化工原理課程設(shè)計(jì)--水吸收丙酮填料塔設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　概述1</b></p><p>　　水吸收丙酮填料塔設(shè)計(jì)2</p><p>　　一 設(shè)計(jì)任務(wù)和操作條件2</p><p>　　二 設(shè)計(jì)方案的確定3</p><p><b>　　三 物料計(jì)

2、算4</b></p><p><b>　　四 熱量衡量4</b></p><p>　　五 氣液平衡曲線5</p><p>　　六 吸收劑（水）的用量6</p><p><b>　　七 塔底吸收液6</b></p><p><b>　　八 操作線

3、6</b></p><p>　　十 填料層高度計(jì)算10</p><p>　　十一 填料層壓降計(jì)算14</p><p>　　十二 填料吸收塔的附屬設(shè)備14</p><p>　　十三 填料塔的設(shè)計(jì)結(jié)果概要16</p><p><b>　　概述</b></p><

4、;p>　　在化工、煉油、醫(yī)藥、食品及環(huán)境保護(hù)等工業(yè)部門，塔設(shè)備是一種重要的單元操作設(shè)備。其作用實(shí)現(xiàn)氣—液相或液—液相之間的充分接觸，從而達(dá)到相際間進(jìn)行傳質(zhì)及傳熱的過程。它廣泛用于蒸餾、吸收、萃取、等單元操作，隨著石油、化工的迅速發(fā)展，塔設(shè)備的合理造型設(shè)計(jì)將越來越受到關(guān)注和重視。塔設(shè)備有板式塔和填料塔兩種形式，下面我們就填料塔展開敘述。</p><p>　　填料塔的基本特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，壓力降小，傳質(zhì)效率高，便

5、于采用耐腐蝕材料制造等，對于熱敏性及容易發(fā)泡的物料，更顯出其優(yōu)越性。過去，填料塔多推薦用于0.6∽0.7m以下的塔徑。近年來，隨著高效新型填料和其他高性能塔內(nèi)件的開發(fā)，以及人們對填料流體力學(xué)、放大效應(yīng)及傳質(zhì)機(jī)理的深入研究，使填料塔技術(shù)得到了迅速發(fā)展。</p><p>　　氣體吸收過程是化工生產(chǎn)中常用的氣體混合物的分離操作，其基本原理是利用氣體混合物中各組分在特定的液體吸收劑中的溶解度不同，實(shí)現(xiàn)各組分分離的單元操作

6、。板式塔和填料塔都可用于吸收過程，此次設(shè)計(jì)用填料塔作為吸收的主設(shè)備。</p><p>　　水吸收丙酮填料塔設(shè)計(jì)</p><p>　　一 設(shè)計(jì)任務(wù)和操作條件</p><p>　　混合氣（空氣、丙酮蒸氣）處理量1500m³∕h;</p><p>　　進(jìn)塔混合氣含丙酮體積分?jǐn)?shù)1.82%；相對濕度70%；溫度35℃；</p>

7、<p>　　進(jìn)塔吸收劑（清水）的溫度為25℃；</p><p><b>　　丙酮回收率90%；</b></p><p><b>　　操作壓力為常壓。</b></p><p><b>　　二 設(shè)計(jì)方案的確定</b></p><p><b>　　（1）吸收工藝流

8、程</b></p><p>　　采用常規(guī)逆流操作流程．流程如下：</p><p>　　流程說明:混合氣體進(jìn)入吸收塔，與水逆流接觸后，得到凈化氣排放；吸收丙酮后的水，經(jīng)取樣計(jì)算其組分的量，若其值符合國家廢水排放標(biāo)準(zhǔn)，則直接排入地溝，若不符合，待處理之后再排入地溝。</p><p><b>　　三 物料計(jì)算</b></p>

9、<p>　?。?）進(jìn)塔混合氣中各組分的量</p><p>　　近似取塔平均操作壓力為101.3kPa,故：</p><p>　　混合氣量=1500（）×=59.36kmol∕h</p><p>　　混合氣中丙酮量=59.36×0.0182=1.08kmol∕h=1.08×58=62.64㎏∕h</p><

10、p>　　查附錄，35℃飽和水蒸氣為5623.4Pa，則相對濕度為70%的混合氣中含水蒸氣量= =0.0404kmol（水氣）∕kmol（空氣+丙酮）</p><p>　　混合氣中水蒸氣的含量= =2.31kmol∕h=2.31×18=41.58㎏∕h</p><p>　　混合氣中空氣量=59.36-1.08-2.31=55.97kmol∕h=55.97×29=16

11、23㎏∕h</p><p>　　（2）混合氣進(jìn)出塔（物質(zhì)的量）組成</p><p><b>　　已知：，則</b></p><p>　?。?）混合氣進(jìn)出塔（物質(zhì)的量比）組成</p><p>　　若將空氣與水蒸氣視為惰氣，則</p><p>　　惰氣量=55.97+2.31=58.28kmol∕h

12、=1623+41.58=1664.6㎏∕h</p><p>　　=0.0185kmol（丙酮）∕kmol（惰氣）</p><p>　　0.00185kmol（丙酮）∕kmol（惰氣）</p><p><b>　?。?）出塔混合氣量</b></p><p>　　出塔混合氣量=58.28+1.08×0.1=58.3

13、88kmol∕h=1670.8㎏∕h</p><p><b>　　四 熱量衡量</b></p><p>　　熱量衡量為計(jì)算液相溫度的變化以判斷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（塔保溫良好）。</p><p>　　查《化工工藝算圖》第一冊，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

14、及對水的溶解熱之和）：</p><p><b>　　KJ∕Kmol</b></p><p>　　吸收液平均比熱容=75.366 KJ∕（Kmol.℃）,通過下式計(jì)算</p><p><b>　　=</b></p><p>　　對低組分氣體吸收，吸收液組成很低時(shí)，依惰性組分及比摩爾濃度計(jì)算方便，故上式

15、可寫成 ：</p><p><b>　　X</b></p><p>　　即可在X=0.000～之間，設(shè)系列X值，求出相應(yīng)X組成下吸收液的溫度，計(jì)算結(jié)果列于表（1）第1，2列中。由表中數(shù)據(jù)可見，液相X變化0.001時(shí)，溫度升高0.54℃，依此求取平衡線。</p><p>　　表（1） 各液相濃度下的吸收液溫度及平衡數(shù)據(jù)</p>&

16、lt;p>　　注：1.與氣相稱平衡的液相=0.0072,故取=0.008；</p><p>　　2.平衡關(guān)系符合亨利定律，與液相平衡的氣相含量可用=mX表示；</p><p>　　3.吸收劑為清水，x=0，X=0;</p><p>　　4．近似計(jì)算中也可視為等溫吸收。</p><p><b>　　五 氣液平衡曲線</b&

17、gt;</p><p>　　當(dāng)x<0.01，t=15～45℃時(shí)，丙酮溶于水其亨利系數(shù)E可用下式計(jì)算： =9.171－[2040／（t+273）]</p><p>　　查《化學(xué)工藝算圖》第一冊.常用物料特性數(shù)據(jù)，由前設(shè)X值求出液溫，通過上式計(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4-16中的第3，4列。由=mX求取對應(yīng)m及X時(shí)的氣相平衡組成，結(jié)果列于

18、表中4-16中第5列。</p><p>　　根據(jù)X-數(shù)據(jù)，繪制X-Y平衡曲線0E，如圖1所示。</p><p>　　六 吸收劑（水）的用量</p><p>　　由圖1查出，當(dāng)=0.0185，=0.0072,依下式式計(jì)算最小吸收劑用量。</p><p>　　=134.8kmol∕h</p><p>　　=1.1～2.0

19、 取</p><p>　　故 =1.7×134.8=229.2kmol∕h=4126㎏∕h</p><p><b>　　七 塔底吸收液</b></p><p><b>　　根據(jù)式 有</b></p><p><b>　　八 操作線</b></p>

20、<p>　　依操作線方程式 </p><p>　　得 Y =X+0.00185=3.933X+0.00185</p><p><b>　　九 塔徑計(jì)算</b></p><p>　　塔底氣液負(fù)荷大，依塔底條件(混合氣35℃)，101.325kPa，查表可知，吸收液27.16℃計(jì)算。</p

21、><p>　　u =（0.6~~0.8）</p><p>　　（1）采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖法(圖2)計(jì)算泛點(diǎn)氣速</p><p><b>　?、?有關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算</b></p><p>　　塔底混合氣流量＝1623＋62.64＋41.58＝1727kg／h</p><p>　　吸收液流量＝4126＋

22、1.08×0.9×58＝4182kg／h</p><p>　　圖2 通用壓降關(guān)聯(lián)圖</p><p>　　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)</p><p>　　吸收液密度＝996.7kg/</p><p>　　吸收液黏度＝0.8543mPa·s</p&g

23、t;<p>　　經(jīng)計(jì)算，選DG50mm塑料鮑爾環(huán)。查《化工原理》教材附錄可得，其填料因子=120，比表面積A＝106.4</p><p><b>　?、陉P(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)值</b></p><p>　　()1/2=()1/2 =0.082</p><p>　　③由圖2查得縱坐標(biāo)值為0.146</p><p>　

24、　即0.2=0.2=0.0137=0.146</p><p>　　故液泛氣速==3.264m/s</p><p><b>　　(2)操作氣速</b></p><p>　　u＝0.6＝0.6×3.264 ＝1.96m/s</p><p><b>　　(3)塔徑</b></p>

25、<p>　　== 0.52 m=520mm</p><p>　　取塔徑為600mm。</p><p><b>　　(4)核算操作氣速</b></p><p>　　U==1.474m/s< </p><p><b>　　(5)核算徑比</b></p><p>　

26、　D/d＝600/50＝12，滿足鮑爾環(huán)的徑比要求。</p><p><b>　　(6)噴淋密度校核</b></p><p>　　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／(m·h),故：</p><p>　　最小噴淋密度＝0.08×106.4＝8.512 /(m2·h)

27、</p><p>　　因 ＝＝14.6/(㎡.h)</p><p>　　故滿足最小噴淋密度要求。</p><p><b>　　十 填料層高度計(jì)算</b></p><p>　　計(jì)算填料層高度，即：</p><p><b>　　Z＝</b></p><p

28、>　　(1)傳質(zhì)單元高度計(jì)算</p><p><b>　　=，其中=</b></p><p>　　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。</p><p>　?、倭谐鰝潢P(guān)聯(lián)式中的物性數(shù)據(jù)</p><p>　　氣體性質(zhì)(以塔底35℃，101.3kPa空氣計(jì))：＝1

29、.15 kg/ (前已算出)；＝0.01885× (查附錄)；＝1．09×（依翻Gilliland式估算)。</p><p>　　液體性質(zhì)(以塔底27．16℃水為準(zhǔn))：＝996.7 kg/；＝0.8543×Pa·s；＝71．6×N／m(查化工原理附錄）；=1.344× (以式計(jì)算)，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。&l

30、t;/p><p>　　氣體與液體的質(zhì)量流速：</p><p><b>　　=4.1</b></p><p><b>　　=1.7</b></p><p>　　塑料鮑爾環(huán)(亂堆)特性：＝50mm＝0.05m;A＝106.4;=40dy/cm=40×10-3 N/m;查《化學(xué)工程手冊，第12篇，氣

31、體吸收》，有關(guān)形狀系數(shù)，=1.45。</p><p><b>　?、谝朗?lt;/b></p><p>　　={-1.45（）0.75（）0.1（）- 0.05（）0.2}</p><p>　　={-1.45（0.646）（1.47）（1.09）（0.29）}</p><p>　　=（-0.432）=0.351<

32、/p><p>　　故 ==0.351×106.4=37.3</p><p><b>　?、垡朗?lt;/b></p><p>　　=0.0051()2/3()1/\3()1/3()0.4=0.0051()2/3()1/3()1/3(5.9)0.4=0.0051×25.5×0.0396×0.02033×

33、;2.03=2.13×10-4 m/s</p><p><b>　　④依式</b></p><p>　　= 5.23()0.7()1\3()()</p><p>　　= 5.23()0.7()1/3()(5.9)</p><p>　　=5.23(112.1)(1.146)(4.529×10-7)(5.

34、9)</p><p>　　=1.795×10-3kmol/(m2·s·kPa)</p><p>　　故 =2.13××37.3=7.94×10-3 (L/s)</p><p>　　=1.795×10-3×37.3=7.00×10-2kmol/(m2·s·k

35、Pa)</p><p><b>　　(2)計(jì)算</b></p><p>　?。剑?，H=。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)</p><p>　　區(qū)間I X＝0.004~0.002(為(I))</p><p>　　區(qū)間II X＝0.002~0

36、 (為(II))</p><p><b>　　由表1知</b></p><p>　?。?.30×kPa , ＝==0.241kmol/(·kPa)</p><p>　　=2.18× kPa, ===0.254kmol/(·kPa)</p><p><b>　　=＋＝5

37、36.9</b></p><p>　　=.P=0.1884</p><p><b>　　=＋=510.1</b></p><p>　　=0.00196×101.3=0.1985</p><p><b>　　(3)計(jì)算</b></p><p><b&

38、gt;　　===0.304m</b></p><p>　　== =0.289m</p><p><b>　?。?）傳質(zhì)單元數(shù)</b></p><p><b>　　據(jù)下式計(jì)算</b></p><p><b>　　NOG=</b></p><p>

39、;　?。?）填料層高度Z計(jì)算</p><p><b>　　Z=</b></p><p>　　=0.304×1.2+0.289×2.4=1.0584m</p><p>　　取25%余量，則完成本設(shè)計(jì)任務(wù)需DG塑料鮑爾環(huán)的填料層高度Z=1.25×1.0584=1.4m</p><p>　　十一

40、填料層壓降計(jì)算</p><p>　　取圖2(通用壓降關(guān)聯(lián)圖)橫坐標(biāo)值0.082(前已算出)；將操作氣速(＝1．474m/s) 代替縱坐標(biāo)中的查表，DG50mm塑料鮑爾環(huán)的壓降填料因子＝125代替縱坐標(biāo)中的．則縱標(biāo)值為：</p><p>　　×()×(0.8543)0.2=823.9Pa</p><p><b>　　查圖2(內(nèi)插)得<

41、;/b></p><p>　　P=24×9.81=235.4Pa/m 填料</p><p>　　全塔填料層壓降 =3.5×235.4=823.9Pa</p><p>　　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。</p><p>　　十二 填料吸

42、收塔的附屬設(shè)備</p><p><b>　　1、填料支承板</b></p><p>　　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。</p><p>　　2、填料壓板和床層限制板</p><p>　　在填料頂部設(shè)置壓板和床層限制板。有柵條式

43、和絲網(wǎng)式。</p><p>　　3、氣體進(jìn)出口裝置和排液裝置</p><p>　　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500mm直徑以下的小塔，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

44、板（折板），或填料式、絲網(wǎng)式除霧器。</p><p>　　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。</p><p>　　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。 </p><p>　　(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

45、出口裝置計(jì)算與選擇此處從略。</p><p>　　十三 填料塔的設(shè)計(jì)結(jié)果概要</p><p>　　十四 主要符號說明</p><p>　　E—亨利系數(shù)， —?dú)怏w的粘度，Pa/s </p><p>　　—平衡常數(shù) —水的密度和液體的密度

46、之比</p><p>　　—重力加速度， </p><p>　　—分別為氣體和液體的密度， kg/</p><p>　　—分別為氣體和液體的質(zhì)量流量，</p><p>　　—?dú)庀嗫傮w積傳質(zhì)系數(shù)， kmol/·s</p><p>　　—填料層高度，m

47、 —塔截面積，m2</p><p>　　—?dú)庀嗫倐髻|(zhì)單元高度，m —?dú)庀嗫倐髻|(zhì)單元數(shù)</p><p>　　—以分壓差表示推動力的總傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m2·s·kPa)</p><p>　　—單位體積填料的潤濕面積 , </p><p>　　—以分壓差表示推動力的氣膜傳質(zhì)系數(shù)，kmol/(m

48、2·s·kPa)</p><p>　　—溶解度系數(shù)，kmol/(m2·kPa)</p><p>　　—以摩爾濃度差表示推動力的液摩爾傳質(zhì)系數(shù)，</p><p>　　—?dú)怏w通過空塔截面的質(zhì)量流速，kg/(m2·s)</p><p>　　—?dú)怏w常數(shù)， 8.314J/mol·K </p>

49、;<p>　　—溶質(zhì)在氣相中的擴(kuò)散系數(shù)， </p><p><b>　　十五 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1 匡國柱，史啟才編著. 化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì).化學(xué)工業(yè)出版社,2002</p><p>　　2 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</p><p>　

50、　3 時(shí)鈞,汪國鼎,余國琮,陳敏恒編著.學(xué)工程手冊. 化化學(xué)工業(yè)出版社, 1996</p><p>　　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</p><p>　　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</p><p>　　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

51、, 1994</p><p>　　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</p><p>　　8 蔡紀(jì)寧，張秋翔主編. 化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ). 化學(xué)工業(yè)出版社, 2003</p><p><b>　　結(jié)束語</b></p><p>　　這次設(shè)計(jì)總體來說還比較合理，各項(xiàng)設(shè)計(jì)結(jié)果均符合設(shè)計(jì)

52、要求，詳見設(shè)計(jì)結(jié)果總匯表及填料塔配圖。由于該類型填料塔的一些物性參數(shù)均非化工手冊中未能查到的確切數(shù)據(jù)，是通過分析計(jì)算得到的，這給計(jì)算帶來了一定的誤差。</p><p>　　這次課程設(shè)計(jì)，自己收獲頗多。課程設(shè)計(jì)可謂是理論聯(lián)系實(shí)際的橋梁，是我們學(xué)習(xí)化工設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的初步嘗試。通過課程設(shè)計(jì)，使我們能綜合運(yùn)用本課程和前修課程的基本知識，進(jìn)行融會貫通的獨(dú)立思考，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成了指定的化工設(shè)計(jì)任務(wù)，從而得到了化工程序設(shè)計(jì)的初

53、步訓(xùn)練。通過課程設(shè)計(jì)，使我們更加深刻的了解了工程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容，掌握化工設(shè)計(jì)的程序和方法，培養(yǎng)了我們分析和解決工程實(shí)際問題的能力。同時(shí)，通過課程設(shè)計(jì)，還可以使我們樹立正確的設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)實(shí)事求是，嚴(yán)肅認(rèn)真，高度負(fù)責(zé)的工作作風(fēng)。</p><p>　　綜上所述，這次課程設(shè)計(jì)對自己來說是一個(gè)提高的過程。在做課程設(shè)計(jì)的過程中，幾次頻繁的去圖書館找尋資料，不僅讓自己現(xiàn)在能夠熟悉查閱文獻(xiàn)資料，還豐富了自己的課外知識。兩個(gè)星期