空气丙酮混合气填料吸收塔设计

摘要空气-丙酮混合气填料吸收塔设计任务为用水吸收丙酮常压填料塔，即在常压下，从含丙酮1.82%、相对湿度70%、温度35℃的混合气体中用25℃的吸收剂清水在填料吸收塔中吸收回收率为90%丙酮的单元操作。设计主要包括设计方案的确定、填料选择、工艺计算等内容，其中整个工艺计算过程包括确定气液平衡关系、确定吸收剂用量及操作线方程、填料的选择、确定塔径及塔的流体力学性能计算、填料层高度计算、附属装置的选型以及管路及辅助设备的计算，在设计计算中采用物料衡算、亨利定律以及一些经验公式，该设计的成果有设计说明书和填料吸收塔的装配图及其附属装置图。水吸收丙酮填料塔设计第一章任务及操作条件混合气(空气、丙酮蒸汽)处理量：1500m3/h进塔混合气含丙酮1.82％(体积分数)；相对湿度:70％；温度:35℃；进塔吸收剂(清水)的温度25℃；丙酮回收率：90％；操作压强：常压操作。第二章设计方案的确定1设计方案的内容（1）流程方案的确定常用的吸收装置流程主要有逆流操作、并流操作、吸收及部分再循环操作、多塔串联操作、串联—并联操作，根据设计任务、工艺特点，结合各种流程的优缺点，采用常规逆流操作的流程，传质平均推动力大，传质速率快，分离效率高，吸收及利用率高。（2）设备方案的确定本设计要求的是选用填料吸收塔，填料塔是气液呈连续性接触的气液传质设备，它的结构和安装比板式塔简单。它的底部有支撑板用来支撑填料，并允许气液通过。支撑板上的填料有整砌或乱堆两种方式。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。图1.1常规逆流操作流程图（3）流程布置吸收装置的流程布置是指气体和液体进出吸收塔的流向安排。本设计采用的是逆流操作，即气相自塔底进入由塔顶排出，液相流向与之相反，自塔顶进入由塔底排出。逆流操作时平均推动力大，吸收剂利用率高，分离程度高，完成一定分离任务所需传质面积小，工业上多采用逆流操作。（4）收剂的选择吸收剂性能的优劣是决定吸收操作效果的关键之一，吸收剂的选择应考虑以下几方面：(1)溶解度:吸收剂对溶质的溶解度要大，以提高吸收速率并减少吸收剂的用量。(2)选择性:吸收剂对溶质组分有良好的溶解能力，对其他组分不吸收或甚微。(3)挥发度：操作温度下吸收剂的蒸汽压要低，以减少吸收和再生过程中的挥发损失。(4)粘度:吸收剂在操作温度下粘度要低，流动性要好，以提高传质和传热速率。(5)其他：所选用的吸收剂尽量要无毒性、无腐蚀性、不易爆易燃、不发泡、冰点低、廉价易得及化学性质稳定一般来说，任何一种吸收剂都难以满足以上所有要求，选用是要针对具体情况和主要因素，既考虑工艺要求又兼顾到经济合理性。（5）操作温度和压力的确定(1)温度:低温利于吸收，但温度的底限应由吸收系统决定，本设计温度选25℃(2)压力：加压利于吸收，但压力升高操作费用、能耗增加，需综合考虑，本设计采用常压。第三章填料的选择1填料的种类和类型工业上填料按形状和结构可分为散装填料和规整填料两类：（1）颗粒填料以随机的方式堆积在塔内，以下是几种典型的散装填料：拉西环填料最早的工业填料，但因性能较差，目前工业上已经很少使用鲍尔环填料是在拉西环基础上的改进，利用率有了很大提高阶梯环填料对鲍尔环的改进，为目前所使用的环形填料最为优良的一种弧鞍填料一般采用瓷质材料，易碎，工业中不常用环矩鞍填料集环型与鞍型优点，是工业应用最广的一种金属散装填料（2）规整填料以一定的几何形状，整齐堆砌，工业用多为波纹填料，其优点是结构紧凑、传质效率高、处理量大，但不易处理粘度大或有悬浮物的物料，且造价高。2填料类型的选择根据分离工艺的要求，考虑以下因素：(1)传质效率在满足工艺条件的前提下，选用传质效率高，即HETP(或HTU)低的填料。(2)通量保证较高的传质传质效率前提下，选用有较高泛点或气相动能因子的填料。(3)填料层压降压降越小，动力耗费越少，操作费用越小。(4)操作性能填料具有较大操作弹性，且具有一定的抗污堵、抗热敏能力等。3填料规格的选择(1)散装填料常用主要有16、25、38、50、76等几种规格。一般推荐：300时，选25的填料；时，选25—38的填料;时，选用的填料，但一般大塔中常用的填料。(2)规整填料从分离要求、通量要求、场地条件、物料性质及设备投资、操作费用等方面综合考虑，既考虑工艺要求又兼顾到经济合理性。4填料材质的选择(1)陶瓷具有耐腐性及耐热性，但质脆、易碎，不宜高冲击强度下使用。(2)金属碳钢对低腐蚀无腐蚀物系优先考虑，不锈钢耐以外物系腐蚀，特种合金钢价格高，只在特殊条件下使用(3)塑料主要包括PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)、PVC(聚氯乙烯)等，一般采用PP(聚丙烯)材质。塑料耐腐蚀性、耐低热性好，但具有冷脆性，表面润湿性较差。一般讲，操作温度较高但无显著腐蚀性时，选用金属填料；温度较低选用塑料填料；物系具有腐蚀性、操作温度高，宜采用陶瓷填料。由于本设计操作温度较低且无腐蚀性，压强采用常压，所以选用塑料填料。第四章工艺计算1物料计算（1）进塔混合气中各组分的量近似取塔平均操作压力为101.3kPa,故：混合气量=1500（）×=59.36kmol∕h混合气中丙酮量=59.36×0.0182=1.08kmol∕h=1.08×58=62.64㎏∕h查附录，35℃饱和水蒸气为5623.4Pa，则相对湿度为70%的混合气中含水蒸气量==0.0404kmol（水气）∕kmol（空气+丙酮）混合气中水蒸气的含量==2.31kmol∕h=2.31×18=41.58㎏∕h混合气中空气量=59.36-1.08-2.31=55.97kmol∕h=55.97×29=1623㎏∕h（2）混合气进出塔（物质的量）组成已知：，则（3）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=55.97+2.31=58.28kmol∕h=1623+41.58=1664.6㎏∕h=0.0185kmol（丙酮）∕kmol（惰气）0.00185kmol（丙酮）∕kmol（惰气）（4）出塔混合气量出塔混合气量=58.28+1.08×0.1=58.388kmol∕h=1670.8㎏∕h2气液平衡曲线当x<0.01，t=15～45℃时，丙酮溶于水其亨利系数E可用下式计算：=9.171－[2040／（t+273）]查《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=mX求取对应m及X时的气相平衡组成，结果列于表中4-16中第5列。根据X-数据，绘制X-Y平衡曲线0E，如图1所示。3吸收剂（水）的用量由图1查出，当=0.0185，=0.0072,依下式式计算最小吸收剂用量。=134.8kmol∕h=1.1～2.0取故=1.7×134.8=229.2kmol∕h=4126㎏∕h4塔底吸收液根据式有5操作线 依操作线方程式得Y=X+0.00185=3.933X+0.001856塔径计算塔底气液负荷大，依塔底条件(混合气35℃)，101.325kPa，查表可知，吸收液27.16u=（0.6~~0.8）（1）采用Eckert通用关联图法(图2)计算泛点气速=1\*GB3①有关数据计算塔底混合气流量＝1623＋62.64＋41.58＝1727kg／h吸收液流量＝4126＋1.08×0.9×58＝4182kg／h图2通用压降关联图进塔混合气密度＝×＝1.15kg／(混合气浓度低，可近似视为空气的密度)吸收液密度＝996.7kg/吸收液黏度＝0.8543mPa·s经计算，选DG50mm塑料鲍尔环。查《化工原理》教材附录可得，其填料因子=120，比表面积A＝106.4=2\*GB3②关联图的横坐标值()1/2=()1/2=0.082=3\*GB3③由图2查得纵坐标值为0.146即0.2=0.2=0.0137=0.146故液泛气速==3.264m/s(2)操作气速u＝0.6＝0.6×3.264＝1.96m/s(3)塔径==0.52m=520mm取塔径为600mm。(4)核算操作气速U==1.474m/s<(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，d＜75mm约环形及其它填料的最小润湿速率(MWR)为0.08／(m·h),故：最小喷淋密度＝0.08×106.4＝8.512/(m2·h)因＝＝14.6/(㎡.h)故满足最小喷淋密度要求。7填料层高度计算计算填料层高度，即：Z＝(1)传质单元高度计算=，其中=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35℃，101.3kPa空气计)：＝1.15kg/(前已算出)；＝0.01885×(查附录)；＝1．09×（依翻Gilliland式估算)。液体性质(以塔底27．16℃水为准)：＝996.7kg/；＝0.8543×Pa·s；＝71．6×N／m(查化工原理附录）；=1.344×(以式计算)，式中为溶质在常压沸点下的摩尔体积，为溶剂的分子量，为溶剂的缔合因子。气体与液体的质量流速：=4.1=1.7 塑料鲍尔环(乱堆)特性：＝50mm＝0.05m;A＝106.4;=40dy/cm=40×10-3N/m;查《化学工程手册，第12篇，气体吸收》，有关形状系数，=1.45。=2\*GB3②依式={-1.45（）0.75（）0.1（）-0.05（）0.2}={-1.45（0.646）（1.47）（1.09）（0.29）}=（-0.432）=0.351故==0.351×106.4=37.3=3\*GB3③依式=0.0051()2/3()1/\3()1/3()0.4=0.0051()2/3()1/3()1/3(5.9)0.4=0.0051×25.5×0.0396×0.02033×2.03=2.13×10-4m/s=4\*GB3④依式=5.23()0.7()1\3()()=5.23()0.7()1/3()(5.9)=5.23(112.1)(1.146)(4.529×10-7)(5.9)=1.795×10-3kmol/(m2·s·kPa)故=2.13××37.3=7.94×10-3(L/s)=1.795×10-3×37.3=7.00×10-2kmol/(m2·s·kPa)(2)计算＝，而，H=。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(=1\*ROMANI)和(=2\*ROMANII)区间IX＝0.004~0.002(为(=1\*ROMANI))区间=2\*ROMANIIX＝0.002~0(为(=2\*ROMANII))由表1知＝2.30×kPa,＝==0.241kmol/(·kPa)=2.18×kPa,===0.254kmol/(·kPa)=＋＝536.9=.P=0.1884=＋=510.1=0.00196×101.3=0.1985(3)计算===0.304m===0.289m（4）传质单元数组成=1\*ROMANI=2\*ROMANIIX0.004~0.0020.002~0Y0.0176~0.00970.0097~0.00185Y*0.00935~0.004420.00442~0据下式计算NOG=（5）填料层高度Z计算Z==0.304×1.2+0.289×2.4=1.0584m取25%余量，则完成本设计任务需DG塑料鲍尔环的填料层高度Z=1.25×1.0584=1.4m8填料层压降计算取图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)代替纵坐标中的查表，DG50mm塑料鲍尔环的压降填料因子＝125代替纵坐标中的．则纵标值为：×()×(0.8543)0.2=823.9Pa查图2(内插)得P=24×9.81=235.4Pa/m填料全塔填料层压降=3.5×235.4=823.9Pa至此，吸收塔的物科衡算、塔径、填料层高度及填料层压降均已算出。关于吸收塔的物料计算总表和塔设备计算总表此处从略。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