《化工原理》课程设计--水吸收丙酮填料塔的设计.docx

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应用化学（精细化工方向）课程设计任务书（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_3000_m3/ho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350采用25清水进行吸收。要求：丙酮的回收率达至L96%一塔顶排放气体中丙酮含量低于。（说明：和条件满足其一）（二）操作条件（1）操作压力101.6kPa（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1前言I2设计方案的确定和填料的选择I2.1 设计方案的确定12.2 填料的选择13基础物性数据I3.1 液相物性数据I3.2 气相物性数据23.3 气液相物性数据34吸收塔的物料衡算35填料塔的工艺尺寸的计算45.1 塔径计算45.2 填料层高度计算65.2.1 传质单元数NOG的计算65.2.2 传质单元高度Hog的计算65.3 填料层的分段86填料层压降的计算87液体分布器简要设计97.1 液体分布器的选型97.2 分布点密度计算97.3 布液计算97.4 液体保持管高度IO8绘制液体分布器施工图Il9其他填料塔附件的选择119.1 填料支承设备Il9.2 填料压紧装置119.3 液体再分布器129.4 除沫装置1210塔的总高度计算12Il吸收塔接管尺寸的计算1211.1 液体进料管1311.2 气体进料管1312泵和风机的计算和选型1312.1 离心泵的选型和计算1312.2 风机的计算和选型1413设计参数一览表1514对设计过程的评述和有关问题的讨论16参考文献171前言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。该吸收任务的设计思路是首先要进行物料核算，再选用合适的回流比确定出吸收剂的用量，并根据所选填料类型确定塔高及塔径，其次根据压降及风量确定泵和风机的选型，进而可依照吸收任务和物系特点选用合适的吸收塔附件，最后结合所得数据和设备特征绘制工艺流程图和主设备图，具体的计算和参数参考各种设计手册。2设计方案的确定和填料的选择2.1 设计方案的确定用水吸收丙酮属低浓度吸收，为提高传质效率，选用逆流吸收流程。因用清水作为吸收剂，用量很大，丙酮为单一吸收组分，故可认为是单组分、低浓度、等温吸收过程。2.2 填料的选择对于水吸收丙酮的过程，操作温度及操作压力较低，且考虑到丙酮成本和性能的问题，工业上通常选用塑料散装填料，润湿性较差。在塑料散装填料中，塑料阶梯环的综合性能较好，故选用DN38的聚丙烯阶梯环填料，堆积方式为乱堆。3基础物性数据空气的分子量：29；丙酮的分子量：58.079；水的分子量：18.015常压：101.325kPa；操作温度：25操作压力：101.6kPa3.1液相物性数据因进口混合气中含丙酮蒸汽6%（体积百分数），属低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。由手册查得,25C时水的有关物性数据如下:密度为0="748kgm3"黏度为A=0-8904mPas=3.205kg(mh)表面张力为1=71.97dyncw=932731.200Ag/查得20。C时丙酮在水中的扩散系数为Do=I.16x10"s,因吸收剂清水的用量很大，且丙酮的浓度较低，故溶液在不同温度下的黏度可近似取为溶剂即水相应温度下的黏度，查得20。C时水的黏度为LOO2mFas则由校正公式可得25。C时丙酮在水中的扩散系数为：D,=1.16X109×27115÷25xl002=13276x109m2/s=4.779×106w2/?l273.15+200.89043.2气相物性数据该混合气可视为理想气体，等温等压下，体积分数等于摩尔分数，即进口混合气中丙酮的摩尔分数为6机混合气体的平均摩尔质量为Mvm=ZyM=0.06×58.079+0.94×29=30.745混合气体的平均密度为PMv v =-Vm RT101.6×30.7458.314×308.15= 1.219kgm3混合气体的黏度可近似取为空气的粘度，查手册得35。C时空气的黏度为：yf=0.0185mPas=0.067kg(mh)因找不到条件合适的扩散系数，故可借助麦克斯韦尔-吉利兰公式进行估算：J3559XuY73.15。5严58.079+29“殷XlMgS101.6×(44.2,z3+29.9,z3)258.079×29其中丙酮的分子体积可由原子体积加和求得，即：vbA=14.6×3+3.7×6+7.4=44.2cn,/tnol则35C时丙酮在空气中的扩散系数为：Dv=1.1962XK)T机2/s=o.o43z112/。3.3气液相物性数据查得25时丙酮相平衡常数为ah=1.75则在水中的亨利系数为E=wp=1.75×101.6=177.SkPa溶解度系数997.048177.8x18.015=0. 470kmol(kPam3)4吸收塔的物料衡算进塔气相摩尔比为=0三8出塔气相摩尔比为Y2=Y1(1-)=0.0638×(1-0.96)=0.00255人丙酮的回收率(96%)进塔惰性气相流量为300027315V=××(1-0.06)=H5.337kmoVh22.4273.15+25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nun二 fYJtn-X2对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为X2=OJ、0.0638-0.00255“八()min=1.680V0.0638/1.75-0取操作液气比为=25min=2.5x1.680=4.2(经后续的推算得知实际液气比要取到最小液气比的2.5倍)吸收剂进塔流量L=4.2X115.337=484.415kmolhV(Y1-Y2)=L(X1-X2)出塔液相组成_V(r,-r2)_115.337X(0.0638-0.00255)_nn1lr0rU=U.U1'L484.4155填料塔的工艺尺寸的计算5.1 塔径计算采用Eckert通用关联图计算泛点气速。气相质量流量为wv=3000×1.219=3657kgh因丙酮含量很低，故液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即Wi=18.015×484.415=8726.736Ag/hL219 产 997 .(H8= 0.086Eckert通用关联图的横坐标为：wkjA)0.5=8726/736WVPL3567查通用关联图得=0,143gPl查散装填料泛点填料因子平均值表得f=170tw,因液相密度近似取纯水的密度，故液相密度校正系数为W=PQPL=2.628?/sO.143g0_I0.143×9.81×997.048fPvJl2V17O×1×1.219×O.89O4o2取u=0.7uf=0.7×2.628=.ms(对于散装填料，其泛点率的经验值为%=0.50.85)=0.76() mD=/4Vs./4x3000/3600VuV3.14×1.840圆整塔径，取D=0.8m泛点率校核:3000/36000.785 ×0.82=1.659/77 / S=L负2X100%=63.13%(在允许范围内)UF2.628填料规格校核:=警238液体喷淋密度校核:对于直径不超过75mm的散装填料,取最小润湿速率为(AV)min=°°8/m/查常用散装填料的特性参数表国得at=132,5m2m3最小喷淋密度Umin=(Zw)mint=0.08×132.5=10.6m3/(m2h)U=WjPL=8726.736/99Z048一17422>U0.785D20.785×0.82m经以上校核可知，填料塔直径选用D=800mm合理。5.2 填料层高度计算5.2.1 传质单元数NOG的计算R=燧l=l.75X0.0146=0.0256=fnX2=0脱吸因数为484.415气相总传质单元数为Y-YInLT+S= 4.645L2-21-0.4175.2.2 传质单元高度HOG的计算气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：区=1exp-1.45（丝严5（旦严（空尸。5（工_产4OL4MPigPLOL%J查常见材质的临界表面张力值表得r=33'n/cm=427680kgh2（聚丙烯塑料阶梯环DN38）且前面已知t=71.97dyncm=932731.2kgh2b=0.89046Pas=3.205kg（mh）al=132.5m2/m=997.048kgnf液体质量通量为ULWL?267逅=17370.096kg/(m2h)0.785×0.82= l-exp-1.45×(427680932731.2z 17370.096 x0×()132.5x3.205z 17370.0962×132.5 LOO5X () U3 X997.0482×1.27×10817370.0960.21997.048x932731.2x132.5,=0.072气膜吸收系数由下式计算:kG =0.237(旦产(也 a,v pvDv RT气体质量通量为wv _3657£D2 0.785×0.82 4=7279.06 Ikg / (m2 h)7*曲 =0.0648液膜吸收系数由下式计算:后乙=0.0095(-=-户缰户44 PLDL Pl= 0.00917370.096 YzY 3.2050.072x132.5x3.205； 1997.048 × 4.779×10-6,z7 3.205x1.27x1()8、997.0481/3=1.864由kGa=kGay查常见填料的形状系数表得=1.45(开孔环)kca=kcawu=0.0648×0.072×132.5X1.45u=0.930kmoV(m3hkPa)kla=1.864×0.072X132.5X1.45°"=20.6321/h=63.13%>50%UF由k6a=l+9.5(-0.5)14IkGa=l+9.5×(O.6313-0.5),4×0.930-1.445kmol(m3h-kPa)£=1+2.6(幺一0.5严KaUF=l+2.6×(0.6313-0.5)22×20.632=21.2481/h则KGa=-j=-!=1.262kmol(m3hkPa)：1：-1kGaHkLa1.4450.470×21.248.11VV115.337I°。-KaKCaP豆1.262×101.6×0.785×0.82-,IO由Z=HogNog=1.191×4.645=8.319m,取安全系数为1.2,得Z=1.2X8.319=9.983m设计取填料层高度为Z1=IOw5.3填料层的分段查散装填料分段高度推荐值表得，对于阶梯环填料，/O=815,心ax6取/0=8,则=8x800=6400/77/71计算得填料层高度为100OOmnb故需分段，将填料塔分两段分两段，每段5m,中间设置一个液体再分布器。6填料层压降的计算采用Eckert通用关联图计算填料层压降横坐标为%(产=OO86WvPl查散装填料压降填料因子平均值表得p=W6n1纵坐标为1p Pv g Pl0.21.659? X 116x19.811.219×997.048× 3.205°2= 0.050查埃克特通用关联图得pZ=392.40P/m填料层压降为p=Z×392.4=10x392.40=3924Pa7液体分布器简要设计7.1 液体分布器的选型根据本吸收的要求和物系的性质，液相负荷不大，且无固体杂质，塔径较小,可选用排管式液体分布器，其液体分布推动力为重力。7.2 分布点密度计算按Eckert的散装填料塔分布点密度推荐值，D=750mm时，分布点密度为170点11可取至180点布液点数为n=0.785×0.82×180=90.43290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：主管即液体分配管为。48mmx3.0mm,布液支管直径。21mmxl.0mm,采用7根支管，支管中心距为65mm,采用正方形排列，实际布点数为n=81,布液点示意如图1所示。7.3 布液计算Ls=(dg2gAH取=0.60,H=160nzndo、研W2g7,(4x8726.736/(997.048x3600)V3.14×81×0.62×9.81×0.161/2=0.0060m设计取d（）=6.0mm。7.4液体保持管高度取布液孔直径为6.Omm,则液位保持管中的液位高度为：7(4L丫-(4x8726.736/3600n=/2女=d2-11k)<997.048×3.14×0.0062×81×0.6)设计取液位高度'=l.15×160=lMmm/(2×9.81)=0.160w8绘制液体分布器施工图图1管式液体分布器布液点示意图9其他填料塔附件的选择9.1 填料支承设备由于填料为塑料阶梯环，且操作压力接近常压，气液两相符合均不大，故选用栅板型的填料支承装置，栅条间距为25mm,栅板直径最大处加一根支撑梁。9.2 填料压紧装置由于塑料填料不易破碎，且有弹性，在装填正确时不会使填料下沉，故选用床层限制板中的栅板，栅条间距取25mm,安装时用螺钉固定于塔壁。9.3 液体再分布再分布装置选用槽盘式的液体分布器，因其有集液和分液的功能，设计原则与液体分布器类似，此处便不再赘述。9.4 除沫装置塔顶选用丝网除沫器回收气体离开填料层时带有的液沫和雾滴。10塔的总高度计算气体和液体出口管高度hy=h2=20nn封头高度=2×300=600mm除沫装置高度A=100O帆"液体入口管与液体分布器高度$=50ChnW液体再分布器高度入=300w%支承板和限制板及缝隙总高度外=180塔釜(除封口以下部分)高度为=5x6°x872673636()()=0926加(以塔底液10×0.785相停留时间为5min考虑)，可以取至L2m塔高H=+Z*=120+120÷600+1000+500+300+180+1200+100OO=14020?加=14.02/7?11吸收塔接管尺寸的计算本设计中填料塔有多处接管，在此分别以液体进料管和气体进料管的管径计算为例进行说明。相关数据查参考书11.1液体进料管进料管的结构类型很多，有直管进料管、弯管进料管、T型进料管。本设计采用直管进料管，管径计算如下:取U=4Vs设计取进料管管径为Dl =u4×2.431×10-33.14x4=O.O278m所以查参考书取管径为。42x6流速校正：U=£=4x2.431*1?3=3匈加$在正常范围内.D23.14×0.03211.2气体进料管采用直管进料。取气速4=20ms设计取进料管管径D2 =叵=I 4×3000 V3600 ×3.14×200.2304"?所以查参考书取管径为姆25x254L流速校正：U=T D24x3000 3600x3.14×0.2752=14.037ms在正常范围内.12泵和风机的计算和选型12.1离心泵的选型和计算计算过程如下所选管为中42.00""77x6"Zm热轧无缝钢管4/ 校核管内流速”磊=4×2.431 × 1033.14 × 0.032=3.441 n5则雷诺数n dup O.O3×3.441×997.O48,a5Re = =；= 1.156 × 10'b 0.8904 ×103由柏拉修斯式得 2=0.31640.3164Re025(1.156 × IO5)025= 0.01716局部阻力损失：三个标准截止阀全开=3×6.4=19.2;三个标准90°弯头2=3x0.75=2.25；管路总压头损失（取支管部分管长为20m）0.01716×-+21.450.033.4412×2x9.81=19.849m液体进口管中心里排液口的高度为h=140201203001000=12600？取离心泵的进口管中心离塔底高度为400un则z=l2600+400=1300（¼三z=13tn且进出口处压力可视为相等则扬程He=z+7r=13+19.849=32.849w经查附录十二离心泵规格，型号IS50-32T60泵合适。12.2风机的计算和选型35进口混合气流量300OkmOI/h,操作压力为101.325kPa由前面气速的拟定可取2=20ms,则风压为0.5X1.205X202=24ImmH2。其中空气在20下的密度为1.205kgm3根据工况要求的风量和内压,考虑力10%的附加值即附加风量QX=3000×1.1=3300m3附加内压AP,=1.1X240=264fnnH2O风机使用的工况的空气密度p TP = Po- PoTO= 1.149w3“205XaX273.15+2。101.325273.15+35风机实测标准状态为PW=101.6kPa将使用工况状态下的风量和风压换算为实测标准状态下的风量和风压Q0=Qx=3300m3hp=尸瓜=264×=260.97nnH.00pv1.219-选择型号:查风机手册选择一般用离心通风机4-72-11N05D13设计参数一览表意义及符号结果混合气体处理量3000m7h气液相平衡常数Bl1.75进塔气相摩尔分率y10.06进塔气相摩尔比Y0.0638出塔气相摩尔比Y20.00255进塔液相摩尔比X10出塔液相摩尔比X20.0146最小液气比(LV)min1.680混合气体平均式量M30.745gmol混合气体的密度P1.219kgm3混合气体的黏度U0.067kg(m.h)吸收剂用量L484.415kmolh气相质量流量wv3657kgh液相质量流量Wl8726.736kgh塔径D800mm填料层高Z，10.0m气相总传质单元高度OG1.791m气相总传质单元数NoG4.645布液孔数n空塔气速"81个1.659ms泛点气速O2.628ms泛点率f填料比表面积为填料因子中填料层压降PZ液体保持管高度M布液点直径do塔高H气体管口直径63.13%132.5m2m3175m,392.40Pam184mm6.0mm14.02m0325x25液体管口直径042x6离心泵型号风机型号1S50-32-1604-72-11NO5D14对设计过程的评述和有关问题的讨论填料的选择是决定填料塔性能的主要因素，在决定如何选择塔填料时要考虑多方面的因素，如：填料的类型等。设计过程中计算所需塔填料层高度时，参数的选择将决定塔是否合理。塔内部件决定了塔的操作性能的好坏、传质效率的高低，因此要计算好液体分布器等。在设计离心泵时，要考虑管路的阻力损失及填料层的压降。在选择管路的尺寸时，要考虑液体和气体的流速范围，因此要求我们必须具备基础的化工设计知识。如何把设计好的工艺流程和设备形象地展示给别人，需要我们有良好的绘图能力。在绘图时，要注意各个仪表的功能及表示方法，管路的连接及各控制点的正确表示。这次设计总体来说还比较合理，各项设计结果均符合设计要求。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。这次课程设计，自己收获颇多。课程设计可谓是理论联系实际的桥梁，是我们学习化工设计基础的初步尝试。通过课程设计，使我们能综合运用本课程和前修课程的基本知识，进行融会贯通的独立思考，从而得到了化工程序设计的初步训练。通过课程设计，使我们更加深刻的了解了工程设计的基本内容，掌握化工综上所述，这次课程设计对自己来说是一个提高的过程。在做课程设计的过程中，几次频繁的去图书馆找寻资料，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。最大的不足之处为工艺流程图和主设备设计条件图没有用专门的绘图软件绘制，由于手工绘制带来的误差会造成审阅者读图的不便，并且不能很好的展示各个元件的尺寸和比例关系。另外，由于不是很熟练掌握AIItoCAD的画图操作，故液体分布器的施工设计图只绘制了大概，开孔大小和尺寸的标注没能用CAD展现出来。参考文献1谭载友，罗三来.物理化学实验.北京：中国医药科技出版社，20122杨祖荣.化工原理.北京：中国医药科技出版社，20123匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计.北京：化学工业出版社，20024贾绍义，柴诚敬.化工单元操作课程设计.天津：天津大学出版社，201115续魁昌.风机手册.北京：机械工业出版社，1999设计一览表1基础物性数据和物料衡算结果汇总:项目符号数值与计量单位吸收剂（水）的密度Pl998.2(kgm3)溶剂的粘度UL1.005×103(Pa.S)溶剂表面张力940896(kgh2)盐酸在水中扩散系数D12.8x102s)混合气体的平均摩尔质量MG29.375kgkmol混合气体的平均密度Pg1.181kgmy盐酸在空气中扩散系数Dv1.56×10-5(m25)亨利系数E220KPa;气液相平衡常数tn2.172溶解度系数HO.252kmol/(m3.KPa);盐酸进塔摩尔比Y10.05263盐酸出塔摩尔比Y20.00211惰性气体摩尔流量G136.757kmolh;吸收剂摩尔流量L812.643kmolh液相进口摩尔比X20液相出口摩尔比X10.008072填料塔工艺尺寸计算结果表:项目符号数值与计量单位气相质量流量町4015.4kgh液相质量流量W/.14643.827kgh塔径D800mm空塔气速U1.880m/s泛点率UlUF80.6%解吸因数S0.3472气相总传质单元数NoG4.3063液体质量通量UL29115.394(n2h)气体质量通量U8269.904(w2i)气膜吸收系数“GO.08338kmol(m2.h.kpa)液膜吸收系数k.1.066(mh)气相总吸收系数（校正后）kGa19.7360kmol/(mj.h.kpa)液相总吸收系数（校正后）<a82.5326(lh)气相总传质系数KGa7.0229kmol(mh.kpa)液相总传质系数Kza69.2321kmol(m,.h.kpa)气相传质单元高度HoG0.2522m填料层高度1,1.086/h（最后取整为）2m填料塔上部空间高度h.1.20m填料塔下部空间高度h21.50m塔附属高度h2.70m塔高HA4.70m布液孔数n89点孔径do0.008m开孔上方高度H0.14m3吸收塔设计一览表项目选型数值与计量单位吸收塔类型聚丙烯鲍尔环吸收填料塔混合气处理量：3400m7h液体进出口接管无缝钢管。60三X5/加液体实际流“液-WlmIs气体进出口接管无缝钢管。273wwx11氾气体实际流W气=19.66ns离心泵的选型IS65-50-125单级单吸离心泵扬程H=4.28m