清水吸收丙酮填料塔的设计

《化工原理》课程设计清水吸收丙酮填料塔的设计学院医药化工学院专业高分子材料与工程班级高分子材料与工程13（1）班姓名李凯杰学号13155301xx指导教师严明芳、龙春霞年月日设计书任务（一）设计题目试设计一座填料吸收塔，用于脱除空气中的丙酮蒸汽。

混合气体处理量为___4000____m3/h。

进口混合气中含丙酮蒸汽__6％__（体积百分数）；混合气进料温度为35℃。

采用25℃清水进行吸收，要求：丙酮的回收率达到___95%___（二）操作条件（1）操作压力101.6 kPa（2）操作温度25℃（3）吸收剂用量为最小用量的倍数自己确定（4）塔型与填料自选，物性查阅相关手册。

（三）设计内容（1）设计方案的确定和说明（2）吸收塔的物料衡算；（3）吸收塔的工艺尺寸计算；（4）填料层压降的计算；（5）液体分布器简要设计；（6）绘制液体分布器施工图；（7）其他填料塔附件的选择；（8）塔的总高度计算；（9）泵和风机的计算和选型；（10）吸收塔接管尺寸计算；（11）设计参数一览表；（12）绘制生产工艺流程图（A3号图纸）；（13）绘制吸收塔设计条件图（A3号图纸）；（14）对设计过程的评述和有关问题的讨论。

目录前言 (1)第1章填料塔主体设计方案的确定 (2)1.1 装置流程的确定 (2)1.2 吸收剂的选择 (2)1.3 操作温度与压力的确定 (2)1.4 填料的类型与选择 (2)第2章基础物性数据与物料衡算 (2)2.1 基础物性衡算 (3)2.1.1 液相物性数据 (3)2.1.2 气相物性数据 (3)2.1.3 气液相平衡数据 (4)2.2 物料衡算 (4)第3章填料塔的工艺尺寸计算 (5)3.1 塔径的计算 (5)3.2 泛点率的校核 (6)3.3 填料规格校核 (7)3.4 液体喷淋密度校核 (7)3.5 填料塔填料高度的计算 (7)3.5.1 传质单元数的计算 (7)3.5.2 传质单元高度的计算 (8)3.5.3 填料层高度的计算 (9)3.6 填料塔附属高度的计算 (10)3.7 填料层压降的计算 (10)第4章填料塔附件的选择与计算 (11)4.1 液体分布器简要设计 (11)4.1.1 液体分布器的选型 (11)4.1.2 分布点密度计算 (11)4.1.3 布液计算 (12)4.2 液体收集及分布装置 (12)4.3 气体分布装置 (13)4.4 除沫装置 (14)4.5 填料支承及压紧装置 (14)4.5.1 填料支承装置 (14)4.5.2 填料限定装置 (14)4.6 裙座 (14)4.7 人孔 (15)第5章填料塔的流体力学参数计算 (15)5.1 吸收塔主要接管的计算 (15)5.1.1 液体进料管的计算 (15)5.1.2 气体进料管的计算 (16)5.2 离心泵和风机的计算与选型 (16)5.2.1 离心泵的计算与选型 (16)5.2.2 风机的计算与选取 (18)设计参数一览表 (20)对设计过程的评述和有关问题的讨论 (24)参考文献 (25)前言吸收是利用混合气体中各组分在液体中的溶解度的差异来分离气态均相混合物的一种单元操作。

在化工生产中主要用于原料气的净化，有用组分的回收等。

填料塔是气液呈连续性接触的气液传质设备。

塔的底部有支撑板用来支撑填料，并允许气液通过。

支撑板上的填料有整砌和乱堆两种方式。

填料层的上方有液体分布装置，从而使液体均匀喷洒于填料层上。

本次化工原理课程设计的目的是根据设计要求采用填料吸收塔的方法处理含有丙酮的混合物，使其达到排放标准。

在设计中,主要以清水吸收混合气中的丙酮，在给定的操作条件下对填料吸收塔进行物料衡算。

本次设计包括设计方案的选取，主要设备的工艺设计计算——物料衡算、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算，工艺流程图，主要设备的工艺条件图等内容。

第1章填料塔主体设计方案的确定1.1 装置流程的确定因为逆流操作的传质平均推动力大，传质速率快，分离效率高，吸收剂利用率高。

因此本次设计采用逆流操作，即气相自塔底进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出。

1.2 吸收剂的选择由设计任务书可知，本次设计用清水做吸收剂，故采用纯溶剂。

1.3 操作温度与压力的确定由设计任务书可知，本次设计操作温度为25℃，操作压力为101.6kPa1.4 填料的类型与选择填料的种类有很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。

规整填料是按一定的几何图形排列，整齐堆砌的填料，其造价较高，因此从实际出发，本次设计采用散装填料。

在散装填料中，阶梯环填料具有气通量大、气流阻力小、传质效率高等特点，是目前所使用的环形填料中最为优良的一种；从填料的材质考虑，塑料填料具有质轻、价廉、耐冲击、不易破碎等优点，多用于吸收、解吸、萃取、除尘等装置中；在散装填料中，同类填料的尺寸越小，分离效率越高，但阻力增加，通量减少，填料费用也增加，而大尺寸的填料应用于小直径塔中有会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率降低[1]。

综上分析，本次设计采用DN38-聚丙烯阶梯环填料。

第2章基础物性数据与物料衡算2.1 基础物性衡算2.1.1 液相物性数据对低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。

由手册[2]查得，常压、25℃时水的相关物性数据如下：密度为 37.043kg/m 99=L ρ 表面张力为 23L 932731kg/h = m 71.97dyn/c =σ粘度为 ）（h m 3.217kg/s Pa 0.0008937 =L •=•μ则101.6kPa ，25℃时，水的粘度为）（h m 3.227kg/s a 0.0008963101.3101.6 0.0008937 =L •=•=⨯P μ 查手册[3]得20℃时丙酮在水中的扩散系数为/h m 104.18 /s m 10×1.16 =D 2-62-9L0⨯=则25℃时丙酮在水中的扩散系数为/h m 104.28/s m 101.19293.13298.136.1013.101101.16)T T )(p p (26-29-2/39-3/2000⨯=⨯=⨯⨯⨯==）（）（L L D D 2.1.2 气相物性数据混合气体的平均摩尔质量为30.74= 29×）0.06-1（+ 58×0.06 = M = M i y i Vm ∑混合气体的平均密度为 3m m 22kg/m .1.13308314.847.306.101=⨯⨯==RT PM V V ρ混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册[3]得常压下、20℃时空气的粘度为 ）（h m 0.06516kg/s a 101.81-5•=•⨯=P V μ则在101.6kPa 、25℃时空气的粘度为 4.110)4.110()(02300++=T T T T V μμ ）（h m 0.066kg/s a 1083.14.11013.298)4.11013.293()13.29313.298(1081.14.110)4.110()(523502300•=•⨯=++⨯⨯⨯=++=--P T T T T V μμ 在101.3kPa ，20℃时，查手册[3]丙酮在空气中的扩散系数为/s m 1012-5⨯=V D则101.6kPa ，25℃时，丙酮在空气中的扩散系数为/h 0.0372m /s m 101.03101.3101.620273.1325273.13101225-1.815-=⨯=⨯++⨯⨯=）（）（V D 2.1.3 气液相平衡数据查手册[4]得，常压下20℃时丙酮在水中的亨利系数为a k 5.211P E =相平衡常数为2.08101.6211.5m ===P E 溶解度系数为25.0185.211043.997L=⨯==S EM H ρ2.2 物料衡算进塔气相摩尔比为0.06380.06-10.06y -1y 111===Y 出塔气相摩尔比为0.003190.95-10.0638-112=⨯==）（）（ηY Y 进塔惰性气相流量为kmol/h8.148)06.01(3513.27313.2734.224000=-⨯+⨯=V 该吸收过程为低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算，即2121min m)X Y YY V L --=（对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为02=X1.9760-2.080.06380.00319-0.0638)(min ==V L取操作液气比为min )(4.1V L V L = 77.2976.14.1=⨯=VLkmol/h 2.4128.14877.2=⨯=L)()(2121X X L Y Y V -=-0219.02.412)00319.00638.0(8.1480)(2121=-⨯+=-+=L Y Y V X X第3章 填料塔的工艺尺寸计算3.1 塔径的计算采用Eckert 通用关联图[3]计算泛点气速 气相质量流量为4880kg/h 400022.1m =⨯==V V V V ρω 液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即kg/h 6.7419182.412=⨯==S L LM ω 则Eckert 通用关联图的横坐标为405.0)043.99722.1(80846.7419)(5.05.0=⨯=L V V L ρρωω 查图5-32[3]得13.0g u 2.02=ΦL LVF F μρρψ查表5-11[1]得-1170m =ΦFm/s 5.2122.11170043.99781.913.00.13g u 2.02.0=⨯⨯⨯⨯⨯=Φ=L V F L F μψρρ 取 1.75m /s 2.50.70.7u u F =⨯== 由 0.808m 1.753.144000/36004us 4=⨯⨯==πV D圆整塔径，取0.8m =D3.2 泛点率的校核m/s 21.20.80.7854000/3600u 2=⨯=%4.88100%2.52.21u u =⨯=F （不在允许范围内） 则填料塔塔径取900mm =D1.75m/s 0.90.7854000/3600u 2=⨯=70%100%2.51.75u u =⨯=F （在允许范围内）3.3 填料规格校核823.6838900d >==D 3.4 液体喷淋密度校核对于直径不超过75mm 的散装填料，可取最小润湿速率为）（（h m /0.08m )3min •=W L查附录5[1]得32t /m 132.5m a =）（）（h m /10.6m 132.50.0823min min •=⨯==W L U min 22h 11.709.0785.0043.997/6.74190.785U D L U >=⨯==经以上校核可知，填料塔直径选用mm 009=D 合理3.5 填料塔填料高度的计算 3.5.1 传质单元数的计算0219.021==X X0046.00219.008.2m *21*1==⨯==Y X Y塔底吸收推动力为0178.0046.00638.0*111=-=-=∆Y Y Y塔顶吸收推动力为00319.0000319.0*222=-=-=∆Y Y Y对数平均推动力为0.008500.003190.0178ln 00319.00178.0ln 2121m =-=∆∆∆-∆=∆Y Y Y Y Y 气相总传质单元数为7.130.008500.00319-0.0638m 21==∆-=Y Y Y N OG 3.5.2 传质单元高度的计算气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式[1]计算：])()()()(45.1[exp -12.0205.0221.075.0t LL L LL t L L t L L c W U g U a U ασρραμσσαα--= 查表5-13[1]得2c 427680kg/h 33dyn/cm ==σ 液体质量流量为）（h m /11668.79kg 9.0785.06.741922•=⨯=L U 0.362])132.5932731997.04311668.79()101.27997.043132.511668.79()3.227132.511668.79()932731427680(45.1[exp -12.0205.08221.075.0t =⨯⨯⨯⨯⨯⨯-=-ααW填料的润湿比表面积为32t /m 47.97m 132.50.3620.362a a =⨯==W气膜吸收系数由下式计算：)()()0.237k t 3/17.0t RTD D U VVV V VVG αρμμα（=气体质量通量为）（h m 674.8kg/79.0785.022.1400022•=⨯⨯=V U ）（）（）（）（kPa h m /0.0614kmol 298.138.3140.0372132.50.03721.220.0660.066132.57674.80.237k 21/30.7••=⨯⨯⨯⨯=G液膜吸收系数有下式计算：0.15m/h1.22101.273.227104.281.223.2273.22747.9711668.790.0095)g ()(0.0095k 1/381/2-6-2/33/12/13/2=⨯⨯⨯⨯⨯==-）（）（）（）（LL L L L LW LL D U ρμρμμα 由 1.1a k a k ψW G G =，阶梯环填料是开孔环，查表5-14[1]得 1.45=ψ，则l/h8.3481.4547.970.15a k a k a k h m 4.432kmol/1.4547.970.0614a k a k 0.40.4L 31.11.1=⨯⨯==••=⨯⨯==ψψW L W G G P ）（ %50%70u uF>= 修正的恩田公式只使用于F 0.5u u ≤的情况，当F 0.5u u >时，需要按下式进行校正，即）（a k h m 855kmol/.84.432])5.02.51.75(9.5[1 a k ])5.0(5.91[k 34.14.1'P u ua G FG ••=⨯-⨯+=-+=l/h 8.977348.8])5.02.51.75(6.2[1 a k ])5.0(6.21[k 2.22.2'=⨯-⨯+=-+=L FL u ua气相总体积传质系数为）（a k h m 1.79kmol/977.80.251855.811aHk 1ak 11a 3'L 'G P K G ••=⨯+=+=气相总传质单元高度为1.29m 0.90.785101.61.79148.8ap a 2=⨯⨯⨯=Ω=Ω=G Y OG K V K V H 3.5.3 填料层高度的计算m 20.913.729.1=⨯==OG OG N H Z采用上述方法计算出填料层高度后，还应保留一定的安全系数，则m Z 5.112.925.1'=⨯= 设计取填料层高度为m Z 12'=查表5-16[1]，对于阶梯环填料，15~8h =，6mm h max ≤。