填料吸收塔设计方案.docx

填料吸收塔设计方案1、设计方案简介1.1吸收剂的选择 根据所处理混合气体，可采用洗油为吸收剂，其物理化学性质稳定，选择性好，符合吸收过程对吸收剂的基本要求。1.2吸收流程 该吸收过程可采用简单的一步吸收流程，同时应对吸收后的洗后进行再生处理。以混合气体原有的状态即27和1atm条件下进行吸收，流程如图2-1所示。混合气体进入吸收塔，与洗油逆流接触后，得到净化气排放，吸收苯后的洗油，经富液泵送入再生塔塔顶，用过热水蒸气进行气提解吸操作，解吸后的洗油经贫油泵，送回吸收塔塔顶，循环使用，气提气则进入冷凝系统进行苯水分离。1.3吸收塔设备及塔填料选择 该过程处理量不大，所用的塔直径不会太大，故采用填料塔较为适宜，并选用25mm塑料作阶梯环填料，其主要性能参数如下。 经查表将25mm塑料阶梯环的主要物性参数见下表1-1。 表1-1 25mm塑料阶梯环的物性参数比表面积 填料因子 孔隙率 填料的对应A值 泛点填料因子 填料的表面张力 228 260 0.9 0.204 176 751.4解吸塔设备及塔填料选择 解吸塔采用水蒸气加热再生法，并选用25mm碳钢阶梯环填料，其主要性能参数见下表1-2。 表1-2 25mm碳钢阶梯环的物性参数比表面积 填料因子 孔隙率 填料的对应A值 泛点填料因子 填料的表面张力 220 273 0.93 0.106 176 751.5操作参数选择 操作参数主要包括吸收（解吸）压力、温度及吸收因子（解吸因子）。吸收过程：1atm、27；解析过程：1atm、120。吸收因子（解吸因子）通过工艺过程设计计算得出。1.6提高能量利用率 尽量保持气体吸收前后压力1atm，避免气体解压后重新加压；设计时尽量减小各部分的阻力损失，以减少气体输送过程的能量损失；回收系统内部热量。2、流程的设计及说明图2-1 从水煤气中回收粗苯的流程示意 采用常规逆流操作流程。流程说明：煤气由塔底进入吸收塔，其中粗苯蒸气被塔顶淋下的洗油吸收后，由塔顶送。富含溶质的溶液从吸收液贮槽以泵送往脱吸部分，此次脱吸是利用使溶液升温以减小气体溶质的溶解度，换热升温的富液进入脱吸塔的顶部，塔底通入水蒸气，将富液中的粗苯逐出，并带出塔顶，一道进入冷却冷凝器，冷凝后的粗苯和洗油在液体分层器中分层后分别引出，从塔顶流至塔底的洗油含苯量已脱得很低，经冷却后可直接进入吸收塔的顶部继续做吸收剂，完成吸收脱吸的整体操作。3、吸收塔的设计计算 3.1 设计方案的确定3.1.1设计任务 是利用洗油从煤气中回收苯，应采用吸收脱吸流程。设计中采用塑料阶梯环填料，将混合气与洗油通过填料层。该操作属于低浓度吸收，操作回流比取最小回流比的1.5倍。3.1.2吸收塔设备及填料选择 由于生产能力不大，所选用的塔直径不会太大，出初步计算，填料选用25mm的塑料阶梯环，而填料材质与塔径有很大关系，经查表将25mm塑料阶梯环的主要物性参数见下表。 表3-1 25mm塑料阶梯环的物性参数比表面积 填料因子 孔隙率 填料的对应A值 泛点填料因子 228 260 0.9 0.204 1763.2 基础物性数据3.2.1 液相物性参数洗油的物性数据，由手册可查如下： 相对分子量g/mol黏度mPas 表面张力 =28N/m 密度 kg/m3.2.2 气相物性参数煤气进塔的温度为27混合气体的平均摩尔质量g/mol混合气体的平均密度 kg/m混合气体的黏度可近似于空气的黏度，查手册可知 Pas3.3物料衡算、热量衡算3.3.1 物料衡算吸收塔进出口组成如下： 混合气进塔气相摩尔比 混合气出塔气相摩尔比 于是可得吸收塔进口的组成应低于其平衡浓度，该系统的相平衡关系可以表示为 y*=0.125x于是可得吸收塔进口液相的平衡浓度为 吸收入口的浓度应低于其平衡浓度，其值的确定应考虑其吸收和解吸的操作，兼顾者经优化计算后方能确定，这里取=2进塔惰性气体流量 kmol/h该过程为低浓度吸收，平衡关系为直线，故最小液气比可以这样计算： （=0）式中表示进塔液相组成 又有 y*=0.125x故最小液气比 操作气液比为 3.3.2 吸收剂用量的计算处理煤气体积流率 摩尔流率 质量流率 实际操作气液比为 （已计算）吸收剂用量为： kmol/h kg/h m/h=1.45 m/h3.3.3热量衡算(1) 冷却过的洗油与水的热量衡算 冷洗油与热洗油的热量交换 设为则经查资料：(冷洗油)=1.9 KJ/kg(热洗油)=2.05 KJ/kg所以有 =4178.236001.92.3 =50.718(kJ)参考工程实际，查化工设计手册表选取：管壳式换热器，其总结热系数是：=280 w/mK传热温差： =22.16传热面积 : =8.174 m 同理，可获得其他换热设备的传热面积A 传热面积A及传热系数K只能作为选用和设计换热器的初值。每台换热器还应结合其他形式结构尺寸，操作条件进行严格的传热计算，进一步确认所需换热器的各个工业尺寸。(2)冷却过的洗油与冷却水的热量横算： 查表： kg/h结合工程实际应用，参考相关文献采用管壳式换热器其总结构 =480 w/mK传热温差： （C) =23.466（m）3.4 工艺计算3.4.1 塔径的计算查资料贝恩-霍根公式计算泛点气速的公式如下： (31)代入数据有 =-0.71 (m/s) 液泛气速是操作气速的最大极限速度，所以操作气速必须小于液泛气速，一般取操作气速是液泛气速的0.5-0.8倍，即。 若泛率小，操作气速小，压降小，能耗低，操作弹性大但管径大，设备投资高，生产能力低，同时不利于气液同时接触，致使分离效率低；反之，压降过大，能耗多，且操作不平稳，难以控制，分离效果更差，此次操作取u=0.7,则：u=0.7(m/s)查表3-2知，此操作气速符合一般操作气速要求故可以进行下一步操作。表3-2 填料塔的一般气速操作范围表 吸收系统 操作气速（m/s） 气体溶解度很大的吸收过程 1-3气体溶解度中等或稍小的吸收过程 1.5-2.0气体溶解度很低的吸收过程 0.3-0.8纯碱吸收的吸收过程 1.5-2.0一般除尘 1.8-2.8 D= =0.662(m)塔的直径有一定规格，需对计算结果进行圆整，才可以投入使用，现将计算结果与表3-3对比，结果如下：表3-3 塔径圆整规格 塔径D（mm） 圆整间隔 举例 700 50或100 600 650 700700-1000 100 700 800 9001000 200 1200 1400 1600 取塔径 D=0.7m气速校检： （在允许范围内，符合要求）所以塔的总截面积为：=0.385 ( m)根据塔径与填料的直径对填料规格见下表（表3-4）校检： 8 所以填料塔中填料符合规格要求。表3-4填料规格 填料种类 的推荐值 拉西环 20-30鞍环 15鲍尔环 10-15阶梯环 8环矩鞍 8 喷淋量的校核：吸收剂的喷淋密度 U=L/S （32) U = （33）由公式（33）可得： 润湿率： （34)由公式（34)可得： （） 对于直径小于75mm的环形填料，必须满足润湿率的的最小值L0.08满足最小喷淋密度要求。 经以上校对可知填料塔径选用700mm合理。3.4.2 填料高度的计算（1） 用吸收因子法计算传质单元数 操作气液比 =0.18 （已计算） 吸收因数 A= 脱吸因数 S=塔顶气液组成 吸收要求 查图3-1：图3-1含苯煤气操作线与平衡线得 （2）传质单元高度计算填料塔中填料材质的表面张力 (N/m)洗油的表面张力 (N/m)气相扩散系数： =（m/s）液相扩散系数： = =1.93(cm/s)=1.93(m/s)气相及液相的流速为： (kg/ms) (kg/ms)气相传质系数： （35） 代入数据： = (kmol/mskPa)液相传质系数： （36）其中的计算如下： (37） 由公式（37）可得； (m/m)将得到的传质系数换算成以摩尔分数差为推动力的传质系数： (38） 由公式（38）可得： (kmol/ms) （39）由公式（39）可得： =0.032 (kmol/ms)气相总传质单元数 ： （310）由公式（310）可得： =0.39（m)填料层的高度： (m) 一般取余量为25%，则完成本设计的任务需25mm塑料阶梯环的高度为：则： h=1.253.43=4.3(m)圆整后实际填料层高度取为h=5m.依据塔填料的分段要求，详见表3-5，依据阶梯环塔填料的分段要求z/D=515 m。故可以不进行分段。表3-5 常见散堆填料分段要求填料种类 填料高度/塔径 最大高度/m 阶梯环 8-15 6鲍尔环 5-10 6拉西环 2.5-3 6矩鞍环 5-8 63.4.3 吸收塔附属高度的计算 塔的附属高度包括上部空间高度，安装液体分布器所需的空间高度，塔底部空间高度和塔裙座高度。塔的上部空间高度取为=1.2m，塔的底部空间高度包括：釜液所占高度和釜液上方的气液分离高度两部分。 塔底液相停留时间按4min考虑，则塔釜液所占高度为：m考虑到气体分布器的安装是在填料层以下约一个塔径的距离，且高于塔釜液面300mm以上，所以底部空间高度取 2.0 m 塔内塔釜液到填料支撑板的高度可取为1.2m，裙式支座的高度可取为2.5m，所以附属高度为 =6.9 m3.4.4 吸收塔的高度 总高度包括塔的填料高度和塔的附属高度，即，H=6.9+5=11.9 m3.5 吸收塔辅助设备计算及选型3.5.1 液体初始分布器 (1)布液孔数 根据该物系性质可选用莲蓬式喷洒器，选择分布器的布液点密度是遵循填料的效率越高，所需的布液点密度越大的规律，故取布液器的布液孔数为100个/m。则总布液孔数为： =0.385100=40个(2)液位保持管高度 查资料可知，布液孔的直径宜在3mm以上，所以取布液 孔直径5mm，取k=0.60，则液位保持管中的液位高度为： （311）由公式（311）可得： =0.4831（m）则液位保持高度为：=1.120.4831=0.5411m其他尺寸计算从略。3.5.2 其他附属塔内件 本塔由于直径小于2.5m，所以采用的是简单的气体分布器，同时，考虑到排放的净化气体中的存在液相夹带，可采用折流板式除沫器， 支撑装置选用栅板式，填料压板选用栅条形压板，气体分布装置采用简单的气体分布装置。3.5.3 流体力学参数计算(1)收塔的压力降 a气体进出口压力降取气体进出口接管的内径为219mm，则气体进出口流近似为15m/s，则进口压力降为： =91.12 Pa 出口压力降为： =45.56 Pa b填料层压力降,气体通过填料层的压力降采用Eckert关联图计算，其中实际操作气速为： m/s （312）由公式（312）可得： (313）由公式（313）可得： 查Eckert图(图3-2)得每米填料的压力降为400pa，所以填料层的压力降为：=2000 Pa图3-2 Eckert泛点气速关联图(2)他塔内件的压力降 气体通过液体分布器的压降较小，可以忽略 气体通过填料支承和压紧装置压力降也较小，可以忽略 气体通过折流板式除沫器的压降为 Pa于是得吸收塔的压力降为： =91.12+45.56+2000+100 =2236.68 Pa(3)气体动能因子： 吸收塔内气体动能因子为： (314）由公式（314）可得： (kg/sm) 气体动能因子在常用的范围内。(4) 吸收因子： 吸收塔内气体吸收因子为： （315）由公式(315）可得： 在吸收因子适宜的范围内。 从以上的各项指标分析，该吸收塔的设计合理，可满足解吸塔操作的工艺要求。3.5.4吸收塔的主体设备 吸收塔填料所选用的规格为聚乙烯阶梯环（2517.51.4）散堆填料,气体进出口尺寸为：1506，液体进出口尺寸为：502.5。4、解析塔的工艺计算基础数据的计算包括解吸水蒸气用量的计算及最小液气比的计算。再生塔的设计条件为： 洗油处理量为 q=4178.2kg/h 洗油中苯的摩尔分数为 x=0.0553 再生后洗油中苯的摩尔分数为 x=2.0 所用的汽提气入口苯含量近似为 y=04.1.解吸水蒸气用量的计算 再生汽提气用量与吸收塔设计一样，首先要缺定最小汽提气用量，依据物料衡算方程，求取最小气液比，但需注意这里的 x,y表示的是塔顶的液相和气相摩尔比，而表示的是塔底的液气相摩尔比，于是得： (4-1) 取： 则汽提气的实际用量为： =kmol/h m/h=0.066m/s kg/h kg/h m/h=1.45m/s4.2 解吸塔的工艺计算 工艺计算包括塔径的计算，填料层高度的计算，总高度的计算和流体力学参数计算。4.2.1塔径计算塔的操作压力为P=101.325kpa (kg/m)液相密度可以近似取为：=800 (kg/)查表知： 液体黏度为： =0.510 (Pas)利用贝恩-霍根泛点气速方程可得： (4-2)取A=0.106 取a=220 uf=（m/s）取u=0.7u=0.71.16008m/s=1.12m/s m/s D =(m)圆整后取D=300mm =0.7850.3=0.71(m)实际气速： (m/s)泛点率校正 填料规格校正 D/d=喷淋量的校核：吸收剂的喷淋密度 U=L/S (4-3) (m/mh)润湿率： (m/mh) 对于直径小于75mm的环形填料，必须满足润湿率最小值满足最小喷淋密度要求。 经以上校核可知填料塔径选用300mm。4.2.2填料层高度的计算（1）质单元高度计算 塔内的气液相主要物性如下. pas 气相扩散系数为 (4-4) (m/s)液相扩散系数 (4-5) (cm/s)=(m/s)气相及液相的流速为 kg/(ms) kg/(ms)气相传质系数 (4-6) kmol/(mskpa) 液相传质系数 (4-7) (m/m)有公式: (4-8) (m/s) 将得到的传质系数换算成以摩尔分数差为推动力的传质系数 (kmol/(ms) (kmol/(ms)总气相传质单元高度 (4-9) (m)（2）传质单元数的计算：全塔的物料衡算方程为 (4-10)依据该方程可以确定解释塔底洗油中苯的组成 (4-11) 于是，可以计算该塔德塔底、塔顶以及平均传质推动力分别为=0.1747480.117=0.057748=0.00632 =0.0232 =5.04则解吸塔高度： =0.515.04=2.97 (m) 一般取余量为25%，则完成本设计的任务需25mm塑料阶梯环的高度为=1.252.57=3.21 (m) 圆整后实际填料层高度取为4m.依据塔填料的分段要求，详见表3-4，依据阶梯环塔填料的分段要求z/D=515h。故可以不进行分段。4.2.3 解吸塔附属高度的计算 塔的附属高度包括上部空间高度，安装液体分布器所需的空间高度，塔底部空间高度和塔裙座高度。塔的上部空间高度取为=1.2m，塔的底部空间高度包括釜液所占高度和釜液上方的气液分离高度两部分。 塔底液相停留时间按3min考虑，则塔釜液所占高度为： （m) 考虑到气体分布器的安装是在填料层以下约一个塔径的距离，且高于塔釜液面300mm以上，所以底部空间高度取1(m) 塔内塔釜液到填料支撑板的高度可取为1.2m，裙式支座的高度可取为2.5m，所以附属高度为 =5.9 m4.2.4 解吸塔的高度总高度包括塔的填料高度和塔的附属高度，即 (4-12) H=5.9+4=9.9(m)4.2.5解吸塔液体初始分布器和再分布器(1)液体初始分布器a布液孔数 根据该物系性质可选用管式液体分布器，取布液孔数为100个/m2，则总布液孔数为 N=0.071100=7.1(个)取整数后得 N=8 （个）b液位保持管高度 查资料可知，布液孔的直径宜在3mm以上，所以取布液孔直径5mm，取k=0.60，则液位保持管中的液位高度为： (4-13)则由上述公式得 =0.432 (m)则液位保持高度为：h=1.20.432=0.518m4.3流体力学参数计算4.3.1解吸塔的压力降 (1)气体进出口压力降取气体进出口接管的内径为219mm，则气体进出口流速近似为16.52m/s，则进口压力降为： = (4-14) =76.25 (Pa)出口压力降为 =0.5 =38.12 (Pa) (2)填料层压力降气体通过填料层的压力降采用Eckert关联图计算，其中实际操作气速为： u =1.12m/s (4-15) =0.834 (4-16)由公式（416）可得： =0.03查Eckert图得每米填料的压力降为400pa，所以填料层的压力降为： =4005=2000 Pa (3)其他塔内件的压力降 气体通过液体分布器的压降较小，可以忽略 气体通过填料支承和压紧装置压力降也较小，可以忽略 气体通过折流板式除沫器的压降为 100Pa于是得吸收塔的压力降为： =2214.38Pa4.3.2气体动能因子 吸收塔内气体动能因子为： (4-17) 由上述公式可得： =0.837气体动能因子在常用的范围内。4.3.3解吸因子： 解吸塔内气体解吸因子为： S= (4-18)又上述公式可得： S=1.44在解吸因子适宜的范围内。从以上的各项指标分析，该解吸塔的设计合理，可以满足解吸塔操作的工艺要求。4.4解吸塔的主体设备 解吸塔填料所选用的规格为金属阶梯环（2517.51.4）散堆填料,气体进出口尺寸为：502.5，液体进出口尺寸为：502.5。 5、吸收塔与解吸塔设计结果一览表 项目 吸收塔 解吸塔 操作气速u/(m/s) 1.778 1.12泛点气速uf/(m/s) 2.54 1.6008喷淋密度U/m3/(m2h) 41.74 103.52塔径D/(m) 0.7 0.3高度h/(m) 11.9 9.9塔压降P/z/(pa/m) 2236.68 2214.38塔布液点数N /（个） 40 8填料规格及名称 聚乙烯阶梯（2517.51.4） 金属阶梯环（2517.51.4）液体分布器 莲蓬式喷洒器 多孔直管式液体再分布器 截锥式再分器 截锥式再分器支撑板 栅板式 栅板式压板 栅条板 栅条板气体进出口尺寸 1506 502.5液体进出口尺寸 502.5 502.5 6、设计评述 本课题是通过给定的工艺条件，设计填料吸收塔，在设计过程中，我们按照工艺要求，操作安全可靠，所需材料和操作较低的原则，参阅了部分文献，从理论计算的角度设计出所需的填料吸收塔及解吸塔。 在设计中，我们对填料进行了选择，计算了塔径、塔高机流体力学参数。于此同时，对一