1、水吸收丙烯酸氣體吸收塔設計1、 設計條件的選定1、 混合氣：產物：丙烯酸氣體 副產物：醋酸，甲酸，二氧化碳，馬來酸，丙烯醛，乙醛，丙酮等氣體。 混合氣的處理量為：2、 進塔混合氣組成：含丙烯酸摩爾分率：3、 進塔混合氣溫度：1004、 進塔吸收劑（水）的溫度：255、 丙烯酸回收率：6、 操作條件：操作壓力在常壓下進行第1章 概述 1.1吸收塔的概述氣體吸收過程是化工生產中常用的氣體混合物的分離操作，其基本原理是利用混合物中各組分在特定的液體吸收劑中的溶解度不同，實現各組分分離的單元操作。實際生產中，吸收過程所用的吸收劑常需回收利用。故一般來說，完整的吸收過程應包括吸收和解吸兩部分。在設計上應

2、將兩部分綜合考慮，才能得到較為理想的設計結果。作為吸收過程的工藝設計，其一般性問題是在給定混合氣體處理量、混合氣體組成、溫度、壓力以及分離要求的條件下，完成以下工作：(1) 根據給定的分離任務，確定吸收方案；(2) 根據流程進行過程的物料和熱量衡算，確定工藝參數；(3) 依據物料及熱量衡算進行過程的設備選型或設備設計；(4) 繪制工藝流程圖及主要設備的工藝條件圖； 1.2吸收設備的發展吸收操作主要在填料塔和板式塔中進行，尤以填料塔的應用較為廣泛。塔填料的研究與應用已取得長足的發展：鮑爾環、階梯環、金屬環矩鞍等的出現標志散裝填料朝高通量、高效率、低阻力方向發展有新的突破；規整填料在工業裝置大型化

3、和要求高分離效率的情況下倍受重視，已成為塔填料的重要品種。填料塔仍處于發展之中，今后的研究方向主要是提高傳質效率，同時考慮填料的強度、操作性能及使用上的通用因素并綜合環型、鞍型及規整填料的優點開發構型優越、堆積接觸方式合理、流體在整個床層均勻分布的新型填料。目前看來，填料的材質以陶瓷、金屬、塑料為主，為滿足化工生產溫度和耐腐蝕要求，已開發了氟塑料制成的填料。填料塔的發展，與塔填料的開發研究是分不開的。除了提高原有填料的流體力學與傳質性能外，還開發了效率高、放大效應小的新型填料。加上塔填料本身具有壓降小、持液量小、耐腐蝕、操作穩定、彈性大等優點，使填料塔開發研究達到了新的臺階。 1.3吸收過程在

4、工業生產上應用化工生產中吸收操作廣泛應用于混合氣體的分離：(1) 凈化或精制氣體，混合氣體中去除雜質。如用K2CO3水溶液脫除合成氣中的CO2，丙酮脫除石油裂解氣中的乙炔等。(2) 制取某種氣體的液態產品。如用水吸收氯化氫氣體制取鹽酸。(3) 混合氣體以回收所需組分。如用汽油處理焦爐氣以回收其中的芳烴。(4) 工業廢氣處理。工業生產中所排放的廢氣中常含有丙酮，NO，NO2，HF等有害組分，組成一般很低，但若直接排入大氣，則對人體和自然環境危害都很大。因此排放之前必須加以處理，選用堿性吸收劑吸收這些有害的氣體是環保工程中最長采用的方法之一。第2章 設計方案 2.1吸收劑的選擇吸收劑的對吸收操作過

5、程的經濟性由十分重要的影響，因此對于吸收操作，選擇適宜的吸收劑具有十分重要的意義。一般情況下，選擇吸收劑，著重考慮以下方面：（1）對溶質的溶解度大所選的吸收劑對溶質的溶解度大，則單位的吸收劑能夠溶解較多的溶質，在一定的處理量和分離要求條件下，吸收劑的用量小，可以有效地減少吸收劑的循環量。另一方面，在同樣的吸收劑用量下液相的傳質推動力大可以提高吸收效率，減小塔設備的尺寸。（2）對溶質有較高的選擇性對溶質有較高的選擇性即要求選用的吸收劑應對溶質有較大的溶解度；而對其他組分則溶解度要小或基本不溶。這樣，不但可以減小惰性氣體組分的損失，而且可以提高解吸后溶質氣體的純度 。 （3）不易揮發 吸收劑在操作

6、條件下應具有較低的蒸氣壓，以避免吸收過程中吸收劑的損失提高吸收過程的經濟性。 （4）再生性能好 由于在吸收劑再生過程中一般要對其進行升溫或氣提等處理，能量消耗較大。因而，吸收劑再生性能的好壞對吸收過程能耗的影響極大。選用具有良好再生性能的吸收劑往往能有效地降低過程的能量消耗。 （5）粘度和其他物性 吸收劑在操作條件下的粘度越低，其在塔內的流動性越好，有助于傳質速率和傳熱速率的提高。此外，所選的吸收劑還應盡可能滿足無毒性、無腐蝕性、不易燃易暴、不發泡、冰點低，價廉易得以及化學性質穩定的要求。表2-1 物理吸收劑和化學吸收劑的特性物理吸收劑化學吸收劑吸收容量（溶解度）正比于溶質分壓吸收熱效應很?。?/p>

7、近于等溫）常用降壓閃蒸解吸溶質含量高而凈化度要求不太高的場合對設備腐蝕性小，不易變質吸收容量對溶質分壓不太敏感吸收熱效應顯著用低壓蒸汽氣提解吸溶質含量不高而凈化度要求很高的場合對設備腐蝕性大，易變質結合以上吸收劑選擇原則和考慮經濟最優原則，本設計采用水作為吸收劑：丙烯酸在水中的溶解度大、吸收推動力大、溶劑用量小、設備尺寸也??；水的價格低廉，本設計題目要求吸收劑用水。 2.2吸收流程的確定工業上有多種吸收流程，從所選吸收劑的種類看，有用一種吸收劑的一步吸收流程和用兩種吸收劑的兩步吸收流程；從所用的塔設備數量看，有單塔吸收流程和多塔吸收流程；從塔內氣液兩相的流向可分為逆流吸收流程，并流吸收流程等基

8、本流程。此外，還有特定條件下的部分溶劑循環過程。（1）一步吸收流程和兩步吸收流程一步吸收流程一般用于混合氣體溶質濃度較低，同時過程的分離要求不高，選用一種吸收劑即可完成吸收任務的情況。若混合氣體中溶質濃度較高且吸收要求也高，難以用一步吸收達到吸收要求或者雖能達到吸收要求，但過程的操作費用較高，從經濟性的角度分析不夠適宜時，可以采用兩步吸收流程。（2）單塔吸收流程和多塔吸收流程單塔吸收流程式吸收過程中的常用流程，如過程無特別需要，則一般采用單塔吸收流程。若過程的分離要求較高，使用單塔操作時，所需要的塔體過高，或采用兩步吸收流程時，則需要采用多塔流程。（3）逆流吸收與并流吸收吸收塔或再生塔內氣液相

9、可以逆流操作也可以并流操作，由于逆流操作具有傳質推動力大，分離效率高的顯著優點，工業上如無特別需要，一般均采用逆流吸收流程。（4）部分溶劑循環吸收流程由于填料塔的分離效率受填料層上的液體噴淋量影響較大，擋液相噴淋量過小時，將降低填料塔的分離效率。因此當塔的液相負荷過小而難以充分潤濕填料表面時，可以采用部分溶劑循環吸收流程，以提高液相噴林量，改善塔的操作條件。 結合設計要求和以上流程選擇原則，在本設計中選擇單塔逆流的操作流程：吸收推動力大； 2.3 吸收塔設備的選擇對于吸收過程，一般具有操作液氣比大的特點，因而更適應于填料塔。此外，填料塔阻力小、效率高、有利于過程節能。所以對于吸收過程來說，以采

10、用吸收塔的多。本設計中丙烯酸氣體在水中的溶解度比較大，吸收效率高，所以采用填料塔，故而本設計選用填料塔作為氣液傳質設。 2.4 吸收塔填料的選擇（1）填料種類的選擇填料種類的選擇要考慮分離工藝的要求，通?？紤]以下幾個方面。 傳質效率 即分離效率，它有兩種表示方法：一是以理論級進行計算的表示方法，以每個理論級當量的填料層高度表示，即HETP值；另一是以傳質速率進行計算的表示方法，以每個傳質單元相當的填料層高度表示，即HTU值。在滿足工藝要求的前提下，應選用傳質效率高，即HETP（或HTU）值低的填料。對于常用的工業填料，其HETP(或HTU)值可由有關手冊或文獻中查到，也可以通過一些經驗公式來估

11、算。 通量 在相同的液體負荷下，填料的泛點氣速愈高或氣相動能因子愈大，則通量愈大，它的處理能力也愈大。因此，在選擇填料種類時，在保證具有較高傳質效率的前提下，應選擇具有較高泛點氣速或氣相動能因子的填料。對于大多數常用填料，其泛點氣速或氣相動能因子可在有關手冊或文獻中查到，也可由一些經驗式來估算。 填料層的壓降 填料層的壓降是填料的主要應用性能，壓降越低，動力消耗越低，操作費用越小。選擇低壓降的填料對熱敏性物系的分離尤為重要。比較填料層的壓降尤兩種方法：一是比較填料層單位高度的壓降；另一是比較填料層單位傳質效率的比壓降 。填料層的壓降可用經驗公式計算，亦可從有關圖標中查出。 填料的操作性能 填料

12、的操作性能主要指操作彈性，抗污堵性及抗熱敏性等。所選填料應具有較大的操作彈性，以保證塔內氣液負荷發生波動時維持操作穩定。（2）填料規格的分類 散裝填料規格的分類 散裝填料的規格通常是指填料的公尺直徑。工業塔常用的散裝填料主要有、等幾種規格。同類填料，尺寸越小，分離效率越高；但阻力增加，通量減小，填料費用也增加很多。而大尺寸的填料應用于小直徑塔中，又會產生液體分布不良及嚴重的壁流，使塔的分離效率降低。因此，對塔徑與填料尺寸的比值要有一定的規定。表2-2 常用填料的塔徑與填料公稱直徑比值D/d的推薦值填料種類D/d的推薦值拉西環鞍環鮑爾環階梯環環矩鞍D/d2025D/d15D/d1015D/d8D

13、/d8 規整填料規格的分類 工業上常用規整填料的型號和規格的表示方法很多，國內習慣用比表面積表示，主要有125，150，250，350，500，700等幾種規格，同種類型的規整填料，其表面積越大，傳質效率越高，但阻力增加，通量減小，填料費用也明顯增加。選用時應從分離要求，通量要求，場地條件，物料性質及設備投資，操作費用等方面綜合考慮，使所選填料既能滿足工藝要求，又具有經濟合理性。應予指出，一座填料塔可以選用同種類型，同一規格的填料，也可選用同種類型，不通規格的填料；可以選用同種類型的填料，也可以選用不同類型的填料，有的塔段可選用規整填料，而有的塔段可選用散裝填料。一的原則來選擇填料的規格。 填

14、料材質的分類設計時應靈活掌握，根據技術經濟統工業上，填料的材質分為陶瓷，金屬和塑料三大類。a） 陶瓷填料 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各種無機酸，有機酸的腐蝕，對強堿介質，可以選用耐堿配方制造的耐堿陶瓷填料。陶瓷填料因其質脆，易碎，不易在高沖擊強度下使用，陶瓷填料價格便宜，具有很好的表面潤濕性能，工業上，主要用于氣體吸收，氣體洗滌，液體萃取等過程。b）金屬填料 金屬填料可用多種材質制成，金屬材質的選擇主要根據物系的腐蝕性和金屬材質的耐腐蝕性來綜合考慮。炭鋼填料造價低，且具有良好的表面潤濕性能，對于無腐蝕或低腐蝕性物系應優先考慮使用；不銹鋼填料耐腐蝕性強，一般能耐除

15、以外常見物系的腐蝕，但其造價較高，鈦材，特種合金鋼材質制成的填料造價極高，一般只在某些腐蝕性極強的物系下使用。金屬填料可制成薄壁結構（0.21.0mm），與同種類型，同種規格的陶瓷，塑料填料相比，它的通量大，氣體阻力小，且具有很高的抗沖擊性能，能在高溫，高壓，高沖擊強度下使用，工業應用主要以金屬填料為主。c） 塑料填料 塑料填料的材質主要包括聚丙烯（PP），聚乙烯（PE）及聚氯乙?。≒VC）等，國內一般多采用聚丙烯材質。塑料填料的耐腐蝕性能好，可耐一般的無機酸，堿和有機溶劑的腐蝕。其耐溫性良好，可長期在100以下使用，聚丙烯填料在低溫（低于0）時具有冷脆性，在低于 0 的條件下使用要慎重，可選

16、用耐低溫性能好的聚氯乙稀填料。塑料填料具有質輕，價廉，耐沖擊，不易破碎等優點，多用于吸收，解吸，萃取，除塵等裝置中。塑料填料的缺點是表面潤濕性能差，在某些特殊應用場合，需要對其表面進行處理，以提高表面潤濕性能。根據以上選擇，考慮到以下方面（1）選擇填料材質 選擇填料材質應根據吸收系統的介質和操作溫度而定，一般情況下，可選用塑料，金屬，陶瓷等材料。對于腐蝕性介質應采用相應的抗腐蝕性材料，如陶瓷，塑料，玻璃，石墨，不銹鋼等，對于溫度較高的情況，應考慮材料的耐溫性能。（2）填料類型的選擇 填料類型的選擇是一個比較復雜的問題。一般來說，同一類填料塔中，比表面積大的填料雖然具有較高的分離效率，但是由于在

17、同樣的處理量下，所需要的塔徑較大，塔體造價升高。（3）填料尺寸的選擇 實踐表明，填料塔的塔徑與填料直徑的比值應保持不低于某一下限值，以防止產生較大的壁效應，造成塔的分離效率下降。一般來說，填料尺寸大，成本低，處理量大，但是效率低，使用大于50mm的填料，其成本的降低往往難以抵償其效率降低所造成的成本增加。所以，一般大塔經常使用50mm的填料。表2-3 填料尺寸與塔徑的對應關系塔徑/填料尺寸/D250250D900D900202525385080設計題目根據以上的設計原則和后面的計算得，采用塑料階梯環38的填料。第3章 吸收塔的工藝計算 3.1基礎物性數據3.1.1液相物性數據對于丙烯酸氣體的吸

18、收過程，溶液的物性數據可近似取純水的物性數據。由化工原理及手冊，查得25時水的有關數據如下：密度為：L =996.95/m³粘度為：L =0.8937mPa·s =3.217/(m·h) 表面張力：L =72.6dyn/cm =932342.4 /h²丙烯酸在水中的擴撒系數為：DL =1.169×109m²/s =4.208×106m²/h3.1.2氣相物性數據混合氣體的平均摩爾質量為 Mvm =YiMi =74.64%×72.06+25.36%×（60+44）=80.16g/mol =80.1

19、6/kmol混合氣體的平均密度為 （常壓下） vm =PMvm/RT =（101.325×80.16）/（8.3145×（273.15+100）=2.618/m³混合氣體的粘度可近似取各自粘度總和的平均值，查手冊得25各產物的粘度為 1 =1.149×10³Pa·s 2 =1.09×10³Pa·s 3 =0.01486×10³Pa·s v =（1.149×10³1.09×10³0.01486×10³）/3=0.751

20、3×10³Pa·s =2.71 /(m·h)查手冊得丙烯酸在副產物中的擴撒系數為 Dv =4.672×105m²/s =0.168192m²/h3.1.3氣液相平衡數據查手冊得，常壓下25時丙烯酸在水中的亨利系數為 E=5.89×103 KPa相平衡常數為 m=E/P=5.89×103/101.325 =58.13溶解度系數為 H=L/EMs =996.95/（5.89×103×18.02）=9.39×10³kmol/(kPa·m³) 3.2物料

21、衡算如下圖所示，全塔物料衡算是一個定態操作逆流式接觸的吸收塔，各個符號表示的意義如下：V惰性氣體流量，Kmol/h；L純吸收劑流量，Kmol/h；Y1、Y2進出吸收塔氣體的摩爾比；X1、X2進出塔液體中溶質質量的摩爾比進塔氣相摩爾比為 Y1 = y1/1-y1 =0.2536/（1-0.2536）=0.340出塔氣相摩爾比為 Y2 = Y1（1-A）=0.340×（1-74.64%）=0.086進塔惰性氣相流量為 V=1140.057kmol/h該吸收塔過程屬最低濃度吸收，平衡關系為直線，最小液氣比可按下式計算，即： 對于純溶劑吸收過程，進塔液相組成為 X2 = 0 （） =43.4

22、27取操作液氣比為 （）=（1.12.0）（） 我取1.4 （）=1.4（） = 60.797 L = 60.797×V = 60.797×1140.057=69312.206kmol/h = 3.3填料塔的工藝尺寸的計算3.3.1塔徑的計算采用埃克特通用關聯圖計算泛點氣速：氣相質量流量為 Wv =Vs·vm =46739.640×2.618 = 122364.378/h 液相質量流量課近似按純水的流量計算，即： Wl =L·Ms =69312.206×18.02=1249005.952/h ?？颂赝ㄓ藐P聯圖的橫坐標： ()½

23、; = 0.052查圖得 = 0.18查表得，散裝填料泛點填料因子平均值由下表3表3 散裝填料泛點填料因子平均值填料類型填料因子,1/mDN16DN25DN38DN50DN76金屬鮑爾環金屬環矩鞍306-138114 93.498 71- 36金屬階梯環-11882-塑料鮑爾環34323211412562塑料階梯環-17617089-瓷 矩 環700215140160-瓷拉西環1050576450288- F = 170m =1.45所以UF = 1.113m/s U = （50%-80%）UF 故我取 80% U=0.80UF = 1.113×0.8 =0.890m/s由D=m圓整

24、塔徑 D = 2m=2000m泛點率校核 U = U/UF = (在允許范圍內)填料規格校核 D/d =2000/38=52.63>8（在塑料階梯環塔徑與填料公稱直徑D/d >8范圍內）液體噴淋密度校核： 取最小潤濕速率為 = 0.08m³/m·h查化工原理課程設計，塑料階梯環DN38,比表面積 at =132.5 /m³ = =0.08×132.5=10.6m³/m²·h U = > Umin 經以上校核可知，填料塔直徑選用D=2000mm合理3.3.2填料層高度計算 = = 脫吸因數為： = 氣相總傳質

25、單元數為 = = 氣相總傳質單元高度采用修正的恩田關聯式計算： 查表下表常見材質的臨界表面張力值得 表4 常見材質的臨界表面張力值材質碳瓷玻璃聚丙烯聚氯乙烯鋼石蠟表面張力，dyn/cm56617333407520 臨界表面張力得：=40（dyn/cm）=518400（kg/h2） 液體質量通量為： = kg/（m²·h) =0.5726 氣膜吸收系數由下式計算： = 氣體質量通量為： =kg/（m²·h) = Kmol/(m²·h·KPa)液膜吸收系數由下式計算： = kl= m/h 由，查下表得 表5 常見填料的形狀系數填

26、料類型球形棒形拉西環弧鞍開孔環值0.720.7511.191.45 =1.45 則= Kmol/(m²·h·KPa) = h1 U/UF =67.72% 有公式得 則 =Kmol/(m²·h·KPa) =h1 則 = = （kmol/（m2·h·kPa） 由：= = (=(/4）d²=0.785d²） = 由=1.9132×2.095=4.0082m 填料層的設計高度一般為：Z=（1.2-1.5）Z 所以我取1.5m Z= 4.0082×1.5=6.0128m所以設計的填料塔

27、高度我取 Z= 6.5m 查下表得：表6 散裝填料分段高度推薦值填料類型h/Dhmax拉西環2.54m鞍環586m鮑爾環5106m階梯環8156m環矩鞍8156m對于拉西環填料，h/D=6.5/2=3.25 hmax=4m 與推薦值略有偏差，大體上可以接受。計算得填料層高度為6.5m h=6.5>hmax=4m 大于最大高度，可以考慮分段故應將填料層分成兩段，每段高為3.25m 3.4填料層壓降的計算采用?？颂赝ㄓ藐P聯圖計算填料層壓降：橫坐標：()½ =0.29 ，查化工原理課程設計即下表得：；表7 散裝填料壓降填料因子平均值填料類型填料因子,1/mDN16DN25DN38DN

28、50DN76金屬鮑爾環金屬環矩鞍306-138114 93.498 71- 36金屬階梯環-11882-塑料鮑爾環34323211412562塑料階梯環-17611689-瓷 矩 環700215140160-瓷拉西環1050576450288-縱坐標： ；查化工原理課程設計得： ；填料層壓降為： 第4章 塔內件及附屬設備的計算 4.1液體分布器的計算 4.2填料塔附屬高度的計算一個完整的吸收塔，除了填料高度外，還有其他附屬高度，因此塔高的計算還包括塔附屬高度的計算。1、 塔填料層上部的高度：2、 液體分布器高度約為：3、 考慮到氣相接管所占空間高度，底部空間高度可取4、 若塔底液相停留時間按

29、min考慮，則塔釜夜所占空間高度為 Ls = WL/L = m³/h h = Ls /(1×60×(D/2)²)=所以塔的附屬高度為：故得塔的總高度為：H = 4.3填料吸收塔的總壓力降填料塔的壓力降： Pf = P1P2P3P1、氣體進出口壓力降，取氣體進出口接管的內徑為 mm，則氣體進出口的流速為 U = Vs /A =Vs /(D²/ 4)= m/s 則 進口壓力降：P1 =U²/2= 出口壓力降：P2 =0.5×P1 =2、填料層的壓力降： P3 =3、 其他塔內件的壓力降 其他塔內件的壓力降P較小，在此可以忽略不計

30、。 因此吸收塔的總壓力降為Pf = P1P2P3P = 4.4填料支撐板填料支撐裝置對保證填料塔的操作性能具有巨大的作用，對填料支撐裝置的基本要求是：有足夠的強度以支撐填料的重量；提供足夠大的自由截面，盡量減小8兩相的流體阻力；有利于液體分布；乃腐蝕性能好，便于各種材料制造，以及安裝拆卸方便。評價填料支撐裝置的性能優劣，主要根據它能否在支撐板與填料的接觸壓力，提供足夠大的自由截面。常用的填料支撐裝置有柵板型，孔管型，駝峰型等，對于散裝填料，通常選用孔管型、駝峰型等。當塔內氣液負荷較大或負荷波動較大時，塔內填料將發生浮動或相互撞擊，破壞塔的正常操作甚至損壞填料，為此，一般在填料層頂部設壓板或床層

31、限制板。設計中,為防止填料支撐裝置處壓降過大甚至發生液泛,要求填料支撐裝置的自由截面積應大于75%。本設計依據塔徑選用柵板型支撐板。 4.5填料壓緊裝置為防止在上升氣流的作用下填料床層發生松動或跳動,需在填料層上方設置填料壓緊裝置.填料壓緊裝置有壓緊柵板,壓緊網板,金屬壓緊器等不同類型.對于散裝填料,可選用壓緊網板,液可選用壓緊柵板,在其下方,根據填料的規格敷設一層金屬網,并將其與壓緊柵板固定;對于規整填料,通常選用壓緊柵板.設計中,為防止在填料壓緊裝置處壓降過大甚至發生液泛,要求填料壓緊裝置的自由截面積應大于70%.本設計中填料塔在填料裝填后于其上方安裝填料壓緊柵板。4.6液體除沫器（即氣體出口裝置）除沫裝置安裝在液體再分布器上方，液體除沫器，可以除去出氣口氣流中的液滴，為了不影響吸收效率，采用除沫裝置，氣體出口既要保證氣流暢通，又要盡量除去夾帶的液沫。最簡單的裝置是除沫擋板（折板），或填料式、絲網式除霧器。根據除沫裝置類型的使用范圍，該填料應選用絲網除沫器。 4.7筒體和封頭的設計1、 筒體的設計選用標準：筒體（JB1153-73）表4-3 筒體的容積、面積及重量公稱直徑Dg(mm)一米高的容積V(m3)一米高的內裹面積Fg(m2)壁厚S(m