【文章內(nèi)容簡介】 實(shí)體主體結(jié)構(gòu)示意圖如下： 吉林化工學(xué)院 化工原理課程 10 圖 22 吸收塔設(shè)備及填料的選擇 吸收塔設(shè)備的選擇 對于吸收過程，能夠完成其分離任務(wù)的塔設(shè)備有多種，如何從眾多的塔設(shè)備中選擇合適的類型是進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)得首要工作。而進(jìn)行這一項(xiàng)工作則需對吸收過程進(jìn)行充分的研究吉林化工學(xué)院 化工原理課程 11 后，并經(jīng)多方案對比方能得到較滿意的結(jié)果。一般而言，吸收用塔設(shè)備與精餾過程所需要的塔設(shè)備具有相同的原則要求，即用較小直徑的塔設(shè)備完成規(guī)定的處理量，塔板或填料層阻力要小，具有良好的傳質(zhì)性能，具有合適的操作彈性，結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低，易于制造、安裝、操作和維修等。 在液體流率很低難以充分潤濕填料，或塔徑過大，使用填料塔不很經(jīng)濟(jì)的情況下，以采用板式塔為宜。但作為吸收過程，一般具有操作液氣比大的特點(diǎn)，因而更適用于填料塔。此外，填料塔阻力小，效率高，有利于過程節(jié)能，所以對于吸收過程來說，以采用填料塔居多。 本次吸收塔設(shè)計(jì)選擇填料吸收塔 ]2[ 。 填料的選擇 塔填料是填料塔中的氣液相間傳質(zhì)組件，是填料塔的核心部分。其種類繁多，性能上各有差異。 圖 23 吉林化工學(xué)院 化工原理課程 12 目前散堆填料主要有環(huán)形填料、鞍形填料、環(huán)鞍形填料及球形填料。所用的材質(zhì)有陶瓷、塑料、石墨、玻璃及金屬等 （ 1）拉西環(huán)填料拉西環(huán)填料于 1914 年由拉西（ F. Rashching）發(fā)明，為外徑與高度相等的圓環(huán)，如圖片拉西環(huán)所示。拉西環(huán)填料的氣液分布較差，傳質(zhì)效率低，阻力大，通量小，目前工業(yè)上已較少應(yīng)用。 （ 2） 鮑爾環(huán)填料如圖片鮑耳環(huán)所示，鮑爾環(huán)是對拉西環(huán)的改進(jìn)，在拉西環(huán)的側(cè)壁上開出兩排長方形的窗孔，被切開的環(huán)壁的一側(cè)仍與壁面相連 ，另一側(cè)向環(huán)內(nèi)彎曲，形成內(nèi)伸的舌葉，諸舌葉的側(cè)邊在環(huán)中心相搭。鮑爾環(huán)由于環(huán)壁開孔，大大提高了環(huán)內(nèi)空間及環(huán)內(nèi)表面的利用率，氣流阻力小，液體分布均勻。與拉西環(huán)相比，鮑爾環(huán)的氣體通量可增加 50%以上，傳質(zhì)效率提高 30%左右。鮑爾環(huán)是一種應(yīng)用較廣的填料。 （ 3） 階梯環(huán) (Stairs wreath)填料如圖片階梯環(huán)所示，填料的階梯環(huán)結(jié)構(gòu)與鮑爾環(huán)填料相似，環(huán)壁上開有長方形小孔，環(huán)內(nèi)有兩層交錯(cuò) 45176。的十字形葉片，環(huán)的高度為直徑的一半，環(huán)的一端成喇叭口形狀的翻邊。這樣的結(jié)構(gòu)使得階梯環(huán)填料的性能在鮑爾環(huán)的基礎(chǔ)上又有提高， 其生產(chǎn)能力可提高約 10%，壓降則可降低 25%，且由于填料間呈多點(diǎn)接觸，床層均勻，較好地避免了溝流現(xiàn)象。階梯環(huán)一般由塑料和金屬制成，由于其性能優(yōu)于其它側(cè)壁上開孔的填料，因此獲得廣泛的應(yīng)用。 （ 4） 矩鞍填料如圖片矩鞍填料所示，將弧鞍填料兩端的弧形面改為矩形面，且兩面大小不等，即成為矩鞍填料。矩鞍填料堆積時(shí)不會(huì)套疊，液體分布較均勻。矩鞍填料一般采用瓷質(zhì)材料制成，其性能優(yōu)于拉西環(huán)。目前，國內(nèi)絕大多數(shù)應(yīng)用瓷拉西環(huán)的場合，均已被瓷矩鞍填料所取代。 （ 5） 金屬環(huán)矩鞍填料如圖片金屬換環(huán)聚鞍填料所示，環(huán)矩鞍填料（國外稱為 Intalox）是兼顧環(huán)形和鞍形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而設(shè)計(jì)出的一種新型填料，該填料一般以金屬材質(zhì)制成，故又稱為金屬環(huán)矩鞍填料。環(huán)矩鞍填料將環(huán)形填料和鞍形填料兩者的優(yōu)點(diǎn)集于一體，其綜合性能優(yōu)于鮑爾環(huán)和階梯環(huán)，在散裝填料中應(yīng)用較多。 2．規(guī)整填料 規(guī)整填料是由許多相同尺寸和形狀的材料組成的填料單元，以整砌的方式裝填在塔體中。規(guī)整填料主要包括板波紋填料、絲網(wǎng)波紋填料、格利希格柵、脈沖填料等，其中尤以板波紋填料和絲網(wǎng)波紋填料所用材料主要有金屬絲網(wǎng)和塑料絲網(wǎng)。 （ 1） 格柵填料 (Space grid filler)是以條狀單元體 經(jīng)一定規(guī)則組合而成的，具有多種結(jié)構(gòu)形式。工業(yè)上應(yīng)用最早的格柵填料為如圖片 312（ a）所示的木格柵填料。目前應(yīng)用較為普遍的有格里奇格柵填料、網(wǎng)孔格柵填料、蜂窩格柵填料等，其中以圖片 312（ b）所示的格里奇格柵填料最具代表性。格柵填料的比表面積較低，主要用于要求壓降小、負(fù)荷大及防堵等場合。 （ 2） 波紋填料 (Ripples filler)目前工業(yè)上應(yīng)用的規(guī)整填料絕大部分為波紋填料，它是由許多波紋薄板組成的圓盤狀填料，波紋與塔軸的傾角有 30176。和 45176。兩種，組裝時(shí)相鄰兩波紋板反向靠疊。各盤填料垂直裝于塔內(nèi)，相鄰的 兩盤填料間交錯(cuò) 90176。排列。波紋填料按結(jié)構(gòu)可分為網(wǎng)波紋填料和板波紋填料兩大類，其材質(zhì)又有金屬、塑料和陶瓷等之分。金屬絲網(wǎng)波紋填料是網(wǎng)波紋填料的主要形式，它是由金屬絲網(wǎng)制成的。金屬絲網(wǎng)波紋填料吉林化工學(xué)院 化工原理課程 13 的壓降低，分離效率很高，特別適用于精密精餾及真空精餾裝置，為難分離物系、熱敏性物系的精餾提供了有效的手段。盡管其造價(jià)高，但因其性能優(yōu)良仍得到了廣泛的應(yīng)用。 （ d）所示，金屬板波紋填料是板波紋填料的一種主要形式。該填料的波紋板片上沖壓有許多 f5mm 左右的小孔，可起到粗分配板片上的液體、加強(qiáng)橫向混合的作用。波紋板片上軋成細(xì)小溝 紋，可起到細(xì)分配板片上的液體、增強(qiáng)表面潤濕性能的作用。金屬孔板波紋填料強(qiáng)度高，耐腐蝕性強(qiáng)，特別適用于大直徑塔及氣液負(fù)荷較大的場合。 （ 3） 金屬壓延孔板波紋填料 (The metals presses to postpone the bore plank ripples filler)是另一種有代表性的板波紋填料。它與金屬孔板波紋填料的主要區(qū)別在于板片表面不是沖壓孔，而是刺孔，用輾軋方式在板片上輾出很密的孔徑為 ～ 小刺孔。其分離能力類似于網(wǎng)波紋填料，但抗堵能力比網(wǎng)波紋填料強(qiáng)，并且價(jià)格便宜，應(yīng)用較為 廣泛。波紋填料的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，阻力小，傳質(zhì)效率高，處理能力大，比表面積大（常用的有 12 150、 250、 350、 500、 700 等幾種）。波紋填料的缺點(diǎn)是不適于處理粘度大、易聚合或有懸浮物的物料，且裝卸、清理困難，造價(jià)高。 （ 4）脈沖填料 (Pulse filler)是由帶縮頸的中空棱柱形個(gè)體，按一定方式拼裝而成的一種規(guī)整填料，如圖片 312（ e）所示。脈沖填料組裝后，會(huì)形成帶縮頸的多孔棱形通道，其縱面流道交替收縮和擴(kuò)大，氣液兩相通過時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍動(dòng)。在縮頸段，氣速最高，湍動(dòng)劇烈，從而強(qiáng)化傳質(zhì)。在擴(kuò)大段，氣 速減到最小，實(shí)現(xiàn)兩相的分離。流道收縮、擴(kuò)大的交替重復(fù)，實(shí)現(xiàn)了“脈沖”傳質(zhì)過程。脈沖填料的特點(diǎn)是處理量大，壓降小，是真空精餾的理想填料。因其優(yōu)良的液體分布性能使放大效應(yīng)減少，故特別適用于大塔徑的場合。工業(yè)上常用規(guī)整填料的特性參數(shù)可參閱有關(guān)手冊 ]2[ 。 由于該過程處理量不大，所以所用的塔直徑不會(huì)太大，以采用填料塔較為適宜，所以采用 38ND 聚丙烯塑料階梯環(huán)填料。其主要性能參數(shù)為 ]2[ ： 比表面積 a = 孔隙率 ? = 形狀修正系數(shù) ? = 填料因子 F? =170m1? A= 臨界張力 33C?? cmdyn/ 吸收劑再生方法的選擇 依據(jù)所用的吸收劑不同可以采用不同的再生方案，工業(yè)上常用的吸收劑再生方法主要有減壓再生、加熱再生及氣提再生等。 A. 減壓再生（閃蒸） 吸收劑的減壓再生是最簡單的吸收劑再生方法之一。在吸收塔內(nèi)，吸收了大量溶質(zhì)后的吸收劑進(jìn)入再生塔并減壓，使得融入吸收劑中的溶質(zhì)得以再生。該方法最適用于加壓吸收，而且吸收后的后續(xù)工藝處于常壓或較低 壓力的條件，如吸收操作處于常壓條件下進(jìn)行，若采用減壓再生，那么解吸操作需要在真空條件下進(jìn)行，則過程可能不夠經(jīng)濟(jì) B. 加熱再生 吉林化工學(xué)院 化工原理課程 14 加熱再生也是吸收劑再生最常用的方法。吸收了大量溶質(zhì)后的吸收劑進(jìn)入再生塔內(nèi)并加熱使其升溫，溶入吸收劑中的溶質(zhì)得以解吸。由于再生溫度必須高于吸收溫度，因而，該方法最適用于常溫吸收或在接近于常溫的吸收操作，否則，若吸收溫度較高，則再生溫度必然更高，從而，需要消耗更高品位的能量。一般采用水蒸氣作為加熱介質(zhì)，加熱方法可依據(jù)具體情況采用直接蒸汽加熱或采用間接蒸汽加熱。 操作參數(shù)的選擇 操作溫度的確定 對于物理吸收而言 ,降低操作溫度 ,對吸收有利 .但低于環(huán)境溫度的操作溫度因其要消耗大量的制冷動(dòng)力而一般是不可取的 ,所以一般情況下 ,取常溫吸收較為有利 .對于特殊條件的吸收操作方可采用低于或高于環(huán)境的溫度操作 . 對于化學(xué)吸收 ,操作溫度應(yīng)根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的性質(zhì)而定 ,既要考慮溫度對化學(xué)反應(yīng)速度常數(shù)的影響 ,也要考慮對化學(xué)平衡的影響 ,使吸收反應(yīng)具有適宜的反應(yīng)速度 . 對于再生操作 ,較高的操作溫度可以降低溶質(zhì)的溶解度 ,因而有利于吸收劑的再生 . 而對本設(shè)計(jì)而言，由吸收過程的氣液關(guān)系可知，溫度降低可增加溶質(zhì)組分的 溶解度，即低溫有利于吸收，但操作溫度的低限應(yīng)有吸收系統(tǒng)的具體情況決定。依據(jù)本次設(shè)計(jì)要求，操作溫度定為 20℃。 操作壓力的確定 操作壓力的選擇根據(jù)具體情況的不同分為三種： 對于物理吸收 ,加壓操作一方面有利于提高吸收過程的傳質(zhì)推動(dòng)力而提高過程的傳質(zhì)速率 ,另一方面 ,也可以減小氣體的體積流率 ,減小吸收塔徑 .所以操作十分有利 .但工程上 ,專門為吸收操作而為氣體加壓 ,從過程的經(jīng)濟(jì)性角度看是不合理的 ,因而若在前一道工序的壓力參數(shù)下可以進(jìn)行吸收操作的情況下 ,一般是以前道工序的壓力作為吸收單元的操作壓力 . 對于化學(xué)吸 收 ,若過程由質(zhì)量傳遞過程控制 ,則提高操作壓力有利 ,若為化學(xué)反應(yīng)過程控制 ,則操作壓力對過程的影響不大 ,可以完全根據(jù)前后工序的壓力參數(shù)確定吸收操作壓力 ,但加大吸收壓力依然可以減小氣相的體積流率 ,對減小塔徑仍然是有利的 . 對于減壓再生 (閃蒸 )操作 ,其操作壓力應(yīng)以吸收劑的再生要求而定 ,逐次或一次從吸收壓力減至再生操作壓力 ,逐次閃蒸的再生效果一般要優(yōu)于一次閃蒸效果 . 本設(shè)計(jì)中由吸收過程的氣液平衡可知，壓力升高可增加溶質(zhì)組分的溶解度，即加壓有利于吸收。但隨著操作壓力的升高，對設(shè)備的加工制造要求提高，且能耗增加，綜合考慮 ，采用常壓 。 . 吉林化工學(xué)院 化工原理課程 15 第三章 吸收塔工藝條件的計(jì)算 基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù) 液相物性數(shù)據(jù) 對于低濃度的吸收過程，溶液的物性數(shù)據(jù)可以近似取純水的物性數(shù)據(jù) 20℃時(shí)水的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下 ]3[ ： 密度ρ L=(kg/m3) 粘度μ L=()=() 表面張力δ L=(dyn/cm)=941803(kg/h2) SO2在水中的擴(kuò)散系數(shù) DL= 105(㎝ 2/s)= 106(m2/h) 密度ρ = 粘度μ = s 飽和蒸汽壓 P= 氣相物性數(shù)據(jù) 混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為 Mvm =Σ yiMi= + 29= 混合氣體的平均密度為 G ??? ?? ）（?kg/m3 混合氣體的粘度可近似取為空氣的粘度，查手冊的 20 C176。 空氣的粘度為 ? ?hmkgsPa //0 6 )( 5v ???? ?? (m h) 2SO 在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為 ? ?hmscmD v /0 3 )/(101 0 224 ??? ?m2/s)= (m2/h) 氣液兩相平衡時(shí)的數(shù)據(jù) 常壓下 20℃ 2SO 在水中的亨利系數(shù)為 ]2[ aKPE ?? 相平衡常數(shù)為 3 ???? pEm 溶解度系數(shù)為 吉林化工學(xué)院 化工原理課程 16 ? ?33 / mk pak m olEMHsL ?????? ? 物料衡算 由公式 GB（ Y1Y2） =Ls(X1X2)無論是低濃度吸收還是高濃度吸收均適用，故物料衡算利用此式 ]4[ 。（以下計(jì)算過程分別以 G 和 L 表示 GB 和 Ls） 進(jìn)塔氣相摩爾比為 111 ????? yyY 出塔氣相摩爾比為 0 0 0 5 1 )(0 5 2 )1(12 ?????? ?YY 進(jìn)塔惰性氣相流量為 h/km ????? ）—（ 該吸收過程屬于低濃度吸收，平衡曲線可近似為直線，最小液氣比可按下式計(jì)算，即 2121m in / XmYYYGL ????????? 對于純?nèi)軇┪者^程，進(jìn)塔液相組成為 02?X ?????????? GL 取操作液氣比