水吸收丙酮填料塔的设计

1《化工原理》课程设计水吸收丙酮填料塔的设计学院医药化工学院专业化学工程与工艺班级姓名学号指导教师2012年1月1日2设计任务水吸收丙酮填料塔的设计（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____1600_____m3/h。进口混合气中含丙酮蒸汽__10%_______（体积百分数）；混合气进料温度为35℃。采用清水进行吸收。要求：②出塔气体中丙酮气流量为入塔丙酮流量的__1/90______。②丙酮的回收率达到________。（二）操作条件（1）操作压力常压（2）操作温度25℃（3）吸收剂用量为最小用量的倍数自己确定（三）填料类型填料类型与规格自选。（四）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）吸收塔接管尺寸计算；（8）设计参数一览表；（9）绘制生产工艺流程图（A3号图纸）；（10）绘制吸收塔设计条件图（A3号图纸）；（11）对设计过程的评述和有关问题的讨论。设计任务二序号丙酮含量（体积分数）出口丙酮气流量为入塔丙酮流量的混合气体处理量（m3/h）5810%1/9016003目录1.设计方案简介……………………………………………………………………11.1设计方案的确定………………………………………………………………11.2填料的选择……………………………………………………………………32.工艺计算…………………………………………………………………………42.1基础物性数据…………………………………………………………………42.1.1液相物性的数据………………………………………………………42.1.2气相物性的数据………………………………………………………52.1.3气液相平衡数据………………………………………………………52.1.4物料衡算………………………………………………………………52.2填料塔的工艺尺寸的计算……………………………………………………62.2.1塔径的计算……………………………………………………………62.2.2填料层高度计算………………………………………………………82.2.3填料层压降计算……………………………………………………112.2.4液体分布器简要设计……………………………………………113.辅助设备的计算及选型……………………………………………………123.1填料支承设备……………………………………………………………123.2填料压紧装置………………………………………………………………133.3液体再分布装置………………………………………………………………134.设计一览表……………………………………………………………………145.后记………………………………………………………………………………156.参考文献…………………………………………………………………………157.主要符号说明……………………………………………………………………168.附图（工艺流程简图、主体设备设计条件图）41.设计方案简介塔设备在化工、石油化工、生物化工、医药、食品等生产过程中广泛应用的汽液传质设备[1]。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。根据塔内气液接触部件的结构形式，可将塔设备分为两大类：板式塔和填料塔。板式塔内沿塔高度装有若干层塔板，液体靠重力作用由顶部逐板流向塔釜，并在各块板面上形成流动的液层，气体靠压强差推动，由塔底向上依次穿过各塔板上的液层而流向塔顶。气液两相在塔内进行逐级接触，两相组成沿塔高呈阶梯式变化。填料塔则在塔体内装填填料，液体由上而下流动中在填料上分布汇合，气体则在填料缝隙中向上流动。填料为气液传质提供了较大的气液接触面积。[2]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。[3]1.1设计方案的确定1.1.1装置流程的确定吸收装置的流程主要有以下几种。[4]1.1.1.1逆流操作气相自塔底进入塔顶排出，液体反向流动，即为逆流操作。逆流操作的特点是，传质平均推动力大，传质速率快，分离程度高，吸收剂利用率高。工业上多采用逆流操作。1.1.1.2并流操作气液两相均从塔顶流向塔底，此即并流操作。其特点是系统不受液流限制，可提高操作气速，以提高生产能力。其通常用于以下情况：当吸收过程的平衡曲线较平坦时，流向对吸收推动力影响不大；易溶气体的吸收或处理的去气体不需要吸收很完全；吸收剂用量特别大，逆流操作易引起液泛。1.1.1.3吸收剂部分再循环操作5在逆流操作系统中，用泵将吸收塔排出液体的一部分冷却后与补充的新鲜吸收剂一同送回塔内，即为部分再循环操作。通常用于已下情况：当吸收剂用量较小，为提高塔的液体喷淋密度；对于非等温吸收过程，为控制塔内的温升，需取出一部分热量。该流程特别适宜于平衡常数m很小的情况，通过吸收液的部分再循环，提高吸收剂的使用效率。其平均推动力要低，接需设置循环泵，操作费用增加。1.1.1.4多塔串联操作若设计的填料层高度过大，或由于所处理物料等原因需经常清理填料，为便于维修，可把填料层分装在几个串联的塔内，每个吸收塔通过的吸收剂和气体量都相等，即为多塔串联操作。此种操作因塔内需留较大空间，输液，喷淋，支撑板等辅助装置增加，使设备投资加大。1.1.1.5串—并联混合操作若吸收处理的液量很大，如果用通常的流程，则液体在塔内的喷淋密度过大，操作气速势必很小（否则易引起液泛），塔的生产能力很低。实际生产中可采用气相作串联，液相作并联的混合流程；若吸收过程处理的液量不大而气相流量很大时，可采用液相作串联，气相作并联的混合流程。综上所述，在实际应用中，根据生产任务、工艺特点，该设计选用逆流操作的流程装置。1.1.2吸收剂的选择对于吸收操作，选择适宜的吸收剂，具有十分重要的意义。其对吸收操作过程的经济性有着十分重要的影响。一般情况下，选择吸收剂，要着重考虑如下问题：（1）对溶质的溶解度大。（2）对溶质有较高的选择性。（3）.挥发度要低。（4）再生性能好。（5）吸收剂的黏度小，有利于气液两相接触良好，提高传质速率。（6）吸收剂应具有良好化学稳定性好，不易燃，无腐蚀性，无毒，易得，廉价等特点。本设计采用水做吸收剂。61.2填料的选择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。填料的选择包括填料的种类、规格及材质等。所选的填料既要满足生产工艺的要求，又要使设备投资和操作费用低。几种典型的散装填料：（1）拉西环填料拉西环填料于1914年由拉西（F.Rashching）发明，为外径与高度相等的圆环。拉西环填料的气液分布较差，传质效率低，阻力大，通量小，目前工业上已较少应用。（2）鲍尔环填料鲍尔环填料是对拉西环的改进，在拉西环的侧壁上开出两排长方形的窗孔，被切开的环壁的一侧仍与壁面相连，另一侧向环内弯曲，形成内伸的舌叶，诸舌叶的侧边在环中心相搭。鲍尔环由于环壁开孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率，气流阻力小，液体分布均匀。与拉西环相比，鲍尔环的气体通量可增加50%以上，传质效率提高30%左右。鲍尔环是一种应用较广的填料。（3）矩鞍填料填料矩鞍填料将弧鞍填料两端的弧形面改为矩形面，且两面大小不等，即成为矩鞍填料。矩鞍填料堆积时不会套叠，液体分布较均匀。矩鞍填料一般采用瓷质材料制成，其性能优于拉西环。目前，国内绝大多数应用瓷拉西环的场合，均已被瓷矩鞍填料所取代。（4）阶梯环填料阶梯环填料是对鲍尔环的改进，与鲍尔环相比，阶梯环高度减少了一半并在一端增加了一个锥形翻边。由于高径比减少，使得气体绕填料外壁的平均路径大为缩短，减少了气体通过填料层的阻力。锥形翻边不仅增加了填料的机械强度，而且使填料之间由线接触为主变成以点接触为主，这样不但增加了填料间的空隙，同时成为液体沿填料表面流动的汇集分散点，可以促进液膜的表面更新，有利于传质效率的提高。阶梯环的综合性能优于鲍尔环，成为目前所使用的环形填料中最为优良的一种。（5）金属环矩鞍填料7金属环矩鞍填料环矩鞍填料（国外称为Intalox）是兼顾环形和鞍形结构特点而设计出的一种新型填料，该填料一般以金属材质制成，故又称为金属环矩鞍填料。环矩鞍填料将环形填料和鞍形填料两者的优点集于一体，其综合性能优于鲍尔环和阶梯环。填料的种类的选择要考虑分离工艺的要求，如传质效率、通量、填料层的压降、填料的操作性能，还要便于安装、拆卸和检修。填料的规格的选择有散装填料规格和规整填料规格。填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。选择填料材质应根据吸收系统的介质，工艺物料的腐蚀性及操作温度而定。对于腐蚀性介质应采用相应的抗腐蚀性材料，如陶瓷，塑料，玻璃，石墨，不锈钢等，对于温度较高的情况，应考虑材料的耐温性能。综上所述水吸收丙酮适合用散装填料，并选用DN38聚丙烯阶梯环填料表1塑料阶梯环填料特性数据公称直径DNmm外径×高×厚d×h×δ,mm比表面积αm2/m3空隙率ε%个数nm-3堆积密度ρpKg/m3干填料因子φm-13838×19×1.0132.5912720057.51702.工艺计算2.1基础物性数据空气的分子量：29；丙酮的分子量：58；水的分子量：18常压：101.3kPa：操作温度：25℃[5]2.1.1液相物性的数据对低浓度吸收过程，溶液的物性数据[6]可近似取纯水的物性数据。由手册查得，25℃时水的有关物性数据如下：密度为：L=997.043kg/m3黏度：L=0.8937×10-3Pa·s=3.217kg/（㎡•h）表面张力：=71.97dyN/cm=932731.2㎏/h28丙酮在水中的扩散系数：=1.276×10-9m2/s=4.594×10-6m2/h2.1.2气相物性的数据混合气体的平均摩尔质量MMV=iiMy=0.10×58+0.90×29=31.9g/mol=31.9kg/kmol混合气体的平均密度MV=RTPMMV=15.298314.89.313.101=1.304（kg/m3）混合气体的黏度可近似取为空气的黏度，查手册得25℃空气的粘度为V=1.835×10-5Pa•s=0.066kg/（㎡•h）丙酮在空气中的扩散系数：hmscmDV/03924.0/109.0222.1.3气液相平衡数据查得有机物的亨利系数与温度的关系lgE=9.171-[2040/(t+273)]当温度为25℃时，亨利系数为：E=211.5kPa25℃时系统的相平衡常数：m=E/p=211.5/101.3=2.09溶解度系数为：H=SLEM=185.211043.997=0.2619（kmol/（kPam3））2.1.4物料衡算进塔气相摩尔比为：Y1=111yy=10.0110.0=0.1111出塔气相摩尔比为：Y2=1221yy=1/90)×10.0(11/90×10.0=0.00111进塔惰性气相流量为：V=4.221600×2515.27315.273×（1-0.10）=58.90（kmol/h）该吸收过程属低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算，即：9（VL）min=2121/XmYYY对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为：X2=0（VL）min=009.2/1111.000111.01111.0=2.069取操作液气比为：（VL）=1.5（VL）min=1.5×2.069=3.1035L=3.1035×58.90=182.7961（kmol/h）V（Y1-Y2）=L（X1-X2）X1=7961.182)00111.01111.0(×90.58=0.03542.2填料塔的工