丙酮-水吸收设计.doc

目录概 述2一 设计任务及操作条件2二 设计方案的确定3三 物料计算3四 热量衡算4五 气液平衡曲线5六 吸收剂(水)的用量Ls 6七 塔底吸收液浓度X1 6八 操作线6九 塔径计算6十 填料层高度计算9十一 填科层压降计算 13十二 填料吸收塔的附属设备13十三 填料塔的设计结果概要15十四 主要符号说明16十五 参考文献17十六 课程设计总结18 概述 在化工、炼油、医药、食品及环境保护等工业部门，塔设备是一种重要的单元操作设备。其作用实现气液相或液液相之间的充分接触，从而达到相际间进行传质及传热的过程。它广泛用于蒸馏、吸收、萃取、等单元操作，随着石油、化工的迅速发展，塔设备的合理造型设计将越来越受到关注和重视。塔设备有板式塔和填料塔两种形式，下面我们就填料塔展开叙述。 填料塔的基本特点是结构简单，压力降小，传质效率高，便于采用耐腐蚀材料制造等，对于热敏性及容易发泡的物料，更显出其优越性。过去，填料塔多推荐用于0.60.7m以下的塔径。近年来，随着高效新型填料和其他高性能塔内件的开发，以及人们对填料流体力学、放大效应及传质机理的深入研究，使填料塔技术得到了迅速发展。 气体吸收过程是化工生产中常用的气体混合物的分离操作，其基本原理是利用气体混合物中各组分在特定的液体吸收剂中的溶解度不同，实现各组分分离的单元操作。板式塔和填料塔都可用于吸收过程，此次设计用填料塔作为吸收的主设备。 水吸收丙酮填料塔设计一 设计任务和操作条件 混合气（空气、丙酮蒸气）处理量1500mh; 进塔混合气含丙酮体积分数1.82%；相对湿度70%；温度35； 进塔吸收剂（清水）的温度为25； 丙酮回收率90%； 操作压力为常压。二 设计方案的确定 （1）吸收工艺流程采用常规逆流操作流程流程如下： 流程说明:混合气体进入吸收塔，与水逆流接触后，得到净化气排放；吸收丙酮后的水，经取样计算其组分的量，若其值符合国家废水排放标准，则直接排入地沟，若不符合，待处理之后再排入地沟。三 物料计算 （1）进塔混合气中各组分的量近似取塔平均操作压力为101.3kPa,故：混合气量=1500（）=59.36kmolh混合气中丙酮量=59.360.0182=1.08kmolh=1.0858=62.64h查附录，35饱和水蒸气为5623.4Pa，则相对湿度为70%的混合气中含水蒸气量= =0.0404kmol（水气）kmol（空气+丙酮）混合气中水蒸气的含量= =2.31kmolh=2.3118=41.58h混合气中空气量=59.36-1.08-2.31=55.97kmolh=55.9729=1623h （2）混合气进出塔（物质的量）组成已知：，则 （3）混合气进出塔（物质的量比）组成若将空气与水蒸气视为惰气，则 惰气量=55.97+2.31=58.28kmolh =1623+41.58=1664.6h =0.0185kmol（丙酮）kmol（惰气） 0.00185kmol（丙酮）kmol（惰气） （4）出塔混合气量出塔混合气量=58.28+1.080.1=58.388kmolh=1670.8h四 热量衡量 热量衡量为计算液相温度的变化以判断是否为等温吸收过程。假设丙酮溶于水放出的热量全被水吸收，且忽略气相温度变化及塔的散热损失（塔保温良好）。 查化工工艺算图第一册，常用物料物性数据，得丙酮的微分溶解热（丙酮蒸气冷凝热及对水的溶解热之和）： KJKmol 吸收液平均比热容=75.366 KJ（Kmol.）,通过下式计算 = 对低组分气体吸收，吸收液组成很低时，依惰性组分及比摩尔浓度计算方便，故上式可写成 ： X 即可在X=0.000之间，设系列X值，求出相应X组成下吸收液的温度，计算结果列于表（1）第1，2列中。由表中数据可见，液相X变化0.001时，温度升高0.54，依此求取平衡线。表（1） 各液相浓度下的吸收液温度及平衡数据X/E/kPam（=E/p）0.00025.00211.52.0880.0000.00125.54217.62.1482.1480.00226.08223.92.2104.4200.00326.62230.12.2726.8160.00427.16236.92.3389.3520.00527.70243.72.40612.0250.00628.24250.62.47414.8440.00728.78257.72.54417.8080.00829.32264.962.61620.928 注：1.与气相称平衡的液相=0.0072,故取=0.008； 2.平衡关系符合亨利定律，与液相平衡的气相含量可用=mX表示； 3.吸收剂为清水，x=0，X=0; 4近似计算中也可视为等温吸收。五 气液平衡曲线 当x0.01，t=1545时，丙酮溶于水其亨利系数E可用下式计算： =9.1712040（t+273） 查化学工艺算图第一册.常用物料特性数据，由前设X值求出液温，通过上式计算相应E值，且m=，分别将相应E值及相平衡常数m值列于表4-16中的第3，4列。由=mX求取对应m及X时的气相平衡组成，结果列于表中4-16中第5列。根据X-数据，绘制X-Y平衡曲线0E，如图1所示。六 吸收剂（水）的用量 由图1查出，当=0.0185，=0.0072,依下式式计算最小吸收剂用量。=134.8kmolh=1.12.0 取故 =1.7134.8=229.2kmolh=4126h七 塔底吸收液根据式 有 八 操作线依操作线方程式 得 Y =X+0.00185=3.933X+0.00185九 塔径计算 塔底气液负荷大，依塔底条件(混合气35)，101.325kPa，查表可知，吸收液27.16计算。 u =（0.60.8） （1）采用Eckert通用关联图法(图2)计算泛点气速 有关数据计算塔底混合气流量162362.6441.581727kgh吸收液流量41261.080.9584182kgh图2 通用压降关联图 进塔混合气密度1.15kg (混合气浓度低，可近似视为空气的密度)吸收液密度996.7kg/吸收液黏度0.8543mPas经计算，选DG50mm塑料鲍尔环。查化工原理教材附录可得，其填料因子=120，比表面积A106.4 关联图的横坐标值 ()1/2=()1/2 =0.082 由图2查得纵坐标值为0.146 即0.2=0.2=0.0137=0.146故液泛气速=3.264m/s (2)操作气速 u0.60.63.264 1.96m/s (3)塔径 = 0.52 m=520mm取塔径为600mm。 (4)核算操作气速 U=1.474m/s (5)核算径比 D/d600/5012，满足鲍尔环的径比要求。 (6)喷淋密度校核 依Morris等推专，d75mm约环形及其它填料的最小润湿速率(MWR)为0.08(mh),故：最小喷淋密度0.08106.48.512 /(m2h)因 14.6/(.h)故满足最小喷淋密度要求。十 填料层高度计算 计算填料层高度，即：Z(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35，101.3kPa空气计)：1.15 kg/ (前已算出)；0.01885 (查附录)；109（依翻Gilliland式估算)。液体性质(以塔底2716水为准)：996.7 kg/；0.8543Pas；716Nm(查化工原理附录）；=1.344 (以式计算)，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。气体与液体的质量流速：=4.1=1.7塑料鲍尔环(乱堆)特性：50mm0.05m;A106.4;=40dy/cm=4010-3 N/m;查化学工程手册，第12篇，气体吸收，有关形状系数，=1.45。 依式 =-1.45（）0.75（）0.1（）- 0.05（）0.2 =-1.45（0.646）（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)=1.79510-337.3=7.0010-2kmol/(m2skPa) (2)计算，而，H=。由于在操作范围内，随液相组成和温度的增加，m (E)亦变，故本设计分为两个液相区间，分别计算(I)和(II) 区间I X0.0040.002(为(I) 区间II X0.0020 (为(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)计算=0.304m= =0.289m （4）传质单元数组成IIIX0.0040.0020.0020Y0.01760.00970.00970.00185Y*0.009350.004420.004420据下式计算 NOG= （5）填料层高度Z计算 Z= =0.3041.2+0.2892.4=1.0584m 取25%余量，则完成本设计任务需DG塑料鲍尔环的填料层高度Z=1.251.0584=1.4m十一 填料层压降计算取图2(通用压降关联图)横坐标值0.082(前已算出)；将操作气速(1474m/s) 代替纵坐标中的查表，DG50mm塑料鲍尔环的压降填料因子125代替纵坐标中的则纵标值为： ()(0.8543)0.2=823.9Pa查图2(内插)得 P=249.81=235.4Pa/m 填料全塔填料层压降 =3.5235.4=823.9Pa至此，吸收塔的物科衡算、塔径、填料层高度及填料层压降均已算出。关于吸收塔的物料计算总表和塔设备计算总表此处从略。十二 填料吸收塔的附属设备 1、填料支承板分为两类：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。 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。 3、气体进出口装置和排液装置 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度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。气体出口既要保证气流畅通，又要尽量除去夹带的液 沫。最简单的装置是除沫挡板（折板），或填料式、丝网式除雾器。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。注：(1)本设计任务液相负荷不大，可选用排管式液体分布器；且填料层不高，可不设液体再分布器。 (2)塔径及液体负荷不大，可采用较简单的栅板型支承板及压板。其它塔附件及气液出口装置计算与选择此处从略。十三 填料塔的设计结果概要项 目数 据备 注混合气摩尔流率kmol/h59.36清水密度kg/m3997.025清水摩尔流量kmol/h229.2清水质量流量kg/h4126泛点气速m/s3.264泛点率0.6塔径m0.6喷淋密度m3/m2h14.6全塔填料层压降Pa823.9吸收剂出口浓度0.004相平衡常数2.210X=0.002相平衡常数2.338X=0.004气相浓度对数平均值0.0066X（1）0.0040.002气相浓度对数平均值0.00327X（2）0.0020传质单元数1.2X（1）传质单元数2.4X（1）实际气速m/s1.96气相传质单元高度m0.304X（1）气相传质单元高度m0.289X（2）填料层高度m1.4十四 主要符号说明E亨利系数， 气体的粘度，Pa/s 平衡常数 水的密度和液体的密度之比 重力加速度， 分别为气体和液体的密度， kg/分别为气体和液体的质量流量，气相总体积传质系数， kmol/s填料层高度，m 塔截面积，m2气相总传质单元高度，m 气相总传质单元数以分压差表示推动力的总传质系数，kmol/(m2skPa)单位体积填料的润湿面积 , 以分压差表示推动力的气膜传质系数，kmol/(m2skPa)溶解度系数，kmol/(m2kPa)以摩尔浓度差表示推动力的液摩尔传质系数，气体通过空塔截面的质量流速，kg/(m2s)气体常数， 8.314J/molK 溶质在气相中的扩散系数， 十五 参考文献1 匡国柱，史启才编著. 化工单元过程及设备课程设计.化学工业出版社,20022 王明辉编著.化工单元过程课程设计. 化学工业出版社, 20073 时钧,汪国鼎,余国琮,陈敏恒编著.学工程手册. 化化学工业出版社, 19964 冷士良,陆清,宋志轩编著. 化工单元操作及设备. 化学工业出版社, 20075 王红林,陈砺,编著. 化工设计. 华南理工大学出版社, 20056 涂晋林,吴志泉编著. 化工工业中的吸收操作. 华南理工大学出版社, 19947 潘国昌, 郭庆丰编