化工原理課程設(shè)計(jì)

1、化工原理課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目 填料吸收塔工藝設(shè)計(jì) 班 級(jí) 環(huán)境工程141班 學(xué)生姓名 梁世君 學(xué) 號(hào) 201418040129 日 期 2016.6.24 設(shè)計(jì)任務(wù)試設(shè)計(jì)常壓填料塔，以水吸收丙酮。a混合氣（空氣、丙酮）處理量為1500m3/h；b進(jìn)塔混合氣含丙酮體積分?jǐn)?shù)5，溫度35；c進(jìn)塔吸收劑（清水）的溫度25；d丙酮回收率97；e操作壓力為常壓；設(shè)計(jì)方案的確定1.1.填料吸收塔設(shè)計(jì)方案的確定 （1）裝置的確定 用水吸收丙酮屬中等溶解度的吸收過程，為提高傳質(zhì)效率，選用逆流吸收流程。圖4-1 逆流吸收塔 1 吸收塔2 貯槽 3 泵 4 冷卻器（2）吸收劑的選擇 用水作為吸收劑，且丙酮不作為產(chǎn)品，故

2、采用純?nèi)軇?工業(yè)常用吸收劑溶質(zhì) 吸收劑 氨 水、硫酸 丙酮蒸氣 水 氯化氫 水 二氧化碳 水、堿液、碳酸丙烯酯 二氧化硫 水 硫化氫 堿液、砷堿液、有機(jī)溶劑 苯蒸氣 煤油、洗油 丁二烯 乙醇、乙腈 二氯乙烯 煤油 一氧化碳 銅氨液 (3) 操作溫度與壓力的確定操作溫度的確定 由吸收過程的氣液平衡關(guān)系可知，溫度降低可增加溶質(zhì)組分的溶解度，即低溫有利于吸收，但操作溫度的低限應(yīng)由吸收系統(tǒng)的具體情況決定。操作壓力的確定 由吸收過程的氣液平衡關(guān)系可知，壓力升高可增加溶質(zhì)組分的溶解度，即加壓有利于吸收。但隨著操作壓力的升高，對(duì)設(shè)備的加工制造要求提高，且能耗增加，因此需結(jié)合具體工藝條件綜合考慮，以確定操作壓

3、力。1.2 填料的類型與選擇對(duì)于水吸收丙酮的過程，操作溫度及操作壓力較低，工業(yè)上通常選用塑料散裝填料。在塑料散裝填料中，塑料階梯環(huán)填料的綜合性能較好，故此選用DN38聚丙烯階梯環(huán)填料。1.3 填料塔工藝尺寸的計(jì)算 填料塔工藝尺寸的計(jì)算包括塔徑的計(jì)算、填料層高度的計(jì)算及分段等。（1）液相物性的數(shù)據(jù)水的分子量：18g/mol壓力：101.325Kpa查化工原理附錄得，25時(shí)，水的物性如下：密度為 L=997.1 kg/m3粘度為 L=0.0008937 Pa·s=3.2173kg/(m·h)表面張力為L(zhǎng)=71.97 dyn/cm=932731 kg/h2丙酮在水中的擴(kuò)散系數(shù)為

4、DL=1.327×10-9m2/s=4.776×10-6m2/hD=（2）氣相物性的數(shù)據(jù)進(jìn)塔混合氣體溫度為35空氣的分子量：29g/mol丙酮的分子量：58g/mol混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為 MVm=yiMi=0.05×58.08+0.95×29=30.45g/mol混合氣體的平均密度為混合氣體的粘度可近似取為空氣的粘度，查手冊(cè)得35空氣的粘度為 V=1.86 ×10-5Pas=0.067kg/(mh)查手冊(cè)得丙酮在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為計(jì)算，其中293K時(shí)，100kPa時(shí)丙酮在空氣中擴(kuò)散系數(shù)為1×（3）氣液相平衡數(shù)據(jù)當(dāng)x<0.01

5、,t=1545時(shí)，丙酮-水體系的亨利系數(shù)可用式：計(jì)算E=211.5kPa相平衡常數(shù)為m=E/P=211.5/101.3=2.09溶解度系數(shù)為1.4物料恒算進(jìn)塔氣相摩爾比為 出塔氣相摩爾比為 進(jìn)塔惰性氣相流量為 該吸收過程屬低濃度吸收，平衡關(guān)系為直線，最小液氣比可按下式計(jì)算，即 對(duì)于純?nèi)軇┪者^程，進(jìn)塔液相組成為 取操作液氣比為 1.5塔徑的計(jì)算采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算泛點(diǎn)氣速氣相質(zhì)量流量為 kg/h液相質(zhì)量流量可近似按純水的流量計(jì)算，即 kg/hEckert通用關(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)為 填料塔泛點(diǎn)和壓降的通用關(guān)聯(lián)圖 圖中 u0空塔氣速，m /s； 濕填料因子，簡(jiǎn)稱填料因子，1 /m； 水的密度和

6、液體的密度之比； g重力加速度，m /s2； V、L分別為氣體和液體的密度，kg /m3； wV、wL分別為氣體和液體的質(zhì)量流量，kg /s。查圖一得 查表 取 由 圓整塔徑，取D=0.6m泛點(diǎn)率校核： （在允許范圍內(nèi)） 填料規(guī)格校核： （滿足階梯環(huán)的徑比要求）液體噴淋密度校核：取最小潤(rùn)濕速率為 查表 經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用D=600mm合理。1.6填料層高度計(jì)算 脫吸因數(shù)為 氣相總傳質(zhì)單元數(shù)為 氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計(jì)算： 常見材質(zhì)的臨界表面張力值材質(zhì) 碳 瓷 玻璃 聚丙烯 聚氯乙烯 鋼 石蠟 表面張力, mN /m 56617333407520查表二得聚丙烯材質(zhì)的臨

7、界表面張力 液體質(zhì)量通量為 氣膜吸收系數(shù)由下式計(jì)算： 氣體質(zhì)量通量為 液膜吸收系數(shù)由下式計(jì)算： 常見填料的形狀系數(shù) 填料類型 球形 棒形 拉西環(huán) 弧鞍 開孔環(huán) 值 0.720.7511.191.45由 ，查表三得 則 h 由 得 h則 由 由 設(shè)計(jì)取填料層高度為 散裝填料分段高度推薦值填料類型h/DHmax/m拉西環(huán) 2.54矩鞍 586鮑爾環(huán) 5106階梯環(huán) 8156環(huán)矩鞍 5156查表4，對(duì)于階梯環(huán)填料，。取，則 計(jì)算得填料層高度為6600mm<7200mm,故不需分段1.7填料層壓降計(jì)算 采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算填料層壓降。橫坐標(biāo)為 查表 縱坐標(biāo)為 散裝填料壓降填料因子平均值

8、 填料類型 填料因子, 1/mDN16DN25DN38DN50DN76金屬鮑爾環(huán) 306-11498-金屬環(huán)矩鞍 -13893.47136金屬階梯環(huán) -11882-塑料鮑爾環(huán) 34323211412562塑料階梯環(huán) -17611689-瓷矩鞍環(huán) 700215140160-瓷拉西環(huán) 1050576450288-查圖5得 填料層壓降為 1.8 液體分布器簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)(1).液體分布器的選型該吸收塔液相負(fù)荷較大，而氣相負(fù)荷相對(duì)較小，故選用槽式液體分布器。(2).分布點(diǎn)密度計(jì)算按Eckert建議值，D=600mm時(shí)，取噴淋點(diǎn)密度為250點(diǎn)/m2。布液點(diǎn)數(shù)為n=0.785×0.6×0.6

9、×250=70.65點(diǎn)71點(diǎn)按分布點(diǎn)幾何均勻與流量均勻的原則，進(jìn)行布點(diǎn)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)結(jié)果為：二級(jí)槽共設(shè)七道，在槽側(cè)面開孔，槽寬度為45mm ，槽高度為210mm 。兩槽中心矩為90mm 。分布點(diǎn)采用三角形排列，實(shí)際設(shè)計(jì)布點(diǎn)數(shù)為 n=112點(diǎn)。(3).布液計(jì)算由取則d0=4mm 槽式液體分布器二級(jí)槽的布液點(diǎn)示意圖2輔助設(shè)備的計(jì)算及選型 2.1 填料支承設(shè)備 填料支承結(jié)構(gòu)用于支承塔內(nèi)填料及其所持有的氣體和液體的重量之裝置。對(duì)填料的基本要求是：有足夠的機(jī)械強(qiáng)度;支承板的自由載面積不應(yīng)小于填料層的自由截面積，以免氣液在通過支承板時(shí)流動(dòng)阻力過大，在支承板首先發(fā)生液泛；有利于液體的再分布；耐腐蝕，易

10、制造，易裝卸等。常用填料支承板有柵板型，孔管型，駝峰型等，對(duì)于本設(shè)計(jì)的散裝填料類型，選用孔管型支承裝置。2.2填料壓緊裝置 為防止在上升氣流的作用下填料床層發(fā)生松動(dòng)或者跳動(dòng)，需在填料層上方設(shè)置填料壓緊裝置。對(duì)于本設(shè)計(jì)的散裝填料類型，選用壓緊網(wǎng)板。2.3液體收集再分布裝置 由于液體從塔頂流下時(shí)有向壁流動(dòng)的趨勢(shì)（稱為壁流效應(yīng)），并造成填料層內(nèi)傳質(zhì)面積減少，影響傳質(zhì)。因此，設(shè)置液體收集及再分布器來改善因壁流效應(yīng)造成的液體在填料層內(nèi)不均勻分布。由于槽盤式液體分布器兼有集液和分液的功能。故本設(shè)計(jì)采用槽盤式液體分布器。2.4氣體和液體的進(jìn)出口裝置由 Vs 為流體的體積流量，m3/su 為適宜的流體流速，m

11、/s .常壓氣體進(jìn)出口管氣速可取1020m/s；液體進(jìn)出口速度可取0.81.5 m/s選用氣體流速為15m/s,代入上式計(jì)算得：，圓整之后，氣體進(jìn)出口管徑為d=200mm。選液體流速為1.2m/s，由 代入上公式得:，圓整之后，液體進(jìn)出口管徑為d=30mm底液出口管徑：選擇0.60.6設(shè)計(jì)一覽表課程設(shè)計(jì)名稱水吸收丙酮填料吸收塔的設(shè)計(jì)操作條件操作溫度 ：25操作壓力：常壓物性數(shù)據(jù)液相氣相液體密度997.1kg/m3混合氣體平均摩爾質(zhì)量30.45g/mol液體粘度3.2173kg/(m.h)混合氣體平均密度1.205kg/m3液體表面張力932731混合氣體粘度0.067kg/(m.h)丙酮在水中

12、的擴(kuò)散系數(shù)4.776×10-6m2/h丙酮在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)0.038m2/h重力加速度1.27×108m/h氣相平衡數(shù)據(jù) 丙酮在水中的亨利系數(shù)E相平衡常數(shù)m溶解度系數(shù)H211.5 kpa2.090.262物料衡算數(shù)據(jù)Y1Y2X1X2氣相流量V液相流量L(L/V)minL/V0.05260.001580.0167056.39 kmol/ h171.45 kmol/ h2.0273.04工藝數(shù)據(jù)氣相質(zhì)量流量（kg/h）液相質(zhì)量流量（kg/h）塔徑氣相總傳質(zhì)單元數(shù)氣相總傳質(zhì)單元高度 填料層高度填料層壓降1807.53089.530.6m7.740.71m6.6m1100.68p

13、a填料塔附件除沫器液體分布器 填料壓緊裝置填料支承板液體再分布器絲網(wǎng)式二級(jí)槽壓緊網(wǎng)板柵板型槽盤式4.符號(hào)說明a填料的有效比表面積，m2/m3at填料的總比表面積，m2/m3aw填料的潤(rùn)濕比表面積，m2/m3AT塔截面積，m2；C計(jì)算umax時(shí)的負(fù)荷系數(shù)，m/s；Cs氣相負(fù)荷因子，m/s； d填料直徑，m；D塔徑，m；DL液體擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；Dv氣體擴(kuò)散系數(shù)，m2/s ； ev液沫夾帶量,kg(液)/kg(氣)； E液流收縮系數(shù)，無因次;ET總板效率，無因次； g重力加速度，9.81 m/s2 ； h填料層分段高度，m； HETP關(guān)聯(lián)式常數(shù)； hmax允許的最大填料層高度，m； HB塔底空間

14、高度，m； HD塔頂空間高度，m； HoG氣相總傳質(zhì)單元高度，m； H1封頭高度，m； H2裙座高度，m； HETP等板高度，m； kG氣膜吸收系數(shù)，kmol/(m2·s·kPa)； kL液膜吸收系數(shù)，m/s； KG氣相總吸收系數(shù)，kmol/(m2·s·kPa)； lW堰長(zhǎng)，m； Lb液體體積流量，m3/h； LS液體體積流量，m3/s； LW潤(rùn)濕速率，m3/(m·s)； m相平衡常數(shù)，無因次； n篩孔數(shù)目； NOG氣相總傳質(zhì)單元數(shù)； P操作壓力，Pa； P壓力降，Pa； u空塔氣速，m/s； uF泛點(diǎn)氣速，m/su0.min漏液點(diǎn)氣速，m/s； u0液體通過降液管底隙的速度，m/s； U液體噴淋密度，m3/(m2·h)UL液體質(zhì)量通量，kg/(m2·h)Umin最小液體噴淋密度，m3/(m2·h)Uv氣體質(zhì)量通量，kg/(m2·h)Vh氣體體積流量，m3/h； VS氣體體積流量，kg/s； wL液