1、環境工程原理課程設計題目水吸收丙酮填料塔設計學院專業班級學生姓名學生學號指導教師2021年6月16日目錄第一章設計任務書31.1設計題目31.2設計任務及操作條件31.3設計內容31.4設計要求3第二章設計方案確實定42.1設計方案的內容42.1.1流程方案確實定42.1.2設備方案確實定42.2填料的選擇5第三章吸收塔的工藝計算63.1根底物性數據63.1.1液相物性數據63.1.2氣相物性數據63.1.3氣液平衡相數據73.2物料衡算73.3填料塔塔徑的計算83.3.1泛點氣速的計算83.3.2塔徑的計算及校核93.4.1氣相總傳質單元數的計算103.4.2氣相總傳質單元高度的計算103.

2、5填料塔流體力學校核123.5.1氣體通過填料塔的壓降123.5.2泛點率133.5.3氣體動能因子13第四章塔內輔助設備的選擇和計算134.1液體分布器134.2填料塔附屬高度144.3填料支承裝置154.4填料壓緊裝置154.5液體進、出口管154.6液體除霧器164.7筒體和封頭174.8手孔174.9法蘭174.10裙座19第五章設計計算結果總匯表20第六章課程設計總結23參考文獻24附錄25第一章設計任務書1.1設計題目水吸收丙酮填料塔設計1.2設計任務及操作條件1氣體處理量：1820m3/h2進塔混合氣含丙酮5%Vol,進塔溫度353進塔吸收劑清水溫度：25,吸收劑的用量為最小用量

3、的1.3倍4丙酮回收率：90%5操作壓力：常壓6每天工作24小時,一年300天1.3設計內容1確定吸收流程（2物料衡算,確定塔頂塔底的氣液流量和組成（3選擇填料、計算塔徑、填料層高度、填料分層、塔高（4流體力學特性校核：液氣速度求取、噴淋密度校核、填料層壓降計算（5附屬裝置的選擇與確定：液體噴淋裝置、液體再分布器、氣體進出口及液體進出口裝置、柵板1.4設計要求11設計說明書內容2目錄和設計任務書3流程及流程說明4設計計算及結果總匯表5對設計成果的評價及討論6參考文獻72繪制填料塔設計圖第二章設計方案確實定2.1設計方案的內容2.1.1流程方案確實定本工藝采用清水吸收丙酮,為易溶氣體的吸收過程,

4、由于逆流操作傳質推動力大,傳質速率快,別離效率高,吸收劑利用率高,應選用逆流操作,即氣體自塔低進入由塔頂排出,液體自塔頂進入由塔底排出.流程說明：在該填料塔中,丙酮和空氣的混合氣體經由填料塔的下側進口進入塔中,與從填料塔塔頂流下的清水逆流接觸,在填料外表進行傳質吸收,經過吸收的混合氣體從塔頂排出,吸收了丙酮的水由填料塔的下端流出.常規逆流操作流程見圖1-1.圖1-1常規逆流操作流程圖2.1.2設備方案確實定填料塔是以塔內的填料作為氣液兩相間接觸構件的傳質設備,塔身是一直立式圓筒,底部裝有填料支承板,填料以亂堆或整砌的方式放置在支承板上.填料的上方安裝填料壓板,以防被上升氣流吹動.填料層的上方有

5、液體分布裝置,從而使液體均勻噴灑在填料層上.2.2填料的選擇對于水吸收丙酮的過程,選才DN50金屬環矩鞍填料,其具體結構特性參數見表2-1.表2-1金屬環矩鞍填料結構特性參數1公稱尺寸Dg/mm外徑*x厚dH/(mmXmmXmm)堆積個數n/(個/m-3)堆積密度p/(kg/m3)空隙率/%比外表積a/(m2/m3)干填料因子Fa/3/m-1505040M104002919674.984第三章吸收塔的工藝計算3.1根底物性數據3.1.1液相物性數據對于低濃度吸收過程,溶液的物性數據可近似取純水的物性數據.由手冊查得,25c時水的有關物性數據如下：密度：L997.08kg/m3黏度3:L0.89

6、37mPas3.22kg/(mh)外表張力4：L71.97mN/m=932731.2kg/h2又因液體中擴散系數6:2Vm.6DAB-溶質1在溶劑2中的擴散系數,Mr,2溶劑2的分子量;T溫度,K;2洛齊 1J2的粘度;Vm,1溶質1在正常沸點下的分子體積;其他非締合液體為1故25c時丙酮在水中的擴散系數為:7.4108(2.618.02)0.5(273.1525)0.893775.60.61.261109m2/s4.5396106m2/h3.1.2氣相物性數據混合氣體的平均摩爾質量:查手冊得15c時丙酮在水中的擴散系數為:92DL1.25109m2/s7.4108(Mr,2)1/2TD122

7、.6;甲酉享為1.9;乙醇為1.5;DL溶劑2的締合參數,無因次,水為MVmyiMi0.0558.080.952930.45kg/kmol混合氣體的平均密度:PMvm101.330.45Vm_RT8.314(273.1535)_31.2040kg/m3混合氣體的粘度可近似取空氣的粘度,查手冊7得35c空氣的粘度為:_5_V1.83210Pas0.06595kg/(mh)查手冊網得丙酮在空氣中擴散系數為:_15DV0.0043kTk0.00426故35c時丙酮在空氣中的擴散系數為:_15_2_2DV0.00430.00426(273.1535).990.88m/h0.03567m/h3.1.3氣

8、液平衡相數據由IgE9.171軍竺可知：T常壓下25c時丙酮在水中的亨利系數為:9.1712040E10273.1525213.209kPa相平衡常數為:E213.209m-2.105P101.3溶解度系數為：997.0830.2595kmol/(kPam3)213.20918.023.2物料衡算進塔氣相摩爾比為:y10.05Yy1LL0.05261y110.05出塔氣相摩爾比為:工1A)0.0526(10.9)0.00526進塔惰性氣體流量為：1820273.15V(10.05)68.42kmol/h22.4273.1535該過程屬低濃度吸收,平衡關系為直線,最小液氣比可按下式計算,即:對于

9、純吸收過程,進塔液相組成為：X200.05260.005262八1.90650.0526/2.1050取操作液氣比為：L1.3(L)min1.31.90652.4784故吸收劑用量為：L(L)minV2.478468.42169.572kmol/h3.3填料塔塔徑的計算3.3.1泛點氣速的計算采用埃克特(Eckert)泛點氣速關聯圖進行計算,關聯圖見圖3-1氣相質量流量為：WV=18201.2040=2191.28kg/h液相質量流量可近似按純水的流量計算,即：WL169.57218.023055.69kg/hEckert通用關聯圖的橫坐標為：(L)min由物料衡算式V(YY2)L(XIX2)

10、可知:XIV(YIY2)68.42(0.05260.00526)169.5720.0191YYY/mX2WL、.53055.69,1.20400.5()()0.048WVL2191.28997.08圖3-1Eckert通用關聯圖92查圖3-1得：u-F一V及0.045gL查附表1得：F135m1(0.0459.81997.08)0.5(13511.20400.89370.2取u0.8uF0.81.6641.331m/s3.3.2塔徑的計算及校核塔徑圓整,取 D0.7mD0.7m泛點率校核：1820/36000.7850.721.314m/s1314100%79.0%(在允許范圍內)1.664填

11、料規格校核:液體噴淋密度校核:塔徑的計算:D41820/36003.141.3310.696mD700d50148,0.045gL、O.5uF(07)FVL1.664m/suUF取最小潤濕速率為3.(Lw)min0.08m/(mh)由表2-1可知：a74.9m2/m33.4填料層高度的計算3.4.1氣相總傳質單元數的計算*Y2mX2脫吸因數為氣相總傳質單元數為*NOGln(1S)YY-2*1SY2Y20.052600.8495.6840.0052603.4.2氣相總傳質單元高度的計算氣相總傳質單元高度采用修正的恩田關聯式10計算：22aw1exp9一)0)0.)0.)0.2atLatLLgLL

12、atUmin(Lw)mina0.0874325.99m/(mh)3055.69/997.080.7850.727.97Umin*Y=mX12.1050.01910.0402S1ln(10.849)10.849經以上校核可知,填料塔直徑選用D700mm合理.查附表2得2C75dyn/cm972000kg/h液體質量通量為972000、0.75/7903.80皿,7903.80274.9、0.051.45()()(28)awd932731.274.93.22997.0821.271081exp2at(7903.802)0.2997.08932731.274.90.580氣膜吸收系數由下式10計算:

13、UV07V13atDVkG0.237)0.7()3(TV)atVVDVRT氣體質量通量為025696.82)0.7(0.06595)13(74.90.03567)74.90.065951.20400.035678.314298.150.0410kmol/(m2hkPa)液膜吸收系數由下式10計算:3.221.27108、I3()3997.0811kGa%aw,查附表3得1.45113_1.452.680kmol/(m3hkPa)kL0.0095(-U)23(awLLDL)12(Lg)13L0.0095(7903.800.5874.93.22)23(3.22)129997.084.53961.“

14、%a1.1%awkLahaw0.40.38970.58074.91.450.419.6421/hUF包79.0%1.66450%UL3055.69_20.7850.7227903.80kg/(m2h)UV18201.20400.7850.725696.82kg/(m2h)kG0.3897m/h0.04100.58074.9kGaHkLa110.259522.98768.42由ZHOGNOG0.5395.6843.064m,得Z1.253.0643.830m設計取填料層高度為一,Z4m查附表4,對于環矩鞍填料,-815,hmax6mD取n8,那么Dh87005600mm計算得填料層高度為4000

15、mm,故不需分段.3.5填料塔流體力學校核3.5.1氣體通過填料塔的壓降采用Eckert通用關聯圖計算填料層壓降.橫坐標為kGa19.5(0.5)1.4kGa,UF2.6(0.5)2.2kLa,得UFkGakLaAa11_149.5(0.78970.5)._222.6(0.78970.5).2.68019.64237.174kmol/(mhkPa)22.9871/hHOGKYaGaPWk(_V_)0,5WL0.04817.1743.257kmol(m3hkPa)0.539m23.257101.30.7850.72縱坐標為查附圖1得P/Z186.39Pa/m填料層壓降為P186.394745.5

16、6Pa3.5.2泛點率u1.314100%79.0%UF1.665泛點率介于50%80%之間,合理.3.5.3氣體動能因子_11Fu11.314.1.20401.44kgW/Sm2氣體動能因子在常用的范圍內.從以上的各項指標分析,該吸收塔的設計合理,可以滿足吸收操作的工藝要第四章塔內輔助設備的選擇和計算4.1液體分布器(1)液體分布器的選型本設計任務液相負荷為：L169.57218.02_2997.080.7850.72查附表5得,1P71m0.2L1.31427119.811.2040020.893700.0148997.087.97m3/(m2h)液相負荷較小,應選用排管式液體分布器.(2

17、)布液點數根據附表6Eckert的散裝填料塔分布點密度推薦值,D=700mm時,分布點密度可取180點/m2塔截面.故布液點數為：2.n1800.7850.769.270點(3)孔徑計算由V=d2nk.麗11式中d布液孔直徑,m；V-液體流率,m3/s；n布液孔數；k孔流系數；h液體高度,m；g重力加速度,m/s2.取k0.55,h170mm4Vnk、,2gh40.00085983.14700.5529.810.17設計取d4mm.(4)液體分配管與布液支管尺寸查表12可得：當D700mm時,主管直徑取50mm,支管排數取4,管外緣直徑取660mm,最大體積流量為9.5m3/h0169.572

18、18.23600997.080.0008598m3/s0.00395m3.95mm4.2填料塔附屬高度塔上部空間高度可取為1.2m,塔底液相停留時間按1min考慮,那么塔釜液所占空間高度為:60169.57218.0220.13m0.7850.72997.083600度為:h1.21.22.4m4.3填料支承裝置13梁式氣體噴射式支承板氣體流通自由界面率大,阻力小,承載水平強,氣液兩相分布效果小,性能優良,因此,本設計選用梁式氣體噴射式支承板,其尺寸如表4-1.表4-1支承板波形尺寸mm波形波形尺寸bHt7b7b幾192250192注：尺寸b是塔中間支承板寬度,在塔邊緣支承板的尺寸b將隨塔徑不

19、同而異,左右不對稱.H為波高,t為波矩.4.4填料壓緊裝置14本設計選用絲網床層限制板,重量約為300N/m2,限制板的外徑選用690mm.4.5液體進、出口管(1)氣體進出口管徑計算工業上,一般氣體進料流速為1020m/s,本設計取流速為15m/s由標準GB/T8163-99,選用225mm8mm無縫鋼管.hi1.2m,故填料塔附屬高考慮到氣相接管所占空間高度,底部空間高度可取207mm核算：u竺320214.7m/s,故滿足條件d3.143600(0.2250.0082)(2)液體進出口管徑計算工業上,一般液體進料流速為0.51.5m/s,本設計取流速為1m/s.,4V740.000859

20、8d.:一S,33.1mm:u.3.141由標準GB/T8163-99,選用40mm3mm無縫鋼管.40.000859820.95m/s,故湎足條件o3.14(0.0400.0032)24.6液體除霧器本設計選用上裝式絲網除沫器,見圖4-1,由標準HGT21618-1998,得除沫器規格參數見表4-2.圖4-1網式除沫器表4-2上裝式絲網除沫器規格參數mm主要外形尺寸重量(kg)核算：u隼HHID絲網格柵及定距桿支撐件1502686208.678.788.634.7筒體和封頭(1)筒體由標準JB115373,得筒體規格參數見表4-3.表4-3筒體規格參數1米高的容積V/m31米局的內外表積FB

21、/m2厚度Nmm1米高筒節鋼板理論質量/kg0.3852.20469(2)封頭本設計選用橢圓封頭,由標準JB/T473795,得封頭規格參數見表4-4表4-4EHA橢圓形封頭規格參數曲邊高度h1/mm直邊高度h2/mm內外表積A/m2容積V/m3175250.58610.05454.8手孔由標準HG/T21514-2005,得手孔規格參數見表4-5表4-5手孔規格參數名稱簡圖密封面型式及代號公稱直徑DN(mm)公稱壓力PN(MPa)標準編號常壓手孔(力 r全平面FF150常壓HG/T21528-2005T1T TN114.9法蘭本設計選用PN0.25MPa(2.5bar)板式平焊鋼制管法蘭,見

22、圖4-2圖4-2板式平焊鋼制管法蘭由標準HG20593-1997,得法蘭選才?結果見表4-6和表4-7(1)管法蘭的選擇表4-6管法蘭規格參數mmag公稱通徑DN管子外徑Ai法蘭外徑D連螺栓孔中央圓直徑K接尺寸螺栓孔直徑L螺栓孔數量n螺紋Th法蘭厚度C法蘭內徑B1法蘭理論(kg)ABAB氣體進出口管2502732733753351812M1624276.52768.96(2)容器法蘭的選擇表4-7容器法蘭特性參數mm液體進出口管4048.345130100144M121649.5461.38管子外徑連接尺寸法蘭內徑公稱通A1法蘭外螺栓孔中央螺栓孔螺栓孔數法蘭B1法蘭理徑徑圓直徑直徑量螺紋厚度論

23、重量DNABDKLnThCAB(kg)7007117208608102624M243671572444.24.10裙座本設計選用圓錐形裙座,見圖4-3.圖4-3圓錐形裙座裙座筒體上端面至塔釜封頭切線距離：hi27mm15直進料管高度：h2200mm16彎進料管高度：h3600mm17檢查孔中央高度：h4600mm18裙座高度H22360060060022000mm2m第五章設計計算結果總匯表設計計算結果匯總見表5-1、表5-2、表5-3.表5-1填料設計計算匯總表公稱尺寸Dg/mm50孔隙率/%96一I2比外表積a/(m/m3)74.9泛點填料因子F/m1135壓降填料因子P/m171表5-2

24、物料設計計算匯總表混合氣體處理量一 3Q/(m3/h)1820混合氣體平均摩爾質量Mvm/(kg/kmol)30.45混合氣體平均密度,八,3、Vm/(kg/m)1.2040混合氣體的粘度V/kg/(mh)0.06595內酮在空氣中擴散系數_2DV/(m/h)0.03567吸收液密度L/(kg/m3)997.08吸收液粘度L/kg/(mh)3.22外表張力L/(kg/h2)932731.2內酮在水中擴散系數_2DL/(m/h)4.539610-6丙酮在水中亨利系數E/kPa213.209內酮在水中溶解度系數_3H/kmol/(kPam)0.2595內酮在水中相平衡常數2.105進塔氣相摩爾比Y

25、10.0526出塔氣相摩爾比Y20.00526進塔液相摩爾比X20出塔液相摩爾比X10.0191進塔惰性氣體流量V/(kmol/h)68.42吸收劑流量L/(kmol/h)169.672氣相質里流里WV/(kg/h)2191.28液相質量流量WL/(kg/h)3055.69表5-3塔設備的工藝設計計算匯總表塔徑DN/mm700空塔氣速u/(m/s)1.314泛點氣速UF/(m/s)1.664泛點率F/%79.0氣相總傳質單元數NOG5.684氣相總傳質單兀圖度H0G/m0.539填料層高度Z/mm4000填料塔附屬高度h/m2.4裙座圖度H2/m2.0填料層壓降P/(Pa/m)186.3911

26、氣體動能因子F/(kg2/Sm2)1.44第六章課程設計總結通過此次課程設計,我對填料塔的設計原理和方法有了更深刻的熟悉.通過查閱大量的資料,我了解了設計中的計算過程,明確了設計的思路,豐富了所學的知識.此外,課程設計中需要反復的校核和綜合的考量,才能設計出最適宜的方案,這在一定程度上也磨練了我的耐心.本次課程設計根本上能根據任務書的要求、參考書的指導順利進行.我明確到在填料的選擇上往往要考慮多方面的因素,如：流量的大小、吸收率的限制、填料的類型、填料的公稱直徑等.設計過程中計算所需塔填料層高度時,填料的選擇將決定塔是否合理.在設計過程中存在著校核結果不適宜的情況,在老師的指導下,我進行了修改

27、,得到了較適宜的設計方案.1王樹楹主編,現代填料塔技術指南,中國石化出版社M,1997.12:492劉光啟,馬連湘等主編,化學化工物性數據手冊M,化學工業出版社,2021.4:33劉光啟,馬連湘等主編,化學化工物性數據手冊M,化學工業出版社,2021.4:124劉光啟,馬連湘等主編,化學化工物性數據手冊M,化學工業出版社,2021.4:155時鈞,汪家鼎等主編,化學工程手冊第二版上卷M,化學工業出版社,1996.1:1506時鈞,汪家鼎等主編,化學工程手冊第二版上卷M,化學工業出版社,1996.1:149劉光啟,馬連湘等主編,化學化工物性數據手冊M,化學工業出版社,2021.4:718劉光啟,馬連湘等主編,化工物性算圖手冊M,化學工業出版社,2002.1:6949賈紹義,柴誠敬主編,化工原理課程設計M,天津大學出版社,2002.8:1509賈紹義,柴誠敬主編,化工原理課程設計M,天津大學出版社,2002.8:14310匡國柱,史啟才主編,化工單元過程及設備課程設計第二版M,化學工業出版社,200