1、内蒙古科技大学课程设计 内蒙古科技大学 本科生课程设计说明书 题 目：丙酮填料吸收塔 学生姓名：黄也 学 号： 1266115209 专 业：化学工程与工艺 班 级：化工 12-2 指导教师：赫文秀 教授 内蒙古科技大学课程 设计 - 2 - 摘要 气液两相的分离是通过它们密切的接触进行的，在正常操作下，气相为连续相而液相为分散相，气相组成呈连续变化，气相中的成分逐渐被分离出来，属微分接触逆流操作过程。填料塔具有较高的分离效率，因此根据丙酮和空气的物理性质和化学性质分析，应该采用填料塔来分离气相中的丙酮。 本次 设计任务是针对二元物系的吸收问题进行分析 、设计、 计算 、 核算 、 绘图，是较
2、完整的吸收设计过程，并通过对填料塔及其填料的计算，可以得出填料塔和填料及附属设备的各种设计参数。由于此分离技术较成熟分离效率也很高所以在工程应用上特别广。 关键词： 纯水；丙酮；填料；填料塔；填料层高度 内蒙古科技大学课程 设计 - 3 - 目 录 第一章 概述与 设计方案的确定 - - 1 - 1.1 概述 - - 5 - 1.2 填料塔简述 - - 6 - 1.3 设计方案的确定 - - 6 - 1.3.1 装置流程的确定 - - 6 - 1.3.2 填料的选择 - - 7 - 1.3.3 吸收剂的选择 - - 10 - 第二章 设计计算 - - 11 - 2.1 基础物性数据 - - 1
3、1 - 2.1.1 液相物性数据 - - 11 - 2.1.2 气相物性数据 - - 11 - 2.1.3 气液相平衡数据 - - 12 - 2.2 物料衡算 - - 12 - 2.3 填料塔的工艺尺寸的计算 - - 13 - 2.3.1 塔直的计算 - - 13 - 2.3.2 填料层高度计算 - - 16 - 2.3.3 填料塔总压降计算 - - 21 - 第三章 填料塔的附属设备选型 - - 24 - 3.1 液体分布器的选择 - - 24 - 3.1.1 液体分布器简要概述 - - 24 - 3.1.2 液体分布器的选型 - - 24 - 3.1.3 分布点密度的计算 - - 24 -
4、 3.2 吸收塔的主 要接管尺寸的计算 - - 25 - 3.2.1 气相管径 - - 26 - 3.2.2 液相管径 - - 26 - 3.3 辅助设备的选型 - - 27 - 3.3.1 填料支承设备 - - 27 - 内蒙古科技大学课程 设计 - 4 - 3.3.2 填料压紧装置 - - 27 - 3.3.3 除 沫装置 - - 28 - 3.3.4 离心泵的选择 - - 28 - 3.4 塔高的确定 - - 28 - 3.4.1 塔附属高度的计算 - - 28 - 3.4.2 塔底液体保持管高度 - - 28 - 3.4.3 塔的高度 - - 29 - 参考文献 - - 30 - 结束
5、语 - - 31 - 内蒙古科技大学课程 设计 - 5 - 第一章 概述与设计方案的确定 1.1 概述 化工生产过程中所处理的原料、中间产物、粗产品等几乎都是混合物，而且大部分都是均相物系。为了进一步加工和使用这些混合物，就需要把其中的某一组分或几个组分分离开来，从而得到较为纯净或者几乎纯态的物质。对于均相物系必须要造成一个两项物系，利用两物系中各组分之间某物性的差异而使其中某个组分从一相转到另一相，以达到分离的目的。分离气体混合物，气体中的一个或者几个组分溶解于液体中，不能溶解的组分仍保留在气 相中，于是的混合物得到了分离。这种利用各组分在溶液中溶解度的差异使气体中不同组分分离的操作称为吸收
6、。 在化学工业中，经常需将气体混合物中的各个组分加以分离，其目的是： 1. 回收或捕获气体混合物中的有用物质，以制取产品； 2. 除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，以免污染大气。 实际过程往往同时兼有净化与回收双重目的。气体混合物的分离，总是根据混合物中各组分间某种物理性质和化学性质的差异而进行的。根据不同性质上的差异，可以开发不同的分离方法。吸收操作仅为其 中之一，它根据混合物各组分某种溶剂中溶解度的不同而达到分离的目的。 用于吸收的设备类型很多，如常见的填料塔、板式塔、鼓泡塔和喷洒塔等。工业吸收操作中更多的使用填料塔，填料塔是企业呈连续
7、性接触的气液传质设备，这是由于填料塔具有结构简单、容易加工，便于用耐腐蚀材料制造，以及压强小、吸收效果好、装置灵活等优点，尤其使用于小塔径的场合。 内蒙古科技大学课程 设计 - 6 - 1.2 填料塔简述 塔设备在化工、石油化工、生物化工、医药、食品等生产过程中广泛应用的汽液传质设备。其作用实现气 液相或液 液相之间的充分接触，从而达到相际间进行传质及传热的过程。 根据塔内气液接触部件的结构形式，可将塔设备分为两大类：板式塔和填料塔。 板式塔内沿塔高度装有若干层塔板，液体靠重力作用由顶部逐板流向塔釜，并在各块板面上形成流动的液层，气体靠压强差推动，由塔底向上依次穿过各塔板上的液层而流向塔顶。气
8、液两相在塔内进行逐级接触，两相组成沿塔高呈阶梯式变化。填料塔则在塔体内装填填料，液体由上而下流动中在填料上分布汇合，气体则在填料缝隙中向上流动。填料为气液传质提供了较大的气液接触面积。 填料塔的基本特点是结构简单，压力降小，传质效率高，便于采用耐腐蚀材料制造等，对于热敏性及容易发 泡的物料，更显出其优越性。过去，填料塔多推荐用于 0.60.7m以下的塔径。近年来，随着高效新型填料和其他高性能塔内件的开发，以及人们对填料流体力学、放大效应及传质机理的深入研究，使填料塔技术得到了迅速发展。 1.3 设计方案的确定 1.3.1 装置流程的确定 气液两相在塔内流动，一般有两种方式，分别是逆流和并流。通
9、常采用逆流操作，气体自塔低通入，液体从塔顶洒下，因此溶液从塔底流出前与刚进入塔的气相接触，可使溶液的浓度尽量提高，经吸收后的气体从塔顶排除前与刚入塔的液体接触，又可使出塔气体中溶质浓度尽量降 低。 在逆流操作下，在相同的进出口组成条件下，逆流吸收流程具有较大的平均传质推动力，可以减少设备尺寸，提高吸收率和吸收剂使用效率，可以实现多级理论级操作，气体净化程度较高，常在工业上应用。而并流吸收流程是气液两相均从塔顶流向塔底，只有一个理论级操作，气体净化程度不很高，但却可以避免塔的液泛现象。 吸收剂部分再循环操作 在逆流操作系统中，用泵将吸收塔排出液体的一部分冷却后与补充的新鲜吸收剂一内蒙古科技大学课
10、程 设计 - 7 - 同送回塔内，即为部分再循环操作。通常用于已下情况：当吸收剂用量较小，为提高塔的液体喷淋密度；对于非等温吸收过程，为控制塔 内的温升，需取出一部分热量。该流程特别适宜于平衡常数 m 很小的情况，通过吸收液的部分再循环，提高吸收剂的使用效率。 图 1-1 吸收工艺流程图 根据设计任务书要求，再根据以上介绍，综合考虑，本设计选择逆流吸收流程。 1.3.2 填料的选择 填料塔的基本特点是结构简单，压力降小，传质效率高，便于采用耐腐蚀材料制造等，对于热敏性及容易发泡的物料，更显出其优越性。填料的选择包括填料的种类、规格及材质等。所选的填料既要满足生产工艺的要求，又要使设备投资和操作
11、费用低。填料类型分为散装填料和规整填料。 一、散装填料 散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积在塔内，又称为乱堆填料或颗粒填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。现介绍几种较为典型的散装填料 : 拉西环填料、鲍尔环填料、阶梯环填料、弧鞍填料、矩鞍填料、金属环矩鞍填料、球形填料。 内蒙古科技大学课程 设计 - 8 - （一）、拉西环填料 拉西环填料于 1914 年由拉西 （ F. Rashching） 发明，为外径与高度相等的圆环。拉西环填料的气液分布较差，传质效率低，阻力大，通量小，目前工业上已较少应用。 （二）、鲍尔环
12、填料 鲍尔环填料是对拉西环的改进，在拉西环的侧壁上开出两排长方形的窗孔，被切开的环壁的一侧仍与壁面相连，另一侧向环内弯曲，形成内伸的舌叶，诸舌叶的侧边在环中心相搭。鲍尔环由于环壁开孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率，气流阻力小，液体分布均匀。与拉西环相比，鲍尔环的气体通量可增加 50%以上，传质效率提高30%左右。鲍尔环是一种应用较广的填料。 （三）、矩鞍填料填料 矩鞍填料 将弧鞍填料两端的弧形面改为矩形面，且两面大小不等，即成为矩鞍填料。矩鞍填料堆积时不会套叠，液体分布较均匀。矩鞍填料一般采用瓷 质材料制成，其性能优于拉西环。目前，国内绝大多数应用瓷拉西环的场合，均已被瓷矩鞍填料所取代
13、。 （四）、阶梯环填料 阶梯环填料是对鲍尔环的改进，与鲍尔环相比，阶梯环高度减少了一半并在一端增加了一个锥形翻边。由于高径比减少，使得气体绕填料外壁的平均路径大为缩短，减少了气体通过填料层的阻力。锥形翻边不仅增加了填料的机械强度，而且使填料之间由线接触为主变成以点接触为主，这样不但增加了填料间的空隙，同时成为液体沿填料表面流动的汇集分散点，可以促进液膜的表面更新，有利于传质效率的提高。阶梯环的综合性能优于鲍尔环 ，成为目前所使用的环形填料中最为优良的一种。 （五）、金属环矩鞍填料 金属环矩鞍填料 环矩鞍填料是兼顾环形和鞍形结构特点而设计出的一种新型填料，该填料一般以金属材质制成，故又称为金属环
14、矩鞍填料。环矩鞍填料将环形填料和鞍形填料两者的优点集于一体，其综合性能优于鲍尔环和阶梯环。 二、规整填料 规整填料是按一定的几何构形排列，整齐堆砌的填料。规整填料种类很多，根据其几何结构可分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料等。 （一）、格栅填料 格栅填料是以条状单元体经一定规则组合而成的，具有多种结构形 式。工业上应用内蒙古科技大学课程 设计 - 9 - 最早的格栅填料为木格栅填料。目前应用较为普遍的有格里奇格栅填料、网孔格栅填料、蜂窝格栅填料等，其中以格里奇格栅填料最具代表性。格栅填料的比表面积较低，主要用于要求压降小、负荷大及防堵等场合。 （二）、波纹填料 波纹填料目前工业上应用的规整填料绝
15、大部分为波纹填料，它是由许多波纹薄板组成的圆盘状填料，波纹与塔轴的倾角有 30和 45两种，组装时相邻两波纹板反向靠叠。各盘填料垂直装于塔内，相邻的两盘填料间交错 90排列。波纹填料按结构可分为网波纹填料和板波纹填料两大类，其材质又有金属、塑料 和陶瓷等之分。金属丝网波纹填料是网波纹填料的主要形式，它是由金属丝网制成的。金属丝网波纹填料的压降低，分离效率很高，特别适用于精密精馏及真空精馏装置，为难分离物系、热敏性物系的精馏提供了有效的手段。尽管其造价高，但因其性能优良仍得到了广泛的应用。波纹填料的缺点是不适于处理粘度大、易聚合或有悬浮物的物料，且装卸、清理困难，造价高。 （三）、脉冲填料 脉冲
16、填料是由带缩颈的中空棱柱形个体，按一定方式拼装而成的一种规整填料。脉冲填料组装后，会形成带缩颈的多孔棱形通道，其纵面流道交替收缩和扩大，气液两相通 过时产生强烈的湍动。在缩颈段，气速最高，湍动剧烈，从而强化传质。在扩大段，气速减到最小，实现两相的分离。流道收缩、扩大的交替重复，实现了“脉冲”传质过程。脉冲填料的特点是处理量大，压降小，是真空精馏的理想填料。 三、填料材质 常见得填料材质有陶瓷填料、塑料填料及金属填料等。 （一）、陶瓷填料 陶瓷填料具有很好的耐腐蚀性及耐热性，陶瓷填料价格低廉，具有很好的表面湿润性能，质脆、易碎是其最大缺点。 （二）、塑料填料 在温度较低时塑料能长期操作而不发生变
17、形，价格低廉，性能良好。一般多采用聚丙烯材质 。可耐一般无机酸、碱和有机溶剂腐蚀。质轻具有良好的韧性，耐冲击不易碎，可以制成薄壁结构。通量大压降低，但表面湿润性差，可以通过适当的表面处理来改善其表面湿润性能。 （三）、金属填料 内蒙古科技大学课程 设计 - 10 - 一般耐高温，但不耐腐蚀，能在高温、高压及高冲击强度下使用，应用范围广通量大，气体阻力小但价高且不容易清理。 本设计任务书中要求选用的填料陶是瓷拉西环。 1.3.3 吸收剂的选择 吸收是气体溶质在吸收剂中溶解的过程。因此，吸收剂性能的优劣往往是决定吸收效果的关键。选择吸收剂应注意以下几点： 1.溶解度 吸收剂对溶质组分的溶解度越大
18、，这样对于一定量的混合气体所需的吸收剂的用量可以少，同时因溶解度大，溶质的平衡分压低，吸收过程的推动力大，传质速率高，吸收设备尺寸可以减少。 2.吸收剂应对溶质具有良好的选择性，即对溶质的溶解度大，而对混合气中其他组分的溶解度小。 3.混合气中溶质的浓度不同。应选用不同的吸收剂。当溶质浓度较高时可选用物理吸收剂，溶解其中的大部分溶质；当溶解度较低时可选用一种不与溶质发生化学反应的化学吸收剂；当溶质浓度更低时，应选用一种能与溶质发生不可逆反应的化学吸收剂，但是其价格较贵，还可以产生固体物质。 4.吸收剂的挥发 度要小，以减少吸收过程中的损耗。 5.若吸收液不是产品，则其中的吸收剂应易分解再生，从而进行循环使用。 6.吸收剂的黏度要小，便于气液两相良好接触，提高传质速率。 7.吸收应具有化学稳定性，不易燃，无腐蚀性，无毒，价廉等优点 。 本设计任务书中要求选用的吸收剂是清水。
