3.1.1液相物性数据对低浓度吸收过程，溶液的物性数据。由《化工原理》[1]查得25℃时水的有关数据如下：密度：粘度：外表张力：丙酮在水中的扩散系数：3.1.2气相物性数据混合气体的平均摩尔质量：混合气体的平均密度：混合气体的粘度可近似取空气的粘度，查《化工原理》[1]25℃空气粘度：查《化工原理》[1]丙酮在空气中的扩散系数：3.1.3气液相平衡数据查《化工原理》[1]得常压下25℃时丙酮在水中的亨利系数为：相平衡常数：溶解度系数：3.2物料衡算如下列图所示，全塔物料衡算是一个定态操作逆流式接触的吸收塔，各个符号表示的意义如下：V——惰性气体流量，Kmol/h；L——纯吸收剂流量，Kmol/h；Y1、Y2——进出吸收塔气体的摩尔比；X1、X2——进出塔液体中溶质质量的摩尔比进塔气体摩尔比：出塔气体摩尔比：进塔空气相流量：该吸收塔过程属最低浓度吸收，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：；取操作液气比：3.3填料塔的工艺尺寸的计算3.3.1塔径的计算采用埃克特通用关联图计算泛点气速：气相质量流量：液相质量流量课近似按纯水的流量计算，即：埃克特通用关联图的横坐标：查《化工原理课程设计》[3]得：；；取；由；圆整塔径，取；泛点率校核：；〔在允许范围内〕填料规格校核：；喷淋密度的校核：取最小润湿速率：查《化工原理课程设计》[3]得：；；；经以上校核可知，填料塔在直径选用D=600mm合理。3.3.2填料层高度计算；；脱因系数为：；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：，查《化工原理课程设计》[3]得：；液体质量通量为：；气膜吸收系数由下式计算：；气体质量通量：；液膜吸收系数又下式计算：由查《化工原理课程设计》[3]得；那么；；；由；得：；；那么；由；由得；设计填料层高度为6m。查《化工原理课程设计》[3]得：对于阶梯环填料，取；计算得填料层高度为6000mm，故不需分段。3.4填料层压降的计算采用埃克特通用关联图计算填料层压降：横坐标：，查《化工原理课程设计》[3]得：；纵坐标：；查《化工原理课程设计》[3]得：；填料层压降为：第4章塔内件及附属设备的计算4.1液体分布器的计算〔1〕液体分布器的选型该塔液相负荷较大，而气相负荷相对较低，应选用莲蓬头分布器。莲蓬头的直径约为塔径的1/4左右，莲蓬球面上开有许多10mm的小孔，喷洒角为80。选用DN无缝钢管接管管径DN=32*2.5(2)分布点密度计算D=600时取喷淋点密度为223，布液点数为63那么莲蓬头分3圈，布液点直径为10mm，间距为15mm，4.2填料塔附属高度的计算一个完整的吸收塔，除了填料高度外，还有其他附属高度，因此塔高的计算还包括塔附属高度的计算塔填料层上部的高度：可取。塔底空间高度取1m。塔的附属总高为：。所以塔的总高：4.3填料支撑板填料支撑装置对保证填料塔的操作性能具有巨大的作用，对填料支撑装置的根本要求是：有足够的强度以支撑填料的重量；提供足够大的自由截面，尽量减小8两相的流体阻力；有利于液体分布；乃腐蚀性能好，便于各种材料制造，以及安装拆卸方便。评价填料支撑装置的性能优劣，主要根据它能否在支撑板与填料的接触压力，提供足够大的自由截面。常用的填料支撑装置有栅板型，孔管型，驼峰型等，对于散装填料，通常选用孔管型、驼峰型等。当塔内气液负荷较大或负荷波动较大时，塔内填料将发生浮动或相互撞击，破坏塔的正常操作甚至损坏填料，为此，一般在填料层顶部设压板或床层限制板。设计中,为防止填料支撑装置处压降过大甚至发生液泛,要求填料支撑装置的自由截面积应大于75%。本设计依据塔径选用栅板型支撑板。图4-2栅板式填料支承装置示意图4.4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跳动,需在填料层上方设置填料压紧装置.填料压紧装置有压紧栅板,压紧网板,金属压紧器等不同类型.对于散装填料,可选用压紧网板,液可选用压紧栅板,在其下方,根据填料的规格敷设一层金属网,并将其与压紧栅板固定;对于规整填料,通常选用压紧栅板.设计中,为防止在填料压紧装置处压降过大甚至发生液泛,要求填料压紧装置的自由截面积应大于70%.本设计中填料塔在填料装填后于其上方安装填料压紧栅板。4.5液气进出管的选择由公式：〔1〕气体管：当时，d=243mm；当时，d=217mm；选的流体输送用无缝钢管〔《GB/T8163-1999流体输送用无缝钢管》〕标记：10--GB/T8163-1999查《GB/T17395-1998无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差》，具体参数见表4-1。〔2〕液体管：当时，d=0.0323m；当时，d=0.0228m；选的流体输送用无缝钢管〔《GB/T8163-1999流体输送用无缝钢管》〕，弯管结构R为650mm。标记：10--GB/T8163-1999查《GB/T17395-1998无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差》，具体参数见表4-1。表4-1普通钢管尺寸及单位长度理论重量外径，mm壁厚，mm单位长度理论重量，kg/m219631.52322.52.154.6液体除雾器除沫装置安装在液体再分布器上方，用以除去出气口气流中的液滴。由于二氧化硫溶于水中易于产生泡沫为了防止泡沫随出气管排出，影响吸收效率，采用除沫装置，根据除沫装置类型的使用范围，该填料塔选取丝网除沫器。图4-3DN300-600上装式丝网除沫器标记：HG/T21618丝网除沫器S500-100SPNS-80/316表4-2DN500上装式丝网除沫器mm公称直径DN主要外形尺寸重量〔kg〕HH1D丝网格栅及定距杆支承件5001002105002.812.890.194.7筒体和封头的设计〔1〕筒体的设计选用标准：筒体〔JB1153-73〕表4-3筒体的容积、面积及重量公称直径Dg(mm)一米高的容积V(m3)一米高的内裹面积Fg(m2)壁厚S(mm)一米高筒节钢板理论重量(kg)6000.2831.88460〔2〕封头的设计图4-4椭圆形封头的结构示意图选用标准：选取椭圆形封头〔JB1153-73〕表4-4筒体的容积、面积及重量公称直径Dg(mm)曲面高度h1(mm)直边高度H2(mm)厚度S(mm)重量G(kg)60016025412.44.8手孔的设计标准化手孔的公称直径有DN150、DN250两种。选用手孔APN0.6,DN150,JB589-79-24.9法兰的设计〔1〕管法兰的选择选用标准：HG20593-97板式平焊钢制管法兰〔欧洲体系〕图4-6板式平焊钢制法兰〔PL〕表4-6PN0.6MPa〔6.0bar〕板式平焊钢制管法兰〔mm〕管子直径/mm法兰内径/mm螺栓孔中心圆直径/mm公称直径/mm螺栓孔直径/mm螺栓孔数量n法兰外径/mm法兰厚度/mm法兰理论重量kg液体进出口3233752511410014气体进出口219222295200228340249.24标记：液体进出口：HG20593法兰PL25-0.6FFQ235-A气体进出口：HG20593法兰PL200-0.6FFQ235-A〔2〕容器法兰的选择选用标准：JB/T4701-2000甲型平焊法兰标记：法兰P1400-0.25JB/T4701-2000图4-7甲型平焊法兰平面密封面〔代号P〕表4-7PN0.25MPa甲型平焊法兰的结构尺寸〔mm〕公称直径DN，mm法兰，mm螺柱DD1δd规格数量6007557053626M2420第5章设计总结表5-1填料设计总表意义及符号结果填料直径38mm填料比外表积132.5m2/m3散装填料压降填料因子平均值116(1/m)散装填料泛点填料因子平均值170(1/m)表5-2吸收塔的吸收剂表意义及符号结果混合气体处理量G2000气液相平衡常数m1.98进塔气相摩尔比Y10.0638出塔气相摩尔比Y20.0005进塔液相摩尔比X10.0201出塔液相摩尔比X2