水吸收丙酮填料塔设计.docx

水吸收丙酮填料塔设计内蒙古科技大学课程设计说明书 摘 要 空气-丙酮混合气填料吸收塔设计任务为用水吸收丙酮常压填料塔，即在常压下，从含丙酮1.82%、相对湿度70%、温度35的混合气体中用25的吸收剂清水在填料吸收塔中吸收回收率为90%丙酮的单元操作。设计主要包括设计方案的确定、填料选择、工艺计算等内容，其中整个工艺计算过程包括确定气液平衡关系、确定吸收剂用量及操作线方程、填料的选择、确定塔径及塔的流体力学性能计算、填料层高度计算、附属装置的选型以及管路及辅助设备的计算，在设计计算中采用物料衡算、亨利定律以及一些经验公式，该设计的成果有设计说明书和填料吸收塔的装配图及其附属装置图。 I 内蒙古科技大学课程设计说明书 目录 摘 要 . I 水吸收丙酮填料塔设计 . 1 第一章 任务及操作条件 . 1 第二章 设计方案的确定 . 2 2.1 设计方案的内容 . 2 2.1.1 流程方案的确定. 2 2.1.2 设备方案的确定. 2 2.2 流程布置 . 3 2.3 收剂的选择 . 3 2.4 操作温度和压力的确定 . 3 第三章 填料的选择 . 4 3.1填料的种类和类型. 4 3.1.1 颗粒填料. 4 3.1.2 规整填料. 4 3.2 填料类型的选择 . 4 3.3填料规格的选择. 5 3.4填料材质的选择. 5 第四章 工艺计算 . 6 4.1 物料计算 . 6 4.1.1 进塔混合气中各组分的量. 6 4.1.2 混合气进出塔的摩尔组成. 6 4.1.3 混合气进出塔摩尔比组成. 7 4.1.4 出塔混合气量. 7 4.2气液平衡关系. 7 4.3 吸收剂(水)的用量Ls . 7 4.4 塔底吸收液浓度X1 . 8 4.5 操作线 . 8 4.6 塔径计算 . 8 4.6.1采用Eckert通用关联图法计算泛点气速uF. 8 4.6.2 操作气速的确定. 9 4.6.3 塔径的计算. 9 4.6.4 核算操作气速. 10 4.6.5 核算径比. 10 4.6.6 喷淋密度校核. 10 II 内蒙古科技大学课程设计说明书 Dp）的校核 . 10 Z4.7 填料层高度的确定 . 11 4.6.7 单位填料程压降kmol 混合气中水蒸气的含量= 87.05´0.0404=3.38kmol/h 1+0.0404m3.38´1860.84kgh 混合气中空气量n87.05一1.58一3.3882.09kmolh m82.09´292474.24(kgh) 4.1.2 混合气进出塔的摩尔组成 y1=0.0182 1.5´8-(10.9)y2=0.0017487.0+53.+38´1.-58(10.9)6 内蒙古科技大学课程设计说明书 4.1.3 混合气进出塔摩尔比组成 若将空气与水蒸气视为惰气，则 惰气量n87.05+3.3890.43kmolh m2380.6+82.092462.69kgh Y1=1.581.58´(1-0.9)=0.0175kmol 丙酮/kmol惰气Y2=0.00175 kmol丙90.4390.43酮kmol惰气 4.1.4 出塔混合气量 =90.59kmolh 出塔混合气量n=90.43+1.58 m=2462.69+91.64=2554.33kg/h 4.2气液平衡关系 当x0.1，t1545时，丙酮溶于水其亨利常数E可用下式计算： 1gE9.171一2040(t十273) 液相温度 t = 25时 E=211.54 kPa m=E211.54=2.088 P101.3996.7r= =0.262 211.54´18EMsH=该系统的相平衡关系可以表示为y*mX=2.088X 4.3 吸收剂(水)的用量Ls Y-Y2æLö最小吸收剂用量 ç÷=1 *èVøminX1-X2 X1*=Y10.0175=0.008 3 8X2=0 m2.0880.0175-0.00175æLö=1.8795 ç÷V0.00838-0èømin7 内蒙古科技大学课程设计说明书 Lmin=1.8795´90.43=169.96kmolh 一般，根据生产经验，吸收剂的用量L=Lmin，故取安全系数为1.5，则L=1.5Lmin= 1.5´169.96=254.94 kmolh=4588.9kg/h 4.4 塔底吸收液浓度X1 依物料衡算式： V(Y1-Y2)=L(X1-X2) X1=VY1-VY2+LX290.43´0.0175-90.43´0.00175=0.00558 =L254.944.5 操作线 依操作线方程式： Y=LLæö254.94X+çY2-X2÷=X+0.00175 VVèø90.43 所以Y=2.819 X+0.00175 4.6 塔径计算 VSu塔底气液负荷大，依塔底条件(混合气35)，101.3kPa，吸收液25计算D=p4u =uF 4.6.1采用Eckert通用关联图法计算泛点气速uF 4.6.1.1 有关数据计算 塔底混合气流量WL2380.6+91.64+82.09=2554.33kgh 吸收液流量 WV4588.9+1.58´0.9´58=4671.4kg/h 8 内蒙古科技大学课程设计说明书 329273´进塔混合气密度rG1148 kgm 22.4273+35(混合气浓度低，可近似视为空气密度) 3查化工原理附录 吸收液密度rL996.7kgm 吸收液黏度mL0.8543mPa.s 经比较，选D=50mm塑料鲍尔环(米字筋)。查化工原理教材附录可知其主要性能参数有，填料因子F =120m-1 ，比表面积at1064 m2/m3 4.6.1.2 关联图的横坐标值 1212æWöærö4671.4æ1.148ö çL÷çG÷=ç÷=0.06207 Wr2554.3996.7èøèVøèLø4.6.1.3 关联图的纵坐标值 由图查得纵坐标值为0.19 u2ffjærGç 即gçèrLö0.22÷ =0.01369umf =0.19 ÷Lø故液泛气速uF=3.73m/s 4.6.2 操作气速的确定 u0.5 uf0.6´3.73 1.865m/s 4.6.3 塔径的计算 D=4VS4´2200=0.646m=646mm pu3600´3.14´1.865取塔径为0.7m(700mm) 9 内蒙古科技大学课程设计说明书 4.6.4 核算操作气速 u=4´2200=1.59 m/s<uF 故满足要求。 3600´3.14´0.724.6.5 核算径比 D/d700/5014，满足鲍尔环的径比要求。 4.6.6 喷淋密度校核 填料的最小润湿速率(MWR)为(LW)min=0.08 m3(mh) 最小喷淋密度 Umin0.08×10648512 m3(mh) 因 U =L´44588.9´43m(mh) =11.9722rLpD996.7´3.14´0.7故满足最小喷淋密度要求。 4.6.7 单位填料程压降的校核 Z 在压降关联图中取横坐标值0.0615，将操作气速 (155m/s) 代替纵坐标中的 查表，D=50mm塑料鲍尔环(米字筋)的压降填料因子fp 125代替纵坐标中的f则纵标值为： 1.592´125æ1.148ö0.2 ç÷0.8543=0.0359 9.81è996.7ø查图3-4得 Dp/z=30´9.81=294.3Pa/m填料 Dp/z在145-490Pa/m填料范围内，故满足要求。 10 内蒙古科技大学课程设计说明书 4.7 填料层高度的确定 计算填料层高度，即 ZHOGNOG=VBY1dY òY2KYaWY-Y*4.7.1 传质单元高度HOG计算 HOG=V111，其中KYa=KGaP ，本设计采用=+KYaWKGakGaHkLa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kL及kG，再合并为kLa和kGa。 列出备关联式中的物性数据 气体性质(以塔底35，101.325kPa空气计)： rG1.148 kg/m3 (前已算出) mG0.01885×10-3Pa.s (查化工原理附录) DG109×10-5m2/sT式计算)(化学工程手册 DL=1.344×10m/s (以DL=0.6mLVA-9210-89)，式中VA为溶质在常压沸点下的摩尔体积，ms为溶剂的分子量，b为溶剂的缔合因子。液体表面张力sL716×10-3Nm(查化工原理附录)。 气体与液体的质量流速： 11 内蒙古科技大学课程设计说明书 UL=4L4´4588.9=3.31kg/(m2/s) 223600pD3600´3.14´0.74WV4´2554.332UV=1.84kg/(m/s) 223600pD3600´3.14´0.7塑料鲍尔环(乱堆)特性： d 50mm005m at1064 m2/m3 sc=40dyn/cm=40´10-3N/m j =1.45依式计算有效面积aw 0.750.10.2-0.0522ìüæöæöæöæöawsUaUUïïcLtLL依式=1-expí-1.45ç÷ç÷ç2÷ç÷ý atèsløèatmløèrLgøèrLsLatøïïîþ代入上述数据得： 故 aw=故aw=aw= 0.566 ataw.A=0.566´106.4=60.22 A23-1213æUöæmöæmgö依式3-19 kL=0.0095çL÷çL÷çL÷ èawmLøèrLDLøèrLø代入上述数据得：kL=1.24´10-4m/s kL为液相传质系数，DL为溶质在液相中的扩散系数，m2/s; æUöæmöæaD依式3-20 kG=0.237çV÷çG÷çtGèatmGøèDGrGøèRT0.713ö÷ ø 代入上述数据得：kG=3.18´10-6kmol/(m2.s.Kpa) kG为气相传质系数 故kLa=kLawj0.4= 1.24´10-4´60.22´1.450.4=8.66´10-3l/s kGa=kGawj1.1= 3.18´10-6´60.22´1.451.1=2.88´10-4 kmol/(m2.s.Kpa) 12 内蒙古科技大学课程设计说明书 4.7.2 计算KYa KYa=KGaP,而111 =+KGakGaHkLa111=+=3912.7 -4-3KGa2.88´100.262´8.66´10KGa=2.56´10-4 KYa=KGaP=2.56´10-4´101.3=0.02589 4.7.3 计算HOG 90.43´4V=0.9676m = 2KYaW3600´0.02589´3.14´0.7HOG= 4.7.4 传质单元数NOG计算 在上述两个区间内，可将平衡线视为直线，操作线系直线，故采用对数平均推动力法计算 。 NOGdYY1-Y2Y1-Y1* =ò=lnY2Y-Y*Y1-Y1*-Y2-Y2*Y2-Y2*Y1(DYm(Y-Y)-(Y=1*12-Y2*Y1*-Y1*lnY2-Y2*)() )Y1*=2.088 X1=2.088´0.0058=0.0117 Y2*=0 X2=0 DYm(Y-Y)-(Y=1*12-Y2*Y1*-Y1*lnY2-Y2*)= DY=(0.0175-0.0117)-(0.00175-0)=0.00338 mln0.0175-0.01170.00175NOG= 0.0175-0.00175=4.66m 0.0033813 内蒙古科技大学课程设计说明书 4.7.5 填料层高度z的计算 Z=HOGNOG=0.9676´4.66=4.51m 根据设计经验，填料层的设计高度为Z=1.2Z=5.4m，故取实际填料层高度取为5.4m 。 4.7.6填料塔附属高度的计算 塔上部空间高度，通过相关资料可知，可取为1.3m，塔底液相停留时间按1.5min考虑，则塔釜液所占空间高度为： VS=wL6427.8=0.0017914(m3/s) rL´36003600´996.7 h1=1.5´60´VS1.5´60´0.0017914=0.07011(m) uf´D21.865´0.72 考虑到气相接管所占空间高度，底部空间高度可取1.0m，所以塔的附属空间高度可以取为1.3+1.0=2.3米。 因此塔的实际高度取H=5.4+2.3=7.7 (m) 14 内蒙古科技大学课程设计说明书 第五章 填料吸收塔的附属设备 5.1 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。 5.2 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。 5.3 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，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，可选水平排管式液体分布器；且填料层很高需设液体再分布器。 (2)塔径及液体负荷不大，可采用较简单的梁式支承板及压板。 (3)为防止液体随气相带出，在塔顶设一丝网除沫器。 5.4分布点密度及布液孔数的计算 按照Eckert建议值，D为750mm-1200mm 时，喷淋点密度为170点/m2,因为该塔液相负荷较大，设计取喷淋点密度为170点/ m2 。布液点数为 15 内蒙古科技大学课程设计说明书 n=1.865´0.82´170=202.9»203点 按分布点几何均匀与流量均匀的原则，进行布点设计。设计结果为：二级槽共设七道，槽侧面开孔，槽宽度为80mm,槽高度为210mm,两槽中心矩为160mm,分布点采用三角形排列。实际设计布点数为n=210点， 布液计算： p 由 L=d02nf2gDH 4L: 液体流量 m3/s n: 开孔数目 f: 孔流系数，取0.550.60 d0: 孔径，m DH: 开孔上方的液位高度，m 取f=0.60，DH=160mm d0=4L4´6427.8=0.0179m pnf2gDH996.7´3600´3.14´210´0.62´9.81´0.16则设计取d0=18mm 5.5塔底液体保持管高度的计算 取布液孔的直径为18mm，则液位保持管中的液位高度可由公式： æ4LöL=dnk2gh得，即：h=ç2÷/2g： 4èpdnkø2p2 式中：d：布液孔直径，m L：液体流率，m3/s n：布液孔数 k：孔流系数 h：液体高度，m g：重力加速度，m/s2 k值由小孔液体流动雷诺数决定 可取k=0.600.62 因此，取k=0.60 16 内蒙古科技大学课程设计说明书 4´6427.8æ4Löæöh=ç2÷/2g=ç÷/(2´9.81)=0.1592(m)2pdnk996.7´3600´3.14´0.018´210´0.6èøèø22 根据经验 ，则液位保持管高度为： h'=1.15h=1.15´0.1592=0.1830(m) 17 内蒙古科技大学课程设计说明书 第六章 辅助设备的选型 6.1管径的计算 进气管与混合液出气管： 进气为常压气体 取u=15m/s d= 4´2200=0.228m 3600´3.14´15取壁厚d=8mm 查附录选外径为280mm的无缝钢管。 进水管与混合液出口管： 清水取 u=2.0 m/s VS= L4588.9=0.001279m3/s =3600rL3600´996.7d= 4´0.001279=0.029m 3.14´2取壁厚d=8mm 查附录选外径为50mm的无缝钢管。 18 内蒙古科技大学课程设计说明书 参考文献 夏清，陈常贵主编 化工原理天津：天津大学出版社 2005 化工原理课程设计自编讲义 2007 董大勤编 化工设备机械基础 北京：化学工业出版社 2003 匡玉柱、史启才主编 化工单元过程设备课程设计北京：化学工业出版社 2008 朱有庭、曲文海、于浦义主编 化工设备设计手册 北京：化学工业出版社2004 路秀林，王者相编著 塔设备 北京：化学工业出版社 2004 19 内蒙古科技大学课程设计说明书 附录 主要符号说明 E亨利系数，atm mG气体的粘度，Pa/s m 平衡常数 y水的密度和液体的密度之比 g 重力加速度，m2/s rG,rL分别为气体和液体的密度，kg/m3 WG,WL分别为气体和液体的质量流量，kg/s 3KYa气相总体积传质系数， kmol/(m×s) Z填料层高度，m W塔截面积，W=p4D2HOG气相总传质单元高度，m NOG气相总传质单元数 2KG以分压差表示推动力的总传质系数，kmol/(m×s×kPa) aW单位体积填料的润湿面积 2kG以分压差表示推动力的气膜传质系数，kmol/(m×s×kPa) H溶解度系数，kmol/(m2×kPa)kL以摩尔浓度差表示推动力的液摩尔传质系数，m/s 2GG气体通过空塔截面的质量流速，kg/(m×s) 2R气体常数，8.314kN×m/(kmol×K) DG溶质在气相中的扩散系数，m/s 20 内蒙古科技大学课程设计说明书 附表 表1直塔径与填料公称径的比值D/d的推荐值 填 料 种 类 拉西环 鞍环 鲍尔环 阶梯环 环矩鞍 D/d的推荐值 D/d2030 D/d15 D/d1015 D/d>8 D/d>8 表2散装填料泛点填料因子平均值 填料因子，1/m 填料类型 DN16 金属鲍尔环 金属环矩鞍 金属阶梯环 塑料鲍尔环 塑料阶梯环 瓷矩鞍 瓷拉西环 410 550 1100 1300 DN25 170 280 260 550 832 DN38 117 150 160 184 170 200 600 DN50 160 135 140 140 127 226 410 DN76 120 92 21 内蒙古科技大学课程设计说明书 表3 常见材质的临界表面张力值 材质 表面张力, mN /m 碳 56 瓷 61 玻璃 73 聚丙烯 聚氯乙烯 33 40 钢 75 石蜡 20 表4常见填料的形状系数 填料类型 值 球形 0.72 棒形 0.75 拉西环 1 弧鞍 1.19 开孔环 1.45 表5 散装填料分段高度推荐值 填料类型 拉西环 矩鞍 鲍尔环 阶梯环 环矩鞍 h/D 2.5 58 510 815 515 Hmax/m 4 6 6 6 6 22 内蒙古科技大学课程设计说明书 图2 通用压降关联图 23 内蒙古科技大学课程设计说明书 致谢 本次课程设计经过两周的时间得以完成。通过本次课程设计，使我对从填料塔设计方案到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。它相当于实际填料塔设计工作的模拟。在课程设计过程中，基本能按照规定的程序进行，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，其间与指导教师进行几次方案的讨论、修改，再讨论、逐步了解设计填料塔的基本顺序，最后定案。设计方案确定后，又在老师指导下进行扩初详细设计，并计算物料守衡，传质系数，填料层高度，塔高等；最后进行塔附件设计。 此次课程设计基本能按照设计任务书、指导书、技术条件的要求进行。同学之间相互联系，讨论，整体设计基本满足使用要求，但是在设计指导过程中也发现一些问题。理论的数据计算不难，困难就在于实际选材，附件选择等实际问题。这些方面都应在以后的学习中得以加强与改进。 但是，课程设计的完成并不代表我自身学习的终止，在完成过程中我发现自己有很多缺点不足。如：大量的内容也暴露出自己知识面窄，对实践活动的能力不强等诸多问题，我想困难和挑战才是激发自己前进的动力，自己也将会在今后的学习和生活中，劈荆斩浪，挑战自我。化工原理课程设计的完成对我来说有深刻的意义，我衷心感谢老师的指导以及与我共同学习的同学。 24