1、齐 齐 哈 尔 大 学化工原理课程设计题 目 水吸收丙酮填料吸收塔设计学 院 化学与化学工程学院 专业班级 制药工程学生姓名 指导教师 成 绩 年 月 日 齐 齐 哈 尔 大 学 化 工 原 理 课 程 设 计- -摘 要吸收是利用混合气体中各组分在液体中的溶解度的差异来分离气态均相混合物的一种单元操作。在化工生产中主要用于原料气的净化，有用组分的回收等。填料塔是气液呈连续性接触的气液传质设备。塔的底部有支撑板用来支撑填料，并允许气液通过。支撑板上的填料有整砌和乱堆两种方式。填料层的上方有液体分布装置，从而使液体均匀喷洒于填料层上。本次化工原理课程设计的目的是根据设计要求采用填料吸收塔的方法处
2、理含有丙酮的混合物，使其达到排放标准。在设计中,主要以水吸收混合气中的丙酮，在给定的操作条件下对填料吸收塔进行物料衡算。本次设计包括设计方案的选取，主要设备的工艺设计计算物料衡算、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算，工艺流程图，主要设备的工艺条件图等内容。关键词：水；填料塔；吸收；丙酮；低浓度齐 齐 哈 尔 大 学 化 工 原 理 课 程 设 计- -AbstractAbsorption is the unit operation Of using mixed gas in the liquid component in the solubility of isolated differenc
3、es to a gaseous mixture of homogeneous . In the production ,it is being used in producing of chemical raw materials, gas purification and recycling of useful components and so on. The absorption chamber was mad that the fluid assumes the continuous contact the gas fluid mass transfer equipment. On b
4、ase plates padding has entire builds with the chaotic pile of two ways. The padding levels place above has the liquid to distribute the installment, thus causes the liquid to spray evenly on the padding level. The chemical principle curriculum projects goal is to use the padding absorption tower acc
5、ording to the design requirements method processing to include the acetone mixture. In the design, mainly by the water absorption mixture airs in acetone, under the operating condition which assigns to the padding absorption tower carries on the material balance. This design including design proposa
6、l selection, major installations technological design , equipments structural design and craft size design calculation, flow chart, major installations contents and so on technological conditions chart. Key words：Water;Absorption chamber;Absorption;Acetone;Low concentration齐 齐 哈 尔 大 学 化 工 原 理 课 程 设
7、计- -目 录摘 要 .IAbstract .II第 1章 绪论 .11.1 吸收技术概况 .11.2 吸收设备的发展 .21.3 吸收在工业生产中的应用 .41.3.1 吸收的应用 .41.3.2 塔设备在化工生产中的作用和地位 .51.3.3 化工生产对塔设备的要求 .5第 2章 设计方案 .72.1 吸收剂的选择 .72.2 吸收工艺流程确定 .82.3 吸收塔设备及填料选择 .92.3.1 吸收塔的设备选择 .92.3.2 填料的选择 .102.4 操作参数的选择 .112.4.1 操作温度的选择 .112.4.2 操作压力的选择 .11第 3章 吸收塔的工艺计算 .123.1 基础物
8、性数据 .123.1.1 液相物性数据 .123.1.2 气相物性数据 .123.1.3 气液相平衡数据 .123.1.4 物料衡算 .133.2 填料塔的工艺尺寸的计算 .143.2.1 塔径的计算 .143.2.2 泛点率校核 .153.2.3 填料规格核算 .153.2.4 液体喷淋密度校核 .153.3 填料塔填料高度计算 .163.3.1 传质单元高度计算 .16齐 齐 哈 尔 大 学 化 工 原 理 课 程 设 计- -3.3.2 传质单元数的计算 .183.3.3 填料层高度的计算 .183.3.4 填料塔附属高度计算 .193.4 填料层压降计算 .193.4.1 填料层压降
9、.193.4.2 气体进出管压降 .213.4.3 其他塔内件压降及总压降 .213.5 进出管工艺尺寸计算 .213.5.1 液体进出料管 .223.5.2 气体进出料管 .223.6 液体分布器 .223.7 其他附属塔内件的选择 .233.7.1 填料支承板的选择 .233.7.2 除沫器的选择 .23工艺设计计算结果汇总 .24设计总结 .25参考文献 .26致 谢 .27齐 齐 哈 尔 大 学 化 工 原 理 课 程 设 计- 0 -第 1章 绪论1.1 吸收技术概况在化工生产中,经常要处理各种原料、中间产物、粗产品。这些物料几乎都是混合物,而且大部分都是均相物系,往往不能满足生产要
10、求,需要把它们分离成较为纯净的物质 1。为了实现这种分离,常利用均相物系中不同组分的某种性质差异,使其中的一种组分(或几种组分),在分离设备所提供的两相物系界面上,通过充分的接触,从一相转移到另一相,其它组分仍保留在原物系中,从而实现了分离 2。这种分离是物质在相际间的转移过程,即物质传递过程,也是化工生产中的单元操作。吸收就是这种以物质分离为目的的单元操作。吸收是用来分离气体混合物的,是利用混合气体中各组分在吸收剂中的溶解度的差异而实现分离的操作。在吸收过程中,混合气体与合适的液体吸收剂在吸收设备中充分接触,气体中易溶解的组分被溶解,不能溶解的组分仍保留在气相中,这样混合气体就实现了分离 3
11、。吸收作为一种重要的物质分离操作被广泛地应用在化工、石化等工业生产过程中。通过吸收可以回收混合气体中的有用组分,例如用液态烃吸收石油裂解气中的乙烯和丙烯,用洗油吸收焦炉煤气中的芳烃物质,用硫酸处理焦炉气以回收其中的氨等;还可以通过吸收除去混合气体中的有害组分使其净化,例如用水或碱液除去合成氨原料气中的二氧化碳,用丙酮除去石油裂解气中的乙炔,以及除去工业废气中的二氧化硫、硫化氢等有害物质。有时还通过吸收来直接生产化工产品,例如用水吸收二氧化氮以制取硝酸,用水吸收氯化氢以制取盐酸,用水吸收甲醛以制取福尔马林溶液等 4。吸收剂将混合气体中溶质组分吸收后所得到的溶液是混合溶液,在生产中常需要使溶质从吸
12、收后的溶液中重新释放出来,实现最终分离,而液相的吸收剂有可得以再生重新使用。这种使溶质组分从溶液中脱出的过程称为解吸,是吸收的逆过程,也是一种通过相际间传质而实现物质分离的单元操作。在化工生产中,吸收和解吸是常用的联合操作,共同构成了一个完整的工艺流程 5。可用于吸收操作的设备种类很多，如填料塔、板式塔、喷洒塔等，工业上较多的使用填料塔。适用于吸收操作的设备同样也适用于解吸操作。目前，解吸设备也多用填料塔。填料塔的结构简单，压降低，填料易用耐腐蚀材料制造，尤其近年来国内外对填料的研究与开发技术较快，一些性能优良的新型填料不断涌现，对大型填料的理论与应用研究也不断深入。所以，填料塔的应用前景也将
13、更加广阔。齐 齐 哈 尔 大 学 化 工 原 理 课 程 设 计- 1 -1.2 吸收设备的发展1813 年 Celler 提出泡罩塔,1832 年开始用于酿造工业。1881 年工业规模的填料塔开始用于蒸馏操作,当时的填料是碎砖瓦、小石块和管子短节等。二十世纪初期,随着炼油工业的发展和石油化学工业的兴起,塔设备被广泛使用。当时炼油工业多采用泡罩塔,无机工业以填料塔为主。二十世纪中期,为了适应各种化工产品的生产,开发了一些新型塔盘,如条形泡罩塔盘、S 形塔盘、筛板塔盘、浮阀塔盘、舌形塔盘等。这一时期填料塔也在瓷环填料被广泛采用的基础上开发了鲍尔环填料、狄克松环填料、麦克马洪填料、矩鞍形填料等。从
14、六十年代起,随着化学及炼油工业的大型发展,塔设备的单塔规模也随之增大。直径在 10 米以上的板式塔已经出现,塔板数多达上百块,塔的高度达 80 余米,重量达几百吨;填料听的最大直径已达 15 米,高达 100 米 6。目前,我国常用的板式塔仍为泡罩塔、筛板塔、浮阀塔和舌形塔盘塔。近年来,开发使用了斜孔塔盘、导向筛板、网孔塔盘、大孔筛板、浮阀-筛板复合塔盘以及浮动喷射塔板、旋流塔板等 7。填料塔所用填料,对于乱堆填料除拉西环、鲍尔环外,阶梯环、金属矩鞍环已大量采用,由于金属丝网及金属板波纹填料规整填料的使用,并配合新型塔内件结构使填料塔的效率大为提高,因此应用范围日益扩大。自从 1914 年出现
15、拉西环填料以后，填料塔的发展进入了科学的轨道 8。1914 年瓷质拉西环的问世,标志着填料塔进入了科学发展的年代。1914 年第一代有规填料拉西环（Raschingring ）的出现，使填料塔的发展进人了科学轨道。1914 年 Rachig 环问世,标志着第一代乱堆填料的诞生,但实际生产效果仍没有很大的提高,人们开始意识到汽液分布性能对填料塔操作的重要性。1937 年斯特曼填料的出现，使填料和填料塔又进入了现代发展时期。 1950 年后，填料塔进入了缓慢发展时期，在这个时期内，人们注意了对塔内件的研究，力图解决填料塔的放大问题，但由于各种板式塔的出现及其成功应用，使填料塔倍受冷落。1950 年
16、 以后，填料塔进入了缓慢发展时期，在这个时期内，人们注意了塔内件的研究，力图解决填料塔的放大问题，但由于各种板式塔的出现极其成功应用，使填料 塔受到了冷落 9。 在 1951 年 Danckwerts侧针对渗透理论假定旋涡在界面上停留一个固定的时间的不合理性，特别对搅拌槽、乱堆填料塔、鼓泡塔、喷雾塔，其中的气泡和液滴有较宽的尺度分布，对渗透理论进行改进，提出了表面更新理论。 1966 年,用于分离水和重水的第一个苏尔采填料塔在法国投产。自 1966 年世界上建立起莽一批网波填料塔以来,十多年的实践证明,风波填料具有效率高、负荷大、压齐 齐 哈 尔 大 学 化 工 原 理 课 程 设 计- 2
17、-降低、滞液星小、几乎无放大效应以及易于机械化加工等优点,因此其应用得到了迅速发展。 1969 年，Viviantl 将一个填料塔固定在大离心机的旋转臂上，首次测定了离心加速度对传质效率的 影响。 1970 年，我国建成第一座金属丝网波纹填料塔，20 多年来估计有数百座金属丝网波纹填料塔投人生产。 1971 年 Spaay 等采用不同材质、不同尺寸的拉西环较为详尽地研究了脉冲填料塔的两相流动、轴向混合和传质特性，给出了特性速度、液滴直径的经验关联式。 到 1972 年苏尔采公司已建造了 12 个 CY 堑填料塔 ,并且已成功地运转着。1972 年以来,以欧美为中心的世界硫酸制造所用的填料塔逐渐
18、改换成陶瓷阶梯环,目前包括新建在内其总数可达 100 座。 1977 年 Simonsl 吩绍了脉冲填料塔在己内酚胺生产中的应用，并提出脉冲填料塔的传质效率与塔径和塔中是否存在反应无关，因而具有易于放大的优点。 1980 年 5 月开始进行了阶梯环填料塔的试验,获得成功。1980 年,Merchuk 川曾将填料塔作为氧合器,对几种较小尺寸的填料进行了传质性能的测定,并进行了血液氧合过程的尝试川。1982 年 4 月在直径 5.3 米的油洗塔及直径 5.1 米的水洗塔中,将上段的浮阀塔板改为充填英塔洛克斯金属填料的填料塔 12。1986 年底大检修时,对部分设备进行了改造,用填料塔取代了浮阀塔。
19、1990 年国家科委批准在天津大学成立“新型填料塔及高效填料研究推广中心”。2001 年杭氧、开空、川空和中国空分设备公司等主要企业以填料塔、全精馏制氩、内压缩流程为代表的新一代大型空分设备占据了国内 2 万 m3h 以下空分设备市场，生产任务也都十分饱满。 吸收塔是实现吸收操作的设备。按气液相接触形态分为三类。第一类是气体以气泡形态分散在液相中的板式塔、鼓泡吸收塔、搅拌鼓泡吸收塔；第二类是液体以液滴状分散在气相中的喷射器、文氏管、喷雾塔；第三类为液体以膜状运动与气相进行接触的填料吸收塔和降膜吸收塔 10。塔内气液两相的流动方式可以逆流也可并流。通常采用逆流操作，吸收剂以塔顶加入自上而下流动，
20、与从下向上流动的气体接触，吸收了吸收质的液体从塔底排出，净化后的气体从塔顶排出。填料是填料塔的核心，它提供了塔内气液两相的接触面，填料与塔的结构决定了塔的性能。填料必须具备较大的比表面，有较高的空隙率、良好的润湿性、耐腐蚀、一定的机械强度、密度小、价格低廉等。常用的填料有拉西环、鲍尔环、弧鞍形和矩齐 齐 哈 尔 大 学 化 工 原 理 课 程 设 计- 3 -鞍形填料，20 世纪 80 年代后开发的新型填料如 QH1 型扁环填料、八四内弧环、刺猬形填料、金属板状填料、规整板波纹填料、格栅填料等，为先进的填料塔设计提供了基础 13。填料塔适用于快速和瞬间反应的吸收过程，多用于气体的净化。该塔结构
21、简单，易于用耐腐蚀材料制作，气液接触面积大，接触时间长，气量变化时塔的适应性强，塔阻力小，压力损失为 300700Pa，与板式塔相比处理风量小，空塔气速通常为0512m/s，气速过大会形成液泛，喷淋密度 68m 3(m 2，h) 以保证填料润湿，液气比控制在 210Lm 3。填料塔不宜处理含尘量较大的烟气，设计时应克服塔内气液分布不均的问题。用以进行吸收操作的塔器。利用气体混合物在液体吸收剂中溶解度的不同，使易溶的组分溶于吸收剂中，并与其他组分分离的过程称为吸收 14。操作时，从塔顶喷淋的液体吸收剂与由塔底上升的气体混合物在塔中各层填料或塔盘上密切接触，以便进行吸收。伴有化学反应的吸收叫化学吸
22、收。按吸收时气液作用方式吸收塔可分为表面式、膜式、喷淋式和鼓泡式等。1.3 吸收在工业生产中的应用1.3.1 吸收的应用吸收在工业生产中得到广泛应用，大致分为以下几种：原料气的净化为除去原料气所含的杂质，吸收可以说是最常用的方法。就杂质的浓度来说，多数很低，但因危害大而仍要求很高的净化率，如煤气中的 H2S 含量一般远低于 1%（体积分数），但净化率仍要求高于 90%；也有初始浓度相当高的。有用组份的回收，如从焦炉煤气中用水回收氨，再用洗油回收粗苯蒸汽，以及从某些干燥废气中回收有机溶剂蒸汽等。某些产品的制取，将气体中需用的成分以指定的溶剂吸收出来，成分溶液态的产品或半成品。如甲醇（乙醇）蒸汽经
23、氧化后，用水吸收以制成甲醛（乙醛）半成品等15。废弃的治理，很多工业废气中含有 SO2、NOx（主要是 NO 及 NO2）、汞蒸汽等有害气体成分，虽然浓度一般很低，但对人体和环境仍危害甚大而必须进行处理。这类环境保护问题在我国已愈来愈受到重视。选择适当的工艺和溶剂进行吸收，是废气治理中应用较广的方法。当然，以上目的有时也难以截然分开，如干燥废气中的有机溶剂，能回收下来就齐 齐 哈 尔 大 学 化 工 原 理 课 程 设 计- 4 -很有价值，任其排放则会污染大气。1.3.2 塔设备在化工生产中的作用和地位塔设备是化学工业、石油工业、石油化工等生产中最重要的设备之一。在塔设备中能进行的单元操作有
24、:精馏、吸收、解吸、气体的增浓及冷却等。在化工、石油化工及炼油厂中,塔设备的性能对于整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额,以及三废处理和环境保护等各个方面,都有重大影响。在化工和石油化工生产装置中,塔设备的投资费用占整个工艺设备费用的 25.39%,炼油和煤化工生产装置占 34.85%。它所耗用的钢材重量在各类工艺设备中所占的比例也较多,例如在年产 250 万吨常压及减压炼油蒸馏装置中耗用的钢材重量占 62.4%,年产 60 及 120 万吨的催化裂化装置占 48.9%。因此,塔设备的设计和研究,对化工、炼油等工业的发展起着重大作用。吸收设备有多种形式，但以塔式最为常见。按气、液两相接
25、触方式的不同可将吸收设备分为级式接触和微分接触两大类。在级式接触设备中，气体与液体逐级逆流接触。气体自下而上通过板上小孔，在每一板上与溶剂接触，其中可溶组分被部分的溶解。气体每上升一块塔板，其可溶组分的浓度阶越式的降低；溶剂逐板下降，其可溶组分的浓度则阶越式的升高。但是，在级式接触过程中所进行的吸收过程仍可不随时间而变，为定态连续过程。在微分接触设备中，液体自塔顶均匀流下，气体通过填料间的空隙上升与液体做连续接触，气体中的可溶组分不断的被吸收，其浓度自下而上连续的降低；液体则相反，其中可溶组分的浓度则有上而下连续的增高。级式接触与微分接触两类设备不仅用于气体吸收，同样也用于液体精馏、萃取等其它传单元操作。化工生产中吸收主要用于回收或捕获气体混合物中的有用物质，以制取产品；还用于出去工艺气体中的有害成分，使气体净化，以便进一步加工处理；或除去工业放空尾气中的有害物，以免污染空气。实际过程往往同时兼有净化和回收的双重目的。1.3.3 化工生产对塔设备的要求
