1、水吸收丙烯酸气体吸收塔设计 一、 设计条件的选定 1、 混合气：产物：丙烯酸气体 副产物：醋酸，甲酸，二氧化碳，马来酸，丙烯醛，乙醛，丙酮等气体。 混合气的处理量为：h/m640.46739 32、 进塔混合气组成：含丙烯酸摩尔分率：%6.63、 进塔混合气温度： 100 4、 进塔吸收剂（水）的温度： 25 5、 丙烯酸回收率：%64.746、 操作条件：操作压力在常压下进行 第一章 概述 1.1 吸收塔的概述 气体吸收过程是化工生产中常用的气体混合物的分离操作，其基本原理是利用混合物中各组分在特定的液体吸收剂中的溶解度不同，实现各组分分离的单元操作。 实际生产中，吸收过程所用的吸收剂常需回
2、收利用。故一般来说，完整的吸收过程应包括吸收和解吸两部分。在设计上应将两部分综合考虑，才能得到较为理想的设计结果。作为吸收过程的工艺设计，其一般性问题是在给 定混合气体处理量、混合气体组成、温度、压力以及分离要求的条件下，完成以下工作： (1) 根据给定的分离任务，确定吸收方案； (2) 根据流程进行过程的物料和热量衡算，确定工艺参数； (3) 依据物料及热量衡算进行过程的设备选型或设备设计； (4) 绘制工艺流程图及主要设备的工艺条件图； 1.2 吸收设备的发展 吸收操作主要在填料塔和板式塔中进行，尤以填料塔的应用较为广泛。 塔填料的研究与应用已取得长足的发展：鲍尔环、阶梯环、金属环矩鞍等的
3、出现标志散装填料朝高通量、高效率、低阻力方向发展有 新的突破；规整填料在工业装置大型化和要求高分离效率的情况下倍受重视，已成为塔填料的重要品种。 填料塔仍处于发展之中，今后的研究方向主要是提高传质效率，同时考虑填料的强度、操作性能及使用上的通用因素并综合环型、鞍型及规整填料的优点开发构型优越、堆积接触方式合理、流体在整个床层均匀分布的新型填料。目前看来，填料的材质以陶瓷、金属、塑料为主，为满足化工生产温度和耐腐蚀要求，已开发了氟塑料制成的填料。 填料塔的发展，与塔填料的开发研究是分不开的。除了提高原有填料的流体力学与传质性能外，还开发了效率高、放大效应小的新 型填料。加上塔填料本身具有压降小、
4、持液量小、耐腐蚀、操作稳定、弹性大等优点，使填料塔开发研究达到了新的台阶。 1.3 吸收过程在工业生产上应用 化工生产中吸收操作广泛应用于混合气体的分离： (1) 净化或精制气体，混合气体中去除杂质。如用 K2CO3水溶液脱除合成气中的 CO2，丙酮脱除石油裂解气中的乙炔等。 (2) 制取某种气体的液态产品。如用水吸收氯化氢气体制取盐酸。 (3) 混合气体以回收所需组分。如用汽油处理焦炉气以回收其中的芳烃。 (4) 工业废气处理。工业生产中所排放的废气中常含有丙酮， NO， NO2， HF 等有害组分，组成一般很低，但若直接排入大气，则对人体和自然环境危害都很大。因此排放之前必须加以处理，选用
5、碱性吸收剂吸收这些有害的气体是环保工程中最长采用的方法之一。 第二章 设计方案 2.1 吸收剂的选择 吸收剂的对吸收操作过程的经济性由十分重要的影响，因此对于吸收操作，选择适宜的吸收剂具有十分重要的意义。一般情况下，选择吸收剂，着重考虑以下方面： （ 1）对溶质的溶解度大 所选的吸收剂对溶质的溶解度大，则单位的吸收剂能够溶解较多的溶质，在 一定的处理量和分离要求条件下，吸收剂的用量小，可以有效地减少吸收剂的循环量。另一方面，在同样的吸收剂用量下液相的传质推动力大可以提高吸收效率，减小塔设备的尺寸。 （ 2）对溶质有较高的选择性 对溶质有较高的选择性即要求选用的吸收剂应对溶质有较大的溶解度；而对
6、其他组分则溶解度要小或基本不溶。这样，不但可以减小惰性气体组分的损失，而且可以提高解吸后溶质气体的纯度 。 （ 3）不易挥发 吸收剂在操作条件下应具有较低的蒸气压，以避免吸收过程中吸收剂的损失提高吸收过程的经济性。 （ 4）再生性能好 由于在吸收剂再生 过程中一般要对其进行升温或气提等处理，能量消耗较大。因而，吸收剂再生性能的好坏对吸收过程能耗的影响极大。选用具有良好再生性能的吸收剂往往能有效地降低过程的能量消耗。 （ 5）粘度和其他物性 吸收剂在操作条件下的粘度越低，其在塔内的流动性越好，有助于传质速率和传热速率的提高。此外，所选的吸收剂还应尽可能满足无毒性、无腐蚀性、不易燃易暴、不发泡、冰
7、点低，价廉易得以及化学性质稳定的要求。 表 2-1 物理吸收剂和化学吸收剂的特性 物理吸收剂 化学吸收剂 吸收容量（溶解度）正比于溶质分压 吸收热效应很小（近于等温 ） 常用降压闪蒸解吸 溶质含量高而净化度要求不太高的场合 对设备腐蚀性小，不易变质 吸收容量对溶质分压不太敏感 吸收热效应显著 用低压蒸汽气提解吸 溶质含量不高而净化度要求很高的场合 对设备腐蚀性大，易变质 结合以上吸收剂选择原则和考虑经济最优原则，本设计采用水作为吸收剂： 丙烯酸 在水中的溶解度大、吸收推动力大、溶剂用量小、设备尺寸也小；水的价格低廉，本设计题目要求吸收剂用水。 2.2吸收流程的确定 工业上有多种吸收流程，从所选
8、吸收剂的种类看，有用 一种吸收剂的一步吸收流程和用两种吸收剂的两步吸收流程；从所用的塔设备数量看，有单塔吸收流程和多塔吸收流程；从塔内气液两相的流向可分为逆流吸收流程，并流吸收流程等基本流程。此外，还有特定条件下的部分溶剂循环过程。 （ 1）一步吸收流程和两步吸收流程 一步吸收流程一般用于混合气体溶质浓度较低，同时过程的分离要求不高，选用一种吸收剂即可完成吸收任务的情况。若混合气体中溶质浓度较高且吸收要求也高，难以用一步吸收达到吸收要求或者虽能达到吸收要求，但过程的操作费用较高，从经济性的角度分析不够适宜时，可以采用两步吸收流程。 （ 2）单塔吸收流程和多塔吸收流程 单塔吸收流程式吸收过程中的
9、常用流程，如过程无特别需要，则一般采用单塔吸收流程。若过程的分离要求较高，使用单塔操作时，所需要的塔体过高，或采用两步吸收流程时，则需要采用多塔流程。 （ 3）逆流吸收与并流吸收 吸收塔或再生塔内气液相可以逆流操作也可以并流操作，由于逆流操作具有传质推动力大，分离效率高的显著优点，工业上如无特别需要，一般均采用逆流吸收流程。 （ 4）部分溶剂循环吸收流程 由于填料塔的分离效率受填料层上的液体喷淋量影响较大，挡液相喷淋量过小时，将降低填料塔的分离效率。 因此当塔的液相负荷过小而难以充分润湿填料表面时，可以采用部分溶剂循环吸收流程，以提高液相喷林量，改善塔的操作条件。 结合设计要求和以上流程选择原
10、则，在本设计中选择单塔逆流的操作流程：吸收推动力大； 2.3 吸收塔设备的选择 对于吸收过程，一般具有操作液气比大的特点，因而更适应于填料塔。此外，填料塔阻力小、效率高、有利于过程节能。所以对于吸收过程来说，以采用吸收塔的多。 本设计中 丙烯酸气体在 水中的溶解度比较大，吸收效率高， 所以 采用填料塔， 故而 本设计选用填料塔作为气液传质设。 2.4 吸收塔填料的选择 （ 1）填料种类的选择 填料种类的选择要考虑分离工艺的要求，通常考虑以下几个方面。 传质效率 即分离效率，它有两种表示方法：一是以理论级进行计算的表示方法，以每个理论级当量的填料层高度表示，即 HETP值；另一是以传质速率进行计
11、算的表示方法，以每个传质单元相当的填料层高度表示，即 HTU值。在满足工艺要求的前提下，应选用传质效率高，即 HETP（或 HTU）值低的填料。对于常用的工业填料，其 HETP(或 HTU)值可由有关手册或文献中查到，也可以通过一些经验公式来估算。 通量 在相同的液体负荷下，填料的泛点气速愈高或气相动能因子愈大，则通量愈大，它的处理能力也愈大。因此，在选择填料种类时，在保证具有较高传质效率的前提下，应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料。对于大多数常用填料，其泛点气速或气相动能因子可在有关手册或文献中查到，也可由一些经验式来估算。 填料层的压降 填料层的压降是填料的主要应用性能，压降越低，
12、动力消耗越低，操作费用越小 。选择低压降的填料对热敏性物系的分离尤为重要。比较填料层的压降尤两种方法：一是比较填料层单位高度的压降 /pz ；另一是比较填料层单位传质效率的比压降 / TpN 。填料层的压降可用经验公式计算，亦可从有关图标中查出。 填料的操作性能 填料的操作性能主要指操作弹性，抗污堵性及抗热敏性等。所选填料应具有较大的操作弹性，以保证塔内气液负荷发生波动时维持操作稳定。 （ 2）填料规格的分类 散装填料规格的分类 散装填料的 规格通常是指填料的公尺直径。工业塔常用的散装填料主要有 16ND 、 25ND 、 38ND 、 50ND 、 76ND 等几种规格。同类填料，尺寸越小，
13、分离效率越高；但阻力增加，通量减小，填料费用也增加很多。而大尺寸的填料应用于小直径塔中，又会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率降低。因此， 对塔径与填料尺寸的比值要有一定的规定。 表 2-2 常用填料的塔径与填料公称直径比值 D/d的推荐值 填料种类 D/d 的推荐值 拉西环 鞍环 鲍尔环 阶梯环 环矩鞍 D/d 20 25 D/d 15 D/d 10 15 D/d 8 D/d 8 规整填料规格的分类 工业上常用规整填料的型号和规格的表示方法很多，国内习惯用比表面积表示，主要有 125， 150， 250， 350， 500， 700 等几种规格，同种类型的规整填料，其表面积越大，传
14、质效率越高，但阻力增加，通量减小，填料费用也明显增加。选用时应从分离要 求，通量要求，场地条件，物料性质及设备投资，操作费用等方面综合考虑，使所选填料既能满足工艺要求，又具有经济合理性。 应予指出，一座填料塔可以选用同种类型，同一规格的填料，也可选用同种类型，不通规格的填料；可以选用同种类型的填料，也可以选用不同类型的填料，有的塔段可选用规整填料，而有的塔段可选用散装填料。一的原则来选择填料的规格。 填料材质的分类设计时应灵活掌握，根据技术经济统工业上，填料的材质分为陶瓷，金属和塑料三大类。 a） 陶瓷填料 陶瓷填料具有良好的耐腐蚀性及耐热性，一般能耐除氢氟酸以外的各种无机 酸，有机酸的腐蚀，
15、对强碱介质，可以选用耐碱配方制造的耐碱陶瓷填料。陶瓷填料因其质脆，易碎，不易在高冲击强度下使用，陶瓷填料价格便宜，具有很好的表面润湿性能，工业上，主要用于气体吸收，气体洗涤，液体萃取等过程。 b）金属填料 金属填料可用多种材质制成，金属材质的选择主要根据物系的腐蚀性和金属材质的耐腐蚀性来综合考虑。炭钢填料造价低，且具有良好的表面润湿性能，对于无腐蚀或低腐蚀性物系应优先考虑使用；不锈钢填料耐腐蚀性强，一般能耐除 Cl 以外常见物系的腐蚀，但其造价 较高，钛材，特种合金钢材质制成的填料造价极高，一般只在某些腐蚀性极强的物系下使用。金属填料可制成薄壁结构（ 0.2 1.0mm），与同种类型，同种规格
16、的陶瓷，塑料填料相比，它的通量大，气体阻力小，且具有很高的抗冲击性能，能在高温，高压，高冲击强度下使用，工业应用主要以金属填料为主。 c） 塑料填料 塑料填料的材质主要包括聚丙烯（ PP），聚乙烯（ PE）及聚氯乙稀（ PVC）等，国内一般多采用聚丙烯材质。塑料填料的耐腐蚀性能好，可耐一般的无机酸，碱和有机溶剂的腐蚀。其耐温性良好，可长期在 100以下使用，聚丙烯填料 在低温（低于 0）时具有冷脆性，在低于 0 的条件下使用要慎重，可选用耐低温性能好的聚氯乙稀填料。塑料填料具有质轻，价廉，耐冲击，不易破碎等优点，多用于吸收，解吸，萃取，除尘等装置中。塑料填料的缺点是表面润湿性能差，在某些特殊应
17、用场合，需要对其表面进行处理，以提高表面润湿性能。 根据以上选择，考虑到以下方面 （ 1）选择填料材质 选择填料材质应根据吸收系统的介质和操作温度而定，一般情况下，可选用塑料，金属，陶瓷等材料。对于腐蚀性介质应采用相应的抗腐蚀性材料，如陶瓷，塑料，玻璃，石墨，不锈钢等，对于温度较高 的情况，应考虑材料的耐温性能。 （ 2）填料类型的选择 填料类型的选择是一个比较复杂的问题。一般来说，同一类填料塔中，比表面积大的填料虽然具有较高的分离效率，但是由于在同样的处理量下，所需要的塔径较大，塔体造价升高。 （ 3）填料尺寸的选择 实践表明，填料塔的塔径与填料直径的比值应保持不低于某一下限值，以防止产生较
18、大的壁效应，造成塔的分离效率下降。一般来说，填料尺寸大，成本低，处理量大，但是效率低，使用大于 50mm 的填料，其成本的降低往往难以抵偿其效率降低所造成的成本增加。所以，一般大塔经常使用 50mm的填 料。 表 2-3 填料尺寸与塔径的对应关系 塔径 /mm 填料尺寸 /mm D 250 250 D 900 D 900 20 25 25 38 50 80 设计题目根据以上的设计原则和后面的计算得，采用 塑料阶梯 环 ND 38 的填料。 第三章 吸收塔的工艺计算 3.1 基础物性数据 3.1.1 液相物性数据 对 于丙烯酸气体的 吸收过程 ，溶液的物性数据 可近似取纯水的物性数据 。由化工原
19、理及手册， 查得 25时水的有关数据如下： 密度为： L =996.95 /m 粘度为： L =0.8937mPa s =3.217 /(m h) 表面张力： L =72.6dyn/cm =932342.4 /h 丙烯酸在水中的扩撒系数为： DL =1.169 10 9m/s =4.208 10 6m/h 3.1.2 气相物性数据 混合气体的平均摩尔质量为 Mvm = YiMi =74.64% 72.06+25.36%（ 60+44） =80.16g/mol =80.16 /kmol 混合气体的平均密度为 （常压下） vm =PMvm/RT =（ 101.325 80.16） /（ 8.314
20、5（ 273.15+100） =2.618 /m 混合气体的粘度可近似取各自粘度总和的平均值，查手册得 25 各产物的粘度为 1 =1.149 10 Pa s 2 =1.09 10 Pa s 3 =0.01486 10 Pa s v =（ 1.149 10 1.09 10 0.01486 10） /3=0.7513 10 Pa s =2.71 /(m h) 查手册得丙烯酸在副产物中的扩撒系数为 Dv =4.672 10 5m/s =0.168192m/h 3.1.3 气液相平衡数据 查手册得，常压下 25时丙烯酸在水中的亨利系数为 E=5.89 103 KPa 相平衡常数为 m=E/P=5.8
21、9 103/101.325 =58.13 溶解度系数为 H= L/EMs =996.95/（ 5.89 103 18.02） =9.39 10 kmol/(kPa m) 3.2 物料衡算 如下图所示，全塔物料衡算是一个定态操作逆流式接触的吸收塔，各个符号表示的意义如下： V 惰性气体流量， Kmol/h； L 纯吸收剂流量， Kmol/h； Y1、 Y2 进出吸收塔气体的摩尔比； X1、 X2 进出塔液体中溶质质量的摩尔比 进塔气相摩尔比为 Y1 = y1/1-y1 =0.2536/（ 1-0.2536） =0.340 出塔气相摩尔比为 Y2 = Y1（ 1- A） =0.340（ 1-74.
22、64%） =0.086 进塔惰性气相流量为 V= ）（ 2536.0-110015.273 15.2734.22 640.467391140.057kmol/h 该吸收塔过程属最低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算，即： 12m in 12/YYLV Y m X 对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成 为 X2 = 0 （ VL ） min = 0-13.58340.0 086.0-340.043.427 取操作液气比为 （ VL ） =（ 1.1 2.0） （ VL ） min 我取 1.4 （ VL ） =1.4（ VL ） min = 60.797 L = 60.797 V =
23、60.797 1140.057=69312.206kmol/h 1 2 1 2( ) ( )V Y Y L X X L YYVX )( 211 = 206.69312 )086.0340.0(057.1140 3-10178.4 3.3 填料塔的工艺尺寸的计算 3.3.1 塔径的计算 采用埃克特通用关联图计算泛点气速： 气相质 量流量 为 Wv =Vs vm =46739.640 2.618 = 122364.378 /h 液相质量流量课近似按纯水的流量计算，即： Wl =L Ms =69312.206 18.02=1249005.952 /h 埃克特通用关联图的横坐标： VLww (LV )
24、 = 5.095.996 618.2378.122364 952.12490050.052 查图得 2.0lv2 g FFU= 0.18 查表得， 散装填料泛点填料因子平均值 由下表 3 表 3 散装填料泛点填料因子平均值 填料 类型 填料因子 ,1/m DN16 DN25 DN38 DN50 DN76 金属鲍尔环 金属环矩鞍 306 - - 138 114 93.4 98 71 - 36 金属阶梯环 - - 118 82 - 塑料鲍尔环 343 232 114 125 62 塑料阶梯环 - 176 170 89 - 瓷 矩 环 700 215 140 160 - 瓷拉西环 1050 576
25、450 288 - F = 170m1 =1.45 所以 UF = 2.0lvlg08.0 F 2.08973.0618.245.1170 95.99681.908.01.113m/s U = （ 50%-80%） UF 故我取 80% U=0.80UF = 1.113 0.8 =0.890m/s 由 D=uVS4=31.4890.014.3 3600640.467394 m 圆整塔径 D = 2m=2000m 泛点率校核 U =6677.02785.0 360017.7547 2 U/UF =%72.67%1009859.06677.0 (在允许范围内 ) 填料规格校核 D/d =2000/
26、38=52.638（在塑料阶梯环塔径与填料公称直径 D/d 8范围内） 液体喷淋密度校核： 取最小润湿速率为 minWL = 0.08m/m h 查化工原理课程设计，塑料阶梯环 DN38,比表面积 at =132.5 /m minU = minWL t =0.08 132.5=10.6m/m h U = 35.402785.0 95.99622.126298 2 Umin 经以上校核可知，填料塔直径选用 D=2000mm 合理 3.3.2 填料层高度计算 *1Y = 1mX =6625.10286.013.58 *2Y = 2mX =0013. 脱吸因数为： S = LmV = 768.078
27、.7008 5985.9213.58 气相总传质单元数为 OGN = *12*221 ln (1 )1 YYSSS Y Y= 095.2768.00-63.0 0-33.20.768-1ln768.0-1 1 气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算： 0 . 1 0 . 20 . 7 5 0 . 0 52 221 e x p 1 .4 5w c L tLLt L t L L L L taU UUag 查表 下表 常见材质的临界表面张力值得 表 4 常见材质的临界表面张力值 材质 碳 瓷 玻璃 聚丙烯 聚氯乙烯 钢 石蜡 表面张力， dyn/cm 56 61 73 33 40 75 20 临
28、界表面张力得： c =40（ dyn/cm） =518400（ kg/h2） 液体质量通量为： LU =36.402222785.0 22.12629 8 2 kg/（ m h) 2.0205.0-8221.075.05.1324.93234295.996 36.402221027.195.996 5.13236.40222217.35.132 36.40222932342.45184001.45-exp-1 =0.5726 气膜吸收系数由下式计算： Gk = 0 . 7 1 / 30 .2 3 7 V v t Vt v V VUDD R T 气体质量通量为： VU =67.80202785.
29、0 337.317.7547 2 kg/（ m h) Gk = 0317.02515.2733145.8 168192.05.132168192.0337.3 71.271.25.132 67.8020237.0 317.0 Kmol/(m h KPa) 液膜吸收系数由 下式计算： Lk = 3/12/13/20 0 9 5.0 LLLLLLwL gDU kl=7659.095.996 1027.1217.310208.495.996 217.3217.35.1325726.0 36.402220095. 31821-6-32 m/h 由 1.1G G wk a k a ， 查 下 表得 表
30、5 常见填料的形状系数 填料类型 球形 棒形 拉西环 弧鞍 开孔环 值 0.72 0.75 1 1.19 1.45 =1.45 则 1.1G G Wk a k a =6194.345.15726.05.1320317.0 1.1 Kmol/(m h KPa) Lk = 4.0wLk =4196.6745.15.1325726.07659. 4.0 h 1 U/UF =67.72% 有公式得 akuuak GFG 4.1 5.05.91akuuak LFL 2.2 5.06.21则 Gk = 6688.66194.35.0-6772.05.91 4.1 Kmol/(m h KPa) Lk = 3
31、135.714196.675.0-6772.06.2 2.2 h 1 则 GK = LG Hkk 11 1= 6085.01039.93135.71 16688.6 113-（ kmol/（ m2 h kPa） 由： OGH = YKV=PKVG( =( /4） d=0.785d） = m9132.12785.0325.1016085.0 5985.92 2 由 Z = OGH OGN =1.9132 2.095=4.0082m 填料层的设计高度一般为： Z =（ 1.2-1.5） Z 所以我取 1.5m Z = 4.0082 1.5=6.0128m 所以设计的填料塔高度我取 Z = 6.5m 查 下 表 得： 表 6 散装填料分段高度推荐值
