1、 化工原理課程設計清水吸收丙酮填料塔的設計學 院 醫藥化工學院 專 業 高分子材料與工程 班 級 高分子材料與工程13（1）班姓 名 李凱杰 學 號 13155301xx 指導教師 嚴明芳、龍春霞 年 月 日設計書任務（一） 設計題目試設計一座填料吸收塔，用于脫除空氣中的丙酮蒸汽。混合氣體處理量為_4000_m3/h。進口混合氣中含丙酮蒸汽_6_（體積百分數）；混合氣進料溫度為35。采用25清水進行吸收，要求：丙酮的回收率達到_95%_（二） 操作條件（1）操作壓力 101.6 kpa（2）操作溫度 25（3）吸收劑用量為最小用量的倍數自己確定（4）塔型與填料自選，物性查閱相關手冊。（三） 設

2、計內容（1）設計方案的確定和說明（2）吸收塔的物料衡算； （3）吸收塔的工藝尺寸計算； （4）填料層壓降的計算； （5）液體分布器簡要設計； （6）繪制液體分布器施工圖；（7）其他填料塔附件的選擇；（8）塔的總高度計算；（9）泵和風機的計算和選型；（10）吸收塔接管尺寸計算； （11）設計參數一覽表；（12）繪制生產工藝流程圖（a3號圖紙）； （13）繪制吸收塔設計條件圖（a3號圖紙）； （14）對設計過程的評述和有關問題的討論。目錄前言1第1章 填料塔主體設計方案的確定21.1 裝置流程的確定21.2 吸收劑的選擇21.3 操作溫度與壓力的確定21.4 填料的類型與選擇2第2章 基礎物性數據

3、與物料衡算22.1 基礎物性衡算32.1.1 液相物性數據32.1.2 氣相物性數據32.1.3 氣液相平衡數據42.2 物料衡算4第3章 填料塔的工藝尺寸計算53.1 塔徑的計算53.2 泛點率的校核63.3 填料規格校核73.4 液體噴淋密度校核73.5 填料塔填料高度的計算73.5.1 傳質單元數的計算73.5.2 傳質單元高度的計算83.5.3 填料層高度的計算93.6 填料塔附屬高度的計算103.7 填料層壓降的計算10第4章 填料塔附件的選擇與計算114.1 液體分布器簡要設計114.1.1 液體分布器的選型114.1.2 分布點密度計算114.1.3 布液計算124.2 液體收集

4、及分布裝置124.3 氣體分布裝置134.4 除沫裝置144.5 填料支承及壓緊裝置144.5.1 填料支承裝置144.5.2 填料限定裝置144.6 裙座144.7 人孔15第5章 填料塔的流體力學參數計算155.1 吸收塔主要接管的計算155.1.1 液體進料管的計算155.1.2 氣體進料管的計算165.2 離心泵和風機的計算與選型165.2.1 離心泵的計算與選型165.2.2 風機的計算與選取18設計參數一覽表20對設計過程的評述和有關問題的討論24參考文獻25前言吸收是利用混合氣體中各組分在液體中的溶解度的差異來分離氣態均相混合物的一種單元操作。在化工生產中主要用于原料氣的凈化，有

5、用組分的回收等。填料塔是氣液呈連續性接觸的氣液傳質設備。塔的底部有支撐板用來支撐填料，并允許氣液通過。支撐板上的填料有整砌和亂堆兩種方式。填料層的上方有液體分布裝置，從而使液體均勻噴灑于填料層上。本次化工原理課程設計的目的是根據設計要求采用填料吸收塔的方法處理含有丙酮的混合物，使其達到排放標準。在設計中,主要以清水吸收混合氣中的丙酮，在給定的操作條件下對填料吸收塔進行物料衡算。本次設計包括設計方案的選取，主要設備的工藝設計計算物料衡算、設備的結構設計和工藝尺寸的設計計算，工藝流程圖，主要設備的工藝條件圖等內容。第1章 填料塔主體設計方案的確定1.1 裝置流程的確定因為逆流操作的傳質平均推動力大

6、，傳質速率快，分離效率高，吸收劑利用率高。因此本次設計采用逆流操作，即氣相自塔底進入由塔頂排出，液相自塔頂進入由塔底排出。1.2 吸收劑的選擇由設計任務書可知，本次設計用清水做吸收劑，故采用純溶劑。1.3 操作溫度與壓力的確定由設計任務書可知，本次設計操作溫度為25，操作壓力為101.6kpa1.4 填料的類型與選擇填料的種類有很多，根據裝填方式的不同，可分為散裝填料和規整填料兩大類。規整填料是按一定的幾何圖形排列，整齊堆砌的填料，其造價較高，因此從實際出發，本次設計采用散裝填料。在散裝填料中，階梯環填料具有氣通量大、氣流阻力小、傳質效率高等特點，是目前所使用的環形填料中最為優良的一種；從填料

7、的材質考慮，塑料填料具有質輕、價廉、耐沖擊、不易破碎等優點，多用于吸收、解吸、萃取、除塵等裝置中；在散裝填料中，同類填料的尺寸越小，分離效率越高，但阻力增加，通量減少，填料費用也增加，而大尺寸的填料應用于小直徑塔中有會產生液體分布不良及嚴重的壁流，使塔的分離效率降低1。綜上分析，本次設計采用dn38-聚丙烯階梯環填料。第2章 基礎物性數據與物料衡算2.1 基礎物性衡算2.1.1 液相物性數據對低濃度吸收過程，溶液的物性數據可近似取純水的物性數據。由手冊2查得，常壓、25時水的相關物性數據如下：密度為表面張力為粘度為則101.6kpa，25時，水的粘度為查手冊3得20時丙酮在水中的擴散系數為則2

8、5時丙酮在水中的擴散系數為2.1.2 氣相物性數據混合氣體的平均摩爾質量為混合氣體的平均密度為混合氣體的粘度可近似取為空氣的粘度，查手冊3得常壓下、20時空氣的粘度為則在101.6kpa、25時空氣的粘度為在101.3kpa，20時，查手冊3丙酮在空氣中的擴散系數為則101.6kpa，25時，丙酮在空氣中的擴散系數為2.1.3 氣液相平衡數據查手冊4得，常壓下20時丙酮在水中的亨利系數為相平衡常數為溶解度系數為2.2 物料衡算進塔氣相摩爾比為出塔氣相摩爾比為進塔惰性氣相流量為該吸收過程為低濃度吸收，平衡關系為直線，最小液氣比可按下式計算，即對于純溶劑吸收過程，進塔液相組成為取操作液氣比為第3章

9、 填料塔的工藝尺寸計算3.1 塔徑的計算采用eckert通用關聯圖3計算泛點氣速氣相質量流量為液相質量流量可近似按純水的流量計算，即則eckert通用關聯圖的橫坐標為查圖5-323得查表5-111得取由圓整塔徑，取3.2 泛點率的校核（不在允許范圍內）則填料塔塔徑取（在允許范圍內）3.3 填料規格校核3.4 液體噴淋密度校核對于直徑不超過75mm的散裝填料，可取最小潤濕速率為查附錄51得經以上校核可知，填料塔直徑選用合理3.5 填料塔填料高度的計算3.5.1 傳質單元數的計算塔底吸收推動力為塔頂吸收推動力為對數平均推動力為氣相總傳質單元數為3.5.2 傳質單元高度的計算氣相總傳質單元高度采用修

10、正的恩田關聯式1計算：查表5-131得液體質量流量為填料的潤濕比表面積為氣膜吸收系數由下式計算：氣體質量通量為液膜吸收系數有下式計算：由，階梯環填料是開孔環，查表5-141得，則修正的恩田公式只使用于的情況，當時，需要按下式進行校正，即氣相總體積傳質系數為氣相總傳質單元高度為3.5.3 填料層高度的計算采用上述方法計算出填料層高度后，還應保留一定的安全系數，則設計取填料層高度為查表5-161，對于階梯環填料，。取,則計算得填料層高度為12000mm7200mm，依據表5-161階梯環填料的分段要求，可將填料層分為兩段設置，每段6m，兩段之間設置一個液體再分布器。3.6 填料塔附屬高度的計算塔的

11、附屬空間高度包括塔上部空間高度、安裝液體分布器和液體再分布器（包括液體收集器）所需要的高度、塔底部空間高度以及塔裙座高度5。本次設計塔上部空間高度，可取為1.2m，液體再分布器的空間高度約為1m，塔底液相停留時間按5min考慮，則塔釜液所占空間高度為考慮到氣相接管所占空間高度，底部空間高度可取1.0m，所以塔的附屬高度為（不含裙座高度）3.7 填料層壓降的計算散裝填料的壓降值由eckert通用關聯式計算，則橫坐標為查表5-181得，縱坐標為查圖5-323得則填料層壓降為第4章 填料塔附件的選擇與計算4.1 液體分布器簡要設計4.1.1 液體分布器的選型液體分布裝置的種類多樣，有噴頭式、盤式、管

12、式、槽式、及槽盤式等。因槽式液體分布器具有較大的操作彈性、優良的布液性能、極好的抗堵塞、結構簡單、氣相阻力小等優點，故本設計選用槽式分布器。4.1.2 分布點密度計算液體噴淋密度越小，分布點密度越大。噴淋點密度為，因該塔噴淋電密度較小，設計去噴淋點密度為100點/m2布液點數為按分布點幾何均勻與流量均勻的原則，進行布點設計。設計結果為：二級槽共設5道，在槽側面開孔，槽寬度為40mm，槽高度為200mm，兩槽中心距為170mm。分布點采用三角形排列，實際設計布點數為66點，布液點示意圖如圖4-1所示。圖4-1槽式液體分布器二級槽的布液點示意圖4.1.3 布液計算液體體積流量為取，則布液孔徑為設計

13、取4.2 液體收集及分布裝置為減小壁流現象，當填料層較高時需進行分段，本次設計填料層高度z=12m，故需分成2段，兩段之間設置液體收集及再分布裝置。多孔盤式液體再分布器是集液體收集和在分布功能于一體的液體收集和再分布裝置，其具有結構簡單、緊湊、安裝空間高度低等優點。故本次設計采用多孔盤式液體再分布器作為液體收集及分布裝置。多孔盤式液體再分布器如圖4-2所示。圖4-2多孔盤式液體再分布器4.3 氣體分布裝置為了實現氣相均勻分布，設置性能良好的氣相分布裝置是十分重要的。通常情況下，對于直徑小于2.5m的小塔多采用簡單的氣體分布裝置，本次設計填料塔塔徑d=0.9m，可采用如圖4-3所示的簡單的氣體分

14、布裝置。圖4-3小塔氣體分布裝置4.4 除沫裝置除沫裝置的作用是為了進行氣液分離，出去氣體夾帶的霧沫，保證后續設備的正常操作。除沫裝置可以安裝在塔內或塔的上部，也可以作為獨立的氣液分離設備。絲網除沫器具有除沫效率高、壓降小的特點，因此本次設計采用絲網除沫器作為除沫裝置。4.5 填料支承及壓緊裝置4.5.1 填料支承裝置填料支承裝置的作用是支承填料以及填料層內液體的重量，一般情況下填料支承裝置應具備足夠的強度和剛度、開孔率，以支持填料及其所持液體的重量，防止在支撐板發生液泛，結構上應簡單易于加工制造和安裝，有利于氣液相的均勻分布，同時不至于產生較大的阻力。氣體噴射式填料支承裝置具有氣體流通量自由

15、截面率大、阻力小、承載能力強、氣液兩相分布效果好等特點，因此本次設計采用氣體噴射式填料支承裝置。4.5.2 填料限定裝置為保證填料塔在工作狀態下填料床層能夠穩定，防止高氣相負荷或負荷突然變動時填料層發生松動，破壞填料層結構，甚至造成填料損失，在填料層頂部設置填料限定裝置。填料限定裝置分為填料壓板和床層限定板。填料壓板常用于陶瓷填料，床層限定板多用于金屬和塑料填料。本次設計選用dn38-聚丙烯階梯環塑料填料，因此采用床層限定板。4.6 裙座一般塔設備的高徑比較大，要承受地震、風、偏心以及內壓等載荷，為保證塔設備的安全可靠運行，在設備下部一圈焊接裙座。裙座結構有圓筒形和圓錐形兩種形式。對于直徑小且

16、細高的塔（即且），為了增加設備的穩定性降低地腳螺栓和基礎環支承面上的應力，可采用圓錐形裙座。本次設計中，填料塔總高度為則故本次設計填料塔不屬于直徑小且細高的塔，因此采用圓筒形裙座。4.7 人孔人孔是安裝或檢修人員進入塔內的唯一通道。人孔可設在每段填料層的上下方，同時兼作填料裝卸孔用，同時也設置在氣液緊、出口等需要經常維修清理的部位。參考國家標準的手孔和人孔手冊6，本次設計選用公稱壓力為常壓，公稱直徑450mm的平面型人孔。第5章 填料塔的流體力學參數計算5.1 吸收塔主要接管的計算5.1.1 液體進料管的計算進料管的結構類型很多，有直管進料管、彎管進料管、t型進料管。本次設計選用直管進料管。進

17、料管管內的允許流速一般不超過0.51.8m/s，故取管內液體流速為，則液體進出口內徑為查參考書5選用的無縫鋼管，其實際內徑為校正流速為5.1.2 氣體進料管的計算采用直管進料，由于常壓下塔的氣體進出口管氣速可取1020m/s，故取氣體進出口流速近似為16m/s，則氣體進出口內徑為查參考書5選用的無縫鋼管，其實際內徑為氣體的實際流速為5.2 離心泵和風機的計算與選型5.2.1 離心泵的計算與選型管內液體的流速為則雷諾數為取管壁絕對粗糙度，則相對粗糙度查圖1-363得直管阻力壓頭損失為泵入口管長0.2m液體分布器前的管長0.5m吸入管深入清水里的管長0.3m局部阻力壓頭損失為 一個標準截止閥（全開

18、）一個帶濾水器的底閥（全開）三個90彎頭，管路系統總的壓頭損失為氣體進口壓力降為氣體出口壓力降為吸收塔的總壓力降為其他塔內件的壓力降較小，在此可以忽略揚程為流量為參考離心泵規格7，根據上述所計算得出的流量和揚程，選用離心泵型號為is50-32-125，其規格為如下表5-1所示。表5-1 is50-32-125單級單吸離心泵規格流量m3/h揚程h/m效率/%必需汽蝕余量(npsh)r /m轉速（r/min）功率/kw軸功率電功率12.520602.029001.132.2注：準備兩個離心泵，一個備用。5.2.2 風機的計算與選取氣體流量為以風機進、出口外側為截面列伯努利方程，得將上述各項同乘以，

19、整理可得由于較小，氣體也較小，故項可忽略；由于以風機進、出口外側為截面，截面速度，故項可忽略；中，由于進、出口管段很短，直管阻力忽略不計，即由于本設計任務是吸收空氣中的丙酮，混合氣體直接從大氣進入通風機，管內流速亦可忽略，進一步化簡得吸收塔內氣體的操作壓力為101.6kpa，氣體進入塔內要克服塔內氣體的壓力、填料層的壓降以及氣體從塔頂排出的出口壓降，所以通過一系列的簡化，全風壓整理可得將使用條件下的風壓換算為標定條件下的風壓參考通風機選型使用手冊8，根據上述計算得出的流量和全風壓，選用的通風機為sl-5-45-11型物料輸送型通風機，批號為no5.6，風機傳動為c式傳動，其規格如下表5-2所示

20、。表5-2 sl-5-45-11型物料輸送型通風機規格批號no傳動方式轉速/（r/min）序號流量/（m3/h）全壓內效率/(%)需用功率/kw電動機型號功率5.6c240074900295756.18.2y160m2-215注：由于全壓較大，故兩臺通風機串聯工作。設計參數一覽表表1 基礎物性數據和物料衡算總表項目符號數值與計量單位丙酮在水中的擴散系數4.2810-6 m2/h丙酮在空氣中的擴散系數0.0372 m2/h丙酮在水中的亨利系數211.5 kpa丙酮在水中的溶解度系數0.25kmol/(kpam3)吸收劑的摩爾流量412.2 kmol/h混合氣體的平均摩爾質量30.74 g/mol

21、氣液相平衡常數2.08混合氣體的體積流量4000 m3/h出塔液相摩爾比0.0219進他液相摩爾比0進塔氣相摩爾比0.0638出塔氣相摩爾比0.00319回收率95%水的黏度3.227 kg/(mh)空氣的黏度0.066 kg/(mh)水的密度997.043kg/m3混合氣體的平均密度1.22 kg/m3水的表面張力932731 kg/h2表2 塔設備衡算總表項目符號數值與單位塔徑0.9 m布液孔徑6 mm填料塔的總高度15.2 m總傳質單元高度1.29 m塔釜液所占空間高度0.8 m氣相總傳質系數1.79 kmol/(m3hkpa)氣膜吸收系數0.0614 kmol/(m2hkpa)液膜吸收

22、系數0.15 m/h氣相總吸收系數4.432 kmol/(m3hkpa)液相總吸收系數8.348 h-1氣相總吸收系數（校正后）8.855 kmol/(m3hkpa)液相總吸收系數（校正后）8.977h-1最小濕潤速率0.08 m3/(mh)氣相總傳質單元數7.13布液點數62點填料層壓降4944.2 pa液體噴淋密度11.70m3/（m2h）液體質量通量液體體積流量ls11668. 79kg/(m2h)2.0710-3m3/h氣體質量通量7674.8 kg/(m2h)續表2項目符號數值與單位泛點氣速2.5 m/s實際氣速1.75 m/s泛點率70%與x1平衡氣相摩爾比0.046與x2平衡氣相

23、摩爾比0填料層的高度12 m塑料階梯環比表面積132.5 m2m-3填料的濕潤比表面積47.97 m2m-3塑料階梯環泛點填料因子平均值170 m-1塑料階梯環壓降填料因子平均值116 m-1液相質量流量7419.6 kg/h氣相質量流量4880 kg/h階梯環形狀系數1.45表3 接管、泵和風機計算總表項目符號數值與單位液體進料管內徑44 mm氣體進料管內徑301 mm揚程19.26 m直管阻力壓頭損失1.11 m局部阻力壓頭損失2.22 m續表3項目符號數值與單位風機全風壓風機全風壓（校正后）5166.8 pa5082.1 pa氣體出口壓力降74.2 pa吸收塔總的壓力降5166.6 pa液體流量7.44 m3/h氣體流量4000 m3/h雷諾數re59366.2氣體進料管內的流速15.6 m/s液體進料管內的流速1.36 m/s絕對粗糙度0.2 mm相對粗糙度0.0068摩擦系數0.032表4 填料、接管、泵和風機的選型總表項目型號填料dn38聚丙烯階梯環填料液體進料管氣體進料管離心泵is50-32-125風機sl-5-45-11型物料輸送型通風機 批號no 5.6對設計過程的評述和有關問題的討論本次課程設計深深地讓我感受到了“書到用時方恨少”這個道理，同時也讓我知道了自己的知識面還是很狹窄，不夠廣。在設計過程中，不僅