吸收塔設(shè)計(jì)工藝

1、引 言 在化學(xué)工業(yè)中，經(jīng)常需要將氣體混合物中的各個(gè)組分加以分離，其主要目的是回收氣體混合物中的有用物質(zhì)，以制取產(chǎn)品，或除去工藝氣體中的有害成分，使氣體凈化，以便進(jìn)一步加工處理，或除去工業(yè)放空尾氣中的有害成分，以免污染空氣。吸收操作是氣體混合物分離方法之一，它是根據(jù)混合物中各組分在某一種溶劑中溶解度不同而達(dá)到分離的目的。大氣是人類賴以生存的最基本的環(huán)境要素，它不僅通過自身運(yùn)動(dòng)進(jìn)行熱量，動(dòng)量和水資源分布的調(diào)節(jié)過程，給人類創(chuàng)造了一個(gè)適宜的生活環(huán)境，并且阻擋過量的紫外線照射地球表面，有效地保護(hù)人類和地球上的生物。但是，隨著人類生產(chǎn)活動(dòng)和社會(huì)活動(dòng)的增加，特別是自工業(yè)革命以來，由于大量燃料的燃燒，工業(yè)廢氣

2、和汽車尾氣的排放，使大氣環(huán)境質(zhì)量日趨惡化。 煤炭是我國(guó)的最主要的能源，并且近期內(nèi)不會(huì)有根本性的變化。我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)決定了我國(guó)的大氣污染是屬于煤煙型污染，主要污染物是粉塵，二氧化硫和氮氧化合物。此外一氧化硫，二氧化碳和少量的氟化物與氯化物。 填料塔是以塔內(nèi)的填料作為氣液兩相間接觸構(gòu)件的傳質(zhì)設(shè)備?！?】填料塔的塔身是一直立式圓筒，底部裝有填料支承板，填料以亂堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安裝填料壓板，以防被上升氣流吹動(dòng)。液體從塔頂經(jīng)液體分布器噴淋到填料上，并沿填料表面流下。氣體從塔底送入，經(jīng)氣體分布裝置（小直徑塔一般不設(shè)氣體分布裝置）分布后，與液體呈逆流連續(xù)通過填料層的空隙，在填料表面上

3、，氣液兩相密切接觸進(jìn)行傳質(zhì)。填料塔屬于連續(xù)接觸式氣液傳質(zhì)設(shè)備，兩相組成沿塔高連續(xù)變化，在正常操作狀態(tài)下，氣相為連續(xù)相，液相為分散相。當(dāng)液體沿填料層向下流動(dòng)時(shí)，有逐漸向塔壁集中的趨勢(shì)，使得塔壁附近的液流量逐漸增大，這種現(xiàn)象稱為壁流。壁流效應(yīng)造成氣液兩相在填料層中分布不均，從而使傳質(zhì)效率下降。因此，當(dāng)填料層較高時(shí)，需要進(jìn)行分段，中間設(shè)置再分布裝置。液體再分布裝置包括液體收集器和液體再分布器兩部分，上層填料流下的液體經(jīng)液體收集器收集后，送到液體再分布器，經(jīng)重新分布后噴淋到下層填料上。 填料塔具有生產(chǎn)能力大，分離效率高，壓降小，持液量小，操作彈性大等優(yōu)點(diǎn)。填料塔也有一些不足之處，如填料造價(jià)高；當(dāng)液體負(fù)

4、荷較小時(shí)不能有效地潤(rùn)濕填料表面，使傳質(zhì)效率降低；不能直接用于有懸浮物或容易聚合的物料；對(duì)側(cè)線進(jìn)料和出料等復(fù)雜精餾不太適合等。 根據(jù)其特點(diǎn)我們因此選擇填料吸收塔為本次設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的設(shè)備。用吸收劑水來除去丙酮。1吸收流程 1.1幾種流程的比較【3】逆流操作 氣相自塔底進(jìn)入由塔頂排出，液相自塔頂進(jìn)入由塔底排出，此即逆流操作。逆流操作的特點(diǎn)是，傳質(zhì)平均推動(dòng)力大，傳質(zhì)速率快，分離效率高，吸收劑利用率高。工業(yè)生產(chǎn)中多采用逆流操作。 并流操作 氣液兩相均從塔頂流向塔底，此即并流操作。并流操作的特點(diǎn)是，系統(tǒng)不受液流限制，可提高操作氣速，以提高生產(chǎn)能力。并流操作通常用于以下情況：當(dāng)吸收過程的平衡曲線較平坦時(shí)，流向

5、對(duì)推動(dòng)力影響不大；易溶氣體的吸收或處理的氣體不需吸收很完全；吸收劑用量特別大，逆流操作易引起液泛。 吸收劑部分再循環(huán)操作 在逆流操作系統(tǒng)中，用泵將吸收塔排出液體的一部分冷卻后與補(bǔ)充的新鮮吸收劑一同送回塔內(nèi)，即為部分再循環(huán)操作。通常用于以下情況：當(dāng)吸收劑用量較小，為提高塔的液體噴淋密度；對(duì)于非等溫吸收過程，為控制塔內(nèi)的溫升，需取出一部分熱量。該流程特別適宜于相平衡常數(shù)m值很小的情況，通過吸收液的部分再循環(huán)，提高吸收劑的使用效率。應(yīng)予指出，吸收劑部分再循環(huán)操作較逆流操作的平均推動(dòng)力要低，且需設(shè)置循環(huán)泵，操作費(fèi)用增加。 多塔串聯(lián)操作 若設(shè)計(jì)的填料層高度過大，或由于所處理的物料等原因需經(jīng)常清理填料，為

6、便于維修，可把填料層分裝在幾個(gè)串聯(lián)的塔內(nèi)，每個(gè)吸收塔通過的吸收劑和氣體量都相等，即為多塔串聯(lián)操作。此種操作因塔內(nèi)需留較大空間，輸液、噴淋、支撐板等輔助裝置增加，使設(shè)備投資加大。 串聯(lián)-并聯(lián)混合操作 若吸收過程處理的液量很大,如果用通常的流程,則液體在塔內(nèi)的噴淋密度過大,操作氣速勢(shì)必很小(否則易引起塔的液泛),塔的生產(chǎn)能力很低.實(shí)際生產(chǎn)中可采用氣相做串聯(lián)、液相做并聯(lián)的混合流程；若吸收過程處理的液量不大而氣相流量很大時(shí)，可采用液相做串聯(lián)、氣相做并聯(lián)的混合過程。1.2吸收流程的確定 由設(shè)計(jì)書的要求可知，吸收過程平衡曲線較為平緩，且為提高分離效率及吸收劑的利用率，減少設(shè)備投資，本次設(shè)計(jì)采用逆流串聯(lián)操作

7、吸收過程。2填料的選擇本次設(shè)計(jì)我選擇鮑爾患填料，鮑爾環(huán)填料是在拉西環(huán)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而得。其結(jié)構(gòu)為在拉西環(huán)的側(cè)壁上開出兩排長(zhǎng)方形的窗孔，被切開的環(huán)壁側(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。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。 】陶瓷填料具有良好的耐腐蝕性及耐熱性，一般能耐除氫氟酸以外的常見的各種無機(jī)酸，有機(jī)的腐蝕，對(duì)強(qiáng)堿介質(zhì)，可以選用耐堿配方制造的耐堿陶瓷填料，陶瓷填料價(jià)格便宜，具有很好的表面潤(rùn)濕性能。工業(yè)上，主要用于氣體吸收，氣體洗滌，液體萃取等過程?！?】 規(guī)格（直徑×高×厚）/mm比表面積a/m2·m-3

8、空隙率/填料因子/m-1堆積密度LW/ 40×20×3.02580.7753205480.12 3吸收塔的設(shè)計(jì)計(jì)算3.1液相與物相物性數(shù)據(jù)計(jì)算3.1.1液相物性數(shù)據(jù) 25時(shí)水的有關(guān)物性數(shù)據(jù)4如下： 密度為：L=1000kg/m3【3】 粘度為：L =0.8937 Pa·s【3】 將填料塔分為兩個(gè)塔，即每個(gè)塔的生產(chǎn)能力約為2500m3 /h3.1.2氣相物性數(shù)據(jù) 混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為： =yiMi=0.040×58.0780.960×28.02=29.222 混合氣體的平均密度： =1.195 kg/m23.2設(shè)計(jì)特性數(shù)據(jù)計(jì)算 根據(jù)丙酮-水系

9、統(tǒng)平衡數(shù)據(jù)（25）x000010002000300040005000600070008y*（×103）021464416681693481205114794179420904 由上圖得 X1*=0.01428 進(jìn)塔氣相摩爾比為： Y1=【1】=0.0417 出塔氣相摩爾比為： Y2=【1】=0.0008 水吸收丙酮為純吸收劑吸收過程，則 x2=0 所以X2=0 最小液-氣比為：()min= 3.3吸收劑用量計(jì)算 進(jìn)塔氣相流量為：G= =98.154kmol/h 取適宜的液-氣比為：=1.3()min【1】 = 1.1×2.864=3.150 吸收劑用量為：L=×G

10、=3.150 98.154=309.224kmol/h3.4泛點(diǎn)氣速計(jì)算 氣相質(zhì)量流量：wV=qv×=2500×1.195=2987.5 kg/h 液相質(zhì)量流量: wL=L×MH2O=309.224×18.02=5572.2kg/h 圖1的橫坐標(biāo)為：=0.0645 根據(jù)圖1,由所求得的橫坐標(biāo)查得縱坐標(biāo) =0.15 圖1 根據(jù)所求得的縱坐標(biāo)得出泛點(diǎn)氣速 UF= =3.112 m/s 3.5塔徑及壓力降計(jì)算3.5.1塔徑計(jì)算 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取空塔氣速 u = 0.6uF【2】 =0.63.112 =1.867m/s 氣體體積流量 Vs=2500m3/h=2500/

11、3600m3/s=0.694 m3/s 塔徑 D= =0.68 m/s 圓整塔徑，取 D = 0.7m4 =0.785D2=0.785×0.72= 0.385m23.5.2空塔氣速 u = =1.80m/s 3.5.3氣體壓力降 由空塔氣速求得圖1的縱坐標(biāo)為 0.05033.6填料層高度 全塔物料衡算 G(y1-y2)=L(x1-x2)3 則x1= X1= x2=0 得 X2=0由圖2得,Y1*=0.0323 Y2*=03.7塔高計(jì)算 由經(jīng)驗(yàn)公式得塔高 H=1.2Z+Hd+Hb4=1.2×4.25+1.1+1.4=7.6m 設(shè)計(jì)時(shí)塔高為8m3.8校核3.8.1填料塔中幾何定

12、數(shù)的指標(biāo)校核 滿足塔徑與填料公稱直徑比值的推薦植 2 填料層的高度和塔徑之比 填料層高度 Z=4.25 滿足Zmax<6m 液體在向下流動(dòng)的過程中會(huì)集中,所以將 填料層分為1層。3.8.2噴淋密度校驗(yàn) 由于所選的鮑爾環(huán)直徑為50mm<75mm，所以取最小潤(rùn)濕速率為(LW)min=0.08 m3/（m·h）5 查附錄五3得： at = 110 m2/m35 最小噴淋密度 Umin = (LW)min×aL=0.08×110=8.8 m3/(m2·h)5 液體噴淋量Lh=4 噴淋密度的驗(yàn)算U = = 14.473m3/( m2·h) U

13、min 經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用 D=700 mm合理3.8.3壓降的校核 圖1計(jì)算填料層壓降 橫坐標(biāo)為： = 縱坐標(biāo)為 填料層壓降為 P=400Pa3.8.4泛點(diǎn)的校核u=Vs/=0.694/0.385=1.80u/uf=1.80/3.112=0.578 4附屬設(shè)備的選擇4.1填料支承裝置：支承板的作用是支承塔內(nèi)的填料。對(duì)于散裝填料，通常選用孔管型或駝峰型支承裝置。設(shè)計(jì)中，為防止在填料塔支承軸裝置處壓降過大甚至發(fā)生液泛，要求填料支承裝置的自由截面積應(yīng)大于75%，防止發(fā)生液泛?！?】本次設(shè)計(jì)我選擇孔管型支承裝置。如圖所示：4.2填料壓緊裝置： 為防止在上升氣流的作用下填料床層發(fā)生松動(dòng)或跳

14、動(dòng)，需在填料層上方設(shè)置填料壓緊裝置，對(duì)于散裝填料，可選用壓緊網(wǎng)板，也可選用壓緊柵板，在其下方，根據(jù)填料的規(guī)格敷設(shè)一層金屬網(wǎng)，并將其于壓緊柵板固定，我選擇壓緊網(wǎng)板，為防止在填料壓緊裝置處壓降過大甚至發(fā)生液泛，要求填料壓緊裝置的自由截面積應(yīng)大于70%。【2】4.3液體分布裝置： 我選擇管式分布器，管式分布器由不同結(jié)構(gòu)形式的開孔管制成，其突出的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，共氣體流過的自由截面大，阻力小。它多用于中等以下液體負(fù)荷的填料塔中。我設(shè)計(jì)的塔直徑是700mm，所以用管式分布器?！?4.4液體再分布裝置： 我選擇槽盤式液體分布器。它兼有集液、分液及分氣三種的功能，結(jié)構(gòu)緊湊，氣體分布均勻，阻力較小，是優(yōu)良的液

15、體收集及再分布裝置?！?】如圖所示：5設(shè)計(jì)結(jié)果列表吸收塔類型逆流串聯(lián)填料類型瓷質(zhì)鮑爾環(huán)支承裝置孔管型型支承裝置分布裝置管式分布器混合氣體處理量5000m3/h物料名稱含丙酮體積比4.0% 其余為氮?dú)獾幕旌蠚怏w 操作壓力，KPa101.3操作溫度，25密度，kg/m31.195流量，kg/h5572.2塔徑，mm700填料層高度 ，m4.25每層填料層的壓力降Pa400操作液氣比kmol/h3.150設(shè)計(jì)結(jié)果的討論和說明本設(shè)計(jì)的任務(wù)是用水吸收丙酮的填料吸收塔的設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)問題：要求處理量為5000m3 /h。若采用單塔操作其處理量過大，所以考慮分塔操作。塔過多會(huì)加大費(fèi)用造成經(jīng)濟(jì)損

16、失。經(jīng)過計(jì)算分為2個(gè)塔較為合理。在未采用分層操作時(shí)，填料層高度與塔徑之比過小，會(huì)使液體集中，不利于分離。所以采用一層操作。 若塔徑與填料直徑之比過小會(huì)產(chǎn)生壁流現(xiàn)象。當(dāng)氣速增大時(shí)將首先在支撐裝置處出現(xiàn)攔液現(xiàn)象，使塔的通量降低。因此要通過反復(fù)計(jì)算比較以確定相關(guān)數(shù)據(jù)。 通過設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)用在同類填料中，尺寸越小的，分離效率越高，但它的阻力將增加，通量減小，填料費(fèi)用也增加很多。所以我選擇鮑爾環(huán)填料，其綜合性能優(yōu)于矩鞍形和階梯環(huán)?！?】致 謝本次課程設(shè)計(jì)的完成，遇到了很多問題，因?yàn)槔蠋熀屯瑢W(xué)的幫助，才得以順利進(jìn)行。感謝老師和同學(xué)耐心的講解和指導(dǎo)。尤其是寢室同學(xué)不厭其煩的講解使我受益匪淺。 還要感謝圖書館及互聯(lián)網(wǎng)讓我查到課本上沒有的資料，使我了解設(shè)備結(jié)構(gòu)，收集設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，完成設(shè)計(jì)任務(wù)，培養(yǎng)了設(shè)計(jì)能力，得到化工設(shè)計(jì)的基本鍛