清水吸收丙酮填料塔的设计.doc

化工原理课程设计清水吸取丙酮填料塔的设计学 院 医药化工学院 专 业 高分子材料与工程 班 级 高分子材料与工程13（1）班姓 名 李凯杰 学 号 13155301xx 指导教师 严明芳、龙春霞 年 月 日设计书任务（一） 设计题目试设计一座填料吸取塔，用于脱除空气中的丙酮蒸汽。混合气体解决量为_4000_m3/h。进口混合气中含丙酮蒸汽_6_（体积百分数）；混合气进料温度为35。采用25清水进行吸取，规定：丙酮的回收率达成_95%_（二） 操作条件（1）操作压力 101.6 kPa（2）操作温度 25（3）吸取剂用量为最小用量的倍数自己拟定（4）塔型与填料自选，物性查阅相关手册。（三） 设计内容（1）设计方案的拟定和说明（2）吸取塔的物料衡算； （3）吸取塔的工艺尺寸计算； （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）其他填料塔附件的选择；（8）塔的总高度计算；（9）泵和风机的计算和选型；（10）吸取塔接管尺寸计算； （11）设计参数一览表；（12）绘制生产工艺流程图（A3号图纸）； （13）绘制吸取塔设计条件图（A3号图纸）； （14）对设计过程的评述和有关问题的讨论。目录前言1第1章 填料塔主体设计方案的拟定21.1 装置流程的拟定21.2 吸取剂的选择21.3 操作温度与压力的拟定21.4 填料的类型与选择2第2章 基础物性数据与物料衡算22.1 基础物性衡算32.1.1 液相物性数据32.1.2 气相物性数据32.1.3 气液相平衡数据42.2 物料衡算4第3章 填料塔的工艺尺寸计算53.1 塔径的计算53.2 泛点率的校核63.3 填料规格校核73.4 液体喷淋密度校核73.5 填料塔填料高度的计算73.5.1 传质单元数的计算73.5.2 传质单元高度的计算83.5.3 填料层高度的计算93.6 填料塔附属高度的计算103.7 填料层压降的计算10第4章 填料塔附件的选择与计算114.1 液体分布器简要设计114.1.1 液体分布器的选型114.1.2 分布点密度计算114.1.3 布液计算124.2 液体收集及分布装置124.3 气体分布装置134.4 除沫装置144.5 填料支承及压紧装置144.5.1 填料支承装置144.5.2 填料限定装置144.6 裙座144.7 人孔15第5章 填料塔的流体力学参数计算155.1 吸取塔重要接管的计算155.1.1 液体进料管的计算155.1.2 气体进料管的计算165.2 离心泵和风机的计算与选型165.2.1 离心泵的计算与选型165.2.2 风机的计算与选取18设计参数一览表20对设计过程的评述和有关问题的讨论24参考文献25前言吸取是运用混合气体中各组分在液体中的溶解度的差异来分离气态均相混合物的一种单元操作。在化工生产中重要用于原料气的净化，有用组分的回收等。填料塔是气液呈连续性接触的气液传质设备。塔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和乱堆两种方式。填料层的上方有液体分布装置，从而使液体均匀喷洒于填料层上。本次化工原理课程设计的目的是根据设计规定采用填料吸取塔的方法解决具有丙酮的混合物，使其达成排放标准。在设计中,重要以清水吸取混合气中的丙酮，在给定的操作条件下对填料吸取塔进行物料衡算。本次设计涉及设计方案的选取，重要设备的工艺设计计算物料衡算、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算，工艺流程图，重要设备的工艺条件图等内容。第1章 填料塔主体设计方案的拟定1.1 装置流程的拟定由于逆流操作的传质平均推动力大，传质速率快，分离效率高，吸取剂运用率高。因此本次设计采用逆流操作，即气相自塔底进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出。1.2 吸取剂的选择由设计任务书可知，本次设计用清水做吸取剂，故采用纯溶剂。1.3 操作温度与压力的拟定由设计任务书可知，本次设计操作温度为25，操作压力为101.6kPa1.4 填料的类型与选择填料的种类有很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。规整填料是按一定的几何图形排列，整齐堆砌的填料，其造价较高，因此从实际出发，本次设计采用散装填料。在散装填料中，阶梯环填料具有气通量大、气流阻力小、传质效率高等特点，是目前所使用的环形填料中最为优良的一种；从填料的材质考虑，塑料填料具有质轻、价廉、耐冲击、不易破碎等优点，多用于吸取、解吸、萃取、除尘等装置中；在散装填料中，同类填料的尺寸越小，分离效率越高，但阻力增长，通量减少，填料费用也增长，而大尺寸的填料应用于小直径塔中有会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率减少1。综上分析，本次设计采用DN38-聚丙烯阶梯环填料。第2章 基础物性数据与物料衡算2.1 基础物性衡算2.1.1 液相物性数据对低浓度吸取过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。由手册2查得，常压、25时水的相关物性数据如下：密度为表面张力为粘度为则101.6kPa，25时，水的粘度为查手册3得20时丙酮在水中的扩散系数为则25时丙酮在水中的扩散系数为2.1.2 气相物性数据混合气体的平均摩尔质量为混合气体的平均密度为混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册3得常压下、20时空气的粘度为则在101.6kPa、25时空气的粘度为在101.3kPa，20时，查手册3丙酮在空气中的扩散系数为则101.6kPa，25时，丙酮在空气中的扩散系数为2.1.3 气液相平衡数据查手册4得，常压下20时丙酮在水中的亨利系数为相平衡常数为溶解度系数为2.2 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相流量为该吸取过程为低浓度吸取，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算，即对于纯溶剂吸取过程，进塔液相组成为取操作液气比为第3章 填料塔的工艺尺寸计算3.1 塔径的计算采用Eckert通用关联图3计算泛点气速气相质量流量为液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即则Eckert通用关联图的横坐标为查图5-323得查表5-111得取由圆整塔径，取3.2 泛点率的校核（不在允许范围内）则填料塔塔径取（在允许范围内）3.3 填料规格校核3.4 液体喷淋密度校核对于直径不超过75mm的散装填料，可取最小润湿速率为查附录51得经以上校核可知，填料塔直径选用合理3.5 填料塔填料高度的计算3.5.1 传质单元数的计算塔底吸取推动力为塔顶吸取推动力为对数平均推动力为气相总传质单元数为3.5.2 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1计算：查表5-131得液体质量流量为填料的润湿比表面积为气膜吸取系数由下式计算：气体质量通量为液膜吸取系数有下式计算：由，阶梯环填料是开孔环，查表5-141得，则修正的恩田公式只使用于的情况，当时，需要按下式进行校正，即气相总体积传质系数为气相总传质单元高度为3.5.3 填料层高度的计算采用上述方法计算出填料层高度后，还应保存一定的安全系数，则设计取填料层高度为查表5-161，对于阶梯环填料，。取,则计算得填料层高度为12023mm7200mm，依据表5-161阶梯环填料的分段规定，可将填料层分为两段设立，每段6m，两段之间设立一个液体再分布器。3.6 填料塔附属高度的计算塔的附属空间高度涉及塔上部空间高度、安装液体分布器和液体再分布器（涉及液体收集器）所需要的高度、塔底部空间高度以及塔裙座高度5。本次设计塔上部空间高度，可取为1.2m，液体再分布器的空间高度约为1m，塔底液相停留时间按5min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1.0m，所以塔的附属高度为（不含裙座高度）3.7 填料层压降的计算散装填料的压降值由Eckert通用关联式计算，则横坐标为查表5-181得，纵坐标为查图5-323得则填料层压降为第4章 填料塔附件的选择与计算4.1 液体分布器简要设计4.1.1 液体分布器的选型液体分布装置的种类多样，有喷头式、盘式、管式、槽式、及槽盘式等。因槽式液体分布器具有较大的操作弹性、优良的布液性能、极好的抗堵塞、结构简朴、气相阻力小等优点，故本设计选用槽式分布器。4.1.2 分布点密度计算液体喷淋密度越小，分布点密度越大。喷淋点密度为，因该塔喷淋电密度较小，设计去喷淋点密度为100点/m2布液点数为按分布点几何均匀与流量均匀的原则，进行布点设计。设计结果为：二级槽共设5道，在槽侧面开孔，槽宽度为40mm，槽高度为200mm，两槽中心距为170mm。分布点采用三角形排列，实际设计布点数为66点，布液点示意图如图4-1所示。图4-1槽式液体分布器二级槽的布液点示意图4.1.3 布液计算液体体积流量为取，则布液孔径为设计取4.2 液体收集及分布装置为减小壁流现象，当填料层较高时需进行分段，本次设计填料层高度Z=12m，故需提成2段，两段之间设立液体收集及再分布装置。多孔盘式液体再分布器是集液体收集和在分布功能于一体的液体收集和再分布装置，其具有结构简朴、紧凑、安装空间高度低等优点。故本次设计采用多孔盘式液体再分布器作为液体收集及分布装置。多孔盘式液体再分布器如图4-2所示。图4-2多孔盘式液体再分布器4.3 气体分布装置为了实现气相均匀分布，设立性能良好的气相分布装置是十分重要的。通常情况下，对于直径小于2.5m的小塔多采用简朴的气体分布装置，本次设计填料塔塔径D=0.9m，可采用如图4-3所示的简朴的气体分布装置。图4-3小塔气体分布装置4.4 除沫装置除沫装置的作用是为了进行气液分离，出去气体夹带的雾沫，保证后续设备的正常操作。除沫装置可以安装在塔内或塔的上部，也可以作为独立的气液分离设备。丝网除沫器具有除沫效率高、压降小的特点，因此本次设计采用丝网除沫器作为除沫装置。4.5 填料支承及压紧装置4.5.1 填料支承装置填料支承装置的作用是支承填料以及填料层内液体的重量，一般情况下填料支承装置应具有足够的强度和刚度、开孔率，以支持填料及其所持液体的重量，防止在支撑板发生液泛，结构上应简朴易于加工制造和安装，有助于气液相的均匀分布，同时不至于产生较大的阻力。气体喷射式填料支承装置具有气体流通量自由截面率大、阻力小、承载能力强、气液两相分布效果好等特点，因此本次设计采用气体喷射式填料支承装置。4.5.2 填料限定装置为保证填料塔在工作状态下填料床层可以稳定，防止高气相负荷或负荷忽然变动时填料层发生松动，破坏填料层结构，甚至导致填料损失，在填料层顶部设立填料限定装置。填料限定装置分为填料压板和床层限定板。填料压板常用于陶瓷填料，床层限定板多用于金属和塑料填料。本次设计选用DN38-聚丙烯阶梯环塑料填料，因此采用床层限定板。4.6 裙座一般塔设备的高径比较大，要承受地震、风、偏心以及内压等载荷，为保证塔设备的安全可靠运营，在设备下部一圈焊接裙座。裙座结构有圆筒形和圆锥形两种形式。对于直径小且细高的塔（即且），为了增长设备的稳定性减少地脚螺栓和基础环支承面上的应力，可采用圆锥形裙座。本次设计中，填料塔总高度为则故本次设计填料塔不属于直径小且细高的塔，因此采用圆筒形裙座。4.7 人孔人孔是安装或检修人员进入塔内的唯一通道。人孔可设在每段填料层的上下方，同时兼作填料装卸孔用，同时也设立在气液紧、出口等需要经常维修清理的部位。参考国家标准的手孔和人孔手册6，本次设计选用公称压力为常压，公称直径450mm的平面型人孔。第5章 填料塔的流体力学参数计算5.1 吸取塔重要接管的计算5.1.1 液体进料管的计算进料管的结构类型很多，有直管进料管、弯管进料管、T型进料管。本次设计选用直管进料管。进料管管内的允许流速一般不超过0.51.8m/s，故取管内液体流速为，则液体进出口内径为查参考书5选用的无缝钢管，其实际内径为校正流速为5.1.2 气体进料管的计算采用直管进料，由于常压下塔的气体进出口管气速可取1020m/s，故取气体进出口流速近似为16m/s，则气体进出口内径为查参考书5选用的无缝钢管，其实际内径为气体的实际流速为5.2 离心泵和风机的计算与选型5.2.1 离心泵的计算与选型管内液体的流速为则雷诺数为取管壁绝对粗糙度，则相对粗糙度查图1-363得直管阻力压头损失为泵入口管长0.2m液体分布器前的管长0.5m吸入管进一步清水里的管长0.3m局部阻力压头损失为 一个标准截止阀（全开）一个带滤水器的底阀（全开）三个90弯头，管路系统总的压头损失为气体进口压力降为气体出口压力降为吸取塔的总压力降为其他塔内件的压力降较小，在此可以忽略扬程为流量为参考离心泵规格7，根据上述所计算得出的流量和扬程，选用离心泵型号为IS50-32-125，其规格为如下表5-1所示。表5-1 IS50-32-125单级单吸离心泵规格流量m3/h扬程H/m效率/%必需汽蚀余量(NPSH)r /m转速（r/min）功率/kw轴功率电功率12.520602.029001.132.2注：准备两个离心泵，一个备用。5.2.2 风机的计算与选取气体流量为以风机进、出口外侧为截面列伯努利方程，得将上述各项同乘以，整理可得由于较小，气体也较小，故项可忽略；由于以风机进、出口外侧为截面，截面速度，故项可忽略；中，由于进、出口管段很短，直管阻力忽略不计，即由于本设计任务是吸取空气中的丙酮，混合气体直接从大气进入通风机，管内流速亦可忽略，进一步化简得吸取塔内气体的操作压力为101.6kPa，气体进入塔内要克服塔内气体的压力、填料层的压降以及气体从塔顶排出的出口压降，所以通过一系列的简化，全风压整理可得将使用条件下的风压换算为标定条件下的风压参考通风机选型使用手册8，根据上述计算得出的流量和全风压，选用的通风机为SL-5-45-11型物料输送型通风机，批号为No5.6，风机传动为C式传动，其规格如下表5-2所示。表5-2 SL-5-45-11型物料输送型通风机规格批号No传动方式转速/（r/min）序号流量/（m3/h）全压内效率/(%)需用功率/kw电动机型号功率5.6C240074900295756.18.2Y160M2-215注：由于全压较大，故两台通风机串联工作。设计参数一览表表1 基础物性数据和物料衡算总表项目符号数值与计量单位丙酮在水中的扩散系数4.2810-6 m2/h丙酮在空气中的扩散系数0.0372 m2/h丙酮在水中的亨利系数211.5 kPa丙酮在水中的溶解度系数0.25kmol/(kPam3)吸取剂的摩尔流量412.2 kmol/h混合气体的平均摩尔质量30.74 g/mol气液相平衡常数2.08混合气体的体积流量4000 m3/h出塔液相摩尔比0.0219进他液相摩尔比0进塔气相摩尔比0.0638出塔气相摩尔比0.00319回收率95%水的黏度3.227 kg/(mh)空气的黏度0.066 kg/(mh)水的密度997.043kg/m3混合气体的平均密度1.22 kg/m3水的表面张力932731 kg/h2表2 塔设备衡算总表项目符号数值与单位塔径0.9 m布液孔径6 mm填料塔的总高度15.2 m总传质单元高度1.29 m塔釜液所占空间高度0.8 m气相总传质系数1.79 kmol/(m3hkPa)气膜吸取系数0.0614 kmol/(m2hkPa)液膜吸取系数0.15 m/h气相总吸取系数4.432 kmol/(m3hkPa)液相总吸取系数8.348 h-1气相总吸取系数（校正后）8.855 kmol/(m3hkPa)液相总吸取系数（校正后）8.977h-1最小湿润速率0.08 m3/(mh)气相总传质单元数7.13布液点数62点填料层压降4944.2 Pa液体喷淋密度11.70m3/（m2h）液体质量通量液体体积流量Ls11668. 79kg/(m2h)2.0710-3m3/h气体质量通量7674.8 kg/(m2h)续表2项目符号数值与单位泛点气速2.5 m/s实际气速1.75 m/s泛点率70%与X1平衡气相摩尔比0.046与X2平衡气相摩尔比0填料层的高度12 m塑料阶梯环比表面积132.5 m2m-3填料的湿润比表面积47.97 m2m-3塑料阶梯环泛点填料因子平均值170 m-1塑料阶梯环压降填料因子平均值116 m-1液相质量流量7419.6 kg/h气相质量流量4880 kg/h阶梯环形状系数1.45表3 接管、泵和风机计算总表项目符号数值与单位液体进料管内径44 mm气体进料管内径301 mm扬程19.26 m直管阻力压头损失1.11 m局部阻力压头损失2.22 m续表3项目符号数值与单位风机全风压风机全风压（校正后）5166.8 Pa5082.1 Pa气体出口压力降74.2 Pa吸取塔总的压力降5166.6 Pa液体流量7.44 m3/h气体流量4000 m3/h雷诺数Re59366.2气体进料管内的流速15.6 m/s液体进料管内的流速1.36 m/s绝对粗糙度0.2 mm相对粗糙度0.0068摩擦系数0.032表4 填料、接管、泵和风机的选型总表项目型号填料DN38聚丙烯阶梯环填料液体进料管气体进料管离心泵IS50-32-125风机SL-5-45-11型物料输送型通风机 批号No 5.6对设计过程的评述和有关问题的讨论本次课程设计深深地让我感受到了“书到用时方恨少”这个道理，同时也让我知道了自己的知识面还是很狭窄，不够广。在设计过程中，不仅很多物性数据需要查阅手册，一些公式及知识点也需要查阅不同文献，单单靠一本化工原理和一本化工单元操作课程设计是远远不够的。通过本次设计，我在不同方面也得到了不同限度的提高。查阅手册和书籍来获取的相关信息的能力得到了提高；学会了考虑实际问题既要从可行性出发，也要从经济的角度去出发；自己的分析能力、office软件的掌握和CAD制图能力得到了一定的锻炼；学会了理论联系实践，而不是只会死读书；碰到一些疑点难点，独立思考的同时，与同学们互相讨论，无形中增进了同学之间的友谊，一举多得；让我最深刻的是设计过程中需要很大的耐心和细心，大量的数据和大量的公式，不仅需要耐心的解决，还需细心的检查，不断发现错误、改正错误、改善设计。所以，这次设计很考验一个人的综合能力。 然而在设计过程中，由于对流体动力学知识的掌握不够扎实，在伯努利方程去计算风机的全风压，伯努利方程中好几项被忽略不计，这些被忽略不计的项使算出来的全风压值较大，因而采用两台风机串联工作，不知道会不会有大的误差，如有错误，希望批阅的老师可以指出和更正。本次化工原理的课程设计，不仅为我的毕业论文设计做铺垫，更为我以后的学习和工作打下了坚实的基础！参考文献1贾绍义，柴诚敬. 化工单元操作课程设计. 天津：天津大学出版社，20232刘光启，马连湘，刘杰. 化学化工物性手册，无机卷. 北京：化学化工出版社，20233杨祖荣. 化工原理（第三版）. 北京：化学化工出版社，20234刘光启，马连湘，刘杰. 化学化工物性手册，有机卷. 北京：化学化工出版社，20235匡国柱. 化工单元过程及设备课程设计(第二版）. 北京：化学化工出版社,20236HG/T21514-215352023，钢制人孔和手孔7钟理，伍钦，马四朋. 化工原理（上册）. 北京. 化学工业出版社，20238孙妍. 通风机选型使用手册. 北京. 机械工业出版社，2023