化工原理课程设计水吸收丙酮填料塔设计

1、目录概述水吸收丙酮填料塔设计2一设计任务和操作条件2二设计方案的确定2三物料计算3四热屋衡鼠4五气液平衡曲线5六吸收剂（水）的用量厶5七塔底吸收液览八操作线6 十填料层高度计算9 十一填料层压降计算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14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。 其作用实现气一液相或液一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。 它广泛用于蒸饰、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求视。塔设备有板式塔和填料塔两种形式，卜而我们就填料塔展 开叙述

2、。填料塔的基木特点是结构简单，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，随若局效新型填料和英他局性能塔内件的卄发，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，其基木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-设计任务和操作条件混合气（空气、丙酮蒸气）处理1

3、500m3 / h;©进塔混合气含丙酮体积分数1. 82%；相对湿度70%；温度35°C； 进塔吸收剂（清水）的温度为25*C； 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：尾气缓冲器411 V料A、亠 /填V料A三0X液体再分布器塔顶取样f Ijl温度计排入地沟渚水xy塔底取样流程说明: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暈，若其值符合国家废水排放标准，則直接排入地沟，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虽 近似取塔平均操作压力为1

4、01. 3kPa,故：2731混合气量=1500 () X=59. 36kmol / h273 + 3522.4混合气中丙酮鼠=59. 36X0. 0182=1. 08kmol / h=l. 08X58=62. 64 kg / h査附录，35C饱和水蒸气为5623. 4Pa,则相对湿度为70%的混合气中含水蒸气呈二=0. 0404kmol (水气)/ kmol (空气+丙ffi)56234x0,7101.3x103-0.7x5623.4混合气中水蒸气的含仗二59.36x0.04041 + 0.0404=2. 31kmol / h=2.31X 18=41. 58 kg / h9混合气中空气虽=5

5、9. 36-1. 08-2. 31=55. 97kmol / h=55. 97X29=1623 kg / h(2) 混合气进出塔(物质的仗)组成已知:y, =0.0182,则J2 = 0.001851.08x(1-0.9)55.97 + 2.31 + 1.08x(1-0.9)(3) 混合气进出塔(物质的虽比)组成 若将空气与水蒸气视为惰气，则惰气fi=55. 97+2. 31=58. 28kmol / h =1623+41. 58=1664.6 kg / h1 AQK =:=0. 0185kmol (丙酮)/ kmol (幡气)58.28l08x(l09)5828=0. 00185kmol (

6、丙爾)/ kmol (情气)(4) 出塔混合气量出塔混合气址=58. 28+1. 08X0.1=58. 388kmol / h=1670. 8 网 / h四热量衡量热屋衡屋为计算液相温度的变化以判断足否为等温吸收过程.假设丙酮溶于水放出的热戢 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）。査化匸工艺算图第一册，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）：H 碉=30230+10467.5 = 40697.5 KJ / Kmol吸收液平均比热容cL =75. 366 KJ/ （Kmol.-C），通过下式计算J对低组分气体吸收，吸收液组成很低时，依惰性

7、组分及比摩尔浓度计算方便，故上式可写 成:= 25 +40697.675.366AX即可X=0. 0000008°Z间，设糸列X（n,求出相应X组成卜吸收液的温皮计算结果列于表（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-C, 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XJ/CE/kPam (=E/p)厂 X 1030. 00025.00211.52. 0880. 0000. 00125. 54217.62. 1482.1480. 00226. 08223.92.2104. 4200. 00326. 62230. 12. 2726.

8、8160. 00427.16236.92. 3389. 3520. 00527. 70243.72. 40612.0250. 00628. 24250.62. 47414.8440. 0072& 78257.72. 54417. 8080. 00829. 32264. 962.61620. 928注：1.与气相K称平衡的液相X. =0. 0072,故取Xn=0. 00&2. 平衡关系符合亨利定律，与液相平衡的气相含虽可用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。五气液平衡曲线当x<0. 01 ,1-1545 °C时，丙

9、酮溶于水其亨利系数E可用下式計算：log10E=9. 171-2040/ (t+273)資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r=mX P求取对应m及X时的气相平衡组成厂，结果列于表中4-16中第5列。根据X-T数据，绘制X-Y平衡曲线0E,如图1所示，六吸收剂(水)的用量厶由图1查出，当y,=0. 0185, X；=0. 0072,依下式式计算最小吸收剂用呈厶简。X： X2=(58.28)(0.0185 - 0.00185)0.0072=134. 8kmol / hs =1120

10、厶,間 取Ls = 17厶$価故 Ls =1. 7X134. 8=229. 2kmol / h=4126 kg/h七塔底吸收液人根据式Vli=(Y-Y2) = Ls(X.-X2)有5 8.2 8 ( 0.4)1851229.2八操作线依操作线方程式 y=x+y2-x2a 229.2得 丫X+0. 00185=3. 933X+0. 0018558.28九塔径计算塔底气液负荷犬，依塔底条件(混合气35*0, 101.325kPa,查表可知，吸收液27. 16°C计算。(1) 采用Eckert通用关联图法(图2)计算泛点气速好 错误！未找到引用源。有关数据计算塔底混合气流量匕= 1623+

11、62. 64+41. 58= 1727kg / h吸收液流址L =4126+ 1.08X0.9X58=4182kg / h丁彳25 <. WM；A1+±11a oi卜 . "恋*EZW心一矿亍心UOZ图2 通用压降关联图时I”、£/ 分另伪气液相流率，唧h "4-分別为气饰密度.耘“如一液相帖度,mPa$ $液相密度镇正*数，严s液，0 如测取的从料盼各种填料的妣于填料性叶中£_逍力驱芟,口仏29273进塔混合气密度Pg = 石 X方3+ 35=1.15kg/m3 （混合气浓度低，可近似视为空 气的密度）吸收液密度几=996. 7kg/z

12、n3吸收液黏度“Z =0. 8543mPa 经计算，选DG50mm型料鲍尔坏。查化匸原理教材附录可得，其填料因子0二120加= 比表而积 A= 106. 4zn2/w3错误！未找到引用源。关联图的横坐标值错误！未找到引用源。由图2査得纵坐标值为0.146即竺?（血）“严竺兰°（丄11）x0.854严0.0137Q0.146g pl9.819967"故液泛气速知=3. 26Ws0.0137(2) 操作气速u=0.6wf =0.6X3. 264 =1.96m/s=0. 52 m=520mm取塔径为600mmo(4)核算操作气速U=1500=1. 474m/s<3600x0

13、.785x0.6?(5) 核算径比D/d=600/50=12,满足鲍尔环的径比要求。(6) 喷淋密度校核依Morris等推专,dV75mm约环形及其它填料的最小润湿速率(MWR)为0. 08zn3 / (m h), 故：最小喷淋密度=(MUTR) 6=0.08X106.4=8.512 m3/(m2 h)因 厶贡 = =14. 6?n3/ (ms. h)9967x0.785x0.62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:L= H gN OG传质单元高度Hg计算木设计采用（恩出式）计算填料润湿而积a.作为传质而积a,依改进的恩1+1式分别计算匕Rka.再合并为絡a和忍a。列出

14、备关联式中的物性数据气体性质（以塔底35C, 101. 3kPa空气计）：pf； = 1.15 kg/n3 （前已算出）；如=0. 01885 X10"3 Pa.s （查附录）；DG=l. 09X10”/$ （依翻 Gilliland 式估算）。液体性质(以塔底 27. 16°C水为准)：pL =996. 7 kg/w3: pL =0. 8543X IO-3Pa s； 07 =71 . 6 X W3 N / m(査化工原理附录)；Dl =1.344 X IO"9 m2 Is (以74xlO“2(0My5T式计算），式中匕为溶质在常丿k沸点卜的摩尔体积,ms为溶剂的

15、分子星，“为溶剂的缔合因子。气体号液体的质虽流速:41263600x0.785x062=1.7g/(m2. s)172723600x0.785x0.6DG50mm 塑料鲍尔环（乱堆）特性：dp = 50mm = 0.05m; A =106. 4/n2 /m3; <rc=40dy/cm=40X 10 3 N/m;化学工程于册，第12篇，气体吸收，有关形状系数p 屮=1. 45 o错误！未找到引用源。依式= l-exp -1. 45(40x10 )0 73(4.17心()71064x0.8543xl0-34几106499672x9.81o.g134.12)°29967x7L6xlO

16、xl064=l-exp -1.45 (0.646) (1.47) (1.09) (0.29) =l-exp (-0.432) =0.351故 a = 0.35la =0. 351X106.4=37. 3m2 ImWI错误！未找到引用源。依式呦佥严（劎吩严S3时（)1/3-99967x1.334x100.8543x10 3x9.81),/3(5. 9)0 4=0. 0051X25. 5X0. 0396X0. 02033X2. 03=2. 13X104 m/s9967错误！未找到引用源。依式kG= 5.23(出)°7()叫込)(M»%c PcPG RT1.885x10_S106

17、4 x 1.09x10"5=5. 23()07()1/3() (5. 9)1064xl.885xl0_51.15x1.09x10、8.314x308=5. 23(112.1) (1. 146) (4. 529X10 ") (5. 9)=1. 795X103kmol/(m2 s kPa)故 kLa =2.13X IO-4 X 37.3=7.94X103 (L/s)kGa = kGaw =1.795X10 3X 37. 3=7. OOX10 2kmol/(m2 s kPa)(2) 计算KYaKYa = K(iaP ,而丄=_+_!, H=-o由于在操作范围内，随液相组成和 KG

18、a k(a Hk qEM $温丿支心的增加，m(E)亦变，故本设计分为两个液相区间，分别计算(错误！未找到引用源。)和心。(错误！未找到引用源。)区间I X=0. 00r0. 002(为K/(错误！未找到引用源。)区间错误！未找到引用源。X=0.0020 (为(错误！未找到引用源。)由表1知£, =2. 30X 102kPa ,=-J =空2=0. 241kmol/0沪 kPa)EE 2.30x102x18n9967E=2.18X102 kPa, HI(=0. 254kmol/(m3 kPa)11F M211 s 2.18x10 xl8=!+!=536. 97.00x10-20.24

19、1x7.94x1 o'Km=Ka(). P=0.1884 kmol / (/$)12+-曲7.00x1020.24 lx 7.94x1 O'"兀岬)=K(|)P=0. 00196X101. 3=0.1985如(加h)(3) 计算%58.28/3600H=00 KGa(L)Q=0. 304m0.1884x().785x0.62Hgii)Vb丽58.28/36000.1985x0.785x0.6?=0. 289mNog=YiY2m "(Y(Y2-2)%(I)=(0.0176-0. 00935) - (0. 0097-0. 00442)f (0.0176-0.00

20、935)In-(0. 0097-0. 00442)=0.0066(0.0176-0. 0097)0.0066(4)传质单元数组成错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。X0. 0040. 0020.002'0Y0.01760. 00970. 00970 00185Y*0. 009350. 004420.004420据下式计算同理 N OG( II ) = 2.4(5)填料层高度Z计算Z二 Z +Z2 =(旳=0. 304X1. 2+0. 289X2. 4=1. 0584m取25%余虽，则完成木设计任务需DG塑料鲍尔环的填料层高度Z=l. 25X1. 0584=1. 4m十一填料层压降计

21、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“'（=1. 474m/s）代 替纵坐标中的査表，DG50mm塑料鲍尔环的压降填料因子0=125代替纵坐标中的.则纵标 值为：1.4742x125. 1SX （上2 ） X （0. 8543）° 823. 9Pa9.81996.7伐图2（内插）得AP=24X9.81=235.4Pa/m 填料全塔填料层压降 AP=3. 5X235. 4=823.9Pa至此，吸收塔的物科衡算、塔径、填料层岛度及填料层压降均己算出。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

22、：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利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卜切口，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，乂要尽址除去夹带的液 沫。最简单的装置是除沫打板（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，

23、乂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：（I）本设计任务液相负荷不人，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9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/m3997.025C清水原尔流量kmol/h229.2清水质暈流量kg/h4126泛点气速m/s3. 264泛点率0.6塔径m0.6喷淋密度m7m2h14.6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.

24、 338X=0. 004气相浓度对数平均值0. 0066X (1) 0. 0010. 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m1.419十四主要符号说明E亨利系数，a叶m 一平衡常数"g气体的粘度，Pa/s©水的密度和液体的密度Z比8 隶力加速度，m2/s久.久一分别为气体和液体的密度,%,W_分别为气体和液体的质暈流暈,kgl sKya 一气相总体积传质系数，kmol/zn3Z填料层岛度，m丹处一气相总传质单元高度，mN% _气相总传质单元数Kg 以分压差表示推动力的总传质系数,kmol/ (m s kPa)"w单位体积填料的润湿而积，m2/m3紜一以分压差表示推动力的气膜传质系数，kmol/(m?skPa)溶解度系数，kmol/(m2 kPa)忍一以摩尔浓度差表示推动力的液摩尔传质系数，皿/ sGg气体通过空塔截而的质呈流速，kg/(m2s)R气体常数，8. 314J/molK2-溶质在气相中的扩散系数，品I s十五参考文献1匡国柱，史