填料塔设计说明书.doc

年产1002吨丙酮设计说明书一、任务及操作条件1.1设计题目： 年产1002吨丙酮设计说明书 设计一座填料吸收塔，用于吸收混于空气中的丙酮气体。混合气体的处理量为2600（m3/h），其中含空气为95，丙酮气为5（百分含量），要求丙酮回收率为96（百分含量），采用清水进行吸收，吸收剂的用量为最小用量的1.5倍。1.2工艺操作条件：（1）操作压力为常压（2）使用微分接触式的吸收设备（3）逆流操作二、设计条件及主要物性参数2.1设计条件：（1）生产能力: 混合气处理量G=2600/h（见后面详细计算过程）（2） 原料: 以丙酮空气二元体系，进料混合气体含丙酮的体积分数为5%（3）产品要求: 塔顶逸出气体丙酮含量99%（4） 操作压力： 常压2.2主要的物性参数值：（1）空气的分子量：29 ；丙酮的分子量：58 ；水的分子量：18（2）235饱和水蒸气压强为5623.4 Pa（3）常压：101.325 kPa（4）在1 atm时，水的凝固点（f.p.）为0，沸点（b.p.）为100。水在0的凝固热为5.99 kJ/mol（或80 cal/g），水在100的汽化热为40.6 kJ/mol（或540 cal/g）。三、设计方案的确定3.1设计方案的内容3.1.1流程方案的确定常用的吸收装置流程主要有逆流操作、并流操作、吸收及部分再循环操作、多塔串联操作、串联并联操作，根据设计任务、工艺特点，结合各种流程的优缺点，采用常规逆流操作的流程，传质平均推动力大，传质速率快，分离效率高，吸收及利用率高。3.1.2设备方案的确定本设计要求的是选用填料吸收塔，填料塔是气液呈连续性接触的气液传质设备，它的结构和安装比板式塔简单。它的底部有支撑板用来支撑填料，并允许气液通过。支撑板上的填料有整砌或乱堆两种方式。填料层的上方有液体分布装置，从而使液体均匀喷洒在填料层上。图1.1 常规逆流操作附：填料塔的主体结构与特点结构：3.2流程布置吸收装置的流程布置是指气体和液体进出吸收塔的流向安排。本设计采用的是逆流操作，即气相自塔底进入由塔顶排出，液相流向与之相反，自塔顶进入由塔底排出。逆流操作时平均推动力大，吸收剂利用率高，分离程度高，完成一定分离任务所需传质面积小，工业上多采用逆流操作。3.3吸收剂的选择 吸收剂性能的优劣是决定吸收操作效果的关键之一，吸收剂的选择应考虑以下几方面：(1)溶解度: 吸收剂对溶质的溶解度要大，以提高吸收速率并减少吸收剂的用量。(2)选择性: 吸收剂对溶质组分有良好的溶解能力，对其他组分不吸收或甚微。(3)挥发度：操作温度下吸收剂的蒸汽压要低，以减少吸收和再生过程中的挥发损失。(4)粘度: 吸收剂在操作温度下粘度要低，流动性要好，以提高传质和传热速率。 (5)其他： 所选用的吸收剂尽量要无毒性、无腐蚀性、不易爆易燃、不发泡、冰点低、廉价易得及化学性质稳定一般来说，任何一种吸收剂都难以满足以上所有要求，选用是要针对具体情况和主要因素，既考虑工艺要求又兼顾到经济合理性，综上因素的考虑，本次设计任务选用清水做吸收剂。3.4操作温度和压力的确定 (1)温度：低温利于吸收，但温度的底限应由吸收系统决定，本设计温度选25(2)压力：加压利于吸收，但压力升高操作费用、能耗增加，需综合考虑，本设计采用常压。3.5填料的选择 3.5.1填料种类的选择 填料种类的选择要考虑分离工艺的要求,还要确保有较高的传质效率.除此之外,还应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料,这样可以使通量增大,塔的处理能力也增大.通常考虑以下几个方面。 传质效率，传质效率即分离效率，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，也可通过一些经验公式来估算。 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，则通量愈大，塔的处理能力亦越大。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由有关手册或文献中查到，也可通过一些经验公式来估算。 填料层的压降，填料层的压降是填料的主要应用性能，填料层的压降愈低，动力消耗越低，操作费用愈小。选择低压降的填料对热敏性物系的分离尤为重要。比较填料的压降有两种方法，一是比较填料层单位高度的压降P/Z；另一是比较填料层单位传质效率的比压降P/NT。填料层的压降可用经验公式计算，亦可从有关图表中查出。 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。同时，还应具有一定的抗污堵、抗热敏能力，以适应物料的变化及塔内温度的变化。 此外，所选的填料要便于安装、拆卸和检修。 3.5.2填料规格的选择 填料按规格规格通常分为散装填料与规整填料：散装填料规格的选择 散装填料的规格通常是指填料的公称直径。工业塔常用的散装填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等几种规格。（一般推荐：300时，选25的填料；时，选2538的填料;时，选用的填料，但一般大塔中常用的填料。）规整填料规格的选择 工业上常用规整填料习惯用比表面积表示，主要有125、150、250、350、500、700等几种规格。3.5.3填料材质的选择 工业上，填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。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常见的各种无机酸、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，不宜在高冲击强度下使用。陶瓷填料价格便宜，具有很好的表面润湿性能，工业上，主要用于气体吸收、气体洗涤、液体萃取等过程。 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。碳钢填料造价低，且具有良好的表面润湿性能，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Cl-以外常见物系的腐蚀，但其造价较高；钛材、特种合金钢等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(0.21.0mm)，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。 塑料填料：塑料填料的材质主要包括聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)及聚氯乙烯(PVC)等，国内一般多采用聚丙烯材质。塑料填料的耐腐蚀性能较好，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烯填料。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。塑料填料的缺点是表面润湿性能差，在某些特殊应用场合，需要对其表面进行处理，以提高表面润湿性能。综合以上：本设计中选择塑料鲍尔环散装填料 DN50四、填料塔工艺尺寸的计算4.1物料计算 如图所示，对于逆流操作的吸收塔，在任意截面M-N与塔顶或塔底作物料衡算： 或 吸收塔的逆流物料衡算示意图如下：MN吸收塔的逆流物料衡算示意图 4.1.1进料塔混合气中各组分的量本设计任务是年产1002吨丙酮，丙酮含量为99%，年生产时间为7200小时，所给原料中空气含量为95%，丙酮含量为5%，且丙酮的回收率为96%，所以：考虑到生产过程中存在的损失，所以将本设计任务的质量流量扩大到（本设计进料温度为60度，实际操作温度为35度） 混合气密度 所以混合气处理量G为： 近似取塔平均操作压强为101.3kPa，故：混合气量 n混合气中丙酮量 查资料可知，在35的时候，饱和水蒸气压强为，则每kmoI相对湿度为70的混合气中含水蒸气量为：n 0.0404kmol（水汽）kmol（空气+丙酮）混合气中水蒸气的含量 混合气中空气量 4.1.2混合气进出塔的摩尔组成 4.1.3混合气进出塔摩尔比组成若将空气与水蒸气视为惰气，则惰气量 4.1.4出塔混合气量出塔混合气量 4.2气液平衡关系 当x0.1，t1545时，丙酮溶于水其亨利常数E可用下式计算： 1gE9.171一2040(t十273) 液相温度 t = 35时 E=211.54 kPaH= =0.262该系统的相平衡关系可以表示为4.3吸收剂(水)的用量最小吸收剂用量 一般，根据生产经验，吸收剂的用量L=（1.12.0），故取安全系数为1.5，则L=1.5=4.4塔底吸收液浓度依物料衡算式： =4.5操作线依操作线方程式：所以4.6塔径计算塔底气液负荷大，依塔底条件(混合气35)，101.3kPa，吸收液25计算4.6.1采用Eckert通用关联图法计算泛点气速4.6.1.1有关数据计算塔底混合气流量吸收液流量 进塔混合气密度1148kg (混合气浓度低，可近似视为空气密度)查化工原理附录吸收液密度996.7kg 吸收液黏度0.8543mPa.s经比较，选D=50mm塑料鲍尔环(米字筋)。查化工原理教材附录可知其主要性能参数有，填料因子 =120 ，比表面积10644.6.1.2关联图的横坐标值 4.6.1.3关联图的纵坐标值由图查得纵坐标值为0.2 即=0.01369 =0.2故液泛气速=3.82m/s4.6.2操作气速的确定u0.6 4.6.3塔径的计算D取塔径为0.7m(700mm)4.6.4核算操作气速u 故满足要求。4.6.5核算径比， 对于同类填料，尺寸越小，分离效率越高，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，使塔的分离效率降低。因此，对塔径与填料尺寸的比值要有一规定，常用填料的塔径与填料公称直径比值D/d的推荐值列于下表。 塔径与填料公称直径的比值D/d的推荐值 填 料 种 类 D/d的推荐值 拉西环 D/d2030鞍环 D/d15鲍尔环 D/d1015阶梯环 D/d8环矩鞍 D/d8通过以上表的数据可知所选鲍尔环满足鲍尔环的径比要求。4.6.6喷淋密度校核填料的最小润湿速率(MWR)为0.08 (mh) 最小喷淋密度 0.0810648512 (mh) 因 U 故满足最小喷淋密度要求。4.6.7单位填料程压降（）的校核 在压降关联图中取横坐标值0.0615，将操作气速 (188m/s) 代替纵坐标中的 查表，DN=50mm塑料鲍尔环(米字筋)的压降填料因子 125代替纵坐标中的则纵标值为：查资料得：在145-490范围内，故满足要求。4.7填料层高度的确定计算填料层高度，即Z 4.7.1传质单元高度计算，其中 ，本设计采用（恩田式）计算填料润湿面积aw作为传质面积a，依改进的恩田式分别计算及，再合并为和。列出备关联式中的物性数据气体性质(以塔底35，101.325kPa空气计)：1.148 kg/ (前已算出)（气体密度）0.01885 (查化工原理附录)（气体黏度）109（依翻Gilliland式估算)(溶质在气相中的扩散系数)液体性质(以塔底25水为准)：996.7 kg/08543 Pas=1.344 (以式计算)(化学工程手册 10-89)，式中为溶质在常压沸点下的摩尔体积，为溶剂的分子量，为溶剂的缔合因子。液体表面张力716Nm(查化工原理附录)。气体与液体的质量流速：塑料鲍尔环(乱堆)特性：d50mm005m（塑料鲍尔环直径）1064（比表面积）（填料材质的临界表面张力）=1.45（鲍尔环为开孔环）依式计算有效面积依式代入上述数据得：=0.953 故 =故=依式3-19 =0.0095代入上述数据得：为液相传质系数，为溶质在液相中的扩散系数，/s;依式3-20 =0.237代入上述数据得：为气相传质系数故=kmol/(.s.Kpa)4.7.2计算 ,而代入数据得：得：所以=P4.7.3计算4.7.4传质单元数计算在上述两个区间内，可将平衡线视为直线，操作线系直线，故采用对数平均推动力法计算 。=2.088 =0 4.7.5填料层高度z的计算m根据设计经验，填料层的设计高度为Z=1.2Z=12.7，故取实际填料层高度取为12.7m 。4.7.6填料塔附属高度计算塔上部空间高度，通过相关资料可取1.5m, 塔底液相停留时间按1.5min考虑, 则塔釜所占空间高度为考虑到气相接管所占的空间高度,底部空间高度可取1m,所以塔的附属高度可以取所以塔高为 五、填料吸收塔的附属设备5.1填料支承板填料支承板主要分为两类：气液逆流通过平板型支承板，板上有筛孔或栅板式;气体喷射型，分为圆柱升气管式的气体喷射型支承板和梁式气体喷射型支承板。由于填料支承板本身对塔内气液的流动状态也会产生影响，因此除考虑其有足够的强度和刚度以支持填料及其所持液体的重量外，还应考虑其对流体流动的影响，要保证有足够的开孔率，以防在填料支承处发生夜泛现象，在结构上应有利于气液相的均匀分布，同时不至于产生较大的阻力。本设计项目的塔径及液体负荷不大，可采用较简单的栅格行支承板。5.2填料压板和床层限制板在填料顶部设置压板和床层限制板。有栅条式和丝网式。5.3液体分布器计算和再分布器的选择和计算5.3.1液体分布器液体分布装置的种类多样，有喷头式、盘式、管式、槽式、及槽盘式等。工业应用以管式、槽式、及槽盘式为主。性能优良的液体分布器设计时必须满足以下几点：液体分布均匀，评价液体分布均匀的标准是：足够的分布点密度；分布点的几何均匀性；降液点间流量的均匀性。分布点密度。液体分布器分布点密度的选取与填料类型及规格、塔径大小、操作条件等密切相关，各种文献推荐的值也相差较大。大致规律是：塔径越大，分布点密度越小；液体喷淋密度越小，分布点密度越大。对于散装填料，填料尺寸越大，分布点密度越小。分布点的几何均匀性。分布点在塔截面上的几何均匀分布是较之分布点密度更为重要的问题。设计中，一般需通过反复计算和绘图排列，进行比较，选择较佳方案。分布点的排列可采用正方形、正三角形等不同方式。降夜点间流量的均匀性。为保证各分布点的流量均匀，需要分布器总体的合理设计、精细的制作和正确的安装。高性能的液体分布器，要求个分布点与平均流量的偏差小于6%。操作弹性大，液体分布器的操作弹性是指液体的最大负荷与最小负荷之比。设计中，一般要求液体分布器的操作弹性为24，对于液体负荷变化很大的工艺过程，有时要求操作弹性达到10以上，此时，分布器必须特殊设计。自由截面积大，液体分布器的自由截面积是指气体通道占塔截面积最小应在35%以上。其他，液体分布器应结构紧凑、占用空间小、制造容易、调整和维修方便。本设计中塔径较小，故此选用管式液体分布器。5.3.2气体进出口装置与排液装置（1）气体进出口装置填料塔的气体进口既要防止液体倒灌，更要有利于气体的均匀分布。对500mm直径以下的小塔，可使进气管伸到塔中心位置，管端切成45向下斜口或切成向下切口，使气流折转向上。对1.5m以下直径的塔，管的末端可制成下弯的锥形扩大器，或采用其它均布气流的装置。气体出口装置既要保证气流畅通，又要尽量除去被夹带的液沫。最简单的装置是在气体出口处装一除沫挡板，或填料式、丝网式除雾器，对除沫要求高时可采用旋流板除雾器。本设计中选用折板除雾器。折板除雾器的结构简单有效，除雾板由的角钢组成，板间横向距离为25mm，垂直流过的气速可按下式计算：式中 气速，m； 液相及气相密度，； 系数，0.085-0.10；本设计中取 ，则流过的气速所需除雾板组的横断面为 由上式确定的气速范围，除雾板的阻力为49-98pa，此时能除去的最小雾滴直径约为0.06mm，即60.（2）排液装置液体出口装置既要使塔底液体顺利排出，又能防止塔内与塔外气体串通，常压吸收塔可采用液封装置。常压塔气体进出口管气速可取1020m/s（高压塔气速低于此值）；液体进出口气速可取0.81.5m/s（必要时可加大些）管径依气速决定后，应按标准管规定进行圆整.5.3.3分布点密度及布液孔数的计算该塔的塔径较小，且填料的比表面积较大，故应选较大的分布点密度。设计中取分布点密度为185点/m2。布液点数为点按分布点几何均匀与流量均匀的原则，进行布点设计。设计结果为：二级槽共设七道，槽侧面开孔，槽宽度为80mm,槽高度为210mm,两槽中心矩为160mm,分布点采用三角形排列。实际设计布点数为n=210点，布液计算： 由 L: 液体流量 m3/sn: 开孔数目: 孔流系数，取0.550.60d: 孔径，m: 开孔上方的液位高度，m 取，m则设计取=2mm5.4塔底液体保持管高度的计算 取布液孔的直径为2mm，则液位保持管中的液位高度可由公式：得，即： 式中：布液孔直径，m L：液体流率，m3/s ：布液孔数 ：孔流系数 ：液体高度，m ：重力加速度，m/s2 值由小孔液体流动雷诺数决定 可取 因此，取 根据经验，则液位保持管高度为： 六、辅助设备的选型6.1管径的计算对于液相，由于进塔为地下水，出塔为混合溶液，所以应以出塔为准，选择流速；对于气相，则属于常压操作。以此为据，选出相应流速：表3-2 某些流体在管路中的常用流速范围流体的类别及情况流速范围, m/s水及低粘度流体（1105Pa1106Pa）1.53.0常压气体1020进气为常压气体 取u=18m/s m查资料按标准可选用245为外径，内径：245-215=215进水管与混合液出口管：清水（常压）取 u=2.0 m/s 参照标准选用32为外径，内径：32-24=24mm由于管路采用标准管路，因此实际操作情况下的流速不是选取的流速，需要根据标准管径反算操作流速，进行校核。以液相为例：=0.031同理可得气相：此时流速：流速较核合格6.2离心泵的选择与计算计算过程如下所选管为热轧无缝钢管校核管内流速则雷诺数 局部阻力损失：三个标准截止阀全开 ; 三个标准90弯头 ；管路总压头损失 经查化工原理附表泵与风机，P296型号IS50-32-200泵合适。6.3筒体、钢材选型由于直径为700mm，选择无缝钢管在吸收时，温度低于100，故先选用Q235R型无缝钢管，25是,焊接系数为1。所以根据公式可得Pc压力 MPaDi直径 mm焊接系数需用应力 MPa根据查表可得，腐蚀余量为C2=2mm设计厚度为由于选用的是碳素钢和低合金钢制容器，故其不符合要求，在加上本设计中填料选用的是金属鲍尔环，所以将筒体的理论计算厚度设计厚度名义厚度C1腐蚀余量C2偏差所以符合选材。6.4封头的计算 封头分为四种，分别为半球形封头、标准椭圆形封头、蝶形封头和球冠行封头。本设计采用的是标准椭圆形封头。气计算公式如下所以可得封头中由于理论计算厚度较小，所以在计算厚度时，应按照筒体的计算厚度一致，故去名义厚度为8.7mm。6.3封头和壁厚的校核筒体的需用应力所以筒体符合要求封头需要的需用应力封头也符合标准。6.4筒体与封头的连接方式以及螺栓选型筒体与封头的连接方式分为二种，一中为焊接，另外一种为法兰连接，填料塔装有多种填料，选用焊接不能装载填料，故选择法兰连接。直径压力700mm0.11MPa所以选用甲型法兰连接，气对应的尺寸与质量如下。公称直径DN/mm法兰/mm螺柱DD1D2D3D4d法兰盘厚度质量规格数量500815780750740737183037.1M16286.5开孔的计算6.5.1人孔由于筒体的直径为700mm，所以开人孔1。6.5.2手孔筒体与封头采用法兰连接，故也不需要手孔，且填料塔中没有比较复杂的结构，所以没有开手孔的必要。6.5.3封头开孔6.5.3.1水泵的管道尺寸 取壁厚为4mm则开孔直径为263mm U流体在管道中流速 水的密度 M水的摩尔质量 Qnl水的摩尔流量根据尺寸可以得到补强圈为接管公称直径DN外径50mm130mm6.5.3.2空气的管道尺寸m则设计取=2mm取壁厚为4mm则开孔直径为10mm 根据尺寸可以得到补强圈为工艺设计计算结果汇总与主要符号说明下面将计算结果进行汇总，分别列出：题目年产1002吨丙酮设计说明书流程布置逆流主体设备填料塔气液平衡关系Ye=2.088X塔高18.3m塔径700mm填料塑料鲍尔环液体分布器双排管式分布器填料支撑板栅格形支撑板封头标准椭圆形封头 1.吸收塔的吸收剂用量计算总表意义及符号结果混合气体处理量G2600m3/h气液相平衡常数m 2.088进塔气相摩尔分率y1 0.053出塔气相摩尔分率y2 0.0021进塔液相摩尔分率x10.0169出塔液相摩尔分率x2 0最小液气比L/V2.012混合气体平均式量 30.45g/mol混合气体的密度1.148k