丙酮-水吸收设计.doc

1、 1 目录 概 述 2 一 设计任务及操作条件 2 二 设计方案的确定 3 三 物料计算 3 四 热量衡算 4 五 气液平衡曲线 5 六 吸收剂 (水 )的用量 Ls 6 七 塔底吸收液浓度 X1 6 八 操作线 6 九 塔径计算 6 十 填料层高度计算 9 十一 填科层压降计算 13 十二 填料吸收塔的附属设备 13 十三 填料塔的设计结果概要 15 十四 主要符号说明 16 十五 参考文献 17 十六 课程设计总结 18 2 概述 在化工、炼油、医药、食品及环境保护等工业部门，塔设备是一种重要的单元操作设备。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。它

2、广泛用于蒸馏、吸收、萃取、等单元操作，随着石油、化工的迅速发展，塔设备的合理造型设计将越来越受到关注和重视。塔设备有板式塔和填料塔两种形式，下面我们就填料塔展开叙述。 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 0.6 0.7m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。 气体吸收过程是化工生产中常用的气体混合物的分离操作，其基本原理是利用气体混合物中各组分在特定的液体吸收剂中的溶解度不同，实现

3、各组分分离的单元操作。板式塔和填料塔都可用于吸收过程，此次设计用填料塔作为吸收的主设备。 水吸收丙 酮填料塔设计 3 一 设计任务和操作条件 1混合气（空气、丙酮蒸气）处理量 1500m h; 2进塔混合气含丙酮体积分数 1.82%；相对湿度 70%；温度 35； 3进塔吸收剂（清水）的温度为 25； 4丙酮回收率 90%； 5操作压力为常压。 二 设计方案的确定 （ 1）吸收工艺流程 采用常规逆流操作流程流程如下： 流程说明 :混合气体进入吸收塔，与水逆流接触后，得到净化气排放；吸收丙酮后的水，经取样计算其组分的量，若其值符合国家废水排放标准，则直接排入地沟，若不符合，待处理之后再排入地沟。

4、 三 物料计算 （ 1）进塔混合气中各组分的量 近似取塔平均操作压力为 101.3kPa,故： 混合气量 =1500（ 27327335 ） 122.4 =59.36kmol h 混合气中丙酮量 =59.36 0.0182=1.08kmol h=1.08 58=62.64 h 4 查附录， 35饱和水蒸气为 5623.4Pa，则相对湿度为 70%的混合气中含水蒸气量 = 3562 3.4 0.7101 .3 10 0.7 562 3.4 =0.0404kmol（水气） kmol（空气 +丙酮） 混合气中水蒸气的含量 = 59.36 0.04041 0.0404=2.31kmol h=2.31

5、18=41.58 h 混合气中空气量 =59.36-1.08-2.31=55.97kmol h=55.97 29=1623 h （ 2）混合气进出 塔（物质的量）组成 已知： 1 0.0182y ，则 2 1 .0 8 ( 1 0 .9 ) 0 .0 0 1 8 55 5 .9 7 2 .3 1 1 .0 8 ( 1 0 .9 )y （ 3）混合气进出塔（物质的量比）组成 若将空气与水蒸气视为惰气，则 惰气量 =55.97+2.31=58.28kmol h =1623+41.58=1664.6 h 1 1.0858.28Y =0.0185kmol（丙酮） kmol（惰气） 2 1.08 (1

6、0.9)58.28Y 0.00185kmol（丙酮） kmol（惰气） （ 4）出塔混合气量 出塔混合气量 =58.28+1.08 0.1=58.388kmol h=1670.8 h 四 热量衡量 热量衡量为计算液相温度的变化以判断是否为等温吸收过程。假设丙酮溶于水放出的热量全被水吸收，且忽略气相温度变化及塔的散热损失（塔保温良好）。 查化工工艺算图第一册，常用物料物性数据，得丙酮的微分溶解热（丙酮蒸气冷凝热及对水的溶解热之和）： 3 0 2 3 0 1 0 4 6 7 . 5 4 0 6 9 7 . 5dH 均 KJ Kmol 吸收液平均比热容 cL =75.366 KJ（ Kmol.） ,

7、通过下式计算 nt nt = dn -1 n n 1t x xcLH 均 （ - ） 对低组分气体吸收，吸收液组成很低时，依惰性组分及比摩尔浓度计算方便，故上式可写成 ： 40697.6t 25 75.366L X 即可在 X=0.000 *0.008 之间，设系列 X值，求出相应 X组成下吸收液的温度tL ，计算结果列于表（ 1）第 1， 2列中。由表中数据可见，液相 X变化 0.001 时，温度升高 0.54，依此求取平衡线。 表（ 1） 各液相浓度下的吸收液温度及平衡数据 5 X tL / E/kPa m（ =E/p） *Y 310 0.000 25.00 211.5 2.088 0.0

8、00 0.001 25.54 217.6 2.148 2.148 0.002 26.08 223.9 2.210 4.420 0.003 26.62 230.1 2.272 6.816 0.004 27.16 236.9 2.338 9.352 0.005 27.70 243.7 2.406 12.025 0.006 28.24 250.6 2.474 14.844 0.007 28.78 257.7 2.544 17.808 0.008 29.32 264.96 2.616 20.928 注： 1.与气相 1Y 称平衡的液相 1X =0.0072,故取 nX =0.008； 2.平衡关系符合

9、亨利定律，与液相平衡的气相含量可用 *Y =mX 表示； 3.吸收剂为清水， x=0， X=0; 4近似计算中也可视为等温吸收。 五 气液平衡曲线 当 x0.01， t=15 45时，丙酮溶于水其亨利系数 E可用下式计算： 10logE =9.171 2040（ t+273） 查化学工艺算图第一册 .常用物料特性数据，由前设 X值求出液温 tL ，通过上式计算相应 E 值，且 m=pE，分别将相应 E值及相平衡常数 m值列于表 4-16中的第 3， 4列。由 *Y =mX 求取对应 m及 X 时的气相平衡组成 *Y ，结果列于表中4-16 中第 5 列。 根据 X- *Y 数据，绘制 X-Y平

10、衡曲线 0E，如图 1所示。 6 六 吸收剂（水）的用量 SL 由图 1查出，当 1Y =0.0185， *1X =0.0072,依下式式计算最小吸收剂用量 ,minSL 。 12, m in * ( 0.018 5 0.001 85 )( 58.28 ) 0.007 2SB YYLV XX =134.8kmol h SL =1.1 2.0 ,minSL 取 ,min1.7SSLL 故 sL =1.7 134.8=229.2kmol h=4126 h 七 塔底吸收液 1X 根据式 1 2 1 2( ) ( )BSV Y Y L X X 有 1 5 8 .2 8 ( 0 .0 1 8 5 0 .

11、0 0 1 8 5 ) 0 .0 0 42 2 9 .2X 八 操作线 依操作线方程式 22SSBBLLY X Y XVV 得 Y = 28.582.229 X+0.00185=3.933X+0.00185 九 塔径计算 塔底气液负荷大，依塔底条件 (混合气 35 )， 101.325kPa，查表可知，吸收液 27.16计算。 4SVDuu =（ 0.60.8） Fu （ 1）采用 Eckert 通用关联图法 (图 2)计算泛点气速 Fu 错误 !未找到引用源。 有关数据计算 塔底混合气流量 sV 1623 62.64 41.58 1727kg h 吸收液流量 L 4126 1.08 0.9

12、58 4182kg h 7 图 2 通用压降关联图 进塔混合气密度 G 4.2229 35273273 1.15kg 3m (混合气浓度低，可近似视为空气的密度 ) 吸收液密度 L 996.7kg/ 3m 吸收液黏度 L 0.8543mPa s 经计算，选 DG50mm 塑料鲍尔环。查化工原理教材附录可得，其填料因子 =120 1m ，比表面积 A 106.4 23/mm 错误 !未找到引用源。 关联图的横坐标值 8 VL (LG )1/2=17274182 ( 7.99615.1 )1/2 =0.082 错误 !未找到引用源。 由图 2查得纵坐标值为 0.146 即 L LG2Fg ）（ 0

13、.2= 8543.07.99615.181.91202F ）（ 0.2=0.0137 2Fu =0.146 故液泛气速 Fu =0137.0 146.0=3.264m/s (2)操作气速 u 0.6 Fu 0.6 3.264 1.96m/s (3)塔径 4SVDu=96.17 8 5.03 6 0 0 1 5 0 0 = 0.52 m=520mm 取塔径为 600mm。 (4)核算操作气速 U=26.0785.036001500=1.474m/s Fu (5)核算径比 D/d 600/50 12，满足鲍尔环的径比要求。 (6)喷淋密度校核 依 Morris 等推专， d 75mm约环形及其它填

14、料的最小润湿速率 (MWR)为0.08 3m (m h),故 ： 最小喷淋密度 min tL 喷 （ MWR ） a 0.08 106.4 8.512 3m /(m2 h) 因 L喷 26.0785.07.9964126 14.6 3m /( .h) 故满足最小喷淋密度要求。 十 填料层高度计算 9 计算填料层高度，即： Z 12 *YBO G O GYYV dYHN K a Y Y (1)传质单 元高度 OGH 计算 OGH = BYVKa ，其中 YKa= GKaP 1 1 1G G LK a k a Hk a本设计采用（恩田式）计算填料润湿面积 aw作为传质面积 a，依改进的恩田式分别计

15、算 Lk 及 Gk ，再合并为 Lka和 Gka。 列出备关联式中的物性数据 气体性质 (以塔底 35， 101.3kPa 空气计 )： G 1.15 kg/ 3m (前已算出 )；G 0.01885 310 .Pas (查附录 )； GD 1 09 510 2/ms（依翻 Gilliland式估算 )。 液体性质 (以塔底 27 16水为准 )： L 996.7 kg/ 3m ； L 0.8543310 Pa s； L 71 6 310 N m(查化工原理附录）； LD =1.344 910 2/ms (以120 .67 .4 1 0L LA MD V 0.5s（ ） T式计算 )，式中 A

16、V 为溶质在常压沸点下的摩尔体积， sm 为溶剂的分子量， 为溶剂的缔合因子。 气体与液体的质量流速： 26.0785.036004126GL=4.1 /kg 2（ m .s） 26.07 8 5.03 6 0 0 1 7 2 7 GV=1.7 /kg 2（ m .s） 10 50DG mm 塑料鲍尔环 (乱堆 )特性： pd 50mm 0.05m;A106.4 23/mm; C =40dy/cm=40 10-3 N/m;查化学工程手册，第 12篇，气体吸收，有关形状系数 ， =1.45。 错误 !未找到引用源。 依式 2.0205.021.075.0 22)(45.1e x p1tGtGtG

17、aLLLCtw gaLLa Laa=1 exp -1.45（3106.711040 3 ） 0.75（3108543.04.1061.4） 0.1（81.97.9964.1061.422 ）- 0.05（4.106106.717.9961.432 ） 0.2 =1 exp -1.45（ 0.646）（ 1.47）（ 1.09）（ 0.29） =1 exp （ -0.432） =0.351 故 wa =0.351ta =0.351 106.4=37.3 23/mm 错误 !未找到引用源。 依式 Lk =0.0051(LtaLG )2/3(LLLD)1/3(LgL )1/3( ptda )0.4=0.0051()2/3(9310334.17.996108543.0 )1/3( 7.996 81.9108543.03 )1/3(5.9)0.4=0.0051 25.5 0.0396 0.02033 2.03=2.1310-4 m/s 错误 !未找到引用源。 依式 Gk = 5.23(GtaVG )0.7(GGGD)13( RTDaGt )( ptda )