水吸收丙酮常壓填料吸收塔

1、目 錄概述及設計方案簡介3一、設計任務書及操作條件7二、設計條件及主要物性參數8三、設計方案的確定9四、物料計算10五、熱量衡算12六、氣液平衡曲線14七、吸收劑(水)的用量Ls15八、塔底吸收液濃度X116九、操作線17十、塔徑計算18十一、填料層高度計算21十二、填科層壓降計算26十三、填料吸收塔的附屬設備27十四、填料塔的設計結果概要28十五、課程設計總結29十六、主要符號說明30十七、參考文獻31概述及設計方案簡介一、介紹在化工、煉油、醫(yī)藥、食品及環(huán)境保護等工業(yè)部門，塔設備是一種重要的單元操作設備。其作用實現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及傳熱的過程。它廣泛用于蒸

2、餾、吸收、萃取、等單元操作，隨著石油、化工的迅速發(fā)展，塔設備的合理造型設計將越來越受到關注和重視。塔設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構簡單，壓力降小，傳質效率高，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件的開發(fā)，以及人們對填料流體力學、放大效應及傳質機理的深入研究，使填料塔技術得到了迅速發(fā)展。氣體吸收過程是化工生產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，實現各組分分離的單元操

3、作。板式塔和填料塔都可用于吸收過程，此次設計用填料塔作為吸收的主設備。在塔內充以諸如瓷環(huán)之類的填料，液體自塔頂均勻淋下并沿瓷環(huán)表面下流，氣體通過填料間的空隙上升與液體做連續(xù)的逆流接觸。在這種設備中，氣體中的可溶組分不斷地被吸收，其濃度自下而上連續(xù)地降低；液體則相反，其中可溶組分的濃度則由上而下連續(xù)地增高。二、填料塔的結構及填料特性1填料塔的結構塔體為一圓筒，筒內堆放一定高度的填料。操作時，液體自塔上部進入，通過液體分布器均勻噴灑于塔截面上，在填料表面呈膜狀流下。填充高度較高的填料塔可將填料分層，各層填料之間設置液體再分布器，收集上層流下的液體，并將液體重新均布于塔截面。氣體自塔下部進入，通過填

4、料層中的空隙由塔頂排出。離開填料層的氣體可能夾帶少量液沫，必要時可在塔頂安裝除沫器。2填料特性的評價氣液兩相在填料表面進行逆流接觸，填料不僅提供了氣液兩相接觸的傳質表面，而且促使氣液兩相分散，并使液膜不斷更新。填料性能可由下列三方面予以評價：（1）比表面積a 填料應具有盡可能多的表面積以提供液體鋪展，形成較多的氣液接觸界面。單位填充體積所具有的填料表面稱為比表面積a，單位為m2/m3。對同種填料，小尺寸填料具有較大的比表面積，但填料過小不但造價高而且氣體流動的阻力大。（2）空隙率 在填料塔內氣體是在填料間的空隙內通過的.。流體通過顆粒層的阻力與空隙率密切相關。為減少氣體的流動阻力，提高填料塔的

5、允許氣速（處理能力），填料層應有盡可能大的空隙率。對于各向同性的填料層，空隙率等于填料塔的自由截面百分率。（3）填料的幾何形狀 雖然填料形狀目前尚難以定量表達,但比表面積、空隙率大致接近而形狀不同的兩種填料在流體力學與傳質性能上可有顯著區(qū)別。形狀理想的填料為氣液兩相提供了合適的通道，氣體流動的壓降低，通量大，且液流易于鋪展成液膜，液膜的表面更新迅速。因此，新型填料的開發(fā)主要是改進填料的形狀。此外,理想的填料還需兼顧便于制造、價格低廉，有一定強度和耐熱、耐腐蝕性能，表面材質與液體的潤濕性好等要求。3幾種常用填料（1）拉西環(huán)拉西環(huán)填料于1914年由拉西（F. Rashching）發(fā)明，為外徑與高度

6、相等的圓環(huán)。拉西環(huán)填料的氣液分布較差，傳質效率低，阻力大，通量小，目前工業(yè)上已較少應用。 （2）鮑爾環(huán)鮑爾環(huán)填料是對拉西環(huán)的改進，在拉西環(huán)的側壁上開出兩排長方形的窗孔，被切開的環(huán)壁的一側仍與壁面相連，另一側向環(huán)內彎曲，形成內伸的舌葉，諸舌葉的側邊在環(huán)中心相搭。鮑爾環(huán)由于環(huán)壁開孔，大大提高了環(huán)內空間及環(huán)內表面的利用率，氣流阻力小，液體分布均勻。與拉西環(huán)相比，鮑爾環(huán)的氣體通量可增加50%以上，傳質效率提高30%左右。鮑爾環(huán)是一種應用較廣的填料。（3）矩鞍填料矩鞍填料 將弧鞍填料兩端的弧形面改為矩形面，且兩面大小不等，即成為矩鞍填料。矩鞍填料堆積時不會套疊，液體分布較均勻。矩鞍填料一般采用瓷質材料制

7、成，其性能優(yōu)于拉西環(huán)。目前，國內絕大多數應用瓷拉西環(huán)的場合，均已被瓷矩鞍填料所取代。（4）階梯環(huán)階梯環(huán)填料是對鮑爾環(huán)的改進，與鮑爾環(huán)相比，階梯環(huán)高度減少了一半并在一端增加了一個錐形翻邊。由于高徑比減少，使得氣體繞填料外壁的平均路徑大為縮短，減少了氣體通過填料層的阻力。錐形翻邊不僅增加了填料的機械強度，而且使填料之間由線接觸為主變成以點接觸為主，這樣不但增加了填料間的空隙，同時成為液體沿填料表面流動的匯集分散點，可以促進液膜的表面更新，有利于傳質效率的提高。階梯環(huán)的綜合性能優(yōu)于鮑爾環(huán)，成為目前所使用的環(huán)形填料中最為優(yōu)良的一種。（5）金屬環(huán)矩鞍填料金屬環(huán)矩鞍填料 環(huán)矩鞍填料（國外稱為Intalox

8、）是兼顧環(huán)形和鞍形結構特點而設計出的一種新型填料，該填料一般以金屬材質制成，故又稱為金屬環(huán)矩鞍填料。環(huán)矩鞍填料將環(huán)形填料和鞍形填料兩者的優(yōu)點集于一體，其綜合性能優(yōu)于鮑爾環(huán)和階梯環(huán)。（6）格柵填料格柵填料是以條狀單元體經一定規(guī)則組合而成的，具有多種結構形式。工業(yè)上應用最早的格柵填料為木格柵填料。目前應用較為普遍的有格里奇格柵填料、網孔格柵填料、蜂窩格柵填料等，其中以格里奇格柵填料最具代表性。 格柵填料的比表面積較低，主要用于要求壓降小、負荷大及防堵等場合。在散裝填料中應用較多。三、設計方案簡介1. 確定設計方案的原則：（1） 滿足工藝和操作的要求（2） 滿足經濟上的要求（3） 保證安全生產三項原

9、則在生產中都是同樣重要的。但在化工原理課程設計中，對第一個原則應作較多的考慮，而對第三個原則只要求作一般的考慮。2. 本設計按以下幾個階段進行：（1） 設計方案的確定和說明。根據給定任務，對吸收裝置的流程、 操作條件、主要設備型式及其材質的選取等進行論述。（2） 塔的工藝計算，確定塔高和塔徑。（3） 計算各主要工藝尺寸，進行流體力學校核計算。接管尺寸、泵等。（4） 管路及附屬設備的計算與選型，如冷凝器、加熱器等。（5） 抄寫說明書。（6） 繪制吸收裝置工藝流程圖和吸收塔的設備圖。一、設計任務書及操作條件一、設計題目分離丙酮空氣混合氣體常壓填料吸收塔的工藝二、設計條件1. 生產能力：年產量800

10、0噸（每年生產日按330天計算）2. 原料：含丙酮5%（體積分數）的混合氣體，以丙酮空氣二元體系；相對濕度70%；溫度353. 吸收劑：25的清水4. 丙酮的回收率為90% 5. 操作壓力為常壓6. 使用微分接觸式的吸收設備7. 逆流操作三、設計說明書的內容1. 吸收流程的確定2. 亨利常數m、傳質阻力系數的確定3. 工藝計算：包括物料衡算、最小氣液比和實際氣液比4. 塔工藝尺寸計算：包括塔徑、塔高5. 塔板流體力學校核：包括壓降、液泛6. 繪制吸收流程圖、塔結構示意圖7. 主題設備設計以及說明8. 附屬設備的選擇（冷卻器、加熱器等）9. 參考文獻10. 后記以及其它四、設計圖要求1. 繪制主

11、要裝置圖，設備技術要求，主要參數，大小尺寸，部件明細表，標題欄2. 繪制設備流程圖一張3. 用坐標紙繪制吸收塔的操作線和平衡線二、設計條件及主要物性參數一、設計條件：1. 生產能力產量：8000噸/年 （一年以330個工作日計算） ； ； ；混合氣處理量 =387.01×22.4×=9780.48 /h2. 原料 以丙酮空氣二元體系，進料混合氣體含丙酮的體積分數為5%3. 產品要求 塔頂逸出氣體含丙酮體積分數為0.5%4. 操作壓力：常壓二、物性參數1. 空氣的分子量：29 ；丙酮的分子量：58 ；水的分子量：182. 35飽和水蒸氣壓強為5623.4 Pa3. 常壓：10

12、1.325 kPa4. 在1 atm時，水的凝固點（f.p.）為0，沸點（b.p.）為100。水在0的凝固熱為5.99 kJ/mol（或80 cal/g），水在100的汽化熱為40.6 kJ/mol（或540 cal/g）。三、設計方案的確定1. 吸收工藝流程采用常規(guī)逆流操作，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。四、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101.3 kPa,故：混合氣量=387.01 kmol/h混合氣中丙酮的

13、量=387.01×0.05=19.35 kmol/h =19.35×58=1122.33 kg/h查附錄，35飽和水蒸氣壓強為5623.4 Pa，則相對濕度為70的混合氣中含水蒸氣量（水氣）/ kmol（空氣十丙酮）混合氣中水蒸氣含量15.03×18270.51 kg / h混合氣中空氣量387.0119.35-15.03352.63 kmol / h352.63×2910226.27kg / h2 混合氣進出塔的（物質的量的比）組成 已知0.05,則3. 混合氣進出塔（物質的量比）組成若將空氣與水蒸氣視為惰氣，則 惰氣量=352.63 +15.03=3

14、67.66 kmol/h =10226.27+270.51=10496.78/h kmol（丙酮）/kmol（惰氣） kmol（丙酮）/kmol（惰氣）4出塔混合氣量出塔混合氣量=367.66+19.35×0.1=369.595 kmol/h =10496.78+1122.33×0.1=10609.013 kg/h五、熱量衡算熱量衡算為計算液相溫度的變化以判明是否為等溫吸收過程。假設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(塔的保溫良好)。查化工工藝算圖第一冊，常用物料物性數據，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)： =302301

15、0467.5=40697.5 kJ/kmol吸收液(依水計)平均比熱容75.366 kJ/（kmol·），通過下式計算對低組分氣體吸收，吸收液濃度很低時，依惰性組分及比摩爾濃度計算較方便，故上式可寫為： 依上式，可在x0.0000.018之間，設系列x值，求出相應x濃度下吸收液的溫度，計算結果列于表1第l，2列中。由表中數據可見，濃相濃度x變化0.002時，溫度升高1.08，依此求取平衡線。表1 各液相濃度下的吸收液溫度及相平衡數據X/E/kPam（=E/p）Y*×103025.00211.52.08800.00226.08223.92.2104.4200.00427.16

16、236.92.3389.3520.00628.24250.62.47414.8440.00829.32264.92.61620.9280.01030.40280.02.76427.6440.01231.48295.82.92035.0450.01432.56312.43.08443.1770.01633.64329.83.25652.0900.01834.72348.03.43561.839注：（1）與氣相濃度相平衡的液相濃度X10.0162，故取0.017； （2）平衡關系符合亨利定律，與液相平衡的氣相濃度可用Y*mX表示； （3）吸收劑為清水：x0，X0；（4）近似計算中也可視為等溫吸收。

17、六、氣液平衡曲線當t=1545時，丙酮溶于水其亨利系數E可用下式計算： 1gE =9.1712040/（t+273） 查化學工藝算圖第一冊.常用物料特性數據，由前設X值求出液溫，通過上式計算相應E值，且m=，分別將相應E值及相平衡常數m值列于表1中的第3，4列。由=mX求取對應m及X時的氣相平衡組成，結果列于表中1中第5列。根據X數據，繪制XY平衡曲線0E，如圖1所示。七、吸收劑（水）的用量Ls 由圖1查出，當Y1=0.053時，X1*=0.0162,依下式式計算最小吸收劑用量 =367.66×=1082.6 kmol/hLs =1.12.0 ； 取Ls=1.7故 Ls =1.7&#

18、215;1082.6=1840.4 kmolh=1840.4×18=33128h八、塔底吸收液濃度X1依物料衡算式：()（）=367.66× = 0.0095九、操作線依操作線方程式： =X+0.0053Y=5.006X+0.0053由上式求得操作線繪于附圖中。十、塔徑計算塔底氣液負荷大，依塔底條件(混合氣35)，101.325kPa，查表1，吸收液30.13計算。圖2 通用壓降關聯圖 u =（0.60.8）（1）.采用Eckert通用關聯圖法(圖2)計算泛點氣速有關數據計算塔底混合氣流量VS10226.27+1122.33+270.5111619 kg/h吸收液流量L33

19、12819.35×0.9×5834138 kg/h進塔混合氣密度×1.15 kg/ (混合氣濃度低，可近似視為空氣的密度)吸收液密度995.65 kg/吸收液黏度0.7993 mPa·s經比較，選DG50mm塑料鮑爾環(huán)(米字筋)。查化工原理教材附錄可得，其填料因子=120，比表面積A106.4。關聯圖的橫坐標值 ()1/2 = ()1/2 = 0.100由圖2查得縱坐標值為0.125 即0.2=0.2=0.0135 = 0.125故液泛氣速= = 3.04 m/s（2）操作氣速 u0.60.6×3.041.82 m/s（3）塔徑 = = 1.3

20、79 m = 1379 mm取塔徑為1.4 m(1400 mm)（4）核算操作氣速U= 1.766 m/s < （5）核算徑比D/d1400/5028，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/(m·h)：最小噴淋密度0.08×106.48.512 /(m2·h)因 22.3 /(m·h)故滿足最小噴淋密度要求。十一、填料層高度計算計算填料層高度，即：Z（1）傳質單元高度計算：=其中=；（化工單元操作及設備）本設計采用（恩田式）計算填料潤濕面積aw作為傳質面積a，依改

21、進的恩田式分別計算及，再合并為和。列出備關聯式中的物性數據氣體性質(以塔底35，101.325kPa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(以塔底30.13水為準)：995.65 kg/；0.7993×Pa·s；=1.451× (以式計算)(化學工程手冊)，式中為溶質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。716×Nm (查化工原理附錄)。氣體與液體的質量流速：LG= = 6.2 VG= = 2.1 塑料鮑爾環(huán)(亂堆)特性：50mm0

22、.05m;A106.4;=40dy/cm=40×10-3 N/m;查化學工程手冊，第12篇，氣體吸收，有關形狀系數，=1.45（鮑爾環(huán)為開孔環(huán)）依式=-1.45（）0.75（）0.1（）-0.05（）0.2=-1.45（0.646）（1.54）（1.48）（0.35）=（-0.747）=0.526故=0.526×106.4 =56.0 依式KL=0.0051()2/3()-1/2()1/3(atdp)0.4=0.0051()2/3()-1/2()1/3(5.32)0.4=0.0051×26.8×0.0427×0.0199×1.95=2

23、.26×10-4 m/s依式kG= 5.23()0.7()13()(atdp)-2= 5.23()0.7()1/3()(5.32)-2=5.23(130.0)(1.146)(4.529×10-7)(0.035)=1.24×10-5 kmol/(m2·S·kPa)故=2.26××56.0 =1.27×10-2 (m/s)=1.24×10-5×56.0 =6.92×10-4 (2)計算 ，而，H=（化工單元操作及設備）。由于在操作范圍內，隨液相組成和溫度的增加，m (E)亦變，故本設計分為

24、兩個液相區(qū)間，分別計算(I)和(II) 區(qū)間I X0.00950.005 (為(I) 區(qū)間II X0.0050 (為(II)由表1知2.60×kPa , =0.213 =2.27× kPa, =0.244 =1814.76=5.51×10-4 =.P=5.51×10-4×101.3 =0.056 = =1767.79=5.66×10-4 =5.66×10-4×101.3 =0.057 (3)計算= =1.19m = =1.16 m(4)傳質單元數計算在上述兩個區(qū)間內，可將平衡線視為直線，操作線系直線，故采用對數平均

25、推動力法計算。兩個區(qū)間內對應的X、Y、Y*濃度關系如下：組成IIIX0.00950.0050.0050Y0.0530.03030.03030.0053Y*0.02690.01200.01200NOG=（化工單元操作及設備）（化工單元操作及設備） =0.0220 =1.03 m =0.0105 =2.38 m3填料層高度z計算ZZ1十Z2HOG（I）NOG（I）+ HOG（II）NOG（II）1.19×1.03十1.16×2.383.99 m取25富余量，則完成本設計任務需Dg50mm塑料鮑爾環(huán)的填料層高度z1.25×3.99 =4.98m。十二、填料層壓降計算取圖

26、2(通用壓降關聯圖)橫坐標值0.100(前已算出)；將操作氣速 (1.766m/s) 代替縱坐標中的查表，DG50mm塑料鮑爾環(huán)(米字筋)的壓降填料因子125代替縱坐標中的則縱標值為： ×()×(0.7993)0.2=0.044查圖2(內插)得 =40×9.81=392.4Pa/m 填料全塔填料層壓降 =4.98×392.4=1955.38Pa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。關于吸收塔的物料計算總表和塔設備計算總表此處從略。十三、填料吸收塔的附屬設備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

27、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置壓板和床層限制板。有柵條式和絲網式。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，使氣流折轉向上。對1.5m以下直徑的塔，管的末端可制 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，又能防止塔內與塔外氣體串通，常壓吸收塔可采用液封裝置

28、。注：（1）本設計任務液相負荷不大，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。十四、填料塔的設計結果概要項 目數 據備 注混合氣摩爾流率kmol/h387.01清水密度kg/m3997.025清水摩爾流量kmol/h1840.4清水質量流量kg/h33128泛點氣速m/s3.04泛點率0.6塔徑m1.4噴淋密度m3/m2h22.3全塔填料層壓降Pa1955.38吸收劑出口濃度0.0095相平衡常數2.406X=0.005相平衡常數2.837X=0.0095氣相濃度對數平均值0.0220I：0.00950.005氣相濃度對數平均值0.0105II：0.0050傳質單元數1.03I傳質單元數2.38II實際氣速m/s1.82氣相傳質單元高度m1.19I氣相傳質單元高度m1.16II填料層高度m4.98十五、課程設計總結 1、通過本次課程設計，使我對從填料塔設計方案到填料