水吸收丙酮填料塔设计(化工课程设计)

化工设计任务书

（一）设计题目：水吸收丙酮填料塔设计

（二）设计任务及操作条件

1）气体处理量2200Nm3 /h

2）进塔气体含丙酮1.82%（Vol），相对湿度70%，湿度35。C

3）进塔吸收剂（清水）的温度 25。C水洗

4）丙酮吸收率95%

5）操作压强：常压

（三）设备内容

1．设计方案的确定及流程说明

2．填料塔的塔径、塔高及填料层压降的计算

3．填料塔附属结构的选型及设计

4．塔的机械强度校核

5．设计结果列表或设计一览表

6．填料塔的装配图

7．对设计结果的自我评价、总结与说明

(四) 设计主要参考书

[1] 柴诚敬等，化工原理课程设计，天津科学技术出版社

[2] 潘国昌等，化工设备设计，清华大学出版社

[3] 顾芳珍，化工设备设计基础，天津大学出版社，1997

[4] 化工设备设计中心站，材料与零部件，上海科学技术出版社，1982

[5] 化学工业部化工设计公司主编，化工工艺算图第一册常用物料物性数据，

化学工业出版社，1982

[6] 机械设计手册，化学工业出版社，1982

[7] 茅晓东，典型化工设备机械设计指导，华东理工大学出版社，1995

[8] 刁玉玮，化工设备机械基础，大连理工大学出版社

[9] 贺匡国，简明化工设备设计手册，化工出版社

[10] GB150-89 钢制压力容器（全国压力容器标准委员会）学苑出版社

化原部分

[设计计算]

（一）设计方案的确定

用水吸收丙酮属易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。

（二）填料的选择

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D N 38聚丙烯阶梯环填料。

（三）基础物性数据

1.液相物性数据

对低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。由手册 [ 1 ] 查得，25℃时水的有关物性数据如下：

密度为 3997.08/L kg m ρ=

粘度为 0.8937 3.2173/()L mPa s kg m h μ=?=?

表面张力为 272.14/934934.4/L dyn cm kg h σ==

查手册 [ 2 ]丙酮在水中的扩散系数为 ： [ 3 ]L D

式中 L D ————丙酮在水中的扩散系数，2m s

T ————温度，K ；

μ————溶液的黏度，Pa s ?；

B M ————容积的摩尔质量，/kg kmol ；

A

υ—————溶质的摩尔体积，3/m kmol B

φ————溶剂的缔合因子（水为2.26）

52621.6510 5.9410/L D m s m h --=?=?

2.气相物性数据

混合气体的平均摩尔质量为

=0.018258.080.98182929.53/m V i i M y M kg kmol =?+?=∑

混合气体的平均密度为

161/21/20.6

1.17310B B A L M T D φμυ-?=

3101.329.53 1.168/8.314308

m m V V PM kg m RT ρ?===? 混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，由化工原理（上册）附录五查得30℃空气的粘度为

51.89100.068/()v Pa s kg m h μ-=??=?

查手册并计算得丙酮在空气中的扩散系数为 315222211233114.3610(

)0.1330.048/()A B V A B T M M D m s m h p v v -?+===+

V D ————扩散系数，2/m s ；

P ————总压强，Pa ；

T ————温度，K ；

,A B M M ————分别为AB 两种物质的摩尔质量，kg/kmol ；

,A B

υυ————分别为A ，B 两物质的分子体积，3/m kmol 3.气液相平衡数据

化工单元操作设计手册(化学工业部化学工程设计技术中心站主编)表2--1查得常压下25℃时丙酮在水中的亨利系数为[ 4 ]

211.5E kPa =

相平衡常数为 211.53 2.088101.3

E m P === 溶解度系数：

L S H EM ρ==3997.080.262/(.)211.518.02

kmol kPa m =?

（四）物料衡算

进塔气相摩尔比为

10.0185Y =

出塔气相摩尔比为

21(1)0.0185(10.95)0.000925A Y Y ?=-=?-=

A

?——丙酮的回收率（95%）

进塔惰性气体流量为

()22001 1.82%96.43/22.4

V kmol h =?-= 该吸收过程属低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算，即 12min 12

/Y Y L V Y m X -??= ?-?? 对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为 2min

0.01850.000925 1.9840.0185/2.088X L V =-??== ??? 由题意知，操作液气比为 min

12121 1.5 1.5 1.984 2.97396.43 2.973286.67/()()

96.430.0185-0.0009250.00689286.67L L V V L kmol h

V Y Y L X X X （）??==?= ???=?=-=-==

35℃进塔气体体积流量Vs=V 0

00308.15.=2200=2481.9273.15

P T P T ? M 3/h

（五）填料塔的工艺尺寸的计算

1.塔径计算

采用Eckert 通用关联图计算泛点气速。

气相质量流量为

2481.9 1.1682898.855/V w kg h =?=

液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即

286.6718.025165.793/L w kg h =?=

Eckert 通用关联图的横坐标为 0.50.55165.793 1.1680.0612898.855997.08V L v L w w ρρ????=?= ? ?????

查通用关联图得 20.20.0168V F F L L

u g ρφψμρ=

查散装填料泛点填料因子平均值表得

1

170()251

2.909/F F m u m s

由化工单元操作设计手册化学工业部化学工程设计技术中心站主编表查得φψ-=-===取 0.70.7 2.909 2.037/F u u m s ==?=

由

0.66D m === 圆整塔径，取0.7D m =

泛点率校核：

2

2481.9/3600 1.79/0.7850.71.79100%61.5%()2.909

F u m s u u 在允许范围内==?=?= 填料规格校核： 70018.42838

D d ==> 液体喷淋密度校核：

取最小润湿速率为

3min ()0.08/W L m m h =?

查常用[ 5 ]散装填料的特性参数表得

化原下册表3——5查得 23

32min min min 2

2132.5/()0.08132.510.6/w /5165.793/997.0813.470.7850.74L L

t W t a m m U L a m m h U U D 比表面积：最小喷淋密度：ρπ

===?=?===>?

经以上校核可知，填料塔直径选用600D mm =合理。

2.填料层高度计算

*11Y mX ==2.088×0.00689=0.0439

*22Y mX ==0

脱吸因数为 2.08896.430.702286.67

mV S L ?=== 气相总传质单元数为 *12*221ln (1)110.0185ln (10.702)0.70210.7020.0009256.364

OG Y Y N S S S Y Y ??-=-+??--??

??=?-?+??-??

= 气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算： 220.750.10.050.221exp 1.45()()()()w c L t L L t L t L L L L t a G a G G a a g a σσμρρσ-??=--????

查常见材质的临界便面张力值表得

240518400c dyn cm h kg σ==

[ 6 ]水表面张力为 272.14/934934.4/L dyn cm kg h σ==

23132.5/t a m m =比表面积：（聚氯乙烯）

水粘度为0.8937 3.217/()L mPa s kg m h μ=?=?

液体质量通量为

220.050.750.12280.22

5165.79313429.86/()0.7850.7

451840013429.8613429.86132.51exp{1.45934934.4132.5 3.217997.08 1.271013429.86}0.421997.08934934.4132.5L w t G kg m h a a -==?????????=--??? ? ? ??????

???????= ?????

4 气膜吸收系数由下式计算：

10.730.237()()()V V t V G t V V V G a D k a D RT

μμρ= 气体质量通量为

222481.9 1.16810257.8/()0.7850.7

V kg h U kg m h ?==??

10.73210257.80.068132.50.0480.237()()()132.50.068 1.1680.0488.3143080.08945/()

G k kmol m h kPa ?=??????=??

液膜吸收系数由下式计算：

211332821133260.0095()()()13429.86 3.2173 3.2173 1.27100.0095()()()0.4214132.5 3.2173997.08 5.9410997.08

0.5373L L L L w L L L L

G g k a D m h

μμμρρ---=??=???????= 由 1.1G G w k a k a ψ=，查常见填料的形状系数表得

1.45ψ=（开孔环）

则 1.1 1.120.089450.4214132.5 1.457.516kmol/(m h kPa)G G w k a k a ψ==???=?? 0.40.410.53730.4214132.5 1.4537.49L L W k a k a h

ψ==???= 61.5%50%F

u u => 由 ' 1.4[19.5(0.5)]G

G F u k a k a u =+-，' 2.2[1 2.6(0.5)]L L F u k a k a u =+-得 ()1.4'319.50.6150.510.97()G G k a k a kmol m h kPa ??=+?-?=????

()2.2'11 2.60.6150.538.33L L k a k a h ??=+?-?=??

则 3''1

1 5.243(..)111110.970.26238.33G G L K a kmol m h kPa k a Hk a ===++?

由 2

96.430.4725.243101.30.7850.7OG Y G V V H m K a K aP ====ΩΩ??? 由 0.472 6.364 3.004OG OG Z H N m ==?=.

' 1.25 3.004 3.905Z m =?=

设计取填料层高度为

'4Z m =≤6m