丙酮—空气填料吸收塔__罗瑶

化工原理课程设计 题目 题目 分离丙酮 空气混合气体常压填料吸收塔的 工艺 学生姓名 学生姓名 罗瑶罗瑶 学学 号 号 0911403036 系系 别 别 化学与化学工程系化学与化学工程系 专专 业 业 制药工程制药工程 指导教师 指导教师 刘艳刘艳 起止日期 起止日期 2011 5 25 至至 2011 6 1 2011 年年 5 月月 30 日日 设计任务书及操作条件设计任务书及操作条件 1 设计题目 分离丙酮 空气混合气体常压填料吸收塔的工艺 2 设计条件 1 进入系统的混合气处理量 1440m3 h 2 原料 含丙酮 1 6 体积分数 的混合气体 以丙酮 空气二元体系 相对湿度70 进塔温度 35 3 吸收剂 25 的清水 4 丙酮的回收率为86 5 操作压力为常压 6 使用微分接触式的吸收设备 7 逆流操作 3 设计说明书的内容 1 吸收流程的确定 2 亨利常数 m 传质阻力系数的确定 3 工艺计算 包括物料衡算 最小气液比和实际气液比 4 塔工艺尺寸计算 包括塔径 塔高 5 塔板流体力学校核 包括压降 液泛 6 绘制吸收流程图 塔结构示意图 7 主题设备设计以及说明 8 附属设备的选择 冷却器 加热器等 目录 1 概述及设计方案简介 1 1 1 介绍 1 1 2 填料塔的结构及填料特性 1 1 3 设计方案简介 4 2 设计条件及主要物性参数 4 2 1 设计条件 4 2 2 物性参数 5 3 设计方案的确定 5 3 1 吸收工艺流程 5 4 物料计算 6 5 热量衡算 7 6 气液平衡曲线 8 7 吸收剂 水 的用量 Ls 9 8 塔底吸收液浓度 X1 10 9 操作线 10 10 塔径计算 11 11 填料层高度计算 13 12 填料层压降计算 16 13 填料塔的设计结果概要 17 14 课程设计总结 18 15 参考文献 19 16 附录 20 16 1 工艺流程图 20 0 1 1 概述及设计方案简介概述及设计方案简介 1 11 1 介绍介绍 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 6 0 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 在 塔内充以诸如瓷环之类的填料 液体自塔顶均匀淋下并沿瓷环 表面下流 气体通过填料间的空隙上升与液体做连续的逆流接 触 在这种设备中 气体中的可溶组分不断地被吸收 其浓度 自下而上连续地降低 液体则相反 其中可溶组分的浓度则由 上而下连续地增高 1 2 填料塔的结构及填料特性填料塔的结构及填料特性 1 填料塔的结构 塔体为一圆筒 筒内堆放一定高度的填料 操作时 液体 自塔上部进入 通过液体分布器均匀喷洒于塔截面上 在填料 表面呈膜状流下 填充高度较高的填料塔可将填料分层 各层 填料之间设置液体再分布器 收集上层流下的液体 并将液体 1 重新均布于塔截面 气体自塔下部进入 通过填料层中的空隙 由塔顶排出 离开填料层的气体可能夹带少量液沫 必要时可 在塔顶安装除沫器 1 2 2 填料特性的评价 气液两相在填料表面进行逆流接触 填料不仅提供了气液 两相接触的传质表面 而且促使气液两相分散 并使液膜不断 更新 填料性能可由下列三方面予以评价 1 比表面积 a 填料应具有尽可能多的表面积以提供液体铺展 形成较多 的气液接触界面 单位填充体积所具有的填料表面称为比表面 积 a 单位为 m2 m3 对同种填料 小尺寸填料具有较大的比表 面积 但填料过小不但造价高而且气体流动的阻力大 2 空隙率 在填料塔内气体是在填料间的空隙内通过的 流体通 过颗粒层的阻力与空隙率密切相关 为减少气体的流动阻力 提高填料塔的允许气速 处理能力 填料层应有尽可能大的 空隙率 对于各向同性的填料层 空隙率等于填料塔的自由截 面百分率 3 填料的几何形状 虽然填料形状目前尚难以定量表达 但比表面积 空隙率 大致接近而形状不同的两种填料在流体力学与传质性能上可有 显著区别 形状理想的填料为气液两相提供了合适的通道 气 体流动的压降低 通量大 且液流易于铺展成液膜 液膜的表 面更新迅速 因此 新型填料的开发主要是改进填料的形状 此外 理想的填料还需兼顾便于制造 价格低廉 有一定强 度和耐热 耐腐蚀性能 表面材质与液体的润湿性好等要求 1 2 3 几种常用填料 1 拉西环 拉西环填料于 1914 年由拉西 F Rashching 发明 为外 径与高度相等的圆环 拉西环填料的气液分布较差 传质效率 低 阻力大 通量小 目前工业上已较少应用 2 鲍尔环 鲍尔环填料是对拉西环的改进 在拉西环的侧壁上开出两 排长方形的窗孔 被切开的环壁的一侧仍与壁面相连 另一侧 向环内弯曲 形成内伸的舌叶 诸舌叶的侧边在环中心相搭 鲍尔环由于环壁开孔 大大提高了环内空间及环内表面的利用 率 气流阻力小 液体分布均匀 与拉西环相比 鲍尔环的气 体通量可增加 50 以上 传质效率提高30 左右 鲍尔环是 2 一种应用较广的填料 3 矩鞍填料 矩鞍填料 将弧鞍填料两端的弧形面改为矩形面 且两面 大小不等 即成为矩鞍填料 矩鞍填料堆积时不会套叠 液体 分布较均匀 矩鞍填料一般采用瓷质材料制成 其性能优于拉 西环 目前 国内绝大多数应用瓷拉西环的场合 均已被瓷矩 鞍填料所取代 4 阶梯环 阶梯环填料是对鲍尔环的改进 与鲍尔环相比 阶梯环高 度减少了一半并在一端增加了一个锥形翻边 由于高径比减少 使得气体绕填料外壁的平均路径大为缩短 减少了气体通过填 料层的阻力 锥形翻边不仅增加了填料的机械强度 而且使填 料之间由线接触为主变成以点接触为主 这样不但增加了填料 间的空隙 同时成为液体沿填料表面流动的汇集分散点 可以 促进液膜的表面更新 有利于传质效率的提高 阶梯环的综合 性能优于鲍尔环 成为目前所使用的环形填料中最为优良的一 种 5 金属环矩鞍填料 金属环矩鞍填料 环矩鞍填料 国外称为Intalox 是兼顾 环形和鞍形结构特点而设计出的一种新型填料 该填料一般以 金属材质制成 故又称为金属环矩鞍填料 环矩鞍填料将环形 填料和鞍形填料两者的优点集于一体 其综合性能优于鲍尔环 和阶梯环 6 格栅填料 格栅填料是以条状单元体经一定规则组合而成的 具有多 种结构形式 工业上应用最早的格栅填料为木格栅填料 目前 应用较为普遍的有格里奇格栅填料 网孔格栅填料 蜂窝格栅 填料等 其中以格里奇格栅填料最具代表性 格栅填料的比表面积较低 主要用于要求压降小 负荷大 及防堵等场合 在散装填料中应用较多 1 31 3 设计方案简介设计方案简介 1 确定设计方案的原则 1 满足工艺和操作的要求 2 满足经济上的要求 3 保证安全生产 3 三项原则在生产中都是同样重要的 但在化工原理课程设 计中 对第一个原则应作较多的考虑 而对第三个原则只要求 作一般的考虑 2 本设计按以下几个阶段进行 1 设计方案的确定和说明 根据给定任务 对吸收装置的 流程 操作条件 主要设备型式及其材质的选取等进行论述 2 塔的工艺计算 确定塔高和塔径 3 计算各主要工艺尺寸 进行流体力学校核计算 接管尺 寸 泵等 4 管路及附属设备的计算与选型 如冷凝器 加热器等 5 抄写说明书 6 绘制吸收装置工艺流程图和吸收塔的设备图 2 2 设计条件及主要物性参数 设计条件及主要物性参数 2 12 1 设计条件 设计条件 1 生产能力 0 2 x 90 05 0 1 y 混合气处理量 55 40kmol h 1440 m1440Gh 4 22 35273 273 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 塔顶逸出气体含丙酮体积分数为 1 6 4 操作压力 常压 2 22 2 物性参数物性参数 1 空气的分子量 29 丙酮的分子量 58 水的分子量 18 2 35 饱和水蒸气压强为5623 4 Pa 4 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 3 3 设计方案的确定设计方案的确定 3 1 3 1 吸收工艺流程吸收工艺流程 采用常规逆流操作 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 5 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 4 4 物料计算物料计算 1 进塔混合气中各组分的量 近似取塔平均操作压力为101 3 kPa 故 混合气量 55 40 kmol h 混合气中丙酮的量 55 40 0 016 0 8864 kmol h 0 8864 58 51 41 kg h 查附录 35 饱和水蒸气压强为5623 4 Pa 则相对湿度为 70 的混合气中含水蒸气量 水气 kmol 空气十丙酮 hkmol 0404 0 4 56237 010 3 101 7 0 4 5623 3 混合气中水蒸气含量 00227 0 86 0 1864 8051 12626 352 86 0 18864 0 2 y 2 151 18 38 72 kg h 混合气中空气量 55 4 0 8864 2 151 52 3626 kmol h 52 3626 29 1518 5154kg h 2 混合气进出塔的 物质的量的比 组成 已知 0 016 则 1 y 00227 0 86 0 1864 8051 12626 352 86 0 18864 0 2 y 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 52 3626 2 151 54 5136 kmol h 1518 5154 38 72 1557 24 h kmol 丙酮 kmol 惰气 16 00 136 554 864 80 1 Y kmol 丙酮 kmol 惰气 0228 00 136 554 86 01 864 80 2 Y 4 出塔混合气量 出塔混合气量 54 5136 0 8864 0 14 54 66 kmol h 1557 24 51 41 0 14 1564 44 kg h 6 5 5 热量衡算热量衡算 热量衡算为计算液相温度的变化以判明是否为等温吸收过 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 塔的保温良好 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 30230 10467 5 40697 5 kJ kmol 均d 吸收液 依水计 平均比热容 75 366 kJ kmol L C 通过下式计算 n t 1 d nn L H tt C 均 nn 1 x x 对低组分气体吸收 吸收液浓度很低时 依惰性组分及比摩 尔浓度计算较方便 故上式可写为 40697 6 25 75 366 L tX 依上式 可在 x 0 000 0 018 之间 设系列 x 值 求出相 应 x 浓度下吸收液的温度 计算结果列于表1 第 l 2 列中 L t 由表中数据可见 浓相浓度x 变化 0 002 时 温度升高 1 08 依此求取平衡线 表 5 1 各液相浓度下的吸收液温度及相平衡数据 X tL E kPam E p Y 103 025 00211 52 0880 0 00226 08223 92 2104 420 0 00427 16236 92 3389 352 0 00628 24250 62 47414 844 0 00829 32264 92 61620 928 0 01030 40280 02 76427 644 0 01231 48295 82 92035 045 7 0 01432 56312 43 08443 177 0 01633 64329 83 25652 090 0 01834 72348 03 43561 839 注 1 与气相浓度相平衡的液相浓度X1 0 0162 故取 1 Y 0 017 n X 2 平衡关系符合亨利定律 与液相平衡的气相浓度可用 Y 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 6 6 气液平衡曲线气液平衡曲线 当 t 15 45 时 丙酮溶于水其亨利系数E 可用下式计 算 1gE 9 171 2040 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 L t P E 相应 E 值及相平衡常数m 值列于表 1 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 Y Y 中 1 中第 5 列 根据 X 数据 绘制 X Y 平衡曲线 0E 如图 6 1 所 Y 示 8 0 002 0 0000 0020 0040 0060 0080 0100 0120 0140 0160 018 0 000 0 005 0 010 0 015 0 020 0 025 0 030 0 035 0 040 0 045 0 050 0 055 0 060 Y X OE 图 6 1 7 7 吸收剂 水 的用量吸收剂 水 的用量 LsLs 由图 6 1 查出 当 Y1 0 016 时 X1 0 0062 依下式式计 算最小吸收剂用量 minS L 54 5136 120 63 kmol h 12 min 12 SB YY LV XX 0062 0 0 00228 0 016 Ls 1 1 2 0 取 Ls 1 7 minS L minS L 故 Ls 1 7 120 63 205 077 kmol h 205 077 18 3691 38 h 9 8 8 塔底吸收液浓度塔底吸收液浓度 X1X1 依物料衡算式 B V 12 YY S L 12 XX 54 5136 0 0036 1 X 77 0205 0 00228 0 016 9 9 操作线操作线 依操作线方程式 X 0 00228 22 SS BB LL YXYX VV 136 554 77 0205 Y 3 76X 0 0053 由上式求得操作线绘于附图中 Y 0 0 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 0 002 0 004 0 006 0 008 0 010 0 012 0 014 0 016 0 018 X Y Y 10 图图 9 9 1 1 10 10 塔径计算塔径计算 塔底气液负荷大 依塔底条件 混合气 35 101 325kPa 查表 1 吸收液 30 13 计算 图 10 1 通用压降关联图 图中 V L 分别为气液相流率 kg h G L 分别为气液相密度 kg 3 液相粘度 mPa s 液相密度核正系数 水 液 实验测取的填料因子 各种填料的 值载于填料性能表 中 g 重力加速度 m s2 u 0 6 0 8 4 S V D u F u 1 采用 Eckert 通用关联图法 图 10 1 计算泛点气速 F u 11 有关数据计算 塔底混合气流量V S 1518 5154 51 41 38 72 1608 65 kg h 吸收液流量 L 3691 38 0 8864 0 86 58 3735 59 kg h 进塔混合气密度 1 15 kg 混合气浓 G 4 22 29 35273 273 3 m 度低 可近似视为空气的密度 吸收液密度 995 65 kg L 3 m 吸收液黏度 0 7993 mPa s L 经比较 选 DG50mm 塑料鲍尔环 米字筋 查 化工原 理 教材附录可得 其填料因子 120 比表面积 1 m A 106 4 23 mm 关联图的横坐标值 1 2 1 2 0 079 V L L G 5 61608 9 53735 65 995 15 1 由图 2 查得纵坐标值为0 138 即0 2 0 2 0 0135 L L G 2 F g 7993 0 65 995 15 1 81 9 120 2 F 2 F u 0 138 故液泛气速 3 20 m s F u 0135 0 138 0 2 操作气速 u 0 6 0 6 3 20 1 92 m s F u 3 塔径 0 151 m 515 mm 4 S V D u 92 1 785 0 3600 1440 取塔径为 0 6m 600 mm 4 核算操作气速 U 1 4 m s 2 60785 0 3600 1440 F u 5 核算径比 D d 1400 50 28 满足鲍尔环的径比要求 6 喷淋密度校核 依 Morris 等推专 d 75mm 约环形及其它填料的最小润湿 速率 MWR 为 0 08 m h 3 m 最小喷淋密度 0 08 106 4 8 512 m2 h min L 喷 M W R A 3 m 12 因 13 28 m h L喷 2 60785 065 995 9 53735 3 m 故满足最小喷淋密度要求 11 11 填料层高度计算填料层高度计算 计算填料层高度 即 Z 1 2 Y B OGOG Y Ya VdY HN KYY 1 传质单元高度计算 OG H OG H B Ya V K 其中 化工单元操作及设备 Ya K Ga KP 111 GaGaLa KkHk 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 L k G k La k Ga k 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 15 kg G 3 m 前已算出 0 01885 查附录 1 09 G 3 10 Pa sG D 依翻 Gilliland 式估算 5 10 2 ms 液体性质 以塔底 30 13 水为准 995 65 L kg 0 7993 Pa s 1 451 以 3 mL 3 10 L D 9 10 2 ms 式计算 化学工程手册 式中为溶 12 0 6 7 4 10 L LA D V 0 5 s m T A V 质在常压沸点下的摩尔体积 为溶剂的分子量 为溶剂 s m 的缔合因子 71 6 N m 查化工原理附录 L 3 10 气体与液体的质量流速 LG 3 67 2 60785 0 3600 9 53735 kg 2 m s VG 1 58 2 60785 03600 5 61608 kg 2 m s 13 塑料鲍尔环 乱堆 特性 50Dgmm 50mm 0 05m A 106 4 40dy cm 40 10 3 N m 查 p d 23 mmC 化学工程手册 第12 篇 气体吸收 有关形状系数 1 45 鲍尔环为开孔环 依式 2 0 2 2 05 0 2 1 0 75 0 2 45 1 exp1 g L GL L G t G g aL La Lc at aw t 1 45 0 75 0 1 1 exp 3 3 106 71 1040 3 107993 0 4 106 7 63 0 05 0 2 81 9 65 995 4 1067 63 2 2 4 10610 6 7165 995 7 63 3 2 1 45 0 646 1 457 1 554 0 28 1 exp 0 594 0 406 1 exp 故 0 406 106 4 43 20 w a w a A A 23 mm 依式 KL 0 0051 2 3 1 2 1 3 atdp 0 4 Lt G a L LL L D L Lg 0 0051 2 3 3 107993 0 0 243 7 63 9 3 10451 1 65 995 107993 0 1 2 1 3 5 32 0 4 65 995 81 9 107993 0 3 0 0051 22 44 0 0427 0 0199 1 95 1 90 10 4 m s 依式 kG 5 23 0 7 1 3 atdp 2 Gt G a V GG G D RT DaGt 5 23 0 7 1 3 5 32 5 10885 14 106 8 51 5 5 1009 1 15 1 10885 1 308314 8 1009 1 4 106 5 2 5 23 106 533 1 146 4 529 10 7 0 035 1 01 10 5 kmol m2 S kPa 14 故 1 90 43 20 8 21 10 3 m s LLw k ak a 4 10 1 01 10 5 43 20 4 36 10 4 GGw k ak a 2 kmolm s kPa 2 计算 Y K a 而 H 化工单元操作及 Y K a G K aP 111 GaGaLa KkHk L S EM 设备 由于在操作范围内 随液相组成和温度的增加 L t m E 亦变 故本设计分为两个液相区间 分别计算 I 和 G K a II G K a 区间 I X 0 0095 0 005 为 I G K a 区间 II X 0 005 0 为 II G K a 由表 1 知 2 60 kPa 0 213 I E 2 10I H L IS E M 181060 2 65 995 2 3 kmolm kPa 2 27 kPa 0 244 II E 2 10II H L IIS E M 181027 2 65 995 2 3 kmolm kPa 1814 76 I 1 aKG 4 1092 6 1 2 1027 1 213 0 1 5 51 10 4 Ga I K 76 1814 1 3 kmolm S kPa P 5 51 10 4 101 3 0 056 Ya I K Ga I K 3 kmolm S 1767 79 II 1 aKG 4 1092 6 1 2 1027 1244 0 1 5 66 10 4 Ga II K 3 kmolm S kPa 5 66 10 4 101 3 0 057 Ya IIGa II KKP 3 kmolm S 3 计算 OG H 1 19m OG I H IY B aK V 2 4 1785 0 056 0 3600 66 367 1 16 m OG II H IIaK V Y B 2 4 1785 0 057 0 3600 66 367 4 传质单元数计算 OG N 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 两个区间内对应的 OG N 15 X Y Y 浓度关系如下 组成III X0 0095 0 0050 005 0 Y0 053 0 03030 0303 0 0053 Y 0 0269 0 01200 0120 0 NOG 化工单元操作及设备 mY YY 21 化工单元操作及设备 ln 22 11 2211 YY YY YYYY Ym 0 0047 mY 000228 0 0075 0 016 0 ln 000228 0 075 00016 0 2 92m OG NI 0047 0 00228 0016 0 0 0105 mY 0016 0 000228 0 ln 0016 0000228 0 1 31 m OG NII 0105 0 00228 0016 0 3 填料层高度 z 计算 Z Z1 十 Z2 HOG I NOG I HOG II NOG II 1 19 2 92 十 1 16 1 31 4 99 m 取 25 富余量 则完成本设计任务需Dg50mm 塑料鲍尔环的 填料层高度 z 1 25 4 99 6 24m 12 12 填料层压降计算填料层压降计算 取图 10 1 通用压降关联图 横坐标值 0 100 前已算出 将操作气速 1 766m s 代替纵坐标中的查表 DG50mm u F u 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 81 9 125766 1 2 65 995 15 1 0 7993 0 2 0 044 16 查图 2 内插 得 P 40 9 81 392 4Pa m 填料 全塔填料层压降 P 6 24 392 4 2448 58Pa 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