这最好的丙酮吸收填料塔课程设计(共23页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上 化工原理课程设计标题学 院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导教师 2011年12月25日目 录1. 水吸收丙酮填料塔的设计简介-11.1水吸收丙酮填料塔的设计的确定-1 1.1.1任务及操作条件-11.1.2吸收工艺流程的确定-1 1.1.2.1逆流操作-11.1.2.2并流操作-21.1.2.3吸收剂部分再循环操作-21.1.2.4多塔串联操作-21.1.2.5串并联混合操作-21.1.3吸收剂的选择-21.2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-52.1.2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-72.2.1 塔径的计算-72.2.2 填料层高度计算-92.2.3 填料层压降计算-112.2.4 液体分布器简要设计-122.2.4.1液体分布器的选型-122.2.4.2分布点密度计算-122.2.4.3布液计算-123. 辅助设备的计算及选型-13 3.1填料支承设备-133.2填料压紧装置-143.3液体再分布装置-144. 设计一览表-165. 后记-176. 参考文献-177. 主要符号说明-188. 附图（工艺流程简图、主体设备设计条件图）-18专心-专注-专业1.水吸收丙酮填料塔的设计简介塔设备1是化工、石油化工、生物化工、制药等生产过程中广泛应用的气液传质设备。主要作用是为实现液液相或气液相之间的充分接触，从而达到相互间进行传热及传质的过程。2塔设备被广泛应用在吸收、蒸馏、萃取等单元操作。根据塔内气液接触部件的不同结构形式，多分为板式塔和填料塔。填料塔属于微分接触操作，板式塔属于逐级接触逆流操作。填料塔内装有一定高度的填料层，液体自塔顶沿填料表面下流，气体逆流而上（有时也采用并流向下）流动，气液两相密切接触进行传质与传热。工业上一般要求塔设备的基本特点是结构简单，分离、传质效率高，生产能力大，操作弹性大，设备取材面广，便于采用耐腐蚀材料制造等。此次设计用填料塔作为吸收的主要设备，用于脱除混于空气中的丙酮蒸汽。混合气体的处理量为1600，进口混合气中含丙酮蒸汽10%（体积分数），混合气进料温度为35。采用清水进行吸收，要求出塔气体中丙酮气流量为入塔丙酮流量的1%（体积分数），吸收剂的用量为最小用量的1.5倍。吸收剂的温度为25，操作压力为常压。1.1水吸收丙酮填料塔的设计的确定1.1.1任务及操作条件混合气(空气、丙酮蒸汽)处理量： 1600。进塔混合气含丙酮 10(体积分数)；温度:35；进塔吸收剂(清水)的温度25；出塔气体中丙酮气流量为入塔丙酮流量的1；操作压力为常压。1.1.2吸收工艺流程的确定3吸收装置的流程主要有以下几种。1.1.2.1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。1.1.2.2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。1.1.2.3吸收剂部分再循环操作在逆流操作系统中，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。1.1.2.4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。1.1.2.5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。1.1.3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。1.2填料的选择4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，用水吸收丙酮是在t=25，P=101.3kPa的条件下进行的，其操作压力较低，可选用 聚丙烯阶梯环填料。表1聚丙烯塑料阶梯环填料特性数据公称直径 外径×高×厚 ，比表面积 空隙率 个数 干填料因子 3838×19×1.0132.591272001702.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：18.02常压：101.325 ；操作温度：25 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5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 黏度为 表面张力为丙酮在水中的扩散系数为 2.1.2气相物性的数据混合气体的平均摩尔质量为混合气体的平均密度为混合气体的黏度可近似取为空气的黏度，查手册得25空气的黏度为丙酮在空气中的扩散系数为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 常压下25时丙酮在水中的亨利系数为 相平衡常数为溶解度系数为2.1.4 物料衡算进塔气相摩尔比为出塔气相摩尔比为 进塔惰性气相流量为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：对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为 取操作液气比为 2.2 填料塔的工艺尺寸的计算2.2.1 塔径的计算图1 通用压降关联图图中 、分别为气液相流率， 、分别为气液相密度，液相粘度， 液相密度核正系数实验测取的填料因子，各种填料的值载于填料性能表中g重力加速度采用EcKert通过关联图计算泛点气速气相质量流量为液相质量流量可以近似按纯水的流量计算，即EcKert通用关系图的横坐标为查表 得 查表 得 取 圆整塔经，取 泛点率校核：（在允许范围内）填料规格校核：(满足阶梯环的径比要求)液体喷淋密度校核：取最小润湿速率为查附录五得 经以上校核可知，填料塔直径选用合理2.2.2 填料层高度计算 脱吸因数为 气相总传质单元数为 气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式6计算：查表得，聚丙烯材质的临界表面张力为：液体质量通量为 气膜吸收系数由下式计算： 气体质量通量为 液膜吸收系数由下式计算： 由 ， 查表5-14得 因为所以必须对和进行校正，矫正计算如下：由 ，得 则 由 由 ，得设计取填料高度查表5-16对于阶梯环填料 取 ，则 计算得填料高度为9000mm,故需分段，将塔分两段,每段4.5m,中间设置一个液体再分布器。2.2.3 填料层压降计算采用Ecker通用关联图7计算填料层压降横坐标为查表518得 纵坐标为查表5-21得 填料层压降为 2.2.4 液体分布器简要设计8液体分布器可分为初始分布器和再分布器，初始分布器设置于填料塔内，用于将塔顶液体均匀的分布在填料表面上，初始分布器的好坏对填料塔效率影响很大，分布器的设计不当，液体预分布不均，填料层的有效湿面积减小而偏流现象和沟流现象增加，即使填料性能再好也很难得到满意的分离效果。因而液体分布器的设计十分重要。特别对于大直径低填料层的填料塔，特别需要性能良好的液体分布器。液体分布器的性能主要由分布器的布液点密度（即单位面积上的布液点数），各布液点均匀性，各布液点上液相组成的均匀性决定，设计液体分布器主要是决定这些参数的结构尺寸。对液体分布器的选型和设计，一般要求：液体分布要均匀；自由截面率要大；操作弹性大；不易堵塞，不易引起雾沫夹带及起泡等；可用多种材料制作，且操作安装方便，容易调整水平。液体分布器的种类较多，有多种不同的分类方法，一般多以液体流动的推动力或按结构形式分。若按流动推动力可分为重力式和压力式，若按结构形式可分为多孔型和溢流型。其中，多孔型液体分布器又可分为：莲蓬式喷洒器、直管式多孔分布器、排管式多孔型分布器和双排管式多孔型分布器等。溢流型液体分布器又可分为：溢流盘式液体分布器和溢流槽式液体分布器。2.2.4.1液体分布器的选型该吸收塔液相负荷较大，而气相负荷相对较低，根据本吸收的要求和物系的性质可选用槽式液体分布器。2.2.4.2分布点密度计算 按Eckert建议值，时，喷淋点密度为246点，所以，设计该塔取喷淋点密度为246点。2.2.4.3布液计算由 取 ，则 设计取。3.辅助设备的计算及选型3.1填料支承设备9填料支承装置用于支承塔填料及其填料层内的气体、液体的质量，同时起着气液流道及气体均布作用。故在设计支承板是应满足下列基本条件：（1）自由截面与塔截面之比不小于填料的空隙率；（2）要有足够的强度承受填料重量及填料空隙的液体；（3）要有一定的耐腐蚀性。(4)结构上应有利于气液相的均匀分布，同时不至于产生较大的阻力（一般阻力不大于20Pa）；（5）结构简单，便于加工制造安装和维修。常用的填料支承装置有栅板型和驼峰型及各种具有气升管结构的支承板。如图：（a）栅板 （b）升气管式 （c）十字隔板环层图 2 填料支承板用竖扁钢制成的栅板作为支承板最为常用，如图 2 中的（a）。栅板可以制成整块或分块的。一般当直径小于500mm时可制成整块；直径为600800mm时，可以分成两块；直径在9001200mm时，分成三块；直径大于1400mm时，分成四块；使每块宽度约在300400mm之间，以便拆装。栅板条之间的距离应约为填料环外径的0.60.7。在直径较大的塔中，当填料环尺寸较小的，也可采用间距较大的栅板，先在其上布满尺寸较大的十字分隔瓷环，再放置尺寸较小的瓷环。这样，栅板自由截面较大，如图 2 （c）所示。当栅板结构不能满足自由截面要求时，可采用如图 2（b）所示的升气管式支承板。气相走升气管齿缝，液相由小孔及缝底部溢流而下。这类支承板，有足够齿缝时，气相的自由截面积可以超过整个塔德横截面积，所以绝不会在此造成液泛。本设计塔径=600mm，采用结构简单、自由截面较大、金属耗用量较小，由竖扁钢制成的栅板作为支承板，将其分成两块为了改善边界状况，可采用大间距的栅条，然后整砌一、二层按正方形排列的瓷质十字环，作为过渡支承，以取得较大的孔隙率。3.2填料压紧装置10为保证填料塔在工作状态下填料床能够稳定，防止高气相负荷或负荷突然变动时填料层发生松动，破坏填料层结构，甚至造成填料损失，必须在填料层顶部设置填料限定装置。填料限定可分为类：一类是将放置于填料上端，仅靠自身重力将填料压紧的填料限定装置，称为填料压板；一类是将填料限定在塔壁上，称为床层限定板。填料压板常用于陶瓷填料，以免陶瓷填料发生移动撞击，造成填料破碎。床层限定板多用于金属和塑料填料，以防止由于填料层膨胀，改变其初始堆积状态而造成的流体分布不均匀的现象。一般要求压板和限制板自由截面分率大于70%。3.3液体再分布装置10实践表明，当喷淋液体沿填料层向下流动时，不能保持喷淋装置所提供的原始均匀分布状态，液体有向塔壁流动的趋势。因而导致壁流增加、填料主体的流量减小、塔中心的填料不被润湿，影响了流体沿塔横截面分布的均匀性，降低传质效率。所以，设置再分布装置是十分重要的。液体分布器分为截锥形再分布器、边圈槽型再分布器、改进截锥形再分布器,见图 3 。可选用多孔盘式再分布器。图 3 （a）、（b）为两种截锥式再分布器。其中（a）型是将截锥体固定在塔壁上，其上下均可装满填料，锥体不占空间，是最简单的一种。（b）型是在截锥上方设支承板，截锥以下隔一段距离再放填料，需分段卸出填料时可用此型。截锥体与塔壁的夹角一般取为35-400，截锥下口直径D1=（0.70.8）D。截锥型再分布器适于直径800mm以下的塔应用。图 3（c）为边圈槽形再分布器。壁流液汇集于边圈槽中，再由溢流管引入填料层。边槽宽度为50100mm，可依塔径大小选取，溢流管直径为1632mm，一般取34根溢流管。此型结构简单，气体通过截面较大，可用于3001000mm直径的塔中，其缺点是喷洒不够均匀。图 3（d）为改进形分配锥，此型既改善了液体分布情况，又有较大的自由截面积，适用于600mm以下塔径。综上所述，本设计选用边圈槽形再分布器，边槽宽度为70mm，溢流管直径为25mm。 （a）、（b）截锥式 （c）边圆槽形 （d）改进截锥式图3 常用液体再分布器液体再分布器的选择与计算和分布器的计算基本相同，此处不再做说明，选用槽式液体再分布器。4.设计一览表经上述论述和计算得填料吸收塔设计一览表（见表2）计算数据计算结果单位液体密度997.043液体粘度0.8937液体表面张力.2kg/h2丙酮在水中的扩散系数混合气体平均摩尔质量31.9混合气体平均密度1.304混合气体粘度丙酮在空气中的扩散系数0.03924相平衡常数2.09亨利系数211.53溶解度系数0.2616进塔气相摩尔比0.1111出塔气相摩尔比0.进塔惰性气相流量58.9气相质量流量2086.4液相质量流量3297.48最小液气比2.0712操作液气比3.1068填料的泛点2.77气速1.573塔径0.6填料层高度9总布液孔数70点脱吸因数0.673传质单元高度0.653传质单元数11.04填料塔的压力降1765.8泛点率0.5679填料高度90005. 后记按化工原理课程设计设计，经过计算，此设计合理，各项设计结果均符合设计要求，详见设计结果总汇表及填料塔配图。由于该类型填料塔的一些物性参数均非化工手册中未能查到的确切数据，是通过分析计算得到的，这给计算带来了一定的误差。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。设计中难点在于繁琐的计算，巨大的运算量十分考验耐性。虽然熬了几天夜，吃了点苦头。但很是锻炼我的思维、分析和解决问题的能力。在做课程设计的过程中，频繁的找寻资料，大量的活儿，不仅让自己现在能够熟悉查阅文献资料，还丰富了自己的课外知识。6. 参考文献1 董大均，化工设备机械基础，化学工业出版社，2002.12，北京2 刘光启、马连湘、刘杰，化学化工物性数据手册，化学工业出版社，化学化工物性数据手册，2002年，北京3 陈敏恒，丛德滋，方图南，齐鸣斋编，（化工原理）上册，北京，化学工业出版社出版，2008年11月第3版第22次印刷4 毕诚敬，化工原理课程设计，天津科学出版社，1996年，天津5 丁伯民，黄正林主编，化工容器，北京，化学工业出版社出版，2003年1月第1版253页6 贺匡国主编，化工容器及设备简明设计手册，北京，化学工业出版社出版，2002年8月第2版7 化工原理课程设计 天津大学出版社8 材料与零部件（上册），上海科学技术出版社，1982年7月第1 版328页9 陈敏恒，丛德滋，方图南，齐鸣斋编，化工原理（下册），北京，化学工业出版社出版，2009年1月第3版第21次印刷10 贾紹义，柴诚敬，化工传递与单元操作课程设计，天津，天津大学出版社，20027. 主要符号说明主要符号（表3）符号代 表 意 义符号代 表 意 义气体扩散系数单位体积填料润湿面积液体扩散系数脱吸因数出口液相溶质摩尔分率塔径平衡常数传质单元高度亨利系数传质单元数溶解度系数填料比表面积 进口气相溶质摩尔分率液体最小喷淋密度出口气相溶质摩尔分率液体喷淋密度进口液相溶质摩尔分率空塔速度气相传质系数液泛速度以摩尔分数差为推动力的气相传质系数填料因子以摩尔分数差为推动力的液相传质系数填料形状修正系数液体粘度布液孔数气体粘度孔流系数气体质量流速液体表面张力液体质量流速填料临界表面张力液体高度流量全塔高度填料高度8. 附图（工艺流程简图、主体设备设计条件图）