空气-丙酮混合气填料吸收塔设计任务为用水吸收丙酮常压填料塔,即
在常压下,从含丙酮1.82%、相对湿度70%、温度35℃的混合气体中用25℃的吸收剂清水在填料吸收塔中吸收回收率为90%丙酮的单元操作。设计主要包括设计方案的确定、填料选择、工艺计算等容,其中整个工艺计算过程包括确定气液平衡关系、确定吸收剂用量及操作线方程、填料的选择、确定塔径及塔的流体力学性能计算、填料层高度计算、附属装置的选型以及管路及辅助设备的计算,在设计计算中采用物料衡算、亨利定律以及一些经验公式,该设计的成果有设计说明书和填料吸收塔的装配图及其附属装置图。
目录
摘 要 ................................................................................... I 水吸收丙酮填料塔设计 ................................................................ 1 第一章 任务及操作条件 ............................................................. 1 第二章 设计方案的确定 ............................................................. 2
2.1 设计方案的容 ................................................................ 2
2.1.1 流程方案的确定 ...................................................... 2 2.1.2 设备方案的确定 ...................................................... 2 2.2 流程布置....................................................................... 3 2.3 收剂的选择 .................................................................. 3 2.4 操作温度和压力的确定 ..................................................... 4 第三章 填料的选择 ................................................................... 4
3.1填料的种类和类型 ............................................................ 4
3.1.1 颗粒填料 .............................................................. 4 3.1.2 规整填料 .............................................................. 5 3.2 填料类型的选择 ............................................................. 5 3.3填料规格的选择 ............................................................... 5 3.4填料材质的选择 ............................................................... 6
第四章 工艺计算 ...................................................................... 7
4.1 物料计算....................................................................... 7
4.1.1 进塔混合气中各组分的量 ............................................ 7 4.1.2 混合气进出塔的摩尔组成 ........................................... 7 4.1.3 混合气进出塔摩尔比组成 ........................................... 8 4.1.4 出塔混合气量 .......................................................... 8 4.2气液平衡关系 .................................................................. 8 4.3 吸收剂(水)的用量
Ls ........................................................ 8
4.4 塔底吸收液浓度X1 ......................................................... 9 4.5 操作线 ........................................................................ 9 4.6 塔径计算 ..................................................................... 9
4.6.1采用Eckert通用关联图法计算泛点气速uF ....................... 10 4.6.2 操作气速的确定 .................................................... 11 4.6.3 塔径的计算 ......................................................... 11 4.6.4 核算操作气速 ....................................................... 11 4.6.5 核算径比 ............................................................ 11 4.6.6 喷淋密度校核 ....................................................... 11 4.6.7 单位填料程压降(
p)的校核 ................................... 11 Z4.7 填料层高度的确定 ........................................................ 12
4.7.1 传质单元高度HOG计算 ............................................ 12 4.7.2 计算KYa ............................................................ 14 4.7.3 计算HOG ............................................................ 14
4.7.4 传质单元数NOG计算 ............................................... 14 4.7.5 填料层高度z的计算 ............................................... 15 4.7.6填料塔附属高度的计算 .............................................. 15
第五章 填料吸收塔的附属设备 ................................................... 16
5.1 填料支承板 ................................................................ 16 5.2 填料压板和床层限制板 ................................................... 16 5.3 气体进出口装置和排液装置 .............................................. 17 5.4分布点密度及布液孔数的计算 ............................................. 17 5.5塔底液体保持管高度的计算 ................................................ 18 第六章 辅助设备的选型 ............................................................. 20
6.1管径的计算 .............................................................. 20
参考文献 .............................................................................. 21 附录 .................................................................................... 22 附表 .................................................................................... 23 致 ....................................................................................... 26
水吸收丙酮填料塔设计
第一章 任务及操作条件
混合气(空气、丙酮蒸汽)处理量:2200m3/h
进塔混合气含丙酮 1.82%(体积分数);相对湿度:70%;温度:35℃; 进塔吸收剂(清水)的温度25℃; 丙酮回收率:90%; 操作压强:常压操作。
第二章 设计方案的确定
2.1 设计方案的容
2.1.1 流程方案的确定
常用的吸收装置流程主要有逆流操作、并流操作、吸收及部分再循环操作、多塔串联操作、串联—并联操作,根据设计任务、工艺特点,结合各种流程的优缺点,采用常规逆流操作的流程,传质平均推动力大,传质速率快,分离效率高,吸收及利用率高。
2.1.2 设备方案的确定
本设计要求的是选用填料吸收塔,填料塔是气液呈连续性接触的气液传质设备,它的结构和安装比板式塔简单。它的底部有支撑板用来支撑填料,并允许气液通过。支撑板上的填料有整砌或乱堆两种方式。填料层的上方有液体分布装置,从而使液体均匀喷洒在填料层上。
图1.1 常规逆流操作流程图
2.2 流程布置
吸收装置的流程布置是指气体和液体进出吸收塔的流向安排。本设计采用的是逆流操作,即气相自塔底进入由塔顶排出,液相流向与之相反,自塔顶进入由塔底排出。逆流操作时平均推动力大,吸收剂利用率高,分离程度高,完成一定分离任务所需传质面积小,工业上多采用逆流操作。
2.3 收剂的选择
吸收剂性能的优劣是决定吸收操作效果的关键之一,吸收剂的选择应考虑以下几方面:
(1)溶解度: 吸收剂对溶质的溶解度要大,以提高吸收速率并减少吸收剂的用量。 (2)选择性: 吸收剂对溶质组分有良好的溶解能力,对其他组分不吸收或甚微。 (3)挥发度:操作温度下吸收剂的蒸汽压要低,以减少吸收和再生过程中的挥发
损失。
(4)粘度: 吸收剂在操作温度下粘度要低,流动性要好,以提高传质和传热速率。 (5)其他: 所选用的吸收剂尽量要无毒性、无腐蚀性、不易爆易燃、不发泡、冰点低、廉价易得及化学性质稳定
一般来说,任何一种吸收剂都难以满足以上所有要求,选用是要针对具体情况和主要因素,既考虑工艺要求又兼顾到经济合理性。
2.4 操作温度和压力的确定
(1) 温度: 低温利于吸收,但温度的底限应由吸收系统决定,本设计温度选
25℃
(2) 压力:加压利于吸收,但压力升高操作费用、能耗增加,需综合考虑,
本设计采用常压。
第三章 填料的选择
3.1填料的种类和类型
工业上填料按形状和结构可分为散装填料和规整填料两类:
3.1.1 颗粒填料
以随机的方式堆积在塔,以下是几种典型的散装填料:
拉西环填料 最早的工业填料,但因性能较差,目前工业上已经很少使用
鲍尔环填料 是在拉西环基础上的改进,利用率有了很大提高
阶梯环填料 对鲍尔环的改进,为目前所使用的环形填料最为优良的一种 弧鞍 填料 一般采用瓷质材料,易碎,工业中不常用
环矩鞍填料 集环型与鞍型优点,是工业应用最广的一种金属散装填料
3.1.2 规整填料
以一定的几何形状,整齐堆砌,工业用多为波纹填料,其优点是结构紧凑、传质效率高、处理量大,但不易处理粘度大或有悬浮物的物料,且造价高。
3.2 填料类型的选择
根据分离工艺的要求,考虑以下因素:
(1)传质效率 在满足工艺条件的前提下,选用传质效率高,即HETP(或HTU)低的填料。
(2)通量 保证较高的传质传质效率前提下,选用有较高泛点或气相动能因子的填料。
(3)填料层压降 压降越小,动力耗费越少,操作费用越小。
(4)操作性能 填料具有较大操作弹性,且具有一定的抗污堵、抗热敏能力等。
3.3填料规格的选择
(1)散装填料 常用主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等几种规格。 一般推荐: D300时,选25mm的填料;300mmD900mm时,选25—38mm的填料;
D900mm时,选用5070mm的填料,但一般大塔中常用50mm的填料。
(2)规整填料 从分离要求、通量要求、场地条件、物料性质及设备投资、操作费用等方面综合考虑,既考虑工艺要求又兼顾到经济合理性。
3.4填料材质的选择
(1)瓷 具有耐腐性及耐热性,但质脆、易碎,不宜高冲击强度下使用。
(2)金属 碳钢对低腐蚀无腐蚀物系优先考虑,不锈钢耐Cl以外物系腐蚀,特种合金钢价格高,只在特殊条件下使用
(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)材质。塑料耐腐蚀性、耐低热性好,但具有冷脆性,表面润湿性较差。 一般讲,操作温度较高但无显著腐蚀性时,选用金属填料;温度较低选用塑料填料;物系具有腐蚀性、操作温度高,宜采用瓷填料。
由于本设计操作温度较低且无腐蚀性,压强采用常压,所以选用塑料填料。
第四章 工艺计算
4.1 物料计算
4.1.1 进塔混合气中各组分的量
近似取塔平均操作压强为101.3kPa,故:
273187.05kmol/h 混合气量 n=22002733522.4混合气中丙酮量n=87.050.0182=1.58kmol/h
1.5858=91.64(kg/h) m=查化工原理附录,35℃饱和水蒸气压强为5623.4Pa,则每kmoI相对湿度为70%的混合气中含水蒸气量为: n=
5623.40.7 =0.0404kmol(水汽)/kmol(空气+丙3101.3100.75623.4酮) 混合气中水蒸气的含量=
87.050.04043.38kmol/h
10.0404m=3.3818=60.84kg/h
混合气中空气量n=87.05一1.58一3.38=82.09kmol/h
m=82.0929=2474.24(kg/h)
4.1.2 混合气进出塔的摩尔组成
y10.0182
y2 1.58(10.9)0.0017487.053.381.58(10.9) 4.1.3 混合气进出塔摩尔比组成
若将空气与水蒸气视为惰气,则 惰气量n=87.053.38=90.43kmol/h m=2380.682.09=2462.69kg/h
Y11.581.58(10.9)0.0175kmol 丙酮/kmol惰气Y20.00175 kmol丙90.4390.43酮/kmol惰气
4.1.4 出塔混合气量
出塔混合气量n90.431.58(10.9)90.59kmol/h m2462.6991.642554.33kg/h
4.2气液平衡关系
当x<0.1,t=15~45℃时,丙酮溶于水其亨利常数E可用下式计算:
1gE=9.171一[2040/(t十273)]
液相温度 t = 25℃时 E=211.54 kPa
mE211.542.088 P101.3996.7= =0.262 EMs211.5418H=
该系统的相平衡关系可以表示为y*=mX2.088X
4.3 吸收剂(水)的用量Ls
YY2L最小吸收剂用量 1 VminX1X2 X1*Y10.01750.00838 X20 m2.0880.01750.00175L1.8795 V0.008380minLmin1.879590.43169.96kmol/h
一般,根据生产经验,吸收剂的用量L=(1.1—2.0)Lmin,故取安全系数为1.5,则L=1.5Lmin= 1.5169.96254.94 kmol/h=4588.9kg/h
4.4 塔底吸收液浓度X1
依物料衡算式:
V(Y1Y2)L(X1X2)
X1VY1VY2LX290.430.017590.430.00175 0.00558
L254.944.5 操作线
依操作线方程式: YLL254.94XY2X2X0.00175 VV90.43 所以Y2.819 X0.00175
4.6 塔径计算
塔底气液负荷大,依塔底条件(混合气35℃),101.3kPa,吸收液25℃计算
DVSu
4u =(0.6~~0.8)uF
4.6.1采用Eckert通用关联图法计算泛点气速uF 4.6.1.1 有关数据计算
塔底混合气流量WL=2380.691.6482.092554.33kg/h 吸收液流量 WV=4588.9kg/h
329273进塔混合气密度G==1.148 kg/m 22.427335(混合气浓度低,可近似视为空气密度)
查化工原理附录 吸收液密度L=996.7kg/m 吸收液黏度L=0.8543mPa.s
经比较,选D=50mm塑料鲍尔环(米字筋)。查《化工原理》教材附录可知其主要性能参数有,填料因子 =120m1 ,比表面积at=106.4 m2/m3 4.6.1.2 关联图的横坐标值
12123W4671.41.148 LG0.06207
W2554.3996.7VL4.6.1.3 关联图的纵坐标值
由图查得纵坐标值为0.19
u2fG 即
gL0.22 =0.01369uf =0.19 L故液泛气速uF=3.73m/s
4.6.2 操作气速的确定
u=0.5 uf=0.63.73 =1.865m/s 4.6.3 塔径的计算
D=4VS422000.646m646mm u36003.141.865取塔径为0.7m(=700mm)
4.6.4 核算操作气速
422001.59 m/s D/d=700/50=14,满足鲍尔环的径比要求。 4.6.6 喷淋密度校核 填料的最小润湿速率(MWR)为LWmin0.08 m3/(m•h) 最小喷淋密度 Umin=0.08×106.4=8.512 m3/(m•h) 因 U L44588.94311.97m/(m•h) 22LD996.73.140.7故满足最小喷淋密度要求。 p)的校核 Z4.6.7 单位填料程压降( 在压降关联图中取横坐标值0.0615,将操作气速 (=1.55m/s) 代替纵坐标中 的 查表,D=50mm塑料鲍尔环(米字筋)的压降填料因子p =125代替纵坐标中的 .则纵标值为: 1.5921251.1480.2 0.85430.0359 9.81996.7查图3-4得 p/z309.81294.3Pa/m填料 p/z在145-490Pa/m填料围,故满足要求。 4.7 填料层高度的确定 计算填料层高度,即 Z=HOGNOGVBY1dY Y2KYaYY*4.7.1 传质单元高度HOG计算 V111,其中KYaKGaP ,本设计采用(恩田式) KYaKGakGaHkLaHOG计算填料润湿面积aw作为传质面积a,依改进的恩田式分别计算kL及kG,再合并为kLa和kGa。 列出备关联式中的物性数据 气体性质(以塔底35℃,101.325kPa空气计): G=1.148 kg/m3 (前已算出)(气体密度) G=0.01885×103Pa.s (查化工原理附录)(气体黏度) DG=1.09×105m2/s(依翻Gilliland式估算)(溶质在气相中的扩散系数) 液体性质(以塔底25℃水为准): L=996.7 kg/m3 L=0.8543×103 Pa•s 0.57.4*1012(ms)TDL=1.344×10m/s (以DL式计算)(《化学工程手册》 LVA0.69210-89),式中VA为溶质在常压沸点下的摩尔体积,ms为溶剂的分子量,为溶剂的缔合因子。液体表面力L=71.6×103N/m(查化工原理附录)。 气体与液体的质量流速: UL4L44588.93.31kg/(m2/s) 223600D36003.140.74WV42554.332UV1.84kg/(m/s) 223600D36003.140.7 塑料鲍尔环(乱堆)特性: d =50mm=0.05m(塑料鲍尔环直径) at=106.4 m2/m3 (比表面积) c40dyn/cm40103N/m (填料材质的临界表面力) =1.45(鲍尔环为开孔环)依式计算有效面积aw 0.750.10.20.05cULUL2atUL2aw依式1exp1.452 atlatlLgLLat代入上述数据得: 故 aw=故aw= aw 0.566 ataw.A=0.566106.460.22 A 231213Ug依式3-19 kL=0.0095LLL awLLDLL代入上述数据得:kL=1.24104m/s ————kL为液相传质系数,DL为溶质在液相中的扩散系数,m2/s; UaD依式3-20 kG=0.237VGtG atGDGGRT 代入上述数据得:kG=3.18106kmol/(m2.s.Kpa) ————kG为气相传质系数 0.713故kLa=kLaw0.4= 1.2410460.221.450.48.66103l/s kGa=kGaw1.1= 3.1810660.221.451.12.88104 kmol/(m2.s.Kpa) 4.7.2 计算KYa 111 KGakGaHkLa KYaKGaP,而 1113912.7 43KGa2.88100.2628.6610KGa=2.56104 KYa=KGaP=2.56104101.30.02589 4.7.3 计算HOG V90.4340.9676m = KYa36000.025893.140.72HOG 4.7.4 传质单元数NOG计算 在上述两个区间,可将平衡线视为直线,操作线系直线,故采用对数平均推动力 法计算 。 NOGdYY1Y2Y1Y1* ln***Y2YY*Y1Y1Y2Y2Y2Y2Y1YmY1Y1*Y2Y2*Y1*Y1*lnY2Y2* Y1*=2.088 X1=2.0880.00580.0117 Y2*=0 X20 YmY1Y1*Y2Y2*0.01750.01170.0017500.00338 Y= m0.01750.0117Y1*Y1*lnln0.00175Y2Y2*NOG= 0.01750.001754.66m 0.00338 4.7.5 填料层高度z的计算 ZHOGNOG0.96764.664.51m 根据设计经验,填料层的设计高度为Z1.2Z5.4m,故取实际填料层高度取为 5.4m 。 4.7.6填料塔附属高度的计算 塔上部空间高度,通过相关资料可知,可取为1.3m,塔底液相停留时间按1.5min考虑,则塔釜液所占空间高度为: VSwL6427.80.0017914(m3/s) L36003600996.7 h11.560VS1.5600.00179140.07011(m) ufD21.8650.72 考虑到气相接管所占空间高度,底部空间高度可取1.0m,所以塔的附属空间高度可以取为1.3+1.0=2.3米。 因此塔的实际高度取H=5.42.37.7 m 第五章 填料吸收塔的附属设备 5.1 填料支承板 分为两类:气液逆流通过平板型支承板,板上有筛孔或栅板式;气体喷射型,分为圆柱升气管式的气体喷射型支承板和梁式气体喷射型支承板。 5.2 填料压板和床层限制板 在填料顶部设置压板和床层限制板。有栅条式和丝网式。 5.3 气体进出口装置和排液装置 填料塔的气体进口既要防止液体倒灌,更要有利于气体的均匀分布。对500mm直径以下的小塔,可使进气管伸到塔中心位置,管端切成45度向下斜口或切成向下切口,使气流折转向上。对1.5m以下直径的塔,管的末端可制 成下弯的锥形扩大器。气体出口既要保证气流畅通,又要尽量除去夹带的液 沫。最简单的装置是除沫挡板(折板),或填料式、丝网式除雾器。 液体出口装置既要使塔底液体顺利排出,又能防止塔与塔外气体串通,常压吸收塔可采用液封装置。 注:(1)本设计任务液相负荷不大,可选水平排管式液体分布器;且填料层很高需设液体再分布器。 (2)塔径及液体负荷不大,可采用较简单的梁式支承板及压板。 (3)为防止液体随气相带出,在塔顶设一丝网除沫器。 5.4分布点密度及布液孔数的计算 按照Eckert建议值,D为750mm-1200mm 时,喷淋点密度为170点/m2,因为该塔液相负荷较大,设计取喷淋点密度为170点/ m2 。布液点数为 n1.8650.82170202.9203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:二级槽共设七道,槽侧面开孔,槽宽度为80mm,槽高度为210mm,两槽中心矩为160mm,分布点采用三角形排列。实际设计布点数为n=210点, 布液计算: 由 L4d02n2gH L: 液体流量 m3/s n: 开孔数目 : 孔流系数,取0.55~0.60 d0: 孔径,m H: 开孔上方的液位高度,m 取0.60,H160mm d04L46427.80.0179m n2gH996.736003.142100.629.810.16则设计取d0=18mm 5.5塔底液体保持管高度的计算 取布液孔的直径为18mm,则液位保持管中的液位高度可由公式: 4LLd2nk2gh得,即:h2/2g: 4dnk 式中:d:布液孔直径,m L:液体流率,m3/s n:布液孔数 k:孔流系数 h:液体高度,m g:重力加速度,m/s2 k值由小孔液体流动雷诺数决定 可取k0.60~0.62 因此,取k0.60 2 46427.84Lh2/2g/29.810.1592(m)2dnk996.736003.140.0182100.622 根据经验 ,则液位保持管高度为: h'1.15h1.150.15920.1830(m) 第六章 辅助设备的选型 6.1管径的计算 进气管与混合液出气管: 进气为常压气体 取u=15m/s d= 422000.228m 36003.1415取壁厚=8mm 查附录选外径为280mm的无缝钢管。 进水管与混合液出口管: 清水(常压)取 u=2.0 m/s VS= 40.0012790.029m 3.142L4588.90.001279m3/s 3600L3600996.7d= 取壁厚=8mm 查附录选外径为50mm的无缝钢管。 参考文献 【1】夏清,常贵主编 《化工原理》(上、下册)天津:天津大学 2005 【2】化工原理课程设计自编讲义 2007 【3】董大勤编 《化工设备机械基础》 :化学工业 2003 【4】匡玉柱、史启才主编 《化工单元过程设备课程设计》(第二版):化学工业 2008 【5】朱有庭、曲文海、于浦义主编 《化工设备设计手册》 :化学工业2004 【6】路秀林,王者相编著 《塔设备》 :化学工业 2004 附录 主要符号说明 E—亨利系数,atm G—气体的粘度,Pa/s m —平衡常数 —水的密度和液体的密度之比 g —重力加速度,m2/s G,L—分别为气体和液体的密度,kg/m3 WG,WLKYa—分别为气体和液体的质量流量,kg/s —气相总体积传质系数, kmol/m3s 4Z—填料层高度,m —塔截面积, HOGKGaWkGD2 —气相总传质单元高度,m NOG—气相总传质单元数 —以分压差表示推动力的总传质系数,—单位体积填料的润湿面积 kmol/m2skPa—以分压差表示推动力的气膜传质系数, kmol/m2skPa H—溶解度系数, kLkmol/m2kPa —以摩尔浓度差表示推动力的液摩尔传质系数,m/s —气体通过空塔截面的质量流速, GGkg/m2s 2R—气体常数,8.314kNm/kmolK DG—溶质在气相中的扩散系数,m/s 附表 表1直塔径与填料公称径的比值D/d的推荐值 填 料 种 类 拉西环 鞍环 鲍尔环 阶梯环 环矩鞍 D/d的推荐值 D/d≥20~30 D/d≥15 D/d≥10~15 D/d>8 D/d>8 表2散装填料泛点填料因子平均值 填料因子,1/m 填料类型 DN16 金属鲍尔环 金属环矩鞍 金属阶梯环 塑料鲍尔环 塑料阶梯环 瓷矩鞍 瓷拉西环 410 — — 550 — 1100 1300 DN25 — 170 — 280 260 550 832 DN38 117 150 160 184 170 200 600 DN50 160 135 140 140 127 226 410 DN76 — 120 — 92 — — — 表3 常见材质的临界表面力值 材质 表面力, mN /m 碳 56 瓷 61 玻璃 73 聚丙烯 33 聚氯乙烯 40 钢 75 石蜡 20 表4常见填料的形状系数 填料类型 Ψ值 球形 0.72 棒形 0.75 拉西环 1 弧鞍 1.19 开孔环 1.45 表5 散装填料分段高度推荐值 填料类型 拉西环 矩鞍 鲍尔环 阶梯环 环矩鞍 h/D 2.5 5~8 5~10 8~15 5~15 Hmax/m ≤4 ≤6 ≤6 ≤6 ≤6 图2 通用压降关联图 致 本次课程设计经过两周的时间得以完成。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。它相当于实际填料塔设计工作的模拟。在课程设计过程中,基本能按照规定的程序进行,先针对填料塔的特点和收集、调查有关资料,然后进入草案阶段,其间与指导教师进行几次方案的讨论、修改,再讨论、逐步了解设计填料塔的基本顺序,最后定案。设计方案确定后,又在老师指导下进行扩初详细设计,并计算物料守衡,传质系数,填料层高度,塔高等;最后进行塔附件设计。 此次课程设计基本能按照设计任务书、指导书、技术条件的要求进行。同学之间相互联系,讨论,整体设计基本满足使用要求,但是在设计指导过程中也发现一些问题。理论的数据计算不难,困难就在于实际选材,附件选择等实际问题。这些方面都应在以后的学习中得以加强与改进。 但是,课程设计的完成并不代表我自身学习的终止,在完成过程中我发现自己有很多缺点不足。如:大量的容也暴露出自己知识面窄,对实践活动的能力不强等诸多问题,我想困难和挑战才是激发自己前进的动力,自己也将会在今后的学习和生活中,劈荆斩浪,挑战自我。化工原理课程设计的完成对我来说有深刻的意义,我衷心感老师的指导以及与我共同学习的同学。 因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容