丙酮气体吸收装置的工艺设计.doc

1、 塔填料的选择是填料塔设计中最重要的一环，一般要求塔填料具有较大的通量，较低的压强，较高的传质效率，同时操作弹性大，性能稳定，能满足物系的腐蚀性，污堵性，热敏性等特殊要求，填料的强度要求高，便于塔的拆装，检修，并且价格要低廉。 为此填料应具有较大的比表面积，较高的空隙率，结构要敞开，死角空隙小，液体的再分布性能好，填料的类型，尺寸，材质选择恰当。 一填料类型 现代工业填料按形状和结构可分为规整填料和颗粒型填料两大类型。 （一）颗粒型填料（乱堆填料） 颗粒型填料一般为湿法或干法乱堆的散装的填料。 拉西环 拉西环是应用最早的一种填料。其结构简单，价廉，可用陶瓷，钢材，硅，有色金属，塑料等多种材料制

2、造。 拉西环在塔内易产生壁流效应和内部沟流，其通量与传质效率均逊于其他颗粒填料，目前应用也日趋减少。 鲍尔环 鲍尔环是在拉西环壁上加开一层或两层长方形内弯的小窗。与拉西环相比，鲍尔环由于环壁开孔，对气流的阻力较小，通量大，传质效率高，操作弹性大。可用金属，塑料，陶瓷制造，是目前应用最多的一种填料，但价格较拉西环高。 矩鞍填料 矩鞍填料是在弧鞍填料基础上改进的一种敞开式填料。矩鞍填料在填料 床层中相互重叠部分比弧鞍填料明显少，床层均匀，空隙率大，对气流的较拉西环小，传质效率高，多用陶瓷制作。 阶梯环 阶梯环是近年开发的一种填料。填料高度为鲍尔环高度的一半，在一端环壁上开有长方形孔，环内有两层交错

3、 45 的十字形翅片，另一端为喇叭口。 由于绕填料外壁流过的气体平均路径较鲍尔环短，而喇叭口又增加了填料的非对称性，使填料在床层中以点接触为主，床层均匀，空隙率大，气流阻力小，点接触利于下流液体的汇聚与分散，利于液膜的表面更新，故传质效率高，通量较鲍尔环提高 10% ，压强减少约 25% 。 阶梯环可用陶瓷，塑料，金属材料制作。 金属环矩鞍 金属环矩鞍填料是介于开孔环填料与矩鞍填料之间的一种新型颗粒填料。它既有类似开孔环形填料的圆形开孔和内伸舌片，又有类似矩鞍填料的侧面，使其侧壁极开放，利于气液通过，内部滞液死角极少，填料层内液体分布状况改善，壁流减少，气液阻力小，通量大，效率提高。 一般来说

4、，颗粒环形填料具有通量大的优点，但其液体的再分布性能较差，鞍形填料具有较好的液体分布性能，但通量较小，鞍环类填料则是综合环形和鞍形填料优点的综合性能优于鲍尔环和阶梯环的一种新型填料。 （二 ）规整填料（组合填料，预制成型填料） 规整填料是由于若干形状和几何尺寸相同单元组成的填料，以整砌方式装填在塔内。有波纹填料，格栅填料，绕卷填料等多种。目前工业应用最广的是波纹填料，包括波纹网和波纹板。 波纹形填料 填料由平行丝网波纹片垂直排列组装而成，网片波纹方向与塔轴一般成 30 或 45的倾角，相邻网片的波纹倾斜方向相反，使波纹片之间形成系列相互交错的三角形通道，相邻两盘成90 交叉放置。直径小于 15

5、00mm 的塔用整体填料盘，直径大于 1500mm 的塔采用分块式填料，由人孔将填料块送入塔内后 组装成盘。 波纹拌填料 波纹板填料与波纹网填料的结构相同，可用多种金属，塑料及陶瓷板材制作，其价格较波纹网低，刚度较大。 以上两类规整填料均适用于精馏，吸收，解吸等单元操作。而波纹网填料更适用于热敏性，难分离或要求高纯度产品的物系的分离，特别是高真空精馏分离。 二 . 填料尺寸 颗粒填料尺寸直接影响塔的操作和设备投资。一般同类型填料随尺寸减少分离效率提高，但填料层对气流的阻力增加，通量减少，对具一定生产能力的塔，填料的投资费用将增加；而较大尺寸的填料用于小直径塔中，将产生气液分布不良，气流短路 和

6、严重的液体壁流等问题，降低塔的分离效率。 实践证明，塔径与填料外径尺寸之比值有一个下限值，若径比低于此下限值时，塔壁附近的填料层空隙率大而不均匀，气流易走短路，液体壁流剧增。 各种填料的径比（ D/d ）下限为： 拉西环 2030 （最小不低于 810 ） 鲍尔环 1015 （最小不低于 8 ） 鞍形填料 15 （最小不低于 8 ） 对一定塔径而言，满足径比下限的填料可能有几种尺寸，需根据填料性能及经济因素选定。一般推荐，当塔径 D 300mm 时，选用 25mm 的填料； 300mm D900mm 时，选用 25 38 的填料； D 900mm 时，选用 5076mm 的填料。 三 . 填料

7、的材质 填料材质应根据物料的腐蚀性，材料的耐蚀性，操作温度并综合填料性能及经济因素选用。常用的为金属，陶瓷和塑料等材质。主要金属材质有碳钢， 1Cr18Ni9Ti 不锈钢，铝和铝合金，低碳合金钢等。塑料材质主要有聚乙烯，聚丙烯，聚氯乙烯及其增强塑料和其他工程塑料等。塑料填料耐蚀性能好，质量轻，价格适中，但耐温性及润湿性较差，故多用于操作温度较低的吸收，水洗等装置。瓷质填料耐蚀性强，一 般陶瓷能耐除氢氟酸以外的各种无机酸，有机酸及各种有机溶剂的腐蚀；对强碱介质可采用耐碱瓷质填料，其价格便宜但质脆易碎。 一般操作温度较高而物系无显著腐蚀性时，可选用金属环矩鞍或金属鲍尔环等填料；若温度较低时可选用塑

8、料鲍尔环，塑料阶梯环填料；若物系具有腐蚀性，操作温度较高时，则宜采用陶瓷矩鞍填料。 气液平衡数据 ( 一 ) 亨利系数 E 对溶解度小的难溶气体 , 或低浓度 ( 及其他化工手册 , 化工原理教材 . 某些有机液体蒸汽溶于水 , 在低浓度范围内平衡关系符合亨利定律 , 其亨利常数 E 可由下列经验式计算 : 丙酮蒸汽 (x0.01,t=1545 ) logE=9.171-2040/(t+273) ( 式 2) 甲醇蒸汽 (x0.10,t=1050 ) logE=7.484-1550/(t+273) ( 式 3) 乙醇蒸汽 (x0.01,t=2080 ) logE=9.586-2390/(t+2

9、73) ( 式 4) ( 二 ) 溶解度数据 一般的溶解度数据参见化工手册或化工原理教材 . ( 三 ) 碳氢化合物的平衡常数 碳氢化合物在油中的溶解度 , 可用下面的平衡关系表达 : y=kx ( 式 5) 根据一定温度下的气液平衡数据 , 即可在 x-y 或 X-Y 坐标图上作出等温吸收过程的气液平衡线 . 非等温吸收气液平衡线的确定 若吸收过程中产生的热效应较大 , 对气液平衡关系和吸收速度产生明显影响时 , 即为非等温吸收 . 在逆流吸收塔中 , 随液相浓度 x 自塔顶向塔底增浓 , 吸收温度随之升高 , 气液平衡关系相应改变 . 确定非等温吸收气液平衡线常用的近似方法是 , 将全塔浓

10、度变化范围分成若干小区段 , 每个小区段的液相浓度变化为 x. 若假定溶质气体溶解于吸收剂所释出的全部热量都被液体吸收 , 忽略气相温度的变化及其他热损失 , 则第 n 段的热量衡算式可写为 : L C L (t n - t n-1 )= L H d 均 (x n - x n-1 ) t n = t n-1 + H d 均 /C L (x n - x n-1 ) ( 式 6) 因塔顶的液相组成 x 2 , 温度 t 2 为已知 , 相应的气液平衡浓度可查知 , 根据式 6 可逐段计算每一液相浓度 x n 下的温度 t n , 从而求得与 x n 相对应的气相浓度 y n , 直到 x n =x

11、 1 , t n = t 1 , y n = y n , 即可由各对应的 x- y 值作出非等温吸收平衡曲线 . 关于各物系的溶解热数据可参阅有关化工手册 . 物料衡算与操作线方程 物料衡算 逆流吸收塔，以惰性气体和吸收剂为基准，物料衡算式为： G= V B （ Y 1 - Y 2 ） = L S （ X 1 - X 2 ） （式 1 ） （二）操作线方程 Y = （式 2 ） 式 2 标绘在 X-Y 坐标图上即为吸收操作线，该线的斜率为（ ），通过（ X 1 ， Y 1 ）与（ X 2 ， Y 2 ）两点。 最小吸收剂用量与吸收剂用量 最小吸收剂用量 （式 3 ） 若气液两相浓度很低，平衡关

12、系符合亨利定律，也可用下式计算： （式 4 ） 若气液平衡线为是上凸形，则式 3 中的 X 1 * 应换为操作线与平衡线切点 处，与切点气相组成 Y e 相平衡的液相组成 X e * ，（比摩尔分率）。 吸收剂用量 L S 吸收剂的用量直接影响吸收塔的尺寸，塔底液相浓度及操作费用，故应从设备费，操作费及工艺要求权衡决定。 一般经验数据 L S = （ 1.12.0 ） L S ， min 塔径计算 填料塔直径依混合气体处理量及所选适宜气速按下式计算： D= （式 5 ） 泛点气速 u F 的计算 填料塔的泛点气速与气液流量，物系性质及填料类型，尺寸等因素有关，其计算方法很多，目前工程计算常采用

13、 Eckert 通用压强关联图或 Bain 及 Hougen 关联式计算泛点气速 u F 。 通用压强关联图 根据气液相流量及密度算出横坐标 值。其垂线与乱堆填料的泛点线相交，读取交点的纵坐标值 ，由已知参数从纵标式中解出气速即为液泛气速 u F 。 Bain 及 Hougen 关联式 （式 6 ） 表 1Bain 及 Hougen 关联式中常数值 填料种类 拉西环瓷 弧鞍瓷 矩鞍 鲍尔环 阶梯环 瓷 金属 塑料 金属 瓷 塑料 金属 常数 A 值 0.022 0.26 0.176 0.0623 0.0942 0.100 0.0294 0.204 0.106 安全因数 一般工业装置常用填料的安

14、全因数值如下所示。 填料 安全因数 % 拉西环 6080 矩鞍及鲍尔环填料 6085 对有起泡倾向的物系，安全因数可取 4555% 。 也可根据生产条件，由可容许的压力降反算出可采用的气速。 填料塔一般操作气速范围 吸收系统 操作气速， m/s 气体溶解度很大的吸收过程 气体溶解度中等或稍小的吸收过程 气体溶解度低的吸收过程 纯碱溶液吸收二氧化碳过程 一般除尘 13.0 1.52.0 0.30.8 1.52.0 1.82.8 根据上述方法计算的塔径若不是整数时，应按压力容器公称直径标准进行圆整，圆整的方法与板式塔相同。 填料塔喷淋密度的校核 吸收剂用量及塔径确定后，还应校核液体的喷淋密度，即单

15、位时间内每 m 2 塔截面上的吸收剂量 m3/（ m 2h ）或 kg/（ m 2h ）。为使填料表面充分润湿，应保证喷淋密度高于最小喷淋密度 L 喷 min ， m3/（ m 2h ）。 一般最小喷淋密度 L 喷 mi n 可取为 5 12 m3/（ m 2h ）。 Morris和 Jackson 推荐采用最小润湿速率（ MWR）值：对直径不超过 75mm的环形填料及板间不超过 50mm的栅板填料，可取为 0.08 m3/（ m h ）；对超过上述尺寸的填料，可取为 0.12 m3/（ m h ）。 最小润湿率是单位填料层周边长度上液体的体积流速。由于普通填料单位填料层的周边长度在数值上可视

16、为等于单位体积填料层的表面积（即填料的比表面积 a t ， m 2 / m 3），故： MWR= = （ MWR ） （式 7 ） 实际操作喷淋密度应大于最小喷淋密度。但当处理大量浓度很低或易溶气体时，可能产生吸收剂用量不足以使填料充分润湿的情况，影响吸收效率。此情况可采取以下措施： 在工艺条件许可范围内，适当加大吸收剂用量。 适当加 高填料层以作补偿。 在许可范围内调整塔径。 采用液体部分再循环方式加大喷淋密度（但应注意推动力由此而降低的程度）。 填料层的压降 填料层的压降可分为干填料层压降和有喷淋情况的压降。干填料层的压降可视为气流通过多孔层的阻力，湍流时压降基本上与气速的平方成正比。有喷

17、淋时，填料表面覆有液膜，其空隙率，比表面，流体力学状况均随气液流速的改变而发生变化，情况远较干填料层复杂。 填料层压降的计算方法有多种，此处主要介绍 Eckert 的压降通过关联图方法（见图 4 ）。 该图中除液泛线外， 还有许多等压降线。由已知的参数（气液负荷，物性）及所用填料的压降填料因子 （代替填料因子 ），计算出该图的纵坐标与横坐标值，查图读得相应压降曲线值，即为气流通过每米填料层的压降 。 表 3 压降填料因子 填料尺寸， mm 16 25 38 50 76 填料类型 金属鲍尔环 金属环矩鞍 金属阶梯环 塑料鲍尔环 塑料阶梯环 瓷质矩鞍 瓷质拉西环 306 343 700 1050

18、138 232 176 215 576 114 93.4 118 114 116 140 450 98 71 82 米 125 井 110 89 160 288 36 62 注：米为米字型塑料鲍尔环；井为井字型塑料鲍尔环。 表 3 所列压降填料因子适用于 ，误差一般为 。 压降关联图是较通用的方法 ，其表达填料的泛点速度和压降简便实用，计算结果能满足工程实用要求，且可通过填料因子 值的大小定量比较不同填料塔的流体力学性能。 由于填料塔（特别是乱堆填料）的特性数据为宏观统计值，而填料层的压降与填料的装填方式，塔径大小，使用时间长短及操作状况等均有关， 设计时应予注意。 填料层高度计算 填料层高度

19、的计算需联解物料衡算，传质速率和相平衡三种关系。其解法有传质单元数法，等板高度法。 传质单元数法 吸收过程常用传质单元数法求解填料层高度。 低浓度气体的吸收 若进塔气浓度很低（不超过 510% ），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，变化也小，其体积传质系数也可视为常数，故填料层高度可依以下几式计算： （式 1 ） （式 2 ） （式 3 ） （式 4 ） 应用以上填料层高度计算式时，应注意传 质推动力与传质系数的对应关系。由于分传质推动力（ ）或（ ）中的界面浓度的求取较繁，故通常仍采用总传质单元数与总传质单元高度计算填料层高度。 （一）传质单元数 （ a

20、 ）图解积分法 图解积分是用于各种类型平衡线和操作线求取传质单元数（ 或 ）的一种普遍方法。它是根据式 = ，计算被积函数曲线下的面积求得 。求解步骤简述如下： X -Y 坐标图中绘出平衡线 OE 与操作线 TB ，如图 1 （ a ）所示。 在进出塔气相浓度 范围内依次找出若干塔截面上的 Y 与 Y* 对应值，列出与 对应关 系表。 以 Y 对 值作图，得一条 Y 的函数曲线，如图 1 （ b ）所示。 在 ， ， 与函数曲线之间所包围的面积即为 的定积分值，也就是气相总传质单元数 。 对液相总传质单元数 ，气膜传质单元数 ，液膜传质单元数 的解法同上。 （ b ）解析法 对数平均推动力法

21、若在吸收过程所涉及的浓度范围内，平衡关系可用 表达，操作线也为直线时，可根据塔顶，塔底两端的吸收推动力求取全塔吸收推动力的平均值，从而求得总传质单元数，即 （式 5 ） （式 6 ） （式 7 ） （式 8 ） 当 ， 时，可取 ， ，仍可满足工程上的精度要求。 脱吸因数法 若在吸收过程所涉及的浓度范围内平衡关系可用直线方程 表达，则可采用脱吸因数法求算 或 。 （式 9 ） （式 10 ） （ c ）近似阶梯法（梯级图解法） 若在所涉及的浓度范 围内，平衡关系为直线或弯曲度不大的曲线，可采用较简便的近似梯级法求解传质单元数。 此法是在 X-Y 坐标图中，在平衡线 OE 与操作线 BT 间作若

22、干铅垂线，如 BB* ， AA* ， TT* 等，它们表示相应塔截面上的气相推动力（ Y-Y* ）。在诸线 上取中点联线 MN ，如图 2 所示。自代表塔顶端的 T 点起，作水平线 TF ，与 MN 交于 F 点，并令 TF=FF 。过 F 做垂线交操作线于 A 点。按上法依次作梯级直至塔顶端 B 点。每一个梯级代表一个传质单元，总传质单元数即为所求的 。 这里将每一梯级内的平衡线视为一段直线，以吸收推动力的算术均值代替对数均值，故视为近似的方法。 设计中应根据操作线和平衡线的特点，选用适宜的求解传质单元数的方法。 （ 2 ）传质单元高度 传质单元高度 ， ， ， 表示吸收速率的大小，它由物系

23、性质，操作条件，填料类型及规格等因素决定，可取实测经验值，用经验关联式计算，或通过传质系数计算。 （ a ） Sherwood 和 Holloway 的关联式 Sherwood 等人以多种类型与尺寸的填料研究以空气脱吸水中的 ， ， 的传质性能。以体积传质系数表达的关联式如下： （式 11 ） （式 12 ） （ b ）恩田等人的关联式 恩田等人将填料的润湿表面 视为有效传质表面 a ，分别提出传质系数与润湿表面的关联式，然后将润湿表面与传质系数合并为体积传质系数。 有效表面积 （式 13 ） 液相传质系数 （式 14 ） 气相传质系数 （式 15 ） （ 3 ）总传质单元高度与分传质单元高度的关系 （式 16 ） （式 17 ） （式 18 ） （式 19 ） （吸收因数） 高浓度气体的吸收 高浓度（一般 ）气体 的吸收，因气液流率沿塔高变化明显，溶解热效应大，气液温升，平衡线斜率 m 也将沿塔高改变。气液相吸收分系数 与 并非常数，总吸收系数 ， 变化更显著，因此，高浓度气体吸收计算远较低浓度气体吸收复杂。为方便计算，多采用 y ， x 及吸收分系数表达。 高浓度气体吸收的气液平衡关系参见非等温吸收平衡线的确定。 填料层高度的计算 一般可采用近似计算式： （式 20 ）