空气-丙酮混合气填料吸收塔设计.doc

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第一章 概述
1。1吸收塔的概述
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。
实际生产中，吸收过程所用的吸收剂常需回收利用。故一般来说,完整的吸收过程应包括吸收和解吸两部分。在设计上应将两部分综合考虑，才能得到较为理想的设计结果。作为吸收过程的工艺设计,其一般性问题是在给定混合气体处理量、混合气体组成、温度、压力以及分离要求的条件下，完成以下工作：
(1) 根据给定的分离任务,确定吸收方案；
(2) 根据流程进行过程的物料和热量衡算，确定工艺参数;
(3) 依据物料及热量衡算进行过程的设备选型或设备设计；
(4) 绘制工艺流程图及主要设备的工艺条件图；
(5) 编写工艺设计说明书.
1。2吸收设备的发展
吸收操作主要在填料塔和板式塔中进行，尤以填料塔的应用较为广泛.
塔填料的研究与应用已取得长足的发展：鲍尔环、阶梯环、金属环矩鞍等的出现标志散装填料朝高通量、高效率、低阻力方向发展有新的突破；规整填料在工业装置大型化和要求高分离效率的情况下倍受重视，已成为塔填料的重要品种。
填料塔仍处于发展之中，今后的研究方向主要是提高传质效率，同时考虑填料的强度、操作性能及使用上的通用因素并综合环型、鞍型及规整填料的优点开发构型优越、堆积接触方式合理、流体在整个床层均匀分布的新型填料。目前看来，填料的材质以陶瓷、金属、塑料为主，为满足化工生产温度和耐腐蚀要求，已开发了氟塑料制成的填料.
填料塔的发展，与塔填料的开发研究是分不开的.除了提高原有填料的流体力学与传质性能外，还开发了效率高、放大效应小的新型填料.加上塔填料本身具有压降小、持液量小、耐腐蚀、操作稳定、弹性大等优点,使填料塔开发研究达到了新的台阶。
1。3吸收过程在工业生产上应用
化工生产中吸收操作广泛应用于混合气体的分离：
(1) 净化或精制气体，混合气体中去除杂质。如用K2CO3水溶液脱除合成气中的CO2，丙酮脱除石油裂解气中的乙炔等。
(2) 制取某种气体的液态产品。如用水吸收氯化氢气体制取盐酸。
(3) 混合气体以回收所需组分。如用汽油处理焦炉气以回收其中的芳烃。
(4) 工业废气处理。工业生产中所排放的废气中常含有丙酮，NO，NO2，HF等有害组分，组成一般很低，但若直接排入大气，则对人体和自然环境危害都很大。因此排放之前必须加以处理，选用碱性吸收剂吸收这些有害的气体是环保工程中最长采用的方法之一。

第2章 设计方案
2.1设计任务
处理量为2100空气-丙酮混合气填料吸收塔设计
2。2 操作条件
①混合气(空气、丙酮蒸汽）处理量:2100。
②进塔混合气含丙酮 1.82%（体积分数)；相对湿度:70%;温度：35℃；
③进塔吸收剂（清水)的温度25℃；
④丙酮回收率:90％;
⑤操作压强:常压。
2.3吸收塔设备的选择
对于吸收过程，一般具有操作液气比大的特点，因而更适应于填料塔。此外,填料塔阻力小、效率高、有利于过程节能。所以对于吸收过程来说,以采用吸收塔的多。
本设计中丙酮气体在水中的溶解度比较大,吸收效率高，设计题目也要求采用填料塔，所以本设计选用填料塔作为气液传质设。
2。4吸收塔填料的选择
（1）填料种类的选择
填料种类的选择要考虑分离工艺的要求,通常考虑以下几个方面。
① 传质效率 即分离效率，它有两种表示方法：一是以理论级进行计算的表示方法，以每个理论级当量的填料层高度表示，即HETP值;另一是以传质速率进行计算的表示方法，以每个传质单元相当的填料层高度表示，即HTU值。在满足工艺要求的前提下，应选用传质效率高，即HETP（或HTU）值低的填料。对于常用的工业填料，其HETP(或HTU)值可由有关手册或文献中查到，也可以通过一些经验公式来估算。
② 通量 在相同的液体负荷下,填料的泛点气速愈高或气相动能因子愈大，则通量愈大,它的处理能力也愈大.因此，在选择填料种类时，在保证具有较高传质效率的前提下，应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料。对于大多数常用填料，其泛点气速或气相动能因子可在有关手册或文献中查到，也可由一些经验式来估算。
③ 填料层的压降 填料层的压降是填料的主要应用性能，压降越低，动力消耗越低，操作费用越小。选择低压降的填料对热敏性物系的分离尤为重要.比较填料层的压降尤两种方法：一是比较填料层单位高度的压降;另一是比较填料层单位传质效率的比压降 .填料层的压降可用经验公式计算，亦可从有关图标中查出。
④ 填料的操作性能 填料的操作性能主要指操作弹性，抗污堵性及抗热敏性等。所选填料应具有较大的操作弹性,以保证塔内气液负荷发生波动时维持操作稳定。
（2）填料规格的分类
① 散装填料规格的分类 散装填料的规格通常是指填料的公尺直径。工业塔常用的散装填料主要有、、、、等几种规格。同类填料，尺寸越小，分离效率越高；但阻力增加，通量减小，填料费用也增加很多。而大尺寸的填料应用于小直径塔中，又会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率降低。因此，对塔径与填料尺寸的比值要有一定的规定。
表2—2 常用填料的塔径与填料公称直径比值D/d的推荐值
填料种类
D/d的推荐值
拉西环
鞍环
鲍尔环
阶梯环
环矩鞍
D/d≥20～25
D/d≥15
D/d≥10~15
D/d＞8
D/d＞8
② 规整填料规格的分类 工业上常用规整填料的型号和规格的表示方法很多，国内习惯用比表面积表示，主要有125，150，250，350，500，700等几种规格，同种类型的规整填料，其表面积越大，传质效率越高，但阻力增加，通量减小，填料费用也明显增加。选用时应从分离要求,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，使所选填料既能满足工艺要求,又具有经济合理性.
应予指出，一座填料塔可以选用同种类型，同一规格的填料,也可选用同种类型，不通规格的填料；可以选用同种类型的填料，也可以选用不同类型的填料，有的塔段可选用规整填料，而有的塔段可选用散装填料。一的原则来选择填料的规格。
③ 填料材质的分类设计时应灵活掌握，根据技术经济统工业上,填料的材质分为陶瓷,金属和塑料三大类。
a） 陶瓷填料 陶瓷填料具有良好的耐腐蚀性及耐热性，一般能耐除氢氟酸以外的各种无机酸,有机酸的腐蚀，对强碱介质，可以选用耐碱配方制造的耐碱陶瓷填料。陶瓷填料因其质脆,易碎,不易在高冲击强度下使用,陶瓷填料价格便宜，具有很好的表面润湿性能，工业上,主要用于气体吸收,气体洗涤,液体萃取等过程.
b)金属填料 金属填料可用多种材质制成，金属材质的选择主要根据物系的腐蚀性和金属材质的耐腐蚀性来综合考虑。炭钢填料造价低，且具有良好的表面润湿性能，对于无腐蚀或低腐蚀性物系应优先考虑使用;不锈钢填料耐腐蚀性强，一般能耐除以外常见物系的腐蚀，但其造价较高，钛材，特种合金钢材质制成的填料造价极高,一般只在某些腐蚀性极强的物系下使用.金属填料可制成薄壁结构(0。2～1.0mm)，与同种类型，同种规格的陶瓷，塑料填料相比，它的通量大，气体阻力小，且具有很高的抗冲击性能，能在高温，高压，高冲击强度下使用，工业应用主要以金属填料为主.
c） 塑料填料 塑料填料的材质主要包括聚丙烯（PP)，聚乙烯（PE）及聚氯乙稀（PVC）等,国内一般多采用聚丙烯材质.塑料填料的耐腐蚀性能好，可耐一般的无机酸，碱和有机溶剂的腐蚀。其耐温性良好，可长期在100℃以下使用，聚丙烯填料在低温（低于0℃）时具有冷脆性，在低于 0℃ 的条件下使用要慎重，可选用耐低温性能好的聚氯乙稀填料。塑料填料具有质轻,价廉，耐冲击，不易破碎等优点，多用于吸收，解吸，萃取，除尘等装置中。塑料填料的缺点是表面润湿性能差，在某些特殊应用场合，需要对其表面进行处理，以提高表面润湿性能。
根据以上选择，考虑到以下方面
(1）选择填料材质 选择填料材质应根据吸收系统的介质和操作温度而定，一般情况下，可选用塑料，金属，陶瓷等材料。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.
（2）填料类型的选择 填料类型的选择是一个比较复杂的问题。一般来说，同一类填料塔中，比表面积大的填料虽然具有较高的分离效率，但是由于在同样的处理量下，所需要的塔径较大,塔体造价升高。
(3）填料尺寸的选择 实践表明，填料塔的塔径与填料直径的比值应保持不低于某一下限值，以防止产生较大的壁效应，造成塔的分离效率下降.一般来说,填料尺寸大，成本低，处理量大，但是效率低，使用大于50mm的填料，其成本的降低往往难以抵偿其效率降低所造成的成本增加。所以，一般大塔经常使用50mm的填料。
表2—3 填料尺寸与塔径的对应关系
塔径/
填料尺寸/
D≤250
250≤D≤900
D≥900
20～25
25~38
50～80

第三章 设计方案的确定

采用常规逆流操作，流程如下：

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 吸收塔的工艺计算
4.1基础物性数据
4.1.1液相物性数据
对低浓度吸收过程，溶液的物性数据.由《化工原理》［1］查得25℃时水的有关数据如下：
密度:
粘度：
表面张力：
丙酮在水中的扩散系数：

4。1.2气相物性数据
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《化工原理》[1］ 25℃空气粘度:

查《化工原理》[1]丙酮在空气中的扩散系数:

饱和水蒸气压强：5623。4Pa；
4.1。3气液相平衡数据
当x＜0.01，t＝15～45℃时，丙酮溶于水其亨利常数E可用以下经验公式计算： 1gE＝9.171－［2040／（t十273）］（其中t=25℃），解得:1gE=2。325，E=211。35kPa，
亨利系数H与相平衡常数m之间的关系：m＝解得：m=2.086

当溶质在液相中的浓度较低时（x<0。05），亨利系数E和溶解度系数H间的关系可表示：（：溶剂的分子量。 ：溶液的密度， .可近似认为水的密度。）

4。2物料衡算
如下图所示，全塔物料衡算是一个定态操作逆流式接触的吸收塔，各个符号表示的意义如下:
V
--惰性气体流量,/h；

L
—-纯吸收剂流量,/h；
Y1、Y2
—-进出吸收塔气体的摩尔比；
X1、X2
-—进出塔液体中溶质质量的摩尔比

1.进出塔混合气中各组分量
混合气体量：
丙酮量=

水蒸气量=
空气量=
惰性气体量=3.23+78.33=81.56=2329。65
出塔混合气量=
2.混合气进出塔的物质的组成

进塔气体摩尔比：
出塔气体摩尔比:
3.吸收剂(水）的用量
该吸收塔过程属最低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计 算,即：
对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成： ;
由得，当

取操作液气比：

4。塔底吸收液浓度

5. 操作线方程

4.3填料塔的工艺尺寸的计算
4.3.1塔径的计算
因为塔底气液负荷较塔顶大，依塔底气液相参数计算塔径。
1.泛点气速的计算
Eckert关联图

采用Eckert泛点系数和压降通用关联图［4]计算泛点气速
塔底混合气流量 ＝ kg／h
吸收液流量WL＝ kg／h
所以关联图的横坐标值
X=（）1/2=()1/2 =0.063
由Eckert泛点系数和压降通用关联图查得纵坐标值为0.172
因为丙酮在水中的溶解度很小，故可以ρ水≈ρ液，ψ = ρ水/ρ液 = 1
查《化工原理》得，的聚丙烯鲍尔环，其填料因子， 比表面积

2。操作气速
空塔气速由下面经验公式确定：

3。塔径
由 ； 圆整塔径，取 ；
4。泛点率校核

（在允许范围内)
5。核算径比
；满足鲍尔环的径比要求。
6.喷淋密度的校核
对直径不超过75mm的拉西环及其它填料，取最小润湿速率（Lw）min为0。08 m3／(m·h),故最小喷淋密度与最小润湿速率的关系为：＝（Lw)min at
则有： ＝(Lw）min at = 0.08×100＝8 m3/(m2·h)
因 m3/（㎡。h)〉
故满足最小喷淋密度要求。
4。3。2填料层高度计算
1。有效面积（润湿面积）aw

kg/（m2.s)

=

2。液相传质系数

3.气相传质系数
气体质量通量：

由 查《化工原理课程设计》得 ；
则；
；
因为,需要按下式校正，即
;
得;
；
4。吸收阻力

5。 传质单元高度
；
6.传质单元数

0。0185—2。086×0.0055=0。00703
=0.00182

7。填料层高度Z
Z＝=0.73×4.33=3.16 m

圆整Z=4 m
表6 散装填料分段高度推荐值
填料类型
h/D

拉西环
2.5
≤4m
鞍环
5～8
≤6m
鲍尔环
5～10
≤6m
阶梯环
8～15
≤6m
环矩鞍
8～15
≤6m

对于鲍尔环填料，。 因为4<6,故不需分段。
4.4填料层压降的计算
采用埃克特通用关联图计算填料层压降：
横坐标： ,查《化工原理课程设计》得：；
纵坐标： ；
查埃克特通用关联图得： ;
填料层压降为：
至此，吸收塔的物料衡算、塔径、填料层高度和填料层压降均已算出.

第五章 塔内件及附属设备的计算
5。1液体分布器的计算

（1)液体分布器的选型
该塔液相负荷较大,而气相负荷相对较低，故选用莲蓬头分布器。
莲蓬头的直径约为塔径的1/4左右，莲蓬球面上开有许多10mm的小孔，喷洒角为80。
选用DN无缝钢管 接管管径DN=32＊2.5
(2）分布点密度计算
D=600时取喷淋点密度为223，布液点数为63
则莲蓬头分3圈，布液点直径为10mm,间距为15mm，

5。2填料塔附属高度的计算
一个完整的吸收塔，除了填料高度外，还有其他附属高度,因此塔高的计算还包括塔附属高度的计算
塔填料层上部的高度:可取。
塔底空间高度取1m。
塔的附属总高为： 。
所以塔的总高：
5.3填料支撑板
填料支撑装置对保证填料塔的操作性能具有巨大的作用，对填料支撑装置的基本要求是：有足够的强度以支撑填料的重量；提供足够大的自由截面，尽量减小8两相的流体阻力;有利于液体分布;乃腐蚀性能好,便于各种材料制造，以及安装拆卸方便。评价填料支撑装置的性能优劣，主要根据它能否在支撑板与填料的接触压力,提供足够大的自由截面。
常用的填料支撑装置有栅板型,孔管型，驼峰型等，对于散装填料，通常选用孔管型、驼峰型等。
当塔内气液负荷较大或负荷波动较大时，塔内填料将发生浮动或相互撞击，破坏塔的正常操作甚至损坏填料，为此，一般在填料层顶部设压板或床层限制板。
设计中,为防止填料支撑装置处压降过大甚至发生液泛，要求填料支撑装置的自由截面积应大于75%。
本设计依据塔径选用栅板型支撑板.

图4-2 栅板式填料支承装置示意图
5。4填料压紧装置
为防止在上升气流的作用下填料床层发生松动或跳动,需在填料层上方设置填料压紧装置.填料压紧装置有压紧栅板,压紧网板，金属压紧器等不同类型.对于散装填料,可选用压紧网板，液可选用压紧栅板,在其下方,根据填料的规格敷设一层金属网，并将其与压紧栅板固定；对于规整填料,通常选用压紧栅板。设计中,为防止在填料压紧装置处压降过大甚至发生液泛,要求填料压紧装置的自由截面积应大于70％。
本设计中填料塔在填料装填后于其上方安装填料压紧栅板。
5.5液体除雾器
除沫装置安装在液体再分布器上方，用以除去出气口气流中的液滴。由于二氧化硫溶于水中易于产生泡沫为了防止泡沫随出气管排出，影响吸收效率，采用除沫装置，根据除沫装置类型的使用范围，该填料塔选取丝网除沫器。

图4-3 DN300—600上装式丝网除沫器
标记：HG/T21618 丝网除沫器S500—100 SP NS-80/316
表4—2 DN500上装式丝网除沫器 mm
公称直径DN
主要外形尺寸
重量(kg）
H
H1
D
丝网
格栅及定距杆
支承件
500
100
210
500
2.81
2。89
0.19
5.6筒体和封头的设计
（1）筒体的设计
选用标准:筒体（JB1153-73）
表4—3 筒体的容积、面积及重量
公称直径
Dg
(mm）
一米高的容积
V
(m3)
一米高的内裹面积
Fg
（m2)
壁厚
S
（mm）
一米高筒节钢板理论重量
(kg)
600
0。283
1.88
4
60

（2）封头的设计

图4—4 椭圆形封头的结构示意图
选用标准：选取椭圆形封头（JB1153-73）
表4—4 筒体的容积、面积及重量
公称直径
Dg
(mm)
曲面高度
h1
(mm)
直边高度
H2
(mm)
厚度
S
（mm）
重量
G
(kg）
600
160
25
4
12。4

5.7手孔的设计
标准化手孔的公称直径有DN150、DN250两种。
选用　手孔 A PN0.6，DN150，JB589-79-2
5。8法兰的设计
（1）管法兰的选择
选用标准：HG20593—97 板式平焊钢制管法兰（欧洲体系）

图4—6 板式平焊钢制法兰（PL）
表4-6 PN0。6MPa（6。0bar）板式平焊钢制管法兰 （mm）

管子直径/mm
法兰内径/mm
螺栓孔中心圆直径/mm
公称直径/mm
螺栓孔直径/mm
螺栓孔数量n
法兰外径/mm
法兰厚度/mm
法兰理论重量kg
液体进出口
32
33
75
25
11
4
100
14

气体进出口
219
222
295
200
22
8
340
24
9。24
标记:
液体进出口:HG 20593 法兰 PL25—0.6 FF Q235-A
气体进出口:HG 20593 法兰 PL200—0。6 FF Q235—A
（2）容器法兰的选择
选用标准：JB/T4701—2000 甲型平焊法兰
标记:法兰P 1400-0.25 JB/T4701—2000

图4—7 甲型平焊法兰平面密封面（代号P）
表4-7 PN0.25MPa甲型平焊法兰的结构尺寸 （mm）
公称直径DN，mm
法兰,mm
螺柱
D
D1
δ
d
规格
数量
600
755
705
36
26
M24
20

符号说明
E —亨利系数， -气体的粘度,Pa/s
—平衡常数 —水的密度和液体的密度之比
—重力加速度，9。81 —分别为气体和液体的密度, kg/
—分别为气体和液体的质量流量,
—气相总体积传质系数, /·s
—填料层高度，m A-塔截面积，m2
—气相总传质单元高度,m —气相总传质单元数
—以分压差表示推动力的总传质系数,
—单位体积填料的润湿面积 ，
-以分压差表示推动力的气膜传质系数，
—溶解度系数,
—以摩尔浓度差表示推动力的液摩尔传质系数，
—气体,液体通过空塔截面的质量流速，kg/(m2·s)
—气体常数 ，8。314J/mol·K
-溶质在气相，液相中的扩散系数，

参考文献

1 生物与化学工程学院化工系编。《化工原理课程设计指导书》。内蒙古科技大学出 版，2007.10，
2 杨同舟主编. 《食品工程原理》。 中国农业出版社,2010年9月第1版，
3 夏清，陈常贵主编。 《化工原理》（下册)。天津大学出版社,2005年1月，
4 大连理工大学化工原理教研室编。化工原理课程设计。 大连理工大学出版社，1994年7月第1版 ，

致谢
首先要感谢郎中敏老师。在这一学期的教学中，郎老师每节课都认认真真的为我们讲授课本上的内容,让我们在理论上有一个很好的掌握，使我们在设计过程中能更好的运用书本上的知识，更快的接受参考书上的知识，使我们在设计的主体上有了一个把握，很快的完成了设计任务.
其次要感谢同学们，同学们都非常的热情，学习资料都会共享，当自己不想做下去的时候，看到周围同学们那认真的表情，感觉自己也必须坚持到底。在遇到自己不太清楚地时候，总会和同学讨论，同学们都会说出自己的想法，最终得出正确的答案。在打电子版的文档时候，是同学教会将其下载的软件复制给我，并教我怎样编写公式，使我的速度提高了很多，节省了很多的时间。谢谢同学们！
在这次设计中我学到了很多东西，要坚持到底，当自己烦躁的时候,看看周围的人,他们会是你的动力 ,做什么事情都不能遇到困难就放弃,同学和老师会帮助你.再次真诚的谢谢老师与同学们!

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