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 2
1.1 装置流程的拟定 2
1.2 吸取剂的选择 2
1.3 操作温度与压力的拟定 2
1.4 填料的类型与选择 2
第2章 基础物性数据与物料衡算 2
2.1 基础物性衡算 3
2.1.1 液相物性数据 3
2.1.2 气相物性数据 3
2.1.3 气液相平衡数据 4
2.2 物料衡算 4
第3章 填料塔的工艺尺寸计算 5
3.1 塔径的计算 5
3.2 泛点率的校核 6
3.3 填料规格校核 7
3.4 液体喷淋密度校核 7
3.5 填料塔填料高度的计算 7
3.5.1 传质单元数的计算 7
3.5.2 传质单元高度的计算 8
3.5.3 填料层高度的计算 9
3.6 填料塔附属高度的计算 10
3.7 填料层压降的计算 10
第4章 填料塔附件的选择与计算 11
4.1 液体分布器简要设计 11
4.1.1 液体分布器的选型 11
4.1.2 分布点密度计算 11
4.1.3 布液计算 12
4.2 液体收集及分布装置 12
4.3 气体分布装置 13
4.4 除沫装置 14
4.5 填料支承及压紧装置 14
4.5.1 填料支承装置 14
4.5.2 填料限定装置 14
4.6 裙座 14
4.7 人孔 15
第5章 填料塔的流体力学参数计算 15
5.1 吸取塔重要接管的计算 15
5.1.1 液体进料管的计算 15
5.1.2 气体进料管的计算 16
5.2 离心泵和风机的计算与选型 16
5.2.1 离心泵的计算与选型 16
5.2.2 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101.6kPa
1.4 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5-32[3]得

查表5-11[1]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5[1]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5-13[1]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5-14[1]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5-16[1]，对于阶梯环填料，，。取,则

计算得填料层高度为12023mm>7200mm，依据表5-16[1]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5-18[1]得，，纵坐标为

查图5-32[3]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0.5~1.8m/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10~20m/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1-36[3]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η/%
必需汽蚀余量
(NPSH)r /m
转速（r/min）
功率/kw
轴功率
电功率
12.5
20
60
2.0
2900
1.13
2.2
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
5.6
C
2400
7
4900
2957
56.1
8.2
Y160
M2-2
15
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

4.28×10-6 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/(kPa·m3)
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/(m·h)
空气的黏度

0.066 kg/(m·h)
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/(m3·h·kPa)
气膜吸取系数

0.0614 kmol/(m2·h·kPa)
液膜吸取系数

0.15 m/h
气相总吸取系数

4.432 kmol/(m3·h·kPa)
液相总吸取系数

8.348 h-1
气相总吸取系数（校正后）

8.855 kmol/(m3·h·kPa)
液相总吸取系数（校正后）

8.977h-1
最小湿润速率

0.08 m3/(m·h)
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/（m2·h）
液体质量通量
液体体积流量

Ls
11668. 79kg/(m2·h)
2.07×10-3m3/h
气体质量通量

7674.8 kg/(m2·h)

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 m2·m-3
填料的湿润比表面积

47.97 m2·m-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 Pa
5082.1 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
Re
59366.2
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，2023
[2]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，2023
[3]杨祖荣. 化工原理（第三版）. 北京：化学化工出版社，2023
[4]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，2023
[5]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,2023
[6]HG/T21514-21535—2023，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，2023
[8]孙妍. 通风机选型使用手册. 北京. 机械工业出版社，2023