空气-丙酮混合气填料吸收塔设计

1、第一章概述1.1 吸收塔的概述气体吸收过程是化工生产中常用的气体混合物的分离操作， 其基本原理是利 用混合物中各组分在特定的液体吸收剂中的溶解度不同，实现各组分分离的单元 操作。实际生产中，吸收过程所用的吸收剂常需回收利用。 故一般来说，完整的吸 收过程应包括吸收和解吸两部分。在设计上应将两部分综合考虑，才能得到较为 理想的设计结果。作为吸收过程的工艺设计，具一般性问题是在给定混合气体处 理量、混合气体组成、温度、压力以及分离要求的条件下，完成以下工作：(1) 根据给定的分离任务，确定吸收方案；(2) 根据流程进行过程的物料和热量衡算，确定工艺参数；(3) 依据物料及热量衡算进行过程的设备选型

2、或设备设计；(4) 绘制工艺流程图及主要设备的工艺条件图；(5) 编写工艺设计说明书。1.2 吸收设备的发展吸收操作主要在填料塔和板式塔中进行，尤以填料塔的应用较为广泛。塔填料的研究与应用已取得长足的发展：鲍尔环、阶梯环、金属环矩鞍等的 出现标志散装填料朝高通量、高效率、低阻力方向发展有新的突破；规整填料在 工业装置大型化和要求高分离效率的情况下倍受重视，已成为塔填料的重要品 种。填料塔仍处于发展之中，今后的研究方向主要是提高传质效率， 同时考虑填 料的强度、操作性能及使用上的通用因素并综合环型、鞍型及规整填料的优点开 发构型优越、堆积接触方式合理、流体在整个床层均匀分布的新型填料。目前看 来

3、，填料的材质以陶瓷、金属、塑料为主，为满足化工生产温度和耐腐蚀要求， 已开发了氟塑料制成的填料。填料塔的发展,与塔填料的开发研究是分不开的。除了提高原有填料的流体 力学与传质性能外，还开发了效率高、放大效应小的新型填料。加上塔填料本身具有压降小、持液量小、耐腐蚀、操作稳定、弹性大等优点，使填料塔开发研究 达到了新的台阶。1.3 吸收过程在工业生产上应用化工生产中吸收操作广泛应用于混合气体的分离：(1) 净化或精制气体，混合气体中去除杂质。如用&CO水溶液脱除合成气中的CO,丙酮脱除石油裂解气中的乙烘等。(2) 制取某种气体的液态产品。如用水吸收氯化氢气体制取盐酸。(3) 混合气体以回收

4、所需组分。如用汽油处理焦炉气以回收其中的芳峪(4) 工业废气处理。工业生产中所排放的废气中常含有丙酮，NO NO,HF等有害组分，组成一般很低，但若直接排入大气，则对人体和自然环境危 害都很大。因此排放之前必须加以处理，选用碱性吸收剂吸收这些有害的气 体是环保工程中最长采用的方法之一。第2章设计方案2.1 设计任务处理量为2100m；，空气-丙酮混合气填料吸收塔设计2.2 操作条件混合气（空气、丙酮蒸汽）处理量：2100m3/ho进塔混合气含丙酮1.82 % （体积分数）；相对湿度:70 % ;温度:35 C ;进塔吸收剂（清水）的温度25 C;丙酮回收率：90%;操作压强：常压。2.3 吸收

5、塔设备的选择对于吸收过程，一般具有操作液气比大的特点，因而更适应于填料塔。止匕外, 填料塔阻力小、效率高、有利于过程节能。所以对于吸收过程来说，以采用吸收 塔的多。本设计中丙酮气体在水中的溶解度比较大，吸收效率高，设计题目也要求采用填料塔，所以本设计选用填料塔作为气液传质设。2.4 吸收塔填料的选择（1）填料种类的选择填料种类的选择要考虑分离工艺的要求，通常考虑以下几个方面。 传质效率 即分离效率，它有两种表示方法：一是以理论级进行计算的 表示方法，以每个理论级当量的填料层高度表示，即HETPfi;另一是以传质速率进行计算的表示方法，以每个传质单元相当的填料层高度表示， 即HTUfi。在 满足

6、工艺要求的前提下，应选用传质效率高，即 HETP（或HTU值低的填料。对 于常用的工业填料，其HETP或HTU）fi可由有关手册或文献中查到，也可以通过 一些经验公式来估算。 通量 在相同的液体负荷下，填料的泛点气速愈高或气相动能因子愈大， 则通量愈大，它的处理能力也愈大。因此，在选择填料种类时，在保证具有较高 传质效率的前提下，应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料。对于大多 数常用填料，其泛点气速或气相动能因子可在有关手册或文献中查到， 也可由一 些经验式来估算。 填料层的压降 填料层的压降是填料的主要应用性能， 压降越低，动力消 耗越低，操作费用越小。选择低压降的填料对热敏性物系的分

7、离尤为重要。 比较 填料层的压降尤两种方法：一是比较填料层单位高度的压降 AP/z;另一是比较填料层单位传质效率的比压降 Ap/NTo填料层的压降可用经验公式计算，亦可 从有关图标中查出。填料的操作性能 填料的操作性能主要指操作弹性，抗污堵性及抗热敏 性等。所选填料应具有较大的操作弹性，以保证塔内气液负荷发生波动时维持操 作稳定。(2)填料规格的分类散装填料规格的分类散装填料的规格通常是指填料的公尺直径。工业塔常用的散装填料主要有Dn16、Dn25、Dn38、Dn50、Dn76等几种规格。同 类填料，尺寸越小，分离效率越高；但阻力增加，通量减小，填料费用也增加很 多。而大尺寸的填料应用于小直径

8、塔中，又会产生液体分布不良及严重的壁流， 使塔的分离效率降低。因此，对塔径与填料尺寸的比值要有一定的规定。表2-2常用填料的塔径与填料公称直径比值 D/d的推荐值填料种类D/d的推荐值拉西环D/d >2025鞍环D/d >15鲍尔环D/d >1015阶梯环D/d >8环矩鞍D/d >8规整填料规格的分类工业上常用规整填料的型号和规格的表示方法很多，国内习惯用比表面积表示，主要有125, 150, 250, 350, 500, 700等几种规格，同种类型的规整填料，其表面积越大，传质效率越高，但阻力增加，通 量减小，填料费用也明显增加。选用时应从分离要求，通量要求，

9、场地条件，物料性质及设备投资，操作费用等方面综合考虑，使所选填料既能满足工艺要求， 又具有经济合理性。应予指出，一座填料塔可以选用同种类型，同一规格的填料，也可选用同种 类型，不通规格的填料；可以选用同种类型的填料，也可以选用不同类型的填料， 有的塔段可选用规整填料，而有的塔段可选用散装填料。一的原则来选择填料的 规格。 填料材质的分类设计时应灵活掌握，根据技术经济统工业上，填料的材 质分为陶瓷，金属和塑料三大类。a）陶瓷填料 陶瓷填料具有良好的耐腐蚀性及耐热性，一般能耐除氢氟酸 以外的各种无机酸，有机酸的腐蚀，对强碱介质，可以选用耐碱配方制造的耐碱 陶瓷填料。陶瓷填料因其质脆，易碎，不易在高

10、冲击强度下使用，陶瓷填料价格 便宜，具有很好的表面润湿性能，工业上，主要用于气体吸收，气体洗涤，液体 萃取等过程。b）金属填料金属填料可用多种材质制成，金属材质的选择主要根据物系的 腐蚀性和金属材质的耐腐蚀性来综合考虑。炭钢填料造价低，且具有良好的表面 润湿性能，对于无腐蚀或低腐蚀性物系应优先考虑使用； 不锈钢填料耐腐蚀性强， 一般能耐除C以外常见物系的腐蚀，但其造价较高，钛材，特种合金钢材质制 成的填料造价极高,一般只在某些腐蚀性极强的物系下使用。 金属填料可制成薄 壁结构（0.21.0mm）,与同种类型，同种规格的陶瓷，塑料填料相比，它的通 量大，气体阻力小，且具有很高的抗冲击性能，能在高

11、温，高压，高冲击强度下 使用，工业应用主要以金属填料为主。c）塑料填料 塑料填料的材质主要包括聚丙烯（P?,聚乙烯（PEE）及聚氯 乙稀（PVC等，国内一般多采用聚丙烯材质。塑料填料的耐腐蚀性能好，可耐 一般的无机酸，碱和有机溶剂的腐蚀。其耐温性良好，可长期在100c以下使用， 聚丙烯填料在低温（低于 0C）时具有冷脆性，在低于0 c的条件下使用要慎 重，可选用耐低温性能好的聚氯乙稀填料。塑料填料具有质轻，价廉，耐冲击， 不易破碎等优点，多用于吸收，解吸，萃取，除尘等装置中。塑料填料的缺点是 表面润湿性能差，在某些特殊应用场合，需要对其表面进行处理，以提高表面润 湿性能。根据以上选择，考虑到以

12、下方面(1)选择填料材质 选择填料材质应根据吸收系统的介质和操作温度而定， 一般情况下，可选用塑料，金属，陶瓷等材料。对于腐蚀性介质应采用相应的抗 腐蚀性材料，如陶瓷，塑料，玻璃，石墨，不锈钢等，对于温度较高的情况，应 考虑材料的耐温性能。(2)填料类型的选择 填料类型的选择是一个比较复杂的问题。 一般来说, 同一类填料塔中，比表面积大的填料虽然具有较高的分离效率， 但是由于在同样 的处理量下，所需要的塔径较大，塔体造价升高。(3)填料尺寸的选择 实践表明，填料塔的塔径与填料直径的比值应保持 不低于某一下限值，以防止产生较大的壁效应，造成塔的分离效率下降。一般来 说，填料尺寸大，成本低，处理量

13、大，但是效率低，使用大于50mm勺填料，其成本的降低往往难以抵偿其效率降低所造成的成本增加。所以，一般大塔经常使用50mmt勺填料。表2-3填料尺寸与塔径的对应关系塔径/mm填料尺寸/mmCK 2502025250<D< 9002538D> 9005080第三章设计方案的确定采用常规逆流操作，流程如下:尾气填,援冲器凡机液体再分布器塔顶取样1 jl温度计-Xk*排入地沟xf塔底取样流程说明：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，待处理之后再排入地 沟。第四章吸收塔的工

14、艺计算4.1 基础物性数据4.1.1 液相物性数据对低浓度吸收过程，溶液的物性数据。由化工原理川查得25c时水的有关数据如下:密度： 1000粘度：，l = 0.9027 mpa s表面张力：仃=71.6父10*%丙酮在水中的扩散系数：Dl7.4 10(： Mb)0.5T06f a,m7.4 10九2.6 18.02)0.5 2980.89 44.80.652= 1.22 10 cm2/s=4.392 10$m2/h4.1.2 气相物性数据混合气体的平均密度29273X22.4 273 35=1.15kg, m3混合气体的粘度可近似取空气的粘度， 查化工原理1 25c空气粘度:V =0.018

15、4mpa s = 0.066kg/（m h）查化工原理丙酮在空气中的扩散系数:DviDV2Ti 175 P Dv298 17522()1.75( )J=() 5 = Dv -0.102cm2 /s -0.0367m2 / hT2 P20.12227335'C饱和水蒸气压强：5623.4Pa;4.1.3 气液相平衡数据当x<0.01 , t =1545c时，丙酮溶于水其亨利常数 E可用以下经验公式计 算：1gE =9.171 2040/（t 十 273）（其中 t=25 C）,解得：1gE=2.325,E=211.35kPa,亨利系数H与相平衡常数m之间的关系： m £解

16、得：m=2.086 P *Y =mX =2.086X当溶质在液相中的浓度较低时（x<0.05）,亨利系数E和溶解度系数H间的D关系可表示：H =靛（Ms：溶剂的分子量。kg/Kmol P：溶液的密度， kg/m3 。可近似认为水的密度。）p 10003H0.263 kmol /m kpaMsE 211.3 184.2 物料衡算如下图所示，全塔物料衡算是一个定态操作逆流式接触的吸收塔， 各个符号 表示的意义如下：V惰性气体流量，Kmol /h ;L纯吸收剂流量，Kmol/h ;丫1、丫2进出吸收塔气体的摩尔比；X、X2进出塔液体中溶质质量的摩尔比1 .进出塔混合气中各组分量混合气体量：V

17、=2100 101.3:83.07 Kmol ： h8.314273 351丙酮量=83.07 0.0182 =1.51 Kmol ； h =1.51 58 87.69 kg hPv蛾二二 100% -70%Ps水蒸气量3.93449101.383.07 u3.23Kmol. hu 3.23 18-58.08kg hPV =q、> PS =5602.7 70% =3934.49 F>空气量=83.07 -1.51 -3.23 = 78.33Kmol. h =78.33 29 = 2271.57 kg： h惰性气体量=3.23+78.33=81.56 Kmol. h =2329.65

18、 kg.1 h出塔混合气量=81.56 1.51 0.1 =81.71 Kmol . h =2338.42 kg. h2 .混合气进出塔的物质的组成y1 =0.0182y2 =y 1 _ A ) = 0.0182 0.1 =0.00182进塔气体摩尔比："六=及=0.0185出塔气体摩尔比：Y2 = - = 0.00182 =82 101 -y21-0.001823 .吸收剂（水）的用量L该吸收塔过程属最低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算，即:(L)minVY -Y2X1 - X 2对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成：X2 = 0 ；由Y* =2.086X 得，当 Y

19、=0.0185时，X； =0.008870.0185-0.00182(-), min=1.880.00887-0取操作液气比：亍二回如= 1.6 1.88=3.01L =81.56 3.01 =245.392kmol/h =245.392 18 =4417.06 kg. h4 .塔底吸收液浓度XiV(Yi -Y2) =L(Xi -X2)81.56 0.0185 -0.00182X1 =0.0055245.3925 .操作线方程Y =L X -X2 飞=3.01X 0.00182V4.3填料塔的工艺尺寸的计算4.3.1 塔径的计算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、

20、的计算Eckert关联图二,0.06 * w0.010.0080.0060.00400020.0010.010.08采用Eckert泛点系数和压降通用关联图4计算泛点气速匕塔底混合气流量 W = 87.69 + 58.08 + 2271.57 = 2417.34kg/h吸收液流量 W= 4417.06+87.69M0.9=4495.98kg/h所以关联图的横坐标值X=”=8 产广=0.063WVpL2417.34 1000由Eckert泛点系数和压降通用关联图查得纵坐标值为0.172因为丙酮在水中的溶解度很小，故可以 p水=p液，巾=p水/ p液=1查化工原理得，50M50M1.5的聚丙烯鲍尔

21、环，其填料因子4=130m,比表面积at =100m2.m3=3.39m/s0.172g ：L _ 0.172 9.81 1000,RL0.2 一 ' 130 1 1.15 0.90.22 .操作气速空塔气速由下面经验公式确定：N = (0.6|_ 0.8)匕；=0.7人=2.373m s3 .塔径由D 丝生变3= 0.559m;圆整塔径，取D = 0.6m；,二 u.二 2.3734 .泛点率校核=2.063m/s2100 3600u 二0.624、署M100%=60.9% (在允许范围内)5 .核算径比Dd=60°50=12>8;满足鲍尔环的径比要求。6 .喷淋密度

22、的校核对直径不超过75mm勺拉西环及其它填料，取最小润湿速率(Lw) min为0.08 吊/ (m h),故最小喷淋密度与最小润湿速率的关系为：Umin =(Lw)min at则有： Umin = (Lw)min at = 0.08 x 100=8 m3/(m2 h)因U=2417.34 = 26.86吊/( m1 2 * *.h)> Umin1000 0.624故满足最小喷淋密度要求。4.3.2填料层高度计算1.有效面积（润湿面积）aw22%=1 .exp-1.45(三严5(与严(安严5(严 a二 l a l ：l g iLa4495.982G L = 4.42 kg/(m .s)36

23、00 - 0.624二c=33 10 -N m包=1 _exp -1.4533 10 jat71.6 10320.754.420.1 (4.42 M 3600) >100(100 0.9027 10j)- 10002 1.27 108,.0.05J M24.42 360021000 71.6 103600100p.2、9.5623r = 1 -e 0.432 .3aw = 43 m / m2.液相传质系数kLkL =0.0095(GlawL)2/3 ( L ).4/2 ( Lg)1/34 4.422/3 0.9027M 3600M10，- 0.9027M 3600M10，x 1.27 1

24、08 1/3一 .(43 0.9027 10，)( 1000 4.392 10")(1000=0.59 m： h3.气相传质系数kG2417.342气体质量通量：Gv =:= 2.37kg/(m s)3600 0.624kG ”23*)0V 1/3 / at DV)(vDvRTh kPa由kGa=kGaW*1.1查化工原理课程设计得 巾=1.45；则 kGa MkGam1,=0.083父43父1.451.1 = 5.37kmol /(m3，h，Kpa)；La-haw ：0.4 =0.59 43 1.450.4 -29.44L/h ；因为上=60.9% >50% ,需要按下式校正

25、，即 Ufha 二/aJ- 2 92 u 1+2.6 -0.5 1Uf )得 kG'a =1 9.5(0.609 -0.5)1.4 5.37 = 7.66kmol / (m3 h Kpa)；kL'a =1 2.6(0.609 -0.5)22 29.44 =30.02 L/h ;4.吸收阻力1力KGa1KgH11；LkGa HkLa11十7.66 0.263 30.02=0.2575.传质单元高度HogH ogV VKYaA - KGaPA81.56 0.257101.3 - 0.624=0.73m ;6.传质单元数NogN og =Y1 -丫2二 Y mYi =Yi Y1* =

26、Yi mX1 =0.0185-2.086 X 0.0055=0.00703Y2 =丫2-丫2* =Y2-mX2 =Y2=0.00182Yi - Y20.00703-0.00182 o d .Ym =; = = 3.86 10ln( Yi/ Ya)ln(0.00703/0.00182)N OG =Y1 -丫2,Ym0.0185 -0.001823.86 10“= 4.337.填料层高度ZZ = Hog Nog =0.73X4.33=3.16 m圆整Z=4 m表6散装填料分段高度推荐值填料类型h/Dh max拉西环2.5<4m鞍环58<6m鲍尔环510<6m阶梯环815<6

27、m环矩鞍815<6m对于鲍尔环填料，TZmaxW。因为4<6,故不需分段。4.4填料层压降的计算采用埃克特通用关联图计算填料层压降:u2：。纵坐标：-V <0.2g :l查埃克特通用关联图得:横坐标：（.）（区）0.5 =0.063 ,查化工原理课程设计得：p =116m/； V ： V22.3732 116 1 z 1.1502Xx 0.90270 = 0.075 ;9.811000P/Z = 60父9.81 =588.6pa/m；填料层压P1为：，P =588.6 4 = 23544a至此，吸收塔的物料衡算、塔径、填料层高度和填料层压降均已算出。第五章 塔内件及附属设备的

28、计算5.1液体分布器的计算(1)液体分布器的选型该塔液相负荷较大，而气相负荷相对较低，故选用莲蓬头分布器。莲蓬头的直径约为塔径的1/4左右，莲蓬球面上开有许多10mmi勺小孔，喷 洒角为80。选用DND 32 M 2.5无缝钢管接管管径DN=32*2.5(2)分布点密度计算D=600时取喷淋点密度为223,布液点数为63则莲蓬头分3圈，布液点直径为10mm间距为15mm5.2 填料塔附属高度的计算一个完整的吸收塔，除了填料高度外，还有其他附属高度，因此塔高的计算 还包括塔附属高度的计算塔填料层上部的高度：可取hi=1.18m。塔底空间高度取1m塔的附属总高为：h3 =几+ h2 =1.18 +

29、 1 = 2.18m。所以塔的总高：h = h3 +z' =2.18+4=6.18m5.3 填料支撑板填料支撑装置对保证填料塔的操作性能具有巨大的作用，对填料支撑装置的 基本要求是：有足够的强度以支撑填料的重量； 提供足够大的自由截面，尽量减 小8两相的流体阻力；有利于液体分布；乃腐蚀性能好，便于各种材料制造，以 及安装拆卸方便。评价填料支撑装置的性能优劣，主要根据它能否在支撑板与填 料的接触压力，提供足够大的自由截面。常用的填料支撑装置有栅板型，孔管型，驼峰型等，对于散装填料，通常选 用孔管型、驼峰型等。当塔内气液负荷较大或负荷波动较大时，塔内填料将发生浮动或相互撞击， 破坏塔的正常

30、操作甚至损坏填料，为此，一般在填料层顶部设压板或床层限制板。设计中，为防止填料支撑装置处压降过大甚至发生液泛，要求填料支撑装置的自由截面积应大于75%本设计依据塔径选用栅板型支撑板。图4-2栅板式填料支承装置示意图5.4 填料压紧装置为防止在上升气流的作用下填料床层发生松动或跳动，需在填料层上方设置填料压紧装置.填料压紧装置有压紧栅板，压紧网板，金属压紧器等不同类型.对 于散装填料，可选用压紧网板，液可选用压紧栅板，在其下方，根据填料的规格敷 设一层金属网，并将其与压紧栅板固定；对于规整填料，通常选用压紧栅板.设计 中,为防止在填料压紧装置处压降过大甚至发生液泛，要求填料压紧装置的自由截面积应

31、大于70%.本设计中填料塔在填料装填后于其上方安装填料压紧栅板。5.5 液体除雾器除沫装置安装在液体再分布器上方，用以除去出气口气流中的液滴。由于二 氧化硫溶于水中易于产生泡沫为了防止泡沫随出气管排出， 影响吸收效率，采用 除沫装置，根据除沫装置类型的使用范围，该填料塔选取丝网除沫器。图4-3 DN300-600上装式丝网除沫器标记：HG/T21618 丝网除沫器 S500-100 SP NS-80/316表4-2 DN500上装式丝网除沫器mm公称直径 主要外形尺寸重量（kg）DNHHD丝网格栅及定距杆支承件5001002105002.812.890.195.6 筒体和封头的设计(1)筒体的

32、设计选用标准：筒体(JB1153-73)表4-3筒体的容积、面积及重量公称直径Dg(mm)一米5容积V(m3)1的一局的内裹Fg (m2)壁厚S(mm)一米高筒 节钢板理论重 量(kg)6000.2831.88460(2)封头的设计图4-4椭圆形封头的结构示意图选用标准：选取椭圆形封头(JB1153-73)表4-4筒体的容积、面积及重量公称直径Dg(mm)曲间图度%(mm)直边高度H2 (mm)厚度S(mm)重量G(kg)60016025412.45.7 手孔的设计标准化手孔的公称直径有DN150 DN250两种。选用手孔 A PN0.6,DN150,JB589-79-25.8法兰的设计管法兰

33、的选择选用标准：HG20593-97板式平焊钢制管法兰(欧洲体系)(1)图4-6板式平焊钢制法兰(PL)表4-6 PN0.6MPa (6.0bar )板式平焊钢制管法兰(mm管子直径法兰内径螺栓孔中心圆公称直径螺栓孔直螺栓孔法兰 外法 兰 厚法兰理论A/mmB1/mm直径 K/mm DN/mm 径 L/mm 数量 n 径 D/mm度 C/mm重量 kg液体进 出 3233752511410014口气体进出 219222295200228340249.24口标记：液体进出 口 ： HG 20593 法兰 PL25-0.6 FF Q235-A气体进出 口 ： HG 20593 法兰 PL200-0.6 FF Q235-A(2)容器法兰的选择选用标准：JB/T4701-2000甲型平焊法兰标记:法兰 P 1400-0.25 JB/T4701-2000图4-7甲型平焊法兰平面密封面（代号 P）表4-7 PN0.25MPa甲型平焊法兰的结构尺寸（mrm公称