水吸收丙酮常压填料吸收塔.docx

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水吸收丙酮常压填料吸收塔

概述及设计方案简介……………………………………3

一、设计任务书及操作条件……………………………7

二、设计条件及主要物性参数…………………………8

三、设计方案的确定……………………………………9

四、物料计算……………………………………………10

五、热量衡算……………………………………………12

六、气液平衡曲线………………………………………14

七、吸收剂（水）的用量Ls………………………………15

八、塔底吸收液浓度X1…………………………………16

九、操作线………………………………………………17

十、塔径计算……………………………………………18

十一、填料层高度计算…………………………………21

十二、填科层压降计算…………………………………26

十三、填料吸收塔的附属设备…………………………27

十四、填料塔的设计结果概要…………………………28

十五、课程设计总结……………………………………29

十六、主要符号说明……………………………………30

十七、参考文献…………………………………………31

概述及设计方案简介

一、介绍

在化工、炼油、医药、食品及环境保护等工业部门，塔设备是一种重要的单元操作设备。

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。

它广泛用于蒸馏、吸收、萃取、等单元操作，随着石油、化工的迅速发展，塔设备的合理造型设计将越来越受到关注和重视。

塔设备有板式塔和填料塔两种形式，下面我们就填料塔展开叙述。

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。

气体吸收过程是化工生产中常用的气体混合物的分离操作，其基本原理是利用气体混合物中各组分在特定的液体吸收剂中的溶解度不同，实现各组分分离的单元操作。

板式塔和填料塔都可用于吸收过程，此次设计用填料塔作为吸收的主设备。

在塔内充以诸如瓷环之类的填料，液体自塔顶均匀淋下并沿瓷环表面下流，气体通过填料间的空隙上升与液体做连续的逆流接触。

在这种设备中，气体中的可溶组分不断地被吸收，其浓度自下而上连续地降低；液体则相反，其中可溶组分的浓度则由上而下连续地增高。

二、填料塔的结构及填料特性

1．填料塔的结构

塔体为一圆筒，筒内堆放一定高度的填料。

操作时，液体自塔上部进入，通过液体分布器均匀喷洒于塔截面上，在填料表面呈膜状流下。

填充高度较高的填料塔可将填料分层，各层填料之间设置液体再分布器，收集上层流下的液体，并将液体重新均布于塔截面。

气体自塔下部进入，通过填料层中的空隙由塔顶排出。

离开填料层的气体可能夹带少量液沫，必要时可在塔顶安装除沫器。

2．填料特性的评价

气液两相在填料表面进行逆流接触，填料不仅提供了气液两相接触的传质表面，而且促使气液两相分散，并使液膜不断更新。

填料性能可由下列三方面予以评价：

（1）比表面积a

填料应具有尽可能多的表面积以提供液体铺展，形成较多的气液接触界面。

单位填充体积所具有的填料表面称为比表面积a，单位为m2/m3。

对同种填料，小尺寸填料具有较大的比表面积，但填料过小不但造价高而且气体流动的阻力大。

（2）空隙率ε

在填料塔内气体是在填料间的空隙内通过的.。

流体通过颗粒层的阻力与空隙率密切相关。

为减少气体的流动阻力，提高填料塔的允许气速（处理能力），填料层应有尽可能大的空隙率。

对于各向同性的填料层，空隙率等于填料塔的自由截面百分率。

（3）填料的几何形状

虽然填料形状目前尚难以定量表达,但比表面积、空隙率大致接近而形状不同的两种填料在流体力学与传质性能上可有显著区别。

形状理想的填料为气液两相提供了合适的通道，气体流动的压降低，通量大，且液流易于铺展成液膜，液膜的表面更新迅速。

因此，新型填料的开发主要是改进填料的形状。

此外,理想的填料还需兼顾便于制造、价格低廉，有一定强度和耐热、耐腐蚀性能，表面材质与液体的润湿性好等要求。

3．几种常用填料

（1）拉西环

　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

　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

　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

　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。

（6）格栅填料

　格栅填料是以条状单元体经一定规则组合而成的，具有多种结构形式。

工业上应用最早的格栅填料为木格栅填料。

目前应用较为普遍的有格里奇格栅填料、网孔格栅填料、蜂窝格栅填料等，其中以格里奇格栅填料最具代表性。

　格栅填料的比表面积较低，主要用于要求压降小、负荷大及防堵等场合。

在散装填料中应用较多。

三、设计方案简介

1.确定设计方案的原则：

（1）满足工艺和操作的要求

（2）满足经济上的要求

（3）保证安全生产

三项原则在生产中都是同样重要的。

但在化工原理课程设计中，对第一个原则应作较多的考虑，而对第三个原则只要求作一般的考虑。

2.本设计按以下几个阶段进行：

（1）设计方案的确定和说明。

根据给定任务，对吸收装置的流程、操作条件、主要设备型式及其材质的选取等进行论述。

（2）塔的工艺计算，确定塔高和塔径。

（3）计算各主要工艺尺寸，进行流体力学校核计算。

接管尺寸、泵等。

（4）管路及附属设备的计算与选型，如冷凝器、加热器等。

（5）抄写说明书。

（6）绘制吸收装置工艺流程图和吸收塔的设备图。

一、设计任务书及操作条件

一、设计题目

分离丙酮—空气混合气体常压填料吸收塔的工艺

二、设计条件

1.生产能力：

年产量8000吨（每年生产日按330天计算）

2.原料：

含丙酮5%（体积分数）的混合气体，以丙酮—空气二元体系；相对湿度70%；温度35℃

3.吸收剂：

25℃的清水

4.丙酮的回收率为90%

5.操作压力为常压

6.使用微分接触式的吸收设备

7.逆流操作

三、设计说明书的内容

1.吸收流程的确定

2.亨利常数m、传质阻力系数的确定

3.工艺计算：

包括物料衡算、最小气液比和实际气液比

4.塔工艺尺寸计算：

包括塔径、塔高

5.塔板流体力学校核：

包括压降、液泛

6.绘制吸收流程图、塔结构示意图

7.主题设备设计以及说明

8.附属设备的选择（冷却器、加热器等）

9.参考文献

10.后记以及其它

四、设计图要求

1.绘制主要装置图，设备技术要求，主要参数，大小尺寸，部件明细表，标题栏

2.绘制设备流程图一张

3.用坐标纸绘制吸收塔的操作线和平衡线

二、设计条件及主要物性参数

一、设计条件：

1.生产能力

产量：

8000吨/年（一年以330个工作日计算）

；；；

混合气处理量

=387.01×22.4×=9780.48/h

2.原料

以丙酮—空气二元体系，进料混合气体含丙酮的体积分数为5%

3.产品要求

塔顶逸出气体含丙酮体积分数为0.5%

4.操作压力：

常压

二、物性参数

1.空气的分子量：

29；丙酮的分子量：

58；水的分子量：

18

2.35℃饱和水蒸气压强为5623.4Pa

3.常压：

101.325kPa

4.在1atm时，水的凝固点（f.p.）为0℃，沸点（b.p.）为100℃。

水在0℃的凝固热为5.99kJ/mol（或80cal/g），水在100℃的汽化热为40.6kJ/mol（或540cal/g）。

三、设计方案的确定

1.吸收工艺流程

采用常规逆流操作，流程如下：

流程说明:

混合气体进入吸收塔，与水逆流接触后，得到净化气排放；吸收丙酮后的水，经取样计算其组分的量，若其值符合国家废水排放标准，则直接排入地沟，若不符合，待处理之后再排入地沟。

四、物料计算

1.进塔混合气中各组分的量

近似取塔平均操作压力为101.3kPa,故：

混合气量=387.01kmol/h

混合气中丙酮的量=387.01×0.05=19.35kmol/h

=19.35×58=1122.33kg/h

查附录，35℃饱和水蒸气压强为5623.4Pa，则相对湿度为70％的混合气中含水蒸气量＝（水气）/kmol（空气十丙酮）

混合气中水蒸气含量

＝15.03×18＝270.51kg/h

混合气中空气量＝387.01－19.35-15.03＝352.63kmol/h

＝352.63×29＝10226.27kg/h

2．混合气进出塔的（物质的量的比）组成

已知＝0.05,则

3.混合气进出塔（物质的量比）组成

若将空气与水蒸气视为惰气，则

惰气量=352.63+15.03=367.66kmol/h

=10226.27+270.51=10496.78㎏/h

kmol（丙酮）/kmol（惰气）

kmol（丙酮）/kmol（惰气）

4．出塔混合气量

出塔混合气量=367.66+19.35×0.1=369.595kmol/h

=10496.78+1122.33×0.1=10609.013kg/h

五、热量衡算

热量衡算为计算液相温度的变化以判明是否为等温吸收过程。

假设丙酮溶于水放出的热量全被水吸收，且忽略气相温度变化及塔的散热损失（塔的保温良好）。

查《化工工艺算图》第一册，常用物料物性数据，得丙酮的微分溶解热（丙酮蒸气冷凝热及对水的溶解热之和）：

=30230＋10467.5=40697.5kJ/kmol

吸收液（依水计）平均比热容＝75.366kJ/（kmol·℃），通过下式计算

对低组分气体吸收，吸收液浓度很低时，依惰性组分及比摩尔浓度计算较方便，故上式可写为：

依上式，可在x＝0.000～0.018之间，设系列x值，求出相应x浓度下吸收液的温度，计算结果列于表1第l，2列中。

由表中数据可见，浓相浓度x变化0.002时，温度升高1.08℃，依此求取平衡线。

表1各液相浓度下的吸收液温度及相平衡数据

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