水吸收丙酮填料塔的设计

1、 化工原理课程设计水吸收丙酮填料塔的设计学 院 医药化工学院 专 业 化学工程与工艺 班 级 姓 名 学 号 指导教师 2012年 1 月 1 日设计任务水吸收丙酮填料塔的设计（一） 设计题目试设计一座填料吸收塔，用于脱除空气中的丙酮蒸汽。混合气体处理量为_1600_m3/h。进口混合气中含丙酮蒸汽_10%_（体积百分数）；混合气进料温度为35。采用清水进行吸收。要求： 出塔气体中丙酮气流量为入塔丙酮流量的_1/90_。 丙酮的回收率达到_。（二） 操作条件（1）操作压力 常压（2）操作温度 25（3）吸收剂用量为最小用量的倍数自己确定（三） 填料类型填料类型与规格自选。（四） 设计内容（1）

2、设计方案的确定和说明（2）吸收塔的物料衡算； （3）吸收塔的工艺尺寸计算； （4）填料层压降的计算； （5）液体分布器简要设计； （6）绘制液体分布器施工图（7）吸收塔接管尺寸计算； （8）设计参数一览表；（9）绘制生产工艺流程图（A3号图纸）； （10）绘制吸收塔设计条件图（A3号图纸）； （11）对设计过程的评述和有关问题的讨论。设计任务二序号丙酮含量（体积分数）出口丙酮气流量为入塔丙酮流量的混合气体处理量（m3/h）5810%1/901600目 录1. 设计方案简介 11.1设计方案的确定11.2填料的选择32. 工艺计算 42.1 基础物性数据4液相物性的数据 4气相物性的数据 5气液

3、相平衡数据 5 物料衡算 52.2 填料塔的工艺尺寸的计算6 塔径的计算 6 填料层高度计算 8 填料层压降计算 11 液体分布器简要设计 113. 辅助设备的计算及选型 12 3.1 填料支承设备 123.2填料压紧装置 133.3液体再分布装置134. 设计一览表145. 后记156. 参考文献157. 主要符号说明168. 附图（工艺流程简图、主体设备设计条件图）1. 设计方案简介 塔设备在化工、石油化工、生物化工、医药、食品等生产过程中广泛应用的汽液传质设备1。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。根据塔内气液接触部件的结构形式，可将塔设备分为两大

4、类：板式塔和填料塔。板式塔内沿塔高度装有若干层塔板，液体靠重力作用由顶部逐板流向塔釜，并在各块板面上形成流动的液层，气体靠压强差推动，由塔底向上依次穿过各塔板上的液层而流向塔顶。气液两相在塔内进行逐级接触，两相组成沿塔高呈阶梯式变化。填料塔则在塔体内装填填料，液体由上而下流动中在填料上分布汇合，气体则在填料缝隙中向上流动。填料为气液传质提供了较大的气液接触面积。2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

5、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。31.1 设计方案的确定1.1.1 装置流程的确定吸收装置的流程主要有以下几种。41.1.1.1 逆流操作气相自塔底进入塔顶排出，液体反向流动，即为逆流操作。逆流操作的特点是，传质平均推动力大，传质速率快，分离程度高，吸收剂利用率高。工业上多采用逆流操作。1.1.1.2 并流操作气液两相均从塔顶流向塔底，此即并流操作。其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。其通常用于以下情况：当吸收过程的平衡曲线较平坦时，流向对吸收推动力影响不大；易溶气体的吸收或处理的去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

6、泛。1.1.1.3 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。通常用于已下情况：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。该流程特别适宜于平衡常数m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。其平均推动力要低，接需设置循环泵，操作费用增加。1.1.1.4 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经常清理填料，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。此种操作因塔内需留

7、较大空间，输液，喷淋，支撑板等辅助装置增加，使设备投资加大。1.1.1.5 串并联混合操作若吸收处理的液量很大，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；若吸收过程处理的液量不大而气相流量很大时，可采用液相作串联，气相作并联的混合流程。综上所述，在实际应用中，根据生产任务、工艺特点，该设计选用逆流操作的流程装置。1.1.2 吸收剂的选择对于吸收操作，选择适宜的吸收剂，具有十分重要的意义。其对吸收操作过程的经济性有着十分重要的影响。一般情况下，选择吸收剂，要着重考虑如下问题：（1） 对溶质

8、的溶解度大。（2） 对溶质有较高的选择性。（3） .挥发度要低。（4） 再生性能好。（5） 吸收剂的黏度小，有利于气液两相接触良好，提高传质速率。（6） 吸收剂应具有良好化学稳定性好，不易燃，无腐蚀性，无毒，易得，廉价等特点。本设计采用水做吸收剂。1.2 填料的选择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。填料的选择包括填料的种类、规格及材质等。所选的填料既要满足生产工艺的要求，又要使设备投资和操作费用低。几种典型的散装填料：（1） 拉西环填料拉西环填料于1914年由拉西（F. Rashching）发明，为外径与高度

9、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） 鲍尔环填料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。鲍尔环是一种应用较广的填料。（3） 矩鞍填料填料矩鞍填料 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

10、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） 阶梯环填料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

11、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。填料的种类的选择要考虑分离工艺的要求，如传质效率、通量、填料层的压降、填料的操作性能，还要便于安装、拆卸和检修。填料的规格的选择有散装填料规格和规整填料规格。填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。选择填料材质应根据吸收系统的介质，工艺物料的腐蚀性及操作温度而定。对于腐蚀性介质应采用相应的抗腐蚀性材料，如陶瓷，塑料，玻璃，石墨，不锈钢等，对于温度较高的情况，应考虑材料的耐温性能。综上所述水吸收丙酮适合

12、用散装填料，并选用DN38聚丙烯阶梯环填料表1塑料阶梯环填料特性数据公称直径DN mm外径×高×厚 d ×h ×,mm 比表面积 m2/m3空隙率 %个数n m-3堆积密度pKg/m3干填料因子 m-13838×19×1.0132.5912720057.51702. 工艺计算122.1 基础物性数据空气的分子量：29 ；丙酮的分子量：58；水的分子量：18常压：101.3 kPa ： 操作温度：25 5 2.1.1 液相物性的数据对低浓度吸收过程，溶液的物性数据6可近似取纯水的物性数据。由手册查得，25时 水的有关物性数据如下：密度为

13、： = 997.043 kg/m3黏度：=0.8937×10-3 Pa·s =3.217 kg/（h）表面张力：= 71.97dyN/cm=932731.2/h2丙酮在水中的扩散系数：=1.276×10-9 m2/s=4.594×10-6 m2/h2.1.2 气相物性的数据混合气体的平均摩尔质量M=0.10×58+0.90×29= 31.9 g/mol = 31.9 kg/kmol混合气体的平均密度=1.304（kg/m3）混合气体的黏度可近似取为空气的黏度，查手册得25空气的粘度为=1.835×10-5Pas=0.066

14、kg/（h）丙酮在空气中的扩散系数：2.1.3 气液相平衡数据查得有机物的亨利系数与温度的关系lgE=9.171-2040/(t+273)当温度为25时，亨利系数为：E=211.5kPa25时系统的相平衡常数：m=E/p=211.5/101.3=2.09溶解度系数为：H=0.2619（kmol/（kPam3）2.1.4 物料衡算进塔气相摩尔比为： Y1= =0.1111出塔气相摩尔比为： Y2= 0.00111进塔惰性气相流量为：V=××（1-0.10）=58.90（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

15、过程，进塔液相组成为：X2=0 （）= =2.069取操作液气比为： （ ）=1.5（ ） =1.5×2.069=3.1035 L=3.1035×58.90=182.7961（kmol/h） V（Y1-Y2）=L（X1-X2） X1=0.03542.2 填料塔的工艺尺寸的计算2.2.1 塔径的计算通用压降关联图采用EcKert通过关联图计算泛点气速WL气相质量流量为WV=qv=1.304×1600=2086.4 kg/h液相质量流量可以近似按纯水的流量计算，即WL=182.7961×18=3290.33kg/hEcKert通用关系图的横坐标为 ()0.5

16、= ×( )0.5=0.057查通用压降关联图得 查表1得 u=0.7F=0.7×2.85=1.995m/s D= = =0.532m圆整塔经，取D=0.6m泛点率校核：u= =1.573m/s u/F=1.573/2.85×100%=55.2%（在允许范围内）填料规格校核： = =18.42>8 (满足阶梯环的径比要求) 液体喷淋密度校核： 取最小湿润速率 =0.08（m3/mh）查表1得： =132.5（m2/m3） = =0.08×132.5=10.6（m3/mh） = =11.68>10.6 经以上校核可知，填料塔直径选用D=600m

17、m合理2.2.2 填料层高度计算2.2.2.1 传质单元数的计算=2.09×0.0354=0.07399 =0 脱吸因数为： =0.6734 气相总传质单元数为： = =10.73932.2.2.2 传质单元高度的计算气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式7计算：查资料得，聚丙烯材质的临界表面张力为：； =132.5m2/m3；液体质量通量为UL=11643.06kg/(m2h)1-exp-1.45()()()()=0.3628 则w=48.07m2/m3 气膜吸收系数由下式计算= 气体质量通量为=7382.87kg/（m2·h） = =0.237×()()()

18、=0.0605（kmol/（mhkPa） 液膜吸收系数由下式计算：=0.0095×()()()=0.4747m/h由 查得 =0.0605×48.07×1.45=4.377kmol/(mhkpa)=0.4747×48.07×1.45=26.475 1/h因为=55.2%>% 所以必须对和进行校正，矫正计算如下：由 ， 得=1+9.5(0.552-0.5) ×4.377=5.040（kmol/(mhkpa)）=1+2.6(0.552-0.5) ×26.475=26.578/h由H=0.4701m由Z=HN=0.4701&

19、#215;10.7393=5.049m取=1.2×5.049=6.059m设计取填料高度=7m查得：对于阶梯环填料 取=10, h=10×600=6000 mm计算得填料高度为7000mm,故不需分段，将塔分两段,每段3.5m,中间设置一个液体再分布器2.2.3 填料层压降计采用Ecker通用关联式计算填料层压降横坐标 ()0.5= ×( )0.5=0.057查得 纵坐标 =××0.8937=0.0374查图1得 填料层压降为 P=215.82×7=1510.74Pa2.2.4 液体分布器简要设计液体分布器可分为初始分布器和再分布器，

20、初始分布器设置于填料塔内，用于将塔顶液体均匀的分布在填料表面上，初始分布器的好坏对填料塔效率影响很大，分布器的设计不当，液体预分布不均，填料层的有效湿面积减小而偏流现象和沟流现象增加，即使填料性能再好也很难得到满意的分离效果。因而液体分布器的设计十分重要。特别对于大直径低填料层的填料塔，特别需要性能良好的液体分布器。液体分布器的性能主要由分布器的布液点密度（即单位面积上的布液点数），各布液点均匀性，各布液点上液相组成的均匀性决定，设计液体分布器主要是决定这些参数的结构尺寸。对液体分布器的选型和设计，一般要求：液体分布要均匀；自由截面率要大；操作弹性大；不易堵塞，不易引起雾沫夹带及起泡等；可用多

21、种材料制作，且操作安装方便，容易调整水平。液体分布器的种类较多，有多种不同的分类方法，一般多以液体流动的推动力或按结构形式分。若按流动推动力可分为重力式和压力式，若按结构形式可分为多孔型和溢流型。其中，多孔型液体分布器又可分为：莲蓬式喷洒器、直管式多孔分布器、排管式多孔型分布器和双排管式多孔型分布器等。溢流型液体分布器又可分为：溢流盘式液体分布器和溢流槽式液体分布器。82.2.4.1 液体分布器的选择该吸收塔液相负荷较大，而气相负荷相对较小，根据本吸收的要求和物系的性质可选用槽式液体分布器。2.2.4.2 分布点密度计算按Eckert建议值，D=600mm时，喷淋点密度为200点/m2。布氏点

22、数为n=0.785×0.6×20057（个）；2.2.4.3 布液计算由 取，则 d=0.00833. 辅助设备的计算及选型3.1 填料支承设备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。常用的填料支承装置有栅板型和驼峰型及各种具有气升管结构的支承板。如图：33.13.2 填料压紧装置为保证填料塔在工作状态下填料床能够稳定，防止高气相负荷或负荷突然变动时填料层发生松动，破坏填料层结构，甚至造成填料损失，必须在填料层顶部设置填料限定装置。填料限定可分为类：一类是将放置于填料上端，仅靠自

23、身重力将填料压紧的填料限定装置，称为填料压板；一类是将填料限定在塔壁上，称为床层限定板。填料压板常用于陶瓷填料，以免陶瓷填料发生移动撞击，造成填料破碎。床层限定板多用于金属和塑料填料，以防止由于填料层膨胀，改变其初始堆积状态而造成的流体分布不均匀的现象。一般要求压板和限制板自由截面分率大于70%。3.3液体再分布装置 为使流向塔壁的液体能重新流回塔中心部位，一般在液体流过一定高度的填料层后装置一个液体再分布器。液体再分布器形状如漏斗，在液体再分布器侧壁装有若干短管，使近塔壁的上升气流通过短管与中心气流汇合，以利气流沿塔截面均匀分布。4. 设计一览表工艺设计计算结果计算数据计算结果单位液体密度9

24、97.043kg/m3液体粘度0.8937×10-3Pa·s液体表面张力932731.2kg/h2丙酮在水中的扩散系数1.27610m2/s混合气体平均摩尔质量31.9kg/kmol混合气体平均密度1.304kg/m3混合气体粘度1.835×10-5丙酮在空气中的扩散系数0.03924m2/h相平衡常数1.75Pas亨利系数211.5kPa溶解度系数0.2619kmol/（kPa·m3）进塔气相摩尔比0.1111出塔气相摩尔比0.00111进塔惰性气相流量58.90kmol/h气相质量流量2086.4kg/h液相质量流量3290.33kg/h最小液气比2.069操作液气比3.1035填料的泛点2.85m/s气速1.995m/s塔径0.6m填料层高度7m总布液孔数57脱吸因数0.6734传质单元高度0.4701m传质单元数10.7393填料塔的压力降1510.74Pa泛点率55.2%填料高度7000mm后记通过本次课程设计，让我对水吸收丙酮填料塔的设计方案和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。在课程设计过程中，基本能按照化工原理设计课程和规定的程序进行设计，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，其间与同学进行一些讨论，后逐步了解设计