丙酮吸收填料塔的设计

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。丙酮吸收填料塔的设计第一章 概 述第一章 概 述11吸收技术概况吸收是气液传质的过程，应用填料塔较多。而塔填料是填料塔的核心构件，它提供了塔内气液两相接触而进行传质和传热的表面，与塔的结构一起决定了填料塔的性能。12吸收设备的发展吸收操作主要在填料塔和板式塔中进行，尤其以填料塔的应用较为广泛。塔填料的研究与应用已获得长足的发展，鲍尔环、阶梯环、莱佛厄派克环、金属环矩鞍等的出现标志着散装填料朝高通量、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

2、的重要品种。其中金属与塑料波纹板造价适中，抗污力强，操作性能好，并易于工业应用，可作为通用填料使用；栅格填料对液体负荷和允许压降要求苛刻的过程十分有利，并具有自净机能，即使应用在污垢系统也能长期稳定运转；脉冲填料独特的结构使之在大流量、大塔径下也不会发生偏流，极易工业放大，从发展上看很有希望。 塔填料仍处于发展之中，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，进而开发构型优越、堆积接触方式合理、流体在整个床层能均匀分布的新型填料。就目前看，填料的材质仍以陶瓷、金属和塑料为主，特别为满足化工生产中温度和耐腐蚀的要求，以开发并

3、采用了氟塑料制成的填料。 填料塔原先被认为设备笨重，放大效应显著，所以常用于塔径较小的场合。近二三十年来，填料塔得到了较大的发展，特别是气液分布装置上的改进及规整填料的开发，使塔的直径可超过15m，在加大通量，减少压力降，提高效率及降低能耗方面，取得了明显的经济效益。 填料塔的发展，与塔填料的开发与研究是分不开的，除了提高原有填料的流体力学与传质性能外，还开发了不少效率高、放大效益小的新型填料，加上填料塔本身具有压降小、持液量小、耐腐蚀、操作稳定、弹性大等优点，使填料塔的开发研究达到了一个新的高度。13吸收过程在工业生产中的应用在化学工业中，气体吸收操作广泛应用于直接生产化工产品，分离气体混合

4、物，原料气的精制及从废气中回收有用组分或除去有害物质等。尤其是从保护环境，防止大气污染角度出发，对废气中有害物质吸收除去过程的开发研究，有关着方面已提出了不少新的方法，发表了不少论著与文献。除此之外，地球化学、生物物理和生物医药工程，也要应用气体吸收的理论及其研究成果。 工业上的气体吸收过程，由于所用的吸收剂、吸收剂浓度、操作温度与压力、再生方法等的不同，可能有各种不同的工艺流程。吸收过程可以在填料塔、板式塔、鼓泡塔、搅拌反应釜等设备中进行。从传质角度讲，吸收所用的是气液接触设备，应增加气液两相的接触界面，但在吸收过程中也可能发生化学反应，因此吸收设备与蒸馏设备及气液反应器都有许多共同之处。第

5、二章 吸收方案2.1吸收剂的选择 对于吸收操作,选择适宜的吸收剂,具有十分重要的意义。其对吸收操作过程的经济性有着十分重要的影响。一般情况下,选择吸收剂,要着重考虑如下问题。1.对溶质的溶解度大 所选的吸收剂多溶质的溶解度大,则单位量的吸收剂能够溶解较多的溶质,在一定的处理量和分离要求下,吸收剂的用量小,可以有效地减少吸收剂循环量,这对于减少过程功耗和再生能量消耗十分有利。另一方面,在同样的吸收剂用量下,液相的传质推动力大,则可以提高吸收效率,减小塔设备的尺寸。2.对溶质有较高的选择性 对溶质有较高的选择性,即要求选用的吸收剂应对溶质有较大的溶解度,而对其他组分则溶解度要小或基本不溶,这样,不

6、但可以减小惰性气体组分的损失,而且可以提高解吸后溶质气体的纯度。3.挥发度要低吸收剂在操作条件下应具有较低的蒸气压,以避免吸收过程中吸收剂的损失,提高吸收过程的经济性。4.再生性能好由于在吸收剂再生过程中,一般要对其进行升温或气提等处理,能量消耗较大,因而,吸收剂再生性能的好坏,对吸收过程能耗的影响极大,选用具有良好再生性能的吸收剂,往往能有效地降低过程的能量消耗。以上四个方面是选择吸收剂时应考虑的主要问题,其次,还应注意所选择的吸收剂应具有良好的物理、化学性能和经济性。其良好的物理性能主要指吸收剂的粘要小,不易发泡,以保证吸收剂具有良好的流动性能和分布性能。良好的化学性能主要指其具有良好的化

7、学稳定性和热稳定性,以防止在使用中发生变质,同时要求吸收剂尽可能无毒、无易燃易爆性,对相关设备无腐蚀性(或较小的腐蚀性)。吸收剂的经济性主要指应尽可能选用廉价易得的溶剂。工业上常选用水做丙酮的吸收剂。 用水吸收丙酮属中等溶解度的吸过程，为提高传质效率，采用逆流吸收流程。因用水作为吸收剂，且丙酮不作为产品，故采用纯溶剂。22吸收塔设备及填料的选择 各种填料的结构差异较大，具有不同的优缺点，因此在使用上应根据具体情况选择不同的塔填料。在选择塔填料时，应该考虑如下几个问题：1面积大比表面积是指单位堆积体积填料所具有的表面积；2分布性能要好主要有如下三个方面：A填料在塔内装填之后，整体结构均匀。B填料

8、在塔内堆放形状应有利于液体向四周均匀分布。C减轻液体想避面偏流。3填料材质的选择 该流程处理量不大，所以所用的塔径不会太大，以采用填料塔比较适宜，碳钢填料造价低，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。同时金属填料可制成薄壁结构，它的通量大、气体阻力小，且具有很高的抗冲击性能，能在高温、高压、高冲击强度下使用，应用范围最为广泛。4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。 由于本次设计的压强（89.59Kpa）,温度（25°C

9、）下进行的，初选填料有金属鲍尔环和金属阶梯环经计算比较本次设计采用金属阶梯环填料，其主要性能参为表2-1表2-1填料类 型外径dmm比表面积a m/m空隙率m/ m个数 n个/ m堆积密度Kg/ m填料因子mAK金属阶梯环50112.30.94965003951300.0161.75金属鲍尔环501140.949125003771370.11.7523操作参数的选择温度为25，原料气流量为1400Nm3/h，原料气的温度43，丙酮摩尔分率为0.019，要求回收率不小于96%，实际液气比为最小液气比的1.6倍。第三章 吸收塔的工艺计算31基础物性数据由于原料气组成中，丙酮占1.9%，含量较低，属

10、于溶解度较小的难溶气体或低浓（）气体混合物溶于溶剂中，用地下水吸收时不会产生热效应，对气液平衡关系和吸收速度没有明显影响，属于等温吸收。因此吸收操作中的气液平衡关系可用亨利定律描述。即： （3-1）式中： 溶质的气相平衡分压，KPa; 溶质在平衡液相中的摩尔分率，无因次； 亨利系数，KPa.亨利定律表明，稀溶液上方的溶质分压与该溶质在平衡液相中的摩尔分率成正比，其比例系数称为亨利系数，亨利系数越大表示溶质在溶剂中的溶解度越小。如果溶液的浓度不用摩尔分率而改用体积摩尔浓度c来表示，则亨利定律也可写成： = （3-2） 溶解度系数，H越大则溶质在溶剂中的溶解度越大。亨利定律还可表示： （3-3）

11、溶质在气相中的摩尔分率，m称为相平衡常数，m越大溶质越难溶。亨利系数E和相平衡常数m间的关系为： （3-4）为操作系统的总压强。当溶质在液相中的浓度比较低时（),亨利系数和溶解度系数间的关系可表示为： （3-5）式中：溶质的分子量，； 溶液的密度，3.2 平衡关系的确定操作条件下，进入吸收塔气体的摩尔流量：操作条件下，进入吸收塔惰性气体的摩尔流量：因为气体中丙酮的体积分率为1.9%，所以 进塔气体中丙酮的组成为（下标： 1塔底 ； 2塔顶）: 由丙酮的气液平衡数据表3-1绘图(附图1)线形回归可得平衡常数E=130.7 由公式（3-4）得： 2030250.011.5992.7062.1520

12、.023.0664.9984.0320.034.4797.1315.8050.045.7058.9977.3510.056.83810.7968.8170.067.75712.26310.010.078.66413.59611.130.089.43114.92812.1790.0910.19716.12813.1620.1010.93017.06913.995表3-13.3 吸收剂用量及操作线的确定3.3.1物料衡算 如图3-1，对于逆流操作的吸收塔，在任意截面M-N与塔顶或塔底作物料衡算： 或 吸收塔的逆流物料衡算示意图如下：MN图3-1 吸收塔的逆流物料衡算示意图 3.3.2 吸收剂用量的

13、确定 1.最小吸收剂用量 （3-7） 式中： V 惰性气体流率，Kmol/h 最小吸收剂用量 Y,X 气相和液相组成由公式（3-6）得：2. 吸收剂用量取即： 解得出塔液相丙酮的摩尔比为：出塔液相中丙酮的摩尔分数：3.3.3 操作线方程的确定 由以上计算得操作可得操作线方程为：由于是纯水吸收，故=0,代入数据得操作线方程为： 3.4物性参数的计算3.4.1液相物性数据塔顶液的密度：塔底液密度可由下列计算：液体粘度25时水的相关物性=997.044/m3,黏度=8.937×10pa.s常见溶剂的缔合因子溶剂名称水甲醇乙醇苯非缔合溶剂缔合因子2.61.91.51.01.0由查得正常沸点下

14、的分子体积得: 丙酮在水中的扩散系数为： 出塔液相的摩尔质量=g/mol液相的平均摩尔质量为： 则：液相的质量流量：3.4.2气相物性数据进口混合气体的平均摩尔质量为：= 0.019×58.08+0.981×28.96=29.51Kg/Kmol进口混合气体的平均密度为 ：出口混合气体的平均摩尔质量为：=28.98 Kg/Kmol出口混合气体的平均密度为：混合气体的平均密度为：43度时丙酮的黏度43度时空气的黏度进口混合气体的黏度：出口混合气体的黏度：混合气体的黏度：由查得 = 1.205 = 0.415nm丙酮在空气中的扩散系数为：气体的质量流量：35填料塔的工艺尺寸的计算

15、351塔径的计算 泛点气速的计算及校核填料塔塔径的大小是根据生产能力与空塔气速来计算的。空塔气速由下面经验公式确定： 式中： 泛点气速，m/s 空塔气速，m/s泛点气速与气液流量、物系性质及填料的类型、尺寸等因素有关。其计算方法很多。目前工程上常采用Eckert通用关联图或Bian & Hougen关联式计算。采用Bian & Hougen关联式计算，计算公式为： 从这一步开始，要对所选两种填料分别进行计算，填料物性参数见表2-1。以下演算具体过程是以金属阶梯环为例的，两种填料的结果汇总将在后面依次列出。代入数据： 解得： 取则 ： 对金属鲍尔环：解得7.801m/s塔径圆整后

16、塔径0.4m 又当0.4m时校核速度 校核合格同理对金属鲍尔环：圆整后塔径0.4m 又当0.4m时校核速度同上合格。故塔径取为0.4m。3.5.2喷淋密度的计算及校核填料塔中气液两相间的传质主要是在填料表面流动的液膜上进行的。要形成液膜，填料表面必须被液体充分润湿，而填料表面的润湿状况取决于塔内的液体喷淋密度及填料材质的表面润湿性能。液体喷淋密度是指单位塔截面积上，单位时间内喷淋的液体体积，以U表示，单位为m3/(m2·h)。为保证填料层的充分润湿，必须保证液体喷淋密度大于某一极限值，该极限值称为最小喷淋密度，以Umin表示。式中 Umin最小喷淋密度，m3/m2s (LW)min

17、最小润湿速率，m3/m·s 填料的比表面积，m2/m3最小润湿速率是指在塔的截面上，单位长度的填料周边的最小液体体积流量。其值可由经验公式计算，也可采用经验值。对于直径不超过75mm的散装填料，可取最小润湿速率(LW)min为0.08 m3/（m·h）；对于直径大于 75mm的散装填料，取(LW)min =0.12 m3/（m·h）。填料表面润湿性能与填料的材质有关，就常用的陶瓷、金属、塑料三种材质而言，以陶瓷填料的润湿性能最好，塑料填料的润湿性能最差。实际操作时采用的液体喷淋密度应大于最小喷淋密度。若喷淋密度过小，可采用增大回流比或采用液体再循环的方法加大液体流

18、量，以保证填料表面的充分润湿；也可采用减小塔径予以补偿。演算过程如下：（金属阶梯环）(LW)min=0.08 m3/（m·h）=114m2/m3 ，D阶=0.4m m3/（m2·hm3/（m2·h）金属鲍尔环m3/（m2·h）经校核操作时的喷淋密度大于最小喷淋密度合格3.5.3塔径比实践证明，塔径（D）与填料外径（d)之比值（简称径比）应该在一定的范围内，若径比不在此范围内时，塔壁附近的填料层空隙率大而不均匀，气流易走短路及液体壁流等现象剧增。演算过程如下：（金属阶梯环）88 合格3.5.4压降的较核压强降是塔设计中的重要参数。气体通过填料层压强降的大小

19、决定了塔的动力消耗。填料层压降的计算方法有多种，本次课设采用的是Eckert通用关联图方法。图 3-2 Eckert通用关联图 液气相流率，Kg/s , 液气相密度，Kg/ 液相粘度，mPa.s 液相密度校正系数，= 填料因子，1/m g 重力加速度, m/s2 如图3-2所示，Eckert通用关联图除了有液泛线以外，还有许多等压降线。由已知参数及所用填料的压降填料因子P代替，计算出该图的横、纵坐标值，查图读取相应压降曲线的值（若交点没正好落在压降线上，可用相邻两条线内插读取），即为单位高度填料层压降。在常压塔中，一般在145490Pa/m较为合理，如超出这个范围，应按要求的值，由Eckert

20、通用关联图反求气速u，再重新计算塔径。演算过程如下：(金属阶梯环）P =82 纵坐标=横坐标在Eckert通用关联图上查得相应压降曲线的值=17×9.81166.77Pa/m ，压降合理。同理金属鲍尔环纵坐标=0.04056在Eckert通用关联图上查得相应压降曲线的值=22×9.81215.83Pa/m ，压降合理。3.5.5传质系数的确定有效面积（润湿面积） 式中：单位体积填料的总表面积，/m3 t单位体积填料的总表面积，/m3 液体的表面张力，N/m c填料材质临界表面张力，N/m ，陶瓷c=61×10-3N/m GL液体通过塔截面的质量流率，Kg/.s 液

21、相粘度，Pa.s 液气相密度，Kg/ g 重力加速度, m/s2演算过程如下：（金属阶梯环） GL= Kg/.st=114/m3 S阶= = w=71.44/m3同理得金属鲍尔环的有效面积w=74.26/m3气相传质系数 =0.237 式中：R气体常数，8.314 T气体温度，K DV溶质在气相中的扩散系数，/s UV气体通过空塔截面的质量流率， 气体粘度， 气体密度，Kg/m3 润湿表面积， 气相扩散系数，演算过程如下：（金属阶梯环）阶=0.237 查资料得： 同理金属鲍尔环4. 液相传质系数 式中： 溶质在液相中的扩散系数，/s 液体通过空塔截面的质量流率， 液体粘度， 液体密度，Kg/m

22、3 润湿表面积， 液相扩散系数， 重力加速度，演算过程如下（金属阶梯环）：查资料得： 同理得金属鲍尔环：3.6填料层高度填料层高度计算涉及物料衡算、传质速率和相平衡关系。对于整个吸收塔，气、液的浓度分布都沿塔高变化，吸收速率也在变化。所以要在全塔范围应用吸收速率关系式，就要采用微分方法，然后积分得到填料层的总高度。 低浓度气体的吸收，若进塔混合气浓度很低（不超过），则在塔内气液两相的摩尔流速变化都较小，可视为常数，而塔内各处浓度都很低，变化也较小，其体积传质系数也可视为常数，故采用总体积吸收系数求取填料层高度时，可依一下式计算：气相总传质单元高度，。气相总传质单元数， 脱吸因数，是平衡线斜率与

23、操作线斜率的比值，量纲为一。 与平衡的气相组成，摩尔比。演算过程如下：（金属阶梯环）=0.7640×6.4104.905m=(1.2-1.5)Z=1.2×4.08=5.886m设计取填料层高度为5.9米。同理得金属鲍尔环的填料层高度=5.045m两种填料的对比可参见下表。综合计算数据，进行比较，最终选出金属阶梯环作为填料。金属阶梯环金属鲍尔环标准比较泛点气速7.79467.801大好金属鲍尔环好空塔气速4.05254.0525塔径D400400比表面积114112.3大好金属阶梯环好喷淋密度20.2620.26压降166.77215.82小好金属阶梯环好3.7塔高的确定 3

24、.7.1填料吸收塔附属装置的选型根据计算出的气液流量、塔径、及气液流速的综合考虑，我们选用以下附属装置。设备名称选用个数液体分布器1填料支撑板1具体尺寸参见设备总装图。液体分布器的水平和垂直主管直径d为进液管管径。安装时应高于填料100200。支撑板的直径略小于塔径3.7.2 辅助设备的选型1.管径的计算管路的内径可用圆形管路的流量公式，即： 对于液相，由于进塔为地下水，出塔为混合溶液，所以应以出塔为准，选择流速；对于气相，则属于常压操作。以此为据，选出相应流速：表3-2 某些流体在管路中的常用流速范围流体的类别及情况流速范围, m/s水及低粘度流体（1×105Pa1×106Pa）1.53.0常压气体1020由此计算的管径不一定是整数值，需要参照标准，选用标准管径，才能作为操作中的实际管径。对于气相：取 =参照标准选用245为外径，内径：245-2×15=215同理可得液相：=0.02310m参照标准选用32为外径，内径：32-2×4=24mm由于管路采用标准管路，因此实际操作情况下的流速不是选取的流速，需要根据标准管径反算操作流速，进行校核。以液相为例：=0.024 同理可得气相：此时流速流速较核合格3.7.3封头的选择填料塔的顶部与底部均选用标准椭圆形封