丙酮-水吸收设计.doc

目录
概 述………………………………………………………………2
一 设计任务及操作条件…………………………………………2
二 设计方案的确定………………………………………………3
三 物料计算………………………………………………………3
四 热量衡算………………………………………………………4
五 气液平衡曲线…………………………………………………5
六 吸收剂(水)的用量Ls ………………………………………6
七 塔底吸收液浓度X1 …………………………………………6
八 操作线…………………………………………………………6
九 塔径计算………………………………………………………6
十 填料层高度计算………………………………………………9
十一 填科层压降计算 …………………………………………13
十二 填料吸收塔的附属设备……………………………………13
十三 填料塔的设计结果概要……………………………………15
十四 主要符号说明………………………………………………16
十五 参考文献……………………………………………………17
十六 课程设计总结………………………………………………18

概述
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0.6∽0.7m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。

水吸收丙酮填料塔设计
一 设计任务和操作条件
混合气（空气、丙酮蒸气）处理量1500m³∕h;
进塔混合气含丙酮体积分数1.82%；相对湿度70%；温度35℃；
进塔吸收剂（清水）的温度为25℃；
丙酮回收率90%；
操作压力为常压。
二 设计方案的确定
（1）吸收工艺流程
采用常规逆流操作流程．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。
三 物料计算
（1）进塔混合气中各组分的量
近似取塔平均操作压力为101.3kPa,故：
混合气量=1500（）×=59.36kmol∕h
混合气中丙酮量=59.36×0.0182=1.08kmol∕h=1.08×58=62.64㎏∕h
查附录，35℃饱和水蒸气为5623.4Pa，则相对湿度为70%的混合气中含水蒸气量= =0.0404kmol（水气）∕kmol（空气+丙酮）
混合气中水蒸气的含量= =2.31kmol∕h=2.31×18=41.58㎏∕h
混合气中空气量=59.36-1.08-2.31=55.97kmol∕h=55.97×29=1623㎏∕h
（2）混合气进出塔（物质的量）组成
已知：，则

（3）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=55.97+2.31=58.28kmol∕h =1623+41.58=1664.6㎏∕h
=0.0185kmol（丙酮）∕kmol（惰气）
0.00185kmol（丙酮）∕kmol（惰气）
（4）出塔混合气量
出塔混合气量=58.28+1.08×0.1=58.388kmol∕h=1670.8㎏∕h
四 热量衡量
热量衡量为计算液相温度的变化以判断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）：
KJ∕Kmol
吸收液平均比热容=75.366 KJ∕（Kmol.℃）,通过下式计算
=
对低组分气体吸收，吸收液组成很低时，依惰性组分及比摩尔浓度计算方便，故上式可写成 ：
X
即可在X=0.000～之间，设系列X值，求出相应X组成下吸收液的温度，计算结果列于表（1）第1，2列中。由表中数据可见，液相X变化0.001时，温度升高0.54℃，依此求取平衡线。
表（1） 各液相浓度下的吸收液温度及平衡数据
X
/℃
E/kPa
m（=E/p）
×
0.000
25.00
211.5
2.088
0.000
0.001
25.54
217.6
2.148
2.148
0.002
26.08
223.9
2.210
4.420
0.003
26.62
230.1
2.272
6.816
0.004
27.16
236.9
2.338
9.352
0.005
27.70
243.7
2.406
12.025
0.006
28.24
250.6
2.474
14.844
0.007
28.78
257.7
2.544
17.808
0.008
29.32
264.96
2.616

20.928
注：1.与气相称平衡的液相=0.0072,故取=0.008；
2.平衡关系符合亨利定律，与液相平衡的气相含量可用=mX表示；
3.吸收剂为清水，x=0，X=0;
4．近似计算中也可视为等温吸收。
五 气液平衡曲线
当x<0.01，t=15～45℃时，丙酮溶于水其亨利系数E可用下式计算： =9.171－[2040／（t+273）]
查《化学工艺算图》第一册.常用物料特性数据，由前设X值求出液温，通过上式计算相应E值，且m=，分别将相应E值及相平衡常数m值列于表4-16中的第3，4列。由=mX求取对应m及X时的气相平衡组成，结果列于表中4-16中第5列。
根据X-数据，绘制X-Y平衡曲线0E，如图1所示。

六 吸收剂（水）的用量
由图1查出，当=0.0185，=0.0072,依下式式计算最小吸收剂用量。
=134.8kmol∕h
=1.1～2.0 取
故 =1.7×134.8=229.2kmol∕h=4126㎏∕h
七 塔底吸收液
根据式 有

八 操作线
依操作线方程式
得 Y =X+0.00185=3.933X+0.00185
九 塔径计算
塔底气液负荷大，依塔底条件(混合气35℃)，101.325kPa，查表可知，吸收液27.16℃计算。
u =（0.6~~0.8）
（1）采用Eckert通用关联图法(图2)计算泛点气速
① 有关数据计算
塔底混合气流量＝1623＋62.64＋41.58＝1727kg／h
吸收液流量＝4126＋1.08×0.9×58＝4182kg／h

图2 通用压降关联图

进塔混合气密度＝×＝1.15kg／ (混合气浓度低，可近似视为空气的密度)
吸收液密度＝996.7kg/
吸收液黏度＝0.8543mPa·s
经计算，选DG50mm塑料鲍尔环。查《化工原理》教材附录可得，其填料因子=120，比表面积A＝106.4
②关联图的横坐标值
()1/2=()1/2 =0.082
③由图2查得纵坐标值为0.146
即0.2=0.2=0.0137=0.146
故液泛气速==3.264m/s
(2)操作气速
u＝0.6＝0.6×3.264 ＝1.96m/s
(3)塔径
== 0.52 m=520mm
取塔径为600mm。
(4)核算操作气速
U==1.474m/s<
(5)核算径比
D/d＝600/50＝12，满足鲍尔环的径比要求。
(6)喷淋密度校核
依Morris等推专，d＜75mm约环形及其它填料的最小润湿速率(MWR)为0.08／(m·h),故：
最小喷淋密度＝0.08×106.4＝8.512 /(m2·h)
因 ＝＝14.6/(㎡.h)
故满足最小喷淋密度要求。
十 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=

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。
①列出备关联式中的物性数据
气体性质(以塔底35℃，101.3kPa空气计)：＝115 kg/ (前已算出)；＝0.01885× (查附录)；＝1．09×（依翻Gilliland式估算)。
液体性质(以塔底27．16℃水为准)：＝996.7 kg/；＝0.8543×Pa·s；＝71．6×N／m(查化工原理附录）；=1.344× (以式计算)，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。
气体与液体的质量流速：
=4.1
=1.7
塑料鲍尔环(乱堆)特性：＝50mm＝0.05m;A＝106.4;=40dy/cm=40×10-3 N/m;查《化学工程手册，第12篇，气体吸收》，有关形状系数，=1.45。
②依式

={-145（）0.75（）0.1（）- 0.05（）0.2}
={-1.45（0.646）（1.47）（1.09）（0.29）}
=（-0.432）=0.351
故 ==0.351×106.4=37.3
③依式
=0.0051()2/3()1/\3()1/3()0.4=0.0051()2/3()1/3()1/3(5.9)0.4=0.0051×25.5×0.0396×0.02033×2.03=2.13×10-4 m/s
④依式
= 5.23()0.7()1\3()()
= 5.23()0.7()1/3()(5.9)
=523(112.1)(1.146)(4.529×10-7)(5.9)
=1.795×10-3kmol/(m2·s·kPa)
故 =2.13××37.3=7.94×10-3 (L/s)
=1.795×10-3×37.3=7.00×10-2kmol/(m2·s·kPa)
(2)计算
＝，而，H=。由于在操作范围内，随液相组成和温度的增加，m (E)亦变，故本设计分为两个液相区间，分别计算(I)和(II)
区间I X＝0.004~0.002(为(I))
区间II X＝0.002~0 (为(II))
由表1知
＝2.30×kPa , ＝==0.241kmol/(·kPa)
=2.18× kPa, ===0.254kmol/(·kPa)
=＋＝536.9
=.P=0.1884

=＋=510.1
=0.00196×101.3=0.1985
(3)计算
===0.304m
== =0.289m
（4）传质单元数
组成
I
II
X
0.004~0.002
0.002~0
Y
0.0176~0.0097
0.0097~0.00185
Y*
0.00935~0.00442
0.00442~0

据下式计算
NOG=

（5）填料层高度Z计算
Z=
=0.304×1.2+0.289×2.4=1.0584m
取25%余量，则完成本设计任务需DG塑料鲍尔环的填料层高度Z=1.25×1.0584=1.4m
十一 填料层压降计算
取图2(通用压降关联图)横坐标值0.082(前已算出)；将操作气速(＝1．474m/s) 代替纵坐标中的查表，DG50mm塑料鲍尔环的压降填料因子＝125代替纵坐标中的．则纵标值为：
×()×(0.8543)0.2=823.9Pa
查图2(内插)得
P=24×9.81=235.4Pa/m 填料
全塔填料层压降 =3.5×235.4=823.9Pa

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。
十二 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。

十三 填料塔的设计结果概要

项 目
数 据
备 注
混合气摩尔流率kmol/h
59.36

清水密度kg/m3
997.0
25℃
清水摩尔流量kmol/h
229.2

清水质量流量kg/h
4126

泛点气速m/s
3.264

泛点率
0.6

塔径m
0.6

喷淋密度m3/m2h
14.6

全塔填料层压降Pa
823.9

吸收剂出口浓度
0.004

相平衡常数
2.210
X=0.002
相平衡常数
2.338
X=0.004
气相浓度对数平均值
0.0066
X（1）0.004̰̃～0.002
气相浓度对数平均值
0.00327
X（2）0.002～0
传质单元数
1.2
X（1）
传质单元数
2.4
X（1）
实际气速m/s
1.96

气相传质单元高度m
0.304
X（1）
气相传质单元高度m
0.289
X（2）
填料层高度m
1.4

十四 主要符号说明
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，
—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， kmol/·s
—填料层高度，m —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，kmol/(m2·s·kPa)
—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，kmol/(m2·s·kPa)
—溶解度系数，kmol/(m2·kPa)
—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，kg/(m2·s)
—气体常数， 8.314J/mol·K
—溶质在气相中的扩散系数，
十五 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,2002
2 王明辉编著.化工单元过程课程设计. 化学工业出版社, 2007
3 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, 1996
4 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, 2007
5 王红林,陈砺,编著. 化工设计. 华南理工大学出版社, 2005
6 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, 1994
7 潘国昌, 郭庆丰编著. 化工设备设计. 清华大学出版社, 1996
8 蔡纪宁，张秋翔主编. 化工设备机械基础. 化学工业出版社, 2003

结束语
这次设计总体来说还比较合理，各项设计结果均符合设计要求，详见设计结果总汇表及填料塔配图。由于该类型填料塔的一些物性参数均非化工手册中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。
这次课程设计，自己收获颇多。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，在规定的时间内完成了指定的化工设计任务，从而得到了化工程序设计的初步训练。通过课程设计，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。同时，通过课程设计，还可以使我们树立正确的设计思想，培养实事求是，严肃认真，高度负责的工作作风。
综上所述，这次课程设计对自己来说是一个提高的过程。在做课程设计的过程中，几次频繁的去图书馆找寻资料，不仅让自己现在能够熟悉查阅文献资料，还丰富了自己的课外知识。两个星期内，同学之间热烈讨论，各寝室间交流密切，极大增进了同学之间的友谊，这可算上是此次课程设计的额外收获。对于化工单元操作 ，从开始的陌生到现在的一知半解，有自己的努力，也有很多她人的帮助。感谢工分071班全体女生，谢谢你们的帮助；感谢王平老师，谢谢您的的悉心指导 。

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