化工原理课程设计填料塔

目录
第1章概述 (3)
1.1吸收技术概况 (3)
1.2吸收设备的发展 (3)
1.3吸收在工业生产中的应用 (4)
1.4丙酮的性质 (5)
第2章方案比选 (7)
2.1方案选择与对比 (7)
2.2吸收剂的比选 (8)
2.3填料的作用以及选择 (9)
2.4操作参数的选择 (12)
2.5流向选择 (12)
2.6吸收剂再生方法的选择 (12)
2.7操作参数的选择 (13)
第3章吸收塔的工艺计算 (14)
3.1基础物性数据 (14)
3.1.1 气液相物性数据 (14)
3.1.2物料计算 (14)
3.2塔径计算 (15)
3.3填料层高度确定 (18)
3.3.1. 传质单元数计算 (18)
3.3.2 传质单元高度计算 (18)
3.3.3填料层高度的计算 (20)
第四章塔的结构设计 (21)
4.1筒体的设计 (21)
4.2封头设计 (21)
4.3除沫器设计 (21)
4.4液体进料管的设计 (22)
4.5液体出料管的设计 (22)
4.6气体进料管的设计 (22)
4.7气体出料管的设计 (23)
4.8填料支撑板设计 (23)
4.9填料压板 (23)
4.10体分布装置 (23)
4.11再分布器 (24)
4.12气体入塔分布器 (24)
4.13法兰的设计 (25)
4.14手孔的设计 (25)
4.15吸收塔支座的设计 (25)
4.16泵的选择 (26)
4.17吸收塔高度的计算 (26)
填料吸收塔主要尺寸 (27)
课程设计心得 (28)
参考文献 (29)
第1章概述
1.1吸收技术概况
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，其基本原理是利用气体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。

在化工生产中，原料气的净化，气体产品的精制，治理有害气体保护环境等方面得到了广泛的应用。

在研究和开发吸收过程中，在方法上多从吸收过程的传质速率着手，希望在整个设备中，气液两相为连续微分接触过程，这一特点则与填料塔得到了较好的结合。

由于填料塔的通量大，阻力小，使得其在某些处理量大要求压降小的分离过程中备受亲睐。

尤其今年高效填料塔的开发，使得填料塔在分离过程中占据了重要的地位。

丙酮是一种重要的基本有机化工原料，它是制造丙酮氰醇，双酚A等化工产品的原料，也用于制造维生素C，此外还作为溶剂广泛用于醋酸纤维素胶片、塑料、涂料、医药及炼油等工业部门。

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，因而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；
（5）编写工艺设计说明书。

吸收剂将混合气体中溶质组分吸收后所得到的溶液是混合溶液,在生产中常需要使溶质从吸收后的溶液中重新释放出来,实现最终分离,而液相的吸收剂又可得以再生重新使用。

这种使溶质组分从溶液中脱出的过程称为解吸,是吸收的逆过程,也是一种通过相际间传质而实现物质分离的单元操作。

在化工生产中,吸收和解吸是常用的联合操作,共同构成了一个完整的工艺流程。

1.2吸收设备的发展
吸收设备是化工、石油化工、生物化工等生产过程中广泛采用的气液传质设备。

根据塔内气液接触构件的结构形式，可氛围板式塔和填料塔两大类。

过去由于填料本体及塔内构件的不完善，填料塔大多局限于处理腐蚀性介质或不适宜安装塔板的小直径塔。

近年来由于填料结构的改进，新型的高效、高负荷填料的开发，既提高了塔的通过能力和分离效能，又保持了压力降小的特点，因此填料塔已被推广到所有大型气液操作中。

在某些场合，还代替了传统的板式塔。

随着对填料塔的研究和开发，性能优良的填料塔已大量地用于工业生产中。

由于填料塔通量大，阻力小，压降低，填料易用耐腐蚀材料制造，结构简单，效率高，有利于过程节能。

所以对于吸收过程来说，以采用填料塔居多。

填料塔约有100年的发展史，1914年拉西环的出现使填料塔进入了科学发展的轨道，至50年代取得了很大的发展，但由于填料塔的“放大效应”，50年代后填料塔进入了缓慢发展时期，而板式塔应运而生。

70年代由于世界性的能源危机后，为了节能，填料塔得到了蓬勃发展，规整填料的出现和塔内件的改进使“放大效应”问题基本解决。

填料塔的特点：
1．生产能力大
2．分离效率高
3．压力降小
4．操作弹性大
5 . 持液量小
对于吸收过程，能够完成分离任务的塔设备有多种，如何从众多的塔设备中选择合适类型是进行工艺设计的首要任务。

而进行这一项工作则需对吸收过程进行充分的研究后，并经多方面对比方能得到满意的结果。

一般而言，吸收用塔设备与精馏过程所需要的塔设备具有相同的原则要求，用较小直径的塔设备完成规定的处理量，塔板或填料层阻力要小，具有良好的传质性能，具有合适的操作弹性，结构简单，造价低，便于安装、操作和维修等。

但是吸收过程，一般具有液气比大的特点，因而更适用填料塔。

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，以采用填料塔居多。

近年来随着化工产业的发展，大规模的吸收设备已经广泛用于实际生产当中。

具有了很高的吸收效率，以及在节能方面也日趋完善。

填料塔的工艺设计内容是在明确了装置的处理量，操作温度及操作压力及相应的相平衡关系的条件下，完成填料塔的工艺尺寸及其他塔内件设计。

在今后的化学工业的生产中，对吸收设备的要求及效率将会有更高的要求，所以日益完善的吸收设备会逐渐应用于实际的工业生产中。

1.3吸收在工业生产中的应用
气体吸收在化工生产中的应用大致有以下几种。

(1) 净化或精制气体。

混合气的净化或精制常采用吸收的方法。

如在合成氨工艺中，采用碳酸丙烯酯(或碳酸钾水溶液)脱除合成气中的二氧化碳等。

(2) 制取某种气体的液态产品。

气体的液态产品的制取常采用吸收的方法。

如用水吸收氯化氢气体制取盐酸等。

(3) 回收混合气体中所需的组分。

回收混合气体中的某组分通常亦采用吸收的方法。

如用洗油处理焦炉气以回收其中的芳烃等。

(4) 工业废气的治理。

在工业生产所排放的废气中常含有少量的SO
2、H
2
S、
HF等有害气体成分，若直接排入大气，则对环境造成污染。

因此，在排放之前必须加以治理，工业生产中通常采用吸收的方法，选用碱性吸收剂除去这些有害的酸性气体。

1.4丙酮的性质
（1）物理性质
无色液体，具有令人愉快的气味（辛辣甜味）。

易挥发。

能与水、乙醇、N,N-二甲基甲酰胺、氯仿、乙醚及大多数油类混溶。

相对密度 (d25)0.7845。

熔点-94.7℃。

沸点56.05℃。

折光率 (n20D)1.3588。

闪点-20℃。

易燃。

半数致死量（大鼠，经口）10.7ml/kg。

有刺激性。

（2）化学性质
丙酮是脂肪族酮类具有代表性的的化合物，具有酮类的典型反应。

例如：与亚硫酸氢钠形成无色结晶的加成物。

与氰化氢反应生成丙酮氰醇。

在还原剂的作用下生成异丙酮与频哪醇。

丙酮对氧化剂比较稳定。

在室温下不会被硝酸氧化。

用碱性高锰酸钾或铬酸钾等强氧化剂做氧化剂时，生成乙酸、甲酸、二氧化碳和水。

在碱存在下发生双分子缩合，生成双丙酮醇。

2mol丙酮在各种酸性催化剂（盐酸，氯化锌或硫酸）存在下生成亚异丙基丙酮，再与1mol丙酮加成，生成佛尔酮（二亚异丙基丙酮）。

3mol丙酮在浓硫酸作用下，脱3mol水生成1，3，5-三甲苯。

在石灰。

醇钠或氨基钠存在下，缩合生成异佛尔酮（3，5，5-三甲基-2-环己烯-1-酮）。

在酸或碱存在下，与醛或酮发生缩合反应，生成酮醇、不饱和酮及树脂状物质。

与苯酚在酸性条件下，缩合成双酚-A。

丙酮的α-氢原子容易被卤素取代，生成α-卤代丙酮。

与次卤酸钠或卤素的碱溶液作用生成卤仿。

丙酮与Grignard 试剂发生加成作用，加成产物水解得到叔醇。

丙酮与氨及其衍生物如羟氨、肼、苯肼等也能发生缩合反应。

此外，丙酮在500~1000℃时发生裂解，生成乙烯酮。

在170~260℃通过硅-铝催化剂，生成异丁烯和乙醛；300~350℃时生成异丁烯和乙酸等。

（3）作用和用途
丙酮是重要的有机合成原料，用于生产环氧树脂，聚碳酸酯，有机玻璃，
医药，农药等。

亦是良好溶剂，用于涂料、黏结剂、钢瓶乙炔等。

也用作稀释剂，清洗剂，萃取剂。

还是制造醋酐、双丙酮醇、氯仿、碘仿、环氧树脂、聚异戊二烯橡胶、甲基丙烯酸甲酯等的重要原料。

在无烟火药、赛璐珞、醋酸纤维、喷漆等工业中用作溶剂。

在油脂等工业中用作提取剂。

（4）危害
健康危害：急性中毒主要表现为对中枢神经系统的麻醉作用，出现乏力、恶心、头痛、头晕、易激动。

重者发生呕吐、气急、痉挛，甚至昏迷。

对眼、鼻、喉有刺激性。

口服后，先有口唇、咽喉有烧灼感，后出现口干、呕吐、昏迷、酸中毒和酮症。

慢性影响：长期接触该品出现眩晕、灼烧感、咽炎、支气管炎、乏力、易激动等。

皮肤长期反复接触可致皮炎。

燃爆危险：该品极度易燃，具刺激性。

因此，合理处理空气中的丙酮不但有利于对环境的保护，而且能使杂质丙酮回收加以利用或转为部分经济利益。

第2章方案比选
2.1 方案选择与对比
对于许多逆流气液接触过程，填料塔和板式塔都可以适用。

因此必须根据情况进行选用。

填料塔和板式塔有许多不同点，因此要了解这些不同点来合理决定塔的选用。

(1)具有良好的操作稳定性
这是保证正常生产的先决条件。

一个性能良好的塔设备，首先要保证塔设备在连续生产中的稳定操作，具有一定的操作弹性。

在允许的工艺波动范围内，设备本身的操作弹性必须大于等于生产中可能产生的工艺波动率。

(2)具有较高的生产效率和良好的产品质量
该项是设备设计制造核心。

没有良好的产品质量，说明该设备不能胜任其相应的工艺操作。

当然，仅有较高的产品质量，而没有较高的生产率也是不可取的。

一个好的设计应使两者兼顾，在保证产品质量的前提下，尽可能提高产品生产效率。

(3)结构简单，制造费用低
塔设备在能保证满足相应的要求的前提下，尽量采用简单的结构，降低设备材料、加工制作和日常维护的费用。

设备尽可能采用通用材料，特殊场合如遇到盐酸、加氢反应、高温高压等比较苛刻的条件下，也应尽可能采用复合材料，以便降低塔设备的制造成本。

(4)塔设备的寿命、质量与运行安全
化工设备一般要求其使用寿命在10年以上。

在设计时，要能考虑选用材料的成本、设备的运行安全、制造质量和其一次性投资等之间的关系，不要一味追求高寿命，并应注意塔设备在运行使用中的安全性和操作的方便性，不能出现任何在操作中可能导致操作失误的结构和部件。

本设计采用填料塔，填料塔结构简单，生产能力大，分离效率高，持液量小，操作弹性大。

2.2 吸收剂的比选
当吸收是为了制取某种溶液产品时，只能用某种特定的吸收剂，如由氯化氢制造盐酸，只能用水作吸收剂。

当吸收是为了对气体混合物作组分分离时，吸收剂的合理选择，对吸收操作的成功与否有重大影响。

优良吸收剂的性能包括：
①溶质在其中有较高的溶解度，因而有较大的过程推动力，并可减少吸
收剂的用量；
②易于再生，便于循环使用；
③有较高的选择性，以取得较高纯度的解吸气；
④不易挥发,以减少损耗；
⑤粘度较低,不易起泡，以保证两相在塔内接触良好；
⑥化学性质稳定，以免在使用过程中降解变质;
⑦价廉易得,使用安全（无毒、不易燃烧等）。

由于该处理项目中，要去除杂质丙酮。

丙酮在水中的溶解度比较大，而且容易获取，价格低廉，吸收效果好。

虽然丙酮易溶于有机溶剂，但有机溶剂容易挥发，造成大气污染，成本也高。

所以，在清水与有机溶剂两者比较中，本课程设计选用清水作为吸收剂。

2.3填料的作用以及选择
填料的作用：
填料泛指被填充于其他物体中的物料。

在化学工程中，填料指装于填充塔内的惰性固体物料，例如鲍尔环和拉西环等，其作用是增大气-液的接触面，使其相互强烈混合。

近年来，由于填料结构的改进，新型的高效，高负荷填料的开发，不但提高了塔的通过能力以及分离效率，又保持了压力降以及性能稳定的特点，因此填料已经被推广到许多大型气液操作中。

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：
①传质效率
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算的表示方法，以每个传质单元相当的填料层高度的表示，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)值较低的填料。

②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，塔的处理能力亦越大。

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，应选择具有较高的泛点气速或气相动能因子的填料。

③填料层的压降
填料层的压降是填料的主要应用性能，填料层的压降愈低，动力消耗越低，操作费用愈小，选择低压降的填料对热敏性物系的分离尤为重要。

比较填料的压
降有两种方法，一是比较填料层单位高度的压降ΔP/Z，另一是比较填料层单位传质效率的比压降ΔP/N
T。

④填料的操作性能
填料的操作性能主要是指操作弹性、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，同时还应具有一定的抗污堵、抗热敏能力，以适应物料的变化及塔内温度的变化。

此外，所选的填料要便于安装、拆卸和检修
（3）填料规格的选择
通常，散装填料与规整填料的规格表示方法不同，选择的方法亦不尽相同。

①散装填料规格的选择
散装填料的规格通常是指填料的公称直径。

工业塔常用的散装填料主要有
DN16，D
N 25,D
N
38,D
N
50,D
N
76等几种规格。

同类填料，尺寸越小，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规定，常用填料的塔径与填料公称直径比值D/d的推荐值列于表2-2。

塔径与填料公称直径的比值D/d的推荐值
填料种类 D/d推荐值
拉西环 D/d≥20~30
鞍环 D/d≥15
鲍尔环 D/d≥10~15
阶梯环 D/d＞8
环矩鞍 D/d＞8
②规整填料规格的选择
工业上常用规整填料的型号和规格的表示方法有很多，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，其比表面积越大，传质效率越高，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。

（4）填料材质的选择
工业上，填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。

①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常见的各种无机酸、有机酸的腐蚀，对强碱介质，可以选用耐碱配方制造的耐碱陶瓷填料。

陶瓷填料因其质脆、易碎，不宜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。

②金属填料
金属填料可用多种材料制成，金属材料的选择主要根据物质的腐蚀性和金属材质的耐腐蚀性来综合考虑。

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；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、特种合金钢等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（0.2～1.0 mm ），与同种类型、同种规格的陶瓷、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。

③塑料填料
塑料填料的材质主要包括聚丙烯、聚乙烯及聚氯乙烯等，国内一般多采用聚丙烯材料。

塑料材料的耐腐蚀性能良好，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。

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，在某些特殊应用场合需要对其表面进行处理，以提高表面润湿性能。

填料材质评估表
选用填料时要注意以下几点要求
1. 单位体积填料的表面积要大，而且填料表面要容易被液体润湿
2. 填料的孔隙率需大，对气体阻力小
3. 填料单位体积价格低
4. 填料应该具有化学稳定性，不被气体或者液体所腐蚀
5. 填料的重度需小，机械强度需大。

根据综合考虑，本设计选用50mm X 50mm X1mm 的拉西环钢制乱堆，其具体参数性质如下：
a=11032m /m ； 空隙率Y=0.9533m /m ； 填料分类：
填料可分为乱堆填料和规整填料，由于该设计处理量不大，造价要经济，因此运用乱堆填料。

2.4 操作参数的选择
操作温度的选择
对于物理吸收而言,降低操作温度,对吸收有利。

但低于环境温度的操作温度因其要消耗大量的制冷动力而一般是不可取的,所以一般情况下,取常温吸收较为有利。

对于特殊条件的吸收操作必须采用低于环境的温度操作。

对于化学吸收,操作温度应根据化学反应的性质而定,既要考虑温度对化学反应速度常数的影响,也要考虑对化学平衡的影响,使吸收反应具有适宜的反应速度。

对于再生操作,较高的操作温度可以降低溶质的溶解度,因而有利于吸收剂的再生。

操作压力的选择
对于物理吸收,加压操作一方面有利于提高吸收过程的传质推动力而提高过程的传质速率,另一方面,也可以减小气体的体积流率,减小吸收塔径。

所以操作十分有利。

但工程上,专门为吸收操作而为气体加压,从过程的经济性角度看是不合理的,因而若在前一道工序的压力参数下可以进行吸收操作的情况下,一般是以前道工序的压力作为吸收单元的操作压力。

对于化学吸收,若过程由质量传递过程控制,则提高操作压力有利,若为化学反应过程控制,则操作压力对过程的影响不大,可以完全根据前后工序的压力参数确定吸收操作压力,但加大吸收压力依然可以减小气相的体积流率,对减小塔径仍然是有利的。

对于减压再生(闪蒸)操作,其操作压力应以吸收剂的再生要求而定,逐次或一次从吸收压力减至再生操作压力,逐次闪蒸的再生效果一般要优于一次闪蒸效果。

2.5 流向选择
在两相进出口摩尔分数相同情况下，逆流时的对数平均推动力必大于并流，因此就吸收过程本身而言，逆流优于并流。

但是，就吸收设备而言，逆流操作时流体的下流容易受到上升气体的作用力。

这种曳力过大时会妨碍液体顺利流下，因而限制了吸收塔所允许的流体流率以及气体流率，这是逆流的缺点。

在特殊情况下，例如相平衡线斜率极小时，逆流并无大优点，才考虑用并流。

为使过程具有最大的推动力，一般吸收操作采用逆流吸收，本次课程设计采用了逆流吸收操作。

2.6吸收剂再生方法的选择
依据所用的吸收剂的不同可以采用不同的再生方法，工业上常用的吸收剂再生方法主要有减压再生，加热再生及气提再生等。

(1)减压再生（闪蒸）
吸收剂的减压再生是最简单的吸收剂再生方法之一。

在吸收塔内，吸收了大量溶质后的吸收剂进入再生塔并减压，使得溶于吸收剂中的溶质得以再生。

该方法最适用于加压吸收，而且吸收后的后续工艺处于常压或较低压力的条件，如吸收操作处于常压条件下进行，若采用减压再生，那么解吸操作需在真空条件下进行，则过程可能不够经济。

(2)加热再生
加热再生也是吸收剂再生最常用的方法。

吸收了大量溶质后的吸收剂进入再生塔内并加热使其升温，溶入吸收剂中的溶质得以解吸。

由于再生温度必须高于解吸温度，因而，该方法最适用于常温吸收或在接近于于常温的吸收操作，否则，若吸收温度较高，则再生温度必然更高，从而，需要消耗更高的能量。

一般采用水蒸汽作为加热介质，加热方法可以依据具体情况采用直接蒸汽加热或采用间接蒸汽加热。

(3)气提再生
气提再生是在再生塔的底部通入惰性气体，使吸收剂表面溶质的分压降低，使吸收剂得以再生。

常用气提气体是空气和水蒸气。

本设计采用加热再生的方法再生吸收剂。

2.7操作参数的选择
操作温度的选择
对于物理吸收而言,降低操作温度,对吸收有利。

但低于环境温度的操作温度因其要消耗大量的制冷动力而一般是不可取的,所以一般情况下,取常温吸收较为有利。

对于特殊条件的吸收操作必须采用低于环境的温度操作。

对于化学吸收,操作温度应根据化学反应的性质而定,既要考虑温度对化学反应速度常数的影响,也要考虑对化学平衡的影响,使吸收反应具有适宜的反应速度。

对于再生操作,较高的操作温度可以降低溶质的溶解度,因而有利于吸收剂的再生。

操作压力的选择
对于物理吸收,加压操作一方面有利于提高吸收过程的传质推动力而提高过程的传质速率,另一方面,也可以减小气体的体积流率,减小吸收塔径。

所以操作十分有利。

但工程上,专门为吸收操作而为气体加压,从过程的经济性角度看是不合理的,因而若在前一道工序的压力参数下可以进行吸收操作的情况下,一般是以前道工序的压力作为吸收单元的操作压力。

对于化学吸收,若过程由质量传递过程控制,则提高操作压力有利,若为化学反应过程控制,则操作压力对过程的影响不大,可以完全根据前后工序的压力参数确定吸收操作压力,但加大吸收压力。