化工原理課程設計

1、化工原理課程設計設計題目 填料吸收塔工藝設計 班 級 環(huán)境工程141班 學生姓名 梁世君 學 號 201418040129 日 期 2016.6.24 設計任務試設計常壓填料塔，以水吸收丙酮。a混合氣（空氣、丙酮）處理量為1500m3/h；b進塔混合氣含丙酮體積分數5，溫度35；c進塔吸收劑（清水）的溫度25；d丙酮回收率97；e操作壓力為常壓；設計方案的確定1.1.填料吸收塔設計方案的確定 （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，且丙酮不作為產品，故

2、采用純溶劑 工業(yè)常用吸收劑溶質 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系可知，溫度降低可增加溶質組分的溶解度，即低溫有利于吸收，但操作溫度的低限應由吸收系統(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系可知，壓力升高可增加溶質組分的溶解度，即加壓有利于吸收。但隨著操作壓力的升高，對設備的加工制造要求提高，且能耗增加，因此需結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算 填料塔工藝尺寸的計算包括塔徑的計算、填料層高度的計算及分段等。（1）液相物性的數據水的分子量：18g/mol壓力：101.325Kpa查化工原理附錄得，25時，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=71.97 dyn/cm=932731 kg/h2丙酮在水中的擴散系數為

4、DL=1.327×10-9m2/s=4.776×10-6m2/hD=（2）氣相物性的數據進塔混合氣體溫度為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，查手冊得35空氣的粘度為 V=1.86 ×10-5Pas=0.067kg/(mh)查手冊得丙酮在空氣中的擴散系數為計算，其中293K時，100kPa時丙酮在空氣中擴散系數為1×（3）氣液相平衡數據當x<0.01

5、,t=1545時，丙酮-水體系的亨利系數可用式：計算E=211.5kPa相平衡常數為m=E/P=211.5/101.3=2.09溶解度系數為1.4物料恒算進塔氣相摩爾比為 出塔氣相摩爾比為 進塔惰性氣相流量為 該吸收過程屬低濃度吸收，平衡關系為直線，最小液氣比可按下式計算，即 對于純溶劑吸收過程，進塔液相組成為 取操作液氣比為 1.5塔徑的計算采用Eckert通用關聯圖計算泛點氣速氣相質量流量為 kg/h液相質量流量可近似按純水的流量計算，即 kg/hEckert通用關聯圖的橫坐標為 填料塔泛點和壓降的通用關聯圖 圖中 u0空塔氣速，m /s； 濕填料因子，簡稱填料因子，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量流量，kg /s。查圖一得 查表 取 由 圓整塔徑，取D=0.6m泛點率校核： （在允許范圍內） 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：取最小潤濕速率為 查表 經以上校核可知，填料塔直徑選用D=600mm合理。1.6填料層高度計算 脫吸因數為 氣相總傳質單元數為 氣相總傳質單元高度采用修正的恩田關聯式計算： 常見材質的臨界表面張力值材質 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的臨

7、界表面張力 液體質量通量為 氣膜吸收系數由下式計算： 氣體質量通量為 液膜吸收系數由下式計算： 常見填料的形狀系數 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 設計取填料層高度為 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，對于階梯環(huán)填料，。取，則 計算得填料層高度為6600mm<7200mm,故不需分段1.7填料層壓降計算 采用Eckert通用關聯圖計算填料層壓降。橫坐標為 查表 縱坐標為 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 液體分布器簡要設計(1).液體分布器的選型該吸收塔液相負荷較大，而氣相負荷相對較小，故選用槽式液體分布器。(2).分布點密度計算按Eckert建議值，D=600mm時，取噴淋點密度為250點/m2。布液點數為n=0.785×0.6×0.6

9、×250=70.65點71點按分布點幾何均勻與流量均勻的原則，進行布點設計。設計結果為：二級槽共設七道，在槽側面開孔，槽寬度為45mm ，槽高度為210mm 。兩槽中心矩為90mm 。分布點采用三角形排列，實際設計布點數為 n=112點。(3).布液計算由取則d0=4mm 槽式液體分布器二級槽的布液點示意圖2輔助設備的計算及選型 2.1 填料支承設備 填料支承結構用于支承塔內填料及其所持有的氣體和液體的重量之裝置。對填料的基本要求是：有足夠的機械強度;支承板的自由載面積不應小于填料層的自由截面積，以免氣液在通過支承板時流動阻力過大，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，對于本設計的散裝填料類型，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)生松動或者跳動，需在填料層上方設置填料壓緊裝置。對于本設計的散裝填料類型，選用壓緊網板。2.3液體收集再分布裝置 由于液體從塔頂流下時有向壁流動的趨勢（稱為壁流效應），并造成填料層內傳質面積減少，影響傳質。因此，設置液體收集及再分布器來改善因壁流效應造成的液體在填料層內不均勻分布。由于槽盤式液體分布器兼有集液和分液的功能。故本設計采用槽盤式液體分布器。2.4氣體和液體的進出口裝置由 Vs 為流體的體積流量，m3/su 為適宜的流體流速，m

11、/s .常壓氣體進出口管氣速可取1020m/s；液體進出口速度可取0.81.5 m/s選用氣體流速為15m/s,代入上式計算得：，圓整之后，氣體進出口管徑為d=200mm。選液體流速為1.2m/s，由 代入上公式得:，圓整之后，液體進出口管徑為d=30mm底液出口管徑：選擇0.60.6設計一覽表課程設計名稱水吸收丙酮填料吸收塔的設計操作條件操作溫度 ：25操作壓力：常壓物性數據液相氣相液體密度997.1kg/m3混合氣體平均摩爾質量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、的擴散系數4.776×10-6m2/h丙酮在空氣中的擴散系數0.038m2/h重力加速度1.27×108m/h氣相平衡數據 丙酮在水中的亨利系數E相平衡常數m溶解度系數H211.5 kpa2.090.262物料衡算數據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工藝數據氣相質量流量（kg/h）液相質量流量（kg/h）塔徑氣相總傳質單元數氣相總傳質單元高度 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式二級槽壓緊網板柵板型槽盤式4.符號說明a填料的有效比表面積，m2/m3at填料的總比表面積，m2/m3aw填料的潤濕比表面積，m2/m3AT塔截面積，m2；C計算umax時的負荷系數，m/s；Cs氣相負荷因子，m/s； d填料直徑，m；D塔徑，m；DL液體擴散系數，m2/s；Dv氣體擴散系數，m2/s ； ev液沫夾帶量,kg(液)/kg(氣)； E液流收縮系數，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關聯式常數； 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，kmol/(m2·s·kPa)； kL液膜吸收系數，m/s； KG氣相總吸收系數，kmol/(m2·s·kPa)； lW堰長，m； Lb液體體積流量，m3/h； LS液體體積流量，m3/s； LW潤濕速率，m3/(m·s)； m相平衡常數，無因次； n篩孔數目； NOG氣相總傳質單元數； P操作壓力，Pa； P壓力降，Pa； u空塔氣速，m/s； uF泛點氣速，m/su0.min漏液點氣速，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液體質量通量，kg/(m2·h)Umin最小液體噴淋密度，m3/(m2·h)Uv氣體質量通量，kg/(m2·h)Vh氣體體積流量，m3/h； VS氣體體積流量，kg/s； wL液