水吸收丙酮填料塔设计化工课程设计.docx

课程名称: _填料塔设计_ （一） 设计题目：水吸收空气中的丙酮填料塔的工艺设计（二） 设计条件1生产能力:每小时处理混合气体9000Nm3 /h2设备形式:填料塔3操作压力：101.3KPa4操作温度:298K5进塔混合气体中含丙酮4%（体积比）6丙酮的回收率为99%7每年按330天计，每天按24小时连续生产8建厂地址：兰州地区9要求每米填料的压降都不大于10Pa。（三） 设计步骤及要求1确定设计方案（1）流程的选择（2）初选填料的类型（3）吸收剂的选择2查阅物料的物性数据（1）溶液的密度、粘度、表面张力、氨在水中的扩散系数（2）气相密度、粘度、表面张力、氨在空气中的扩散系数（3）丙酮在水中溶解的相平衡数据3物料衡算（1）确定塔顶、塔底的气流量和组成（2）确定泛点气速和塔径（3）校核D/d810（4）液体喷淋密度校核：实际的喷淋密度要大于最小的喷淋密度。4填料层高度计算5填料层压降核算如果不符合上述要求重新进行以上计算 6填料塔附件的选择（1）液体分布装置（2）液体再分布装置（3）填料支撑装置（4）气体的入塔分布. (四）参考资料1、 化工原理课程设计 贾绍义 柴诚敬 天津科学技术出版2、 现代填料塔技术 王树盈 中国石油出版3、 化工原理 夏清 天津科学技术出版（五）计算结果列表（见下页）参数符号单位计算结果操作条件平均压力PKPa101.3平均温度TK298平均流率气相V353.27液相L1978.14丙酮的浓度c塔顶4%塔底物性参数平均密度气相1.23液相997.043平均黏度0.189平均表面张力932731.2主要工艺结构尺寸填料的类型塑料阶梯环填料的规格空塔气速2.037泛点气速2.909塔径Dm1.4填料层高度Zm18气膜传质系数 0.06液膜传质系数0.97总传质系数压降Pa5643.59操作液气比3.11最小喷淋密度10.6实际喷淋密度U12.90 目录1. 概述与设计方案的确定- 7 -1.1填料塔简述- 7 -1.2设计方案的确定- 7 -1.2.1装置流程的确定- 7 -1.2.2填料的选择- 8 -1.2.3 吸收剂的选择- 10 -2. 设计计算- 10 -2.1基础物性数据- 11 -2.1.1 液相物性数据- 11 -2.1.2气相物性数据- 11 -2.2 物料衡算- 12 -2.3填料塔的工艺尺寸的计算- 13 -2.4填料层高度计算- 14 -2.5填料层压降计算- 17 -3. 填料塔附件的选择- 17 -3.1 液体分布器简要设计- 17 -3.2 液体分布器的选择- 18 -3.2.1液体分布器的选型- 18 -3.2.2分布点密度计算- 18 -3.3辅助设备的计算及选型- 19 -3.3.1填料支承设备- 19 -3.3.2填料压紧装置- 20 -3.3.3液体再分布装置- 20 -3.3.4除沫装置- 20 -4. 结论- 21 -5.参考文献- 21 -6.附录- 21 - 1. 概述与设计方案的确定1.1填料塔简述 塔设备在化工、石油化工、生物化工、医药、食品等生产过程中广泛应用的汽液传质设备1。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。根据塔内气液接触部件的结构形式，可将塔设备分为两大类：板式塔和填料塔。板式塔内沿塔高度装有若干层塔板，液体靠重力作用由顶部逐板流向塔釜，并在各块板面上形成流动的液层，气体靠压强差推动，由塔底向上依次穿过各塔板上的液层而流向塔顶。气液两相在塔内进行逐级接触，两相组成沿塔高呈阶梯式变化。填料塔则在塔体内装填填料，液体由上而下流动中在填料上分布汇合，气体则在填料缝隙中向上流动。填料为气液传质提供了较大的气液接触面积。2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。31.2设计方案的确定1.2.1装置流程的确定 吸收装置的流程主要有以下几种。4 塔内气液两相流动方式可以是逆流也可以是并流。通常采用逆流操作，气体自塔低通入，液体从塔顶洒下，因此溶液从塔底流出前与刚进入塔的气相接触，可使溶液的浓度尽量提高，经吸收后的气体从塔顶排除前与刚入塔的液体接触，又可使出塔气体中溶质浓度尽量降低。在逆流操作下，在相同的进出口组成条件下，逆流吸收流程具有较大的平均传质推动力，可以减少设备尺寸，提高吸收率和吸收剂使用效率，可以实现多级理论级操作，气体净化程度较高，常在工业上应用。而并流吸收流程是气液两相均从塔顶流向塔底，只有一个理论级操作，气体净化程度不很高，但却可以避免塔的液泛现象。吸收剂部分再循环操作在逆流操作系统中，用泵将吸收塔排出液体的一部分冷却后与补充的新鲜吸收剂一同送回塔内，即为部分再循环操作。通常用于已下情况：当吸收剂用量较小，为提高塔的液体喷淋密度；对于非等温吸收过程，为控制塔内的温升，需取出一部分热量。该流程特别适宜于平衡常数m很小的情况，通过吸收液的部分再循环，提高吸收剂的使用效率。多塔串联操作若设计的填料层高度过大，或由于所处理物料等原因需经常清理填料，为便于维修，可把填料层分装在几个串联的塔内，每个吸收塔通过的吸收剂和气体量都相等，即为多塔串联操作。此种操作因塔内需留较大空间，输液，喷淋，支撑板等辅助装置增加，使设备投资加大。串并联混合操作若吸收处理的液量很大，如果用通常的流程，则液体在塔内的喷淋密度过大，操作气速势必很小（否则易引起液泛），塔的生产能力很低。实际生产中可采用气相作串联，液相作并联的混合流程；若吸收过程处理的液量不大而气相流量很大时，可采用液相作串联，气相作并联的混合流程。根据以上述说和本设计条件应选择:逆流吸收流程1.2.2填料的选择 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。填料的选择包括填料的种类、规格及材质等。所选的填料既要满足生产工艺的要求，又要使设备投资和操作费用低。几种典型的散装填料：填料类型基本分为：散装填料和规整填料一.散装填料散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积在塔内，又称为乱堆填料或颗粒填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。现介绍几种较为典型的散装填料: 拉西环填料、鲍尔环填料、阶梯环填料、弧鞍填料、矩鞍填料、金属环矩鞍填料、球形填料。 a.拉西环填料拉西环填料于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。b.鲍尔环填料 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。c.矩鞍填料填料 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。d.阶梯环填料 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。e.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。二.规整填料 规整填料是按一定的几何构形排列，整齐堆砌的填料。规整填料种类很多，根据其几何结构可分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料等。 a.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。 b.波纹填料 波纹填料目前工业上应用的规整填料绝大部分为波纹填料，它是由许多波纹薄板组成的圆盘状填料，波纹与塔轴的倾角有30和45两种，组装时相邻两波纹板反向靠叠。各盘填料垂直装于塔内，相邻的两盘填料间交错90排列。波纹填料按结构可分为网波纹填料和板波纹填料两大类，其材质又有金属、塑料和陶瓷等之分。金属丝网波纹填料是网波纹填料的主要形式，它是由金属丝网制成的。金属丝网波纹填料的压降低，分离效率很高，特别适用于精密精馏及真空精馏装置，为难分离物系、热敏性物系的精馏提供了有效的手段。尽管其造价高，但因其性能优良仍得到了广泛的应用。波纹填料的缺点是不适于处理粘度大、易聚合或有悬浮物的物料，且装卸、清理困难，造价高。c.脉冲填料 脉冲填料是由带缩颈的中空棱柱形个体，按一定方式拼装而成的一种规整填料。脉冲填料组装后，会形成带缩颈的多孔棱形通道，其纵面流道交替收缩和扩大，气液两相通过时产生强烈的湍动。在缩颈段，气速最高，湍动剧烈，从而强化传质。在扩大段，气速减到最小，实现两相的分离。流道收缩、扩大的交替重复，实现了“脉冲”传质过程。脉冲填料的特点是处理量大，压降小，是真空精馏的理想填料。填料材质分为：陶瓷填料、塑料填料及金属填料a.陶瓷填料 陶瓷填料具有很好的耐腐蚀性及耐热性，陶瓷填料价格低廉，具有很好的表面湿润性能，质脆、易碎是其最大缺点。b.塑料填料 在温度较低时塑料能长期操作而不发生变形，价格低廉，性能良好。一般多采用聚丙烯材质。可耐一般无机酸、碱和有机溶剂腐蚀。质轻具有良好的韧性，耐冲击不易碎，可以制成薄壁结构。通量大压降低，但表面湿润性差，可以通过适当的表面处理来改善其表面湿润性能。c.金属填料 一般耐高温，但不耐腐蚀，能在高温、高压及高冲击强度下使用，应用范围广通量大，气体阻力小但价高且不容易清理。根据填料材质比较应选：聚丙烯塑料的阶梯环填料规格为50mm25 mm1.5 mm，其主要参数如下：公称直径DN mm外径高厚 d h ,mm 比表面积 m2/m3空隙率 %个数n m-3堆积密度pKg/m3干填料因子 m-15050251.5114.292.71074054.81431.2.3 吸收剂的选择 对于吸收操作，选择适宜的吸收剂，具有十分重要的意义。其对吸收操作过程的经济性有着十分重要的影响。一般情况下，选择吸收剂，要着重考虑如下问题：1对溶质的溶解度大。2对溶质有较高的选择性。3.挥发度要低。4再生性能好。5吸收剂的黏度小，有利于气液两相接触良好，提高传质速率。6吸收剂应具有良好化学稳定性好，不易燃，无腐蚀性，无毒，易得，廉价等特点。 用水吸收丙酮属易溶气体的吸收过程为提高传质效率，选用逆流吸收过程。因用水作吸收剂，若丙酮不作为产品，则采用纯溶剂；若丙酮作为产品，则采用含一定丙酮的水溶液。现以纯溶剂为例进行设计。对于水吸收丙酮的过程，操作温度及操作压力较低，塑料可耐一般的酸碱腐蚀，所以工业上通常选用塑料散装填料。在塑料散装填料中，阶梯环填料气体通量大、流动阻力小、传质效率高，故此选用DN50聚丙烯阶梯环填料。本设计采用水做吸收剂。2. 设计计算2.1基础物性数据2.1.1 液相物性数据 对低浓度吸收过程，溶液的物性资料可近似取纯水的物性数据。由手册 1 查得，25时水的有关物性资料如下：密度为 =997.043kg/m粘度为 表面张力为 =71.97dyN/cm=932731.2kg/h查手册 2 丙酮在水中的扩散系数为 ： 3 式中 丙酮在水中的扩散系数，T温度，K；溶液的黏度，；容积的摩尔质量，；溶质的摩尔体积，溶剂的缔合因子（水为2.26）=1.276m/s=4.594m/h2.1.2气相物性数据混合气体的平均摩尔质量为 =M=0.0458+0.9629=30.16kg/kmol 混合气体的平均密度为 =1.23kg/m 混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，由化工原理（上册）附录五查得30 空气的粘度为 =1.83510Pa=0.066kg/(m)查手册并计算得丙酮在空气中的扩散系数为 D=0.109cm/s=0.03924m/h扩散系数，；P总压强，；T温度，K；分别为AB两种物质的摩尔质量，kg/kmol；分别为A，B两物质的分子体积，2.1.3气液相平衡数据化工单元操作设计手册(化学工业部化学工程设计技术中心站主编)表2-1查得常压下25时丙酮在水中的亨利系数为 4 相平衡常数为 溶解度系数：=0.26kmol/(kPa)2.2 物料衡算进塔气相摩尔比为 Y=0.042出塔气相摩尔比为 Y=Y(1-)=0.042(1-0.99)=0.00042丙酮的回收率（99%） 进塔惰性气体流量为 V=353.37kmol/h该吸收过程属低浓度吸收，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，进塔液相组成为 ()=2.07由题意知，操作液气比为 1.5=3.11吸收剂进塔流量L=353.373.11=1098.98kmol/hV(Y-Y)=L(X-X) 出塔液相组成X=0.0134 2.3填料塔的工艺尺寸的计算 塔径计算 采用Eckert通用关联图计算泛点气速。 气相品质流量为: w=9000/h 液相品质流量可近似按纯水的流量计算，即 W=18/h Eckert通用关联图的横坐标为: 查通用关联图得: 查散装填料泛点填料因子平均值表得 取 (对于散装填料,其泛点率的经验值为0.85) 由 D=圆整塔径，取D=1.4m泛点率校核：u=/s%=56%(在允许范围内)填料规格校核： 10(满足要求)液体喷淋密度校核：对于直径不超过75mm的散装填料,取最小润湿速为 查常用 5 散装填料的特性参数表得化原下册表35查得:比表面积:/m 最小喷淋密度:U/mU=U经以上校核可知，填料塔直径选用D=1400mm合理。 2.4填料层高度计算 =2.0880.0134=0.0280=0脱吸因子为 S=气相总传质单元数为 N = =7.45气相总传质单元高度采用修正的恩田关系型计算： 查常见材质的临界便面张力值表得 6 水表面张力为 /cm =932731.2kg/h（聚氯乙烯）水粘度为液体品质通量为 G/(m)气膜吸收系数由下式计算： 气体品质通量为 G/(m) k =0.06kmol/(m)液膜吸收系数由下式计算： k =0.0095=13.18m/h由 ，查常见填料的形状系数表得 （开孔环）则 k/(m) k/h 50%由 =1+9.5(0.56-0.5) =1.00kmol/(m， =1+2.6(0.56-0.5) =142.59/h K/(m)由 H由 Z=H.=2.34填料层高度为18m 2.5填料层压降计算采用Eckert通用关联图计算填料层压降横坐标为 查散装填料压降填料因子平均值表得 纵坐标为 查埃克特通用关联图得 填料层压降为 3. 填料塔附件的选择3.1 液体分布器简要设计 液体分布器可分为初始分布器和再分布器，初始分布器设置于填料塔内，用于将塔顶液体均匀的分布在填料表面上，初始分布器的好坏对填料塔效率影响很大，分布器的设计不当，液体预分布不均，填料层的有效湿面积减小而偏流现象和沟流现象增加，即使填料性能再好也很难得到满意的分离效果。因而液体分布器的设计十分重要。特别对于大直径低填料层的填料塔，特别需要性能良好的液体分布器。液体分布器的性能主要由分布器的布液点密度（即单位面积上的布液点数），各布液点均匀性，各布液点上液相组成的均匀性决定，设计液体分布器主要是决定这些参数的结构尺寸。对液体分布器的选型和设计，一般要求：液体分布要均匀；自由截面率要大；操作弹性大；不易堵塞，不易引起雾沫夹带及起泡等；可用多种材料制作，且操作安装方便，容易调整水平。液体分布器的种类较多，有多种不同的分类方法，一般多以液体流动的推动力或按结构形式分。若按流动推动力可分为重力式和压力式，若按结构形式可分为多孔型和溢流型。其中，多孔型液体分布器又可分为：莲蓬式喷洒器、直管式多孔分布器、排管式多孔型分布器和双排管式多孔型分布器等。溢流型液体分布器又可分为：溢流盘式液体分布器和溢流槽式液体分布器。83.2 液体分布器的选择该吸收塔液相负荷较大，而气相负荷相对较小，根据本吸收的要求和物系的性质可选用槽式液体分布器。3.2.1液体分布器的选型液体负荷较小，故选用排管式喷淋器3.2.2分布点密度计算按Eckert建议值，D为1400mm时，可取n=246点/m2 7 喷淋密度=246(0.7851.42)=70， 得布液点数n=70，布液计算：由 式中 ：小孔直径，m n：布液点个数，个 ：孔流系数（雷诺数大于1000的情况下，可取0.600.62） g：重力加速度，m/s2 h：液位高度，m取，则 因为液体负荷较小，所以可采用排管式喷淋器得布液点数n=70，喷淋密度=70/(0.7850.72)=246点/m2查手册【 8 】塔直径 主管直径 排数（支管） 排管外缘直径 最大流量m3/h700 50 4 660 7支承板型号 支承板外径 支承板分块数 支承板圈厚度 支承板圈宽度梁型气体喷 680 2 10 40射式支承板进气管：进出口气速按1215m/s设计取14m/s计算：查手册得：用一般中低压无缝钢管：液体进料管：流速按35计算3.3辅助设备的计算及选型3.3.1填料支承设备 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。常用的填料支承装置有栅板型和驼峰型及各种具有气升管结构的支承板。如图：3.3.2填料压紧装置 为保证填料塔在工作状态下填料床能够稳定，防止高气相负荷或负荷突然变动时填料层发生松动，破坏填料层结构，甚至造成填料损失，必须在填料层顶部设置填料限定装置。填料限定可分为类：一类是将放置于填料上端，仅靠自身重力将填料压紧的填料限定装置，称为填料压板；一类是将填料限定在塔壁上，称为床层限定板。填料压板常用于陶瓷填料，以免陶瓷填料发生移动撞击，造成填料破碎。床层限定板多用于金属和塑料填料，以防止由于填料层膨胀，改变其初始堆积状态而造成的流体分布不均匀的现象。一般要求压板和限制板自由截面分率大于70%。3.3.3液体再分布装置 为使流向塔壁的液体能重新流回塔中心部位，一般在液体流过一定高度的填料层后装置一个液体再分布器。液体再分布器形状如漏斗，在液体再分布器侧壁装有若干短管，使近塔壁的上升气流通过短管与中心气流汇合，以利气流沿塔截面均匀分布。液体在乱堆填料层内向下流动时，有偏向塔壁流动的现象，偏流往往造成塔中心的填料不被润湿，降低表面利用率。对于此填料塔而言，为了提干塔效率，故将其填料分为三层，根据再分布器各种规格的使用范围，最简单的液体再分布装置为截锥式再分布器。 截锥式再分布器结构简单，安装方便。3.3.4除沫装置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。由于氨气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。4. 结论 通过本次课程设计，让我对水吸收丙酮填料塔的设计方案和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。在课程设计过程中，基本能按照化工原理设计课程和规定的程序进行设计，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，其间与同学进行一些讨论，后逐步了解设计填料塔的基本顺序，最后定案。这次设计的填料塔的一些物性参数未能查到的确切数据，是通过分析计算得到的，这给计算带来了一定的误差。还有许多比较复杂的计算，对小数点的取值造成一定的误差。课程设计可谓是理论联系实际的桥梁，是我们学习化工设计基础的初步尝试。通过课程设计，使我们能综合运用本课程和前修课程的基本知识，进行融会贯通的独立思考。通过课程设计，让我们增强啦一种独立的，思考性的动手方式，提高我们的动手能力。使我们更加深刻的了解了工程设计的基本内容，掌握化工设计的程序和方法，培养了我们分析和解决工程实际问题的能力。5.参考文献1姚玉英.化工原理：上册，下册M.天津：天津科学技术出版社，2009年。2王树楹，现代填料塔技术指南，中国石化出版社，1995年，北京3潘国昌、郭庆丰，毕诚敬，化工原理课程设计，天津科学出版社，1996年，北京4化学工业部化工设计公司主编, 化工工艺算图 第一册 常用物料物性资料, 化学工业出版 社，1982年。 5张受谦.化工手册：上卷M.济南：山东科学技术出版社，1986年。6匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计M.北京：化学工业出版社，2008年。7贾绍仪，柴诚敬.化工原理课程设计M.天津：天津大学出版社，2002年。8路秀林，王者相编，塔设备M.北京：化学工业出版社，2004.19中国石化化工工艺设计手册(第三版) 化学工业出版社2003.7 6.附录 附录1 主要符号及意义说明符号代 表 意 义符号代 表 意 义气体扩散系数单位体积填料润湿面积液体扩散系数S脱吸因数出口液相溶质摩尔分率D塔径m平衡常数传质单元高度E亨利系数传质单元数H溶解度系数液体最小喷淋密度 进口气相溶质摩尔分率L液体喷淋密度Y出口气相溶质摩尔分率u空塔速度进口液相溶质摩尔分率液泛速度K气相传质系数填料因子以摩尔分数差为推动力的气相传质系数填料形状修正系数以摩尔分数差为推动力的液相传质系数n布液孔数液体粘度Q流量气体粘度Z填料高度气体质量流速Z全塔高度液体质量流速液体表面张力h液体高度填料临界表面张力f泛点率填料比表面积