丙酮-水吸收設(shè)計

1、目錄概 述2一 設(shè)計任務(wù)及操作條件2二 設(shè)計方案的確定3三 物料計算3四 熱量衡算4五 氣液平衡曲線5六 吸收劑(水)的用量Ls 6七 塔底吸收液濃度X1 6八 操作線6九 塔徑計算6十 填料層高度計算9十一 填科層壓降計算 13十二 填料吸收塔的附屬設(shè)備13十三 填料塔的設(shè)計結(jié)果概要15十四 主要符號說明16十五 參考文獻17十六 課程設(shè)計總結(jié)18 概述 在化工、煉油、醫(yī)藥、食品及環(huán)境保護等工業(yè)部門，塔設(shè)備是一種重要的單元操作設(shè)備。其作用實現(xiàn)氣液相或液液相之間的充分接觸，從而達到相際間進行傳質(zhì)及傳熱的過程。它廣泛用于蒸餾、吸收、萃取、等單元操作，隨著石油、化工的迅速發(fā)展，塔設(shè)備的合理造型設(shè)計

2、將越來越受到關(guān)注和重視。塔設(shè)備有板式塔和填料塔兩種形式，下面我們就填料塔展開敘述。 填料塔的基本特點是結(jié)構(gòu)簡單，壓力降小，傳質(zhì)效率高，便于采用耐腐蝕材料制造等，對于熱敏性及容易發(fā)泡的物料，更顯出其優(yōu)越性。過去，填料塔多推薦用于0.60.7m以下的塔徑。近年來，隨著高效新型填料和其他高性能塔內(nèi)件的開發(fā)，以及人們對填料流體力學(xué)、放大效應(yīng)及傳質(zhì)機理的深入研究，使填料塔技術(shù)得到了迅速發(fā)展。 氣體吸收過程是化工生產(chǎn)中常用的氣體混合物的分離操作，其基本原理是利用氣體混合物中各組分在特定的液體吸收劑中的溶解度不同，實現(xiàn)各組分分離的單元操作。板式塔和填料塔都可用于吸收過程，此次設(shè)計用填料塔作為吸收的主設(shè)備。

3、水吸收丙酮填料塔設(shè)計一 設(shè)計任務(wù)和操作條件 混合氣（空氣、丙酮蒸氣）處理量1500mh; 進塔混合氣含丙酮體積分數(shù)1.82%；相對濕度70%；溫度35； 進塔吸收劑（清水）的溫度為25； 丙酮回收率90%； 操作壓力為常壓。二 設(shè)計方案的確定 （1）吸收工藝流程采用常規(guī)逆流操作流程流程如下： 流程說明:混合氣體進入吸收塔，與水逆流接觸后，得到凈化氣排放；吸收丙酮后的水，經(jīng)取樣計算其組分的量，若其值符合國家廢水排放標準，則直接排入地溝，若不符合，待處理之后再排入地溝。三 物料計算 （1）進塔混合氣中各組分的量近似取塔平均操作壓力為101.3kPa,故：混合氣量=1500（）=59.36kmolh

4、混合氣中丙酮量=59.360.0182=1.08kmolh=1.0858=62.64h查附錄，35飽和水蒸氣為5623.4Pa，則相對濕度為70%的混合氣中含水蒸氣量= =0.0404kmol（水氣）kmol（空氣+丙酮）混合氣中水蒸氣的含量= =2.31kmolh=2.3118=41.58h混合氣中空氣量=59.36-1.08-2.31=55.97kmolh=55.9729=1623h （2）混合氣進出塔（物質(zhì)的量）組成已知：，則 （3）混合氣進出塔（物質(zhì)的量比）組成若將空氣與水蒸氣視為惰氣，則 惰氣量=55.97+2.31=58.28kmolh =1623+41.58=1664.6h =0

5、.0185kmol（丙酮）kmol（惰氣） 0.00185kmol（丙酮）kmol（惰氣） （4）出塔混合氣量出塔混合氣量=58.28+1.080.1=58.388kmolh=1670.8h四 熱量衡量 熱量衡量為計算液相溫度的變化以判斷是否為等溫吸收過程。假設(shè)丙酮溶于水放出的熱量全被水吸收，且忽略氣相溫度變化及塔的散熱損失（塔保溫良好）。 查化工工藝算圖第一冊，常用物料物性數(shù)據(jù)，得丙酮的微分溶解熱（丙酮蒸氣冷凝熱及對水的溶解熱之和）： KJKmol 吸收液平均比熱容=75.366 KJ（Kmol.）,通過下式計算 = 對低組分氣體吸收，吸收液組成很低時，依惰性組分及比摩爾濃度計算方便，故上式

6、可寫成 ： X 即可在X=0.000之間，設(shè)系列X值，求出相應(yīng)X組成下吸收液的溫度，計算結(jié)果列于表（1）第1，2列中。由表中數(shù)據(jù)可見，液相X變化0.001時，溫度升高0.54，依此求取平衡線。表（1） 各液相濃度下的吸收液溫度及平衡數(shù)據(jù)X/E/kPam（=E/p）0.00025.00211.52.0880.0000.00125.54217.62.1482.1480.00226.08223.92.2104.4200.00326.62230.12.2726.8160.00427.16236.92.3389.3520.00527.70243.72.40612.0250.00628.24250.62.

7、47414.8440.00728.78257.72.54417.8080.00829.32264.962.61620.928 注：1.與氣相稱平衡的液相=0.0072,故取=0.008； 2.平衡關(guān)系符合亨利定律，與液相平衡的氣相含量可用=mX表示； 3.吸收劑為清水，x=0，X=0; 4近似計算中也可視為等溫吸收。五 氣液平衡曲線 當x0.01，t=1545時，丙酮溶于水其亨利系數(shù)E可用下式計算： =9.1712040（t+273） 查化學(xué)工藝算圖第一冊.常用物料特性數(shù)據(jù)，由前設(shè)X值求出液溫，通過上式計算相應(yīng)E值，且m=，分別將相應(yīng)E值及相平衡常數(shù)m值列于表4-16中的第3，4列。由=mX求

8、取對應(yīng)m及X時的氣相平衡組成，結(jié)果列于表中4-16中第5列。根據(jù)X-數(shù)據(jù)，繪制X-Y平衡曲線0E，如圖1所示。六 吸收劑（水）的用量 由圖1查出，當=0.0185，=0.0072,依下式式計算最小吸收劑用量。=134.8kmolh=1.12.0 取故 =1.7134.8=229.2kmolh=4126h七 塔底吸收液根據(jù)式 有 八 操作線依操作線方程式 得 Y =X+0.00185=3.933X+0.00185九 塔徑計算 塔底氣液負荷大，依塔底條件(混合氣35)，101.325kPa，查表可知，吸收液27.16計算。 u =（0.60.8） （1）采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖法(圖2)計算泛點

9、氣速 有關(guān)數(shù)據(jù)計算塔底混合氣流量162362.6441.581727kgh吸收液流量41261.080.9584182kgh圖2 通用壓降關(guān)聯(lián)圖 進塔混合氣密度1.15kg (混合氣濃度低，可近似視為空氣的密度)吸收液密度996.7kg/吸收液黏度0.8543mPas經(jīng)計算，選DG50mm塑料鮑爾環(huán)。查化工原理教材附錄可得，其填料因子=120，比表面積A106.4 關(guān)聯(lián)圖的橫坐標值 ()1/2=()1/2 =0.082 由圖2查得縱坐標值為0.146 即0.2=0.2=0.0137=0.146故液泛氣速=3.264m/s (2)操作氣速 u0.60.63.264 1.96m/s (3)塔徑 =

10、 0.52 m=520mm取塔徑為600mm。 (4)核算操作氣速 U=1.474m/s (5)核算徑比 D/d600/5012，滿足鮑爾環(huán)的徑比要求。 (6)噴淋密度校核 依Morris等推專，d75mm約環(huán)形及其它填料的最小潤濕速率(MWR)為0.08(mh),故：最小噴淋密度0.08106.48.512 /(m2h)因 14.6/(.h)故滿足最小噴淋密度要求。十 填料層高度計算 計算填料層高度，即：Z(1)傳質(zhì)單元高度計算=，其中=本設(shè)計采用（恩田式）計算填料潤濕面積aw作為傳質(zhì)面積a，依改進的恩田式分別計算及，再合并為和。 列出備關(guān)聯(lián)式中的物性數(shù)據(jù)氣體性質(zhì)(以塔底35，101.3kP

11、a空氣計)：1.15 kg/ (前已算出)；0.01885 (查附錄)；109（依翻Gilliland式估算)。液體性質(zhì)(以塔底2716水為準)：996.7 kg/；0.8543Pas；716Nm(查化工原理附錄）；=1.344 (以式計算)，式中為溶質(zhì)在常壓沸點下的摩爾體積，為溶劑的分子量，為溶劑的締合因子。氣體與液體的質(zhì)量流速：=4.1=1.7塑料鮑爾環(huán)(亂堆)特性：50mm0.05m;A106.4;=40dy/cm=4010-3 N/m;查化學(xué)工程手冊，第12篇，氣體吸收，有關(guān)形狀系數(shù)，=1.45。 依式 =-1.45（）0.75（）0.1（）- 0.05（）0.2 =-1.45（0.6

12、46）（1.47）（1.09）（0.29） =（-0.432）=0.351 故 =0.351106.4=37.3 依式=0.0051()2/3()1/3()1/3()0.4=0.0051()2/3()1/3()1/3(5.9)0.4=0.005125.50.03960.020332.03=2.1310-4 m/s 依式= 5.23()0.7()13()() = 5.23()0.7()1/3()(5.9) =5.23(112.1)(1.146)(4.52910-7)(5.9) =1.79510-3kmol/(m2skPa)故 =2.1337.3=7.9410-3 (L/s)=1.79510-33

13、7.3=7.0010-2kmol/(m2skPa) (2)計算，而，H=。由于在操作范圍內(nèi)，隨液相組成和溫度的增加，m (E)亦變，故本設(shè)計分為兩個液相區(qū)間，分別計算(I)和(II) 區(qū)間I X0.0040.002(為(I) 區(qū)間II X0.0020 (為(II)由表1知2.30kPa , =0.241kmol/(kPa)=2.18 kPa, =0.254kmol/(kPa) =536.9=.P=0.1884=510.1=0.00196101.3=0.1985 (3)計算=0.304m= =0.289m （4）傳質(zhì)單元數(shù)組成IIIX0.0040.0020.0020Y0.01760.00970.

14、00970.00185Y*0.009350.004420.004420據(jù)下式計算 NOG= （5）填料層高度Z計算 Z= =0.3041.2+0.2892.4=1.0584m 取25%余量，則完成本設(shè)計任務(wù)需DG塑料鮑爾環(huán)的填料層高度Z=1.251.0584=1.4m十一 填料層壓降計算取圖2(通用壓降關(guān)聯(lián)圖)橫坐標值0.082(前已算出)；將操作氣速(1474m/s) 代替縱坐標中的查表，DG50mm塑料鮑爾環(huán)的壓降填料因子125代替縱坐標中的則縱標值為： ()(0.8543)0.2=823.9Pa查圖2(內(nèi)插)得 P=249.81=235.4Pa/m 填料全塔填料層壓降 =3.5235.4

15、=823.9Pa至此，吸收塔的物科衡算、塔徑、填料層高度及填料層壓降均已算出。關(guān)于吸收塔的物料計算總表和塔設(shè)備計算總表此處從略。十二 填料吸收塔的附屬設(shè)備 1、填料支承板分為兩類：氣液逆流通過平板型支承板，板上有篩孔或柵板式;氣體噴射型，分為圓柱升氣管式的氣體噴射型支承板和梁式氣體噴射型支承板。 2、填料壓板和床層限制板在填料頂部設(shè)置壓板和床層限制板。有柵條式和絲網(wǎng)式。 3、氣體進出口裝置和排液裝置 填料塔的氣體進口既要防止液體倒灌，更要有利于氣體的均勻分布。對500mm直徑以下的小塔，可使進氣管伸到塔中心位置，管端切成45度向下斜口或切成向下切口，使氣流折轉(zhuǎn)向上。對1.5m以下直徑的塔，管的

16、末端可制 成下彎的錐形擴大器。氣體出口既要保證氣流暢通，又要盡量除去夾帶的液 沫。最簡單的裝置是除沫擋板（折板），或填料式、絲網(wǎng)式除霧器。液體出口裝置既要使塔底液體順利排出，又能防止塔內(nèi)與塔外氣體串通，常壓吸收塔可采用液封裝置。注：(1)本設(shè)計任務(wù)液相負荷不大，可選用排管式液體分布器；且填料層不高，可不設(shè)液體再分布器。 (2)塔徑及液體負荷不大，可采用較簡單的柵板型支承板及壓板。其它塔附件及氣液出口裝置計算與選擇此處從略。十三 填料塔的設(shè)計結(jié)果概要項 目數(shù) 據(jù)備 注混合氣摩爾流率kmol/h59.36清水密度kg/m3997.025清水摩爾流量kmol/h229.2清水質(zhì)量流量kg/h4126

17、泛點氣速m/s3.264泛點率0.6塔徑m0.6噴淋密度m3/m2h14.6全塔填料層壓降Pa823.9吸收劑出口濃度0.004相平衡常數(shù)2.210X=0.002相平衡常數(shù)2.338X=0.004氣相濃度對數(shù)平均值0.0066X（1）0.0040.002氣相濃度對數(shù)平均值0.00327X（2）0.0020傳質(zhì)單元數(shù)1.2X（1）傳質(zhì)單元數(shù)2.4X（1）實際氣速m/s1.96氣相傳質(zhì)單元高度m0.304X（1）氣相傳質(zhì)單元高度m0.289X（2）填料層高度m1.4十四 主要符號說明E亨利系數(shù)， 氣體的粘度，Pa/s 平衡常數(shù) 水的密度和液體的密度之比 重力加速度， 分別為氣體和液體的密度， kg

18、/分別為氣體和液體的質(zhì)量流量，氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)， kmol/s填料層高度，m 塔截面積，m2氣相總傳質(zhì)單元高度，m 氣相總傳質(zhì)單元數(shù)以分壓差表示推動力的總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m2skPa)單位體積填料的潤濕面積 , 以分壓差表示推動力的氣膜傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m2skPa)溶解度系數(shù)，kmol/(m2kPa)以摩爾濃度差表示推動力的液摩爾傳質(zhì)系數(shù)，氣體通過空塔截面的質(zhì)量流速，kg/(m2s)氣體常數(shù)， 8.314J/molK 溶質(zhì)在氣相中的擴散系數(shù)， 十五 參考文獻1 匡國柱，史啟才編著. 化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計.化學(xué)工業(yè)出版社,20022 王明輝編著.化工單元過程課程設(shè)計. 化學(xué)工業(yè)出版社, 20073 時鈞,汪國鼎,余國琮,陳敏恒編著.學(xué)工程手冊. 化化學(xué)工業(yè)出版社, 19964 冷士良,陸清,宋志軒編著. 化工單元操作及設(shè)備. 化學(xué)工業(yè)出版社, 20075 王紅林,陳礪,編著. 化工設(shè)計. 華南理工大學(xué)出版社, 20056 涂晉林,吳志泉編著. 化工工業(yè)中的吸收操作. 華南理工大學(xué)出版社, 19947 潘國昌, 郭