化工单元过程及设备设计.ppt

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1、 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 吸收过程工艺设计吸收过程工艺设计第一节第一节 概述概述第二节第二节 设计方案设计方案第三节第三节 填料塔的工艺设计填料塔的工艺设计第四节第四节 吸收过程设计实例吸收过程设计实例 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 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，如图1为一典型的气体吸收过程。吸收过程的工艺设计，要完成以下工作；1、确定吸收过程设计方案；、确定吸收过程设计方案；2、确定工艺参数；、确定工艺参数；3、过程设备选型或设备设

2、计；、过程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；、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。、编写工艺设计说明书。图图1 吸收过程流程示意图吸收过程流程示意图概概 述述 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 设计方案设计方案一、吸收剂的选择一、吸收剂的选择对溶质的溶解度大对溶质的溶解度大对溶质有较高的选择性对溶质有较高的选择性不易挥发不易挥发再生性能好再生性能好 对于吸收操作，选择适宜的吸收剂，具有十分重要的意义，其对吸收操作过程的经济性有直接影响。一般情况下，选择吸收剂，要遵循以下原则。特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所

3、二、吸收流程选择二、吸收流程选择1、一步吸收流程和两步吸收流程、一步吸收流程和两步吸收流程 一步吸收流程如图1所示，一般用于混合气体溶质浓度较低，过程分离要求不高，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规定的吸收要求，或虽能达到分离要求，但过程的操作费用较高，从经济性的角度分析不够适宜时，考虑采用两步吸收流程，见图2。设计方案设计方案图图1 吸收过程流程示意图吸收过程流程示意图图图2 两步吸收流程两步吸收流程 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 设计方案设计方案2、单塔吸收流程和多塔吸收流程、单塔吸收流程和多塔吸收流程 单

4、塔吸收流程如图1，是吸收过程中最常用的流程，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，所需的塔体过高，或采用两步吸收流程时，则需要采用多塔流程，图 3是一个典型的双塔吸收流程。图图1 吸收过程流程示意图吸收过程流程示意图图图3 双塔吸收流程双塔吸收流程 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 设计方案设计方案3、逆流吸收与并流吸收、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，如图4所示，由于逆流操作具有传质推动力大，分离效率高的显著优点而广泛应用。工程上如无特别需要，一般均采用逆流吸收流程。图图4 逆流与并流吸收流程逆流

5、与并流吸收流程 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 设计方案设计方案4、部分溶剂循环吸收流程、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，当液相喷淋量过小时，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，以提高液相喷淋量，改善塔的操作条件，如图5。图图5 部分溶剂循环吸收流程部分溶剂循环吸收流程 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 填料塔的工艺设计填料塔的工艺设计 填料塔是化工分离过程的主体设备之一，结构见图6。其工艺设计内容主要包括如下：1、塔填料的选择；、塔填料的选择；2、塔径

6、的计算；、塔径的计算；3、填料层高度的计算；、填料层高度的计算；4、液体分布器和液体再分布器的设计；、液体分布器和液体再分布器的设计；5、气体分布装置的设计；、气体分布装置的设计；6、填料支撑装置的设计；、填料支撑装置的设计；7、塔底空间容积和塔顶空间容积的设计；、塔底空间容积和塔顶空间容积的设计；8、填料塔的流体动力学参数核算。、填料塔的流体动力学参数核算。图图6 填料塔结构示意图填料塔结构示意图 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 填料塔的工艺设计填料塔的工艺设计 塔填料是填料塔中的气液相间传质元件，其种类繁多，性能各异。按填料的结构及其使用方式可以分为散堆填料和规整填料两大

7、类。各类有不同的结构系列，同一结构系列中有不同的尺寸和不同的材质，可供设计时选用。1、散堆填料、散堆填料 散堆填料一般以随机的方式堆积在塔内，根据其结构特点的不同，可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。所用的材质有陶瓷、塑料、石墨、玻璃以及金属等，其结构特征及主要结构参数分别见图710和表14。一、填料塔的选择一、填料塔的选择（一）填料塔的分类及结构（一）填料塔的分类及结构 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 填料塔的工艺设计填料塔的工艺设计图图7 环形填料结构示意图环形填料结构示意图图图8 鞍形填料结构示意图鞍形填料结构示意图图图9 金属环矩鞍填料结构示意图金属环矩

8、鞍填料结构示意图图图10 球形填料结构示意图球形填料结构示意图 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 填料塔的工艺设计填料塔的工艺设计表表1 环形填料结构特性参数环形填料结构特性参数填料名称填料名称公称直径公称直径/mm个数个数/(1/m3)堆积密度堆积密度/(kg/m3)孔隙率孔隙率/%比表面积比表面积/(m2/m3)填料因子填料因子（干）（干）/m-1瓷拉西环25490005050.78190400401270005770.751263055060004570.81931778019107140.6876243钢拉西环25550006400.922202903519000570

9、0.931501905070004300.951101307618704000.956880塑料鲍尔环25429001500.9011752393815800980.8915522050（#）650074.80.90111215450（*）610073.70.992.712776193070.90.9272.294 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 填料塔的工艺设计填料塔的工艺设计填料名称填料名称公称直径公称直径/mm个数个数/(1/m3)堆积密度堆积密度/(kg/m3)孔隙率孔隙率/%比表面积比表面积/(m2/m3)填料因子填料因子（干）（干）/m-1钢鲍尔环16143000

10、2160.92823929925559004270.93421926938130003650.9451291535065003950.949112.3131瓷质阶梯环50（*）90915160.787108.822350（#）93004830.744105.62787625174200.79563.4126钢质阶梯环25971604390.93220273.53831890475.50.94154.3185.550116004000.95109.2127.4塑料阶梯环258150097.80.9228312.8382720057.50.91132.5175.8501074054.30.9271

11、14.2143.276342068.40.92990112.3表表1 环形填料结构特性参数环形填料结构特性参数 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 填料塔的工艺设计填料塔的工艺设计表表2 矩鞍填料结构参数矩鞍填料结构参数填料名称填料名称公称直径公称直径/mm个数个数/(1/m3)堆积密度堆积密度/(kg/m3)孔隙率孔隙率/%比表面积比表面积/(m2/m3)填料因子填料因子（干）（干）/m-1陶瓷25582305440.72220043338196805020.8041312525082434700.728103216762400537.70.75276.3179.4塑料1636

12、50091670.80646187925976801330.847283473763700104.40.855200289 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 填料塔的工艺设计填料塔的工艺设计表表3 金属环矩鞍填料结构参数金属环矩鞍填料结构参数填料名称填料名称公称直径公称直径/mm个数个数/(1/m3)堆积密度堆积密度/(kg/m3)孔隙率孔隙率/%比表面积比表面积/(m2/m3)填料因子填料因子（干）（干）/m-1金属25101164090.96185209.138246803650.96112126.650104002910.9674.984.7763320244.70.97

13、57.663.1表表4 环形填料结构参数环形填料结构参数填料名称填料名称公称直径公称直径/mm个数个数/(1/m3)堆积密度堆积密度/(kg/m3)孔隙率孔隙率/%比表面积比表面积/(m2/m3)TRI45mm50mm11998480.95Teller花环47325001110.881857380001020.89127953600880.994 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 填料塔的工艺设计填料塔的工艺设计2、规整填料、规整填料 规整填料是由许多相同尺寸和形状的材料组成的填料单元，以整砌的方式装填在塔体中。规整填料主要包括板波纹填料、丝网波纹填料、格利希格栅、脉冲填料等，

14、其中尤以板波纹填料和丝网波纹填料应用居多。板波纹填料所用材料主要有金属和瓷质，丝网波纹填料所用材料主要有金属网和塑料丝网。目前，国内常用规整填料的主要结构及结构参数分别见图11表5。图图11 规整填料结构示意规整填料结构示意（a）板波纹填料 （b）网波纹填料 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 填料塔的工艺设计填料塔的工艺设计表表5 规整填料结构参数规整填料结构参数填料名称填料名称型型 号号孔隙率孔隙率/%比表面积比表面积/(m2/m3)波纹倾角波纹倾角/()峰峰 高高/mm125X0.981253025125Y0.981254525250X0.9725030250Y0.9725

15、04512350X0.9435030350Y0.94350459500X0.92500306.3500Y0.92500456.3轻质陶瓷125X0.912530250Y0.8525045350Y0.835045陶瓷4000.740044500.75450304700.71547030 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 填料塔的工艺设计填料塔的工艺设计（二）塔填料的性能（二）塔填料的性能1、对塔填料的基本要求、对塔填料的基本要求 塔填料的性能主要指塔填料的流体力学性能和质量传递性能。性能优良的塔填料应具有良好的流体力学性能和传质性能，一般应具有如下特点：具有较大的比表面积；表面湿

16、润性能好，有效传质面积大；结构上应有利于气液相的均匀分布；填料层内的持液量适宜；具有较大的空隙率，气体通过填料层时压降小，不易发生液泛现象。特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 填料塔的工艺设计填料塔的工艺设计2、常用填料的性能、常用填料的性能分离能力分离能力 同一系列填料中，小尺寸填料比表面积较大，具有较高的分离能力。处处理理能能力力和和压压力力降降 同一系列填料中，空隙率大者具有较小的压力降和较大的处理量，金属和塑料材质的填料与陶瓷填料相比，具有较小的压力降和较大的处理量。抗抗堵堵塞塞性性能能 比表面积小的填料具有较大的空隙率，具有较强的抗堵塞能力；金属和塑料材质的填料抗堵塞能

17、力优于陶瓷填料。对于不同类型的散堆填料，同样尺寸、材质的鲍尔环在同样的压降下，处理量比拉西环大50%以上，分离效率可以提高30%以上；在同样的操作条件下，阶梯环的处理量可以比鲍尔环大20%左右，效率较鲍尔环高5%到10%；而环鞍、矩鞍型填料则具有更大的处理量和分离效率。特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 填料塔的工艺设计填料塔的工艺设计（三）、塔填料的选用（三）、塔填料的选用在选择塔填料时，主要考虑如下几个问题。（1）选择填料材质 选用塔填料材质应根据吸收系统的介质以及操作温度而定。（2）填料类型的选择 能够满足设计要求的塔填料不止一种，要在众多的塔填料中选择出最适宜的塔填料，以

18、较少的投资获得最佳的经济技术指标。（3）填料尺寸的选择 填料塔的塔径与填料直径的比值应保证不低于某一数值，防止产生较大的壁效应，造成塔的分离效率下降。实际工程中可以参考表6选取填料尺寸。填料种类填料种类D/d的推荐值的推荐值填料种类填料种类D/d的推荐值的推荐值拉西环D/d2030阶梯环D/d8鞍环D/d15环矩鞍D/d8鲍尔环D/d1015表表6 塔径与填料公称直径的比值塔径与填料公称直径的比值D/d的推荐值的推荐值 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 填料塔的工艺设计填料塔的工艺设计 目前计算塔径普遍使用的方法是计算填料塔的液泛点气体速度（简称泛点气速），并取泛点气速的某一倍

19、数作为塔的操作气速（均指空塔气体速度），然后，依据气体处理量确定塔径。（一）泛点气速的计算（一）泛点气速的计算 泛点气速主要和塔的气液相负荷及物性、填料的材质和类型以及规格有关，较为广泛使用的方法是采用埃克特泛点气速关联图或采用Bain-Hougen泛点气速关联式求取。二、塔径的计算二、塔径的计算 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 填料塔的工艺设计填料塔的工艺设计1、散堆填料的泛点气速、散堆填料的泛点气速 （1）埃克特泛点气速关联图 对于散堆填料，常采用埃克特泛点气速关联图计算泛点气速，见图12，其中qmL 为液体的质量流量，kg/h；L 为液体密度，kg/m3；G 为气体密度

20、，kg/m3；为实验填料因子，m-1；为水的密度与液体密度之比；uf 为泛点气速，m/s；为液体的黏度，mPas。（1）特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 填料塔的工艺设计填料塔的工艺设计图图12 埃克特泛点气速关联图埃克特泛点气速关联图 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 填料塔的工艺设计填料塔的工艺设计 使用该图时，先根据塔的气液相负荷和气液相密度计算横坐标参数X，然后在图中散堆填料泛点线上确定对应的纵坐标参数Y，依据式3求得操作条件下的泛点气速。计算泛点气速时，式1中的实验填料因子应采用泛点填料因子，几种常见散堆填料的泛点填料因子见表7。填料名称填料名称填料尺

21、寸填料尺寸/mm1625385076泛点填料因子/m-1瓷拉西环1300832600410瓷矩鞍1100550200226塑料鲍尔环55028018414092金属鲍尔环410117160塑料阶梯环260170127金属阶梯环260160140金属环矩鞍170150135120表表7 常用散堆填料的泛点填料因子常用散堆填料的泛点填料因子 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 填料塔的工艺设计填料塔的工艺设计 由于使用埃克特图进行计算不够方便，有人将埃克特图泛点线的X-Y坐标回归成数学公式，以便进行程序计算。回归方程为求得Y后，即可计算泛点气速（2）（3）其中各项系数的值为 b1=1

22、.59208 b5=0.0629497 b8=-0.102104 b2=-2.56617 b6=-0.32358410-5 b9=-0.304666 b3=1.8806 b7=-0.10811810-2 b10=0.505016 b4=0.00563796 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 填料塔的工艺设计填料塔的工艺设计（2）采用贝恩-霍根泛点关联式a-填料的比表面积，m2/m3；-填料的孔隙率；A-取决于填料的常数。常数A与填料的形状及材质有关，对于不同的塔填料，取不同的常数A，常用散堆填料的A值见表8。填料名称填料名称A填料名称填料名称A瓷拉西环-0.134瓷阶梯环0.2

23、943拉西环0.022塑料阶梯环0.204塑料鲍尔环0.0942金属阶梯环0.106金属鲍尔环0.1金属环矩鞍0.06225瓷矩环0.176表表8 常用散堆填料的常用散堆填料的A值值（4）特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 填料塔的工艺设计填料塔的工艺设计2、规整填料的泛点气速、规整填料的泛点气速采用贝恩-霍根泛点关联式计算泛点气速，对于金属板波纹和丝网填料，其中250Y型金属板波纹填料可取A=0.297，对于CY型丝网填料可取A=0.30。规整填料的泛点气速也可以通过其泛点压降确定。泛点压降与实验填料因子间的关系为p/Z为单位高度填料层泛点压降，Pa/m；Fp为实验填料因子。依

24、上式求得泛点压降后，依据等压降曲线见图13，利用流动参数X和泛点压降确定能力参数Y，从而求得泛点气速。图图13 规整填料的等压降曲线规整填料的等压降曲线（5）特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 填料塔的工艺设计填料塔的工艺设计图13中的横坐标及纵坐标的表达式如下：X为流动参数；qmG、qmL 分别为气体质量流量和液体质量流量，kg/s；G、L 分别为气体密度和液体密度，kg/m3；Y为能力参数；Fp 为实验填料因子，m-1；为液体运动黏度，m2/s。（6）特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 填料塔的工艺设计填料塔的工艺设计几种常见规整填料的实验填料因子见表9所示。表

25、表9 常见规整填料的实验填料因子常见规整填料的实验填料因子填填 料料材材 料料型型 号号填料因子填料因子/m-1Sulzers Mellapak金 属125Y33250Y66350Y76500Y112塑 料250Y72Koch-Sulzer丝 网CY230BX69 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 填料塔的工艺设计填料塔的工艺设计（二）塔径的计算（二）塔径的计算 塔填料操作气速的理想区域在载点气速和泛点气速之间，此时塔填料传质效率较高。一般情况下，载点气速为泛点气速的0.7倍左右，因而取操作气速为泛点气速的0.7倍左右是比较适宜的。操作气速与泛点气速之比称为泛点率，对散装填料，

26、返点率的经验值为0.50.85，规整填料的经验值为0.60.95。实际设计中，对于易起泡的物系取较低值，对于不易起泡的物系取较高值。对于加压操作的塔，应取较高的值，而对于减压操作的塔，应取较低值。求得操作气速后按式 计算塔径式中，D为塔径，m；qVs为气体体积流量，m2/s；u为操作气速，m/s。由上式计算出塔径D后，还应按塔径系列标准进行圆整。常用的标准塔径为400mm，500mm，600mm，700mm，800mm，1000mm，1400mm、1600mm、2000mm、2200mm等。圆整后，应重新核算塔的操作气速与泛点率。（7）特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 填料塔的

27、工艺设计填料塔的工艺设计（三）液体喷淋密度的核算（三）液体喷淋密度的核算 填料塔的液体喷淋密度为单位时间、单位塔载面上液体的喷淋量。为保证填料充分润湿，实际操作时塔内液体喷淋密度应不低于最小喷淋密度，若液体喷淋密度小于最小喷淋密度，则需进行调整，重新计算塔径。对于规整填料，其最小喷淋密度可从有关填料手册中查得，设计中，通常取最小喷淋密度为0.2m3/(m2h)。对于散堆填料，其最小喷淋密度可用式（8）计算 Umin=(LW)minaUmin为最小喷淋密度，m3/(m2h)；a为填料的总比表面积，m3/m3；(LW)min为在塔的载面上单位长度的填料周边的最小液体体积流量，称为最小湿润速率。对于

28、直径大于75mm的散堆填料，可取其值为0.12m3/(mh)，对于直径小于75mm的散堆填料，可取为0.08m3/(m2h)。（8）特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 填料塔的工艺设计填料塔的工艺设计三、填料塔高度计算三、填料塔高度计算（一）基本方程式（一）基本方程式（二）填料层高度计算（二）填料层高度计算（三）填料层的分段（三）填料层的分段（四）塔附属高度（四）塔附属高度四、液体初始分布器工艺设计四、液体初始分布器工艺设计五、液体收集及再分布装置五、液体收集及再分布装置六、气体分布装置六、气体分布装置七、除沫装置七、除沫装置八、填料支承及压紧装置八、填料支承及压紧装置九、填料塔

29、的流体力学参数计算九、填料塔的流体力学参数计算 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 吸收过程设计实例吸收过程设计实例 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 吸收过程设计实例吸收过程设计实例 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 吸收过程设计实例吸收过程设计实例 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 吸收过程设计实例吸收过程设计实例 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 吸收过程设计实例吸收过程设计实例 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 吸收过程设计实例吸收过程设计实例 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所

30、 吸收过程设计实例吸收过程设计实例 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 吸收过程设计实例吸收过程设计实例 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 吸收过程设计实例吸收过程设计实例 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 吸收过程设计实例吸收过程设计实例 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 吸收过程设计实例吸收过程设计实例 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 吸收过程设计实例吸收过程设计实例 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 吸收过程设计实例吸收过程设计实例 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 吸收过程设计实例吸收过程设计实例 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 吸收过程设计实例吸收过程设计实例 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 吸收过程设计实例吸收过程设计实例 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 吸收过程设计实例吸收过程设计实例 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 吸收过程设计实例吸收过程设计实例 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 吸收过程设计实例吸收过程设计实例 特殊冶金与过程工程研究所特殊冶金与过程工程研究所 吸收过程设计实例吸收过程设计实例