水吸收丙酮—空气常压填料-吸收塔设计.doc

化工原理课程设计化工原理课程设计题目：水吸收丙酮常压填料吸收塔学生姓名：学号：102412211系别：化学与材料工程学院专业：高分子材料与工程指导教师：任海波起止日期：2014.12.302015.01.082015年 01月 08日 目 录 概述及设计方案简介2一、设计任务书及操作条件7二、设计条件及主要物性参数8三、设计方案的确定9四、物料计算10五、热量衡算12六、气液平衡曲线14七、吸收剂(水)的用量Ls15八、塔底吸收液浓度X116九、操作线方程17十、塔径计算18十一、填料层高度计算21十二、填科层压降计算26十三、液体分布器简要设计27十四、填料吸收塔的辅助设备及选型27十五、填料塔的设计结果概要29十六、课程设计总结30十七、设计一览表十八、主要符号说明31十九、参考文献32二十、附图（工艺流程图、主体设备设计条件图）33 概述及设计方案简介一、介绍在化工、炼油、医药、食品及环境保护等工业部门，塔设备是一种重要的单元操作设备。其作用实现气液相或液液相之间的充分接触，从而达到相际间进行传质及传热的过程。它广泛用于蒸馏、吸收、萃取、等单元操作，随着石油、化工的迅速发展，塔设备的合理造型设计将越来越受到关注和重视。塔设备有板式塔和填料塔两种形式，下面我们就填料塔展开叙述。 填料塔的基本特点是结构简单，压力降小，传质效率高，便于采用耐腐蚀材料制造等，对于热敏性及容易发泡的物料，更显出其优越性。过去，填料塔多推荐用于0.60.7m以下的塔径。近年来，随着高效新型填料和其他高性能塔内件的开发，以及人们对填料流体力学、放大效应及传质机理的深入研究，使填料塔技术得到了迅速发展。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，其基本原理是利用气体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。板式塔和填料塔都可用于吸收过程，此次设计用填料塔作为吸收的主设备。在塔内充以诸如瓷环之类的填料，液体自塔顶均匀淋下并沿瓷环表面下流，气体通过填料间的空隙上升与液体做连续的逆流接触。在这种设备中，气体中的可溶组分不断地被吸收，其浓度自下而上连续地降低；液体则相反，其中可溶组分的浓度则由上而下连续地增高。二、填料塔的结构及填料特性1填料塔的结构塔体为一圆筒，筒内堆放一定高度的填料。操作时，液体自塔上部进入，通过液体分布器均匀喷洒于塔截面上，在填料表面呈膜状流下。填充高度较高的填料塔可将填料分层，各层填料之间设置液体再分布器，收集上层流下的液体，并将液体重新均布于塔截面。气体自塔下部进入，通过填料层中的空隙由塔顶排出。离开填料层的气体可能夹带少量液沫，必要时可在塔顶安装除沫器。2填料特性的评价气液两相在填料表面进行逆流接触，填料不仅提供了气液两相接触的传质表面，而且促使气液两相分散，并使液膜不断更新。填料性能可由下列三方面予以评价：（1）比表面积a 填料应具有尽可能多的表面积以提供液体铺展，形成较多的气液接触界面。单位填充体积所具有的填料表面称为比表面积a，单位为m2/m3。对同种填料，小尺寸填料具有较大的比表面积，但填料过小不但造价高而且气体流动的阻力大。（2）空隙率 在填料塔内气体是在填料间的空隙内通过的.。流体通过颗粒层的阻力与空隙率密切相关。为减少气体的流动阻力，提高填料塔的允许气速（处理能力），填料层应有尽可能大的空隙率。对于各向同性的填料层，空隙率等于填料塔的自由截面百分率。（3）填料的几何形状 虽然填料形状目前尚难以定量表达,但比表面积、空隙率大致接近而形状不同的两种填料在流体力学与传质性能上可有显著区别。形状理想的填料为气液两相提供了合适的通道，气体流动的压降低，通量大，且液流易于铺展成液膜，液膜的表面更新迅速。因此，新型填料的开发主要是改进填料的形状。此外,理想的填料还需兼顾便于制造、价格低廉，有一定强度和耐热、耐腐蚀性能，表面材质与液体的润湿性好等要求。3几种常用填料（1）拉西环拉西环填料于1914年由拉西（F. Rashching）发明，为外径与高度相等的圆环。拉西环填料的气液分布较差，传质效率低，阻力大，通量小，目前工业上已较少应用。 （2）鲍尔环鲍尔环填料是对拉西环的改进，在拉西环的侧壁上开出两排长方形的窗孔，被切开的环壁的一侧仍与壁面相连，另一侧向环内弯曲，形成内伸的舌叶，诸舌叶的侧边在环中心相搭。鲍尔环由于环壁开孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率，气流阻力小，液体分布均匀。与拉西环相比，鲍尔环的气体通量可增加50%以上，传质效率提高30%左右。鲍尔环是一种应用较广的填料。（3）矩鞍填料矩鞍填料 将弧鞍填料两端的弧形面改为矩形面，且两面大小不等，即成为矩鞍填料。矩鞍填料堆积时不会套叠，液体分布较均匀。矩鞍填料一般采用瓷质材料制成，其性能优于拉西环。目前，国内绝大多数应用瓷拉西环的场合，均已被瓷矩鞍填料所取代。（4）阶梯环阶梯环填料是对鲍尔环的改进，与鲍尔环相比，阶梯环高度减少了一半并在一端增加了一个锥形翻边。由于高径比减少，使得气体绕填料外壁的平均路径大为缩短，减少了气体通过填料层的阻力。锥形翻边不仅增加了填料的机械强度，而且使填料之间由线接触为主变成以点接触为主，这样不但增加了填料间的空隙，同时成为液体沿填料表面流动的汇集分散点，可以促进液膜的表面更新，有利于传质效率的提高。阶梯环的综合性能优于鲍尔环，成为目前所使用的环形填料中最为优良的一种。（5）金属环矩鞍填料金属环矩鞍填料 环矩鞍填料（国外称为Intalox）是兼顾环形和鞍形结构特点而设计出的一种新型填料，该填料一般以金属材质制成，故又称为金属环矩鞍填料。环矩鞍填料将环形填料和鞍形填料两者的优点集于一体，其综合性能优于鲍尔环和阶梯环。（6）格栅填料格栅填料是以条状单元体经一定规则组合而成的，具有多种结构形式。工业上应用最早的格栅填料为木格栅填料。目前应用较为普遍的有格里奇格栅填料、网孔格栅填料、蜂窝格栅填料等，其中以格里奇格栅填料最具代表性。 格栅填料的比表面积较低，主要用于要求压降小、负荷大及防堵等场合。在散装填料中应用较多。三、设计方案简介1. 确定设计方案的原则：（1） 满足工艺和操作的要求（2） 满足经济上的要求（3） 保证安全生产三项原则在生产中都是同样重要的。但在化工原理课程设计中，对第一个原则应作较多的考虑，而对第三个原则只要求作一般的考虑。2. 本设计按以下几个阶段进行：（1） 设计方案的确定和说明。根据给定任务，对吸收装置的流程、 操作条件、主要设备型式及其材质的选取等进行论述。（2） 塔的工艺计算，确定塔高和塔径。（3） 计算各主要工艺尺寸，进行流体力学校核计算。接管尺寸、泵等。（4） 管路及附属设备的计算与选型，如冷凝器、加热器等。（5） 抄写说明书。（6） 绘制吸收装置工艺流程图和吸收塔的设备图。 一、设计任务书及操作条件一、设计题目分离丙酮空气混合气体常压填料吸收塔的工艺二、设计条件1. 进入系统的混合气体处理量1200/h2. 原料：含丙酮10%（体积分数）的混合气体，以丙酮空气二元体系；相对湿度70%；3. 设计温度 进塔气体温度30；吸收剂：25的清水4. 出塔气体中丙酮的气流量为入塔丙酮的o.5%即回收率为99.5% 5. 操作压力为常压101.325KPa6. 使用微分接触式的吸收设备三、设计说明书的内容1. 吸收流程的确定（本流程选择逆流操作）；2. 丙酮浓度计算；3. 丙酮出塔浓度计算；4. 液体出塔温度变化；5. 平衡线的获取；6. 吸收剂量求取：最小吸收剂量，吸收剂用量；7. 操作线方程；8. 填料塔经求取：选择填料，泛点速度，空塔速度，塔径及其圆整，最小润湿速度求取及润湿速度的选取，塔径的校正；9. 单位填料层压降的求取；10.传质单元高度的求取；11.传质单元数求取；12.填料层高度；13.吸收塔高度计算；14.液体分布，再分布器及分布器的选型；15.风机选型及其他主要辅助设备选型；16.绘制生产工艺流程图；17.绘制填料塔总装配图；18.对设计过程的评述。四、设计图要求1.工艺流程图要求画“带控制点的工艺流程图”一张，图纸大小为A2。内容：（1） 设备示意图-带接口管的设备示意图，注写设备位号及名称；（2） 管道流程图-带阀门等管件和仪表控制点（测温、测压、测流量及分析点等）的管道流程线，注写管道代号；（3） 对阀门等管件和仪表控制点的图例符号说明；（4） 标题栏。2. 主体设备装配图要求画主体设备详图一张，图纸大小为A1。内容：（1） 一组视图：一般用主视图、俯视图及其他节点图表示主要设备结构形状；（2） 必要尺寸：注明设备、零部件的定型和定位尺寸；（3） 技术特性表：列出设备操作压力、温度、物料名称、设备特性等；（4） 管口表（5） 明细栏（6） 标题栏：说明设备名称、图号、比例、设计单位、设计人、审校人等。二、设计条件及主要物性参数一、设计条件：1. 生产能力混合气处理量G=1200/h2. 原料 以丙酮空气二元体系，进料混合气体含丙酮的体积分数为10%3. 产品要求 塔顶逸出气体含丙酮体积分数为0.5%4. 操作压力：常压101.325KPa二、物性参数1. 空气的分子量：28.95 ；丙酮的分子量：58.08；水的分子量：18.022. 常压：101.325 kPa3. 在1 atm时，水的凝固点（f.p.）为0，沸点（b.p.）为100。水在0的凝固热为5.99 kJ/mol（或80 cal/g），水在100的汽化热为40.6 kJ/mol（或540 cal/g）。 三、设计方案的确定1. 吸收工艺流程采用常规逆流操作，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。 四、物料计算近似取塔平均操作压力为101.3 kPa,故：混合气量=1200*273/330*1/22.4=48.27 kmol/h混合气中丙酮的量=48.270.1=4.827 kmol/h =4.82758.08=280.325 kg/h查化工原理附录，30饱和水蒸气压强为4.241KPa，则相对湿度为70的混合气中含水蒸汽量: = 混合气中空气量48.274.827-1.41442.029 kmol / h42.02928.951216.74kg / h进塔混合气中丙酮的浓度：Ca=0.0040Kmol/m2 混合气进出塔的（物质的量的比）组成 已知0.1则出塔混合气量=42.029+1.414+4.8271/200=43.467Kmol/h=1243.621Kg/h3. 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=42.029 +1.414=43.443 Kmol/h =1242.219/h kmol（丙酮）/kmol（惰气） kmol（丙酮）/kmol（惰气） 五、热量衡算热量衡算为计算液相温度的变化以判明是否为等温吸收过程。假设丙酮溶于水放出的热量全被水吸收，且忽略气相温度变化及塔的散热损失(塔的保温良好)。查化工工艺算图第一册，常用物料物性数据，得丙酮的微分溶解热(丙酮蒸气冷凝热及对水的溶解热之和)： =3023010467.5=40697.5 kJ/kmol吸收液(依水计)平均比热容75.366 kJ/（kmol），通过下式计算对低组分气体吸收，吸收液浓度很低时，依惰性组分及比摩尔浓度计算较方便，故上式可写为： 依上式，可在x0.0000.018之间，设系列x值，求出相应x浓度下吸收液的温度，计算结果列于表1第l，2列中。由表中数据可见，浓相浓度x变化0.002时，温度升高1.08，依此求取平衡线。表1 各液相浓度下的吸收液温度及相平衡数据X/E/kPam（=E/p）Y*103025.00211.52.08800.00226.08223.92.2104.4200.00427.16236.92.3389.3520.00628.24250.62.47414.8440.00829.32264.92.61620.9280.01030.40280.02.76427.6440.01231.48295.82.92035.0450.01432.56312.43.08443.1770.01633.64329.83.25652.0900.01834.72348.03.43561.839注：（1）与气相浓度相平衡的液相浓度X10.0162，故取0.017； （2）平衡关系符合亨利定律，与液相平衡的气相浓度可用Y*mX表示； （3）吸收剂为清水：X20；（4）近似计算中也可视为等温吸收。 六、气液平衡曲线当x0.1，t=1545时，丙酮溶于水其亨利系数E可用下式计算：1gE =9.1712040/（t+273） 当t=25时，E=211.53KPa，m=E/P=211.53/101.325=2.088所以相平衡关系式：y*=2.088x七、吸收剂（水）的用量Ls,min Y1=0.11时，X1*=Y1/m=0.0527,依下式式计算最小吸收剂用量Ls,min. (L/G)min=Lmin=2.077G=2.07743.443=90.231Kmol/h根据生产经验吸收剂用量L=(1.1-2.0)Lmin，取安全系数为1.8 即：L=1.8Lmin=162.416Kmol/h=2926.736Kg/h 八、塔底吸收液浓度X1依物料衡算式：G()L（）=367.66 = 0.0095=因为C= 所以 塔底吸收液浓度： 九、操作线方程依操作线方程式： =3.739X+0.00055Y=3.739X+0.00055由上式求得操作线绘于附图中。 十、塔径计算塔底气液负荷大，依塔底条件(混合气35)，101.325kPa，查表1，吸收液30计算。图2 通用压降关联图（1）.采用Eckert通用关联图法(图2)计算泛点气速有关数据计算塔底混合气流量G1280.352+25.485+1216.741522.577kg/h吸收液流量L12926.7664.8270.99558.083205.716kg/h进塔混合气平均摩尔质量：进塔混合气密度25下吸收液密度996.7kg/25吸收液黏度（P336)0.8937 mPas经比较，选DG的瓷质乱堆鲍尔环。查化工原理教材附录可得，其填料因子=130，比表面积A110。关联图的横坐标值 ()1/2 =由图2查得纵坐标值为0.165 即0.2=0.165故液泛气速=（2）操作气速 u0.60.63.161.89 m/s（3）塔径 = 取塔径为o.5 m(500 mm)（4）核算操作气速U= 在50%-80%之间，在允许范围内。（5）核算径比D/d500/5025，满足鲍尔环的径比要求。（6）喷淋密度校核依Morris等推专，d75mm约环形及其它填料的最小润湿速率(MWR)为0.08/(mh)：最小喷淋密度0.081108.8 /(m2h)因 /(mh)故满足最小喷淋密度要求。十一、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=；（化工单元操作及设备）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。列出备关联式中的物性数据气体性质(以塔底30，101.325kPa空气计)：1.269 kg/ (前已算出)；=0.0188mPa/s= (查附录)；Dv10910-5=（依翻Gilliland式估算)；液体性质(以塔底20水为准)：996.7 kg/；0.8937Pas= =1.344 (以式计算)(化学工程手册)，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。716Nm (查化工原理附录)。气体与液体的质量流速：Wv= Wl= 塑料鲍尔环(乱堆)特性：50mm0.05m;A110;=61dy/cm= ;查化学工程手册，第12篇，气体吸收，有关形状系数，=1.45（鲍尔环为开孔环）依式=-1.45（）0.75（）-0.05（）0.2=-1.45=（-0.873）故=(（-0.873）)=64.05 依式=0.237()0.7()1/3(） 以式a=因为大于50%所以须对和进行校正，校正计算如下：所以即(4) 传质单元数计算用吸收因数法计算3 填料层高度z计算 取25富余量，则完成本设计任务需Dg50mm瓷质鲍尔环的填料层高度z1.254.291=5.36m。圆整后区填料层高度Z=6m。十二、填料层压降计算取图2(通用压降关联图)横坐标值0.0751(前已算出)；将操作气速 (1.89m/s) 代替纵坐标中的查表，DG50mm瓷质鲍尔环的压降填料因子130，则纵标值为：查图2(内插)得即全塔填料层压降 =2400Pa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。十三、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，分为圆柱升气管式的气体喷射型支承板和梁式气体喷射型支承板。2、填料压板和床层限制板在填料顶部设置压板和床层限制板。有栅条式和丝网式。3、气体进出口装置和排液装置填料塔的气体进口既要防止液体倒灌，更要有利于气体的均匀分布。对500mm直径以下的小塔，可使进气管伸到塔中心位置，管端切成45度向下斜口或切成向下切口，使气流折转向上。对1.5m以下直径的塔，管的末端可制 成下弯的锥形扩大器。气体出口既要保证气流畅通，又要尽量除去夹带的液 沫。最简单的装置是除沫挡板（折板），或填料式、丝网式除雾器。液体出口装置既要使塔底液体顺利排出，又能防止塔内与塔外气体串通，常压吸收塔可采用液封装置。注：（1）本设计任务液相负荷不大，可选用排管式液体分布器；且填料层不高，可不设液体再分布器。 （2）塔径及液体负荷不大，可采用较简单的栅板型支承板及压板。其它塔附件及气液出口装置计算与选择此处从略。 十四、填料塔的设计结果概要项 目数 据备 注混合气摩尔流率kmol/h48.27清水密度kg/m3996.725清水摩尔流量kmol/h162.416清水质量流量kg/h2926.736空塔气速m/s1.89塔径m0.5喷淋密度m3/m2h16.39全塔填料层压降Pa2400塔底吸收液浓度I.624相平衡常数2.088=0.0527传质单元数9.843气相传质单元高度m 0.436实际气速m/s1.70填料层高度m 6 十五、课程设计总结 1、通过本次课程设计，使我对从填料塔设计方案到填料塔设计的基本过程的设计方法、步骤、思路、有一定的了解与认识。它相当于实际填料塔设计工作的模拟。在课程设计过程中，基本能按照规定的程序进行，先针对填料塔的特点和收集、调查有关资料，然后进入草案阶段，其间与同学进行几次方案的讨论、修改，再讨论、逐步了解设计填料塔的基本顺序，最后定案。设计方案确定后，又进行扩初详细设计，并计算物料守恒，传质系数，填料层高度，塔高等；最后进行塔附件设计。 2、此次课程设计基本能按照设计任务书、指导书、技术条件的要求进行。同学之间相互联系，讨论，整体设计基本满足使用要求，但是在设计指导过程中也发现一些问题。理论的数据计算不难，困难就在于实际选材，附件选择等实际问题。这些方面都应在以后的学习中得以加强与改进。以上是本次课程设计的指导过程中的心得与体会以及对课程设计完成情况的总结，希望在以后的学习当中能扬长避短，以取得更好的教学效果。 十六、主要符号说明E亨利系数， ； 气体的粘度， ；平衡常数 ； 水的密度和液体的密度之比 ；g重力加速度， ；分别为气体和液体的密度， ；分别为气体和液体的质量流量， ；气相总体积传质系数， ；填料层高度， ； 塔截面积， ；气相总传质单元高度， ； 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， ；气体通过空塔截面的质量流速， ；气体常数， ；溶质在气相中的扩散系数， ；十七、参考文献1. 匡国柱，史启才编著. 化工单元过程及设备课程设计.化学工业出版社,20022. 王明辉编著.化工单元过程课程设计. 化学工业出版社, 20073. 时钧,汪国鼎,余国琮,陈敏恒编著.学工程手册. 化化学工业出版社, 19964. 冷士良,陆清,宋志轩编著. 化工单元操作及设备. 化学工业出版社, 20075. 王红林,陈砺,编著. 化工设计. 华南理工大学出版社, 20056. 涂晋林,吴志泉编著. 化工工业中的吸收操作. 华南理工大学出版社, 19947. 潘国昌, 郭庆丰编著. 化工设备设计. 清华大学出版社, 19968. 蔡纪宁，张秋翔主编. 化工设备机械基础. 化学工业出版社, 200325- -