丙酮吸收塔的設(shè)計(jì)1

1、山山東師范大學(xué)課 程 論 文（設(shè)計(jì)）題 目 丙酮與空氣的混合氣體填料吸收塔設(shè)計(jì) 課 程 名 稱(chēng) 化工設(shè)計(jì) 二 級(jí) 學(xué) 院 化學(xué)化工與材料科學(xué)學(xué)院專(zhuān) 業(yè) 化學(xué)工程與工藝 班 級(jí) 化工一班 學(xué) 生 姓 名 學(xué) 號(hào) 指 導(dǎo) 教 師 張其坤 設(shè)計(jì)起止時(shí)間：2016年11月01日至2017年01月01日 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)設(shè)計(jì)任務(wù)：丙酮與空氣的混合氣體填料吸收塔設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)參數(shù)：原料氣組成：丙酮空氣二元混合氣體，丙酮含量8.5%（體積分?jǐn)?shù)），進(jìn)塔混合氣溫度為40，要求丙酮回收率95%以上年處理量：2000、2500、3000、3500、4000m3/h操作條件：連續(xù)常壓操作年工作日：300天工作地點(diǎn)：臨沂市吸收劑

2、：軟水設(shè)計(jì)要求：（1）完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份，字?jǐn)?shù)在6000字以上（2）完成帶控制點(diǎn)的工藝流程圖、車(chē)間布置圖、吸收塔工藝條件圖各一張 重要符號(hào)說(shuō)明D塔徑，m；DL液體擴(kuò)散系數(shù)，/s；Dv氣體擴(kuò)散系數(shù)，/s ； ev液沫夾帶量,kg(液)/kg(氣)； g重力加速度，9.81 m/s2 ； h填料層分段高度，m； HETP關(guān)聯(lián)式常數(shù)； Hmax允許的最大填料層高度，m； HB塔底空間高度，m； HD塔頂空間高度，m； HOG氣相總傳質(zhì)單元高度，m； kG氣膜吸收系數(shù)，kmol/(skPa)； kL液膜吸收系數(shù)，m/s； KG氣相總吸收系數(shù)，kmol/(skPa)； Lb液體體積流量，m3/h； LS

3、液體體積流量，m3/s； LW潤(rùn)濕速率，m3/(ms)； m相平衡常數(shù)，無(wú)因次； n篩孔數(shù)目； NOG氣相總傳質(zhì)單元數(shù)； P操作壓力，Pa； P壓力降，Pa； u空塔氣速，m/s； uF泛點(diǎn)氣速，m/su0min漏液點(diǎn)氣速，m/s； u0液體通過(guò)降液管底隙的速度，m/s； U液體噴淋密度，m3/(h)UL液體質(zhì)量通量，kg/(h)Umin最小液體噴淋密度，m3/(h)Uv氣體質(zhì)量通量，kg/(h)Vh氣體體積流量，m3/h； Vs氣體體積流量，kg/s； Wl液體質(zhì)量流量，kg/s； Wv氣體質(zhì)量流量，kg/s； L液相速率kmol/G氣體速率kmol/x液相摩爾分?jǐn)?shù)； X液相摩爾比y氣相摩爾

4、分?jǐn)?shù)； Y氣相摩爾比； Z板式塔的有效高度，m； 填料層高度，m。 希臘字母空隙率，無(wú)因次； 粘度，Pas； 密度，kg/m3； 表面張力，N/m； 開(kāi)孔率或孔流系數(shù)，無(wú)因次； 填料因子，l/m； 液體密度校正系數(shù)，無(wú)因次。 下標(biāo) max最大的； min最小的；目錄摘要 1 前言 1.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 1.2 丙酮的介紹 1.3 填料塔的主體結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 2 設(shè)計(jì)方案的確定 2.1 工藝流程圖的確定 2.2 丙酮回收工藝 2.3 水吸收工藝 3 吸收塔的工藝計(jì)算 3.1 基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù) 3.1.1液相物料衡算 3.1.2氣相物性數(shù)據(jù) 3.1.3氣液相平衡數(shù)據(jù) 3.2 物料衡算 3.3 吸收塔工藝尺寸的

5、計(jì)算 3.3.1塔徑的計(jì)算 3.3.2填料層高度的計(jì)算 3.4 塔附屬高度的計(jì)算3.5填料層壓降的計(jì)算 3.5.1氣體動(dòng)能因子 參考文獻(xiàn) 后記 丙酮與空氣的混合氣體填料吸收塔設(shè)計(jì)摘要：吸收是氣液傳質(zhì)的過(guò)程，吸收塔設(shè)備是氣液接觸的傳質(zhì)設(shè)備，一般分為級(jí)數(shù)接觸和微分接觸兩類(lèi)。本設(shè)計(jì)采用微分接觸。微分接觸常采用液相分散，設(shè)計(jì)采用傳質(zhì)單元高度和傳質(zhì)單元數(shù)。本設(shè)計(jì)采用填料塔，料填塔是填料塔的核心和關(guān)鍵，它提供了塔內(nèi)氣液兩項(xiàng)接觸傳質(zhì)和傳熱的表面積，與塔結(jié)構(gòu)一起決定了塔設(shè)備的性能。本設(shè)計(jì)計(jì)算流程由氣液兩項(xiàng)物性數(shù)據(jù)衡算到塔設(shè)備工藝尺寸計(jì)算，從而得出吸收塔的工藝計(jì)算。關(guān)鍵詞：吸收/傳質(zhì)/填料塔/物據(jù)衡算/工藝計(jì)算

6、1 前言1.1 設(shè)計(jì)任務(wù): 丙酮與空氣的混合氣體填料吸收塔設(shè)計(jì)1.2 操作條件: 混合氣體的年處理量：3500m3/h(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))；混合氣體組成：空氣：0.915 丙酮0.085（均為體積分?jǐn)?shù)）；要求丙酮的回收率：95%；吸收劑：軟水混合氣溫度：40 壓力：101.325KPa工作地點(diǎn)：山東臨沂1.3丙酮的介紹 丙酮作為一種良好的有機(jī)溶劑，大量用于化工生產(chǎn)過(guò)程，特別是在制藥工業(yè)和醋酸纖維工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，由于丙酮的沸點(diǎn)較低，揮發(fā)性強(qiáng)，所以丙酮發(fā)亮存在于生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生的廢氣中，對(duì)環(huán)境和人體的健康造成了極大地危害。對(duì)廢氣中的丙酮進(jìn)行回收，使其能達(dá)標(biāo)排放，可減輕對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)人體的傷害，同時(shí)也可

7、以減少丙酮的消耗，節(jié)約運(yùn)行成本。 丙酮是一種無(wú)色透明液體，有特殊的辛辣氣味，易燃、易揮發(fā)，化學(xué)性質(zhì)較活潑，是化學(xué)制藥行業(yè)和精細(xì)化工行業(yè)中的一種非常重要的溶劑。由于丙酮易揮發(fā)，在使用及生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)與空氣形成混合氣體，這既浪費(fèi)了原料又污染了環(huán)境。所以，對(duì)丙酮回收系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化研究具有重要意義。1.4填料塔的主體結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 填料塔不但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且流體通過(guò)填料層的壓降較小，易于用耐腐蝕材料制造，所以它特別適用于處理量肖，有腐蝕性的物料及要求壓降小的場(chǎng)合。液體自塔頂經(jīng)液體分布器噴灑于填料頂部，并在填料的表面呈膜狀流下，氣體從塔底的氣體口送入，流過(guò)填料的空隙，在填料層中與液體逆流接觸進(jìn)行傳質(zhì)。因氣液兩相組成

8、沿塔高連續(xù)變化，所以填料塔屬連續(xù)接觸式的氣液傳質(zhì)設(shè)備。2 設(shè)計(jì)方案的確定2.1工藝流程圖的確定丙酮-空氣二元混合物中丙酮的吸收采用常規(guī)逆流操作，其中，選擇進(jìn)塔混合氣溫度為40，進(jìn)塔吸收劑軟水溫度為25，在常壓下進(jìn)行操作。其工藝流程圖見(jiàn)圖1。2.2丙酮的回收工藝混合氣體進(jìn)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(jì)算其組分的量，若其值符合國(guó)家廢水排放標(biāo)準(zhǔn)，則直接排入地溝，若不符合，待處理后再排入地溝。丙酮的回收工藝主要有丙酮深冷法、水吸收法和活碳吸附法。深冷法的冷量制取的成本較大而且回收率低，所以一般使用水吸收法和活碳吸附法。2.3水吸收工藝用的是水吸收工藝。吸收就是使混合

9、氣體與所選擇的液體充分接觸，混合氣中某一組份溶于液體中，而其余組分不溶或難溶于液體中，從而實(shí)現(xiàn)混合氣體中某一組分的分離。水吸收法是利用丙酮極易溶于水（與水任意比互溶）的性質(zhì)來(lái)分離混合氣體中的丙酮?dú)夂涂諝獾?。混合氣?jīng)冷卻后，從吸收塔底部進(jìn)入吸收塔，吸收劑（水）經(jīng)冷卻后從吸收塔頂部進(jìn)入吸收塔，在吸收塔內(nèi)，混合氣中的丙酮?dú)獗凰?，形成稀丙酮溶液從塔底流出，不被吸收的空氣從塔頂排入大氣中。然后，稀丙酮溶液被送入蒸餾塔中進(jìn)行蒸餾分離得到高純度的丙酮重新進(jìn)入生產(chǎn)系統(tǒng)中回用。3.吸收塔的工藝計(jì)算3.1基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)3.1.1液相物料衡算對(duì)低濃度吸收過(guò)程，溶液的物性數(shù)據(jù)。由化工原理查的25時(shí)水的有關(guān)數(shù)據(jù)如下：

10、密度為：L=996.95kg/m³粘度為：L=0.8937mPa·s =3.217kg/（m· h） 表面張力：L=71.94×10-³N/m =932342.4kg/h² 丙酮在水中的擴(kuò)散系數(shù)：DL=4.608×10-6/h 3.1.2氣相物性數(shù)據(jù)MVM=58×0.085+29×0.915=31.47混合氣體的平均密度為VM=(101.325×31.47)/(8.314×313.15)=1.23kg/混合氣體的粘度可近似空氣的粘度，查化工原理可知，40空氣粘度為v=1.91*10-5

11、Pa·s=0.0685（kg/（m·h）40飽和水蒸氣壓強(qiáng)：P=7.37 kPa3.1.3氣液相平衡數(shù)據(jù) 當(dāng)t=25時(shí)，該系統(tǒng)的平衡關(guān)系為：y=1.75x 即相平衡常數(shù)為：m=1.75E=mP=1.75*101.3=177.275（kPa）亨利系數(shù)H與相平衡常數(shù)m之間的關(guān)系：H=L/EMs當(dāng)溶質(zhì)在液相中的濃度較低時(shí)（x<0.05），亨利系數(shù)E與溶解度系數(shù)H間的關(guān)系可表示為：（M:溶劑的分子量，kg/koml ,可近似為水的密度）。溶解度系數(shù)為：H=L/EMs=996.95/177.32×18.02=0.312(kmol/(kPa·)3.2物料衡算1

12、 進(jìn)塔混合氣中各組分的量 丙酮的摩爾分率為0.085近似取塔平均圧力為101.3 kPa，故當(dāng)進(jìn)料量為3500 m3/h時(shí)：混合氣體量=3500/22.4kmol/h=156.25kmol/h混合氣中丙酮量=156.25x0.085=13.28kmol/h 出塔混合氣量=156.25-13.28+13.28x0.005=143.04kmol/h2. 混合氣進(jìn)出塔（物質(zhì)的量比）組成已知：丙酮的摩爾分率為0.085進(jìn)塔氣相摩爾比為： Y1=0.085/(1-0.085)=0.0929出塔氣相摩爾比為： Y2=Y1（1-）=0.0929×（1-0.95）=0.00464進(jìn)塔惰性氣相流量為：

13、 V=3500×273（1-0.085）/22.4×（273+40）=124.6980（kmol/h）3. 吸收劑（軟水）的用量該吸收過(guò)程屬低濃度吸收，平衡關(guān)系為直線，最小液氣比可按下式計(jì)算，即： （）=對(duì)于純?nèi)軇┪者^(guò)程，進(jìn)塔液相組成為：X2=0 （）=1.6626取操作液氣比為： （）=1.5（）=1.51.6626=2.4939 L=2.4939×124.6980=310.50（kmol/h）4. 塔底吸收液濃度 由 V（Y1-Y2）=L（X1-X2） 可得 X1=0.35443.3吸收塔工藝尺寸的計(jì)算3.3.1 塔徑的計(jì)算因?yàn)樗讱庖贺?fù)荷較塔頂大，依塔底氣

14、液相參數(shù)計(jì)算塔徑。1. 泛點(diǎn)氣速的計(jì)算氣相質(zhì)量流量為：Wv=3500×1.23=4270kg/h液相質(zhì)量流量可近似按純水的流量計(jì)算，即： Wl=L水=338.37×18=6090.67kg/h 根據(jù)貝恩-霍根關(guān)聯(lián)式計(jì)算填料的泛點(diǎn)4 Lg（）（）=A-K（）（） 式中：泛點(diǎn)氣速 m/s g：重力加速度 9.81m/s2 ：填料總比表面積 m2/m3 ，：氣相，液相密度 kg/m3 ：液體粘度 mPa·s ，：液相，氣相的質(zhì)量流量 kg/hA， K：關(guān)聯(lián)常數(shù) 由此式計(jì)算泛點(diǎn)氣速誤差在15%以?xún)?nèi)4 本任務(wù)中：g=9.81（m/ s2） 查手冊(cè)得：=132.5（m2/m3

15、） =91% A=0.2044 K=1.754=1.23（kg/m3） =996.95（g/m3）=0.8937（mPas） =6090.67（kg/h）=4270（kg/h） = =3.3325（m/s）2. 操作氣速 空塔氣速由下面經(jīng)驗(yàn)公式確定：液泛點(diǎn)是填料塔的操作上限，設(shè)計(jì)點(diǎn)的氣速通常取泛點(diǎn)氣速的50%-80% 所以， =0.7×=0.6×3.3325=2.3328（m/s）3. 塔徑由D=知，D=0.7286m當(dāng)年處理量最大為4000時(shí)，圓整到D=0.8m。4. 泛點(diǎn)率校核=4(3500/3600)/D²=1.9352m/s/=1.9352/3.3325&

16、#215;100=58.07（在允許范圍內(nèi)）5. 核算徑比 =800/38=21.05>8 (滿足階梯環(huán)的徑比要求) 查手冊(cè)得：階梯環(huán)的徑比要求：>8 液體噴淋密度校核： 對(duì)于直徑不超過(guò)75mm的散裝填料，可取最小濕潤(rùn)速率 =0.08（m3/m·h） =132.5（m2/m3） =0.08132.5=10.6（m3/m·h） 12.1>10.6 經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用D=800mm合理 ,滿足鮑爾環(huán)的徑比要求。3.3.2填料層高度的計(jì)算1. 脫吸因數(shù) =1.75×0.03544=0.0620 =0 脫吸因數(shù)為： =1.75×12

17、4.6980/310.50=0.70282. 氣相總傳質(zhì)單元數(shù)為： = =6.35723.氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計(jì)算： = 查手冊(cè)得：=40（dyn/cm）=518400（kg/h2）4 4.液體質(zhì)量通量為： =6090.67/(0.785×0.8²)=12123.15（kg/（m2·h） = =0.31125.氣膜吸收系數(shù) 氣體質(zhì)量通量為： =4270×1.23/（0.785×0.8²)=10369.03（kg/（m2·h）氣膜吸收系數(shù)由下式計(jì)算： =0.0524（kmol/（m2·h·

18、kPa）6. 液膜吸收系數(shù)液膜吸收系數(shù)由下式計(jì)算： = =0.5410（m/h)7.填料層高度由= 查手冊(cè)得：=1.45 則：=0.0524×0.3112×132.5×1.451.1 =3.25（kmol/（m2·h·kPa） =0.5410×0.3112×132.5×1.450.4 =25.83（1/h） =58.07%>50%由：=1+9.5(0.5358-0.5)1.4×3.25=3.27（kmol/（m2·h·kPa） =1+9.5(0.5358-0.5)2.2×

19、;25.83=25.99（1/h） 則：=2.33（kmol/（m2·h·kPa） 由：=1.05（m） 由=1.05×6.3572=6.675（m） 填料層的設(shè)計(jì)高度一般為：=（1.2-1.5） =1.2=1.2×6.675=8.018（m）設(shè)計(jì)填料層高度為：8m查表對(duì)階梯環(huán)填料,m則 h=8×800=6400mm計(jì)算得填料層高度為8000mm故應(yīng)將填料層分成兩段，每段高為4.0m3.4 塔附屬高度的計(jì)算塔上部空間高度，可取為1.2m，液體再分布器的空間高度約為1m，底液相停留時(shí)間按4min考慮，則塔釜液所占空間高度為：6090.67/(99

20、6.78×3600)=1.697×10-3(m/s)0.810(m)則塔總高度為2.2+8=10.2（m）3.5填料層壓降的計(jì)算填料塔的壓力降為： （1） 氣體出口壓力降：取氣體出口接管的內(nèi)徑為360mm，則氣體的進(jìn)出流速為： =9.56m/s 則進(jìn)口壓力降為：56.21Pa 出口壓力降為：28.10Pa（2） 填料層壓力降 采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算填料層壓降 橫坐標(biāo)為：=0.04565 查手冊(cè)得：=116 縱坐標(biāo)為：=0.0777 查圖得：=509.81（Pa/m） 填料層壓降為：=509.818=3924（Pa）（3） 其他塔內(nèi)件的壓力降其他塔內(nèi)件的壓力降較小，在此可以忽略。 因此，吸收塔的總壓力降為： 56.21+28.10+3924=4008.31Pa3.5.1氣體動(dòng)能因子 吸收塔內(nèi)氣體動(dòng)能因子可用下面公式計(jì)算： 式中：氣體動(dòng)能因子， ：氣體流速， ：氣體密度， 因此：=2.587 氣體動(dòng)能因子在常用的范圍內(nèi)。 從以上的各項(xiàng)指標(biāo)分析，該吸收塔的設(shè)計(jì)合理，可以滿足吸收操作的工藝要求。參考文獻(xiàn)1、蓋恒軍;江燕斌;錢(qián)宇;章莉娟;李煥錫;萃取和溶劑回收系統(tǒng)的全系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法J;高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào);20