1、 化工原理课程设计课程名称: _填料塔设计_设计题目: _水吸收丙酮_院 系: _ 化工学院_学生姓名: _ _学 号: _ _专业班级: _化艺 1001 班_指导教师: _ _- 1 -化工原理课程设计任务书（一） 设计题目：水吸收空气中的丙酮填料塔的工艺设计（二） 设计条件1生产能力:每小时处理混合气体 8000Nm3 /h2设备形式:填料塔3操作压力：101.3KPa4操作温度:298K5进塔混合气体中含丙酮 6%（体积比）6丙酮的回收率为 99%7每年按 330 天计，每天按 24 小时连续生产8建厂地址：兰州地区9要求每米填料的压降都不大于 10 Pa。3（三） 设计步骤及要求1确
2、定设计方案（1）流程的选择（2）初选填料的类型（3）吸收剂的选择2查阅物料的物性数据（1）溶液的密度、粘度、表面张力、丙酮在水中的扩散系数（2）气相密度、粘度、表面张力、丙酮在空气中的扩散系数- 2 -（3）丙酮在水中溶解的相平衡数据3物料衡算（1）确定塔顶、塔底的气流量和组成（2）确定泛点气速和塔径（3）校核 D/d810（4）液体喷淋密度校核：实际的喷淋密度要大于最小的喷淋密度。4填料层高度计算5填料层压降核算如果不符合上述要求重新进行以上计算 6填料塔附件的选择（1）液体分布装置（2）液体再分布装置（3）填料支撑装置（4）气体的入塔分布.(四）参考资料1、 化工原理课程设计 贾绍义 柴诚
3、敬 天津科学技术出版2、 现代填料塔技术 王树盈 中国石化出版3、 化工原理 夏清 天津科学技术出版（五）计算结果列表（见下页）- 3 -参数 符号 单位 计算结果平均压力 P KPa 101.3平均温度 T K 298气相 V hkmol307.56平均流率液相 L 2g953.60操作条件丙酮的浓度 c 3l/塔顶6% 塔底0.6%气相 mVmk1.25平均密度液相 L3g997.04平均黏度 mh)(2k0.189物性参数平均表面张力 L932731.2填料的类型 塑料阶梯环 填料的规格 5.120空塔气速 us1.87泛点气速 Fm2.67塔径 D m 1.4填料层高度 Z m 15气
4、膜传质系数 GkkPa)h(2kol0.06液膜传质系数 L 1.95总传质系数GK3/(mhkpa)kol 1.10压降 PPa 4828.50操作液气比 V3.10最小喷淋密度 minUh)(310.6主要工艺结构尺寸实际喷淋密度 U m12.59- 4 -目录1. 概述与设计方案的确定 - 7 -1.1 填料塔简述 - 7 -1.2 设计方案的确定 - 7 -1.2.1 装置流程的确定 - 7 -1.2.2 填料的选择 - 8 -1.2.3 吸收剂的选择 - 10 -2. 设计计算 - 10 -2.1 基础物性数据 - 11 -2.1.1 液相物性数据 - 11 -2.1.2 气相物性数
5、据 - 11 -2.2 物料衡算 - 12 -2.3 填料塔的工艺尺寸的计算 - 13 -2.4 填料层高度计算 - 14 -2.5 填料层压降计算 - 17 -3. 填料塔附件的选择 - 17 -3.1 液体分布器简要设计 - 17 -3.2 液体分布器的选择 - 18 -3.2.1 液体分布器的选型 - 18 -3.2.2 分布点密度计算 - 18 -3.3 辅助设备的计算及选型 - 19 -3.3.1 填料支承设备 - 19 -3.3.2 填料压紧装置 - 20 -3.3.3 液体再分布装置 - 20 -3.3.4 除沫装置 - 20 -4. 结论 - 21 -5.参考文献 - 21 -
6、6.附录 - 21 - 5 -1. 概述与设计方案的确定1.1 填料塔简述塔设备在化工、石油化工、生物化工、医药、食品等生产过程中广泛应用的汽液传质设备1。其作用实现气液相或液液相之间的充分接触，从而达到相际间进行传质及传热的过程。根据塔内气液接触部件的结构形式，可将塔设备分为两大类：板式塔和填料塔。板式塔内沿塔高度装有若干层塔板，液体靠重力作用由顶部逐板流向塔釜，并在各块板面上形成流动的液层，气体靠压强差推动，由塔底向上依次穿过各塔板上的液层而流向塔顶。气液两相在塔内进行逐级接触，两相组成沿塔高呈阶梯式变化。填料塔则在塔体内装填填料，液体由上而下流动中在填料上分布汇合，气体则在填料缝隙中向上
7、流动。填料为气液传质提供了较大的气液接触面积。2填料塔的基本特点是结构简单，压力降小，传质效率高，便于采用耐腐蚀材料制造等，对于热敏性及容易发泡的物料，更显出其优越性。过去，填料塔多推荐用于 0.60.7m以下的塔径。近年来，随着高效新型填料和其他高性能塔内件的开发，以及人们对填料流体力学、放大效应及传质机理的深入研究，使填料塔技术得到了迅速发展。31.2 设计方案的确定1.2.1 装置流程的确定吸收装置的流程主要有以下几种。4塔内气液两相流动方式可以是逆流也可以是并流。通常采用逆流操作，气体自塔低通入，液体从塔顶洒下，因此溶液从塔底流出前与刚进入塔的气相接触，可使溶液的浓度尽量提高，经吸收后
8、的气体从塔顶排除前与刚入塔的液体接触，又可使出塔气体中溶质浓度尽量降低。在逆流操作下，在相同的进出口组成条件下，逆流吸收流程具有较大的平均传质推动力，可以减少设备尺寸，提高吸收率和吸收剂使用效率，可以实现多级理论级操作，气体净化程度较高，常在工业上应用。而并流吸收流程是气液两相均从塔顶流向塔底，只有一个理论级操作，气体净化程度不很高，但却可以避免塔的液泛现象。吸收剂部分再循环操作在逆流操作系统中，用泵将吸收塔排出液体的一部分冷却后与补充的新鲜吸收剂一同送回塔内，即为部分再循环操作。通常用于已下情况：当吸收剂用量较小，为提高塔的液体喷淋密度；对于非等温吸收过程，为控制塔内的温升，需取出一部分热量
9、。该流程特别适宜于平衡常数 m 很小的情况，通过吸收液的部分再循环，提高吸收剂的使- 6 -用效率。多塔串联操作若设计的填料层高度过大，或由于所处理物料等原因需经常清理填料，为便于维修，可把填料层分装在几个串联的塔内，每个吸收塔通过的吸收剂和气体量都相等，即为多塔串联操作。此种操作因塔内需留较大空间，输液，喷淋，支撑板等辅助装置增加，使设备投资加大。串并联混合操作若吸收处理的液量很大，如果用通常的流程，则液体在塔内的喷淋密度过大，操作气速势必很小（否则易引起液泛） ，塔的生产能力很低。实际生产中可采用气相作串联，液相作并联的混合流程；若吸收过程处理的液量不大而气相流量很大时，可采用液相作串联，
10、气相作并联的混合流程。根据以上述说和本设计条件应选择:逆流吸收流程1.2.2 填料的选择填料塔的基本特点是结构简单，压力降小，传质效率高，便于采用耐腐蚀材料制造等，对于热敏性及容易发泡的物料，更显出其优越性。填料的选择包括填料的种类、规格及材质等。所选的填料既要满足生产工艺的要求，又要使设备投资和操作费用低。几种典型的散装填料：填料类型基本分为：散装填料和规整填料一.散装填料- 7 -散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积在塔内，又称为乱堆填料或颗粒填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。现介绍几种较为典型的散装填料:
11、拉西环填料、鲍尔环填料、阶梯环填料、弧鞍填料、矩鞍填料、金属环矩鞍填料、球形填料。 a.拉西环填料拉西环填料于 1914 年由拉西（F. Rashching）发明，为外径与高度相等的圆环。拉西环填料的气液分布较差，传质效率低，阻力大，通量小，目前工业上已较少应用。b.鲍尔环填料鲍尔环填料是对拉西环的改进，在拉西环的侧壁上开出两排长方形的窗孔，被切开的环壁的一侧仍与壁面相连，另一侧向环内弯曲，形成内伸的舌叶，诸舌叶的侧边在环中心相搭。鲍尔环由于环壁开孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率，气流阻力小，液体分布均匀。与拉西环相比，鲍尔环的气体通量可增加 50%以上，传质效率提高 30%左右。鲍尔
12、环是一种应用较广的填料。c.矩鞍填料填料矩鞍填料 将弧鞍填料两端的弧形面改为矩形面，且两面大小不等，即成为矩鞍填料。矩鞍填料堆积时不会套叠，液体分布较均匀。矩鞍填料一般采用瓷质材料制成，其性能优于拉西环。目前，国内绝大多数应用瓷拉西环的场合，均已被瓷矩鞍填料所取代。d.阶梯环填料阶梯环填料是对鲍尔环的改进，与鲍尔环相比，阶梯环高度减少了一半并在一端增加了一个锥形翻边。由于高径比减少，使得气体绕填料外壁的平均路径大为缩短，减少了气体通过填料层的阻力。锥形翻边不仅增加了填料的机械强度，而且使填料之间由线接触为主变成以点接触为主，这样不但增加了填料间的空隙，同时成为液体沿填料表面流动的汇集分散点，可
13、以促进液膜的表面更新，有利于传质效率的提高。阶梯环的综合性能优于鲍尔环，成为目前所使用的环形填料中最为优良的一种。e.金属环矩鞍填料金属环矩鞍填料 环矩鞍填料（国外称为 Intalox）是兼顾环形和鞍形结构特点而设计出的一种新型填料，该填料一般以金属材质制成，故又称为金属环矩鞍填料。环矩鞍填料将环形填料和鞍形填料两者的优点集于一体，其综合性能优于鲍尔环和阶梯环。二.规整填料规整填料是按一定的几何构形排列，整齐堆砌的填料。规整填料种类很多，根据其几何结构可分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料等。 a.格栅填料格栅填料是以条状单元体经一定规则组合而成的，具有多种结构形式。工业上应用最早的格栅填料为木格
14、栅填料。目前应用较为普遍的有格里奇格栅填料、网孔格栅填料、蜂窝格栅填料等，其中以格里奇格栅填料最具代表性。格栅填料的比表面积较低，主要用于要求压降小、负荷大及防堵等场合。 b.波纹填料波纹填料目前工业上应用的规整填料绝大部分为波纹填料，它是由许多波纹薄板组成的圆盘状填料，波纹与塔轴的倾角有 30和 45两种，组装时相邻两波纹板反向靠叠。各盘填料垂直装于塔内，相邻的两盘填料间交错 90排列。波纹填料按结构可分- 8 -为网波纹填料和板波纹填料两大类，其材质又有金属、塑料和陶瓷等之分。金属丝网波纹填料是网波纹填料的主要形式，它是由金属丝网制成的。金属丝网波纹填料的压降低，分离效率很高，特别适用于精
15、密精馏及真空精馏装置，为难分离物系、热敏性物系的精馏提供了有效的手段。尽管其造价高，但因其性能优良仍得到了广泛的应用。波纹填料的缺点是不适于处理粘度大、易聚合或有悬浮物的物料，且装卸、清理困难，造价高。c.脉冲填料 脉冲填料是由带缩颈的中空棱柱形个体，按一定方式拼装而成的一种规整填料。脉冲填料组装后，会形成带缩颈的多孔棱形通道，其纵面流道交替收缩和扩大，气液两相通过时产生强烈的湍动。在缩颈段，气速最高，湍动剧烈，从而强化传质。在扩大段，气速减到最小，实现两相的分离。流道收缩、扩大的交替重复，实现了“脉冲”传质过程。脉冲填料的特点是处理量大，压降小，是真空精馏的理想填料。填料材质分为：陶瓷填料、
16、塑料填料及金属填料a.陶瓷填料陶瓷填料具有很好的耐腐蚀性及耐热性，陶瓷填料价格低廉，具有很好的表面湿润性能，质脆、易碎是其最大缺点。b.塑料填料在温度较低时塑料能长期操作而不发生变形，价格低廉，性能良好。一般多采用聚丙烯材质。可耐一般无机酸、碱和有机溶剂腐蚀。质轻具有良好的韧性，耐冲击不易碎，可以制成薄壁结构。通量大压降低，但表面湿润性差，可以通过适当的表面处理来改善其表面湿润性能。c.金属填料一般耐高温，但不耐腐蚀，能在高温、高压及高冲击强度下使用，应用范围广通量大，气体阻力小但价高且不容易清理。根据填料材质比较应选：聚丙烯塑料的阶梯环填料规格为 50mm25 mm1.5 mm，其主要参数如
17、下：公称直径DN mm外径高厚 d h ,mm 比表面积 m2/m3空隙率 %个数 n m-3堆积密度pKg/m3干填料因子 m-150 50251.5 132.5 94 1074054.81431.2.3 吸收剂的选择对于吸收操作，选择适宜的吸收剂，具有十分重要的意义。其对吸收操作过程的经济性有着十分重要的影响。一般情况下，选择吸收剂，要着重考虑如下问题：1 对溶质的溶解度大。2 对溶质有较高的选择性。3.挥发度要低。4 再生性能好。- 9 -5 吸收剂的黏度小，有利于气液两相接触良好，提高传质速率。6 吸收剂应具有良好化学稳定性好，不易燃，无腐蚀性，无毒，易得，廉价等特点。用水吸收丙酮属易
18、溶气体的吸收过程为提高传质效率，选用逆流吸收过程。因用水作吸收剂，若丙酮不作为产品，则采用纯溶剂；若丙酮作为产品，则采用含一定丙酮的水溶液。现以纯溶剂为例进行设计。对于水吸收丙酮的过程，操作温度及操作压力较低，塑料可耐一般的酸碱腐蚀，所以工业上通常选用塑料散装填料。在塑料散装填料中，阶梯环填料气体通量大、流动阻力小、传质效率高，故此选用 DN50 聚丙烯阶梯环填料。本设计采用水做吸收剂。2. 设计计算2.1 基础物性数据2.1.1 液相物性数据对低浓度吸收过程，溶液的物性资料可近似取纯水的物性数据。由手册 1 查得，25时水的有关物性资料如下：密度为 =997.043kg/mL3粘度为 0.897.217/()mPaskgmh表面张力为 =71.97dyN/cm=932731.2kg/hL2查手册 2 丙酮在水中的扩散系数为 ： 3 LD式中 丙酮在水中的扩散系数，LD2msT温度，K；溶液的黏度， ；Pas容积的摩尔质量， ；BM/kgol溶质的摩尔体积，A3m16/21/0.7BAMT
