丙酮气体吸收装置的工艺设计

塔填料的选择是填料塔设计中最重要的一环，一般要求塔填料具有较大的通量，较低的压强，较高的传质效率，同时操作弹性大，性能稳定，能满足物系的腐蚀性，污堵性，热敏性等特殊要求，填料的强度要求高，便于塔的拆装，检修，并且价格要低廉。为此填料应具有较大的比表面积，较高的空隙率，结构要敞开，死角空隙小，液体的再分布性能好，填料的类型，尺寸，材质选择恰当。一填料类型现代工业填料按形状和结构可分为规整填料和颗粒型填料两大类型。（一）颗粒型填料（乱堆填料）颗粒型填料一般为湿法或干法乱堆的散装的填料。•拉西环拉西环是应用最早的一种填料。其结构简单，价廉，可用陶瓷，钢材，硅，有色金属，塑料等多种材料制造。拉西环在塔内易产生壁流效应和内部沟流，其通量与传质效率均逊于其他颗粒填料，目前应用也日趋减少。•鲍尔环鲍尔环是在拉西环壁上加开一层或两层长方形内弯的小窗。与拉西环相比，鲍尔环由于环壁开孔，对气流的阻力较小，通量大，传质效率高，操作弹性大。可用金属，塑料，陶瓷制造，是目前应用最多的一种填料，但价格较拉西环高。•矩鞍填料矩鞍填料是在弧鞍填料基础上改进的一种敞开式填料。矩鞍填料在填料床层中相互重叠部分比弧鞍填料明显少，床层均匀，空隙率大，对气流的较拉西环小，传质效率高，多用陶瓷制作。•阶梯环阶梯环是近年开发的一种填料。填料高度为鲍尔环高度的一半，在一端环壁上开有长方形孔，环内有两层交错45°的十字形翅片，另一端为喇叭口。由于绕填料外壁流过的气体平均路径较鲍尔环短，而喇叭口又增加了填料的非对称性，使填料在床层中以点接触为主，床层均匀，空隙率大，气流阻力小，点接触利于下流液体的汇聚与分散，利于液膜的表面更新，故传质效率高，通量较鲍尔环提高10%，压强减少约25%。阶梯环可用陶瓷，塑料，金属材料制作。•金属环矩鞍金属环矩鞍填料是介于开孔环填料与矩鞍填料之间的一种新型颗粒填料。它既有类似开孔环形填料的圆形开孔和内伸舌片，又有类似矩鞍填料的侧面，使其侧壁极开放，利于气液通过，内部滞液死角极少，填料层内液体分布状况改善，壁流减少，气液阻力小，通量大，效率提高。一般来说，颗粒环形填料具有通量大的优点，但其液体的再分布性能较差，鞍形填料具有较好的液体分布性能，但通量较小，鞍环类填料则是综合环形和鞍形填料优点的综合性能优于鲍尔环和阶梯环的一种新型填料。（二）规整填料（组合填料，预制成型填料）规整填料是由于若干形状和几何尺寸相同单元组成的填料，以整砌方式装填在塔内。有波纹填料，格栅填料，绕卷填料等多种。目前工业应用最广的是波纹填料，包括波纹网和波纹板。•波纹形填料填料由平行丝网波纹片垂直排列组装而成，网片波纹方向与塔轴一般成30°或45°的倾角，相邻网片的波纹倾斜方向相反，使波纹片之间形成系列相互交错的三角形通道，相邻两盘成90°交叉放置。直径小于1500mm的塔用整体填料盘，直径大于1500mm的塔采用分块式填料，由人孔将填料块送入塔内后组装成盘。•波纹拌填料波纹板填料与波纹网填料的结构相同，可用多种金属，塑料及陶瓷板材制作，其价格较波纹网低，刚度较大。以上两类规整填料均适用于精馏，吸收，解吸等单元操作。而波纹网填料更适用于热敏性，难分离或要求高纯度产品的物系的分离，特别是高真空精馏分离。二.填料尺寸颗粒填料尺寸直接影响塔的操作和设备投资。一般同类型填料随尺寸减少分离效率提高，但填料层对气流的阻力增加，通量减少，对具一定生产能力的塔，填料的投资费用将增加；而较大尺寸的填料用于小直径塔中，将产生气液分布不良，气流短路和严重的液体壁流等问题，降低塔的分离效率。实践证明，塔径与填料外径尺寸之比值有一个下限值，若径比低于此下限值时，塔壁附近的填料层空隙率大而不均匀，气流易走短路，液体壁流剧增。各种填料的径比（D/d）下限为：拉西环20~30（最小不低于8~10）鲍尔环10~15（最小不低于8）鞍形填料15（最小不低于8）对一定塔径而言，满足径比下限的填料可能有几种尺寸，需根据填料性能及经济因素选定。一般推荐，当塔径D≤300mm时，选用25mm的填料；300mm≤D≤900mm时，选用25~38的填料；D≥900mm时，选用50~76mm的填料。三.填料的材质填料材质应根据物料的腐蚀性，材料的耐蚀性，操作温度并综合填料性能及经济因素选用。常用的为金属，陶瓷和塑料等材质。主要金属材质有碳钢，1Cr18Ni9Ti不锈钢，铝和铝合金，低碳合金钢等。塑料材质主要有聚乙烯，聚丙烯，聚氯乙烯及其增强塑料和其他工程塑料等。塑料填料耐蚀性能好，质量轻，价格适中，但耐温性及润湿性较差，故多用于操作温度较低的吸收，水洗等装置。瓷质填料耐蚀性强，一般陶瓷能耐除氢氟酸以外的各种无机酸，有机酸及各种有机溶剂的腐蚀；对强碱介质可采用耐碱瓷质填料，其价格便宜但质脆易碎。一般操作温度较高而物系无显著腐蚀性时，可选用金属环矩鞍或金属鲍尔环等填料；若温度较低时可选用塑料鲍尔环，塑料阶梯环填料；若物系具有腐蚀性，操作温度较高时，则宜采用陶瓷矩鞍填料。气液平衡数据(一)亨利系数E对溶解度小的难溶气体,或低浓度(10%)的气体混合物,吸收液相为稀溶液时,气液平衡关系可用亨利定律表达.p﹡=Ex(式1)•若干气体水溶液的亨利系数参见化学工程手册及其他化工手册,化工原理教材.•某些有机液体蒸汽溶于水,在低浓度范围内平衡关系符合亨利定律,其亨利常数E可由下列经验式计算:丙酮蒸汽(x0.01,t=15~45℃)logE=9.171-[2040/(t+273)](式2)甲醇蒸汽(x0.10,t=10~50℃)logE=7.484-[1550/(t+273)](式3)乙醇蒸汽(x0.01,t=20~80℃)logE=9.586-[2390/(t+273)](式4)(二)溶解度数据一般的溶解度数据参见化工手册或化工原理教材.(三)碳氢化合物的平衡常数碳氢化合物在油中的溶解度,可用下面的平衡关系表达:y=kx(式5)根据一定温度下的气液平衡数据,即可在x-y或X-Y坐标图上作出等温吸收过程的气液平衡线.•非等温吸收气液平衡线的确定若吸收过程中产生的热效应较大,对气液平衡关系和吸收速度产生明显影响时,即为非等温吸收.在逆流吸收塔中,随液相浓度x自塔顶向塔底增浓,吸收温度随之升高,气液平衡关系相应改变.确定非等温吸收气液平衡线常用的近似方法是,将全塔浓度变化范围分成若干小区段,每个小区段的液相浓度变化为△x.若假定溶质气体溶解于吸收剂所释出的全部热量都被液体吸收,忽略气相温度的变化及其他热损失,则第n段的热量衡算式可写为:LCL(tn-tn-1)=LHd均(xn-xn-1)tn=tn-1+Hd均/CL(xn-xn-1)(式6)因塔顶的液相组成x2,温度t2为已知,相应的气液平衡浓度可查知,根据式6可逐段计算每一液相浓度xn下的温度tn,从而求得与xn相对应的气相浓度yn﹡,直到xn=x1,tn=t1,yn=yn﹡,即可由各对应的x-y﹡值作出非等温吸收平衡曲线.关于各物系的溶解热数据可参阅有关化工手册.物料衡算与操作线方程•物料衡算逆流吸收塔，以惰性气体和吸收剂为基准，物料衡算式为：G=VB（Y1-Y2）=LS（X1-X2）（式1）（二）操作线方程Y=（式2）式2标绘在X-Y坐标图上即为吸收操作线，该线的斜率为（），通过（X1，Y1）与（X2，Y2）两点。•最小吸收剂用量与吸收剂用量•最小吸收剂用量（式3）若气液两相浓度很低，平衡关系符合亨利定律，也可用下式计算：（式4）若气液平衡线为是上凸形，则式3中的X1*应换为操作线与平衡线切点处，与切点气相组成Ye相平衡的液相组成Xe*，（比摩尔分率）。•吸收剂用量LS吸收剂的用量直接影响吸收塔的尺寸，塔底液相浓度及操作费用，故应从设备费，操作费及工艺要求权衡决定。一般经验数据LS=（1.1~2.0）LS，min•塔径计算填料塔直径依混合气体处理量及所选适宜气速按下式计算：D=（式5）•泛点气速uF的计算填料塔的泛点气速与气液流量，物系性质及填料类型，尺寸等因素有关，其计算方法很多，目前工程计算常采用Eckert通用压强关联图或Bain及Hougen关联式计算泛点气速uF。•通用压强关联图根据气液相流量及密度算出横坐标值。其垂线与乱堆填料的泛点线相交，读取交点的纵坐标值，由已知参数从纵标式中解出气速即为液泛气速uF。•Bain及Hougen关联式（式6）表1Bain及Hougen关联式中常数值填料种类拉西环瓷弧鞍瓷矩鞍鲍尔环阶梯环瓷金属塑料金属瓷塑料金属常数A值0.0220.260.1760.06230.09420.1000.02940.2040.106•安全因数一般工业装置常用填料的安全因数值如下所示。填料安全因数%拉西环60~80矩鞍及鲍尔环填料60~85对有起泡倾向的物系，安全因数可取45~55%。也可根据生产条件，由可容许的压力降反算出可采用的气速。•填料塔一般操作气速范围吸收系统操作气速，m/s气体溶解度很大的吸收过程气体溶解度中等或稍小的吸收过程气体溶解度低的吸收过程纯碱溶液吸收二氧化碳过程一般除尘1~3.01.5~2.00.3~0.81.5~2.01.8~2.8根据上述方法计算的塔径若不是整数时，应按压力容器公称直径标准进行圆整，圆整的方法与板式塔相同。•填料塔喷淋密度的校核吸收剂用量及塔径确定后，还应校核液体的喷淋密度，即单位时间内每m2塔截面上的吸收剂量m3/（m2·h）或kg/（m2·h）。为使填料表面充分润湿，应保证喷淋密度高于最小喷淋密度L喷min，m3/（m2·h）。一般最小喷淋密度L喷min可取为5~12m3/（m2·h）。Morris和Jackson推荐采用最小润湿速率（MWR）值：对直径不超过75mm的环形填料及板间不超过50mm的栅板填料，可取为0.08m3/（m·h）；对超过上述尺寸的填料，可取为0.12m3/（m·h）。最小润湿率是单位填料层周边长度上液体的体积流速。由于普通填料单位填料层的周边长度在数值上可视为等于单位体积填料层的表面积（即填料的比表面积at，m2/m3），故：MWR==（MWR）（式7）实际操作喷淋密度应大于最小喷淋密度。但当处理大量浓度很低或易溶气体时，可能产生吸收剂用量不足以使填料充分润湿的情况，影响吸收效率。此情况可采取以下措施：•在工艺条件许可范围内，适当加大吸收剂用量。•适当加高填料层以作补偿。•在许可范围内调整塔径。•采用液体部分再循环方式加大喷淋密度（但应注意推动力由此而降低的程度）。•填料层的压降填料层的压降可分为干填料层压降和有喷淋情况的压降。干填料层的压降可视为气流通过多孔层的阻力，湍流时压降基本上与气速的平方成正比。有喷淋时，填料表面覆有液膜，其空隙率，比表面，流体力学状况均随气液流速的改变而发生变化，情况远较干填料层复杂。填料层压降的计算方法有多种，此处主要介绍Eckert的压降通过关联图方法（见图4）。该图中除液泛线外，还有许多等压降线。由已知的参数（气液负荷，物性）及所用填料的压降填料因子（代替填料因子），计算出该图的纵坐标与横坐标值，查图读得相应压降曲线值，即为气流通过每米填料层的压降。表3压降填料因子填料尺寸，mm1625385076填料类型金属鲍尔环金属环矩鞍金属阶梯环塑料鲍尔环塑料阶梯环瓷质矩鞍瓷质拉西环306343700105013823217621557611493.4118114116140450987182米125井110891602883662注：米为米字型塑料鲍尔环；井为井字型塑料鲍尔环。表3所列压降填料因子适用于，误差一般为。压降关联图是较通用的方法，其表达填料的泛点速度和压降简便实用，计算结果能满足工程实用要求，且可通过填料因子值的大小定量比较不同填料塔的流体力学性能。由于填料塔（特别是乱堆填料）的特性数据为宏观统计值，而填料层的压降与填料的装填方式，塔径大小，使用时间长短及操作状况等均有关，设计时应予注意。填料层高度计算填料层高度的计算需联解物料衡算，传质速率和相平衡三种关系。其解法有传质单元数法，等板高度法。•传质单元数法吸收过程常用传质单元数法求解填料层高