化工原理课程设计填料塔.docx

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化工原理课程设计填料塔

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SO2、H2S、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。

填料塔

板式塔

操作范围

较小，对液体负荷的变化更为敏感，当液体负荷较小时，填料表面不能很好润滑，传质效果急剧下降；当液体负荷过大时，容易产生液泛。

设计良好的板式塔，则具有大得多的操作范围

处理易聚合或含有固体悬浮物的物料

不宜处理

某些类型的板式塔可以有效处理

安全系数

适宜

比填料塔取得要更小

塔径

当塔径不大时，在800mm以下，因结构简单而造价便宜

当塔径在600mm以下时，造价会比较填料塔而贵，并且安装困难。

对亦气泡物系和腐蚀性物系

更适合

有一定缺陷

生产能力

大

较填料塔小

分离效率

高，每米理论板最多可达10级以上

分离效率略优于填料塔，每米理论板最多不超过2级

空塔速率

低

高

压降

小，一般每个理论级压降为0.01-0.27kpa

较填料塔高5倍左右

持液量

小，一般小于6%

大，高达8%-12%

操作弹性

大，对负荷变化适应性很强

小，适应负荷变化强的操作比较困难

工业生产对塔设备的性能有着严格的要求，主要有以下几个方面：

（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）。

工业上常用吸收剂

溶质

吸收剂

氨

丙酮蒸气

氯化氢

二氧化碳

二氧化硫

硫化氢

苯蒸气

丁二烯

二氯化碳

一氧化碳

水、硫酸

水

水

水、碱液、碳酸丙烯酯

水

碱液、砷碱液、有机溶剂

煤油、洗油

乙醇、乙腈

煤油

铜氨液

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