摘要空氣-丙酮混合氣填料吸收塔設計任務為用水吸收丙酮常壓填料塔，即在常壓下，從含丙酮1.82%、相對濕度70%、溫度35℃的混合氣體中用25℃的吸收劑清水在填料吸收塔中吸收回收率為90%丙酮的單元操作。設計主要包括設計方案的確定、填料選擇、工藝計算等內容，其中整個工藝計算過程包括確定氣液平衡關系、確定吸收劑用量及操作線方程、填料的選擇、確定塔徑及塔的流體力學性能計算、填料層高度計算、附屬裝置的選型以及管路及輔助設備的計算，在設計計算中采用物料衡算、亨利定律以及一些經驗公式，該設計的成果有設計說明書和填料吸收塔的裝配圖及其附屬裝置圖。水吸收丙酮填料塔設計第一章任務及操作條件混合氣(空氣、丙酮蒸汽)處理量：1500m3/h進塔混合氣含丙酮1.82％(體積分數)；相對濕度:70％；溫度:35℃；進塔吸收劑(清水)的溫度25℃；丙酮回收率：90％；操作壓強：常壓操作。第二章設計方案的確定1設計方案的內容（1）流程方案的確定常用的吸收裝置流程主要有逆流操作、并流操作、吸收及部分再循環操作、多塔串聯操作、串聯—并聯操作，根據設計任務、工藝特點，結合各種流程的優缺點，采用常規逆流操作的流程，傳質平均推動力大，傳質速率快，分離效率高，吸收及利用率高。（2）設備方案的確定本設計要求的是選用填料吸收塔，填料塔是氣液呈連續性接觸的氣液傳質設備，它的結構和安裝比板式塔簡單。它的底部有支撐板用來支撐填料，并允許氣液通過。支撐板上的填料有整砌或亂堆兩種方式。填料層的上方有液體分布裝置，從而使液體均勻噴灑在填料層上。圖1.1常規逆流操作流程圖（3）流程布置吸收裝置的流程布置是指氣體和液體進出吸收塔的流向安排。本設計采用的是逆流操作，即氣相自塔底進入由塔頂排出，液相流向與之相反，自塔頂進入由塔底排出。逆流操作時平均推動力大，吸收劑利用率高，分離程度高，完成一定分離任務所需傳質面積小，工業上多采用逆流操作。（4）收劑的選擇吸收劑性能的優劣是決定吸收操作效果的關鍵之一，吸收劑的選擇應考慮以下幾方面：(1)溶解度:吸收劑對溶質的溶解度要大，以提高吸收速率并減少吸收劑的用量。(2)選擇性:吸收劑對溶質組分有良好的溶解能力，對其他組分不吸收或甚微。(3)揮發度：操作溫度下吸收劑的蒸汽壓要低，以減少吸收和再生過程中的揮發損失。(4)粘度:吸收劑在操作溫度下粘度要低，流動性要好，以提高傳質和傳熱速率。(5)其他：所選用的吸收劑盡量要無毒性、無腐蝕性、不易爆易燃、不發泡、冰點低、廉價易得及化學性質穩定一般來說，任何一種吸收劑都難以滿足以上所有要求，選用是要針對具體情況和主要因素，既考慮工藝要求又兼顧到經濟合理性。（5）操作溫度和壓力的確定(1)溫度:低溫利于吸收，但溫度的底限應由吸收系統決定，本設計溫度選25℃(2)壓力：加壓利于吸收，但壓力升高操作費用、能耗增加，需綜合考慮，本設計采用常壓。第三章填料的選擇1填料的種類和類型工業上填料按形狀和結構可分為散裝填料和規整填料兩類：（1）顆粒填料以隨機的方式堆積在塔內，以下是幾種典型的散裝填料：拉西環填料最早的工業填料，但因性能較差，目前工業上已經很少使用鮑爾環填料是在拉西環基礎上的改進，利用率有了很大提高階梯環填料對鮑爾環的改進，為目前所使用的環形填料最為優良的一種弧鞍填料一般采用瓷質材料，易碎，工業中不常用環矩鞍填料集環型與鞍型優點，是工業應用最廣的一種金屬散裝填料（2）規整填料以一定的幾何形狀，整齊堆砌，工業用多為波紋填料，其優點是結構緊湊、傳質效率高、處理量大，但不易處理粘度大或有懸浮物的物料，且造價高。2填料類型的選擇根據分離工藝的要求，考慮以下因素：(1)傳質效率在滿足工藝條件的前提下，選用傳質效率高，即HETP(或HTU)低的填料。(2)通量保證較高的傳質傳質效率前提下，選用有較高泛點或氣相動能因子的填料。(3)填料層壓降壓降越小，動力耗費越少，操作費用越小。(4)操作性能填料具有較大操作彈性，且具有一定的抗污堵、抗熱敏能力等。3填料規格的選擇(1)散裝填料常用主要有16、25、38、50、76等幾種規格。一般推薦：300時，選25的填料；時，選25—38的填料;時，選用的填料，但一般大塔中常用的填料。(2)規整填料從分離要求、通量要求、場地條件、物料性質及設備投資、操作費用等方面綜合考慮，既考慮工藝要求又兼顧到經濟合理性。4填料材質的選擇(1)陶瓷具有耐腐性及耐熱性，但質脆、易碎，不宜高沖擊強度下使用。(2)金屬碳鋼對低腐蝕無腐蝕物系優先考慮，不銹鋼耐以外物系腐蝕，特種合金鋼價格高，只在特殊條件下使用(3)塑料主要包括PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)、PVC(聚氯乙烯)等，一般采用PP(聚丙烯)材質。塑料耐腐蝕性、耐低熱性好，但具有冷脆性，表面潤濕性較差。一般講，操作溫度較高但無顯著腐蝕性時，選用金屬填料；溫度較低選用塑料填料；物系具有腐蝕性、操作溫度高，宜采用陶瓷填料。由于本設計操作溫度較低且無腐蝕性，壓強采用常壓，所以選用塑料填料。第四章工藝計算1物料計算（1）進塔混合氣中各組分的量近似取塔平均操作壓力為101.3kPa,故：混合氣量=1500（）×=59.36kmol∕h混合氣中丙酮量=59.36×0.0182=1.08kmol∕h=1.08×58=62.64㎏∕h查附錄，35℃飽和水蒸氣為5623.4Pa，則相對濕度為70%的混合氣中含水蒸氣量==0.0404kmol（水氣）∕kmol（空氣+丙酮）混合氣中水蒸氣的含量==2.31kmol∕h=2.31×18=41.58㎏∕h混合氣中空氣量=59.36-1.08-2.31=55.97kmol∕h=55.97×29=1623㎏∕h（2）混合氣進出塔（物質的量）組成已知：，則（3）混合氣進出塔（物質的量比）組成若將空氣與水蒸氣視為惰氣，則惰氣量=55.97+2.31=58.28kmol∕h=1623+41.58=1664.6㎏∕h=0.0185kmol（丙酮）∕kmol（惰氣）0.00185kmol（丙酮）∕kmol（惰氣）（4）出塔混合氣量出塔混合氣量=58.28+1.08×0.1=58.388kmol∕h=1670.8㎏∕h2氣液平衡曲線當x<0.01，t=15～45℃時，丙酮溶于水其亨利系數E可用下式計算：=9.171－[2040／（t+273）]查《化學工藝算圖》第一冊.常用物料特性數據，由前設X值求出液溫，通過上式計算相應E值，且m=，分別將相應E值及相平衡常數m值列于表4-16中的第3，4列。由=mX求取對應m及X時的氣相平衡組成，結果列于表中4-16中第5列。根據X-數據，繪制X-Y平衡曲線0E，如圖1所示。3吸收劑（水）的用量由圖1查出，當=0.0185，=0.0072,依下式式計算最小吸收劑用量。=134.8kmol∕h=1.1～2.0取故=1.7×134.8=229.2kmol∕h=4126㎏∕h4塔底吸收液根據式有5操作線 依操作線方程式得Y=X+0.00185=3.933X+0.001856塔徑計算塔底氣液負荷大，依塔底條件(混合氣35℃)，101.325kPa，查表可知，吸收液27.16u=（0.6~~0.8）（1）采用Eckert通用關聯圖法(圖2)計算泛點氣速=1\*GB3①有關數據計算塔底混合氣流量＝1623＋62.64＋41.58＝1727kg／h吸收液流量＝4126＋1.08×0.9×58＝4182kg／h圖2通用壓降關聯圖進塔混合氣密度＝×＝1.15kg／(混合氣濃度低，可近似視為空氣的密度)吸收液密度＝996.7kg/吸收液黏度＝0.8543mPa·s經計算，選DG50mm塑料鮑爾環。查《化工原理》教材附錄可得，其填料因子=120，比表面積A＝106.4=2\*GB3②關聯圖的橫坐標值()1/2=()1/2=0.082=3\*GB3③由圖2查得縱坐標值為0.146即0.2=0.2=0.0137=0.146故液泛氣速==3.264m/s(2)操作氣速u＝0.6＝0.6×3.264＝1.96m/s(3)塔徑==0.52m=520mm取塔徑為600mm。(4)核算操作氣速U==1.474m/s<(5)核算徑比D/d＝600/50＝12，滿足鮑爾環的徑比要求。(6)噴淋密度校核依Morris等推專，d＜75mm約環形及其它填料的最小潤濕速率(MWR)為0.08／(m·h),故：最小噴淋密度＝0.08×106.4＝8.512/(m2·h)因＝＝14.6/(㎡.h)故滿足最小噴淋密度要求。7填料層高度計算計算填料層高度，即：Z＝(1)傳質單元高度計算=，其中=本設計采用（恩田式）計算填料潤濕面積aw作為傳質面積a，依改進的恩田式分別計算及，再合并為和。①列出備關聯式中的物性數據氣體性質(以塔底35℃，101.3kPa空氣計)：＝1.15kg/(前已算出)；＝0.01885×(查附錄)；＝1．09×（依翻Gilliland式估算)。液體性質(以塔底27．16℃水為準)：＝996.7kg/；＝0.8543×Pa·s；＝71．6×N／m(查化工原理附錄）；=1.344×(以式計算)，式中為溶質在常壓沸點下的摩爾體積，為溶劑的分子量，為溶劑的締合因子。氣體與液體的質量流速：=4.1=1.7 塑料鮑爾環(亂堆)特性：＝50mm＝0.05m;A＝106.4;=40dy/cm=40×10-3N/m;查《化學工程手冊，第12篇，氣體吸收》，有關形狀系數，=1.45。=2\*GB3②依式={-1.45（）0.75（）0.1（）-0.05（）0.2}={-1.45（0.646）（1.47）（1.09）（0.29）}=（-0.432）=0.351故==0.351×106.4=37.3=3\*GB3③依式=0.0051()2/3()1/\3()1/3()0.4=0.0051()2/3()1/3()1/3(5.9)0.4=0.0051×25.5×0.0396×0.02033×2.03=2.13×10-4m/s=4\*GB3④依式=5.23()0.7()1\3()()=5.23()0.7()1/3()(5.9)=5.23(112.1)(1.146)(4.529×10-7)(5.9)=1.795×10-3kmol/(m2·s·kPa)故=2.13××37.3=7.94×10-3(L/s)=1.795×10-3×37.3=7.00×10-2kmol/(m2·s·kPa)(2)計算＝，而，H=。由于在操作范圍內，隨液相組成和溫度的增加，m(E)亦變，故本設計分為兩個液相區間，分別計算(=1\*ROMANI)和(=2\*ROMANII)區間IX＝0.004~0.002(為(=1\*ROMANI))區間=2\*ROMANIIX＝0.002~0(為(=2\*ROMANII))由表1知＝2.30×kPa,＝==0.241kmol/(·kPa)=2.18×kPa,===0.254kmol/(·kPa)=＋＝536.9=.P=0.1884=＋=510.1=0.00196×101.3=0.1985(3)計算===0.304m===0.289m（4）傳質單元數組成=1\*ROMANI=2\*ROMANIIX0.004~0.0020.002~0Y0.0176~0.00970.0097~0.00185Y*0.00935~0.004420.00442~0據下式計算NOG=（5）填料層高度Z計算Z==0.304×1.2+0.289×2.4=1.0584m取25%余量，則完成本設計任務需DG塑料鮑爾環的填料層高度Z=1.25×1.0584=1.4m8填料層壓降計算取圖2(通用壓降關聯圖)橫坐標值0.082(前已算出)；將操作氣速(＝1．474m/s)代替縱坐標中的查表，DG50mm塑料鮑爾環的壓降填料因子＝125代替縱坐標中的．則縱標值為：×()×(0.8543)0.2=823.9Pa查圖2(內插)得P=24×9.81=235.4Pa/m填料全塔填料層壓降=3.5×235.4=823.9Pa至此，吸收塔的物科衡算、塔徑、填料層高度及填料層壓降均已算出。關于吸收塔的物料計算總表和塔設備計算總表此處從略。第五章填料吸收塔的附屬設備1、填料支承板分為兩類：氣液逆流通過平板型支承板，板上有篩孔或柵板式;氣體噴射型，分為圓