氣體處理量為九百的丙酮水的填料塔設計

1、合 肥 學 院Hefei University化工原理課程設計 丙酮填料塔的設計丙酮填料塔設計任務書一、設計名稱丙酮填料塔的設計二、設計條件入塔氣體中空氣含丙酮為干空氣（標態(tài)），干空氣溫度為25，壓力為101.3 kPa，相對濕度為70%，處理氣體量900m3/h.吸收劑為清水，溫度為25 體中丙酮氣流量為入塔丙酮流量 1/100三、設計任務 1. 流程的選擇：本流程選擇逆流操作2. 丙酮濃度計算3. 丙酮出塔濃度計算4. 液體出塔溫度變化式中：q1為丙酮的濃解熱，kJ/kmol，q2為丙酮的冷凝熱（25），kJ/kmol。5. 平衡線的獲取對丙酮水體系當X0.01時，X為1545，可用下式求

2、解式中：E為亨利系數(shù)，kPa；p為總壓，kPa；T為溫度，K。6. 吸收劑量求取(1) 最小吸收劑用量(2) 吸收劑用量7. 操作線方程式8. 填料塔徑求取(1) 選擇填料(2) 液泛速度(3) 空塔速度(4) 塔徑及圓整(5) 最小潤濕速度求取及潤濕速度的選取(6) 塔徑的校正 9. 單位填料層壓降的求取 10. 傳質(zhì)單元高度的求取11. 傳質(zhì)單元數(shù)求取12. 填料層高度13. 吸收塔高度計算14. 液體分布，再分布器及分布器的選型15. 風機選取16. 畫填料塔的工藝設備圖17. 編寫設計說明書四、設計說明書內(nèi)容1. 課題名稱，目錄及頁碼2. 前言3. 吸收系統(tǒng)流程和方案的 說明和論證4.

3、 本設計結(jié)果概要5. 設計計算及說明6. 設計有關問題的分析討論7. 參考文獻目錄五、設計進度下面以總設計時間3周為準：1設計動員，下達設計任務書 0.5天2搜集資料，閱讀教材，擬訂設計進度 1.5天3設計計算（包括電算，編寫說明書草稿） 5至6天4繪圖 3至4天5整理，抄寫說明書 2天6設計小結(jié)及答辯 2天六設計成績評定體系總成績分為：及格，不及格，中等，良好，優(yōu)良評定方法：說明書 45% 圖面質(zhì)量 25%答辯 20% 平時表現(xiàn) 10%目錄第一章 概述.51.1填料塔的概述.51.2填料塔的原理.51.3填料塔的性能.5第二章 設計方案簡介.62.1裝置流程的確定.62.2吸收劑的選擇.62

4、.3設計參數(shù)要求.62.4操作壓力與溫度的確定.62.5填料的選擇.6第三章 吸收系統(tǒng)流程草圖及說明.7第四章 換熱器結(jié)構(gòu)設計.84.1基礎物性數(shù)據(jù)84.2 物料衡算.94.3 氣液平衡曲線.104.4 吸收劑(水)的用量Ls.114.5 塔底吸收液濃度X1.114.6 操作線.114.7 塔徑計算.124.8 填料層高度計算.15第五章 結(jié)構(gòu)與輔助設備.20第六章 總結(jié)。心得21附錄.221 主要符號說明.222 參考文獻22第一章 概述1.1填料塔概述在化工、煉油、醫(yī)藥、食品及環(huán)境保護等工業(yè)部門，塔設備是一種重要的單元操作設備。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)

5、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。1.2填料塔的原理填料塔是以塔內(nèi)的填料作為氣液兩相間接觸構(gòu)件的傳質(zhì)設備。填料塔的塔身是一直立式圓筒，底部裝有填料支承板，填料以亂堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安裝填料壓板，以防被上升氣流吹動。液體從塔頂經(jīng)液體分布器噴淋到填料上，并沿填料表面流下。氣體從塔底送入，經(jīng)氣體分布裝置（小直徑塔一般不設氣體分布裝置）分布后，與液體呈逆流連續(xù)通過填料層的空隙，在填料表面上，氣液兩相密切接觸進行傳質(zhì)。填料塔屬于連續(xù)接觸

6、式氣液傳質(zhì)設備，兩相組成沿塔高連續(xù)變化，在正常操作狀態(tài)下，氣相為連續(xù)相，液相為分散相。1.3填料塔的性能 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、放大效應及傳質(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，此次設計用填料

7、塔作為吸收的主設備。第二章 設計方案2.1裝置流程的確定根據(jù)設計任務書的要求，本設計的流程選擇逆流操作。逆流操作的傳質(zhì)平均推動力較大，傳質(zhì)速率快，分離效率高，吸收劑利用率高。2.2 吸收劑的選擇用清水作為吸收劑，因為丙酮不做產(chǎn)品，所以采用純?nèi)軇?.3設計參數(shù)要求相對濕度為70%，處理氣體量800m3/h.吸收劑為清水，溫度為25 體中丙酮氣流量為入塔丙酮流量 1/100，丙酮回收率99% 空氣中丙酮含量為9.246%2.4 操作壓力與溫度的確定干空氣溫度為25，壓力為101.3 kPa2.5 填料的選擇塔的填料是填料塔氣液接觸的基本結(jié)構(gòu)，它的優(yōu)劣決定填料塔操作性能的重要參數(shù)。塑料材料的耐腐蝕

8、性較好，可耐一般的無機酸、堿、有機溶劑等的腐蝕，其耐溫性良好，可長期在100下使用。本設計方案選用的是聚氯乙烯填料。第三章 吸收系統(tǒng)流程草圖及說明草圖如下流程說明: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。第四章 換熱器結(jié)構(gòu)設計第五章4.1基礎物性數(shù)據(jù)4.11氣相混合物物性數(shù)據(jù)(1) 混合氣體混合氣體的平均摩爾量為M=0,09246*58+0.90754*29=31.68kg/kmol混合氣體的平均密度為 =液相物性數(shù)據(jù)對低濃度吸收過程，溶液的物性數(shù)據(jù)可以近似取水的物性數(shù)

9、據(jù)。由化學手冊查的，25時水的有關物性如下 密度 粘度 表面張力=71.97Mn/m=932731kg/h 丙酮在水中的擴散系數(shù)=1.277*10 /s=4.592*10 /h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(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)： =3023010467.5=40697.5 kJkmol吸收液(依水計)平均比熱容75.366 kJkmol·，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

10、分及比摩爾濃度計算較方便，故上式可寫為： 依上式，可在x00000.009之間，設系列x值，求出相應x濃度下吸收液的溫度，計算結(jié)果列于表1第l，2列中。由表中數(shù)據(jù)可見，濃相濃度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相平衡數(shù)據(jù)XtEmY*×103025211.52.08800.00125.54217.62.1482.1480.00226.08223.92.2104.4200.00326.62230.12.2726.8160.00427.16236.92.3389.3520.00527.7243.72.40612.0250.00628.24

11、250.62.47414.8440.00728.78257.72.54417.8080.00829.32264.962.61620.9280.00929.86272.272.90924.192注：（1）氣相濃度相平衡的液相濃度X10.0049，故取0.009； （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。4.2物料衡算4.2.1 進塔混合氣中各組分的量混合氣量混合氣體中丙酮含量=37.44*0.09246=3.462kmol/h=3.462*58=200.8kg/h查附錄，25飽和水蒸氣壓強為3168.4

12、Pa，則相對濕度為70的混合氣中含水蒸氣量=0.0224 kmol（水氣）/ kmol（空氣十丙酮）混合氣中水蒸氣含量0.892kmolh（化工單元操作及設備P189 16-23） 0.892×1816.06kgh混合氣中空氣量=37.44-3.462-0.892=33.086kmolh=33.086*29=595.5 kgh 混合氣進出塔的（物質(zhì)的量）成分 0.09246,則=0.00102 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0.892+33.08633.978kmolh 975.55kghY1=0.1012kmol(丙酮)/kmol(惰氣)Y2=0.

13、001012kmol(丙酮)/kmol(惰氣) 出塔混合氣量出塔混合氣量=33.978+3.462*0.01=34.0126kmol/h =975.55+200.8*0.01=977.558kg/h4.3 氣液平衡曲線當x0.01，t1545時，丙酮溶于水其亨利常數(shù)E可用下式計算： 1gE9.1712040(t十273)由前設X值求出液溫，依上式計算相應E值，且m，分別將相應E值及相平衡常數(shù)m值列于表1中第3、4列。由y*mX求取對應m及X時的氣相平衡濃度y*，結(jié)果列于表1第5列。根據(jù)Xy*數(shù)據(jù)，繪制XY平衡曲線OE如附圖所示。4.4 吸收劑(水)的用量Ls由圖1查出，當Y10.1012時,X

14、1*=0.0043,計算最小吸收劑用量=33.978×791.67kmolh（化工單元操作及設備P204 16-43a）取安全系數(shù)為1.8，則Ls1.8×791.671425kmolh 1425×1825650.16kg/h4.5 塔底吸收液濃度X1依物料衡算式：()（）=33.978×=0.00244.6 操作線依操作線方程式 =X+0.001012Y=43.02X+0.001012由上式求得操作線繪于附圖中。 (附圖二)4.7 塔徑計算塔底氣液負荷大，依塔底條件(混合氣25)，101.325kPa，查表1，吸收液28.51計圖2 通用壓降關聯(lián)圖算。

15、u =（0.60.8）（化工單元操作及設備P206 16-45）.采用Eckert通用關聯(lián)圖法(圖2)計算泛點氣速1.有關數(shù)據(jù)計算塔底混合氣流量VS595.5+200.8+16.6812.9kgh吸收液流量L25650.163.462×0.99×5825848.95kgh進塔混合氣密度×1.19kg (混合氣濃度低，可近似視為空氣的密度)吸收液密度996kg/吸收液黏度0.895mPa·s經(jīng)比較，選DG25mm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=107，比表面積A2092.關聯(lián)圖的橫坐標值 ()1/2=()1/2 =1.13.由圖2

16、查得縱坐標值為0.13 即0.2=0.2=0.0143=0.13故液泛氣速=3.24m/s操作氣速 u0.70.7×3.24 2.268 m/s塔徑= 0.3746 m=374.6mm取塔徑為0.4m(400mm) 核算操作氣速U=1.99m/s< 4.7.5核算徑比D/d400/2516，滿足鮑爾環(huán)的徑比要求。4.7.6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),由式（4-12）：最小噴淋密度0.08×20916.72/(m2·h)因 206.6/(m·h)故滿足最小噴淋密度

17、要求。4.8 填料層高度計算計算填料層高度，即Z 傳質(zhì)單元高度計算=，其中=|（化工單元操作及設備 P209 16-7）本設計采用（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。1. 列出備關聯(lián)式中的物性數(shù)據(jù)氣體性質(zhì)(以塔底25，101.325kPa空氣計)：1.19 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 kg/；0.895×Pa·s；=1.344× (以式計算)(化學工程手冊 10-89)，式中為溶質(zhì)在常壓沸點

18、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(zhì)量流速：LG=57.17VG=1.8塑料鮑爾環(huán)(亂堆)特性：25mm0.025m ; A209;=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(shù)，=1.45（鮑爾環(huán)為開孔環(huán)）2. 依式=-1.45（）0.75（）0.1（）-0.05（）0.2=-1.45（0.646）（1.03）（1.406）（0.706）=（-0.9577）=0.616故=0.616×209=128.753. 依式KL=0.0051()2/3()1/3()1/3

19、(atdp)0.4=0.0051()2/3()1/3()1/3(0.025)0.4=0.0051×45.283×0.0396×0.02066×1.94=3.67×10-5m/s4. 依式kG= 5.23()0.7()13()(atdp)= 5.23()0.7()1/3()(5.225)=5.23(456.89)(1.133)(9.195×10-7)(5.225)=1.3×10-2kmol/(m2·S·kPa)故=3.67×10-5×128.75=4.72 ×10-3(m/s)

20、=1.3×10-2×128.75=1.67 計算 ，而，H=（化工單元操作及設備 P189 16-21a）。由于在操作范圍內(nèi)，隨液相組成和溫度的增加，m (E)亦變，故本設計分為兩個液相區(qū)間，分別計算(I)和(II) 區(qū)間I X000490.002(為(I) 區(qū)間II X0.0020 (為(II)由表1知2.26×kPa , =0.245=2.115× kPa, =0.262 =864.8=1.156×10-3=.P=1.156×10-3×101.3=0.117=808.7=1.24×10-4=1.24×

21、10-3×101.3=0.126 計算=0.643m= =0.6m備注：是出塔的惰性氣體量傳質(zhì)單元數(shù)計算在上述兩個區(qū)間內(nèi)，可將平衡線視為直線，操作線系直線，故采用對數(shù)平均推動力法計算。兩個區(qū)間內(nèi)對應的X、Y、Y*濃度關系如下：IIIX0.00490.0020.0020Y0.0240.01110.01110.0024Y*0.011760.004420.004420NOG=（化工單元操作及設備 P209 16-54a）（化工單元操作及設備 P212 16-26）=0.00916=1.41m=0.00419=2.07m填料層高度z計算ZZ1十Z2HOG（I）NOG（I）+ HOG（II）N

22、OG（II）0.643×1.41十0.6×2.070.907+1.242m=2.148m取25富余量，則完成本設計任務需Dg25mm塑料鮑爾環(huán)的填料層高度z125×2.148=2.685m。第五章 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(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

23、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。第六章 總結(jié)，心得 1、通過本次課程設計，使我對從填料塔設計方案到填料塔設計的基本過程的設計方法、步驟、思路、有一定的了解與認識。它相當于實際填料塔設計工作的模擬。在課程設計過程中，基本能按照規(guī)定的程序進行，先針對填料塔的特點和收集、調(diào)查有關資料，然后進入草案階段，其間與指導教師進行幾次方案的討論、修改，再討論、逐步了解設計