设计用水吸收丙酮常压填料塔，其任务及操作条件为

混合气(空气、丙酮蒸汽)处理量：  1450。

进塔混合气含丙酮 2.13％(体积分数)；相对湿度： 70％；温度：  35℃；

进塔吸收剂(清水)的温度：25℃；

丙酮回收率：  93％；

操作压强：  常压操作。

[设计计算]

一、吸收工艺流程的确定

采用常规逆流操作流程．流程说明从略。

二、物料计算

l. 进塔混合气中各组分的量

近似取塔平均操作压强为101.325kPa，故：

混合气量 n＝ 1450** ＝ 57.38   (kmol／h)

混合气中丙酮量n ＝ 57．38×0.0213 ＝1.22  (kmol／h)

              m ＝ 1.22×58＝70.  (kg／h)

查化工原理附录，35℃饱和水蒸气压强为5623．4Pa，则每kmoI相对湿度为70％的混合

气中含水蒸气量＝=0.0404 kmol水气/ kmol（空气十丙酮）

混合气中水蒸气含量n＝＝2.23 （kmol／h）

                  m＝2．23×18＝40.14   (kg／h)

混合气中空气量n＝57.38一1.22—2.23＝53.93（kmol／h）

m＝53.93×29＝1563.97  (kg／h)

2．混合气进出塔的摩尔组成

  ＝0.0213

  ==0.00152

3．混合气进出塔的比摩尔组成

若将空气与水蒸气视为情气，则

情气量n＝53.93十2.23＝56.16 （kmol／h）

       m＝1563.97十40.14＝1604.11  (kg／h)

＝＝0.0217   (kmol丙酮／kmol情气)

＝＝0.00152  (kmol丙酮／kmol情气)

4．出塔混合气量

出塔混合气量n＝56.16十1.22*(1-0.93)＝56.25 （kmol／h）

            m＝1604.11十70.*0.07＝1609.07  (kg／h)

三、热量衡算

热量衡算为计算液相温度的变化以判明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)。

查手册，丙酮的微分溶解热(丙酮蒸气冷凝热及对水的溶解热之和)：

    =30230十10467．5=40697．5   (kJ／kmol)

吸收液(依水汁)平均比热容＝75．366 kJ／(kmol*℃)，依式5—6

对低浓度气体吸收，吸收液浓度很低时，依惰性组分及比摩尔浓度计算较方便，故式

5——6也可写为；

     ℃

 依上式，可在x＝0．000~0．01之间，设系列x值，求出相应x浓度下吸收液的温度，计算结果列于表1第l，2列中。由表中数据可见，浓相浓度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相平衡数据

  （2）平衡关系符合亨利定律，与液相平衡的气相浓度可用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。

四、气液平衡曲线   

由式5—2可知，当x＜0.1，t＝15~45℃时，丙酮溶于水其亨利常数E可用下式计算：

    1gE＝9.171一[2040／(t十273)]

由前设X值求出液温℃，依上式计算相应E值，且m＝，分别将相应E值及相平衡常数m值列于表5—17中第3、4列。由y*＝mX求取对应m及X时的气相平衡浓度y*，结果列于表5—17第5列。

根据X—y*数据，绘制X—Y平衡曲线OE如图1所示。

图1  气液平衡线与操作线(丙酮一水)

五、吸收剂(水)的用量Ls

    由图1查出，当Y1＝0.0217时,X1*=0.008247,计算最小吸收剂用量

=56.16*(0.0217-0.00152)/ 0.008247  ＝ 137.42     (kmol／h)

取安全系数为1.8，则

Ls＝1．8×137.42＝247.4  (kmol／h)

 ＝247.4×18＝4453.2   (kg/h)

六、塔底吸收液浓度X1

依物料衡算式

()＝（）

=56.16（0.0217-0.00152）/247.4=0.0046

七、操作线

依操作线方程式                          

=（247.4/56.16）X+0.00152

Y=4.4X+0.00152

由上式求得操作线绘于图1中，如BT所示

八、塔径计算

塔底气液负荷大，依塔底条件(混合气35℃)，101.325kPa，查表1，吸收液27.16℃计

图2   通用压降关联图

算。

       u =（0.6~0.8）

1.采用Eckert通用关联图法(图2)计算泛点气速

(1)有关数据计算

塔底混合气流量V’＝1563.97十70.十40.14＝1675   (kg／h)

吸收液流量L’＝5099.4十1.22×0.93×58＝5165.2  (kg／h)

进塔混合气密度＝29*273/22.4/（273+35）＝1．15  (kg／) (混合气浓度低，可近似视：

查化工原理附录  吸收液密度＝996.7kg／

吸收液黏度＝0.8543mPa.s

经比较，选Dg50mm塑料鲍尔环(米字筋)。查《化工原理》教材附录可得，其填料因子=120，比表面积A＝106．4  

(2)关联图的横坐标值

   =0.105

(3)由图2查得纵坐标值为0.13

 即  =0.0137=0.13

故液泛气速=3.08

2．操作气速

   u＝0．6＝0.6×3.08 ＝1.85 (m/s)

3.塔径

= =  0.527 m=527mm

取塔径为0.6m(＝600mm)

4．核算操作气速

=1.425(m/s) < 

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约环形及其它填料的最小润湿速率(MWR)为0.08／(m·h),由式5一14：

最小喷淋密度＝0.08×106．4＝8．512 [／(m·h)]

因    ＝4453.2kg／h＝＝15．8[／(m·h)]

故满足最小喷淋密度要求。

九、填料层高度计算

计算填料层高度，即

  Z＝    

1．传质单元高度计算

  =，其中=， 

(1)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算及，再合并为和。

①列出备关联式中的物性数据

气体性质(以塔底35℃，101.325kPa空气计)

    ＝1．15  kg／(前已算出)

    ＝0.01885* (查化工原理附录)

    ＝1．09×（依翻Gilliland式估算)

液体性质(以塔底27．16℃水为准)

   ＝996．7  kg／

   ＝0．8543×Pa·s

   =1.344* (以式计算)，式中为溶质在常压沸点下的摩尔体积，为溶剂的分子量，为溶剂的缔合因子。

    ＝71．6×N／m(查化工原理附录)

气体与液体的质量流速：

4.38  

1.65  

塑料鲍尔环(乱堆)特性：

    ＝50mm＝0．05m

    A＝106．4 

    = 

    =1.45（鲍尔环为开孔环）

依式

={-0.637}=0.471

故==0.471*106.4=50.1 （）

依式

=1.95*   (m/s)

依式

=2.032*

故=1.95**50.1=9.77* (m/s)

=2.032**50.1=1.02*

(2)计算

   ＝，而，H=。由于在操作范围内，随液相组成和温度的增加，m (E)亦变，故本设计分为两个液相区间，分别计算()和()

    区间I  X＝0．004~0.002(为())

    区间   X＝0.002~0  (为())

由表1知

＝2．30*kPa ,＝==0.241  

=2.18* kPa,  ===0.254   

    ＝1.405

=7.12

=.P=7.12*101.325=0.0721

=1.383*

=7.23

=7.23*101.32=0.0732

(3)计算

0.766m

0.754m

2．传质单元数计算

在上述两个区间内，可将平衡线视为直线，操作线系直线，故采用对数平均推动力法计算。两个区间内对应的X、Y、Y*浓度关系如下：

0.0077

=1.14

=0.0032

=2.75

3．填料层高度z计算

    Z＝Z1十Z2＝+  

＝0.766×1.14十0.754×2.75＝2.95m

取25％富余量，则完成本设计任务需Dg50mm塑料鲍尔环的填料层高度z＝1．25×2.95=3.68m。

十、填科层压降计算

取图2(通用压降关联图)横坐标值0.105(前已算出)；将操作气速(＝1．425m/s) 代替纵坐标中的查表，Dg50mm塑料鲍尔环(米字筋)的压降填料因子＝125代替纵坐标中的．则纵标值为：

 =0.031

查图2(内插)得

     =24*9.81=235.4Pa/m 填料

全塔填料层压降  =3.68*235.4=866.3Pa

至此，吸收塔的物科衡算、塔径、填料层高度及填料层压降均已算出。关于吸收塔的物料计算总表和塔设备计算总表此处从略。

十一、填料吸收塔的附属设备

(1)本设计任务液相负荷不大，可选用排管式液体分布器；且填料层不高，可不设液体再分布器。    

(2)塔径及液体负荷不大，可采用较简单的栅板型支承板及压板。

其它塔附件及气液出口装置计算与选择此处从略。下载本文