丙酮吸收塔的设计方案

山

山东师范大学

课 程 论 文（设计）

题 目 丙酮与空气的混合气体填料吸收塔设计

课 程 名 称 化工设计 二 级 学 院 化学化工与材料科学学院 专 业 化学工程与工艺 班 级 化工一班 学 生 姓 名 学 号

指 导 教 师 张其坤

设计起止时间：2016年11月01日至2017年01月01日

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设计任务书

设计任务：丙酮与空气的混合气体填料吸收塔设计

设计参数：原料气组成：丙酮—空气二元混合气体，丙酮含量8.5%（体

积分数），进塔混合气温度为40℃，要求丙酮回收率95%以上

年处理量：2000、2500、3000、3500、4000m3/h 操作条件：连续常压操作 年工作日：300天 工作地点：临沂市 吸收剂 ：软水 设计要求：

（1）完成设计说明书一份，字数在6000字以上

（2）完成带控制点的工艺流程图、车间布置图、吸收塔工艺条

件图各一张

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重要符号说明

D——塔径，m；

DL——液体扩散系数，㎡/s； Dv——气体扩散系数，㎡/s ； ev——液沫夹带量,kg(液)/kg(气)； g——重力加速度，9.81 m/s^2 ； h——填料层分段高度，m； HETP关联式常数；

Hmax——允许的最大填料层高度，m； HB——塔底空间高度，m； HD——塔顶空间高度，m； HOG——气相总传质单元高度，m； kG——气膜吸收系数，kmol/(㎡•s•kPa)； kL——液膜吸收系数，m/s；

KG——气相总吸收系数，kmol/(•㎡s•kPa)； Lb——液体体积流量，m3/h； LS——液体体积流量，m3/s； LW——润湿速率，m3/(m•s)； m——相平衡常数，无因次； n——筛孔数目；

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NOG——气相总传质单元数； P——操作压力，Pa；

△P——压力降，Pa； u——空塔气速，m/s； uF——泛点气速，m/s

u0min——漏液点气速，m/s；

u′0——液体通过降液管底隙的速度，m/s； U——液体喷淋密度，m3/(㎡•h) UL——液体质量通量，kg/(㎡•h) Umin——最小液体喷淋密度，m3/(㎡•h) Uv——气体质量通量，kg/(㎡•h) Vh——气体体积流量，m3/h； Vs——气体体积流量，kg/s； Wl——液体质量流量，kg/s； Wv——气体质量流量，kg/s； L——液相速率kmol/㎡ G——气体速率kmol/㎡ x——液相摩尔分数； X——液相摩尔比 y——气相摩尔分数； Y——气相摩尔比；

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Z——板式塔的有效高度，m； 填料层高度，m。 希腊字母

ε——空隙率，无因次； μ——粘度，Pa•s； ρ——密度，kg/m3； σ——表面张力，N/m；

φ——开孔率或孔流系数，无因次； Φ——填料因子，l/m；

ψ——液体密度校正系数，无因次。 下标

max——最大的； min——最小的；

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目录

摘要

1 前言

1.1 设计任务 1.2 丙酮的介绍 1.3 填料塔的主体结构与特点

2 设计方案的确定

2.1 工艺流程图的确定 2.2 丙酮回收工艺 2.3 水吸收工艺

3 吸收塔的工艺计算

3.1 基础物性数据

3.1.1液相物料衡算 3.1.2气相物性数据 3.1.3气液相平衡数据

3.2 物料衡算 3.3 吸收塔工艺尺寸的计算

3.3.1塔径的计算 3.3.2填料层高度的计算 3.4 塔附属高度的计算 3.5填料层压降的计算

3.5.1气体动能因子

参考文献 后记

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丙酮与空气的混合气体填料吸收塔设计

摘要：吸收是气液传质的过程，吸收塔设备是气液接触的传质设备，一般分为级数

接触和微分接触两类。本设计采用微分接触。微分接触常采用液相分散，设计采用传质单元高度和传质单元数。本设计采用填料塔，料填塔是填料塔的核心和关键，它提供了塔内气液两项接触传质和传热的表面积，与塔结构一起决定了塔设备的性能。本设计计算流程由气液两项物性数据衡算到塔设备工艺尺寸计算，从而得出吸收塔的工艺计算。 关键词：吸收/传质/填料塔/物据衡算/工艺计算

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1 前言

1.1 设计任务:

丙酮与空气的混合气体填料吸收塔设计

1.2 操作条件:

混合气体的年处理量：3500m3/h(标准状态)；

混合气体组成：空气：0.915 丙酮0.085（均为体积分数）； 要求丙酮的回收率：95%； 吸收剂：软水

混合气温度：40℃ 压力：101.325KPa 工作地点：山东临沂

1.3丙酮的介绍

丙酮作为一种良好的有机溶剂，大量用于化工生产过程，特别是在制药工业和醋酸纤维工业中有着广泛的应用，由于丙酮的沸点较低，挥发性强，所以丙酮发亮存在于生产过程产生的废气中，对环境和人体的健康造成了极大地危害。对废气中的丙酮进行回收，使其能达标排放，可减轻对环境的污染和对人体的伤害，同时也可以减少丙酮的消耗，节约运行成本。

丙酮是一种无色透明液体，有特殊的辛辣气味，易燃、易挥发，化学性质较活泼，是化学制药行业和精细化工行业中的一种非常重要的溶剂［１－２］。由

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于丙酮易挥发，在使用及生产过程中会与空气形成混合气体，这既浪费了原料又污染了环境。所以，对丙酮回收系统进行优化研究具有重要意义。

1.4填料塔的主体结构与特点

填料塔不但结构简单，且流体通过填料层的压降较小，易于用耐腐蚀材料制造，所以它特别适用于处理量肖，有腐蚀性的物料及要求压降小的场合。液体自塔顶经液体分布器喷洒于填料顶部，并在填料的表面呈膜状流下，气体从塔底的气体口送入，流过填料的空隙，在填料层中与液体逆流接触进行传质。因气液两相组成沿塔高连续变化，所以填料塔属连续接触式的气液传质设备。

2 设计方案的确定

2.1工艺流程图的确定

丙酮-空气二元混合物中丙酮的吸收采用常规逆流操作，其中，选择进塔混合气温度为40℃，进塔吸收剂软水温度为25℃，在常压下进行操作。其工艺流程图见图1。

2.2丙酮的回收工艺

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，待处理后再排入地沟。丙酮的回收工艺主要有丙酮深冷法、水吸收法和活碳吸附法。深冷法的冷量制取的成本较大而且回收率低，所以一般使用水吸收法和活碳吸附法。

2.3水吸收工艺

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用的是水吸收工艺。吸收就是使混合气体与所选择的液体充分接触，混合气中某一组份溶于液体中，而其余组分不溶或难溶于液体中，从而实现混合气体中某一组分的分离。水吸收法是利用丙酮极易溶于水（与水任意比互溶）的性质来分离混合气体中的丙酮气和空气的。混合气经冷却后，从吸收塔底部进入吸收塔，吸收剂（水）经冷却后从吸收塔顶部进入吸收塔，在吸收塔内，混合气中的丙酮气被水吸收，形成稀丙酮溶液从塔底流出，不被吸收的空气从塔顶排入大气中。然后，稀丙酮溶液被送入蒸馏塔中进行蒸馏分离得到高纯度的丙酮重新进入生产系统中回用。

3.吸收塔的工艺计算

3.1基础物性数据

3.1.1液相物料衡算

对低浓度吸收过程，溶液的物性数据。由《化工原理》查的25℃时水的有关数据如下：

密度为：ρL=996.95kg/m³

粘度为：μL=0.37mPa·s =3.217kg/（m· h） 表面张力：σL=71.94×10-³N/m =932342.4kg/h² 丙酮在水中的扩散系数：DL=4.608×10^-6㎡/h

3.1.2气相物性数据

MVM=58×0.085+29×0.915=31.47

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混合气体的平均密度为ρ313.15)=1.23kg/㎥

混合气体的粘度可近似空气的粘度，查《化工原理》可知，40℃空气粘度为μv=1.91*10^-5Pa·s=0.0685（kg/（m·h）

40℃饱和水蒸气压强：P=7.37 kPa

3.1.3气液相平衡数据

VM

=(101.325×31.47)/(8.314×

当t=25℃时，该系统的平衡关系为：y=1.75x

即相平衡常数为：m=1.75 E=mP=1.75*101.3=177.275（kPa） 亨利系数H与相平衡常数m之间的关系： H=ρL/EMs

当溶质在液相中的浓度较低时（x<0.05），亨利系数E与溶解度系数H间的关系可表示为：（M:溶剂的分子量，kg/koml ,可近似为水的密度）。

溶解度系数为：

H=ρL/EMs=996.95/177.32×18.02=0.312(kmol/(kPa·㎥)

3.2物料衡算

1．进塔混合气中各组分的量 丙酮的摩尔分率为0.085

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近似取塔平均圧力为101.3 kPa，故当进料量为3500 m3/h时： 混合气体量=3500/22.4kmol/h=156.25kmol/h 混合气中丙酮量=156.25x0.085=13.28kmol/h

出塔混合气量=156.25-13.28+13.28x0.005=143.04kmol/h

2. 混合气进出塔（物质的量比）组成 已知：丙酮的摩尔分率为0.085

进塔气相摩尔比为： Y1=

y1=0.085/(1-0.085)=0.0929 1y1出塔气相摩尔比为：

Y2=Y1（1-A）=0.0929×（1-0.95）=0.004 进塔惰性气相流量为：

V=3500×273（1-0.085）/22.4×（273+40）=124.6980（kmol/h） 3. 吸收剂（软水）的用量

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：

（）min=

LVY1Y2

Y1/mX2对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为：

X2=0

（）min=1.6626

LV

.-

取操作液气比为：

（）=1.5（）min=1.51.6626=2.4939 L=2.4939×124.6980=310.50（kmol/h） 4. 塔底吸收液浓度 由 V（Y1-Y2）=L（X1-X2） 可得 X1=0.34

3.3吸收塔工艺尺寸的计算

3.3.1 塔径的计算

LVLV因为塔底气液负荷较塔顶大，依塔底气液相参数计算塔径。 1. 泛点气速的计算

气相质量流量为：Wv=3500×1.23=4270kg/h 液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即： Wl=Lρ水=338.37×18=6090.67kg/h 根据贝恩-霍根关联式计算填料的泛点[4]

2wuF Lg[（3t）（V）L0.2]=A-K（L）1/4（V）1/8

LwVLg 式中：F：泛点气速 m/s g：重力加速度 9.81m/s2 t：填料总比表面积 m2/m3 V，L：气相，液相密度 kg/m3

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L：液体粘度 mPa·s

wL，wV：液相，气相的质量流量 kg/h

A， K：关联常数

由此式计算泛点气速误差在15%以内[4] 本任务中：g=9.81（m/ s2）

查手册得：t=132.5（m2/m3） =91%

A=0.204[4] K=1.75[4]

V=1.23（kg/m） L=996.95（g/m）

3

3

L=0.37（mPas） wL=6090.67（kg/h）

wV=4270（kg/h）

uF=

g3L10AK(wL/wV)1/4(V/L)1/8tVL0.2

=3.3325（m/s）

2. 操作气速

空塔气速由下面经验公式确定：液泛点是填料塔的操作上限，设计点的气速通常取泛点气速的50%-80%

所以， u=0.7×uF=0.6×3.3325=2.3328（m/s）

3. 塔径 由D=知，D=

4VS u4VS=0.7286m u

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当年处理量最大为4000时，，圆整到D=0.8m。 4. 泛点率校核

u=4(3500/3600)/πD²=1.9352m/s u/uF=1.9352/3.3325×100％=58.07％

（在允许范围内） 5. 核算径比

D=800/38=21.05>8 (满足阶梯环的径比要求) dD 查手册得：阶梯环的径比要求：>8

d

液体喷淋密度校核：

对于直径不超过75mm的散装填料，可取最小湿润速率 LWmin=0.08（m3/m·h） t=132.5（m2/m3）

Umin=LWmint=0.08132.5=10.6（m3/m·h）

12.1>10.6

经以上校核可知，填料塔直径选用D=800mm合理 ,满足鲍尔环的径比要求。

3.3.2填料层高度的计算

1. 脱吸因数

Y1*=mX1=1.75×0.034=0.0620

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Y2*=mX2=0 脱吸因数为： S=

mV=1.75×124.6980/310.50=0.7028 L2. 气相总传质单元数为：

Y1Y2*1 NOG=ln(1S)S *1SY2Y2 =6.3572 3.气相总传质单元高度 采用修正的恩田关联式计算：

cw =1exp1.45tL0.75ULtL0.1UL2t2gL0.05UL2LLt0.2 

查手册得：c=40（dyn/cm）=518400（kg/h2）[4] 4.液体质量通量为：

UL=6090.67/(0.785×0.8²)=12123.15（kg/（m2·h））

0.050.750.1251840011404.43311404.433132.51.458932342.4132.53.217996.951.2710 w=1exp 0.2t11404.4332996.95932342.4132.5 =0.3112 5.气膜吸收系数

气体质量通量为：

UV=4270×1.23/（0.785×0.8²)=10369.03（kg/（m2·h））

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气膜吸收系数由下式计算：

UtDV kG=0.237VvDtvVVRT0.71/3 =0.0524（kmol/（m2·h·kPa）） 6.液膜吸收系数

液膜吸收系数由下式计算：

UL kL=0.0095wL2/3LDLL1/2LgL1/3

=0.10（m/h) 7.填料层高度 由kG=kGw1.1

查手册得：=1.45

则：kG=kGw1.1=0.0524×0.3112×132.5×1.45^1.1

=3.25（kmol/（m2·h·kPa））

kL=kLw0.4=0.10×0.3112×132.5×1.45^0.4 =25.83（1/h）

u=58.07%>50% uF由：k'G=[1+9.5(0.5358-0.5)^1.4]×3.25=3.27（kmol/（m2·h·kPa）） k'L=[1+9.5(0.5358-0.5)^2.2]×25.83=25.99（1/h）

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则：KG=

11k'GHk'L1=

=2.33（kmol/（m2·h·kPa））

由：HOG=

VKY=

VKGP=1.05（m）

由Z=HOGNOG=1.05×6.3572=6.675（m） 填料层的设计高度一般为：Z'=（1.2-1.5）Z Z'=1.2Z=1.2×6.675=8.018（m）

设计填料层高度为：8m 查表对阶梯环填料

h8:15,hmax6m Dh8则 h=8×800=00mm D计算得填料层高度为8000mm

故应将填料层分成两段，每段高为4.0m 3.4 塔附属高度的计算

塔上部空间高度，可取为1.2m，液体再分布器的空间高度约为1m，底液相停留时间按4min考虑，则塔釜液所占空间高度为：6090.67/(996.78×3600)=1.697×10^-3(m/s)

0.810(m)

则塔总高度为2.2+8=10.2（m）

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3.5填料层压降的计算 填料塔的压力降为： Pfp1p2p3p

（1） 气体出口压力降：取气体出口接管的内径为360mm，则气体的

进出流速为： u=9.56m/s 则进口压力降为： 出口压力降为：（2） 填料层压力降

采用Eckert通用关联图计算填料层压降

wLV 横坐标为：wVL56.21Pa 28.10Pa

=0.04565 05 查手册得：P=116m1

u2PV 纵坐标为：L0.2=0.0777

gL 查图得：P/Z=509.81（Pa/m）

填料层压降为：P=509.818=3924（Pa）

（3） 其他塔内件的压力降

其他塔内件的压力降p较小，在此可以忽略。

因此，吸收塔的总压力降为：

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56.21+28.10+3924=4008.31Pa

3.5.1气体动能因子

吸收塔内气体动能因子可用下面公式计算： Fuv 式中：F：气体动能因子，m/s(kg/m3)0.5 u：气体流速，m/s 3G：气体密度，kg/m 因此：Fuv=2.587m/s(kg/m3)0.5 气体动能因子在常用的范围内。

从以上的各项指标分析，该吸收塔的设计合理，可以满足吸收操作的工艺要求。

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参考文献

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后记

此次设计作业完成中，因为有前两次设计的经验基础，所以在完成的过程中并没有很大的困难。相比之前的设计，这次设计作业最突出的一个特点是ASPEN PLUS与CAD绘图软件的应用。之前的设计作业一直采用手算手绘，手算手绘制图相对于软件使用存在很多的弊端，也很浪费时间，使用软件可以提高设计的精确度，提高作业的质量。这次的设计不同程度的提高了我们对软件应用的认识，对专业软件的熟悉。感谢这次设计作业中张其坤老师和商巧燕老师的指导，希望在下次这次的经历可以为下学期的毕业设计打好基础。