气体处理量为九百的丙酮水的填料塔设计

1、合 肥 学 院Hefei University化工原理课程设计 丙酮填料塔的设计丙酮填料塔设计任务书一、设计名称丙酮填料塔的设计二、设计条件入塔气体中空气含丙酮为干空气（标态），干空气温度为25，压力为101.3 kPa，相对湿度为70%，处理气体量900m3/h.吸收剂为清水，温度为25 体中丙酮气流量为入塔丙酮流量 1/100三、设计任务 1. 流程的选择：本流程选择逆流操作2. 丙酮浓度计算3. 丙酮出塔浓度计算4. 液体出塔温度变化式中：q1为丙酮的浓解热，kJ/kmol，q2为丙酮的冷凝热（25），kJ/kmol。5. 平衡线的获取对丙酮水体系当X0.01时，X为1545，可用下式求

2、解式中：E为亨利系数，kPa；p为总压，kPa；T为温度，K。6. 吸收剂量求取(1) 最小吸收剂用量(2) 吸收剂用量7. 操作线方程式8. 填料塔径求取(1) 选择填料(2) 液泛速度(3) 空塔速度(4) 塔径及圆整(5) 最小润湿速度求取及润湿速度的选取(6) 塔径的校正 9. 单位填料层压降的求取 10. 传质单元高度的求取11. 传质单元数求取12. 填料层高度13. 吸收塔高度计算14. 液体分布，再分布器及分布器的选型15. 风机选取16. 画填料塔的工艺设备图17. 编写设计说明书四、设计说明书内容1. 课题名称，目录及页码2. 前言3. 吸收系统流程和方案的 说明和论证4.

3、 本设计结果概要5. 设计计算及说明6. 设计有关问题的分析讨论7. 参考文献目录五、设计进度下面以总设计时间3周为准：1设计动员，下达设计任务书 0.5天2搜集资料，阅读教材，拟订设计进度 1.5天3设计计算（包括电算，编写说明书草稿） 5至6天4绘图 3至4天5整理，抄写说明书 2天6设计小结及答辩 2天六设计成绩评定体系总成绩分为：及格，不及格，中等，良好，优良评定方法：说明书 45% 图面质量 25%答辩 20% 平时表现 10%目录第一章 概述.51.1填料塔的概述.51.2填料塔的原理.51.3填料塔的性能.5第二章 设计方案简介.62.1装置流程的确定.62.2吸收剂的选择.62

4、.3设计参数要求.62.4操作压力与温度的确定.62.5填料的选择.6第三章 吸收系统流程草图及说明.7第四章 换热器结构设计.84.1基础物性数据84.2 物料衡算.94.3 气液平衡曲线.104.4 吸收剂(水)的用量Ls.114.5 塔底吸收液浓度X1.114.6 操作线.114.7 塔径计算.124.8 填料层高度计算.15第五章 结构与辅助设备.20第六章 总结。心得21附录.221 主要符号说明.222 参考文献22第一章 概述1.1填料塔概述在化工、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

5、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。1.2填料塔的原理填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触

6、式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。1.3填料塔的性能 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

7、塔作为吸收的主设备。第二章 设计方案2.1装置流程的确定根据设计任务书的要求，本设计的流程选择逆流操作。逆流操作的传质平均推动力较大，传质速率快，分离效率高，吸收剂利用率高。2.2 吸收剂的选择用清水作为吸收剂，因为丙酮不做产品，所以采用纯溶剂。2.3设计参数要求相对湿度为70%，处理气体量800m3/h.吸收剂为清水，温度为25 体中丙酮气流量为入塔丙酮流量 1/100，丙酮回收率99% 空气中丙酮含量为9.246%2.4 操作压力与温度的确定干空气温度为25，压力为101.3 kPa2.5 填料的选择塔的填料是填料塔气液接触的基本结构，它的优劣决定填料塔操作性能的重要参数。塑料材料的耐腐蚀

8、性较好，可耐一般的无机酸、碱、有机溶剂等的腐蚀，其耐温性良好，可长期在100下使用。本设计方案选用的是聚氯乙烯填料。第三章 吸收系统流程草图及说明草图如下流程说明: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。第四章 换热器结构设计第五章4.1基础物性数据4.11气相混合物物性数据(1) 混合气体混合气体的平均摩尔量为M=0,09246*58+0.90754*29=31.68kg/kmol混合气体的平均密度为 =液相物性数据对低浓度吸收过程，溶液的物性数据可以近似取水的物性数

9、据。由化学手册查的，25时水的有关物性如下 密度 粘度 表面张力=71.97Mn/m=932731kg/h 丙酮在水中的扩散系数=1.277*10 /s=4.592*10 /h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)： =3023010467.5=40697.5 kJkmol吸收液(依水计)平均比热容75.366 kJkmol·，通过下式计算对低组分气体吸收，吸收液浓度很低时，依惰性组

10、分及比摩尔浓度计算较方便，故上式可写为： 依上式，可在x00000.009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。由表中数据可见，浓相浓度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相平衡数据XtEmY*×103025211.52.08800.00125.54217.62.1482.1480.00226.08223.92.2104.4200.00326.62230.12.2726.8160.00427.16236.92.3389.3520.00527.7243.72.40612.0250.00628.24

11、250.62.47414.8440.00728.78257.72.54417.8080.00829.32264.962.61620.9280.00929.86272.272.90924.192注：（1）气相浓度相平衡的液相浓度X10.0049，故取0.009； （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，x0，X0；（4）近似计算中也可视为等温吸收。4.2物料衡算4.2.1 进塔混合气中各组分的量混合气量混合气体中丙酮含量=37.44*0.09246=3.462kmol/h=3.462*58=200.8kg/h查附录，25饱和水蒸气压强为3168.4

12、Pa，则相对湿度为70的混合气中含水蒸气量=0.0224 kmol（水气）/ kmol（空气十丙酮）混合气中水蒸气含量0.892kmolh（化工单元操作及设备P189 16-23） 0.892×1816.06kgh混合气中空气量=37.44-3.462-0.892=33.086kmolh=33.086*29=595.5 kgh 混合气进出塔的（物质的量）成分 0.09246,则=0.00102 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0.892+33.08633.978kmolh 975.55kghY1=0.1012kmol(丙酮)/kmol(惰气)Y2=0.

13、001012kmol(丙酮)/kmol(惰气) 出塔混合气量出塔混合气量=33.978+3.462*0.01=34.0126kmol/h =975.55+200.8*0.01=977.558kg/h4.3 气液平衡曲线当x0.01，t1545时，丙酮溶于水其亨利常数E可用下式计算： 1gE9.1712040(t十273)由前设X值求出液温，依上式计算相应E值，且m，分别将相应E值及相平衡常数m值列于表1中第3、4列。由y*mX求取对应m及X时的气相平衡浓度y*，结果列于表1第5列。根据Xy*数据，绘制XY平衡曲线OE如附图所示。4.4 吸收剂(水)的用量Ls由图1查出，当Y10.1012时,X

14、1*=0.0043,计算最小吸收剂用量=33.978×791.67kmolh（化工单元操作及设备P204 16-43a）取安全系数为1.8，则Ls1.8×791.671425kmolh 1425×1825650.16kg/h4.5 塔底吸收液浓度X1依物料衡算式：()（）=33.978×=0.00244.6 操作线依操作线方程式 =X+0.001012Y=43.02X+0.001012由上式求得操作线绘于附图中。 (附图二)4.7 塔径计算塔底气液负荷大，依塔底条件(混合气25)，101.325kPa，查表1，吸收液28.51计图2 通用压降关联图算。

15、u =（0.60.8）（化工单元操作及设备P206 16-45）.采用Eckert通用关联图法(图2)计算泛点气速1.有关数据计算塔底混合气流量VS595.5+200.8+16.6812.9kgh吸收液流量L25650.163.462×0.99×5825848.95kgh进塔混合气密度×1.19kg (混合气浓度低，可近似视为空气的密度)吸收液密度996kg/吸收液黏度0.895mPa·s经比较，选DG25mm塑料鲍尔环(米字筋)。查化工原理教材附录可得，其填料因子=107，比表面积A2092.关联图的横坐标值 ()1/2=()1/2 =1.13.由图2

16、查得纵坐标值为0.13 即0.2=0.2=0.0143=0.13故液泛气速=3.24m/s操作气速 u0.70.7×3.24 2.268 m/s塔径= 0.3746 m=374.6mm取塔径为0.4m(400mm) 核算操作气速U=1.99m/s< 4.7.5核算径比D/d400/2516，满足鲍尔环的径比要求。4.7.6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(m·h),由式（4-12）：最小喷淋密度0.08×20916.72/(m2·h)因 206.6/(m·h)故满足最小喷淋密度

17、要求。4.8 填料层高度计算计算填料层高度，即Z 传质单元高度计算=，其中=|（化工单元操作及设备 P209 16-7）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。1. 列出备关联式中的物性数据气体性质(以塔底25，101.325kPa空气计)：1.19 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 kg/；0.895×Pa·s；=1.344× (以式计算)(化学工程手册 10-89)，式中为溶质在常压沸点

18、下的摩尔体积，为溶剂的分子量，为溶剂的缔合因子。716×Nm(查化工原理附录)。气体与液体的质量流速：LG=57.17VG=1.8塑料鲍尔环(乱堆)特性：25mm0.025m ; A209;=40dy/cm=40×10-3 N/m;查化学工程手册，第12篇，气体吸收，有关形状系数，=1.45（鲍尔环为开孔环）2. 依式=-1.45（）0.75（）0.1（）-0.05（）0.2=-1.45（0.646）（1.03）（1.406）（0.706）=（-0.9577）=0.616故=0.616×209=128.753. 依式KL=0.0051()2/3()1/3()1/3

19、(atdp)0.4=0.0051()2/3()1/3()1/3(0.025)0.4=0.0051×45.283×0.0396×0.02066×1.94=3.67×10-5m/s4. 依式kG= 5.23()0.7()13()(atdp)= 5.23()0.7()1/3()(5.225)=5.23(456.89)(1.133)(9.195×10-7)(5.225)=1.3×10-2kmol/(m2·S·kPa)故=3.67×10-5×128.75=4.72 ×10-3(m/s)

20、=1.3×10-2×128.75=1.67 计算 ，而，H=（化工单元操作及设备 P189 16-21a）。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 X000490.002(为(I) 区间II X0.0020 (为(II)由表1知2.26×kPa , =0.245=2.115× kPa, =0.262 =864.8=1.156×10-3=.P=1.156×10-3×101.3=0.117=808.7=1.24×10-4=1.24×

21、10-3×101.3=0.126 计算=0.643m= =0.6m备注：是出塔的惰性气体量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。两个区间内对应的X、Y、Y*浓度关系如下：IIIX0.00490.0020.0020Y0.0240.01110.01110.0024Y*0.011760.004420.004420NOG=（化工单元操作及设备 P209 16-54a）（化工单元操作及设备 P212 16-26）=0.00916=1.41m=0.00419=2.07m填料层高度z计算ZZ1十Z2HOG（I）NOG（I）+ HOG（II）N

22、OG（II）0.643×1.41十0.6×2.070.907+1.242m=2.148m取25富余量，则完成本设计任务需Dg25mm塑料鲍尔环的填料层高度z125×2.148=2.685m。第五章 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

23、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。第六章 总结，心得 1、通过本次课程设计，使我对从填料塔设计方案到填料塔设计的基本过程的设计方法、步骤、思路、有一定的了解与认识。它相当于实际填料塔设计工作的模拟。在课程设计过程中，基本能按照规定的程序进行，先针对填料塔的特点和收集、调查有关资料，然后进入草案阶段，其间与指导教师进行几次方案的讨论、修改，再讨论、逐步了解设计