水吸收丙烯酸气体吸收塔设计

水吸收丙烯酸气体吸收塔设计 一、设计条件的选定 1、混合气：产物：丙烯酸气体 副产物：醋酸，甲酸，二氧化碳，马来酸，丙烯醛，乙醛，丙酮等气体。

混合气的处理量为：h/m640.467393 2、进塔混合气组成：含丙烯酸摩尔分率：%6.6 3、进塔混合气温度：100℃ 4、进塔吸收剂（水）的温度：25℃ 5、丙烯酸回收率：%64.74 6、操作条件：操作压力在常压下进行 第一章 概述 1.1吸收塔的概述 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。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； 1.2吸收设备的发展 吸收操作主要在填料塔和板式塔中进行，尤以填料塔的应用较为广泛。 塔填料的研究与应用已取得长足的发展：鲍尔环、阶梯环、金属环矩鞍等的出现标志散装填料朝高通量、高效率、低阻力方向发展有新的突破；规整填料在工业装置大型化和要求高分离效率的情况下倍受重视，已成为塔填料的重要品种。 填料塔仍处于发展之中，今后的研究方向主要是提高传质效率，同时考虑填料的强度、操作性能及使用上的通用因素并综合环型、鞍型及规整填料的优点开发构型优越、堆积接触方式合理、流体在整个床层均匀分布的新型填料。目前看来，填料的材质以陶瓷、金属、塑料为主，为满足化工生产温度和耐腐蚀要求，已开发了氟塑料制成的填料。 填料塔的发展，与塔填料的开发研究是分不开的。除了提高原有填料的流体力学与传质性能外，还开发了效率高、放大效应小的新型填料。加上塔填料本身具有压降小、持液量小、耐腐蚀、操作稳定、弹性大等优点，使填料塔开发研究达到了新的台阶。 1.3吸收过程在工业生产上应用 化工生产中吸收操作广泛应用于混合气体的分离： (1) 净化或精制气体，混合气体中去除杂质。如用K2CO3水溶液脱除合成气中的CO2，丙酮脱除石油裂解气中的乙炔等。 (2) 制取某种气体的液态产品。如用水吸收氯化氢气体制取盐酸。 (3) 混合气体以回收所需组分。如用汽油处理焦炉气以回收其中的芳烃。 (4) 工业废气处理。工业生产中所排放的废气中常含有丙酮，NO，NO2，HF等有害组分，组成一般很低，但若直接排入大气，则对人体和自然环境危害都很大。因此排放之前必须加以处理，选用碱性吸收剂吸收这些有害的气体是环保工程中最长采用的方法之一。 第二章 设计方案 2.1吸收剂的选择 吸收剂的对吸收操作过程的经济性由十分重要的影响，因此对于吸收操作，选择适宜的吸收剂具有十分重要的意义。一般情况下，选择吸收剂，着重考虑以下方面： （1）对溶质的溶解度大 所选的吸收剂对溶质的溶解度大，则单位的吸收剂能够溶解较多的溶质，在一定的处理量和分离要求条件下，吸收剂的用量小，可以有效地减少吸收剂的循环量。另一方面，在同样的吸收剂用量下液相的传质推动力大可以提高吸收效率，减小塔设备的尺寸。 （2）对溶质有较高的选择性 对溶质有较高的选择性即要求选用的吸收剂应对溶质有较大的溶解度；而对其他组分则溶解度要小或基本不溶。这样，不但可以减小惰性气体组分的损失，而且可以提高解吸后溶质气体的纯度 。 （3）不易挥发 吸收剂在操作条件下应具有较低的蒸气压，以避免吸收过程中吸收剂的损失提高吸收过程的经济性。 （4）再生性能好 由于在吸收剂再生过程中一般要对其进行升温或气提等处理，能量消耗较大。因而，吸收剂再生性能的好坏对吸收过程能耗的影响极大。选用具有良好再生性能的吸收剂往往能有效地降低过程的能量消耗。 （5）粘度和其他物性 吸收剂在操作条件下的粘度越低，其在塔内的流动性越好，有助于传质速率和传热速率的提高。此外，所选的吸收剂还应尽可能满足无毒性、无腐蚀性、不易燃易暴、不发泡、冰点低，价廉易得以及化学性质稳定的要求。 表2-1 物理吸收剂和化学吸收剂的特性 物理吸收剂 化学吸收剂

吸收容量（溶解度）正比于溶质分压 吸收热效应很小（近于等温） 常用降压闪蒸解吸 溶质含量高而净化度要求不太高的场合 对设备腐蚀性小，不易变质 吸收容量对溶质分压不太敏感 吸收热效应显著 用低压蒸汽气提解吸 溶质含量不高而净化度要求很高的场合 对设备腐蚀性大，易变质

结合以上吸收剂选择原则和考虑经济最优原则，本设计采用水作为吸收剂：丙烯酸在水中的溶解度大、吸收推动力大、溶剂用量小、设备尺寸也小；水的价格低廉，本设计题目要求吸收剂用水。 2.2吸收流程的确定 工业上有多种吸收流程，从所选吸收剂的种类看，有用一种吸收剂的一步吸收流程和用两种吸收剂的两步吸收流程；从所用的塔设备数量看，有单塔吸收流程和多塔吸收流程；从塔内气液两相的流向可分为逆流吸收流程，并流吸收流程等基本流程。此外，还有特定条件下的部分溶剂循环过程。 （1）一步吸收流程和两步吸收流程 一步吸收流程一般用于混合气体溶质浓度较低，同时过程的分离要求不高，选用一种吸收剂即可完成吸收任务的情况。若混合气体中溶质浓度较高且吸收要求也高，难以用一步吸收达到吸收要求或者虽能达到吸收要求，但过程的操作费用较高，从经济性的角度分析不够适宜时，可以采用两步吸收流程。 （2）单塔吸收流程和多塔吸收流程 单塔吸收流程式吸收过程中的常用流程，如过程无特别需要，则一般采用单塔吸收流程。若过程的分离要求较高，使用单塔操作时，所需要的塔体过高，或采用两步吸收流程时，则需要采用多塔流程。 （3）逆流吸收与并流吸收 吸收塔或再生塔内气液相可以逆流操作也可以并流操作，由于逆流操作具有传质推动力大，分离效率高的显著优点，工业上如无特别需要，一般均采用逆流吸收流程。 （4）部分溶剂循环吸收流程 由于填料塔的分离效率受填料层上的液体喷淋量影响较大，挡液相喷淋量过小时，将降低填料塔的分离效率。因此当塔的液相负荷过小而难以充分润湿填料表面时，可以采用部分溶剂循环吸收流程，以提高液相喷林量，改善塔的操作条件。 结合设计要求和以上流程选择原则，在本设计中选择单塔逆流的操作流程：吸收推动力大； 2.3 吸收塔设备的选择 对于吸收过程，一般具有操作液气比大的特点，因而更适应于填料塔。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，以采用吸收塔的多。 本设计中丙烯酸气体在水中的溶解度比较大，吸收效率高，所以采用填料塔，故而本设计选用填料塔作为气液传质设。 2.4 吸收塔填料的选择 （1）填料种类的选择 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 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）值低的填料。对于常用的工业填料，其HETP(或HTU)值可由有关手册或文献中查到，也可以通过一些经验公式来估算。 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，它的处理能力也愈大。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，应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料。对于大多数常用填料，其泛点气速或气相动能因子可在有关手册或文献中查到，也可由一些经验式来估算。 ③ 填料层的压降 填料层的压降是填料的主要应用性能，压降越低，动力消耗越低，操作费用越小。选择低压降的填料对热敏性物系的分离尤为重要。比较填料层的压降尤两种方

法：一是比较填料层单位高度的压降/pz；另一是比较填料层单位传质效率的比压降 /TpN。填料层的压降可用经验公式计算，亦可从有关图标中查出。 ④ 填料的操作性能 填料的操作性能主要指操作弹性，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。 （2）填料规格的分类 ① 散装填料规格的分类 散装填料的规格通常是指填料的公尺直径。工业塔常用的散

装填料主要有16ND、25ND、38ND、50ND、76ND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定的规定。 表2-2 常用填料的塔径与填料公称直径比值D/d的推荐值 填料种类 D/d的推荐值

拉西环 鞍环 鲍尔环 阶梯环 环矩鞍 D/d≥20～25 D/d≥15 D/d≥10～15 D/d＞8 D/d＞8

② 规整填料规格的分类 工业上常用规整填料的型号和规格的表示方法很多，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。 应予指出，一座填料塔可以选用同种类型，同一规格的填料，也可选用同种类型，不通规格的填料；可以选用同种类型的填料，也可以选用不同类型的填料，有的塔段可选用规整填料，而有的塔段可选用散装填料。一的原则来选择填料的规格。 ③ 填料材质的分类设计时应灵活掌握，根据技术经济统工业上，填料的材质分为陶瓷，金属和塑料三大类。 a） 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，不易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。 b）金属填料 金属填料可用多种材质制成，金属材质的选择主要根据物系的腐蚀性和金属材质的耐腐蚀性来综合考虑。炭钢填料造价低，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（0.2～1.0mm），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。 c） 塑料填料 塑料填料的材质主要包括聚丙烯（PP），聚乙烯（PE）及聚氯乙稀（PVC）等，国内一般多采用聚丙烯材质。塑料填料的耐腐蚀性能好，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，聚丙烯填料在低温（低于0℃）时具有冷脆性，在低于 0℃ 的条件下使用要慎重，可选用耐低温性能好的聚氯乙稀填料。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。 根据以上选择，考虑到以下方面 （1）选择填料材质 选择填料材质应根据吸收系统的介质和操作温度而定，一般情况下，可选用塑料，金属，陶瓷等材料。对于腐蚀性介质应采用相应的抗腐蚀性材料，如陶瓷，塑料，玻璃，石墨，不锈钢等，对于温度较高的情况，应考虑材料的耐温性能。 （2）填料类型的选择 填料类型的选择是一个比较复杂的问题。一般来说，同一类填料塔中，比表面积大的填料虽然具有较高的分离效率，但是由于在同样的处理量下，所需要