空气-丙酮填料吸收塔设计说明书

空气—丙酮填料吸收塔设计说明书

化工原理课程设计任务书

设计题目：空气-丙酮填料塔吸收

设计任务及操作条件：

混合气（丙酮、空气）处理量：1000m3/h(标准状态)

进塔混合气中含丙酮：5%（V%）；温度：20OC

丙酮回收率：96%

进塔吸收剂（清水）温度：20OC

设计条件：

操作条件：常压操作

设备型式：自 选

厂 址：本 地 区

设计内容：

1、设计方案的选择及流程说明

2、工艺计算

3、主要设备工艺尺寸设计

(1)塔径的确定

(2)填料层高度计算

(3)总塔高、总压降及接管尺寸的确定

4、辅助设备选型与计算

5、设计结果汇总

6、工艺流程图及换热器工艺条件图

7、设计评论

指导老师：（签名）

2008.6.28

1．概述

1．1吸收技术概况

吸收塔设备是气液接触的传质设备，一般可分为级式接触和微分接触两类。一般级式接触采用气相分散，设计采用理论板数及板效率；而微分接触设备常采用液相分散，设计采用传质单元高度及传质单元数。本设计采用后者。

吸收是气液传质的过程，应用填料塔较多。而塔填料是填料塔的核心构件，它提供了塔内气—液两相接触而进行传质和传热的表面，与塔的结构一起决定了填料塔的性能[1]。

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，尤其以填料塔的应用较为广泛。 塔填料的研究与应用已获得长足的发展，鲍尔环、阶梯环、莱佛厄派克环、金属环矩鞍等的出现标志着散装填料朝高通量、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。其中金属与塑料波纹板造价适中，抗污力强，操作性能好，并易于工业应用，可作为通用填料使用；栅格填料对液体负荷和允许压降要求苛刻的过程十分有利，并具有自净机能，即使应用在污垢系统也能长期稳定运转；脉冲填料独特的结构使之在大流量、大塔径下也不会发生偏流，极易工业放大，从发展上看很有希望。

塔填料仍处于发展之中，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，进而开发构型优越、堆积接触方式合理、流体在整个床层能均匀分布的新型填料。就目前看，填料的材质仍以陶瓷、金属和塑料为主，特别为满足化工生产中温度和耐腐蚀的要求，以开发并采用了氟塑料制成的填料。

填料塔原先被认为设备笨重，放大效应显著，所以常用于塔径较小的场合。近二三十年来，填料塔得到了较大的发展，特别是气液分布装置上的改进及规整填料的开发，使塔的直径可超过15m，在加大通量，减少压力降，提高效率及降低能耗方面，取得了明显的经济效益。

填料塔的发展，与塔填料的开发与研究是分不开的，除了提高原有填料的流体力学与传质性能外，还开发了不少效率高、放大效益小的新型填料，加上填料塔本身具有压降小、持液量小、耐腐蚀、操作稳定、弹性大等优点，使填料塔的开发研究达到了一个新的高度[1]。

1．3吸收过程在工业生产中的应用

在化学工业中，气体吸收操作广泛应用于直接生产化工产品，分离气体混合物，原料气的精制及从废气中回收有用组分或除去有害物质等。尤其是从保护环境，防止大气污染角度出发，对废气中的H2S、S0X、及NOX等有害物质吸收除去过程的开发研究，有关着方面已提出了不少新的方法，发表了不少论著与文献。除此之外，地球化学、生物物理和生物医药工程，也要应用气体吸收的理论及其研究成果。

工业上的气体吸收过程，由于所用的吸收剂、吸收剂浓度、操作温度与压力、再生方法等的不同，可能有各种不同的工艺流程。吸收过程可以在填料塔、板式塔、

鼓泡塔、搅拌反应釜等设备中进行。从传质角度讲，吸收所用的是气液接触设备，应增加气液两相的接触界面，但在吸收过程中也可能发生化学反应，因此吸收设备与蒸馏设备及气液反应器都有许多共同之处。

化学工业中的吸收操作，应用于脱除CO2及脱除H2S等装置数目为最多，开发研究也最多。工业生产中的应用主要有以下几个方面：

A制取化工产品

（1）

应用98%硫酸吸收SO3制取98%硫酸，应用20%发烟硫酸吸收SO3制取20%的发烟硫酸。

（2）

应用93%硫酸脱除气体中的水蒸气以干燥气体。

（3）

用水吸收氯化氢制取31%的工业盐酸。

（4）

用水吸收NO2生产50%-60%的硝酸。

（5）

用水或37%甲醛水溶液吸收甲醛制取福尔马林溶液。

（6）

氨水吸收CO2生产碳酸氢铵。

（7）

纯碱生产中用氨盐水吸收CO2生成NaHCO3。

（8）

用水吸收异丙醇催化脱氢生产的丙酮。

B分离气体混合物

（1）

油吸收法分离裂解气。

（2）

用水吸收乙醇氧化脱氢法制取的乙醛。

（3）

用水吸收丙烯氨氧化法生产的丙烯腈。

（4）

用醋酸亚铜氨液从C4馏分中提取丁二烯。

（5）

用水吸收乙烯氧化制取的环氧乙烷。

C从气体中回收有用组分

（1）

用硫酸从煤气中回收氨生成硫铵。

（2）

用洗油从煤气中回收粗笨（B.T.X）。

（3）

从烟道气或合成氨原料气中回收高纯度CO2。

D气体净化

（1）

原料气的净化。其主要目的是清除后续加工时所不允许存在的杂质，它们或会使

催化剂中毒，或会产生副反应而生成杂质。例如，合成氨原料气的脱CO2和脱H2S，天然气、石油气和焦炉气的脱H2S以及硫酸原料气的干燥脱水等。

（2）

尾气、废气的净化以保护环境。燃煤锅炉烟气、冶炼废气等脱SO2，硝酸尾气脱除NOX，磷酸生产中除去气态氟化物（HF）以及液氯生产时弛放气中脱除氯气等。 E生化工程

生化技术过程中采用好气性菌，发酵中需要大量的空气以维持微生物的正常吸收和代谢，要应用空气中的氧在水中的溶解（吸收）这一基本过程[1]。

2．吸收方案

2．1吸收剂的选择

对于吸收操作,选择适宜的吸收剂,具有十分重要的意义。其对吸收操作过程的经济性有着十分重要的影响。一般情况下,选择吸收剂,要着重考虑如下问题。

1.对溶质的溶解度大

所选的吸收剂多溶质的溶解度大,则单位量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下,吸收剂的用量小,可以有效地减少吸收剂循环量,这对于减少过程功耗和再生能量消耗十分有利。另一方面,在同样的吸收剂用量下,液相的传质推动力大,则可以提高吸收效率,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.挥发度要低

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。

以上四个方面是选择吸收剂时应考虑的主要问题,其次,还应注意所选择的吸收剂应具有良好的物理、化学性能和经济性。其良好的物理性能主要指吸收剂的粘要小,不易发泡,以保证吸收剂具有良好的流动性能和分布性能。良好的化学性能主要指其具有良好的化学稳定性和热稳定性,以防止在使用中发生变质,同时要求吸收剂尽可能无毒、无易燃易爆性,对相关设备无腐蚀性(或较小的腐蚀性)。吸收剂的经济性主要指应尽可能选用廉价易得的溶剂。

工业上常选用水做二氧化硫的吸收剂。除了物理吸收可能还会发生化学反应。

2．2吸收流程的选择

用水吸收丙酮属中等溶解度的吸过程，为提高传质效率，采用逆流吸收流程。因用水作为吸收剂，且丙酮不作为产品，故采用纯溶剂。

2．2．1吸收工艺流程图及工艺过程说明

2．3吸收塔设备及填料的选择

各种填料的结构差异较大，具有不同的优缺点，因此在使用上应根据具体情况选择不同的塔填料。在选择塔填料时，应该考虑如下几个问题：

1．面积大

比表面积是指单位堆积体积填料所具有的表面积；

2．布性能要好

主要有如下三个方面：

A．填料在塔内装填之后，整体结构均匀。

B．填料在塔内堆放形状应有利于液体向四周均匀分布。

C．减轻液体想避面偏流。

3．填料材质的选择

该流程处理量不大，所以所用的塔径不会太大，以采用填料塔比较适宜，碳钢填料造价低，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。同时金属填料可制成薄壁结构，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，应用范围最为广泛。

4．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。

由于本次设计是在常压（101.3Kpa）,常温（20°C）下进行的，故本次设计采用 16金属鲍尔环填料，其主要性能参数为 ：

填料类型 公称直径 填料个数 堆积密度 空隙率 比表面积 泛点填料 因子 金属鲍尔环 16mm 24680/m-3 365kg/m3 0.96 239m2/m3 410/m-1

2．4操作参数的选择

温度为20℃，炉气流量为1000m3/h，丙酮摩尔分率为0.05，要求回收率不小于96%，实际液气比为最小液气比的1.5倍。

3．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

20℃时水的相关物性ρ=998.2㎏/m3,

黏度μ=1.0050mpa.s=3.6㎏/(m.h),

表面张力б=72.6mN/m=940869㎏/h2。

丙酮在水中的扩散系数为：

表常见溶剂的缔合因子

溶剂名称 水 甲醇 乙醇 苯 非缔合溶剂

缔合因子 2.6 1.9 1.5 1.0 1.0

由参考书查得正常沸点下的分子体积得:

3.1.2气相物性数据

混合气体的平均摩尔质量为 =0.05×58.08+0.95×28.95=30.41Kg/Kmol 混合气体的平均密度为 =1.266㎏/m3

混合气体的黏度可近似取为空气的黏度,查手册得20℃空气的黏度为

μv=1.73×10-5Pa。s

丙酮在空气中的扩散系数为：

由查参考书查的分子扩散体积是:

3．1．3气液相平衡数据

由亨利系数经验公式 求得常压20℃丙酮在水中的亨利系数：

E=161.6377KPa=161.6 KPa

相平衡常数m= =1.60

溶解度系数 =0.343kmol/(kpa. M3)

3．3填料塔的工艺尺寸的计算

3．3．1塔径的计算

图2

通用压降关联图

1.u的确定

通常由泛点气速来确定空塔操作气速，泛点气速是填料塔操作气速的上限，填料塔的操作气速必须小于泛点气速。操作空塔气速与泛点气速之比称为泛点率。 对散装填料，其泛点率的经验值为：u=(0.5～0.85)

填料塔的泛点气速可由Eckert通用关联图查得

气相质量流量为 =qvρvm=1000/3600×1.264=0.3511kg/s

液相质量流量可近似按纯水的流量计算：

=LMH2O=0.02529×18.02=0.4557kg/s

Eckert通用关联图的横坐标为

查Eckert通用关联图得

查散装填料泛点填料因子平均值得: ФF=410m-1

设计气速取泛点气速的80%,则设计气速

u=0.8 =0.8×3.18=2.55m/s

由

圆整塔径,取D=400mm=0.4m

2.泛点率校核:

由于泛点附近流体力学性能的不稳定性，一般较难稳定操作，故一般要求泛点率在50%-80%之间，而对于易起泡的物系可低于40%；

由 得 =2.21m/s

(在允许范围内)

填料规格校核:

(在允许范围内)

以上式中： ——泛点气速， ；

--空塔气速 ；

——液体密度， ；

——气体密度， ；

， ——气液相质量流量， ；

g——重力加速度，9.81 ；

——液体黏度， ；

--填料因子，1/ m；

--液体密度校正系数；

3.液体喷淋密度校核:

为使填料塔能获得良好的润湿，塔内液体喷淋量应不低于某一极限值，此极限值称为最小喷淋密度，以 表示

对于散装填料，其最小喷淋密度通常采用下式计算：

Umin=(Lw)minαt

最小润湿速率是指在塔的截面上，单位长度的填料周边的最小液体体积流量。当

本次设计选用 16的金属鲍尔环填料，其αt=239m2/m3

代入数值得最小喷淋密度为Umin=(Lw)minαt=0.08×239=19.12m3/m2.h 式中： ——最小喷淋密度， ；

——最小润湿速率， ；

——填料的总比表面积，

填料塔的液体喷淋量密度是指单位时间，单位塔截面上液体的喷淋量，其计算式

为：

Umin

式中： ——液体喷淋密度， ；

——液体喷淋量， ；( );

——填料塔直径，

经以上校核可知，填料塔直径选用D=400mm合理。

3．3．2传质单元高度计算

填料比表面积 ,实际操作中润湿的填料比表面积 由于只有在润湿的填料表面才可能发生气、液传质，故 具有实际意义。

相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算

表3—1常见材质的临界表面张力值

聚氯乙材质 碳 瓷 玻璃 聚丙烯 钢 石蜡 烯

表面张56 61 73 33 40 75 20 力，

查表常见材质的临界表面张力值得бc=75dyn/cm=75×10-3N/m

液体质量通量Ul= Wl /0.785D2=0.4557/（0.785×0.42）=3.6263kg/(m2.s) 代入数值:

= 1.025

= 1.4950

=0.2377

代入恩田关联式：

=1-exp（-1.45×1.025×1.3187×1.4950×0.2377=0.5017

所以αw=0.5017αt=0.5017×239=119.9063m2/m3

气膜吸收系数由下式计算：

式中： ——填料的总比表面积， ；

——气体通过空塔截面的质量流速， ；

，

——气体的粘度， ；

——气体的密度， ；

g——重力加速度，9.81 ;

气体质量通量为 代入数值：

=95.69

= 1.10

=1.01×10-6

代入公式：

Kg=0.237×（95.69×1.10×1.10×10-6）=2.4946×10-5kmol/( m2.s.kpa) 液膜吸收系数由下式计算：

式中： ——液相传质系数，

；

——液体的密度， ；

——液体的质量流速 ms

——液相的黏度， ；

g——重力加速度，9.81 ；

——液体通过空塔截面的质量流速， ；

——单位体积填料层的润湿面积， ；

——溶质在液相中的扩散系数，

；

代入数值：

=6.1085

=0.0309

=0.0215

代入公式：

kL=0.0095×6.1085×5.56×0.0309×0.0215=3.8553×10-5 m/s

由kgα= kgαwФ1.1,并查得Ф=299

则kgα= kgαwФ1.1=2.4946 10-5×119.9063×2991.1=1.5815 kmol/( m3.s.kpa) kLα= kLαwФ1.1=3.8553×10-5×119.9063×2991.1=2.4442 kmol/( m2.s.kpa) =80%>50%

由 ，

，

得:

=[1+9.5×（0.8-0.5）1.4] ×1.5815=4.3661 kmol/( m3.s.kpa)

kL、α=[1+2.6×(0.8-0.5)2.2] ×2.44442=2.8937 l/s

则

由

3.3.3传质单元数的计算

Y2*=mX2=0

脱吸因数

气相总传质单元数为

3.3.4填料层高度

由Z= HOg NOg=1.0671×6.9482=7.4144m

圆整后得Z=8.0m

填料层分段

>8

所以，填料层分为两段设置，拟将填料每4米分为一段。

3．3．5填科层压降计算

气体通过填料曾压降用Eckert通用关联图计算

横坐标

(前已算出)

纵坐标 ， 其中 =3.18得：

查Eckert通用关联图，得每米填料得压降为100×9.81=981Pa/m

所以填料总压降为△P=981×7.4144=7.27K Pa

3．3．6塔附属高度的计算

1.塔上部空间高度，可取1.2m，

2.液体分布器高度约为1米，若塔底液相停留时间按1min考虑，则塔釜液所占空间高度为：

考虑到气相接管所占空间高度，底部空间高度可取1.5m，所以塔的附属高度为 h=1.2+1.0＋0.2180＋1.5=3.918m≈4.0m

塔得总高度

H＝8.0＋4.0＝12.0m

即塔得总高为12.0m

附录1

工艺设计计算结果汇总与主要符号说明

表3—2工艺设计计算汇总表

混合气体处理量U（m3/h）

进塔气相摩尔比Y1

出塔气相摩尔比Y2

出塔液相摩尔分率X1（ ）

进塔液相摩尔分率X2 （ ）

混合气体平均摩尔质量 （ ）

混合气体的平均密度 （ ）

混合气体的粘度 （ ）

吸收剂用量L（ ）

1000 0．0526 0.0021 0.02193 0 35.11 1．246 1.73 10-5 0.02529

气相质量流量 （ ） 液相质量流量 （ ） 气相总传质单元数 （m）

0.3511 0.4557

6.9482 气相总传质单元高度 (m)

空塔气速u (m/s) 泛点气速u (m/s) 泛点率f

圆整塔径D（m）

填料塔上部高度h (m) 填料塔下部高度h (m) 塔的附属高度h(m) 表3—3主要符号说明 符号 意义 X 平衡时液相丙酮摩尔比 Y 气相丙酮摩尔比 y 气相丙酮摩尔分率 液体的质量流量 气体的质量流量， 气体密度

Z 填料层高度， V 惰性气相流量 溶剂的摩尔流率

Y 气相中溶质的比摩尔分率；X 液相中溶质的比摩尔分率。 最小喷淋密度 润湿率

D 填料塔直径 气体的体积流量 空塔气速

液泛气速 重力加速度 液相传质系数 溶质在液相中的传质系数 气相传质系数

T 气体温度 DV 溶质在气体中的扩散系数 气体黏度 气相质量流速

u 孔塔气速

1.067

80% 0．400 1．2 1．5 4.0

2.55 3.18

单位

m

；

K

m/s

UV，UL

R

g

h

气体和液体的质量通量 气体和液体的密度

溶质在气体和液体中的扩散系数

气体常数 液体黏度 填料的总比表面积 填料的润湿比表面积

填料因子 重力加速度 液体的表面张力 填料材质的临界表面张力

液体的质量流速 气体密度 填料层高度

m

附录2

对设计过程的评述和有关问题的讨论

对于设计过程我们通过查阅各种文献得到数据，公式最后汇总，通过给出的任务进行计算，使我们的自学能力，汇总能力都得到了提高。 对于最后部分塔附属高度的计算还不甚了解，采用计算机制图也很不熟练，有待提高。通过本次课程设计不仅增强了自己的自学能力更促进了对化工原理知识的进一步了解，同时通过同学之间，同学和老师之间的相互交流使我的设计更加完善。

在良好的互动环境下我们大家都很努力认真，不仅是为了取得成绩，更是为了能在知识上，在能力上都有所提高。特别使对一些参考文献的使用，和对图表的查询都有了实质性的操作。动手能力也有了显著提高，使我们大家都很高兴。虽然我们做设计的时间较以前的学哥学姐时间短，但我们相信我们的收获不比他们少。

当然我知道自己的设计也许还存在这样或那样的不足，但我知道这是我努力的结果。我感谢能有这次让我努力并增长知识的机会，缺点和不足一定回尽力改正。也真心的希望这样可以促进我们学习和进步的机会以后还有。

附录3 吸收操作系统的工艺流程图

参考文献

【1】、石油化学工业规划设计院.塔的工艺计算。北京：石油化学工业出版社，1997

【2】、化工设备技术全书编辑委员会.化工设备全书——塔设备设计.上海：上海科学技术出版社1998

【3】、时钧，汪家鼎。化学工程手册，北京：化学工业出版社,1986

【4】、上海医药设计院.化学工业设计手册（上、下）. 北京：化学工业出版社1986

【5】、陈敏恒，丛德兹等.化工原理（上、下册）（第二版）. 北京：化学工业出版社2000

【6】、大连理工化工原理教研室,化工原理课程设计,大连，大连理工大学出版社, 1994

【7】、柴诚敬，刘国维，李阿娜，化工原理课程设计，天津，天津科学技术出版社，1995

【8】、化学工程手册编辑委员会.化学工业手册（第1、？、13篇），化工出版社，1989

【9】、贾紹义等.化工传递与单元操作课程设计，天津大学出版社2002

【10】、匡国柱等. 化工单元过程及设备课程设计，化学工业出版社，2002 【11】、国外气液传质设备的一些发展趋势，化工进展，1994，（1）：22-28 【12】、郑晓梅.化工制图，化工出版社，2002

结束语：

本次课程设计经过两周的时间得以完成，主要包括目录、绪论、设计方案、吸收塔的工艺计算等内容，主要通过上网搜集资料、查找统计文献、数据的整合计算、文字的筛选以及上机调试等部分组成，在此基础上形成了该课程设计的基础框架，最后由本人加以总结整合，提出了相关设计方案，具体内容在课程设计各章节菌有所体现。

本次课程设计让我取得了很多收获。 首先，通过课程设计资料的搜索以及对数据的计算中，让我对化工原理有了更加清晰、更加深刻的认识，课程设计本身的完成过程，其实也是自己对化工原理轮廓的理解，对内容的把握的过程，这样可以更加丰富的了解了化工原理的全貌，对自己的专业知识学习也更加深刻，不在流于表面。

其次，通过本次课程设计提高了我的逻辑思维能力以及对材料的整合和筛选能力，这对于我今后的研究和学习有很大的帮助，通过了整个课程设计方案的描述，让我更加全面的拓宽自己的思考能力。

再次，课程设计让我更加重视实践，重视对实际工作的关注，有利于提高我理论联系实际的能力。通过这次学习，我知道了如何去自觉学习，如何去体验实践的成果，如何在实践中后享受胜利的喜悦。

最后，对于我来说，独自完成课程设计是相当困难的，它的完成与老师和同学的合作是密不可分的，在共同的努力中我感受到了团队的合作力量，团队的温暖，工作的同时也增进了我们的友谊，我想我们每个人都会为我们共同努力的汗水所骄傲和自豪。

但是，课程设计的完成并不代表我自身学习的终止，在完成过程中我发现自己有很多缺点不足。如：课程设计中的Auto CAD作用部分对自己来讲十分困难，另外，大量的内容也暴露出自己知识面窄，对实践活动的能力不强等诸多问题，我想困难和挑战才是激发自己前进的动力，自己也将会在今后的学习和生活中 ，劈荆斩浪，挑战自我。

化工原理课程设计的完成对我来说有深刻的意义，我衷心感谢徐功娣老师的指导以及与我合作共同学习的同学，是你们带给我收获，带给我快乐！