化工原理課程設(shè)計(jì) 填料吸收塔設(shè)計(jì)

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1、 填料吸收塔課程設(shè)計(jì)說明書 專 業(yè) 班 級(jí) 姓 名 班 級(jí) 序 號(hào) 指 導(dǎo) 老 師 日 期 目錄 前 言…………………………………………….…………..………2

2、水吸收丙酮填料塔設(shè)計(jì)………………………………….……………2 一 任務(wù)及操作條件………………………………….….…………….2 二 吸收工藝流程的確定……………………………………………...2 三 物料計(jì)算……………………………………………………………3 四 熱量衡算…………………………………………….…………......4 五 氣液平衡曲線…………………………………………………...…5 六 吸收劑(水)的用量Ls……………………………….……………...5 七 塔底吸收液濃度X1…………………………………………..…….6 八 操作線……………………………………………...

3、....…………….6 九 塔徑計(jì)算……………………………………………………………6 十 填料層高度計(jì)算………………………………...………………….9 十一 填科層壓降計(jì)算…………………………………………...........13 十二 填料吸收塔的附屬設(shè)備……………………….…………..…….13 十三 課程設(shè)計(jì)總結(jié)………………………………...………………….15 十四 主要符號(hào)說明……………………………………...………….....16 十五 參考文獻(xiàn)………………………………………..………………..17 十六 附圖………………………………………………………………18

4、  前 言 塔設(shè)備是煉油、化工、石油化工等生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的氣液傳質(zhì)設(shè)備。根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸部件的形式，可以分為填料塔和板式塔。板式塔屬于逐級(jí)接觸逆流操作，填料塔屬于微分接觸操作。工業(yè)上對(duì)塔設(shè)備的主要要求：（1）生產(chǎn)能力大（2）分離效率高（3）操作彈性大（4）氣體阻力小結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備取材面廣等。 塔型的合理選擇是做好塔設(shè)備設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)，選擇時(shí)應(yīng)考慮物料的性質(zhì)、操作的條件、塔設(shè)備的性能以及塔設(shè)備的制造、安裝、運(yùn)轉(zhuǎn)和維修等方面的因素。板式塔的研究起步較早，具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)較低、適應(yīng)性強(qiáng)、易于放大等特點(diǎn)。 填料塔由填料、塔內(nèi)件及筒體構(gòu)成。填料分

5、規(guī)整填料和散裝填料兩大類。塔內(nèi)件有不同形式的液體分布裝置、填料固定裝置或填料壓緊裝置、填料支承裝置、液體收集再分布裝置及氣體分布裝置等。與板式塔相比，新型的填料塔性能具有如下特點(diǎn)：生產(chǎn)能力大、分離效率高、壓力降小、操作彈性大、持液量小等優(yōu)點(diǎn)。 水吸收丙酮填料塔設(shè)計(jì) 一 任務(wù)及操作條件 ①混合氣(空氣、丙酮蒸汽)處理量： 1249。 ②進(jìn)塔混合氣含丙酮 2.34％(體積分?jǐn)?shù))；相對(duì)濕度:70％；溫度:35℃； ③進(jìn)塔吸收劑(清水)的溫度25℃； ④丙酮回收率：90％； ⑤操作壓力為常壓。 二 吸收工藝流程的確定 采用常規(guī)逆流操作流程．流程如下。 三 物料計(jì)算 (

6、l). 進(jìn)塔混合氣中各組分的量 近似取塔平均操作壓強(qiáng)為101.3kPa，故： 混合氣量＝ 1249（） ＝ 49.42kmol／h 混合氣中丙酮量＝49.420.0213 ＝1.16 kmol／h ＝ 1.1649.42＝67.28kg／h 查附錄，35℃飽和水蒸氣壓強(qiáng)為5623．4Pa，則相對(duì)濕度為70％的混合 氣中含水蒸氣量＝=0.0404 kmol（水氣）/ kmol（空氣十丙酮） 混合氣中水蒸氣含量＝＝1.92kmol／h（《化工單元操作及設(shè)備》P189 16-23） ＝1.9218＝34.56kg

7、／h 混合氣中空氣量＝49.42－1.16-1.92＝46.34kmol／h ＝46.3429＝1344kg／h (2)．混合氣進(jìn)出塔的（物質(zhì)的量）成 ＝0.0234,則 ==0.0024 （3）．混合氣進(jìn)出塔（物質(zhì)的量比）組成 若將空氣與水蒸氣視為惰氣，則 惰氣量＝46.34十1.92＝48.26kmol／h ＝1344＋34.56＝1378.56kg／h Y1==0.024kmol(丙酮)/kmol(惰氣) Y2==0.0024kmol(丙酮)/kmol(惰氣) （4）．出塔混合氣量 出塔混合氣量=48.26+1.160.1=48.376kmol/

8、h =1378.56+67.280.1=1385.3kg/h 四 熱量衡算 熱量衡算為計(jì)算液相溫度的變化以判明是否為等溫吸收過程。假設(shè)丙酮溶于水放出的熱量全被水吸收，且忽略氣相溫度變化及塔的散熱損失(塔的保溫良好)。 查《化工工藝算圖》第一冊(cè)，常用物料物性數(shù)據(jù)，得丙酮的微分溶解熱(丙酮蒸氣冷凝熱及對(duì)水的溶解熱之和)： =30230＋10467.5=40697.5 kJ／kmol 吸收液(依水計(jì))平均比熱容＝75.366 kJ／kmol℃，通過下式計(jì)算 對(duì)低組分氣體吸收，吸收液濃度很低時(shí)，依惰性組分及比摩爾濃度計(jì)算較方便，故上式可寫為：

9、 依上式，可在x＝0．000~0.009之間，設(shè)系列x值，求出相應(yīng)x濃度下吸收液的溫度，計(jì)算結(jié)果列于表1第l，2列中。由表中數(shù)據(jù)可見，濃相濃度x變化0.001時(shí)，溫度升高0.54℃，依此求取平衡線。 表1 各液相濃度下的吸收液溫度及相平衡數(shù)據(jù) X t E m Y*103 0 25 211.5 2.088 0 0.001 25.54 217.6 2.148 2.148 0.002 26.08 223.9 2.210 4.420 0.003 26.62 230.1 2.272 6.816 0.004 27.16 236.9

10、 2.338 9.352 0.005 27.7 243.7 2.406 12.025 0.006 28.24 250.6 2.474 14.844 0.007 28.78 257.7 2.544 17.808 0.008 29.32 264.96 2.616 20.928 0.009 29.86 272.27 2.909 24.192 注：（1）氣相濃度相平衡的液相濃度X1＝0.0049，故?。?.009； （2）平衡關(guān)系符合亨利定律，與液相平衡的氣相濃度可用y*＝mX表示； （3）吸收劑為清水，x＝0，X＝0； （4）近

11、似計(jì)算中也可視為等溫吸收。 五 氣液平衡曲線 當(dāng)x＜0.01，t＝15~45℃時(shí)，丙酮溶于水其亨利常數(shù)E可用下式計(jì)算： 1gE＝9.171－[2040／(t十273)] 由前設(shè)X值求出液溫℃，依上式計(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1中第3、4列。由y*＝mX求取對(duì)應(yīng)m及X時(shí)的氣相平衡濃度y*，結(jié)果列于表1第5列。 根據(jù)X—y*數(shù)據(jù)，繪制X—Y平衡曲線OE如附圖所示。 六 吸收劑(水)的用量Ls 由圖1查出，當(dāng)Y1＝0.024時(shí),X1*=0.0089,計(jì)算最小吸收劑用量 =48.26＝117.1 kmol／h（《化工單元操作及設(shè)

12、備》P204 16-43a） 取安全系數(shù)為1.8，則 Ls＝1.8117.1＝210.8kmol／h ＝210.818＝3794kg/h 七 塔底吸收液濃度X1 依物料衡算式： ()＝（） =48.26=0.0049 八 操作線 依操作線方程式 =X+0.0024 Y=4.368X+0.0024 由上式求得操作線繪于附圖中。 九 塔徑計(jì)算 塔底氣液負(fù)荷大，依塔底條件(混合氣35℃)，101.325kPa，查表1，吸收液27.16℃計(jì) 圖2 通用壓降關(guān)聯(lián)圖 算。 u =（

13、0.6~~0.8）（《化工單元操作及設(shè)備》P206 16-45） （1）.采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖法(圖2)計(jì)算泛點(diǎn)氣速 ①有關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算 塔底混合氣流量V`S＝1344＋67.28＋34.56＝1446kg／h 吸收液流量L`＝3794＋1.160.958＝3855kg／h 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) 吸收液密度＝996.7kg/ 吸收液黏度＝0.8543mPas 經(jīng)比較，選DG50mm塑料鮑爾環(huán)(米字筋)。查《化工原理》教材附錄可得，其填料因子=120，比表面積A＝106.4 ②關(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)值 ()1/2=()1/

14、2 =0.090 ③由圖2查得縱坐標(biāo)值為0.13 即0.2=0.2=0.0137=0.13 故液泛氣速==3.08m/s (2)．操作氣速 u＝0.7＝0.73.08 ＝2.16 m/s (3).塔徑 == 0.453 m=453mm 取塔徑為0.5m(＝500mm) (4)．核算操作氣速 U==1.768m/s< (5)．核算徑比 D/d＝500/50＝10，滿足鮑爾環(huán)的徑比要求。 (6)．噴淋密度校核 依Morris等推專，d＜75mm約環(huán)形及其它填料的最小潤濕速率(MWR)為0.08／(mh),由式（4-12）： 最小噴淋密度＝0.08106.4＝

15、8.512 /(m2h) 因 ＝＝19.7/(mh) 故滿足最小噴淋密度要求。 十 填料層高度計(jì)算 計(jì)算填料層高度，即 Z＝ (1)．傳質(zhì)單元高度計(jì)算 =，其中=| （《化工單元操作及設(shè)備》 P209 16-7） 本設(shè)計(jì)采用（恩田式）計(jì)算填料潤濕面積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。 ①列出備關(guān)聯(lián)式中的物性數(shù)據(jù) 氣體性質(zhì)(以塔底35℃，101.325kPa空氣計(jì))：＝1.15 kg/ (前已算出)；＝0.01885 (查附錄)；＝1．09（依翻Gilliland式估算)； 液體性質(zhì)(以塔底27．16℃水為準(zhǔn))：＝996.7 kg/；＝0

16、.8543Pas；=1.344 (以式計(jì)算)(《化學(xué)工程手冊(cè)》 10-89)，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。＝71．6N／m(查化工原理附錄)。 氣體與液體的質(zhì)量流速： LG`==5.5 VG`==2.0 塑料鮑爾環(huán)(亂堆)特性：＝50mm＝0.05m;A＝106.4;=40dy/cm=4010-3 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（鮑爾環(huán)為開孔環(huán)） ②依式 ={-1.45（）0.75（）0.1（）-0.05（）0.2} ={-1.45（0.646）（1.51）（1.49）（0.33）} =（-

17、0.695）=0.501 故==0.501106.4=53.3 ③依式 KL=0.0051()2/3()1/\3()1/3(atdp)0.4 =0.0051()2/3()1/3()1/3(5.32)0.4 =0.005124.40.03960.020331.95=1.9510-4 m/s ④依式 kG= 5.23()0.7()1\3()(atdp) = 5.23()0.7()1/3()(5.32) =5.23(125.6)(1.146)(4.52910-7)(5.32) =1.81410-3kmol/(m2SkPa) 故=1.6153.3=1.0410-2 (m/s)

18、=1.81410-353.3=9.6710-2 (2)計(jì)算 ＝，而，H=（（《化工單元操作及設(shè)備》 P189 16-21a）。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) 區(qū)間I X＝0．0049~0.002(為(I)) 區(qū)間II X＝0.002~0 (為(II)) 由表1知 ＝2．33kPa , ＝==0.238 =2.18 kPa, ===0.254 =＋＝414.34 ==2.4110-3 =.P=2.4110-3101.3=0.244 =＋=389 =2.5

19、710-3 =0.00257101.3=0.26 (3)計(jì)算 ===0.269m == =0.263m (4)．傳質(zhì)單元數(shù)計(jì)算 在上述兩個(gè)區(qū)間內(nèi)，可將平衡線視為直線，操作線系直線，故采用對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法計(jì)算。兩個(gè)區(qū)間內(nèi)對(duì)應(yīng)的X、Y、Y*濃度關(guān)系如下： I II X 0.0049~0.002 0.002~0 Y 0.024~0.0111 0.0111~0.0024 Y* 0.01176~0.00442 0.00442~0 NOG=（《化工單元操作及設(shè)備》 P209 16-54a） （《化工單元操作及設(shè)備》 P212 16-26） =0.00916

20、 =1.41m =0.00419 =2.07m 3．填料層高度z計(jì)算 Z＝Z1十Z2＝HOG（I）NOG（I）+ HOG（II）NOG（II） ＝0.2691.41十0.262.07＝0.93m 取25％富余量，則完成本設(shè)計(jì)任務(wù)需Dg50mm塑料鮑爾環(huán)的填料層高度z＝1．250.93=1.2m。 十一 填料層壓降計(jì)算 取圖2(通用壓降關(guān)聯(lián)圖)橫坐標(biāo)值0.105(前已算出)；將操作氣速(＝1．425m/s) 代替縱坐標(biāo)中的查表，DG50mm塑料鮑爾環(huán)(米字筋)的壓降填料因子＝125代替縱坐標(biāo)中的．則縱標(biāo)值為： ()(0.8543)0.2=0.031 查圖2(內(nèi)插)得

21、 P=249.81=235.4Pa/m 填料 全塔填料層壓降 =1.2235.4=282.5Pa 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。 十二 填料吸收塔的附屬設(shè)備 1、填料支承板 分為兩類：氣液逆流通過平板型支承板，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。 2、填料壓板和床層限制板 在填料頂部設(shè)置壓板和床層限制板。有柵條式和絲網(wǎng)式。 3、氣體進(jìn)出口裝置和排液裝置 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

22、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。最簡單的裝置是除沫擋板（折板），或填料式、絲網(wǎng)式除霧器。 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。 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。 (2)塔徑及液體負(fù)荷不大，可采用較簡單的柵板型支承板及壓板。其它塔附件及氣液出口裝置計(jì)算與選擇此處從略。 十三 課程設(shè)計(jì)總結(jié) 1

23、、通過本次課程設(shè)計(jì)，使我對(duì)從填料塔設(shè)計(jì)方案到填料塔設(shè)計(jì)的基本過程的設(shè)計(jì)方法、步驟、思路、有一定的了解與認(rèn)識(shí)。它相當(dāng)于實(shí)際填料塔設(shè)計(jì)工作的模擬。在課程設(shè)計(jì)過程中，基本能按照規(guī)定的程序進(jìn)行，先針對(duì)填料塔的特點(diǎn)和收集、調(diào)查有關(guān)資料，然后進(jìn)入草案階段，其間與指導(dǎo)教師進(jìn)行幾次方案的討論、修改，再討論、逐步了解設(shè)計(jì)填料塔的基本順序，最后定案。設(shè)計(jì)方案確定后，又在老師指導(dǎo)下進(jìn)行擴(kuò)初詳細(xì)設(shè)計(jì)，并計(jì)算物料守衡，傳質(zhì)系數(shù)，填料層高度，塔高等；最后進(jìn)行塔附件設(shè)計(jì)。 2、此次課程設(shè)計(jì)基本能按照設(shè)計(jì)任務(wù)書、指導(dǎo)書、技術(shù)條件的要求進(jìn)行。同學(xué)之間相互聯(lián)系，討論，整體設(shè)計(jì)基本滿足使用要求，但是在設(shè)計(jì)指導(dǎo)過程中也發(fā)現(xiàn)

24、一些問題。理論的數(shù)據(jù)計(jì)算不難，困難就在于實(shí)際選材，附件選擇等實(shí)際問題。這些方面都應(yīng)在以后的學(xué)習(xí)中得以加強(qiáng)與改進(jìn)。 以上足本次課程設(shè)計(jì)的指導(dǎo)過程中的心得與體會(huì)以及對(duì)課程設(shè)計(jì)完成情況的總結(jié)，希望在以后的學(xué)習(xí)當(dāng)中能揚(yáng)長避短，以取得更好的教學(xué)效果。 十四 主要符號(hào)說明 E—亨利系數(shù)， —?dú)怏w的粘度， —平衡常數(shù) —水的密度和液體的密度之比 —重力加速度， —分別為氣體和液體的密度， —分別為氣體和液體的質(zhì)量流量， —?dú)庀嗫傮w積傳質(zhì)系數(shù)， —填料層高

25、度， —塔截面積， —?dú)庀嗫倐髻|(zhì)單元高度， —?dú)庀嗫倐髻|(zhì)單元數(shù) —以分壓差表示推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)， —單位體積填料的潤濕面積 —以分壓差表示推動(dòng)力的氣膜傳質(zhì)系數(shù)， —溶解度系數(shù)， —以摩爾濃度差表示推動(dòng)力的液摩爾傳質(zhì)系數(shù)， —?dú)怏w通過空塔截面的質(zhì)量流速， —?dú)怏w常數(shù)， —溶質(zhì)在氣相中的擴(kuò)散系數(shù)， 十五 參考文獻(xiàn) 1 王明輝編著 《化工單元過程課程設(shè)計(jì)》 化學(xué)工業(yè)出版社 2007.8 2南京工業(yè)大學(xué) 化工原理精品課程 http://jpkc- 3 時(shí)鈞、汪國鼎、余國琮、陳敏恒編著 《學(xué)工程手冊(cè)》化化學(xué)工業(yè)出版社 1996.1 4 冷士良、陸清、宋志軒編著 《化工單元操作及設(shè)備》 化學(xué)工業(yè)出版社 2007.8 5 王紅林、陳礪、編著 《化工設(shè)計(jì)》華南理工大學(xué)出版社 2005.1 6 涂晉林、吳志泉編著 《化工工業(yè)中的吸收操作》 華南理工大學(xué)出版社 1994.12 7 潘國昌 郭慶豐 編著 化工設(shè)備設(shè)計(jì) 清華大學(xué)出版社 1996.12  18