畢業(yè)設(shè)計(jì)--- 空氣-丙酮混合氣填料吸收塔設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　空氣-丙酮混合氣填料吸收塔設(shè)計(jì)任務(wù)為用水吸收丙酮常壓填料塔，即在常壓下，從含丙酮1.82%、相對(duì)濕度70%、溫度35℃的混合氣體中用25℃的吸收劑清水在填料吸收塔中吸收回收率為90%丙酮的單元操作。設(shè)計(jì)主要包括設(shè)計(jì)方案的確定、填料選擇、工藝計(jì)算等內(nèi)容，其中整個(gè)工藝計(jì)算過(guò)程包括確定氣液平衡關(guān)系、確定吸收劑用量及操作線方程、填料

2、的選擇、確定塔徑及塔的流體力學(xué)性能計(jì)算、填料層高度計(jì)算、附屬裝置的選型以及管路及輔助設(shè)備的計(jì)算，在設(shè)計(jì)計(jì)算中采用物料衡算、亨利定律以及一些經(jīng)驗(yàn)公式，該設(shè)計(jì)的成果有設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)和填料吸收塔的裝配圖及其附屬裝置圖。</p><p>　　水吸收丙酮填料塔設(shè)計(jì)</p><p>　　第一章 任務(wù)及操作條件</p><p>　　混合氣(空氣、丙酮蒸汽)處理量：1500m3/h&

3、lt;/p><p>　　進(jìn)塔混合氣含丙酮 1.82％(體積分?jǐn)?shù))；相對(duì)濕度:70％；溫度:35℃；</p><p>　　進(jìn)塔吸收劑(清水)的溫度25℃；</p><p>　　丙酮回收率：90％；</p><p>　　操作壓強(qiáng)：常壓操作。</p><p>　　第二章 設(shè)計(jì)方案的確定</p><p>

4、　　1 設(shè)計(jì)方案的內(nèi)容</p><p>　?。?） 流程方案的確定</p><p>　　常用的吸收裝置流程主要有逆流操作、并流操作、吸收及部分再循環(huán)操作、多塔串聯(lián)操作、串聯(lián)—并聯(lián)操作，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)、工藝特點(diǎn)，結(jié)合各種流程的優(yōu)缺點(diǎn)，采用常規(guī)逆流操作的流程，傳質(zhì)平均推動(dòng)力大，傳質(zhì)速率快，分離效率高，吸收及利用率高。</p><p>　?。? ） 設(shè)備方案的確定<

5、;/p><p>　　本設(shè)計(jì)要求的是選用填料吸收塔，填料塔是氣液呈連續(xù)性接觸的氣液傳質(zhì)設(shè)備，它的結(jié)構(gòu)和安裝比板式塔簡(jiǎn)單。它的底部有支撐板用來(lái)支撐填料，并允許氣液通過(guò)。支撐板上的填料有整砌或亂堆兩種方式。填料層的上方有液體分布裝置，從而使液體均勻噴灑在填料層上。 </p><p>　　圖1.1 常規(guī)逆流操作流程圖</p><p><b>　?。?）

6、 流程布置</b></p><p>　　吸收裝置的流程布置是指氣體和液體進(jìn)出吸收塔的流向安排。本設(shè)計(jì)采用的是逆流操作，即氣相自塔底進(jìn)入由塔頂排出，液相流向與之相反，自塔頂進(jìn)入由塔底排出。逆流操作時(shí)平均推動(dòng)力大，吸收劑利用率高，分離程度高，完成一定分離任務(wù)所需傳質(zhì)面積小，工業(yè)上多采用逆流操作。</p><p>　?。?） 收劑的選擇</p><p>　　

7、吸收劑性能的優(yōu)劣是決定吸收操作效果的關(guān)鍵之一，吸收劑的選擇應(yīng)考慮以下幾方面：</p><p>　　(1)溶解度: 吸收劑對(duì)溶質(zhì)的溶解度要大，以提高吸收速率并減少吸收劑的用量。</p><p>　　(2)選擇性: 吸收劑對(duì)溶質(zhì)組分有良好的溶解能力，對(duì)其他組分不吸收或甚微。</p><p>　　(3)揮發(fā)度：操作溫度下吸收劑的蒸汽壓要低，以減少吸收和再生過(guò)程中的揮發(fā)損失

8、。</p><p>　　(4)粘度: 吸收劑在操作溫度下粘度要低，流動(dòng)性要好，以提高傳質(zhì)和傳熱速率。</p><p>　　(5)其他： 所選用的吸收劑盡量要無(wú)毒性、無(wú)腐蝕性、不易爆易燃、不發(fā)泡、冰點(diǎn)低、廉價(jià)易得及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定</p><p>　　一般來(lái)說(shuō)，任何一種吸收劑都難以滿足以上所有要求，選用是要針對(duì)具體情況和主要因素，既考慮工藝要求又兼顧到經(jīng)濟(jì)合理性。<

9、;/p><p>　?。?） 操作溫度和壓力的確定</p><p>　　(1) 溫度: 低溫利于吸收，但溫度的底限應(yīng)由吸收系統(tǒng)決定，本設(shè)計(jì)溫度選25℃</p><p>　　(2) 壓力：加壓利于吸收，但壓力升高操作費(fèi)用、能耗增加，需綜合考慮，本設(shè)計(jì)采用常壓。</p><p>　　第三章 填料的選擇</p><p><

10、b>　　1填料的種類和類型</b></p><p>　　工業(yè)上填料按形狀和結(jié)構(gòu)可分為散裝填料和規(guī)整填料兩類：</p><p><b>　?。?） 顆粒填料</b></p><p>　　以隨機(jī)的方式堆積在塔內(nèi)，以下是幾種典型的散裝填料：</p><p>　　拉西環(huán)填料 最早的工業(yè)填料，但因性能較差，目前

11、工業(yè)上已經(jīng)很少使用</p><p>　　鮑爾環(huán)填料 是在拉西環(huán)基礎(chǔ)上的改進(jìn)，利用率有了很大提高</p><p>　　階梯環(huán)填料 對(duì)鮑爾環(huán)的改進(jìn)，為目前所使用的環(huán)形填料最為優(yōu)良的一種</p><p>　　弧鞍 填料 一般采用瓷質(zhì)材料，易碎，工業(yè)中不常用</p><p>　　環(huán)矩鞍填料 集環(huán)型與鞍型優(yōu)點(diǎn)，是工業(yè)應(yīng)用最廣的一種金屬散裝填料<

12、/p><p>　?。?） 規(guī)整填料 </p><p>　　以一定的幾何形狀，整齊堆砌，工業(yè)用多為波紋填料，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、傳質(zhì)效率高、處理量大，但不易處理粘度大或有懸浮物的物料，且造價(jià)高。</p><p>　　2 填料類型的選擇</p><p>　　根據(jù)分離工藝的要求，考慮以下因素：</p><p>　　(1)傳質(zhì)效

13、率 在滿足工藝條件的前提下，選用傳質(zhì)效率高，即HETP(或HTU)低的填料。</p><p>　　(2)通量 保證較高的傳質(zhì)傳質(zhì)效率前提下，選用有較高泛點(diǎn)或氣相動(dòng)能因子的填料。</p><p>　　(3)填料層壓降 壓降越小，動(dòng)力耗費(fèi)越少，操作費(fèi)用越小。</p><p>　　(4)操作性能 填料具有較大操作彈性，且具有一定的抗污堵、抗熱敏能力等。</p>

14、<p><b>　　3填料規(guī)格的選擇</b></p><p>　　(1)散裝填料 常用主要有16、25、38、50、76等幾種規(guī)格。</p><p>　　一般推薦： 300時(shí)，選25的填料；時(shí)，選25—38的填料; </p><p>　　時(shí)，選用的填料，但一般大塔中常用的填料。</p><p>　　(2

15、)規(guī)整填料 從分離要求、通量要求、場(chǎng)地條件、物料性質(zhì)及設(shè)備投資、操作費(fèi)用等方面綜合考慮，既考慮工藝要求又兼顧到經(jīng)濟(jì)合理性。</p><p><b>　　4填料材質(zhì)的選擇</b></p><p>　　(1)陶瓷 具有耐腐性及耐熱性，但質(zhì)脆、易碎，不宜高沖擊強(qiáng)度下使用。</p><p>　　(2)金屬 碳鋼對(duì)低腐蝕無(wú)腐蝕物系優(yōu)先考慮，不銹鋼耐以外物

16、系腐蝕，特種合金鋼價(jià)格高，只在特殊條件下使用</p><p>　　(3)塑料 主要包括PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)、 PVC(聚氯乙烯)等，一般采用PP(聚丙烯)材質(zhì)。塑料耐腐蝕性、耐低熱性好，但具有冷脆性，表面潤(rùn)濕性較差。</p><p>　　一般講，操作溫度較高但無(wú)顯著腐蝕性時(shí)，選用金屬填料；溫度較低選用塑料填料；物系具有腐蝕性、操作溫度高，宜采用陶瓷填料。</p>&

17、lt;p>　　由于本設(shè)計(jì)操作溫度較低且無(wú)腐蝕性，壓強(qiáng)采用常壓，所以選用塑料填料。</p><p><b>　　第四章 工藝計(jì)算</b></p><p><b>　　1 物料計(jì)算</b></p><p>　　（1） 進(jìn)塔混合氣中各組分的量</p><p>　　近似取塔平均操作壓力為101.3k

18、Pa,故：</p><p>　　混合氣量=1500（）×=59.36kmol∕h</p><p>　　混合氣中丙酮量=59.36×0.0182=1.08kmol∕h=1.08×58=62.64㎏∕h</p><p>　　查附錄，35℃飽和水蒸氣為5623.4Pa，則相對(duì)濕度為70%的混合氣中含水蒸氣量= =0.0404kmol（水氣）∕

19、kmol（空氣+丙酮）</p><p>　　混合氣中水蒸氣的含量= =2.31kmol∕h=2.31×18=41.58㎏∕h</p><p>　　混合氣中空氣量=59.36-1.08-2.31=55.97kmol∕h=55.97×29=1623㎏∕h</p><p>　?。?） 混合氣進(jìn)出塔（物質(zhì)的量）組成</p><p>

20、;<b>　　已知：，則</b></p><p>　?。?） 混合氣進(jìn)出塔（物質(zhì)的量比）組成</p><p>　　若將空氣與水蒸氣視為惰氣，則</p><p>　　惰氣量=55.97+2.31=58.28kmol∕h =1623+41.58=1664.6㎏∕h</p><p>　　=0.0185kmol（丙酮）∕kmol

21、（惰氣）</p><p>　　0.00185kmol（丙酮）∕kmol（惰氣）</p><p>　?。?） 出塔混合氣量</p><p>　　出塔混合氣量=58.28+1.08×0.1=58.388kmol∕h=1670.8㎏∕h</p><p><b>　　2 氣液平衡曲線</b></p>&l

22、t;p>　　當(dāng)x<0.01，t=15～45℃時(shí)，丙酮溶于水其亨利系數(shù)E可用下式計(jì)算： =9.171－[2040／（t+273）]</p><p>　　查《化學(xué)工藝算圖》第一冊(cè).常用物料特性數(shù)據(jù)，由前設(shè)X值求出液溫，通過(guò)上式計(jì)算相應(yīng)E值，且m=，分別將相應(yīng)E值及相平衡常數(shù)m值列于表4-16中的第3，4列。由=mX求取對(duì)應(yīng)m及X時(shí)的氣相平衡組成，結(jié)果列于表中4-16中第5列。</p

23、><p>　　根據(jù)X-數(shù)據(jù)，繪制X-Y平衡曲線0E，如圖1所示。</p><p>　　3 吸收劑（水）的用量</p><p>　　由圖1查出，當(dāng)=0.0185，=0.0072,依下式式計(jì)算最小吸收劑用量。</p><p>　　=134.8kmol∕h</p><p>　　=1.1～2.0 取</p>&

24、lt;p>　　故 =1.7×134.8=229.2kmol∕h=4126㎏∕h</p><p><b>　　4 塔底吸收液</b></p><p><b>　　根據(jù)式 有</b></p><p><b>　　5 操作線</b></p><p>　　依操作線方程

25、式 </p><p>　　得 Y =X+0.00185=3.933X+0.00185</p><p><b>　　6 塔徑計(jì)算</b></p><p>　　塔底氣液負(fù)荷大，依塔底條件(混合氣35℃)，101.325kPa，查表可知，吸收液27.16℃計(jì)算。</p><p>　　

26、u =（0.6~~0.8）</p><p>　?。?）采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖法(圖2)計(jì)算泛點(diǎn)氣速</p><p><b>　　① 有關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算</b></p><p>　　塔底混合氣流量＝1623＋62.64＋41.58＝1727kg／h</p><p>　　吸收液流量＝4126＋1.08×0.9

27、5;58＝4182kg／h</p><p>　　圖2 通用壓降關(guān)聯(lián)圖</p><p>　　進(jìn)塔混合氣密度＝×＝1.15kg／ (混合氣濃度低，可近似視為空氣的密度)</p><p>　　吸收液密度＝996.7kg/</p><p>　　吸收液黏度＝0.8543mPa·s</p><p>　　經(jīng)計(jì)

28、算，選DG50mm塑料鮑爾環(huán)。查《化工原理》教材附錄可得，其填料因子=120，比表面積A＝106.4</p><p><b>　　②關(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)值</b></p><p>　　()1/2=()1/2 =0.082</p><p>　?、塾蓤D2查得縱坐標(biāo)值為0.146</p><p>　　即0.2=0.2=0.0137=

29、0.146</p><p>　　故液泛氣速==3.264m/s</p><p><b>　　(2)操作氣速</b></p><p>　　u＝0.6＝0.6×3.264 ＝1.96m/s</p><p><b>　　(3)塔徑</b></p><p>　　== 0.5

30、2 m=520mm</p><p>　　取塔徑為600mm。</p><p><b>　　(4)核算操作氣速</b></p><p>　　U==1.474m/s< </p><p><b>　　(5)核算徑比</b></p><p>　　D/d＝600/50＝12，滿足

31、鮑爾環(huán)的徑比要求。</p><p><b>　　(6)噴淋密度校核</b></p><p>　　依Morris等推專，d＜75mm約環(huán)形及其它填料的最小潤(rùn)濕速率(MWR)為0.08／(m·h),故：</p><p>　　最小噴淋密度＝0.08×106.4＝8.512 /(m2·h)</p><p

32、>　　因 ＝＝14.6/(㎡.h)</p><p>　　故滿足最小噴淋密度要求。</p><p><b>　　7 填料層高度計(jì)算</b></p><p>　　計(jì)算填料層高度，即：</p><p><b>　　Z＝</b></p><p>　　(1)傳質(zhì)單元高度計(jì)算

33、</p><p><b>　　=，其中=</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)采用（恩田式）計(jì)算填料潤(rùn)濕面積aw作為傳質(zhì)面積a，依改進(jìn)的恩田式分別計(jì)算及，再合并為和。</p><p>　?、倭谐鰝潢P(guān)聯(lián)式中的物性數(shù)據(jù)</p><p>　　氣體性質(zhì)(以塔底35℃，101.3kPa空氣計(jì))：＝1.15 kg/ (前已算出)；＝0

34、.01885× (查附錄)；＝1．09×（依翻Gilliland式估算)。</p><p>　　液體性質(zhì)(以塔底27．16℃水為準(zhǔn))：＝996.7 kg/；＝0.8543×Pa·s；＝71．6×N／m(查化工原理附錄）；=1.344× (以式計(jì)算)，式中為溶質(zhì)在常壓沸點(diǎn)下的摩爾體積，為溶劑的分子量，為溶劑的締合因子。</p><p&g

35、t;　　氣體與液體的質(zhì)量流速：</p><p><b>　　=4.1</b></p><p><b>　　=1.7</b></p><p>　　塑料鮑爾環(huán)(亂堆)特性：＝50mm＝0.05m;A＝106.4;=40dy/cm=40×10-3 N/m;查《化學(xué)工程手冊(cè)，第12篇，氣體吸收》，有關(guān)形狀系數(shù)，=1.45

36、。</p><p><b>　　②依式</b></p><p>　　={-1.45（）0.75（）0.1（）- 0.05（）0.2}</p><p>　　={-1.45（0.646）（1.47）（1.09）（0.29）}</p><p>　　=（-0.432）=0.351</p><p>

37、　　故 ==0.351×106.4=37.3</p><p><b>　　③依式</b></p><p>　　=0.0051()2/3()1/\3()1/3()0.4=0.0051()2/3()1/3()1/3(5.9)0.4=0.0051×25.5×0.0396×0.02033×2.03=2.13×1

38、0-4 m/s</p><p><b>　?、芤朗?lt;/b></p><p>　　= 5.23()0.7()1\3()()</p><p>　　= 5.23()0.7()1/3()(5.9)</p><p>　　=5.23(112.1)(1.146)(4.529×10-7)(5.9)</p><

39、;p>　　=1.795×10-3kmol/(m2·s·kPa)</p><p>　　故 =2.13××37.3=7.94×10-3 (L/s)</p><p>　　=1.795×10-3×37.3=7.00×10-2kmol/(m2·s·kPa)</p>&l

40、t;p><b>　　(2)計(jì)算</b></p><p>　?。剑琀=。由于在操作范圍內(nèi)，隨液相組成和溫度的增加，m (E)亦變，故本設(shè)計(jì)分為兩個(gè)液相區(qū)間，分別計(jì)算(I)和(II)</p><p>　　區(qū)間I X＝0.004~0.002(為(I))</p><p>　　區(qū)間II X＝0.002~0 (為(II))</p&g

41、t;<p><b>　　由表1知</b></p><p>　　＝2.30×kPa , ＝==0.241kmol/(·kPa)</p><p>　　=2.18× kPa, ===0.254kmol/(·kPa)</p><p><b>　　=＋＝536.9</b><

42、;/p><p>　　=.P=0.1884</p><p><b>　　=＋=510.1</b></p><p>　　=0.00196×101.3=0.1985</p><p><b>　　(3)計(jì)算</b></p><p><b>　　===0.304m<

43、;/b></p><p>　　== =0.289m</p><p><b>　　（4）傳質(zhì)單元數(shù)</b></p><p><b>　　據(jù)下式計(jì)算</b></p><p><b>　　NOG=</b></p><p>　?。?）填料層高度Z計(jì)算<

44、;/p><p><b>　　Z=</b></p><p>　　=0.304×1.2+0.289×2.4=1.0584m</p><p>　　取25%余量，則完成本設(shè)計(jì)任務(wù)需DG塑料鮑爾環(huán)的填料層高度Z=1.25×1.0584=1.4m</p><p><b>　　8 填料層壓降計(jì)算&l

45、t;/b></p><p>　　取圖2(通用壓降關(guān)聯(lián)圖)橫坐標(biāo)值0.082(前已算出)；將操作氣速(＝1．474m/s) 代替縱坐標(biāo)中的查表，DG50mm塑料鮑爾環(huán)的壓降填料因子＝125代替縱坐標(biāo)中的．則縱標(biāo)值為：</p><p>　　×()×(0.8543)0.2=823.9Pa</p><p><b>　　查圖2(內(nèi)插)得&l

46、t;/b></p><p>　　P=24×9.81=235.4Pa/m 填料</p><p>　　全塔填料層壓降 =3.5×235.4=823.9Pa</p><p>　　至此，吸收塔的物科衡算、塔徑、填料層高度及填料層壓降均已算出。關(guān)于吸收塔的物料計(jì)算總表和塔設(shè)備計(jì)算總表此處從略。</p><p>　　第五章 填

47、料吸收塔的附屬設(shè)備</p><p><b>　　1、填料支承板</b></p><p>　　分為兩類：氣液逆流通過(guò)平板型支承板，板上有篩孔或柵板式;氣體噴射型，分為圓柱升氣管式的氣體噴射型支承板和梁式氣體噴射型支承板。</p><p>　　2、填料壓板和床層限制板</p><p>　　在填料頂部設(shè)置壓板和床層限制板。有柵

48、條式和絲網(wǎng)式。</p><p>　　3、氣體進(jìn)出口裝置和排液裝置</p><p>　　填料塔的氣體進(jìn)口既要防止液體倒灌，更要有利于氣體的均勻分布。對(duì)500mm直徑以下的小塔，可使進(jìn)氣管伸到塔中心位置，管端切成45度向下斜口或切成向下切口，使氣流折轉(zhuǎn)向上。對(duì)1.5m以下直徑的塔，管的末端可制 成下彎的錐形擴(kuò)大器。氣體出口既要保證氣流暢通，又要盡量除去夾帶的液  沫。最簡(jiǎn)單的裝置是除

49、沫擋板（折板），或填料式、絲網(wǎng)式除霧器。</p><p>　　液體出口裝置既要使塔底液體順利排出，又能防止塔內(nèi)與塔外氣體串通，常壓吸收塔可采用液封裝置。</p><p>　　注：(1)本設(shè)計(jì)任務(wù)液相負(fù)荷不大，可選用排管式液體分布器；且填料層不高，可不設(shè)液體再分布器。 </p><p>　　(2)塔徑及液體負(fù)荷不大，可采用較簡(jiǎn)單的柵板型支承板及壓板。其它塔附件及

50、氣液出口裝置計(jì)算與選擇此處從略。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　【1】夏清，陳常貴主編 《化工原理》（上、下冊(cè)）天津：天津大學(xué)出版社 2005</p><p>　　【2】化工原理課程設(shè)計(jì)自編講義 2007</p><p>　　【3】董大勤編 《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》 北京：化學(xué)工業(yè)出版