水-丙酮吸收塔設(shè)計(jì)
化工原理課程設(shè)計(jì)說明書參考
設(shè)計(jì)任務(wù)書 ............................................ 摘 要 ................................................ 第1章 緒 論 .........................................
1.1吸收技術(shù)概況 .............................................
1.2吸收設(shè)備的發(fā)展 ........................................... 1.3吸收在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 ...................................
第2章 設(shè)計(jì)方案 ......................................
2.1吸收劑的選擇 ............................................. 2.2吸收流程的選擇 ........................................... 2.3吸收塔設(shè)備及填料的選擇 ................................... 2.4吸收劑再生方法的選擇 ..................................... 2.5操作參數(shù)的選擇 ...........................................
第3章 吸收塔的工藝計(jì)算 ..............................
3.1基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù) .............................................
3.1.1液相物性數(shù)據(jù) ....................................... 3.1.2氣相物性數(shù)據(jù) ....................................... 3.1.3氣液相平衡數(shù)據(jù) ..................................... 3.2物料衡算 ................................................. 3.3 填料塔的工藝尺寸的計(jì)算 ..................................
3.3.1塔經(jīng)的計(jì)算 ......................................... 3.4填料塔填料層高度的計(jì)算 ...................................
3.4.1傳質(zhì)單元高度計(jì)算 ................................... 3.4.2傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算 ................................... 5.2.3填料層高度 ......................................... 3.5塔附屬高度的計(jì)算 ......................................... 3.6液體分布器的計(jì)算 .........................................
3.6.1液體分布器 ......................................... 3.6.2布液孔數(shù) ........................................... 3.6.3塔底液體保持管高度 ................................. 3.7其它附屬塔內(nèi)件選擇 ....................................... 3.8吸收塔的流體力學(xué)參數(shù)計(jì)算 .................................
3.8.1吸收塔的壓力降 ..................................... 3.8.2吸收塔的泛點(diǎn)率 ..................................... 3.8.3氣體動(dòng)能因子 .......................................
3.9附屬設(shè)備的計(jì)算與選擇.
吉林化工學(xué)院化工原理課程設(shè)計(jì)
工藝設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果匯總與主要符號(hào)說明 ..................... 討論 主要參考文獻(xiàn) .......................................... 附 錄 ................................................ 結(jié)束語 ................................................
摘要
氣液兩相的分離是通過它們密切的接觸進(jìn)行的，在正常操作下，氣相為連續(xù)相而液相為分散相，氣相組成呈連續(xù)變化，氣相中的成分逐漸被分離出來，屬微分接觸逆流操作過程。填料塔具有較高的分離效率，因此根據(jù)丙酮和空氣的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)分析，應(yīng)該采用填料塔來分離氣相中的丙酮。
本次設(shè)計(jì)任務(wù)是針對(duì)二元物系的吸收問題進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、計(jì)算、核算、繪圖，是較完整的吸收設(shè)計(jì)過程，并通過對(duì)填料塔及其填料的計(jì)算，可以得出填料塔和填料及附屬設(shè)備的各種設(shè)計(jì)參數(shù)。由于此分離技術(shù)較成熟分離效率也很高所以在工程應(yīng)用上特別廣。
關(guān)鍵詞：純水、丙酮、填料、填料塔、填料層高度
第1章 緒論
在化學(xué)工業(yè)中，經(jīng)常需將氣體混合物中的各個(gè)組分加以分離，其目的是： 1）回收或捕獲氣體混合物中的有用物質(zhì)，以制取產(chǎn)品；
2）除去工藝氣體中的有害成分，使氣體凈化，以便進(jìn)一步加工處理；或除去工業(yè)放空尾氣中的有害物，以免污染大氣。
實(shí)際過程往往同時(shí)兼有凈化與回收雙重目的。
氣體混合物的分離，總是根據(jù)混合物中各組分間某種物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的差異而進(jìn)行的。根據(jù)不同性質(zhì)上的差異，可以開發(fā)不同的分離方法。吸收操作僅為其中之一，它根據(jù)混合物各組分某種溶劑中溶解度的不同而達(dá)到分離的目的。 1.1吸收技術(shù)概況
在化工生產(chǎn)中所處理的原料、中間產(chǎn)物、粗產(chǎn)品等幾乎都是混合物，而且大部分是均相物系。為了進(jìn)一步加工和使用長(zhǎng)需將這些混合物分離為較純凈或者幾乎純態(tài)的物質(zhì)。對(duì)于均相物系必須要造成一個(gè)兩項(xiàng)物系，利用遠(yuǎn)物系中各組分間某物性的差異而使其中某個(gè)組分從一相轉(zhuǎn)到另一相，以達(dá)到分離的目的。
是分離混合物于是當(dāng)?shù)囊后w接觸，氣體中的一個(gè)或者幾個(gè)組分溶解于液體中，不能溶解的組分仍保留在氣相中，于是的得到了分離。這種利用各組分在溶液中溶解度的差異使氣體中不同組分分離的操作稱為吸收。 1.2吸收設(shè)備的發(fā)展
吸收塔是完成吸收操作的設(shè)備，塔設(shè)備的主要作用是為了氣液兩相提供充分接觸的表面，使相間的傳質(zhì)與傳熱過程能夠充分有效的進(jìn)行，并能使接觸之后的氣液兩相及時(shí)分離并并不夾帶。
工業(yè)中啥用的吸收塔的主要類型有板式塔、填料塔、湍球塔、噴灑塔和噴射式吸收器等。其中最常用的有填料塔與板式塔。
填料塔是使用最廣泛的一種塔形，填料塔由填料塔內(nèi)件及塔體結(jié)構(gòu)組成。填料塔中裝有如瓷環(huán)之類的填料，氣體接觸在填料中進(jìn)行。它的優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)能力大，分離效率高，阻力小，操作彈性大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易用耐磨腐蝕材料，造價(jià)低。缺點(diǎn)是塔徑大氣液兩相接觸易不均勻，效率低。
板式塔是由一個(gè)圓筒形外殼及其中裝置若干塊水平塔板構(gòu)成，板式塔中裝有篩孔塔板，氣液兩相在塔板上鼓泡進(jìn)行接觸。
1.3吸收在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用
氣體吸收在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用大致有以下幾http://m.clearvueentertainment.com種。 (1) 制備液體產(chǎn)品。如用水吸收HCL氣體制備鹽酸等。
(2) 分離、凈化或者精制氣體。如用水脫除合成氨原料其中的CO2,用丙酮脫除室友裂解氣中的乙炔等。
(3) 回收有用物質(zhì)。工藝尾氣中含有一些有價(jià)值的物質(zhì)。通過吸收可以為這些物質(zhì)找到新的用途，如用洗油脫除焦?fàn)t氣中苯、甲苯等芳香烴的操作。
(4) 出去工業(yè)尾氣中的有害組分，達(dá)到環(huán)保的目的。例如出去尾氣中的H2S,SO2等，以免大氣污染。隨著工業(yè)的發(fā)展要求工業(yè)尾氣中的有害組分的含量越來越少。
第2章 設(shè)計(jì)方案
2.1 吸收劑的選擇
吸收是氣體溶質(zhì)在吸收劑中溶解的過程。因此，吸收劑性能的優(yōu)劣往往是決定吸收效果的關(guān)鍵。選擇吸收劑應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。
(1) 溶解度 吸收劑對(duì)溶質(zhì)組分的溶解度越大，這樣隊(duì)譽(yù)一定量的混合氣體所需的吸收劑的用量可以少，同時(shí)因溶解度大，溶質(zhì)的平衡分壓低，吸收過程的推動(dòng)力大，傳質(zhì)速率高，吸收設(shè)備尺寸可以減少。
(2) 吸收劑應(yīng)對(duì)溶質(zhì)具有良好的選擇性，即對(duì)溶質(zhì)的溶解度大，而對(duì)混合氣中其他組分的溶解度小。
(3) 混合氣中溶質(zhì)的濃度不同。應(yīng)選用不同的吸收劑，當(dāng)溶質(zhì)濃度較高時(shí)可選用物理吸收劑，溶解其中的'大部分溶質(zhì)；當(dāng)溶解度較低時(shí)可選不用一種與溶質(zhì)發(fā)生快速反應(yīng)的化學(xué)吸收劑；當(dāng)溶質(zhì)濃度更低時(shí)，應(yīng)選用一種能與溶質(zhì)發(fā)生不可逆反應(yīng)的化學(xué)吸收劑，但是其價(jià)格較貴，還可以產(chǎn)生固體物質(zhì)。
(4) 吸收劑的揮發(fā)度要小，以減少吸收過程中的損耗。
(5) 若吸收液不是產(chǎn)品則其中的吸收劑影視易解吸而再生循環(huán)使用。 (6) 吸收劑的黏度要小，有利于氣液兩相接觸良好，提高傳質(zhì)速率。
(7) 吸收應(yīng)具有化學(xué)穩(wěn)定性，不易燃，無腐蝕性，無毒，儀的，價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)。 2.2 吸收流程的選擇
1.氣體吸收過程通常按以下方法分類。
(1) 單組分吸收與多組分吸收: 吸收過程按被吸收組分?jǐn)?shù)目的不同，可分為單組分吸收和多組分吸收。若混合氣體中只有一個(gè)組分進(jìn)入液相，其余組分不溶（或微溶）于吸收劑，這種吸收過程稱為單組分吸收。反之，若在吸收過程中，混合氣中進(jìn)入液相的氣體溶質(zhì)不止一個(gè)，這樣的吸收稱為多組分吸收。
(2) 物理吸收與化學(xué)吸收: 在吸收過程中，如果溶質(zhì)與溶劑之間不發(fā)生顯著的化學(xué)反應(yīng)，可以把吸收過程看成是氣體溶質(zhì)單純地溶解于液相溶劑的物理過程，則稱為物理吸收。相反，如果在吸收過程中氣體溶質(zhì)與溶劑(或其中的活潑組分)發(fā)生顯著的化學(xué)反應(yīng)，則稱為化學(xué)吸收。
(3) 低濃度吸收與高濃度吸收: 在吸收過程中，若溶質(zhì)在氣液兩相中的摩爾分率均較低（通常不超過0.1），這種吸收稱為低濃度吸收；反之，則稱為高濃度吸收。對(duì)于低濃度吸收過程，由于氣相中溶質(zhì)濃度較低，傳遞到液相中的溶質(zhì)量相對(duì)于氣、液相流率也較小，因此流經(jīng)吸收塔的氣、液相流率均可視為常數(shù)。
(4) 等溫吸收與非等溫吸收: 氣體溶質(zhì)溶解于液體時(shí)，常由于溶解熱或化學(xué)反應(yīng)熱，而產(chǎn)生熱效應(yīng)，熱效應(yīng)使液相的溫度逐漸升高，這種吸收稱為非等溫吸收。若吸收過程的熱效應(yīng)很小，或雖然熱效應(yīng)較大，但吸收設(shè)備的散熱效果很好，能及時(shí)移出吸收過程所產(chǎn)生的熱量，此時(shí)液相的溫度變化并不顯著，這種吸收稱為等溫吸收。
2.吸收裝置的流程主要有以下幾種。
（1）逆流操作 氣相自塔底進(jìn)入塔頂排出，液相自塔頂進(jìn)入塔底排出，此即逆流操作。逆流操作的特點(diǎn)是，傳質(zhì)平均推動(dòng)力大，傳質(zhì)速率快，分離效率高，吸收劑利用率高。工業(yè)生產(chǎn)中多采用逆流操作。
（2）并流操作 氣液兩相均從塔頂流向塔底，此即并流操作。并流操作的特點(diǎn)是，系統(tǒng)不受液流限制，可提高操作氣速，以提高生產(chǎn)能力。并流操作通常用于以下情況：當(dāng)吸收過程的平衡曲線較平坦時(shí)，流向?qū)ν苿?dòng)力影響不大；易溶氣體的吸收或處理的氣體不需要吸收很完全；吸收劑用量特別大，逆流操作易引起液泛。
（3）吸收劑部分再循環(huán)操作 在逆流操作系統(tǒng)中，用泵將吸收塔排出液體的一部分冷卻后與補(bǔ)充的新鮮吸收劑一同送回塔內(nèi)，即為部分再循環(huán)操作。通常用于以下情況：當(dāng)吸收劑用量較小，為提高塔的液體噴淋密度；對(duì)于非等溫吸收過程，為控制塔內(nèi)的溫升，需取出一部分熱量。該流程特別適宜于相平蘅常數(shù)m植很小的情況，通過吸收液的部分再循環(huán)，提高吸收劑的使用效率。應(yīng)予指出，吸收劑部分再循環(huán)操作較逆流操作的平均推動(dòng)力要低，且需要設(shè)置循環(huán)泵，操作費(fèi)用增加。 （4）多塔串聯(lián)操作 若設(shè)計(jì)的填料層高度過大，或由于所處理物料等原因需要經(jīng)常清理調(diào)料，為便于維修，可把填料層分裝在幾個(gè)串聯(lián)的塔內(nèi)，每個(gè)吸收塔通過的吸收劑和氣體量都相等，即為多塔串聯(lián)操作。此種操作因塔內(nèi)需要留較大空間，輸液、噴淋、支承板等輔助裝置增加，使設(shè)備投資加大。
（5）串聯(lián)—并聯(lián)混合操作 若吸收過程處理的液量很大，如果用通常的流程，則液體在塔內(nèi)的噴淋密度過大，操作氣速勢(shì)必很�。ǚ駝t易引起塔的液泛），塔的生產(chǎn)能力很低。實(shí)際生產(chǎn)中可采用氣相作串聯(lián)、液相作并聯(lián)的混合流程。
本實(shí)驗(yàn)任務(wù)用水吸收丙酮，為了提高傳質(zhì)效率和吸收劑的利用率，所以選用逆流吸收流程，以為用水左吸收劑且丙酮不作為產(chǎn)品所以采用純?nèi)軇┪铡?2.3吸收塔設(shè)備及填料的選擇
1．吸收塔設(shè)備的選擇
對(duì)于吸收過程，塔設(shè)備有多種，如何選擇合適的類型是進(jìn)行工業(yè)設(shè)計(jì)的首要工作。而進(jìn)行這一項(xiàng)工作則主要對(duì)吸收過程進(jìn)行充分的研究后，并經(jīng)過多方案對(duì)比方能得到較滿意的結(jié)果。一般而言，吸收用塔設(shè)備與精餾過程所需要的塔設(shè)備具有相同的原則要求，即用較小直徑的塔設(shè)備完成規(guī)定的處理量，塔板或填料層阻力要小，具有良好的傳質(zhì)性能，具有合適的操作彈性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，易于制造、安裝、操作和維修等。
但作為吸收過程，一般具有操作液氣比大的特點(diǎn)，因而更適用于填料塔。此外，填料塔阻力小，效率高，有利于過程節(jié)能，所以對(duì)于吸收過程來說，以采用填料塔居多。但在液體流率
很低難以充分潤(rùn)濕填料，或塔徑過大，使用填料不很經(jīng)濟(jì)的情況下，以采用板式塔為宜。 在本實(shí)驗(yàn)任務(wù)中考慮生產(chǎn)能力，壓力降，操作彈性、結(jié)構(gòu)、造價(jià)等綜合因素，填料塔優(yōu)于板式塔，故在吸收過程中選用吸收塔。
2．填料的選擇
塔填料是填料塔中氣液接觸的基本構(gòu)件，其性能的優(yōu)劣是決定填料塔操作性能的主要因素，因此，塔填料的選擇是填料塔設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。 根據(jù)該物系物性可選用塑料階梯環(huán)的散裝填料。
階梯環(huán)是對(duì)鮑爾環(huán)的改進(jìn)。與鮑爾環(huán)相比，階梯環(huán)高度減少了一半，并在一端增加了一個(gè)錐形翻邊。錐形翻邊不僅增加了填料的機(jī)械強(qiáng)度，而且使填料表面由線接觸為主變成以點(diǎn)接觸為主，這樣不但增加了填料間的空隙，同時(shí)成為液體沿填料表面流動(dòng)的匯集分散點(diǎn)，可以促進(jìn)液膜的表面更新，有利于傳質(zhì)效率的提高。階梯環(huán)的綜合性能優(yōu)于鮑爾環(huán)，成為目前所使用的環(huán)形填料中最為優(yōu)良的一種。
由于該過程處理量不大，所以所用的塔直徑不會(huì)太大，以采用填料塔較為適宜，所以采用DN38聚丙烯階梯環(huán)填料。其主要性能參數(shù)為： 比表面積 ?=132.5m2 孔隙率 ?=0.91 形狀修正系數(shù) ?=1.45 填料因子 ?=175.8m?1 A=0.204
2.4 吸收參數(shù)的選擇
吸收過程的操作參數(shù)主要包括吸收（或再生）壓力、吸收（或再生）溫度以及吸收因子（或解吸因子）。這些條件的選擇應(yīng)充分考慮前后工序的工藝參數(shù)，從整個(gè)過程的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，利用過程的模擬計(jì)算，經(jīng)過多方案對(duì)比優(yōu)化得出過程參數(shù)。
（1） 操作壓力選擇
本任務(wù)中已經(jīng)給出是常壓操作，所以不需要再對(duì)其進(jìn)行考慮。 （2） 操作溫度選擇 本任務(wù)中已經(jīng)給出操作溫度是25℃
（3） 吸收因子和解吸因子選擇
第3章 吸收塔的工藝計(jì)算
3.1 基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù) 3.1.1 液相物性數(shù)據(jù)
對(duì)低濃度吸收過程，溶液的物性數(shù)據(jù)可近似取純水的物性數(shù)據(jù)。 由手冊(cè)查得：25℃水的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：
密度為：?L=996.95 kg/m3
粘度為：?L=0.8937mPa·s =3.217 kg/（m·h） 表面張力：?L=71.94 dyn/cm =932342.4 kg/h2
丙酮在水中的擴(kuò)散系數(shù)：DL?1.28?10?5m2/s?4.608?10?6m2/h 3.1.2 氣相物性數(shù)據(jù)
混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為：
MVM=?yiMi=0.04*58.02+0.96*29=30.15（g/mol）=30.16（kg/kmol） 混合氣體的平均密度為： ?VM=
PMVM
RT
=
101.3?30.15
=1.232（kg/m3）
8.314?298.15
混合氣體的粘度可近似取為空氣的粘度查手冊(cè)得：
） ?V=1.81*10?5 Pa·s=0.065（kg/（m·h）
丙酮在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為：DV?0.0652cm2/s?0.0235m2/h 3.1.3 氣液相平衡數(shù)據(jù)
25℃下該系統(tǒng)的平衡關(guān)系為：y=1.75x
即相平衡常數(shù)為：m=1.75
亨利系數(shù)為：
E=mP=1.75*101.3=177.275（kPa） 溶解度系數(shù)為：
H=
?L
EMS
=
996.95
=0.312（kmol/（kPa?m3））
177.32?18.02
3.2 物料衡算
丙酮的摩爾分率為0.04
進(jìn)塔氣相摩爾比為： Y1=
y10.04
==0.04167 1?y11?0.04
出塔氣相摩爾比為：
Y2=Y1（1-?A）=0.04167?（1-0.98）=0.000833 進(jìn)塔惰性氣相流量為： V?
1230273
??(1?0.04)?48.29（kmol/h） 22.4273?25
該吸收過程屬低濃度吸收，平衡關(guān)系為直線，最小液氣比可按下式計(jì)算，即： （
Y?Y2L
）min=1 VY1/m?X2
對(duì)于純?nèi)軇┪者^程，進(jìn)塔液相組成為：
X2=0 （
L0.04167?0.000833
）min==1.715 V0.04167/1.75?0LL
）=1.5（）min=1.5?1.715=2.572 VV
取操作液氣比為： （
L=2.572?48.29=124.202（kmol/h） V（Y1-Y2）=L（X1-X2） X1=
48.29?(0.04167?0.000833)
?0.01588
124.202
3.3 填料塔的工藝尺寸的計(jì)算 3.3.1 塔徑的計(jì)算
氣相質(zhì)量流量為：WV=1230?1.232=1515.36（kg/h）
液相質(zhì)量流量為可近似按純水的流量計(jì)算，即： WL?L??水?124.202?18.02?2238.120（kg/h） 根據(jù)貝恩-霍根關(guān)聯(lián)式計(jì)算填料的泛點(diǎn)[4]
2
?t??wuF0.2
Lg[（3）（V）?L]=A-K（L）1/4（V）1/8
?LwV?L?g
式中：?F：泛點(diǎn)氣速 m/s g：重力加速度 9.81m/s2 ?t：填料總比表面積 m2/m3 ?V，?L：氣相，液相密度 kg/m3 ?L：液體粘度 mPa·s
wL，wV：液相，氣相的質(zhì)量流量 kg/h
A，K：關(guān)聯(lián)常數(shù)
由此式計(jì)算泛點(diǎn)氣速誤差在15%以內(nèi)[4] 本任務(wù)中：g=9.81（m/ s2）
查手冊(cè)得：?t=132.5（m2/m3） ?=91%
A=0.204[4] K=1.75[4]
?V=1.232（kg/m3） ?L=996.95（g/m3）
?L=0.8937（mPa?s） wL=2238.120（kg/h） wV=1515.36（kg/h）
uF=
g??3??L?10A?K(wL/wV)
1/4
(?V/?L)1/8
?t??V??L
0.2
=
=3.2488（m/s）
液泛點(diǎn)是填料塔的操作上限，設(shè)計(jì)點(diǎn)的氣速通常取泛點(diǎn)氣速的50%-80% u=0.7?uF?0.7?3.2488?2.274（m/s）
由D=
4
VS?0.4374（m）
?u
塔徑一般為0.3-1.4m，圓整塔徑取D=0.5m 泛點(diǎn)率校核： u=
1230/36001230/3600??1.7410（m/s）
?/4?D23.14/4?0.52
u1.7410
?100%?53.58%（在允許范圍內(nèi)） =
uF3.2488
填料規(guī)格校核：
D500
?13.16>8 (滿足階梯環(huán)的徑比要求) =
d38
D
查手冊(cè)得：階梯環(huán)的徑比要求：>8
d
液體噴淋密度校核：
對(duì)于直徑不超過75mm的散裝填料，可取最小濕潤(rùn)速率?LW?min=0.08（m3/m·h） ?t=132.5（m2/m3）
Umin=?LW?min?t=0.08?132.5=10.6（m3/m·h）
U=
?L/?L2238.120/996.95
??11.439>10.6
?/4?d20.785?0.52
經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用D=500mm合理 3.3.2 填料塔填料層高度的計(jì)算
*
Y1=mX1=1.75*0.01588=0.0278 Y2=mX2=0 脫吸因數(shù)為： S=
mV1.75?48.29
?0.6804 =
L124.202
*
氣相總傳質(zhì)單元數(shù)為：
??Y1?Y2*1
NOG=ln?(1?S)?S?
1?S?Y2?Y2*?
=
10.04167?0??
ln?(1?0.6804)?0.6804?
1?0.6804?0.000833?
=8.8032
氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計(jì)算：
???c?
w=1?exp??1.45????t?L?
?
???
0.75
?UL?????tL????
0.1
?UL2?t?
??2g?L????
?0.05
?UL2?
?????LLt????
0.2
??? ??
查手冊(cè)得：?c=40（dyn/cm）=518400（kg/h2）[4] 液體質(zhì)量通量為： UL=
2238.120
?11404.433（kg/（m2·h）） 2
0.785?0.5
?0.050.750.1???11404.4332?132.5??518400??11404.433?
??1.45???????8?932342.4132.5?3.217996.95?1.27?10?????????
w=1?exp?? 0.22?t
????11404.433
???996.95?932342.4?132.5??
????
=0.4019
氣膜吸收系數(shù)由下式計(jì)算：
?U??????D
kG=0.237?V??v??tV
??t?v???VDV??RT
0.7
1/3
?? ?
氣體質(zhì)量通量為： UV=
1230?1.2322
=7721.58（kg/（m·h）） 2
0.785?0.5
0.7
1/3
0.065?7721.58????132.5?0.0235?
kG=0.237??????
?132.5?0.065??1.232?0.0235??8.314?296.95? =0.0455（kmol/（m2·h·kPa）） 液膜吸收系數(shù)由下式計(jì)算：
?UL
? kL=0.0095????wL
????
2/3
??L???D?LL????
?1/2
??Lg???????L?
2/3
1/3
?1/2
=
11404.433??
0.0095??
?0.4019?132.5?3.217??3.217?1.27?10???
996.95??
8
1/3
3.217??
??6??996.95?4.608?10?
=0.4380（m/h） 由kG?=kG?w?1.1 查手冊(cè)得：?=1.45
則：kG?=kG?w?1.1=0.0455?0.4019?132.5?1.451.1
=3.643（kmol/（m2·h·kPa））
kL?=kL?w?0.4=0.4722?0.4019?132.5?1.450.4=27.061（1/h）
u
=53.58%>50% uF
21.4
?1?9.5(0.5358?0.5)?3.643 由：k'G?=?=4.012（kmol/（m·h·kPa）） ??
2.2?1?2.6(0.5358?0.5) k'L?=????27.061=27.12（1/h）
則：KG?=
11
?
k'G?Hk'L?1
=
1
?
4.0120.312?27.12
=2.722（kmol/（m2·h·kPa））
由：HOG=
VKY??
=
48.29
=0.9823（m） 2
KG?P?2.722?101.3?0.785?0.5
V
=
由Z=HOGNOG=0.9823?8.8032=7.856（m） 填料層的設(shè)計(jì)高度一般為：Z'=（1.2-1.5）Z Z'=1.2Z=1.2?7.856=9.427?10（m）
設(shè)計(jì)填料層高度為：10m 查表對(duì)階梯環(huán)填料
h
?8?15,hmax?6m D
h
?8則 h?8?500?4000mm D
計(jì)算得填料層高度為10000mm
故應(yīng)將填料層分成三段，每段高為3.3m
3.4 塔附屬高度的計(jì)算
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(shí)間按4min考慮，則塔釜液所占空間高度為： VS?
wL2238.120
??6.2360?10?4(m3/s)
?L?36003600?996.95
4?60?VS4?60?6.236?10?4
??0.7753(m) h1?22
0.785?0.50.785?0.5
考慮到氣相接管所占空間高度，底部空間高度可取1m，所以塔的附屬空間高度可以取為1.2+1=3.2 （m）
3.5 液體初始分布器和再分布器的選擇與計(jì)算 3.5.1 液體分布器
（1）布液孔數(shù)
根據(jù)該物系性質(zhì)可選用管式液體分布器。
管式分布器由不同結(jié)構(gòu)形式的開孔管制成。其突出特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，供氣體流過的
自由截面大，阻力小。
表3-1 Eckert的散裝填料塔分布點(diǎn)密度推薦值
塔 徑，mm D=400 D=750 D?1200
2
分布點(diǎn)密度，點(diǎn)/m2塔截面
330 170 42
根據(jù)上表，取布液孔數(shù)為270個(gè)/ m，則總布液孔數(shù)為： n?0.785?0.52?270?52.98?60（個(gè)） 3.5.2 液體再分布器
液體在分布器可采用百合窗式液體收集器，與管式液體分布器組合使用。其所用 管式液體分布器與液體初始分布器具有相同的結(jié)構(gòu)。
3.5.3 塔底液體保持管高度
液體保持管高度即為塔釜液所占空間高度
m3 故 h?0.775
對(duì)于重力式排管液體分布器，液位保持管的高度由液體最大流率下的最高液位決
定，一般取最高液位的1.12~1.15倍：
則液位保持管高度為：
h'?1.12h?1.12?0.7753?0.8683(m)?868.3(mm) 3.6 其他附屬塔內(nèi)件選擇的選擇
本裝置由于直徑較小，可采用簡(jiǎn)單的進(jìn)氣分布裝置，同時(shí)，對(duì)排放的凈化氣體中的液相夾帶要求不嚴(yán)，故可不設(shè)除液沫裝置。 3.7 吸收塔的流體力學(xué)參數(shù)計(jì)算 3.7.1 吸收塔的壓力降 填料塔的壓力降為： ?Pf??p1??p2??p3???p
（1） 氣體出口壓力降：取氣體出口接管的內(nèi)徑為360mm，則氣體的進(jìn)出流速為：
1230/3600
?3.358(m/s)
0.785?0.362
1
則進(jìn)口壓力降為：?p1??u2?0.5?1.232?3.3582?6.946(Pa)
2
u?
出口壓力降為：?p2?0.5??p1?0.5?6.946?3.473(Pa) （2） 填料層壓力降
采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算填料層壓降
wL??V
? 橫坐標(biāo)為：
wV???L?2238.120?1.232?
?=??=0.05192 ?1515.36996.95???
05
0.5
查手冊(cè)得：?P=116m?1
2
u2?P??V1.2320.21.741?116?1.45
??0.89370.2=0.0628 縱坐標(biāo)為：?L=
9.81996.95g?L
查圖得：?P/Z=48?9.81（Pa/m）
填料層壓降為：?P=48?9.81?10=4708.8（Pa）
（3） 其他塔內(nèi)件的壓力降
其他塔內(nèi)件的壓力降?p較小，在此可以忽略。
因此，吸收塔的總壓力降為：
?Pf??p1??p2??p3???p?6.946?3.473?4708.8?0?4719.219(Pa) 3.7.2 吸收塔的泛點(diǎn)率
u1.7005
??0.5358 uF3.154
f?
該塔的泛點(diǎn)率合適。 3.7.3 氣體動(dòng)能因子
吸收塔內(nèi)氣體動(dòng)能因子可用下面公式計(jì)算：
F?30.5
式中：F：氣體動(dòng)能因子，m/s(kg/m)
u：氣體流速，m/s ?G：氣體密度，kg/m3
因此：F??1.741?1.9324(m/s(kg/m3)0.5) 氣體動(dòng)能因子在常用的范圍內(nèi)。
從以上的各項(xiàng)指標(biāo)分析，該吸收塔的設(shè)計(jì)合理，可以滿足吸收操作的工藝要求。
3.8 附屬設(shè)備的計(jì)算與選擇 3.8.1 離心泵的選擇與計(jì)算 （1）吸收劑輸送管路直徑計(jì)算
m/s選擇原料流速 u?0.9
02
管線直徑
d???2.97?1?1?0m?=29.71mm
根據(jù)管材規(guī)范，該直徑d應(yīng)選擇?36.00?2.50的無縫鋼管，其內(nèi)徑為31.00mm，其實(shí)際流速為：
4Vs4?6.236?10?4
??0.8266?m/s? u?22
??d3.14?0.031
（2）原料泵的選擇 流量所需要的揚(yáng)程
?p?u2
H??Z????hf1??hf2
?g2g 式中 ?Z----兩截面處位頭差；
?p
----兩截面處?kù)o壓頭之差； ?g
?u2
----兩截面處動(dòng)壓頭之差；
?g
?h?h
f1
--直管阻力；
--管件、閥門局部阻力；
f2
根據(jù)前面設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)上述公式各項(xiàng)進(jìn)行估算： ?Z?10m ?p??Pf
?4719.2?1P9?a
管路總阻力和所需壓頭計(jì)算根據(jù)管路的平立面布置，按范寧方程計(jì)算阻力損失： Re?
du?
?L
?
0.03?10.8?226996.95
?28585.?03（湍流）4000
0.893?7?310
0.50.32? ??0.005Re
2
f1
0.5
0.0?32
28585.00.3
2
0 .01875
lu(10?3.2)?0.8266
?h???0.01875?
d2g0.031?2?9.81 選用兩個(gè)90。彎頭，兩個(gè)截止閥全開
?0.2780(m)
u20.82662
?hf2????(0.75?2?6.4?2)??0.4980(m)
2g2?9.81?p?u2
H??Z????hf1??hf2
?g2g
4719.219
?13.2??0?0.2780?0.4980?14.159(m)
996.95?9.81 因?yàn)樵撐找郧逅疄槲談�，則采用清水泵。
由于流量qv?
2238.120
?2.245 （m3/h）
996.95
所以查資料應(yīng)選用單吸泵 選用離心泵型號(hào)為：IS50-32-250
性能參數(shù)
流 量 M/h
3
揚(yáng) 程 m
轉(zhuǎn) 速 r/min
功率 kW 軸
電機(jī)
效 率 氣蝕余量
m
6.3 20 1450 1.07 1.05 32% 2.0
3.8.2 吸收塔的主要接管尺寸的計(jì)算 （1）氣體管口直徑：
因?yàn)闅怏w進(jìn)入填料塔的流速一般在15—20m/s之間，以防止突然擴(kuò)大造成壓頭損失，
并有利于氣流均勻分布，所以取氣體流速為u=15m/s
d氣?
600
?0.170m3(?) 3(17m0.m)
則取管徑為：?200?10mm 承插入鑄鐵管 實(shí)際流速 u?
4v1230/3600
??13.43(m/s) 2
?d汽0.785?1.82
（2）氣體進(jìn)口裝置
對(duì)于直徑在500mm以下的小填料塔，可使進(jìn)氣管伸到塔的中心線位置，管端切成450
向下的斜口或直接向下的長(zhǎng)方形切口。 （3）氣體出口裝置
氣體的出口裝置，要求既能保證氣體暢通，又要盡量除去被夾帶的液沫，可在氣體出口前加裝除液沫擋板。當(dāng)氣體夾帶較多的霧滴時(shí)，需另裝除沫器。 （4）液體接口管徑
因?yàn)橐后w進(jìn)入填料塔的流速一般在0.8—1.5m/s之間，所以取液體流速為u=1.1m/s 該水流量為：
d液??
2238.120
?6.236?10?4 m3/h
996.95?3600
?0.026?9
2?6.mm9?
液體的管路直徑為：?34?2.5mm 無縫鋼管 （5）液體進(jìn)口裝置
液體的進(jìn)口管直接接通噴淋裝置 接管尺寸如下[mm]：
內(nèi)管 d2?S2
外管 d1?S1
H1
120
38?3.5 57?3.5
（6）液體出口裝置
液體出口裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)便于填料塔內(nèi)液體的排放，防止破碎的塑料環(huán)堵塞出口，并且要保證塔內(nèi)有一定的液封高度，防止氣體短路。
結(jié)論
計(jì)算數(shù)據(jù) 液體密度 液體粘度 液體表面張力 丙酮在水中的擴(kuò)散系數(shù)
混合氣體平均摩爾質(zhì)量 混合氣體平均密度 混合氣體粘度 丙酮在空氣中的擴(kuò)散系
數(shù) 相平衡常數(shù) 亨利系數(shù) 溶解度系數(shù) 進(jìn)塔氣相摩爾比 出塔氣相摩爾比 進(jìn)塔惰性氣相流量 氣相質(zhì)量流量 液相質(zhì)量流量 最小液氣比 操作液氣比 填料的泛點(diǎn) 氣速 塔徑 填料層高度 塔釜液所占空間高度
總布液孔數(shù) 液體保持管高度 填料塔的壓力降
泛點(diǎn)率 氣體動(dòng)能因子 離心泵型號(hào)
氣體管口直徑
計(jì)算結(jié)果 996.95 3.217 932342.4 4.608?1030.16 1.232 1.81?10
?5?6
單位 kg/m kg/(m.h)
2
kg/h 2
m/h
kg/kmol
3
kg/m Pa·s m/h kPa
3
kmol/（kPa·m）
kmol/h kg/h kg/h m/s m/s m m m mm Pa 30.5
m/s（kg/m）
mm
2
3
0.0235 1.75 177.32 0.312 0.04167 0.000833 48.29 1515.36 2238.120 1.715 2.572 2.274 1.7410 0.5 10 3.2 60 868.3 4719.219 0.5358 1.9324 IS50-32-250 170.3
主要符號(hào)說明
符號(hào)
代表意義
丙酮在空氣中的擴(kuò)散系數(shù) 丙酮在水中的擴(kuò)散系數(shù) 氣體動(dòng)能因子 重力加速度 氣相總傳質(zhì)單元高度 氣膜吸收系數(shù) 液膜吸收系數(shù) 相平衡常數(shù) 氣相總傳質(zhì)單元數(shù) 壓力降 泛點(diǎn)氣速 氣體質(zhì)量通量 液體質(zhì)量通量
符號(hào)
代表意義 氣體質(zhì)量流量 液體質(zhì)量流量 空隙率 粘度 密度 表面張力 最小的 液相的 氣相的 摩爾質(zhì)量 脫吸因子 塔徑
DV DL
F g
wV wL
?
u
?
HOG kG kL
m
?
min L
NOG
?P
V M
uF
S D
UV UL
主要參考文獻(xiàn)
[1] 化工原理教研室.《化工原理課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》，吉林化工學(xué)院編； [2]《化工設(shè)計(jì)全書》編輯委員會(huì).金國(guó)淼等編.《吸收設(shè)備》化學(xué)工業(yè)出版社； [4] 鐘秦，王娟，陳千喬，曲紅霞編《化工原理》，國(guó)防工業(yè)出版社；
[5] [德]萊恩哈特 畢力特編，《填料塔》，北京，化學(xué)工業(yè)出版社； [6] 陳敏恒，叢德滋，方圖南，齊鳴齋編，《化工原理》上冊(cè)，北京，化學(xué)工業(yè)出版社； [7] 譚天恩.麥本熙.《化工原理》下冊(cè)，化學(xué)工業(yè)出版社出版；
[8] 陳敏恒，叢德滋，方圖南，齊鳴齋編，《化工原理》下冊(cè)，北京，化學(xué)工業(yè)出版社 [9] 賈紹義，柴誠(chéng)敬編，《化工原理課程設(shè)計(jì)》，天津大學(xué)出版社； [10] 陳丙恒等編《化工原理》下冊(cè)，化學(xué)工業(yè)出版社出版； [11] 匡國(guó)柱.史啟才.《化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)》；
[12] 冷士良，陳清，宋志軒編《化工單元操作及設(shè)備》，化學(xué)工業(yè)出版社； [13]王志魁編《化工原理》，化學(xué)工業(yè)出版社； [14] 其它參考書。
；
附錄
工藝流程圖
工藝設(shè)備圖
型環(huán)高度米水和丙酮塔徑500毫米質(zhì)力常壓溫度25攝氏度名稱
要求
名稱
要求
接管表i排液口g氣體出口h液面計(jì)接口e
人孔f貧液進(jìn)口c
測(cè)壓口d測(cè)溫口a富液出口b混氣進(jìn)口符號(hào)
名稱
符號(hào)
名稱
6填料支撐板
35塔體14填料層3
床層限制板32
液體分配器11除沫器1序號(hào)
名稱
數(shù)量
備注計(jì)職責(zé)姓名日期設(shè)計(jì)于長(zhǎng)龍2008.12.14水吸收丙酮工制圖于長(zhǎng)龍2008.12.14藝條件圖
審核
于長(zhǎng)龍
2008.12.14
結(jié)束語
從接到設(shè)計(jì)任務(wù)后自己整天在圖書館查找資料，在加上這階段還是期末復(fù)習(xí)的時(shí)期，所以說對(duì)我來說真的是特別累。在計(jì)算的過程中，小小的失誤就要從頭再算一次，現(xiàn)在終于要結(jié)束了心理真是松了一口氣啊。
此項(xiàng)任務(wù)要自己查資料來選擇填料，操作時(shí)間，填料孔徑等，要按照自己的處理量通過計(jì)算來確定塔徑，各個(gè)管徑等等。
在選擇填料的過程中，考慮到腐蝕性，決定要采用塑料階梯環(huán)。經(jīng)過查資料我選用d=38mm的塑料階梯環(huán)后，由于填料的比表面積較大，最小噴淋密度也較大，通過計(jì)算塔徑為500mm。在經(jīng)過查資料和咨詢其他同學(xué)，我選用的填料較合理
在畫圖的過程中更是艱辛，我化了整整一天才把我的圖畫完，在畫圖過中由于沒有掌握好各個(gè)部分的比例，所以重畫了好幾次。
通過這次課程設(shè)計(jì)可以說是隊(duì)我們以往做過的實(shí)驗(yàn)的總結(jié)，雖然說這次課程設(shè)計(jì)的工作量比較大，計(jì)算比較繁瑣，但這些鍛煉了我們獨(dú)立思考的能力，動(dòng)手計(jì)算的能力，也對(duì)工業(yè)生產(chǎn)有了一些了解，這些都為我們以后的工作奠定了厚實(shí)的基礎(chǔ)。最后，我向老師提供的幫助和支持表示衷心的感謝，謝謝！ 此致
敬禮
教師評(píng)語
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