水吸收丙酮吸收塔设计.doc

吉林化工学院化工原理课程设计目录目录I摘要III第1章 绪论11.1吸收技术概况11.2吸收设备的发展11.3吸收在工业生产中的应用2第2章 设计方案32.1 吸收剂的选择32.2 吸收流程的选择32.3吸收塔设备及填料的选择42.4 吸收参数的选择5第3章 吸收塔的工艺计算63.1 基础物性数据63.1.1 液相物性数据63.1.2 气相物性数据63.1.3 气液相平衡数据63.2 物料衡算73.3 填料塔的工艺尺寸的计算73.3.1 塔径的计算73.3.2 填料塔填料层高度的计算93.4 塔附属高度的计算123.5 液体初始分布器和再分布器的选择与计算123.5.1 液体分布器123.5.2 液体再分布器123.5.3 塔底液体保持管高度133.6 其他附属塔内件选择的选择133.7 吸收塔的流体力学参数计算133.7.1 吸收塔的压力降133.7.2 吸收塔的泛点率143.7.3 气体动能因子143.8 附属设备的计算与选择153.8.1 离心泵的选择与计算153.8.2 吸收塔的主要接管尺寸的计算16结论18主要符号说明19主要参考文献20附录21结束语23教师评语2424摘要气液两相的分离是通过它们密切的接触进行的，在正常操作下，气相为连续相而液相为分散相，气相组成呈连续变化，气相中的成分逐渐被分离出来，属微分接触逆流操作过程。填料塔具有较高的分离效率，因此根据丙酮和空气的物理性质和化学性质分析，应该采用填料塔来分离气相中的丙酮。本次设计任务是针对二元物系的吸收问题进行分析、设计、计算、核算、绘图，是较完整的吸收设计过程，并通过对填料塔及其填料的计算，可以得出填料塔和填料及附属设备的各种设计参数。由于此分离技术较成熟分离效率也很高所以在工程应用上特别广。关键词：纯水、丙酮、填料、填料塔、填料层高度第1章 绪论在化学工业中，经常需将气体混合物中的各个组分加以分离，其目的是：1）回收或捕获气体混合物中的有用物质，以制取产品；2）除去工艺气体中的有害成分，使气体净化，以便进一步加工处理；或除去工业放空尾气中的有害物，以免污染大气。 实际过程往往同时兼有净化与回收双重目的。 气体混合物的分离，总是根据混合物中各组分间某种物理性质和化学性质的差异而进行的。根据不同性质上的差异，可以开发不同的分离方法。吸收操作仅为其中之一，它根据混合物各组分某种溶剂中溶解度的不同而达到分离的目的。1.1吸收技术概况在化工生产中所处理的原料、中间产物、粗产品等几乎都是混合物，而且大部分是均相物系。为了进一步加工和使用长需将这些混合物分离为较纯净或者几乎纯态的物质。对于均相物系必须要造成一个两项物系，利用远物系中各组分间某物性的差异而使其中某个组分从一相转到另一相，以达到分离的目的。是分离混合物于是当的液体接触，气体中的一个或者几个组分溶解于液体中，不能溶解的组分仍保留在气相中，于是的得到了分离。这种利用各组分在溶液中溶解度的差异使气体中不同组分分离的操作称为吸收。1.2吸收设备的发展吸收塔是完成吸收操作的设备，塔设备的主要作用是为了气液两相提供充分接触的表面，使相间的传质与传热过程能够充分有效的进行，并能使接触之后的气液两相及时分离并并不夹带。工业中啥用的吸收塔的主要类型有板式塔、填料塔、湍球塔、喷洒塔和喷射式吸收器等。其中最常用的有填料塔与板式塔。填料塔是使用最广泛的一种塔形，填料塔由填料塔内件及塔体结构组成。填料塔中装有如瓷环之类的填料，气体接触在填料中进行。它的优点是生产能力大，分离效率高，阻力小，操作弹性大，结构简单，易用耐磨腐蚀材料，造价低。缺点是塔径大气液两相接触易不均匀，效率低。板式塔是由一个圆筒形外壳及其中装置若干块水平塔板构成，板式塔中装有筛孔塔板，气液两相在塔板上鼓泡进行接触。1.3吸收在工业生产中的应用气体吸收在化工生产中的应用大致有以下几种。 (1) 制备液体产品。如用水吸收HCL气体制备盐酸等。(2) 分离、净化或者精制气体。如用水脱除合成氨原料其中的,用丙酮脱除室友裂解气中的乙炔等。(3) 回收有用物质。工艺尾气中含有一些有价值的物质。通过吸收可以为这些物质找到新的用途，如用洗油脱除焦炉气中苯、甲苯等芳香烃的操作。(4) 出去工业尾气中的有害组分，达到环保的目的。例如出去尾气中的,等，以免大气污染。随着工业的发展要求工业尾气中的有害组分的含量越来越少。第2章 设计方案2.1 吸收剂的选择吸收是气体溶质在吸收剂中溶解的过程。因此，吸收剂性能的优劣往往是决定吸收效果的关键。选择吸收剂应注意以下几点。 (1) 溶解度 吸收剂对溶质组分的溶解度越大，这样队誉一定量的混合气体所需的吸收剂的用量可以少，同时因溶解度大，溶质的平衡分压低，吸收过程的推动力大，传质速率高，吸收设备尺寸可以减少。(2) 吸收剂应对溶质具有良好的选择性，即对溶质的溶解度大，而对混合气中其他组分的溶解度小。(3) 混合气中溶质的浓度不同。应选用不同的吸收剂，当溶质浓度较高时可选用物理吸收剂，溶解其中的大部分溶质；当溶解度较低时可选不用一种与溶质发生快速反应的化学吸收剂；当溶质浓度更低时，应选用一种能与溶质发生不可逆反应的化学吸收剂，但是其价格较贵，还可以产生固体物质。(4) 吸收剂的挥发度要小，以减少吸收过程中的损耗。(5) 若吸收液不是产品则其中的吸收剂影视易解吸而再生循环使用。(6) 吸收剂的黏度要小，有利于气液两相接触良好，提高传质速率。(7) 吸收应具有化学稳定性，不易燃，无腐蚀性，无毒，仪的，价廉等优点。2.2 吸收流程的选择1.气体吸收过程通常按以下方法分类。 (1) 单组分吸收与多组分吸收:吸收过程按被吸收组分数目的不同，可分为单组分吸收和多组分吸收。若混合气体中只有一个组分进入液相，其余组分不溶（或微溶）于吸收剂，这种吸收过程称为单组分吸收。反之，若在吸收过程中，混合气中进入液相的气体溶质不止一个，这样的吸收称为多组分吸收。 (2) 物理吸收与化学吸收: 在吸收过程中，如果溶质与溶剂之间不发生显著的化学反应，可以把吸收过程看成是气体溶质单纯地溶解于液相溶剂的物理过程，则称为物理吸收。相反，如果在吸收过程中气体溶质与溶剂(或其中的活泼组分)发生显著的化学反应，则称为化学吸收。 (3) 低浓度吸收与高浓度吸收: 在吸收过程中，若溶质在气液两相中的摩尔分率均较低（通常不超过0.1），这种吸收称为低浓度吸收；反之，则称为高浓度吸收。对于低浓度吸收过程，由于气相中溶质浓度较低，传递到液相中的溶质量相对于气、液相流率也较小，因此流经吸收塔的气、液相流率均可视为常数。 (4) 等温吸收与非等温吸收: 气体溶质溶解于液体时，常由于溶解热或化学反应热，而产生热效应，热效应使液相的温度逐渐升高，这种吸收称为非等温吸收。若吸收过程的热效应很小，或虽然热效应较大，但吸收设备的散热效果很好，能及时移出吸收过程所产生的热量，此时液相的温度变化并不显著，这种吸收称为等温吸收。 2.吸收装置的流程主要有以下几种。 （1）逆流操作 气相自塔底进入塔顶排出，液相自塔顶进入塔底排出，此即逆流操作。逆流操作的特点是，传质平均推动力大，传质速率快，分离效率高，吸收剂利用率高。工业生产中多采用逆流操作。 （2）并流操作 气液两相均从塔顶流向塔底，此即并流操作。并流操作的特点是，系统不受液流限制，可提高操作气速，以提高生产能力。并流操作通常用于以下情况：当吸收过程的平衡曲线较平坦时，流向对推动力影响不大；易溶气体的吸收或处理的气体不需要吸收很完全；吸收剂用量特别大，逆流操作易引起液泛。 （3）吸收剂部分再循环操作 在逆流操作系统中，用泵将吸收塔排出液体的一部分冷却后与补充的新鲜吸收剂一同送回塔内，即为部分再循环操作。通常用于以下情况：当吸收剂用量较小，为提高塔的液体喷淋密度；对于非等温吸收过程，为控制塔内的温升，需取出一部分热量。该流程特别适宜于相平蘅常数m植很小的情况，通过吸收液的部分再循环，提高吸收剂的使用效率。应予指出，吸收剂部分再循环操作较逆流操作的平均推动力要低，且需要设置循环泵，操作费用增加。（4）多塔串联操作 若设计的填料层高度过大，或由于所处理物料等原因需要经常清理调料，为便于维修，可把填料层分装在几个串联的塔内，每个吸收塔通过的吸收剂和气体量都相等，即为多塔串联操作。此种操作因塔内需要留较大空间，输液、喷淋、支承板等辅助装置增加，使设备投资加大。（5）串联并联混合操作 若吸收过程处理的液量很大，如果用通常的流程，则液体在塔内的喷淋密度过大，操作气速势必很小（否则易引起塔的液泛），塔的生产能力很低。实际生产中可采用气相作串联、液相作并联的混合流程。 本实验任务用水吸收丙酮，为了提高传质效率和吸收剂的利用率，所以选用逆流吸收流程，以为用水左吸收剂且丙酮不作为产品所以采用纯溶剂吸收。2.3吸收塔设备及填料的选择 1吸收塔设备的选择对于吸收过程，塔设备有多种，如何选择合适的类型是进行工业设计的首要工作。而进行这一项工作则主要对吸收过程进行充分的研究后，并经过多方案对比方能得到较满意的结果。一般而言，吸收用塔设备与精馏过程所需要的塔设备具有相同的原则要求，即用较小直径的塔设备完成规定的处理量，塔板或填料层阻力要小，具有良好的传质性能，具有合适的操作弹性，结构简单，造价低，易于制造、安装、操作和维修等。但作为吸收过程，一般具有操作液气比大的特点，因而更适用于填料塔。此外，填料塔阻力小，效率高，有利于过程节能，所以对于吸收过程来说，以采用填料塔居多。但在液体流率很低难以充分润湿填料，或塔径过大，使用填料不很经济的情况下，以采用板式塔为宜。在本实验任务中考虑生产能力，压力降，操作弹性、结构、造价等综合因素，填料塔优于板式塔，故在吸收过程中选用吸收塔。2填料的选择 塔填料是填料塔中气液接触的基本构件，其性能的优劣是决定填料塔操作性能的主要因素，因此，塔填料的选择是填料塔设计的重要环节。 根据该物系物性可选用塑料阶梯环的散装填料。 阶梯环是对鲍尔环的改进。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。锥形翻边不仅增加了填料的机械强度，而且使填料表面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。由于该过程处理量不大，所以所用的塔直径不会太大，以采用填料塔较为适宜，所以采用聚丙烯阶梯环填料。其主要性能参数为：比表面积 =132.5m孔隙率 =0.91形状修正系数 =1.45填料因子 =175.8mA=0.2042.4 吸收参数的选择吸收过程的操作参数主要包括吸收（或再生）压力、吸收（或再生）温度以及吸收因子（或解吸因子）。这些条件的选择应充分考虑前后工序的工艺参数，从整个过程的安全性、可靠性、经济性出发，利用过程的模拟计算，经过多方案对比优化得出过程参数。（1） 操作压力选择本任务中已经给出是常压操作，所以不需要再对其进行考虑。（2） 操作温度选择本任务中已经给出操作温度是25 （3） 吸收因子和解吸因子选择第3章 吸收塔的工艺计算3.1 基础物性数据3.1.1 液相物性数据 对低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。 由手册查得：25水的有关物性数据如下：密度为：L=996.95 kg/m3粘度为：L=0.8937mPas =3.217 kg/（mh）表面张力：L=71.94 dyn/cm =932342.4 kg/h2 丙酮在水中的扩散系数：3.1.2 气相物性数据 混合气体的平均摩尔质量为： M=0.04*58.02+0.96*29=30.15（g/mol）=30.16（kg/kmol） 混合气体的平均密度为： =1.232（kg/m3） 混合气体的粘度可近似取为空气的粘度查手册得：=1.81*10 Pas=0.065（kg/（mh） 丙酮在空气中的扩散系数为：3.1.3 气液相平衡数据 25下该系统的平衡关系为：y=1.75x 即相平衡常数为：m=1.75 亨利系数为： E=mP=1.75*101.3=177.275（kPa） 溶解度系数为： H=0.312（kmol/（kPam3）3.2 物料衡算丙酮的摩尔分率为0.04进塔气相摩尔比为： Y1=0.04167出塔气相摩尔比为： Y2=Y1（1-）=0.04167（1-0.98）=0.000833进塔惰性气相流量为： （kmol/h）该吸收过程属低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算，即： （）=对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为：X2=0 （）=1.715取操作液气比为： （）=1.5（）=1.51.715=2.572 L=2.572=124.202（kmol/h） V（Y1-Y2）=L（X1-X2） X1=3.3 填料塔的工艺尺寸的计算3.3.1 塔径的计算 气相质量流量为：WV=12301.232=1515.36（kg/h） 液相质量流量为可近似按纯水的流量计算，即： （kg/h） 根据贝恩-霍根关联式计算填料的泛点4 Lg（）（）=A-K（）（） 式中：泛点气速 m/s g：重力加速度 9.81m/s2 ：填料总比表面积 m2/m3 ，：气相，液相密度 kg/m3 ：液体粘度 mPas ，：液相，气相的质量流量 kg/hA， K：关联常数 由此式计算泛点气速误差在15%以内4 本任务中：g=9.81（m/ s2） 查手册得：=132.5（m2/m3） =91% A=0.2044 K=1.754=1.232（kg/m3） =996.95（g/m3）=0.8937（mPas） =2238.120（kg/h）=1515.36（kg/h） = = =3.2488（m/s） 液泛点是填料塔的操作上限，设计点的气速通常取泛点气速的50%-80% =0.7（m/s） 由D=（m） 塔径一般为0.3-1.4m，圆整塔径取D=0.5m 泛点率校核： =（m/s） =（在允许范围内） 填料规格校核： =8 (满足阶梯环的径比要求) 查手册得：阶梯环的径比要求：8 液体喷淋密度校核： 对于直径不超过75mm的散装填料，可取最小湿润速率=0.08（m3/mh） =132.5（m2/m3） =0.08132.5=10.6（m3/mh） =10.6 经以上校核可知，填料塔直径选用D=500mm合理3.3.2 填料塔填料层高度的计算 =1.75*0.01588=0.0278 =0 脱吸因数为： = 气相总传质单元数为： = =8.8032 气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算： = 查手册得：=40（dyn/cm）=518400（kg/h2）4 液体质量通量为： =（kg/（m2h） = =0.4019 气膜吸收系数由下式计算： = 气体质量通量为： =7721.58（kg/（m2h） = =0.0455（kmol/（m2hkPa） 液膜吸收系数由下式计算： = = =0.4380（m/h） 由= 查手册得：=1.45 则：=3.643（kmol/（m2hkPa） =27.061（1/h） =53.58%50% 由：=4.012（kmol/（m2hkPa） =27.12（1/h） 则：=2.722（kmol/（m2hkPa） 由：=0.9823（m） 由=7.856（m） 填料层的设计高度一般为：=（1.2-1.5） =1.2=9.42710（m）设计填料层高度为：10m查表对阶梯环填料,m则 mm计算得填料层高度为10000mm故应将填料层分成三段，每段高为3.3m3.4 塔附属高度的计算 塔上部空间高度，可取为1.2m，液体再分布器的空间高度约为1m，塔底液相停留时间按4min考虑，则塔釜液所占空间高度为： 考虑到气相接管所占空间高度，底部空间高度可取1m，所以塔的附属空间高度可以取为1.2+1=3.2 （m）3.5 液体初始分布器和再分布器的选择与计算3.5.1 液体分布器 （1）布液孔数 根据该物系性质可选用管式液体分布器。 管式分布器由不同结构形式的开孔管制成。其突出特点是结构简单，供气体流过的自由截面大，阻力小。 表3-1 Eckert的散装填料塔分布点密度推荐值 塔 径，mm分布点密度，点/m2塔截面D=400D=750D120033017042 根据上表，取布液孔数为270个/ m2，则总布液孔数为： （个）3.5.2 液体再分布器液体在分布器可采用百合窗式液体收集器，与管式液体分布器组合使用。其所用管式液体分布器与液体初始分布器具有相同的结构。3.5.3 塔底液体保持管高度 液体保持管高度即为塔釜液所占空间高度故 对于重力式排管液体分布器，液位保持管的高度由液体最大流率下的最高液位决定，一般取最高液位的倍： 则液位保持管高度为： 3.6 其他附属塔内件选择的选择本装置由于直径较小，可采用简单的进气分布装置，同时，对排放的净化气体中的液相夹带要求不严，故可不设除液沫装置。3.7 吸收塔的流体力学参数计算3.7.1 吸收塔的压力降 填料塔的压力降为： （1） 气体出口压力降：取气体出口接管的内径为360mm，则气体的进出流速为： 则进口压力降为： 出口压力降为：（2） 填料层压力降 采用Eckert通用关联图计算填料层压降 横坐标为：=0.05192 查手册得：=116 纵坐标为：=0.0628 查图得：=489.81（Pa/m） 填料层压降为：=489.8110=4708.8（Pa）（3） 其他塔内件的压力降其他塔内件的压力降较小，在此可以忽略。 因此，吸收塔的总压力降为： 3.7.2 吸收塔的泛点率 该塔的泛点率合适。3.7.3 气体动能因子 吸收塔内气体动能因子可用下面公式计算： 式中：气体动能因子， ：气体流速， ：气体密度， 因此： 气体动能因子在常用的范围内。 从以上的各项指标分析，该吸收塔的设计合理，可以满足吸收操作的工艺要求。3.8 附属设备的计算与选择3.8.1 离心泵的选择与计算（1）吸收剂输送管路直径计算选择原料流速 管线直径 =29.71mm 根据管材规范，该直径d应选择的无缝钢管，其内径为31.00mm，其实际流速为： （2）原料泵的选择 流量所需要的扬程 式中 -两截面处位头差； -两截面处静压头之差； -两截面处动压头之差； -直管阻力； -管件、阀门局部阻力； 根据前面设计数据对上述公式各项进行估算： 管路总阻力和所需压头计算根据管路的平立面布置，按范宁方程计算阻力损失： （湍流） 选用两个90。弯头，两个截止阀全开 因为该吸收以清水为吸收剂，则采用清水泵。由于流量 （） 所以查资料应选用单吸泵选用离心泵型号为：IS50-32-250性能参数流 量M3/h扬 程m转 速r/min功率 kW效 率气蚀余量m轴电机6.32014501.071.0532%2.03.8.2 吸收塔的主要接管尺寸的计算 （1）气体管口直径： 因为气体进入填料塔的流速一般在1520m/s之间，以防止突然扩大造成压头损失，并有利于气流均匀分布，所以取气体流速为u=15m/s 则取管径为：mm 承插入铸铁管 实际流速 （2）气体进口装置 对于直径在500mm以下的小填料塔，可使进气管伸到塔的中心线位置，管端切成向下的斜口或直接向下的长方形切口。（3）气体出口装置 气体的出口装置，要求既能保证气体畅通，又要尽量除去被夹带的液沫，可在气体出口前加装除液沫挡板。当气体夹带较多的雾滴时，需另装除沫器。（4）液体接口管径 因为液体进入填料塔的流速一般在0.81.5m/s之间，所以取液体流速为u=1.1m/s 该水流量为： 液体的管路直径为： 无缝钢管（5）液体进口装置 液体的进口管直接接通喷淋装置 接管尺寸如下mm：内管 外管 （6）液体出口装置 液体出口装置的设计应便于填料塔内液体的排放，防止破碎的塑料环堵塞出口，并且要保证塔内有一定的液封高度，防止气体短路。结论计算数据计算结果单位液体密度996.95kg/m3液体粘度3.217kg/(m.h)液体表面张力932342.4kg/h2丙酮在水中的扩散系数4.60810m2/h混合气体平均摩尔质量30.16kg/kmol混合气体平均密度1.232kg/m3混合气体粘度1.8110Pas丙酮在空气中的扩散系数0.0235m2/h相平衡常数1.75亨利系数177.32kPa溶解度系数0.312kmol/（kPam3）进塔气相摩尔比0.04167出塔气相摩尔比0.000833进塔惰性气相流量48.29kmol/h气相质量流量1515.36kg/h液相质量流量2238.120kg/h最小液气比1.715操作液气比2.572填料的泛点2.274m/s气速1.7410m/s塔径0.5m填料层高度10m塔釜液所占空间高度3.2m总布液孔数60液体保持管高度868.3mm填料塔的压力降4719.219Pa泛点率0.5358气体动能因子1.9324m/s（kg/m3）0.5离心泵型号IS50-32-250气体管口直径170.3mm主要符号说明符号代表意义符号代表意义丙酮在空气中的扩散系