吸收塔设计工艺

引言
在化学工业中，经常需要将气体混合物中的各个组分加以分离，其主要目的是回收气体混合物中的有用物质，以制取产品，或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成分，以免污染空气。

吸收操作是气体混合物分离方法之一，它是根据混合物中各组分在某一种溶剂中溶解度不同而达到分离的目的。

大气是人类赖以生存的最基本的环境要素，它不仅通过自身运动进行热量，动量和水资源分布的调节过程，给人类创造了一个适宜的生活环境，并且阻挡过量的紫外线照射地球表面，有效地保护人类和地球上的生物。

但是，随着人类生产活动和社会活动的增加，特别是自工业革命以来，由于大量燃料的燃烧，工业废气和汽车尾气的排放，使大气环境质量日趋恶化。

煤炭是我国的最主要的能源，并且近期内不会有根本性的变化。

我国的能源结构决定了我国的大气污染是属于煤烟型污染，主要污染物是粉尘，二氧化硫和氮氧化合物。

此外一氧化硫，二氧化碳和少量的氟化物与氯化物。

填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。

【3】填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。

填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。

液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。

气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。

填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。

当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液流量逐渐增大，这种现象称为壁流。

壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质效率下降。

因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布装置。

液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。

填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大等优点。

填料塔也有一些不足之处，如填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面，使传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。

根据其特点我们因此选择填料吸收塔为本次设计性实验的设备。

用吸收剂水来除去丙酮。

1吸收流程
1.1几种流程的比较【3】
①逆流操作气相自塔底进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出，此即逆流操作。

逆流操作的特点是，传质平均推动力大，传质速率快，分离效率高，吸收剂利用率高。

工业生产中多采用逆流操作。

②并流操作气液两相均从塔顶流向塔底，此即并流操作。

并流操作的特点是，系统不受液流限制，可提高操作气速，以提高生产能力。

并流操作通常用于以下情况：当吸收过程的平衡曲线较平坦时，流向对推动力影响不大；易溶气体的吸收或处理的气体不需吸收很完全；吸收剂用量特别大，逆流操作易引起液泛。

③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同送回塔内，即为部分再循环操作。

通常用于以下情况：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。

该流程特别适宜于相平衡常数m值很小的情况，通过吸收液的部分再循环，提高吸收剂的使用效率。

应予指出，吸收剂部分再循环操作较逆流操作的平均推动力要低，且需设置循环泵，操作费用增加。

④多塔串联操作若设计的填料层高度过大，或由于所处理的物料等原因需经常清理填料，为便于维修，可把填料层分装在几个串联的塔内，每个吸收塔通过的吸收剂和气体量都相等，即为多塔串联操作。

此种操作因塔内需留较大空间，输液、喷淋、支撑板等辅助装置增加，使设备投资加大。

⑤串联-并联混合操作若吸收过程处理的液量很大,如果用通常的流程,则液体在塔内的喷淋密度过大,操作气速势必很小(否则易引起塔的液泛),塔的生产能力很低.实际生产中可采用气相做串联、液相做并联的混合流程；若吸收过程处理的液量不大而气相流量很大时，可采用液相做串联、气相做并联的混合过程。

1.2吸收流程的确定
由设计书的要求可知，吸收过程平衡曲线较为平缓，且为提高分离效率及吸收剂的利用率，减少设备投资，本次设计采用逆流串联操作吸收过程。

2填料的选择
本次设计我选择鲍尔患填料，鲍尔环填料是在拉西环的基础上改进而得。

其结构为在拉西环的侧壁上开出两排长方形的窗孔，被切开的环壁侧仍与壁面相连，另一侧向环内弯曲，形成内伸的舌叶。

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。

】
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常见的各种无机酸，有机的腐蚀，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。

【1】
规格（直径×高×厚）/mm 比表面积
a/m2·m-3
空隙率
ε/3-
3m
m⋅
填料因子
Φ/m-1
堆积密度
3
m
kg L W/
()h
m
m
⋅
3
40×20×3.0 258 0.775 320 548 0.12
3吸收塔的设计计算
3.1液相与物相物性数据计算
3.1.1液相物性数据
25℃时水的有关物性数据[4]如下： 密度为：ρL =1000kg/m 3【3】 粘度为：μL =0.8937 Pa·s 【3】
将填料塔分为两个塔，即每个塔的生产能力约为2500m 3 /h
3.1.2气相物性数据
混合气体的平均摩尔质量为：
M =∑y i M i =0.040×58.078＋0.960×28.02=29.222 混合气体的平均密度： ρ=
RT M P =298
314.8222
.293.101⨯⨯=1.195 kg/m 2 3.2设计特性数据计算
根据丙酮-水系统平衡数据（25℃）
x 0 0．001 0．002 0．003 0．004 0．005 0．006 0．007 0．
008 y *（×103）
0 2．146 4．416 6．816 9．348 12．051 14．794 1．794 20．904 0.000
0.005
0.010
0.015
0.020
0.025
-0.01
0.000.010.020.030.040.05
0.060.07气相 摩尔分率（Y *）
液相 摩尔分率（X ）
由上图得 X 1*=0.01428
进塔气相摩尔比为： Y 1=
111y y -【1】
=
040
.01040
.0-=0.0417
出塔气相摩尔比为： Y 2=
2
21y y -【1】
=
0008
.010008
.0-=0.0008
水吸收丙酮为纯吸收剂吸收过程，则 x 2=0 所以X 2=0
最小液-气比为：(G L )min =[]
864.20
01428.00008
.00417.032
12
1
=--=
--*X X Y Y
3.3吸收剂用量计算
进塔气相流量为：G=
)040.01(298273
4.222500-⨯⨯=98.154kmol/h 取适宜的液-气比为：G L =1.3(G L
)min 【1】 = 1.1×2.864=3.150
吸收剂用量为：L=G
L
×G=3.150 ⨯98.154=309.224kmol/h
3.4泛点气速计算
气相质量流量：w V =q v ×ρ=2500×1.195=2987.5 kg/h 液相质量流量: w L =L×M H2O =309.224×18.02=5572.2kg/h 图1的横坐标为：
5.0)(L
V V L w w ρρ=5
.0)1000195.1(5.29872.5572⨯=0.0645
根据图1,由所求得的横坐标查得纵坐标
2
.02L L
V p g μρϕρφμ=0.15 图1
根据所求得的纵坐标得出泛点气速 U F =
2
.015.0L V F L
g μϕρφρ=
2
.08937.0195.111301000
81.915.0⨯⨯⨯⨯⨯ =3.112 m/s
3.5塔径及压力降计算
3.5.1塔径计算
根据经验取空塔气速 u = 0.6u F 【2】 =0.6⨯3.112 =1.867m/s 气体体积流量 Vs=2500m 3/h=2500/3600m 3/s=0.694 m 3/s 塔径 D=
[]
867
.114.3694
.0446⨯⨯=
⋅u
V S π=0.68 m/s
圆整塔径，取 D = 0.7m [4] Ω=0.785D 2=0.785×0.72= 0.385m 2
3.5.2空塔气速 u =
2785.0D Vs ⨯= 2
7
.0785.0694
.0⨯=1.80m/s 3.5.3气体压力降
由空塔气速求得图1的纵坐标为
=⨯⨯⨯⨯=2
.022.028937.0100081.9195.1113080.1L L
V P g u μρϕρφ0.0503
3.6填料层高度
全塔物料衡算 G(y 1-y 2)=L(x 1-x 2)[3] 则x 1=
()221x L y y G +-=0124.00224
.309)
0008.004.0(154.98=+- X 1=0126.00124
.010124
.01]
1[1
1
=-=
-x x
x 2=0 得 X 2=0
0.000
0.005
0.010
0.015
0.020
0.025
-0.01
0.000.010.020.030.040.05
0.060.07气相 摩尔分率（Y *）
液相 摩尔分率（X ）
由图2得,Y 1*=0.0323 Y 2*
=0
m
N H Z m
a K G H Y Y Y N Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y Y OG
OG Y OG
m
OG m 25.4393.072.11393.0785
.0265795
.8172
.1100349.00008
.00417.000349
.00008
.00094.0ln
0008
.00094.0ln 0008.000008.0]1[0094
.00323.00417.0]
1[]
1[]
1[21]
1[21
21
*222]
1[*
111=⨯===⨯=
Ω
=
=-=
∆-==-=
∆∆∆-∆=∆=-=-=∆=-=-=∆
3.7塔高计算
由经验公式得塔高 H=1.2Z+H d +H b [4]=1.2×4.25+1.1+1.4=7.6m 设计时塔高为8m
3.8校核
3.8.1填料塔中几何定数的指标校核
错误！未找到引用源。

14050
.07.0==p d D 满足塔径与填料公称直径比值的推荐植 10≥p
d D
[2] 错误！未找到引用源。

填料层的高度和塔径之比
07.67
.025.4==D Z 错误！未找到引用源。

填料层高度 Z=4.25 满足Z max <6m 液体在向下流动的过程中会集中,所以将 填料层分为1层。

3.8.2喷淋密度校验
由于所选的鲍尔环直径为50mm<75mm ，所以取最小润湿速率为(L W )min =0.08 m 3/（m·h ）
[5]
查附录五[3]得： a t = 110 m 2/m 3[5] 最小喷淋密度 U min = (L W )min×a L =0.08×110=8.8 m 3/(m 2·h)[5] 液体喷淋量L h =
h m
w L
L
3572.51000
2
.5572==
ρ[4]
喷淋密度的验算U =
2785.0D L h ==⨯2
7
.0785.0572.5 14.473m 3/( m 2
·h)﹥ U min 经以上校核可知，填料塔直径选用 D=700 mm 合理
3.8.3压降的校核
图1计算填料层压降 横坐标为：
5.0)(L
V V L w w ρρ=0645.0)1000195.1(5.29872.55725.0=⨯
纵坐标为 0503
.08937.0100081.9195.1113080.12
.022.02=⨯⨯⨯⨯=L L V P g u μρϕρφ 填料层压降为 △P=400Pa
3.8.4泛点的校核
u=Vs/Ω=0.694/0.385=1.80 u/uf=1.80/3.112=0.578
4附属设备的选择
4.1填料支承装置：
支承板的作用是支承塔内的填料。

对于散装填料，通常选用孔管型或驼峰型支承装置。

设计中，为防止在填料塔支承轴装置处压降过大甚至发生液泛，要求填料支承装置的自由截面积应大于75%，防止发生液泛。

【1】本次设计我选择孔管型支承装置。

如图所示：
4.2填料压紧装置：
为防止在上升气流的作用下填料床层发生松动或跳动，需在填料层上方设置填料压紧装置，对于散装填料，可选用压紧网板，也可选用压紧栅板，在其下方，根据填料的规格敷设一层金属网，并将其于压紧栅板固定，我选择压紧网板，为防止在填料压紧装置处压降过大甚至发生液泛，要求填料压紧装置的自由截面积应大于70%。

【2】
4.3液体分布装置：
我选择管式分布器，管式分布器由不同结构形式的开孔管制成，其突出的特点是结构简单，共气体流过的自由截面大，阻力小。

它多用于中等以下液体负荷的填料塔中。

我设计的塔直径是700mm，所以用管式分布器。

【2
4.4液体再分布装置：
我选择槽盘式液体分布器。

它兼有集液、分液及分气三种的功能，结构紧凑，气体分布均匀，阻力较小，是优良的液体收集及再分布装置。

【1】
如图所示：
5设计结果列表
吸收塔类型逆流串联
填料类型瓷质鲍尔环
支承装置孔管型型支承装置
分布装置管式分布器混合气体处理量5000m3/h
物料名称含丙酮体积比4.0%
其余为氮气的混合气体操作压力，KPa 101.3
操作温度，℃25
密度，kg/m3 1.195
流量，kg/h 5572.2
塔径，mm 700
填料层高度，m 4.25 每层填料层的压力降Pa 400
操作液气比kmol/h 3.150
设计结果的讨论和说明
本设计的任务是用水吸收丙酮的填料吸收塔的设计。

在本设计中发现以下几个问题：
①要求处理量为5000m3 /h。

若采用单塔操作其处理量过大，所以考虑分塔操作。

塔过多会加大费用造成经济损失。

经过计算分为2个塔较为合理。

在未采用分层操作时，填料层高度与塔径之比过小，会使液体集中，不利于分离。

所以采用一层操作。

②若塔径与填料直径之比过小会产生壁流现象。

当气速增大时将首先在支撑装置处出现拦液现象，使塔的通量降低。

因此要通过反复计算比较以确定相关数据。

③通过设计发现用在同类填料中，尺寸越小的，分离效率越高，但它的阻力将增加，通量减小，填料费用也增加很多。

所以我选择鲍尔环填料，其综合性能优于矩鞍形和阶梯环。

【1】
致谢
本次课程设计的完成，遇到了很多问题，因为老师和同学的帮助，才得以顺利进行。

感谢老师和同学耐心的讲解和指导。

尤其是寝室同学不厌其烦的讲解使我受益匪浅。

还要感谢图书馆及互联网让我查到课本上没有的资料，使我了解设备结构，收集设计数据，完成设计任务，培养了设计能力，得到化工设计的基本锻炼。

因而本次设计才能顺利完成。

参考文献
[1] 王国胜主编.化工原理课程设计[M]. 大连:大连理工大学出版社,2005年
[2] 王志魁.《化学原理》[M].北京:化学工业出版社.2005年1月
[3] 谭天恩,麦本熙,丁惠华编.化工原理[M] .北京:化学工业出版社,1984年
[4] 姚玉英主编.化工原理(新版)[M] .天津:天津大学出版社,2001年
[5] 华南理工大学，涂伟萍，陈佩珍，程达芳.化工过程及设备设计[M].北京:化学工业出版社，2000年
[6]化学工业部五院校合编，魏崇光，郑晓梅主编.化工工程制图[M].北京:化学工业出版社，2004年。