水吸收丙酮填料塔设计.pdf

1、1题目 水吸收丙酮填料塔设计2目录任务书.31.设计方案的内容41.1 流程方案的确定41.2 设备方案的确定42.基础数据整理52.1任务基本数据计算.52.2液相物性数据.52.3气相物性数据.62.4气液相平衡数据.63.物料衡算73.1 物料衡算与吸收操作线方程73.2吸收剂用量对操作线的影响.73.3最小液气比.74.填料塔的工艺尺寸的计算84.1填料的选择.84.2填料塔塔径的计算.84.3填料层高度的计算.105.填料塔流体力学校核145.1气体通过填料塔的压降.145.2泛点率.155.3气体动能因子.156.塔内辅助装置的选择和计算156.1液体分布器.156.2液体再分布器

2、.166.3填料塔附属高度.176.4填料支撑板22176.5填料压紧装置.176.6 液体进、出口管176.7液体除雾器.186.8筒体和封头.186.9手孔.196.10法兰.196.11裙座.207. 总结23参考文献：.24附录.26附表一 任务.26附表二 填料数据统计表.26附表三 物理常数统计表.27附表四 体系参数.273任务书26.水吸收丙酮填料塔设计混合气（空气、丙酮）处理量：1700m3/h进塔混合气含丙酮（体积分数）： 5.2%，进塔温度35进塔吸收剂（清水）温度：25, 吸收剂的用量为最小用量的1.3倍丙酮回收率： 90%操作压力：常压每天工作24小时，一年300天1

3、.设计方案的内容1.1 流程方案的确定本工艺采用清水吸收丙酮，为易溶气体的吸收过程，由于逆流操作传质推动力大，传质速率快，分离效率高，吸收剂利用率高，故选用逆流操作，即气体自塔低进入由塔顶排出，液体自塔顶进入由塔底排出。流程说明：在该填料塔中，丙酮和空气的混合气体经由填料塔的下侧进口进入塔中，与从填料塔塔顶流下的清水逆流接触，在填料表面进行传质吸收，经过吸收的混合气体从塔顶排出，吸收了丙酮的水由填料塔的下端流出。1.2 设备方案的确定填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备，塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被

4、上升气流吹动。填料层的上方有液体分布装置，从4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.基础数据整理2.1任务基本数据计算（1）混合气体流量 hKmolVTTqq mv /27.674.221)3515.273 15.273(17001)( 0 总（2）丙酮含量 3.50Kmol/h5.2%67.27%2.5 总丙 qq（3）惰性气体 hKmolqq /77.63%)2.51(27.67%)2.51( 总惰（4） 0549.077.6350.31 惰丙qqY（5） 00549.077.63 %)901(50.3)1(2 惰丙 吸收率qqY2.2液相物性数据由手册查得，250C

5、时水的有关物性数据如下：（1）密度： L=0.99708g/cm315（2）粘度： L=0.8937 mPa.s2（3）表面张力：71.97mN/m3（4）丙酮在水中的扩散系数： 6.0A 5.0B8-V TM104.7D ）（ 4: 溶液粘度：溶剂为水是取2.6VA:75.6 cm3/molMB：溶剂相对分子量T： 温度6.05.08- 6.758937.0 2515.27302.186.2104.7D ）（）（ = h/cm10261.1 35-= hm /105396.4 26-2.3气相物性数据（1）混合气体的平均摩尔质量： molgMyMiiVm /51.30%2.508.58)%2

6、.51(29 （2）混合气体的平均密度： 3/206.1)3515.273(314.8 51.303.101 mKgRTPMVm （3）混合气体的粘度（近似空气粘度），查手册350C空气粘度5为： =18.8 Pa.s（4）丙酮在空气中的扩散系数： 5.10043.0 kTD6由手册7得k=0.00426scmD /099088.0)3515.273(00426.00043.0 25.1 = hm /03567.0 22.4气液相平衡数据（1）丙酮在水中的亨利系数： KPaE TE 209.213 2515.2732040171.92040171.9lg 6（2）相平衡常数： 105.23.1

7、01209.213 PEm（3）溶解度系数： )./(2595.002.18209.213 08.997 3mKPaKmolEMH sL 3.物料衡算3.1 物料衡算与吸收操作线方程3.2吸收剂用量对操作线的影响73.3最小液气比由图得 2*1 21min)( XX YYVL （ 0549.01 Y 00549.02 Y ）因为 mXY * （ 105.2m 02 X ）则 893.10-105.20549.0 00549.0-0549.0min)( 21 21 XmY YYVL hKmolVVLL /723.12077.63893.1min)(min 吸收剂用量 hKmolLL /940.1

8、56723.1203.13.1 min 4.填料塔的工艺尺寸的计算4.1填料的选择塑料阶梯环 D50 表4-1塑料阶梯环填料结构特性参数8公称尺寸Dg/mm 堆积个数n/（个/m-3） 堆积密度p /(kg/m3) 空隙率/% 比表面积a/(m2/m3) 干填料因子3/Fa /m-150 10740 54.3 92.7 114.2 143.1原因：常温常压下操作，处理量不大，物料腐蚀性低。优点：1.具有较大的比表面积：2.表面湿润性能好，有效传质面积大；3.结构上有利于液气相的均匀分布；4.有较大的空隙率，气体通过填料层时，压降小，不易发生液泛现象；5.阶梯环相对鲍尔环，拉西环在相同条件下处理

9、量大。6.效率高且成本低，经济性高。4.2填料塔塔径的计算4.2.1散堆填料泛点气速的计算采用埃克特（Eckert）泛点气速关联图进行计算。气相质量流量为：8hkgWv /2.2050206.11700 液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即：hkgWl /06.282802.18940.156 Eckert通用关联图的横坐标为： 048.0)08.997206.1)(2.205006.2828()( 5.05.0 LVVLWWX 2查图4-1得： 2 0.2 0.17f F VLY g 2查表4-2得： 1127F m 0.5 0.50.2 0.20.17 9.81 997.08( ) (

10、) 3.33 /s127 1 1.206 0.8937Lf F V LYg m 取 0.7 0.7 3.33 2.33 /Fu m s 图4-1 Eckert泛点气速关联图99表4-2常用散堆填料的泛点因子/ 1m 10填料类型 填料因子，1/mDN16 DN25 DN38 DN50 DN76金属鲍尔环 410 117 160 金属环矩鞍 170 150 135 120金属阶梯环 160 140 塑料鲍尔环 550 280 184 140 92塑料阶梯环 260 170 127 瓷矩鞍 1100 550 200 226 瓷拉西环 1300 832 600 410 4.2.2 塔径的计算及校核（

11、1）塔径的计算： 4 4 1700/3600 0.513.14 2.33SVD mu 塔径圆整，取 0.6D m泛点率校核：2 24 4 1700/3600 1.67 /3.14 0.6Vu m sD 1.67 100% 50.2%3.33Fuu （在允许范围内）填料规格校核：600 12 8d 50D （2）液体喷淋密度校核：11取最小润湿速率为 3min( ) 0.08 /( )WL m m h 由表3-1可知：2 3114.2 /a m m103 2min min( ) 0.08 114.2 9.136 /( )WU L a m m h min2 22828.06/997.08 10.0

12、40.785 0.785 0.6LU UD 经以上校核可知，填料塔直径选用 600D mm 合理。4.3填料层高度的计算4.3.1气相总传质单元数的计算脱吸因数法 2.105 63.77 0.855156.94mVS L 气相总传质单元数为*1 2*2 21 ln(1 ) S1 1 0.0549 0ln(1 0.855) 0.855 5.7591 0.855 0.00549 0OG Y YN SS Y Y 4.3.2气相总传质单元数的计算气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：2 20.75 0.1 0.05 0.21 exp 1.45( ) ( ) ( ) ( )w c L tL Lt

13、L t L L L t L L ta U aU Ua a a a 查表3-3得 233 / 972000 /C dyn cm kg h 表4-3不同填料材质的临界表面张力12材质 表面涂石蜡 陶瓷 玻璃 聚丙烯 聚乙烯 钢 石墨表面张力， /dyn cm 20 61 73 54 75 75 56液体质量通量为 222828.06 3600 2.78 /( )0.785 0.6LL WU kg m s 113 20.75 0.1 0.0532 0.25.4 10 2.78 2.78 114.21.45( ) ( ) ( )71.97 10 114.2 0.8937 997.08 71.97 11

14、4.21 exp 2.78( )997.08 71.97 114.20.202wtaa 2 30.202 114.2 23.068 /wa m m 气膜吸收系数由下式计算： 10.7 30.237( ) ( ) ( )V V t VG t V V VU a Dk a D RT 气体质量通量为2 222050.2 7254.78 /( ) 2.02kg/(m /s)0.785 0.6VU kg m h 6 10.7 365 22.02 18.8 10 114.2 0.03567 36000.237( ) ( ) ( )114.2 18.8 10 1.206 0.03567 3600 8.314

15、298.151.518 10 /( )Gk kmol m s kPa 液膜吸收系数由下式计算：2 113 322 13 261 430.0095( ) ( ) ( )2.78 0.89370.0095( ) ( )23.068 0.8937 997.08 4.5396 100.8937 9.8( ) 3.66 10 /s997.08L L LL w L L L LU gk a D m 由 1.1G G wk a k a ，查表4-4得 1.45 表4-4 几种填料的形状修正系数13填料类型 圆球 圆棒 拉西环 弧鞍 开孔环值 0.72 0.75 1 1.19 1.45则1.1G G wk a

16、k a 5 1.1 4 31.518 10 23.068 1.45 5.270 10 /( )kmol m s kPa 120.4L L wk a k a 4 0.43.66 10 23.068 1.45 0.00981/s 1.67 50.2% 50%3.33Fuu 由 1.41 9.5( 0.5) G GFuk a k au ， 2.21 2.6( 0.5) L LFuk a k au ，得 1.4 5 4 31 9.5 (0.52 0.5) 5.27 10 5.427 10 /( )Gk a kmol m s kPa 2.21 2.6 (0.52 0.5) 0.00981 0.00981

17、/sLk a 则 11 1G G LK a k a Hk a 4 34 1 4.503 10 ( )1 15.47 10 0.2595 0.00981 kmol m s kPa 由 OG Y GV VH K a K aP 467.27 3600 1.4595.427 10 101.3 0.2826 m 由 1.459 5.759 8.403OG OGZ H N m ，得 1.2 8.403 10Z m 设计取填料层高度为 5Z m 则 5 8.30.6hD ，则查表4-5，对于阶梯环填料， 815hD ， max 6h m表4-5 填料层分段的最大高度14填料类型 /h D maxh拉西环 2

18、.5 4m13矩鞍 58 6m鲍尔环 510 6m阶梯环 815 6m环矩鞍 815 6m所以需要分层，每层填料5m，总填料层高度10m。5.填料塔流体力学校核5.1气体通过填料塔的压降采用Eckert通用关联图计算填料层压降。横坐标为 0.5( ) 0.048VLV LWW 查表5-1得， 189P m 表5-1 散装填料压降填料因子平均值15填料类型 填料因子，1mDN16 DN25 DN38 DN50 DN76金属鲍尔环 306 114 98 金属环矩鞍 138 93.4 71 36金属阶梯环 118 82 塑料鲍尔环 343 232 114 125 62塑料阶梯环 176 116 89

19、 瓷矩鞍环 700 215 140 160 瓷拉西环 1050 576 450 288 纵坐标为142 20.2 0.21.67 89 1 1.206 0.8937 0.0309.8 997.08VP LLu g 查图4-1得/ 20 9.81 196.2 /P Z Pa m 填料层压降为196.2 11=1977.70P Pa 5.2泛点率1.67 100% 50.2%3.33Fuu 泛点率介于50%80%之间，合适。5.3气体动能因子 0.5 0.51.67 1.206 1.834 /F kg s m 16气体动能因子在常用的范围内从以上的各项指标分析，该吸收塔的设计合理，可以满足吸收操作

20、的工艺要求。6.塔内辅助装置的选择和计算6.1液体分布器6.1.1液体分布器的选型本设计任务液相负荷为： 3 22156.940 18.02 10.04 /( )997.08 0.785 0.6L m m h 液相负荷较小，故选用排管式液体分布器。查书23得表6-1 液体分布器参数塔径/mm 主管直径/mm 支管排数 管外缘直径/mm 最大体积流量/(m3/h)600 50 4 56 76.1.2布液点数15根据表6-2,Eckert的散装填料塔分布点密度推荐值，D=600mm时，分布点密度可取200点/m2塔截面。表6-2Eckert的散装填料塔分布点密度推荐值15塔径，mm 分布点密度，点

21、/ 2m 塔界面400D 330750D 1701200D 42故布液点数为：2200 0.785 0.6 56.52 60n 点6.1.3孔径计算由 2= d 24V nk gh式中 d布液孔直径，m；V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。经计算雷诺数值较大所以取 0.6k ， 200h mm-4 32828.06 7.88 10 /3600 997.08V m s 则 42Vd nk gh -44 7.88 10 0.00325 3.253.14 80 0.6 2 9.8 0.2 m mm 设计取 4d mm 。6.2液体再分布器6.2.1截

22、锥式液体再分布器1616如图6-1 截锥小端直径 1 0.7 0.7 600 420iD D mm ；锥高 0.2 0.2 600 120ih D mm ；壁厚 4S mm图6-1齿形截锥式液体再分布器结构6.3填料塔附属高度塔上部空间高度可取为1.5m，塔底液相停留时间按2min考虑，则塔釜液所占空间高度为 41 2 60 7.88 10 0.330.2826h m 考虑到气相接管所占空间高度，底部空间高度可取1.2m，液体再分布器高度及支撑板高度可取0.4m，故填料塔附属高度为1.5 1.2 0.4 3.1h m 6.4填料支撑板22梁式气体喷射式支承板气体流通自由界面率大，阻力小，承载能

23、力强，气液两相分布效果小，性能优良，因此，本设计选用梁式气体喷射式支承板。表6-23 支承板波形尺寸（mm）波形 波形尺寸b H t17192 250 192注：尺寸b是塔中间支承板宽度，在塔边缘支承板的尺寸b将随塔径不同而异，左右不对称。H为波高，t为波矩。6.5填料压紧装置本设计选用丝网床层限制板，重量约为 2300 /mN ，限制板的外径选用590mm。6.6 液体进、出口管6.6.1气体进出口管径计算工业上，一般气体进料流速为1015m/s21，本设计取流速为15m/s。4 4 1700 2003.14 15 3600SVd mmu 由标准GB/T8163-99，选用 200 6mm

24、mm 无缝钢管。6.6.2液体进出口管径计算工业上，一般液体进料流速为0.51.5m/s21，本设计取流速为1m/s。44 4 7.88 10 323.14 1SVd mmu 由标准GB/T8163-99，选用 32 3mm mm 无缝钢管。6.7液体除雾器本设计选用上装式丝网除沫器，由标准HGT21618-1998，型式代号SP，得尺寸如下表6-4： 表6-4上装式丝网除沫器尺寸 mm主要外形尺寸 重量（kg）H H1 D 丝网 格栅及定距杆 支撑件150 260 600 5.99 3.52 0.19186.8筒体和封头6.8.1筒体由标准JB115373，得公称直径600mm筒体尺寸如下表

25、6-5：表6-5筒体的容积、面积和质量1米高的容积V/m3 1米高的内表面积FB/m2 厚度/mm 1米高筒节钢板理论质量/kg0.283 1.88 4 606.8.2封头本设计选用椭圆封头18， 22(H h) 600175i iDDN D mmH mm 解得h=25mm由标准JB/T473795，得封头尺寸如下表6-6：表6-6EHA椭圆形封头内表面积、容积曲边高度h1/mm 直边高度h2/mm 厚度/mm 内表面积A/m2 容积V/m3 质量/M kg150 25 4 0.4374 0.0353 13.526.9手孔由标准HG/T21514-2005，得手孔类型如下表6-7：表6-7 手

26、孔类型及参数名称 简图 密封面型式及代号 公称直径DN（mm） 公称压力PN（MPa） 标准编号常压手孔 全平面FF 150 常压 HG/T21528-2005196.10法兰本设计选用PN0.25MPa（2.5bar）板式平焊钢制管法兰。图6-2图6-2 板式平焊钢制管法兰由标准HG20593-1997，得法兰选择结果如下表6-7，表6-8：6.10.1管法兰的选择 表6-8 管法兰特性参数 （mm）位置 公称通径DN 管子外径A1 连接尺寸 法兰厚度C 法兰内径B1 法兰理论重量（kg）法兰外径D 螺栓孔中心圆直径K 螺栓孔直径L 螺栓孔数量n 螺纹ThA B A B气体进出口管 200

27、219.1 219 320 280 18 8 M16 22 221.5 222 6.85液体进出口管 32 42.4 38 120 90 14 4 M12 16 43.5 39 1.196.10.2容器法兰的选择 表6-9 容器法兰特性参数 （mm）公称通径 管子外径A1 连接尺寸 法兰厚度 法兰内径B1 法兰理论法兰 螺栓孔中 螺栓孔 螺栓孔 螺纹A B20DN C 重量（kg）外径D 心圆直径K 直径L 数量n Th A B600 610 630 755 705 26 20 M24 36 616.5 636 33.76.11裙座经计算： 13.1 21.8 250.6HDN 因此选用圆锥裙

28、座图6-3圆锥形裙座（1）如图6-4弯管出料尺寸20内管取219 6 h1=650mm21图6-4弯管进料管（2）圆形检查孔的尺寸直径（如图6-5）D250mm；M：150mm 中心高度h2=900mm19图6-5检查孔（3）封头与裙座的切线距h3=25mm1922总高度H=+h2*2+h3=650+900*2+25=2470mm所以总高度去2.5m。参考文献：1 刘启光 马连湘，刘杰主编，化学化工物性数据手册（无机卷），化学工业出版社M：页码 3.2 刘启光 马连湘，刘杰主编，化学化工物性数据手册（无机卷），化学工业出版社M：页码123 刘启光 马连湘，刘杰主编，化学化工物性数据手册（无机卷

29、），化学工业出版社M：页码 154 时钧 汪家鼎 余国琮 陈敏恒，化学工程手册（第二版）上卷，化学工业出版社M: 页码 150.5 刘启光 马连湘，刘杰主编，化学化工物性数据手册（无机卷），化学工业出版社M：页码 716 刘启光 马连湘 邢志友主编，化工物性算图手册，化学工业出版社M2002.1页码6947 刘启光 马连湘 邢志友主编，化工物性算图手册，化学工业出版社M2002.1页码6958 匡国柱 史启才主编，化工单元过程及设备课程设计（第二版）化学工业出版社M2007.10:页码2039 匡国柱 史启才主编，化工单元过程及设备课程设计（第二版）化学工业出版社M2007.10:页码2061

30、0 匡国柱 史启才主编，化工单元过程及设备课程设计 （第二版）化学工业出版社M2007.10:页码20711 贾绍义柴诚敬主编，化工原理课程设计（化工传递与单元操作课程设计），天津大学出版社M2002.8:页码14112 匡国柱 史启才主编，化工单元过程及设备课程设计 （第二版）化学工业出版社M2007.10:页码21113 匡国柱 史启才主编，化工单元过程及设备课程设计 （第二版）化学工业出版社M2007.10:页码21214 匡国柱 史启才主编，化工单元过程及设备课程设计 （第二版）化学工业出版社M2007.10:页码21415 贾绍义，柴诚敬主编， 化工原理课程设计，天津大学出版社M20

31、02.8页码：14616匡国柱 史启才主编，化工单元过程及设备课程设计（第二版）化学工业出版社M2007.10:页码32017 路秀林，王者相等编，化工设备设计全书，化学工业出版社M2004.1页码：2332218 中国石化集团洛阳石油化工工程公司编，石油化工设备设计便查手册（第二版）中国石化出版社M2007:页码 12619 路秀林，王者相等编，化工设备设计全书，化学工业出版社M2004.1页码：22020 路秀林，王者相等编，化工设备设计全书，化学工业出版社M2004.1页码:32721 匡国柱 史启才主编化,工单元过程及设备课程设计 化学工业出版社M2002:页码13922 匡国柱 史启

32、才主编，化工单元过程及设备课程设计 （第二版）化学工业出版社M2007.10:页码32323匡国柱史启才主编化,工单元过程及设备课程设计化学工业出版社M2002:页码27624附录 附表一 任务附表二 填料数据统计表塑料阶梯环（聚丙烯）D50比表面积 32/mm 114.2塔径/填料公称直径 D/d 8常用散堆填料的泛点填料因子/m-1 127形状修正因子（开孔环） 1.45临界表面张力（聚丙烯）dyn/cm 45散装填料压降填料因子平均值m-1 89混合气处理量 m3/h 1700丙酮含量（体积分数） 5.2%进塔气体温度 0C 35进塔吸收剂温度 0C 25吸收剂最小用量 1.3丙酮回收率

33、 90%25附表三 物理常数统计表液相（25）密度 g/cm3 0.99708粘度 mPa.s 0.8937表面张力 mN/m 71.97丙酮扩散系数106 m2/h 4.5396气相（35）粘度 Pa.s 18.8丙酮扩散系数 m2/h 0.03567混合气体平均摩尔质量 g/mol 30.51混合气体平均密度 kg/m3 1.206附表四体系参数亨利系数E KPa 213.209相平衡常数 m 2.105溶解度系数 Kmol/KPa.m3 0.2595惰性气体流量 Kmol/h 63.77丙酮流量 Kmol/h 3.50Y1 0.0549Y2 0.00549X1 0.0261X2 026最

34、小液气比 1.893吸收剂用量 Kmol/h 156.94泛点气速 m/s 3.33空塔气速 m/s 1.67塔径 mm 600传质单元数NOG 5.759传质单元高度HOG 0.535填料层高度 m 10 截面积 m2 0.2826kG Kmol/(m2.s.KPa) 1.51810-5kL Kmol/(m2.s.KPa) 3.6610-4KGa 0.00122压降 Pa/m 196全塔压降 Pa 2159.2泛点率 50.2%气体动能因子 kg0.5/s.m0.5 1.834塔附属高度 m 3.1塔总高 m 13.1裙座高度 m 2.5进气管流速 m/s 15进气管管径 mm 200 6mm mm 27进液管流速m/s 1.0进液管管径 mm 32 3mm mm