丙酮

课程设计
指导书
填料吸收塔是气体净化过程中常用的塔器之一，经常用于气体的吸收洗涤。

填料塔的设计计算方法我们已经讲过，但是，从工程设计的角度来说还有一系列的工作要做。

下面我们结合工程上填料吸收塔的设计程序锻炼一下自己的设计能力。

有一点需要大家格外注意——责任心，对于工程设计来讲，必须考虑周全。

1 物料衡算
1）进塔混合气体中各组分的量；
2）混合气进出塔组成（以物质的量的比来表示，即以X、Y表示）；
3）吸收剂（水）的用量Ls；
4）塔底吸收液组成X1；
5）操作线。

2 填料选择
选择填料要从两方面考虑，一是使用性能要好，即要求比表面积、空隙率、空隙截面积和机械强度都尽量大，堆积密度要小，耐腐蚀性要好；二是要价格便宜，来源方便，制造容易。

这两个条件往往互相矛盾，在选择填料时要全面衡量，力求最大限度地满足这两方面的要求。

选用不同规格的填料及其在塔内堆放特性，就有不同的参数值。

例如选用75×45×5规格陶瓷鲍尔环填料（乱堆），其参数为：φ=122m-1，α1=103 m2/m3。

表1国内鲍尔环特性数据
备注（1）：金属才智填料堆积密度，除注明金属外，仅对碳钢和不锈钢适用，若用同样厚度的其他板材时，对铜乘以1.14，对铝乘以0.34，对镍、蒙乃尔合金乘以1.14。

3 塔径计算
1）利用Eckert关联图计算泛点气速u F；
计算泛点气速时，注意不同的填料有不同的参数。

2）确定操作气速u；
操作气速u=（0.6~0.8）u F范围，合适倍数请自己决定。

3）计算塔径，圆整塔径；
计算出的塔径应按照国家压力容器公称直径的系列标准进行远征。

一般塔径标准为300, 400, 500, 600, 800, 1000, 1200, 1400……等(单位mm)。

圆整时直径1m以上间隔为200mm，直径1m 以下间隔为100mm。

4）利用圆整后的塔径，再计算操作气速；
5）校核填料尺寸：
塔体直径与填料直径的比值有一个下限，低于这个值，塔壁附近的填料层空隙率大而不均匀，容易出现壁流现象，影响传质效果。

此值对不同的填料是不同的。

如：
陶瓷鲍尔环填料：D/d≥8~10
鲍尔环填料：D/d ≥10-15（最小不低于8）
拉西环填料：D/d≥20~25
矩鞍填料：D/d ≥8~10 阶梯环填料：D/d ≥8
鞍形填料：D/d ≥15（最小不低于8） 环矩鞍填料：D/d ≥8
4 填料层高度的计算
1）填料层高度Z ；
选择正确的方法计算填料层高度Z 。

应当指出的是，计算出填料层高度后，还应留出一定的安全系数。

根据设计经验，填料层的设计高度一般为：
Z ΄=（1.2~1.5）Z
式中：Z ΄——设计时的填料层高度，m ；
Z ——工艺计算得到的的填料层高度，m 。

设计时，可将填料层高度适当取整，保证安全系数应在1.2到1.5范围内。

2）填料层压降计算（利用埃克特通用关联图方法）； 3）校核润湿率或校核喷淋密度：
填料塔内传质效率的高低与液体的分布及填料的润湿情况密切相关，为使填料能获得良好的润湿，填料层高度计算出后，还需核算液体的润湿率是否低于最小润湿率。

润湿率由下式计算
/W L U σ=
L W ——润湿率，为单位填料润湿周边长度上的液体体积流量，m 3/（m ·h ）； U ——液体喷淋密度，m 3/（m 2·h ）； σ——填料的比表面积，m 2/m 3。

根据实验，为保证填料层的充分润湿必须满足下面条件：
对于直径小于等于75mm 的环形填料，最小润湿率为0.08 m 3/(m 2.h)。

对于直径大于75mm 的环形填料，最小润湿率为0.12 m 3/(m 2.h)。

当计算出的润湿率小于最小润湿率时，则应该采取相应措施进行调整设计。

否则，不能保证填料表面的充分润湿，吸收效率将降低。

通常可采用的修正方法有以下几个： a ） 增大吸收剂用量或取吸收剂的部分循环，以增大喷淋密度，从而提高润湿率。

b ） 调整塔径。

吸收剂用量不边，塔径适当减少，U 将增大，L w 也随之增加。

但要注意：塔
径减小，空塔气速增加，液泛的可能性增加，填料层的阻力损失也增加，这对吸收不利。

所以设计者要全面权衡。

c ） 调整填料层高度，适当增加气、液接触面。

按照公式：/l Z Z η= 式中：l Z ——调整后的填料层高度，m ；
Z ——原填料层高度，m ；
η——填料表面效率，其值可由下图估算：
最低润湿率分率
图中的最低润湿率分率为：最低润湿率分率=
值得注意的问题是增加了填料层高度并不能提高单位体积填料层内气、液的有效接触面积，效益并没有增加。

相反的是增加了设备费和填料层的阻力损失。

所以，设计者应该全面权衡利弊后再决定是否采取这一措施。

或者校核喷淋密度，采用公式：W U L σ=进行计算。

并和最小喷淋密度进行比较。

最小喷淋密度：min min ()W U L σ=
如果校核润湿率小于最小润湿率时，必须把调整方法随之计算出来。

5）确定填料分段数，并选定液体再分布形式：
填料的分段数根据塔径D 及填料层总高度来决定；如二者比值超过一定界限，则需分段。

用Z 0表示每个填料层的填料高度，则Z 0与D 值比的不同填料的上限列于下表。

对于D ≤400mm 的小塔，(Z 0/D)max 还可取较大的值，可允许比上值较大的Z 0；对于大直径塔，Z 0不许超过6m ，否则将会产生湿壁效应，降低传质效果。

填料分段后，各段之间加装液体再分布器，以使液体分布均匀。

6）总塔高H 计算
填料塔的总塔高H 主要取决于填料层高度Z ，此外还需要考虑塔顶空间、塔底空间及再分布器的布置等。

填料塔的总塔高H 可由下式进行计算：
H = H d + Z ΄ + (n-1) H f + H b 式中：H ——总塔高，m ；
Z ΄——安全系数调整后的填料层高，m ； H f ——装配液体再分布器的空间高，m ； H d ——塔顶空间高（不包括封头部分），m ，一般取=0.8~1.4m ； H b ——塔底空间高（不包括封头部分），m ，一般取=1.2~1.5m ； n ——填料层分层数。

由于液体再分布器、喷淋装置、支承装置、除雾器等，结构不同时其高度不同，当一时无法准确确定时，也可采用下式计算总塔高：
H = 1.2Z + H d + H b 式中各符号含义同前。

5 填料塔附属设备设计
塔的辅助构件包括气体分布器、填料支承板、填料压板、液体分布器、液体再分布器、除雾装置及排液装置等。

填料塔操作性能的好坏与塔内辅助构件的选型和设计紧密相关。

合
任务书
一、设计目的
通过对具体的塔器进行工艺设计，培养学生利用所学理论知识，综合分析问题和解决实际问题的能力、绘图能力、以及正确使用设计手册和相关资料的能力。

二、设计任务
试设计常压填料塔（填料自选），采用逆流操作，以水为吸收剂，吸收混合气中的丙酮。

三、设计资料
1）混合气（空气，丙酮蒸汽）处理量为1500m3/h，温度为35℃；
2）进塔混合气物性可近似看作空气物性，比如密度；
3）进塔混合气含丙酮体积分数为1.82%，要求达到的丙酮回收率为90%；
4）操作压力为常压，101.325 kPa。

5）进塔吸收剂为清水；
6）吸收操作为等温吸收，温度为35℃。

7）气液平衡曲线：t=15~45℃时，丙酮溶于水的亨利常数E(kPa)可用下式计算：lgE=9.171-[2040/(t+273)]
8）液气比取最小液气比的倍数为1.3。

9）气速u=（0.6~0.8）u F范围。

10）k G=1.795×10-3kmol/(m2·s·kPa)；k L=1.81×10-4m/s；α=49.9m2/m3。

四、设计内容和要求
1）研究分析资料。

2）净化设备的计算。

3）编写设计计算书。

设计计算书的内容应按要求编写，即包括与设计有关的阐述、说明及计算。

要求内容完整，叙述简明，层次清楚，计算过程详细、准确，书写工整，装订成册。

设计计算书应包括目录、前言、正文及参考文献等。

有能力的同学采用打印稿。

4）设计图纸。

包括工艺流程图，塔器剖面结构图。

应按比例绘制，标出设备、零部件等编号，并附明细表，即按工程制图要求。

图纸幅面、图线等应符合国家标准；图面布置均匀；符合制图规范要求。

有能力的同学采用计算机AUTOCAD制图。