环境工程原理课程设计-丙酮吸收填料塔要点

环境工程原理课程设计题目水吸收丙酮填料塔设计学院专业班级学生姓名学生学号指导教师2014年6月16日目录TOC\o"1-3"\h\u26469第一章设计任务书 3263541.1设计题目 3107781.2设计任务及操作条件 3266621.3设计内容 3288361.4设计要求 317332第二章设计方案的确定 4101392.1设计方案的内容 4155102.1.1流程方案的确定 4296352.1.2设备方案的确定 48472.2填料的选择 512067第三章吸收塔的工艺计算 6284623.1基础物性数据 6111733.1.1液相物性数据 6273703.1.2气相物性数据 6204333.1.3气液平衡相数据 7304413.2物料衡算 716453.3填料塔塔径的计算 8304433.3.1泛点气速的计算 823.3.2塔径的计算及校核 9281523.4.1气相总传质单元数的计算 10321473.4.2气相总传质单元高度的计算 1088903.5填料塔流体力学校核 13220293.5.1气体通过填料塔的压降 13142533.5.2泛点率 13133683.5.3气体动能因子 1324008第四章塔内辅助设备的选择和计算 14146414.1液体分布器 14157674.2填料塔附属高度 15204064.3填料支承装置 15209454.4填料压紧装置 1578834.5液体进、出口管 1620314.6液体除雾器 16159964.7筒体和封头 17241584.8手孔 17101884.9法兰 18136184.10裙座 1924857第五章设计计算结果总汇表 2228045第六章课程设计总结 2512907参考文献 265392附录 27第一章设计任务书1.1设计题目水吸收丙酮填料塔设计1.2设计任务及操作条件气体处理量：1820m3/h进塔混合气含丙酮5%（Vol），进塔温度35℃进塔吸收剂（清水）温度：25℃，吸收剂的用量为最小用量的1.3倍丙酮回收率：90%操作压力：常压每天工作24小时，一年300天1.3设计内容（1）确定吸收流程（2）物料衡算，确定塔顶塔底的气液流量和组成（3）选择填料、计算塔径、填料层高度、填料分层、塔高（4）流体力学特性校核：液气速度求取、喷淋密度校核、填料层压降计算（5）附属装置的选择与确定：液体喷淋装置、液体再分布器、气体进出口及液体进出口装置、栅板1.4设计要求设计说明书内容目录和设计任务书流程及流程说明设计计算及结果总汇表对设计成果的评价及讨论参考文献（2）绘制填料塔设计图第二章设计方案的确定2.1设计方案的内容2.1.1流程方案的确定本工艺采用清水吸收丙酮，为易溶气体的吸收过程，由于逆流操作传质推动力大，传质速率快，分离效率高，吸收剂利用率高，故选用逆流操作，即气体自塔低进入由塔顶排出，液体自塔顶进入由塔底排出。流程说明：在该填料塔中，丙酮和空气的混合气体经由填料塔的下侧进口进入塔中，与从填料塔塔顶流下的清水逆流接触，在填料表面进行传质吸收，经过吸收的混合气体从塔顶排出，吸收了丙酮的水由填料塔的下端流出。常规逆流操作流程见图1-1。图1-1常规逆流操作流程图2.1.2设备方案的确定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，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。填料层的上方有液体分布装置，从而使液体均匀喷洒在填料层上。2.2填料的选择对于水吸收丙酮的过程，选择DN50金属环矩鞍填料，其具体结构特性参数见表2-1。表2-1金属环矩鞍填料结构特性参数[1]公称尺寸/mm外径×高×厚/(mm×mm×mm)堆积个数/（个/m-3）堆积密度/(kg/m3)空隙率/%比表面积/(m2/m3)干填料因子/m-15050×40×1104002919674.984第三章吸收塔的工艺计算3.1基础物性数据3.1.1液相物性数据对于低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。由手册查得，25℃时水的有关物性数据如下：密度[2]：黏度[3]：表面张力[4]：=932731.2查手册[5]得15℃时丙酮在水中的扩散系数为：又因液体中扩散系数[6]：──溶质1在溶剂2中的扩散系数，；──溶剂2的分子量；──温度，；──溶剂2的粘度；──溶质1在正常沸点下的分子体积；──溶剂2的缔合参数，无因次，水为2.6；甲醇为1.9；乙醇为1.5；其他非缔合液体为1故25℃时丙酮在水中的扩散系数为：3.1.2气相物性数据混合气体的平均摩尔质量：混合气体的平均密度：混合气体的粘度可近似取空气的粘度，查手册[7]得35℃空气的粘度为：查手册[8]得丙酮在空气中扩散系数为：故35℃时丙酮在空气中的扩散系数为：3.1.3气液平衡相数据由可知：常压下25℃时丙酮在水中的亨利系数为：相平衡常数为：溶解度系数为：3.2物料衡算进塔气相摩尔比为：出塔气相摩尔比为：进塔惰性气体流量为：该过程属低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算，即：对于纯吸收过程，进塔液相组成为：取操作液气比为：故吸收剂用量为：由物料衡算式可知：3.3填料塔塔径的计算3.3.1泛点气速的计算采用埃克特（Eckert）泛点气速关联图进行计算，关联图见图3-1。气相质量流量为：液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即：Eckert通用关联图的横坐标为：、图3-1Eckert通用关联图[9]查图3-1得：查附表1得：取3.3.2塔径的计算及校核塔径的计算：塔径圆整，取泛点率校核：（在允许范围内）填料规格校核：液体喷淋密度校核：取最小润湿速率为由表2-1可知：经以上校核可知，填料塔直径选用合理。3.4填料层高度的计算3.4.1气相总传质单元数的计算脱吸因数为气相总传质单元数为3.4.2气相总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[10]计算：查附表2得液体质量通量为气膜吸收系数由下式[10]计算：气体质量通量为液膜吸收系数由下式[10]计算：由，查附表3得则由，，得则由由，得设计取填料层高度为查附表4，对于环矩鞍填料，，取，则计算得填料层高度为，故不需分段。3.5填料塔流体力学校核3.5.1气体通过填料塔的压降采用Eckert通用关联图计算填料层压降。横坐标为查附表5得，纵坐标为查附图1得填料层压降为3.5.2泛点率泛点率介于50%~80%之间，合理。3.5.3气体动能因子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。第四章塔内辅助设备的选择和计算4.1液体分布器（1）液体分布器的选型本设计任务液相负荷为：液相负荷较小，故选用排管式液体分布器。（2）布液点数根据附表6Eckert的散装填料塔分布点密度推荐值，D=700mm时，分布点密度可取180点/m2塔截面。故布液点数为：（3）孔径计算由[11]式中──布液孔直径，m；──液体流率，m3/s；──布液孔数；──孔流系数；──液体高度，m；──重力加速度，m/s2。取，则设计取。（4）液体分配管与布液支管尺寸查表[12]可得：当时，主管直径取50mm，支管排数取4，管外缘直径取660mm，最大体积流量为9.5m3/h。4.2填料塔附属高度塔上部空间高度可取为1.2m，塔底液相停留时间按1min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1.2m，故填料塔附属高度为：4.3填料支承装置[13]梁式气体喷射式支承板气体流通自由界面率大，阻力小，承载能力强，气液两相分布效果小，性能优良，因此，本设计选用梁式气体喷射式支承板，其尺寸如表4-1。表4-1支承板波形尺寸mm波形波形尺寸t192注：尺寸b是塔中间支承板宽度，在塔边缘支承板的尺寸b将随塔径不同而异，左右不对称。H为波高，t为波矩。4.4填料压紧装置[14]本设计选用丝网床层限制板，重量约为，限制板的外径选用690mm。4.5液体进、出口管（1）气体进出口管径计算工业上，一般气体进料流速为10~20m/s，本设计取流速为15m/s。由标准GB/T8163-99，选用无缝钢管。核算：，故满足条件。（2）液体进出口管径计算工业上，一般液体进料流速为0.5~1.5m/s，本设计取流速为1m/s。由标准GB/T8163-99，选用无缝钢管。核算：，故满足条件。4.6液体除雾器本设计选用上装式丝网除沫器，见图4-1，由标准HGT21618-1998，得除沫器规格参数见表4-2。图4-1网式除沫器表4-2上装式丝网除沫器规格参数mm主要外形尺寸重量（kg）HH1D丝网格栅及定距杆支撑件1502686208.678.788.634.7筒体和封头筒体由标准JB1153－73，得筒体规格参数见表4-3。表4-3筒体规格参数1米高的容积V/m31米高的内表面积FB/m2厚度δ/mm1米高筒节钢板理论质量/kg0.3852.20469封头本设计选用椭圆封头，由标准JB/T4737－95，得封头规格参数见表4-4。表4-4EHA椭圆形封头规格参数曲边高度h1/mm直边高度h2/mm内表面积A/m2容积V/m3175250.58610.05454.8手孔由标准HG/T21514-2005，得手孔规格参数见表4-5。表4-5手孔规格参数名称简图密封面型式及代号公称直径DN（mm）公称压力PN（MPa）标准编号常压手孔全平面FF150常压HG/T21528-20054.9法兰本设计选用PN0.25MPa（2.5bar）板式平焊钢制管法兰，见图4-2。图4-2板式平焊钢制管法兰由标准HG20593-1997，得法兰选择结果见表4-6和表4-7。（1）管法兰的选择表4-6管法兰规格参数mm位置公称通径DN管子外径A1连接尺寸法兰厚度C法兰内径B1法兰理论重量（kg）法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n螺纹ThABAB气体进出口管2502732733753351812M1624276.52768.96液体进出口管4048.345130100144M121649.5461.38容器法兰的选择表4-7容器法兰特性参数mm公称通径DN管子外径A1连接尺寸法兰厚度C法兰内径B1法兰理论重量（kg）法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔直径L螺栓孔数量n螺纹ThABAB7007117208608102624M243671572444.24.10裙座本设计选用圆锥形裙座，见图4-3。图4-3圆锥形裙座裙座筒体上端面至塔釜封头切线距离：[15]直进料管高度：[16]弯进料管高度：[17]检查孔中心高度：[18]裙座高度设计计算结果总汇表设计计算结果汇总见表5-1、表5-2、表5-3。表5-1填料设计计算汇总表公称尺寸50孔隙率96比表面积74.9泛点填料因子135压降填料因子71表5-2物料设计计算汇总表混合气体处理量1820混合气体平均摩尔质量30.45混合气体平均密度1.2040混合气体的粘度丙酮在空气中扩散系数0.03567吸收液密度997.08吸收液粘度3.22表面张力932731.2丙酮在水中扩散系数4.5396×10-6丙酮在水中亨利系数213.209丙酮在水中溶解度系数0.2595丙酮在水中相平衡常数2.105进塔气相摩尔比0.0526出塔气相摩尔比0.00526进塔液相摩尔比0出塔液相摩尔比0.0191进塔惰性气体流量68.42吸收剂流量169.672气相质量流量2191.28液相质量流量3055.69表5-3塔设备的工艺设计计算汇总表塔径700空塔气速1.314泛点气速1.664泛点率79.0气相总传质单元数5.684气相总传质单元高度0.539填料层高度4000填料塔附属高度2.4裙座高度2.0填料层压降186.39气体动能因子1.44课程设计总结通过此次课程设计，我对填料塔的设计原理和方法有了更深刻的认识。通过查阅大量的资料，我了解了设计中的计算过程，明确了设计的思路，丰富了所学的知识。此外，课程设计中需要反复的校核和综合的考量，才能设计出最合适的方案，这在一定程度上也磨练了我的耐心。本次课程设计基本上能按照任务书的要求、参考书的指导顺利进行。我明确到在填料的选择上往往要考虑多方面的因素，如：流量的大小、吸收率的控制、填料的类型、填料的公称直径等。设计过程中计算所需塔填料层高度时，填料的选择将决定塔是否合理。在设计过程中存在着校核结果不合适的情况，在老师的指导下，我进行了修改，得到了较合适的设计方案。参考文献[1]王树楹主编，现代填料塔技术指南，中国石化出版社[M]，1997.12:49[2]刘光启，马连湘等主编，化学化工物性数据手册[M]，化学工业出版社，2012.4:3[3]刘光启，马连湘等主编，化学化工物性数据手册[M]，化学工业出版社，2012.4:12[4]刘光启，马连湘等主编，化学化工物性数据手册[M]，化学工业出版社，2012.4:15[5]时钧，汪家鼎等主编，化学工程手册第二版上卷[M]，化学工业出版社，1996.1:150[6]时钧，汪家鼎等主编，化学工程手册第二版上卷[M]，化学工业出版社，1996.1:149[7]刘光启，马连湘等主编，化学化工物性数据手册[M]，化学工业出版社，2012.4:71[8]刘光启，马连湘等主编，化工物性算图手册[M]，化学工业出版社，2002.1:694[9]贾绍义，柴诚敬主编，化工原理课程设计[M]，天津大学出版社，2002.8:150[9]贾绍义，柴诚敬主编，化工原理课程设计[M]，天津大学出版社，2002.8:143[10]匡国柱，史启才主编，化工单元过程及设备课程设计（第二版）[M]，化学工业出版社，2007.10:216[11]王兰娟，郭晓艳等主编，化工原理课程设计[M]