物理吸收工藝流程設計方案

吉林化工學院化工原理課程設計 1 1 物理吸收工藝流程設計方案 第 1 章 緒論 收技術(shù)概況 在化工生產(chǎn)中 ,經(jīng)常要處理各種原料、中間產(chǎn)物、粗產(chǎn)品。這些物料幾乎都是混合物 ,而且大部分都是均相物系 ,往往不能滿足生產(chǎn)要求 ,需要把它們分離成較為純凈的物質(zhì)。為了實現(xiàn)這種分離 ,常利用均相物系中不同組分的某種性質(zhì)差異 ,使其中的一種組分 (或幾種組分 ),在分離設備所提供的兩相物系界面上 ,通過充分的接觸 ,從一相轉(zhuǎn)移到另一相 ,其它組分仍保留在原物系中 ,從而實現(xiàn)了分離。這種分離是物質(zhì)在相際間的轉(zhuǎn)移過程 ,即物質(zhì)傳遞過程 ,也是化工生產(chǎn)中的單元操作。吸收就是這種以物 質(zhì)分離為目的的單元操作。 吸收是用來分離氣體混合物的 ,是利用混合氣體中各組分在吸收劑中的溶解度的差異而實現(xiàn)分離的操作。在吸收過程中 ,混合氣體與合適的液體吸收劑在吸收設備中充分接觸 ,氣體中易溶解的組分被溶解 ,不能溶解的組分仍保留在氣相中 ,這樣混合氣體就實現(xiàn)了分離。 吸收作為一種重要的物質(zhì)分離操作被廣泛地應用在化工、石化等工業(yè)生產(chǎn)過程中。通過吸收可以回收混合氣體中的有用組分 ,例如用液態(tài)烴吸收石油裂解氣中的乙烯和丙烯 ,用洗油吸收焦爐煤氣中的芳烴物質(zhì) ,用硫酸處理焦爐氣以回收其中的氨等 ;還可以通過吸收除去混合氣體中的 有害組分使其凈化 ,例如用水或堿液除去合成氨原料氣中的二氧化碳 ,用丙酮除去石油裂解氣中的乙炔 ,以及除去工業(yè)廢氣中的二氧化硫、硫化氫等有害物質(zhì)。有時還通過吸收來直接生產(chǎn)化工產(chǎn)品 ,例如用水吸收二氧化氮以制取硝酸 ,用水吸收氯化氫以制取鹽酸 ,用水吸收甲醛以制取福爾馬林溶液等。 吸收劑將混合氣體中溶質(zhì)組分吸收后所得到的溶液是混合溶液 ,在生產(chǎn)中常需要使溶質(zhì)從吸收后的溶液中重新釋放出來 ,實現(xiàn)最終分離 ,而液相的吸收劑有可得以再生重新使用。這種使溶質(zhì)組分從溶液中脫出的過程稱為解吸 ,是吸收的逆過程 ,也是一種通過相際間傳質(zhì)而實現(xiàn)物 質(zhì)分離的單元操作。在化工生產(chǎn)中 ,吸收和解吸是常用的聯(lián)合操作 ,共同構(gòu)成了一個完整的工藝流程。 可用于吸收操作的設備種類很多，如填料塔、板式塔、噴灑塔等，工業(yè)上較多的使用填料塔。適用于吸收操作的設備同樣也適用于解吸操作。目前，解吸設備也多用填料塔。填料塔的結(jié)構(gòu)簡單，壓降低，填料易用耐腐蝕材料制造，尤其近年來國內(nèi)外對填料的研究與開發(fā)技術(shù)較快，一些性能優(yōu)良的新型填料不斷涌現(xiàn)，對大型填料的理論與應用研究也不斷深入。所以，填料塔的應用前景也將更加廣闊。 吉林化工學院化工原理課程設計 2 2 1813 年 出泡罩塔 ,1832 年開始用于釀造工 業(yè)。 1881 年工業(yè)規(guī)模的填料塔開始用于蒸餾操作 ,當時的填料是碎磚瓦、小石塊和管子短節(jié)等。二十世紀初期 ,隨著煉油工業(yè)的發(fā)展和石油化學工業(yè)的興起 ,塔設備被廣泛使用。當時煉油工業(yè)多采用泡罩塔 ,無機工業(yè)以填料塔為主。二十世紀中期 ,為了適應各種化工產(chǎn)品的生產(chǎn) ,開發(fā)了一些新型塔盤 ,如條形泡罩塔盤、 板塔盤、浮閥塔盤、舌形塔盤等。這一時期填料塔也在瓷環(huán)填料被廣泛采用的基礎上開發(fā)了鮑爾環(huán)填料、狄克松環(huán)填料、麥克馬洪填料、矩鞍形填料等。從六十年代起 ,隨著化學及煉油工業(yè)的大型發(fā)展 ,塔設備的單塔規(guī)模也隨之增大。直徑在 10 米以上的板式塔已經(jīng)出現(xiàn) ,塔板數(shù)多達上百塊 ,塔的高度達 80 余米 ,重量達幾百噸 ;填料聽的最大直徑已達 15 米 ,高達 100米。 目前 ,我國常用的板式塔仍為泡罩塔、篩板塔、浮閥塔和舌形塔盤塔。近年來 ,開發(fā)使用了斜孔塔盤、導向篩板、網(wǎng)孔塔盤、大孔篩板、浮閥 流塔板等。填料塔所用填料 ,對于亂堆填料除拉西環(huán)、鮑爾環(huán)外 ,階梯環(huán)、金屬矩鞍環(huán)已大量采用 ;由于金屬絲網(wǎng)及金屬板波紋填料規(guī)整填料的使用 ,并配合新型塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)使填料塔的效率大為提高 ,因此應用范圍日益擴大。 自從 1914 年出現(xiàn)拉西環(huán)填料以后 ，填料塔的發(fā)展進入了科學的軌道。 1914 年瓷質(zhì)拉西環(huán)的問世 ,標志著填料塔進入了科學發(fā)展的年代。 1914 年第一代有規(guī)填料拉西環(huán)（ 出現(xiàn)，使填料塔的發(fā)展進人了科學軌道。 1914 年 問世 ,標志著第一代亂堆填料的誕生 ,但實際生產(chǎn)效果仍沒有很大的提高 ,人們開始意識到汽液分布性能對填料塔操作的重要性 1937年斯特曼填料的出現(xiàn)，使填料和填料塔又進入了現(xiàn)代發(fā)展時期。 1950 年后，填料塔進入了緩慢發(fā)展時期，在這個時期內(nèi)，人們注意了對塔內(nèi)件的研究，力圖解決填料塔的放大問題，但由于 各種板式塔的出現(xiàn)及其成功應用，使填料塔倍受冷落。 1950年 以后，填料塔進入了緩慢發(fā)展時期，在這個時期內(nèi)，人們注意了塔內(nèi)件的研究，力圖解決填料塔的放大問題，但由于各種板式塔的出現(xiàn)極其成功應用，使填料 塔受到了冷落。 在 1951年 針對滲透理論假定旋渦在界面上停留一個固定的時間的不合理性，特別對攪拌槽、亂堆填料塔、鼓泡塔、噴霧塔，其中的氣泡和液滴有較寬的尺度分布，對滲透理論進行改進，提出了表面更新理論。 1966 年 ,用于分離水和重水的第一個蘇爾采填料塔在法國投產(chǎn)。自 1966 年世界上 建立起莽一批網(wǎng)波填料塔以來 ,十多年的實踐證明 ,風波填料具有效率高、負荷大、壓降低、滯液星小、幾乎無放大效應以及易于機械化加工等優(yōu)點 ,因此其應用得到了迅速發(fā)展。 1969年， 一個填料塔固定在大離心機的旋轉(zhuǎn)臂上，首次測定了離心加速度對傳質(zhì)效率的 影響。 1970年，我國建成第一座金屬絲網(wǎng)波紋填料塔， 20多年來估計有數(shù)百座金屬絲網(wǎng)波紋填料塔投人生產(chǎn)。 1971 年 采用不同材質(zhì)、不同尺寸的拉西環(huán)較為詳盡地研究了脈沖填料塔的兩相流動、軸向混合和傳質(zhì)特性，給出了特性速度、液滴直徑的經(jīng) 驗關(guān)聯(lián)式。 到 1972 年蘇爾采公司已建造了 12 個 填料塔 ,并且已成功地運轉(zhuǎn)著。 1972 年以來 ,以歐美為中心的世界硫酸制造所用的填料塔逐漸改換成陶瓷階梯環(huán) ,目前包括新建在內(nèi)其總吉林化工學院化工原理課程設計 3 3 數(shù)可達 100座。 1977 年 吩紹了脈沖填料塔在己內(nèi)酚胺生產(chǎn)中的應用，并提出脈沖填料塔的傳質(zhì)效率與塔徑和塔中是否存在反應無關(guān)，因而具有易于放大的優(yōu)點。 1980年 5月開始進行了階梯環(huán)填料塔的試驗 ,獲得成功。 1980年 ,曾將填料塔作為氧合器 ,對幾種較小尺寸的填料進行了傳質(zhì)性能的測定 ,并進行了血液 氧合過程的嘗試川。 1982 年 4 月在直徑 的油洗塔及直徑 的水洗塔中 ,將上段的浮閥塔板改為充填英塔洛克斯金屬填料的填料塔。 1986 年底大檢修時 ,對部分設備進行了改造 ,用填料塔取代了浮閥塔。 1990 年國家科委批準在天津大學成立 “ 新型填料塔及高效填料研究推廣中心 ” 。 2001年杭氧、開空、川空和中國空分設備公司等主要企業(yè)以填料塔、全精餾制氬、內(nèi)壓縮流程為代表的新一代大型空分設備占據(jù)了國內(nèi) 2萬 產(chǎn)任務也都十分飽滿。 吸收塔是實現(xiàn)吸收操作的設備。按氣液相接觸形態(tài)分為三類 。第一類是氣體以氣泡形態(tài)分散在液相中的板式塔、鼓泡吸收塔、攪拌鼓泡吸收塔；第二類是液體以液滴狀分散在氣相中的噴射器、文氏管、噴霧塔；第三類為液體以膜狀運動與氣相進行接觸的填料吸收塔和降膜吸收塔。 塔內(nèi)氣液兩相的流動方式可以逆流也可并流。通常采用逆流操作，吸收劑以塔頂加入自上而下流動，與從下向上流動的氣體接觸，吸收了吸收質(zhì)的液體從塔底排出，凈化后的氣體從塔頂排出。 填料是填料塔的核心，它提供了塔內(nèi)氣液兩相的接觸面，填料與塔的結(jié)構(gòu)決定了塔的性能。填料必須具備較大的比表面，有較高的空隙率、良好的潤濕性、耐腐蝕、一 定的機械強度、密度小、價格低廉等。常用的填料有拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、弧鞍形和矩鞍形填料， 20世紀 80年代后開發(fā)的新型填料如 1 型扁環(huán)填料、八四內(nèi)弧環(huán)、刺猬形填料、金屬板狀填料、規(guī)整板波紋填料、格柵填料等，為先進的填料塔設計提供了基礎。 填料塔適用于快速和瞬間反應的吸收過程，多用于氣體的凈化。該塔結(jié)構(gòu)簡單，易于用耐腐蝕材料制作，氣液接觸面積大，接觸時間長，氣量變化時塔的適應性強，塔阻力小，壓力損失為 300 700板式塔相比處理風量小，空塔氣速通常為 0 5 1 2m/s，氣速過大會形成液泛，噴淋密度 6 8(h)以保證填料潤濕，液氣比控制在 2 10L 料塔不宜處理含塵量較大的煙氣，設計時應克服塔內(nèi)氣液分布不均的問題。 用以進行吸收操作的塔器。利用氣體混合物在液體吸收劑中溶解度的不同，使易溶的組分溶于吸收劑中，并與其他組分分離的過程稱為吸收。操作時，從塔頂噴淋的液體吸收劑與由塔底上升的氣體混合物在塔中各層填料或塔盤上密切接觸，以便進行吸收。伴有化學反應的吸收叫化學吸收。按吸收時氣液作用方式吸收塔可分為表面式、膜式、噴淋式和鼓泡式等。 收在工業(yè)生產(chǎn)中的應用 吸收在工業(yè)生 產(chǎn)中得到廣泛應用，大致分為以下幾種 ： （ 1） 原料氣的凈化 為除去原料氣所含的雜質(zhì)，吸收可以說是最常用的方法。就雜質(zhì)的濃度來說，多數(shù)很低，但因危害大而仍要求很高的凈化率，如煤氣中的 量一般遠低于吉林化工學院化工原理課程設計 4 4 1%（體積分數(shù)），但凈化率仍要求高于 90%；也有初始濃度相當高的。 （ 2） 有用組份的回收 如從焦爐煤氣中用水回收氨，再用洗油回收粗苯蒸汽，以及從某些干燥廢氣中回收有機溶劑蒸汽等。 （ 3） 某些產(chǎn)品的制取 將氣體中需用的成分以指定的溶劑吸收出來，成分溶液態(tài)的產(chǎn)品或半成品。如甲醇（乙醇）蒸汽經(jīng)氧化后，用水吸收以制成甲醛（乙醛）辦成 品等。 （ 4） 廢棄的治理 很多工業(yè)廢氣中含有 要是 汞蒸汽等有害氣體成分，雖然濃度一般很低，但對人體和環(huán)境仍危害甚大而必須進行處理。這類環(huán)境保護問題在我國已愈來愈受到重視。選擇適當?shù)墓に嚭腿軇┻M行吸收，是廢氣治理中應用較廣的方法。 當然，以上目的有時也難以截然分開，如干燥廢氣中的有機溶劑，能回收下來就很有價值，任其排放則會污染大氣。 塔設備是化學工業(yè)、石油工業(yè)、石油化工等生產(chǎn)中最重要的設備之一。在塔設備中能進行的單元操作有 :精餾、吸收、解吸、氣體的增濃及冷卻等。 在化工、 石油化工及煉油廠中 ,塔設備的性能對于整個裝置的產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、生產(chǎn)能力和消耗定額 ,以及三廢處理和環(huán)境保護等各個方面 ,都有重大影響。在化工和石油化工生產(chǎn)裝置中 ,塔設備的投資費用占整個工藝設備費用的 煉油和煤化工生產(chǎn)裝置占 它所耗用的鋼材重量在各類工藝設備中所占的比例也較多 ,例如在年產(chǎn) 250萬噸常壓及減壓煉油蒸餾裝置中耗用的鋼材重量占 年產(chǎn) 60 及 120 萬噸的催化裂化裝置占 因此 ,塔設備的設計和研究 ,對化工、煉油等工業(yè)的發(fā)展起著重大作用。 吸收設備有多種形式，但以塔式最 為常見。按氣、液兩相接觸方式的不同可將吸收設備分為級式接觸和微分接觸兩大類。 在級式接觸設備中，氣體與液體逐級逆流接觸。氣體自下而上通過板上小孔，在 每一板上與溶劑接觸，其中可溶組分被部分的溶解。氣體每上升一塊塔板，其可溶組分的濃度階越式的降低；溶劑逐板下降，其可溶組分的濃度則階越式的升高。但是，在級式接觸過程中所進行的吸收過程仍可不隨時間而變，為定態(tài)連續(xù)過程。 在微分接觸設備中，液體自塔頂均勻流下，氣體通過填料間的空隙上升與液體做連續(xù)接觸，氣體中的可溶組分不斷的被吸收，其濃度自下而上連續(xù)的降低；液體則相反 ，其中可溶組分的濃度則有上而下連續(xù)的增高。 級式接觸與微分接觸兩類設備不僅用于氣體吸收，同樣也用于液體精餾、萃取等其它傳單元操作。 化工生產(chǎn)中吸收主要用于回收或捕獲氣體混合物中的有用物質(zhì)，以制取產(chǎn)品；還用于出去工藝氣體中的有害成分，使氣體凈化，以便進一步加工處理；或除去工業(yè)放空尾氣中的有害物，以免污染空氣。 實際過程往往同時兼有凈化和回收的雙重目的。 吸收操作是氣液兩相之間的接觸傳質(zhì)過程，吸收操作的成功與否在很大程度上決定于溶劑的性質(zhì)，特別是溶劑與氣體混合物之間的相平衡關(guān)系。 塔設備除了應滿足特定的化工工藝 條件 (如溫度、壓力及耐腐蝕 )外 ,為了滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要還應達到下列要求 : 吉林化工學院化工原理課程設計 5 5 (1) 生產(chǎn)能力大 ,即氣液處理量大 ; (2) 高的傳質(zhì)和傳熱效率 ,即氣液有充分的接觸空間、接觸時間和接觸面積 ; (3) 操作穩(wěn)定 ,操作彈性大 ,即氣液負荷有較大波動時仍能在較高的傳質(zhì)效率下進行穩(wěn)定的操作 ,且塔設備應能長期連續(xù)運轉(zhuǎn) ; (4) 流體流動的阻力小 ,即流體通過聽設備的壓力降小 ,以達到節(jié)能降低操作費用的要求 ; (5) 結(jié)構(gòu)簡單可靠 ,材料耗用量小 ,制造安裝容易 ,以達到降低設備投資的要求。 事實上 ,任何一個塔設備能同時達到上述的諸項要求是很困難的 ,因此只能從生產(chǎn)需要及經(jīng)濟合 理的要求出發(fā) ,抓住主要矛盾進行設計。隨著人們對于增大生產(chǎn)能力、提高效率、穩(wěn)定操作和降低壓力降的追求 ,推動著各種新型塔結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)和發(fā)展。 對填料的基本要求有：傳質(zhì)效率高，要求填料能提供大的氣液接觸面。即要求具有大的比表面積，并要求填料表面易于被液體潤濕。只有潤濕的表面才是氣液接觸表面。生產(chǎn)能力大，氣體壓力降小。因此要求填料層的空隙率大。不移引起偏流和溝流。經(jīng)久耐用具有良好的耐腐蝕性，較高的機械強度和必要的耐熱性。取材容易，價格便宜。 第 2 章 設計方案 吸收過程的設計方案主要包括吸收劑的選擇、吸收流程的 選擇、解吸方法選擇、設備類型選擇、操作參數(shù)的選擇等內(nèi)容 . 收劑的選擇 在填料吸收塔的設計中，選擇合適的吸收劑，對物系的有效分離、流程的確定、溶劑的用量或循環(huán)量、設備的尺寸大小等都有至關(guān)重要的影響，也直接決定了分離操作的經(jīng)濟效益。對吸收劑的選擇，一般遵循以下原則： (一 )對溶質(zhì)的溶解度大 選用溶解度大的溶劑，可大大降低溶劑用量，溶劑的循環(huán)量和再生處理量都隨之減小，這意味著日常操作費用的降低。在吸收劑同樣用量的情況下，完成一定的分離任務，選用溶解度大的溶劑，則可減小吸收設備的尺寸，從而降低設備 費用。 （二）對溶質(zhì)有較高的吸收選擇性 對溶質(zhì)有較高的選擇性 ,即吸收劑應對溶質(zhì)有較大的溶解度 ,而對其他組分則溶解度要小 ,這樣不但可以減小惰性氣體組分的損失 ,還可以提高解吸后溶質(zhì)氣體的純度 . (三 )不易揮發(fā) 吸收劑在操作條件下應具有較低的蒸氣壓 ,避免吸收過程中吸收劑的損失 ,提高吸收過程的經(jīng)濟性 . (四 )再生性能好 由于在吸收劑再生過程中 ,一般要對其進行升溫或氣提等處理 ,能量消耗較大 ,因而 ,吸收吉林化工學院化工原理課程設計 6 6 劑再生性能的好壞 ,對吸收過程能耗的影響極大 ,選用具有良好再生性能的吸收劑 ,往往能有效地降低過程的能量消耗 . 以上四個方 面是選擇吸收劑時應考慮的主要問題 ,其次 ,還應注意所選擇的吸收劑應具有良好的物理、化學性能和經(jīng)濟性 不易發(fā)泡 ,以保證吸收劑具有良好的流動性能和分布性能 以防止在使用中發(fā)生變質(zhì) ,同時要求吸收劑盡可能無毒、無易燃易爆性 ,對相關(guān)設備無腐蝕性 (或較小的腐蝕性 ) 表 2 1 物理吸收劑和化學吸收劑的特性 物理吸收劑 化學吸收劑 （ 1）吸收容量（溶解度）正比于溶質(zhì)分壓 （ 2）吸收熱 效應很小（近于等溫） （ 3）常用降壓閃蒸解吸 （ 4）適于溶質(zhì)含量高，而凈化度要求不太高的場合 （ 5）對設備腐蝕性小，不易變質(zhì) （ 1）吸收容量對溶質(zhì)分壓不太敏感 （ 2）吸收熱效應顯著 （ 3）用低壓蒸汽氣提解吸 （ 4）適于溶質(zhì)含量不高，而凈化度要求很高的場合 （ 5）對設備腐蝕性大，易變質(zhì) 收工藝流程的選擇 工業(yè)上使用的吸收流程多種多樣，可以從不同角度進行分類，從所選用的吸收劑的種類看，有僅用一種吸收劑的一步吸收流程和使用兩種吸收劑的兩步吸收流程，從所用的塔設備數(shù)量看，可分為單塔吸收流程和多塔吸 收流程，從塔內(nèi)氣液兩相的流向可分為逆流吸收流程、并流吸收流程等基本流程，此外，還有用于特定條件下的部分溶劑循環(huán)流程。 （一）一步吸收流程和兩步吸收流程 一步流程一般用于混合氣體溶質(zhì)濃度較低，同時過程的分離要求不高，選用一種吸收劑即可完成任務的情況。若混合氣體中溶質(zhì)濃度較高且吸收要求也高，難以用一步吸收達到規(guī)定的吸收要求，但過程的操作費用較高，從經(jīng)濟性的角度分析不夠適宜時，可以考慮采用兩步吸收流程。 （二）單塔吸收流程和多塔吸收流程 單塔吸收流程是吸收過程中最常用的流程，如過程無特別需要，則一般采用單塔吸收流 程。若過程的分離要求較高，使用單塔操作時，所需要的塔體過高，或采用兩步吸收流程時，則需要采用多塔流程（通常是雙塔吸收流程） （三）逆流吸收與并流吸收 吸收塔或再生塔內(nèi)氣液相可以逆流操作也可以并流操作，由于逆流操作具有傳質(zhì)推動力大，分離效率高（具有多個理論級的分離能力）的顯著優(yōu)點而 廣泛應用。工程上，如無特別需要，一般均采用逆流吸收流程。 （四）部分溶劑循環(huán)吸收流程 由于填料塔的分離效率受填料層上的液體噴淋量影響較大，當液相噴淋量過小時，將降低填料塔的分離效率，因此當塔的液相負荷過小而難以充分潤濕填料表面時， 可以采用部分溶劑循環(huán)吸收流程，以提高液相噴淋量，改善踏的操作條件。 吉林化工學院化工原理課程設計 7 7 吸收工藝流程圖及工藝過程說明 圖 2收與解吸流程 收塔設備及填料的選擇 收塔的設備選擇 按氣液兩相接觸的方式不同可將吸收設備分為級式接觸設備與微分接觸設備兩大類。 板式吸收塔是典型的級式接觸設備 ,氣體與液體逐級逆流接觸。氣體自下而上通過板上小孔逐板上升 ,在每一板上與溶劑接觸 ,其中可溶組分被部分地溶解。在此類設備中 ,氣體每上升一塊板 ,其可溶組分的濃度階越式地降低 ;溶劑逐 板下降 , 其可溶組分的濃度階越式地升高。但是 ,在級式接觸過程中所進行的吸收過程仍可不隨時間而變 ,為定態(tài)連續(xù)過程。 填料吸收塔是常用的微分接觸設備。液體呈膜狀沿壁流下 ,此為壁塔或降膜塔。更常見的是在塔內(nèi)充以諸如瓷環(huán)之類的填料 ,液體自塔頂均勻淋下并沿填料表面下流 ,氣體通過填料間的空隙上升與液體做連續(xù)的逆流接觸。在這類設備中 ,氣體中的可溶組分不斷地被吸收 ,其濃度自下而上連續(xù)地降低 ;液體則相反 , 其可溶組分的濃度則由上而下連續(xù)地增高。 對于吸收過程 ,能夠完成其分離任務的塔設備有多種 ,如何從眾多的塔設備中選出合適的類 型是進行工藝設計的首要工作 并經(jīng)多方案對比方能得到較滿意的結(jié)果 吸收用塔設備與精餾過程所需要的塔設備具有相同的原則要求 ,即用較小直徑的塔設備完成規(guī)定的處理量 ,塔板或填料層阻力要小 ,具有良好的傳質(zhì)性能 ,具有合適的操作彈性 ,結(jié)構(gòu)簡單 ,造價低 ,易于制造 、 安裝 、 操作和維修等 . 但作為吸收過程 ,一般具有操作液起比大的特點 ,因而更適用于填料塔 填料塔阻力小 ,效率高 ,有利于過程節(jié)能 ,所以對于吸收過程來說 ,以采用填料塔居多 或 塔徑過大 ,使用填料塔不經(jīng)濟的情況下 ,以采用板式塔為宜 . 吉林化工學院化工原理課程設計 8 8 料的選擇 填料的選擇包括確定填料的種類、尺寸及材質(zhì)等 又要使設備投資和操作費用較低 有不同的優(yōu)缺點，因此在使用上應根據(jù)具體情況選擇不同的塔填料。在選擇塔填料時，應該考慮如下幾個問題： 填料種類的選擇要考慮分離工藝的要求 ,還要確保有較高的傳質(zhì)效率 還應選擇具有較高泛點氣速或氣相動能因子的填料 ,這樣可以使通量增大 ,塔的處理能力也增大 應用性能 ,填料層的壓降愈低 ,動力消耗就愈低 ,操作費用愈小 污堵性及抗熱敏性等 以保證塔內(nèi)氣液負荷發(fā)生波動時維持操作穩(wěn)定 熱敏能力 ,以適應物料的變化及塔內(nèi)溫度的變化 . 實踐表明，填料塔的塔徑與填料直徑的比值應保持不低于某一下限值，以防止產(chǎn)生較大的壁效應，造成塔的分離效率下降。一般來說，填料尺寸大，成本低，處理量大，但是效率低，使用大于 50填料，其成本的降低往往難以抵償其效率降低所造成的成本增加 。所以，一般大塔經(jīng)常使用 50 表 2 3 填料尺寸與塔徑的對應關(guān)系 塔徑 /填料尺寸 /D 300 300 D 900 D 900 20 25 25 38 50 80 吉林化工學院化工原理課程設計 9 9 圖 2填料是填料塔中的氣液相間傳質(zhì)組件，是填料塔的核心部分。其種類繁多，性能上各有差異。 目前散堆填料主要有環(huán)形填料、鞍形填料、環(huán)鞍形填料及球形填料。所用的材質(zhì)有陶瓷、塑料、石墨、玻璃及金屬等 （ 1）拉西環(huán)填料拉西環(huán)填料于 1914年由拉西（ F. 明，為外徑與高度相等的圓環(huán)，如圖片拉西環(huán)所示。拉西環(huán)填料的氣液分布較差，傳質(zhì)效率低，阻力大，通量小，目前工業(yè)上已較少應用。 （ 2） 鮑爾環(huán)填料如圖片鮑耳環(huán)所示，鮑爾環(huán)是對拉西環(huán)的改進，在拉西環(huán)的側(cè)壁上開出兩排長方形的窗孔，被切開的環(huán)壁的一側(cè)仍與壁面相連，另一側(cè)向環(huán)內(nèi)彎曲，形成內(nèi)伸的舌葉，諸舌葉的側(cè)邊在環(huán)中心相搭。 鮑爾環(huán)由于環(huán)壁開孔，大大提高了環(huán)內(nèi)空間及環(huán)內(nèi)表面的利用率，氣流阻力小，液體分布均勻。與拉西環(huán)相比，鮑爾環(huán)的氣體通量可增加 50%以上，傳質(zhì)效率提高 30%左右。鮑爾環(huán)是一種應用較廣的填料。 （ 3） 階梯環(huán) (料如圖片階梯環(huán)所示，填料的階梯環(huán)結(jié)構(gòu)與鮑爾環(huán)填料相似，環(huán)壁上開有長方形小孔，環(huán)內(nèi)有兩層交錯 45的十字形葉片，環(huán)的高度為直徑的一半，環(huán)的一端成喇叭口形狀的翻邊。這樣的結(jié)構(gòu)使得階梯環(huán)填料的性能在鮑爾環(huán)的基礎上又有提高，其生產(chǎn)能力可提高約 10%，壓降則可降低 25%，且由于填料間呈多 點接觸，床層均勻，較好地避免了溝流現(xiàn)象。階梯環(huán)一般由塑料和金屬制成，由于其性能優(yōu)于其它側(cè)壁上開孔的填料，因此獲得廣泛的應用。 吉林化工學院化工原理課程設計 10 10 （ 4） 矩鞍填料如圖片矩鞍填料所示，將弧鞍填料兩端的弧形面改為矩形面，且兩面大小不等，即成為矩鞍填料。矩鞍填料堆積時不會套疊，液體分布較均勻。矩鞍填料一般采用瓷質(zhì)材料制成，其性能優(yōu)于拉西環(huán)。目前，國內(nèi)絕大多數(shù)應用瓷拉西環(huán)的場合，均已被瓷矩鞍填料所取代。 （ 5） 金屬環(huán)矩鞍填料如圖片金屬換環(huán)聚鞍填料所示，環(huán)矩鞍填料（國外稱為 兼顧環(huán)形和鞍形結(jié)構(gòu)特點而設計出的一種新型填料 ，該填料一般以金屬材質(zhì)制成，故又稱為金屬環(huán)矩鞍填料。環(huán)矩鞍填料將環(huán)形填料和鞍形填料兩者的優(yōu)點集于一體，其綜合性能優(yōu)于鮑爾環(huán)和階梯環(huán)，在散裝填料中應用較多。 2規(guī)整填料 規(guī)整填料是由許多相同尺寸和形狀的材料組成的填料單元，以整砌的方式裝填在塔體中。規(guī)整填料主要包括板波紋填料、絲網(wǎng)波紋填料、格利希格柵、脈沖填料等，其中尤以板波紋填料和絲網(wǎng)波紋填料所用材料主要有金屬絲網(wǎng)和塑料絲網(wǎng)。 （ 1） 格柵填料 (以條狀單元體經(jīng)一定規(guī)則組合而成的，具有多種結(jié)構(gòu)形式。工業(yè)上應用最早的 格柵填料為如圖片所示的木格柵填料。目前應用較為普遍的有格里奇格柵填料、網(wǎng)孔格柵填料、蜂窩格柵填料等，其中以圖片所示的格里奇格柵填料最具代表性。格柵填料的比表面積較低，主要用于要求壓降小、負荷大及防堵等場合。 （ 2） 波紋填料 (前工業(yè)上應用的規(guī)整填料絕大部分為波紋填料，它是由許多波紋薄板組成的圓盤狀填料，波紋與塔軸的傾角有 30 和 45 兩種，組裝時相鄰兩波紋板反向靠疊。各盤填料垂直裝于塔內(nèi)，相鄰的兩盤填料間交錯 90 排列。波紋填料按結(jié)構(gòu)可分為網(wǎng)波紋填料和板波紋填料兩大類，其材質(zhì)又 有金屬、塑料和陶瓷等之分。金屬絲網(wǎng)波紋填料是網(wǎng)波紋填料的主要形式，它是由金屬絲網(wǎng)制成的。金屬絲網(wǎng)波紋填料的壓降低，分離效率很高，特別適用于精密精餾及真空精餾裝置，為難分離物系、熱敏性物系的精餾提供了有效的手段。盡管其造價高，但因其性能優(yōu)良仍得到了廣泛的應用。 （ d）所示，金屬板波紋填料是板波紋填料的一種主要形式。該填料的波紋板片上沖壓有許多右的小孔，可起到粗分配板片上的液體、加強橫向混合的作用。波紋板片上軋成細小溝紋，可起到細分配板片上的液體、增強表面潤濕性能的作用。金屬孔板波紋填料強度高，耐腐蝕 性強，特別適用于大直徑塔及氣液負荷較大的場合。 （ 3） 金屬壓延孔板波紋填料 (to 另一種有代表性的板波紋填料。它與金屬孔板波紋填料的主要區(qū)別在于板片表面不是沖壓孔，而是刺孔，用輾軋方式在板片上輾出很密的孔徑為 分離能力類似于網(wǎng)波紋填料，但抗堵能力比網(wǎng)波紋填料強，并且價格便宜，應用較為廣泛。波紋填料的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，阻力小，傳質(zhì)效率高，處理能力大，比表面積大（常用的有 125、 150、 250、 350、500、 700等幾種）。波紋填料的缺點是不適于處理粘度大、易聚合或有懸浮物的物料，且裝卸、清理困難，造價高。 （ 4）脈沖填料 (由帶縮頸的中空棱柱形個體，按一定方式拼裝而成的一種規(guī)整填料，脈沖填料組裝后，會形成帶縮頸的多孔棱形通道，其縱面流道交替收縮和擴大，氣液兩相通過時產(chǎn)生強烈的湍動。在縮頸段，氣速最高，湍動劇烈，從而強化傳質(zhì)。在擴大段，氣速減到最小，實現(xiàn)兩相的分離。流道收縮、擴大的交替重復，實現(xiàn)了 “脈沖 ”傳質(zhì)過程。脈沖填料的特點是處理量大，壓降小 ，是真空精餾的理想填料。因其優(yōu)良的液體分布性能使放大效應減少，故特別適用于大塔徑的場合。 選擇填料材質(zhì)應根據(jù)吸收系統(tǒng)的介質(zhì)以及操作溫度而定，一般情況下，可以選用塑料，金屬，吉林化工學院化工原理課程設計 11 11 陶瓷等材料。對于腐蝕性介質(zhì)應采用相應的抗腐蝕性材料，如陶瓷，塑料，玻璃，石墨，不銹鋼等，對于溫度較高的情況，應考慮材料的耐溫性能。 綜合考慮以上各個因素 ,本設計中選用拉西環(huán)鋼質(zhì)填料 ,有關(guān)特性數(shù)據(jù)如下表 : 表 2西環(huán)鋼質(zhì)填料特性數(shù)據(jù) 公稱直徑DN 徑高厚 d h ,比表面積 m2/隙率 % 個數(shù)積密度 p kg/料因子 6 76 76 8 870 400 105 收劑再生方法的選擇 在吸收流程中，當吸收后的溶液事作為產(chǎn)品或溶液排除時，則無需考慮吸收劑的揮手問題，當吸收后的溶液需要進一步回收時，如用 乙醇氨水溶液吸收二氧化碳，乙醇胺與二氧化碳溶液需進一步回收，被回收的乙醇胺可作為吸收劑循環(huán)使用，而二氧化碳可用收手制造尿素等，這時在吸收流程中，就必須考慮吸收劑再生的問題，吸收劑再生是用解 吸的方法在解吸塔中進行。解吸條件與吸收條件恰恰相反，吸收是在低溫、高壓下操作，而解吸在高溫、低壓下操作，經(jīng)解吸塔回收解吸劑，它講返回吸收塔循環(huán)使用。解吸塔的操作情況將直接影響到吸收情況。 作參數(shù)的選擇 作溫度的選擇 對于物理吸收而言 ,降低操作溫度 ,對吸收有利 所以一般情況下 ,取常溫吸收較為有利 對于化學吸收 ,操作溫度應根據(jù)化學反應的性質(zhì)而定 ,既要考慮溫度對化學反應速度常數(shù) 的影響 ,也要考慮對化學平衡的影響 ,使吸收反應具有適宜的反應速度 . 對于再生操作 ,較高的操作溫度可以降低溶質(zhì)的溶解度 ,因而有利于吸收劑的再生 對于物理吸收 ,加壓操作一方面有利于提高吸收過程的傳質(zhì)推動力而提高過程的傳質(zhì)速率 ,另一方面 ,也可以減小氣體的體積流率 ,減小吸收塔徑 但工程上 ,專門為吸收操作而為氣體加壓 ,從過程的經(jīng)濟性角度看是不合理的 ,因而若在前一道工序的壓力參數(shù)下可以進行吸收操作的情況下 ,一般是以前道工序的壓力作為吸收單元的操作壓力 . 對于化學吸收 ,若過程由質(zhì)量傳遞過程控制 ,則提 高操作壓力有利 ,若為化學反應過程控制 ,則操作壓力對過程的影響不大 ,可以完全根據(jù)前后工序的壓力參數(shù)確定吸收操作壓力 ,但加大吸收壓力依然可以減小氣相的體積流率 ,對減小塔徑仍然是有利的 閃蒸 )操作 ,其操作壓力應以吸收劑的再生要求而定 ,逐次或一次從吸收壓力減至再生操作壓力 ,逐次閃蒸的再生效果一般要優(yōu)于一次閃蒸效果 . 吉林化工學院化工原理課程設計 12 12 第 3 章 吸收塔的工藝計算 礎物性數(shù)據(jù) 相物性數(shù)據(jù) 對低濃度吸收過程，溶液的物性數(shù)據(jù)可近似取純水的物性 數(shù)據(jù) 20時水的有關(guān)物性數(shù)據(jù) 1如下： 密度為 kg/度為 =m h) 吉林化工學院化工原理課程設計 13 13 表面張力為 L=941803(kg/查手冊得氨氣在水中的擴散系數(shù)為 10-6(m2/h) 相物性數(shù)據(jù) 混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為 3 1 . 1 8 1 k g / T 混合氣體的粘度可近似取為空氣的粘度 ,查手冊得 20 時空氣的黏度為 : 1 8 . 3 5 0 . 0 6 6 0 6 / ( )v p a s k g m h 120 時氨氣在空氣中的擴散系數(shù) 5為 : v m2/h 液相平衡數(shù)據(jù) 20時氨氣在水中的溶解度數(shù)為 H=( )km o l m kP a ，常壓下 20時氨氣在水中的： 亨利系數(shù) E=相平衡常數(shù)為 m=( )km o l m kP a 溶解度系數(shù) H=( )km o l m kP a 料衡算 0 4 1 6 ： 0 0 1 6 6 4 1 (12 進塔惰性氣相流量為 ： hK m o 該吸收過程屬低濃度吸收，平衡關(guān)系為直線，最小液氣比可按下式計算，即 對于純?nèi)軇┪者^程，進塔液相組成為， . 7 1 8 7 4 1 0 1 6 1 i n 取操作液氣比為 71 5.1 m 林化工學院化工原理課程設計 14 14 hk m o 全塔物料衡算 : 1 2 1 2( ) ( )V y y L x x 可得 料塔的工藝尺寸的計算 徑的計算 填料塔直徑的計算采用式子 4 計算 計算塔徑關(guān)鍵是確定空塔氣速 ,采用泛點氣速法確定空塔氣速 . 泛點氣速是填料塔操作氣速的上限 ,填料塔的操作空塔氣速必須小于泛點氣速才能穩(wěn)定操作 / )fu m 但結(jié)果不準確 ,且不能用于計算機連續(xù)計算 ,因此可采用貝恩1計算 : 2 10 . 2 0 . 2 583l g ( ) ( ) ( ) ( )f t G Lu a 式中 29 /g m s 231 3 2 ta m m30 . 9 11 . 1 8 1 /v k g m39 9 8 . 2 /L k g m (代入以上數(shù)據(jù)解得泛點氣速 取 則塔徑 6 6 0 0/3 1 0 044 圓整后取 0 0 0D m m m 泛點率校核： 吉林化工學院化工原理課程設計 15 15 2 3 6 0 0/3 1 0 0 2 % 0 3 f 在 50%間 ,所以符合要求 . 填料規(guī)格校核： 有 液體噴淋密度校核： 對于直徑不超過 75散裝填料塔 ,取最小潤濕速率 1為： w /m 本設計中填料塔的噴淋密度為 : 4 3 8 2 87 8 2 L 23 / 最小噴淋密度 : w 23明填料能獲得良好的潤濕效果 . 經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用 D=700 料塔填料高度計算 質(zhì)單元高度計算 傳質(zhì)過程的影響因素十分復雜 ,對于不同的物系、不同的填料及不同的流動狀況與操作條件 , 傳質(zhì)單元高度迄今為止尚無通用的計算方法和計算公式 在進行設計時多選用一些準數(shù)關(guān)聯(lián)式或經(jīng)驗公式進行計算 ,其中應用較普遍的是修正的恩田 (公式 : 23 3 / 4 2 7 6 8 0 /C d y n c m k g h 液體質(zhì)量通量為 )./(L 吉林化工學院化工原理課程設計 16 16 689 4 1 8 0 8 9 2() 8 9 2() 9 2()9 4 1 8 0 34 2 7 6 8 0(p 1 2 / 氣膜吸收系數(shù)有下式計算 1： 氣體質(zhì)量通量為： )./(G 氣膜吸收系數(shù)由下式計算 )()()( )./(20273(518( 液膜吸收系數(shù)由下式計算： ()()(0 0 9 k )/(5 1 8 103 3 8 7 9 2(0 0 9 由 1 則 )./( k p m o )/( 因為 %50%所以必須對 校正計算如下 : 由 1 . 41 9 . 5 ( 0 . 5 )a k 吉林化工學院化工原理課程設計 17 17 2 . 21 2 . 6 ( 0 . 5 )a k 得 )./(34.1 k m )/(2.2 則氣相總傳質(zhì)系數(shù)為 : )./( 由 質(zhì)單元數(shù)的計算 *110y 解吸 因數(shù)為 氣相總傳質(zhì)單元數(shù)為： 8 6 9 1 6 6 0 4 1 9 n (6 9 *)1l n (1 12221 G. 料層高度的計算 由 5 6 根據(jù)設計經(jīng)驗，填料層設計高度一般為 Z 因此取 取2 h 計算得填料塔 高度為 4600不需分段 料塔附屬高度計算 塔上部空間高度可取 塔底液相停留時間按 1慮 , 則塔釜所占空間高度為 吉林化工學院化工原理課程設計 18 18 )/(0 0 0 6 83 6 0 0 2 83 6 0 0 3 )(21 考慮到氣相接管所占的空間高度 ,底部空間高度可取 3m,所以塔的附屬高度可以取 3m. 所以塔高為 H=3+.6(m) 體分布器計算 體分布器 液體分布裝置的種類多樣，有噴頭式、盤式、管式、槽式、及槽盤式等。工業(yè)應用以管式、槽式、及槽盤式為主。 性能優(yōu)良的液體分布器設計時必須滿足以下幾點： 液體分布均勻 評價液體分布均勻的標準是：足夠的分布點密度；分布點的幾何均勻性；降液點間流量的均勻性。 分布點密度。液體分布器分布點密度的選取與填料類型及規(guī)格、塔徑大小、操作條件等密切相關(guān)，各種文獻推薦的值也相差較大。 大致規(guī)律是：塔徑越大，分布點密度越?。灰后w噴淋密度越小，分布點密度越大。對于散裝填料，填料尺寸越大，分布點密度越小。表 3表 32 塔徑， 布點密 度， 2/截面 D=400 330 D=750 170 D 1200 42 分布點的幾何均勻性。分布點在塔截面上的幾何均勻分布是較之分布點密度更為重要的問題。設計中，一般需通過反復計算和繪圖排列，進行比較，選擇較佳方案。分布點的排列可采用正方形、正三角形等不同方式。 降夜點間流量的均勻性。為保證各分布點的流量均勻，需要分布器總體的合理設計、精細的制作和正確的安裝。高性能的液體分布器，要求個分布點與平均流量的偏差小于 6%。 操作彈性大 液體分布器的操 作彈性是指液體的最大負荷與最小負荷之比。設計中，一般要求液體分布器的操作彈性為 2 4，對于液體負荷變化很大的工藝過程，有時要求操作彈性達到 10以上，此時，分布器必須特殊設計。 自由截面積大 液體分布器的自由截面積是指氣體通道占塔截面積最小應在 35%以上。 其他 液體分布器應結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小、制造容易、調(diào)整和維修方便。 按 議值， D 1200，噴淋點密度為 42 點 該塔液相負荷較大，設計取噴淋點密度為 100點 吉林化工學院化工原理課程設計 19 19 液孔數(shù) （ 1）液體分布器選型 本設計中塔徑較小，故此選用管式液體分布器。 （ 2）分布點密度計算 該塔的塔徑較小，且填料的比表面積較大，故應選較大的分布點密度。設計中取分布點密度為 150點 / 布液點數(shù)為 20 . 7 8 5 0 . 7 1 5 0 5 7 . 7 0 5 8n 點 按分布點幾何均勻與流量均勻的原則，進行布點設計。設計結(jié)果為：主管直徑 38 ，支管直徑 18 3 根支管，支管中心距為 65用正方形排列，實際布點 數(shù)為 59n 點。布液點示意圖如下： 1 8 X 36 56 5 6 56 56 56 式液體分布器布液點示意圖 （ 3）布液計算 由 20 24L d n g H 取 ， 160H 則 04 4 3 4 1 8 . 0 3 0 . 0 0 4 42 9 9 8 . 2 3 6 0 0 3 . 1 4 5 8 0 . 7 2 9