化工原理課程之二氧化硫吸收設(shè)計(jì)

1、目錄目錄 . 1摘要 . 3第 1 章 緒論 41 l吸收技術(shù)概況 412吸收設(shè)備的發(fā)展 61.3 吸收在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 7第 2 章 設(shè)計(jì)方案 72.1 吸收劑的選擇 72.2 吸收流程的選擇 82.2.1 氣體吸收過程分類 82.2.2 吸收裝置的流程 82.3 吸收塔設(shè)備及填料的選擇 92.3.1 吸收塔設(shè)備 92.3.2 填料的選擇 92.4 吸收劑再生方法的選擇 102.5 操作參數(shù)的選擇 10第3章 吸收塔的工藝計(jì)算 113.1 基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù) 113.1.1 液相物性數(shù)據(jù) 113.1.2 氣相物性數(shù)據(jù) 113.1.3 氣液相平衡數(shù)據(jù) 123.2 物料衡算 123.3 塔徑計(jì)算 1

2、33.3.1 塔徑的計(jì)算 133.3.2 泛點(diǎn)率校核： 133.3.4 液體噴淋密度得校核： 143.4 填料層高度的計(jì)算 143.4.1 傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算 143.4.2 傳質(zhì)單元高度的計(jì)算 143.4.3 填料層高度的計(jì)算 163.5 填料塔附屬高度的計(jì)算 163.6 液體分布器計(jì)算 173.6.1 液體分布器的選型 173.6.2 布液孔數(shù)的計(jì)算 173.6.3 布液計(jì)算 183.7 其他附屬塔內(nèi)件的選擇 183.7.1 填料支承裝置的選擇 183.7.2 填料壓緊裝置 183.7.3 塔頂除霧器 193.8 吸收塔的流體力學(xué)參數(shù)計(jì)算 193.8 1 吸收塔的壓力降 193.8.2 吸收

3、塔的泛點(diǎn)率 203.8.3 氣體動能因子 203.9 附屬設(shè)備的計(jì)算與選擇 213.9.1 離心泵的選擇與計(jì)算 213.9.2 吸收塔主要接管尺寸選擇與計(jì)算 22工藝設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果匯總與主要符號說明 22設(shè)計(jì)過程的評述和有關(guān)問題的討論 25主要參考文獻(xiàn) 26結(jié)束語 27吸收操作系統(tǒng)的工藝流程圖 29吸收操作系統(tǒng)的設(shè)備條件圖 30摘要?dú)怏w吸收過程是利用氣體混合物中，各組分在液體中溶解度或化學(xué)反應(yīng)活性的差異，在氣 液兩相接觸時發(fā)生傳質(zhì)，實(shí)現(xiàn)氣液混合物的分離。一般說來，完整的吸收過程應(yīng)包括吸收和解 吸兩部分。在化工生產(chǎn)過程中，原料氣的凈化，氣體產(chǎn)品的精制，治理有害氣體，保護(hù)環(huán)境等 方面都廣泛應(yīng)用到氣體

4、吸收過程。填料塔由于其通量大，阻力小，壓降低，操作彈性大，塔內(nèi) 持液量小，填料易用耐腐蝕材料制造，結(jié)構(gòu)簡單，分離效率高等優(yōu)點(diǎn)， 使得其在某些處理量 大要求壓降小的分離過程中得到了廣泛的應(yīng)用并作為主要設(shè)備之一，越來越受到青睞。本設(shè)計(jì)任務(wù)是用20C清水洗收錄其中的S2。對于氣體的吸收應(yīng)該采用氣液傳質(zhì)設(shè)備填料塔， 因?yàn)樗哂休^高的比表面積。用水吸收 S2屬中等溶解度的吸收過程，為提高傳質(zhì)效率，選用 逆流吸收流程。在此吸收過程中，操作溫度及操作壓力較低，選用塑料散裝填料。因塑料階梯 環(huán)的綜合性能較好，所以選用 DN8 聚丙烯階梯環(huán)填料。梁型支承板的性能優(yōu)良，有利于氣液 傳質(zhì)，因此選用梁型支承板。因該吸

5、收塔液相負(fù)荷較大，而氣相負(fù)荷相對較低，故選用槽式液 體分布器。關(guān)鍵詞:吸收-S2- 填料塔- 逆流第 1 章 緒論1 1吸收技術(shù)概況利用混合氣體中各組分在同一種溶劑（吸收劑）中溶解度的不同分離氣體混合物的單元操 作稱為吸收。吸收是分離氣體混合物最常見的單元操作之一。工業(yè)吸收操作是在吸收塔內(nèi)進(jìn)行的。在吸收操作中，通常將混合氣體中能夠溶解于溶劑中 的組分稱為溶質(zhì)或吸收質(zhì)，以 A 表示;而不溶或微溶的組分稱為載體或惰性氣體，以 B 表示； 吸收所用的溶劑稱為吸收劑， 以 S 表示；經(jīng)吸收后得到的溶液稱為吸收液 ;被吸收后排出吸收塔 的氣體稱為吸收尾氣。吸收就是吸收質(zhì)從氣相轉(zhuǎn)入液相的過程 1。吸收過程

6、通常在吸收塔中進(jìn)行。根據(jù)氣、液兩相的流動方向，分為逆流操作和并流操作兩 類，工業(yè)生產(chǎn)中以逆流操作為主，吸收劑以塔頂加入自上向下流動，與從下向上流動的氣體接 觸，吸收了吸收質(zhì)的液體從塔底排出， 凈化后的氣體從塔頂排出。 吸收塔操作示意圖如圖片 2-1 所示?；烀?休 （A+IJ）_irvtKifta*s)圖2-1吸收塔操作示意圖在工業(yè)生產(chǎn)中，除以制取溶液產(chǎn)品為目的的吸收（如用水吸收HCI氣制取鹽酸等）之外，大都 要將吸收液進(jìn)行解吸，以便得到純凈的溶質(zhì)或使吸收劑再生后循環(huán)使用。解吸也稱為脫吸，它 是使溶質(zhì)從吸收液中釋放出來的過程，解吸通常在解吸塔中進(jìn)行。圖片2-2所示為洗油脫除煤氣中粗苯的流程簡圖

7、。圖中虛線左側(cè)為吸收部分，在吸收塔中，苯系化合物蒸汽溶解于洗油中， 吸收了粗苯的洗油（又稱富油）由吸收塔底排出，被吸收后的煤氣由吸收塔頂排出。圖中虛線右 側(cè)為解吸部分，在解收塔中，粗苯由液相釋放出來，并為水蒸汽帶出，經(jīng)冷凝分層后即可獲得 粗苯產(chǎn)品，解吸出粗苯的洗油（也稱為貧油）經(jīng)冷卻后再送回吸收塔循環(huán)使用。吸收塔設(shè)備是氣液接觸的傳質(zhì)設(shè)備，一般可分為逐級接觸型和微分接觸型兩類。板式塔屬 于逐級接觸型的氣液傳質(zhì)設(shè)備，它是在塔體內(nèi)按照一定距離設(shè)置許多塔盤，氣體以鼓泡或噴射 的方式穿過塔盤上的液層。填料塔屬于微分接觸型氣液傳質(zhì)設(shè)備，它是在塔體內(nèi)裝有一定數(shù)量的填料，填料的作用是提供氣液間的傳質(zhì)面積。在塔

8、內(nèi)液體沿填料表面下流，形成一層薄膜， 氣體沿填料空隙上升，在填料表面的液層與氣體的界面上進(jìn)行傳質(zhì)過程2。1 2吸收設(shè)備的發(fā)展吸收操作主要在填料塔和板式塔中進(jìn)行，幾種常用的吸收塔有填料塔、湍球塔、板式塔等。 其中填料塔的應(yīng)用較為廣泛。填料塔的歷史較久，早在 19 世紀(jì)中期已開始用于生產(chǎn)，到 20 世紀(jì)初，人們以碎石、短管 段等為填料用來蒸餾原油，改進(jìn)了原來的釜式蒸餾技術(shù)，促進(jìn)了石油工業(yè)的發(fā)展。但由于當(dāng)時 對填料兩相的流動研究很少，塔的優(yōu)越性未能全部發(fā)揮，故不久就為泡罩塔所取代。后來隨著 石油、酸堿、肥料、石油化工等工業(yè)的飛速發(fā)展，人們對填料塔的實(shí)踐和認(rèn)識才進(jìn)一步不斷加 深，制造了多種形式的填料；

9、對填料塔的壓降和泛點(diǎn)得出了較為可靠的關(guān)聯(lián)式，為設(shè)計(jì)和操作 提供了依據(jù) 3 。填料塔，它由外殼、填料、填料支承、液體分布器、中間支承和再分布器、氣體和液體進(jìn) 出口接管等部件組成，塔外殼多采用金屬材料，也可用塑料制造。 填料是填料塔的核心，它提供了塔內(nèi)氣液兩相的接觸面，填料與塔的結(jié)構(gòu)決定了塔的性能。填 料必須具備較大的比表面，有較高的空隙率、良好的潤濕性、耐腐蝕、一定的機(jī)械強(qiáng)度、密度 小、價(jià)格低廉等。常用的填料有拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、弧鞍形和矩鞍形填料， 20世紀(jì) 80年代后開 發(fā)的新型填料如 QH1 型扁環(huán)填料、八四內(nèi)弧環(huán)、刺猬形填料、金屬板狀填料、規(guī)整板波紋 填料、格柵填料等，為先進(jìn)的填料塔設(shè)計(jì)提供

10、了基礎(chǔ)。塔填料的研究與應(yīng)用已獲得長足的發(fā)展，鮑爾環(huán)、階梯環(huán)、萊佛厄派克環(huán)、金屬環(huán)矩鞍等 的出現(xiàn)標(biāo)志著散裝填料朝高通量、高效率、低阻力方向發(fā)展有新的突破。規(guī)整填料在工業(yè)裝置 大型化和要求高分離效率的情況下，倍受重視，已成為塔填料的重要品種。其中金屬與塑料波 紋板造價(jià)適中，抗污力強(qiáng)，操作性能好，并易于工業(yè)應(yīng)用，可作為通用填料使用；柵格填料對 液體負(fù)荷和允許壓降要求苛刻的過程十分有利，并具有自凈機(jī)能，即使應(yīng)用在污垢系統(tǒng)也能長 期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)；脈沖填料獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使之在大流量、大塔徑下也不會發(fā)生偏流，極易工業(yè)放大， 從發(fā)展上看很有希望。近年來，工程界對填料塔進(jìn)行了大量的研究工作，主要集中在以下幾個方面：(1

11、) 開發(fā)多種形式、規(guī)格和材質(zhì)的高效、低壓降、大流量的填料；(2) 與不同填料相匹配的塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)；(3) 填料層中液體的流動及分布規(guī)律；(4) 蒸餾過程的模擬。填料塔的基本特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，壓力降小，傳質(zhì)效率高，便于采用耐腐蝕材料制造等。對 于熱敏性及容易發(fā)泡的物料，更顯出其優(yōu)越性。過去，填料塔多推薦用于0.60.7m以下的塔徑。近年來，隨著高效新型填料和其他性能內(nèi)件的開發(fā)，以及人們對填料流體力學(xué)，放大效應(yīng) 及傳質(zhì)機(jī)理的深入研究，使填料塔技術(shù)得到了迅速發(fā)展 41.3 吸收在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 氣體吸收在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用大致有以下幾種。(1) 制備液體產(chǎn)品 如用水吸收 HCL 制備鹽酸，用水吸收甲醛蒸

12、汽制福爾馬林溶液等，都是吸 收操作。(2) 凈化氣體或精制氣體如用水脫除合成氨原料中的 C02，用丙酮脫除石油裂解氣中的乙炔等，其目的是出去氣體中的有害成分，便于氣體在工序中能順利進(jìn)行。(3) 回收有用物質(zhì) 工藝尾氣中含有一些有價(jià)值的物質(zhì)， ，通過吸收可以為這些物質(zhì)找到新的用 途，做到物盡其用。(4) 保護(hù)環(huán)境 在排放到大氣的工藝尾氣中可能含有對人或其他生物有害的物質(zhì)，比如硫的化 合物、氨的化合物等。這些有害物質(zhì)如果不除，將造成環(huán)境污染。通過吸收，可以在排放 前除去這些有害物，做到達(dá)標(biāo)排放 1 。第 2 章 設(shè)計(jì)方案2.1 吸收劑的選擇吸收操作的好壞在很大程度上取決于吸收劑的性質(zhì)。選擇吸收劑時

13、在，主要考慮以下幾點(diǎn)：(1) 溶解度大 吸收劑對溶質(zhì)組分的溶解度越大，則傳質(zhì)推動力越大，吸收速率越快，且吸收 劑的耗用量越少，操作費(fèi)用較低。(2) 選擇性好 吸收劑應(yīng)對溶質(zhì)組分有較大的溶解度， 而對混合氣體中的其它組分溶解度甚微， 否則不能實(shí)現(xiàn)有效的分離。(3) 揮發(fā)性好 在吸收過程中，吸收尾氣往往為吸收劑蒸汽所飽和。故在操作溫度下，吸收劑 的蒸汽壓要低，以減少吸收劑的損失量。(4) 粘度低 吸收劑在操作溫度下的粘度越低，其在塔內(nèi)的流動阻力越小，擴(kuò)散系數(shù)越大，這 有助于傳質(zhì)速率的提高。(5) 易再生 當(dāng)富液不作為產(chǎn)品時，吸收劑要易再生，以降低操作費(fèi)用。要求溶解度對溫度 的變化比較敏感，即不僅在

14、低溫下溶解度要大，平衡分壓要??；而且隨著溫度升高，溶解度應(yīng) 迅速下降，平衡分壓應(yīng)迅速上升，則被吸收的氣體解吸，吸收劑再生方便。(6) 其它 所選用的吸收劑應(yīng)盡可能無毒性、無腐蝕性、不易燃易爆、不發(fā)泡、冰點(diǎn)低、價(jià)廉易 得，且化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)安全 1 。在實(shí)際生產(chǎn)中滿足所有要求的吸收劑是不存在的。應(yīng)從滿足工藝要求出發(fā)，對可供選擇的 吸收劑做全面的評價(jià)，作出科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、合理的選擇。綜上所述，考慮吸收劑的選用標(biāo)準(zhǔn)，在二氧化硫的吸收過程中，采用清水為吸收劑。2.2 吸收流程的選擇2.2.1 氣體吸收過程分類氣體吸收過程通常按以下方法分類。（1）單組分吸收與多組分吸收 : 吸收過程按被吸收組分?jǐn)?shù)目的不同

15、，可分為單組分吸收和多組 分吸收。若混合氣體中只有一個組分進(jìn)入液相，其余組分不溶（或微溶）于吸收劑，這種吸收 過程稱為單組分吸收。反之，若在吸收過程中，混合氣中進(jìn)入液相的氣體溶質(zhì)不止一個，這樣 的吸收稱為多組分吸收。（2）物理吸收與化學(xué)吸收 : 在吸收過程中，如果溶質(zhì)與溶劑之間不發(fā)生顯著的化學(xué)反應(yīng)，可以 把吸收過程看成是氣體溶質(zhì)單純地溶解于液相溶劑的物理過程，則稱為物理吸收。相反，如果 在吸收過程中氣體溶質(zhì)與溶劑 （或其中的活潑組分 ）發(fā)生顯著的化學(xué)反應(yīng)，則稱為化學(xué)吸收。（3）低濃度吸收與高濃度吸收 : 在吸收過程中，若溶質(zhì)在氣液兩相中的摩爾分率均較低（通常 不超過 0.1），這種吸收稱為低濃

16、度吸收；反之，則稱為高濃度吸收。對于低濃度吸收過程，由 于氣相中溶質(zhì)濃度較低，傳遞到液相中的溶質(zhì)量相對于氣、液相流率也較小，因此流經(jīng)吸收塔 的氣、液相流率均可視為常數(shù)。（4）等溫吸收與非等溫吸收 : 氣體溶質(zhì)溶解于液體時，常由于溶解熱或化學(xué)反應(yīng)熱，而產(chǎn)生熱 效應(yīng)，熱效應(yīng)使液相的溫度逐漸升高，這種吸收稱為非等溫吸收。若吸收過程的熱效應(yīng)很小， 或雖然熱效應(yīng)較大，但吸收設(shè)備的散熱效果很好，能及時移出吸收過程所產(chǎn)生的熱量，此時液 相的溫度變化并不顯著，這種吸收稱為等溫吸收 6 。2.2.2 吸收裝置的流程吸收裝置的流程主要有以下幾種。（ 1）逆流操作 氣相自塔底進(jìn)入塔頂排出，液相自塔頂進(jìn)入塔底排出，此

17、即逆流操作。逆流 操作的特點(diǎn)是，傳質(zhì)平均推動力大，傳質(zhì)速率快，分離效率高，吸收劑利用率高。工業(yè)生產(chǎn)中 多采用逆流操作。（ 2）并流操作 氣液兩相均從塔頂流向塔底，此即并流操作。并流操作的特點(diǎn)是，系統(tǒng)不受 液流限制，可提高操作氣速，以提高生產(chǎn)能力。并流操作通常用于以下情況：當(dāng)吸收過程的平 衡曲線較平坦時，流向?qū)ν苿恿τ绊懖淮?；易溶氣體的吸收或處理的氣體不需要吸收很完全； 吸收劑用量特別大，逆流操作易引起液泛。（ 3）吸收劑部分再循環(huán)操作 在逆流操作系統(tǒng)中，用泵將吸收塔排出液體的一部分冷卻后與 補(bǔ)充的新鮮吸收劑一同送回塔內(nèi)，即為部分再循環(huán)操作。通常用于以下情況：當(dāng)吸收劑用量較 小，為提高塔的液體噴

18、淋密度； 對于非等溫吸收過程， 為控制塔內(nèi)的溫升， 需取出一部分熱量。 該流程特別適宜于相平蘅常數(shù) m 植很小的情況， 通過吸收液的部分再循環(huán)， 提高吸收劑的使用 效率。應(yīng)予指出，吸收劑部分再循環(huán)操作較逆流操作的平均推動力要低，且需要設(shè)置循環(huán)泵， 操作費(fèi)用增加。（4）多塔串聯(lián)操作 若設(shè)計(jì)的填料層高度過大，或由于所處理物料等原因需要經(jīng)常清理調(diào)料， 為便于維修，可把填料層分裝在幾個串聯(lián)的塔內(nèi)，每個吸收塔通過的吸收劑和氣體量都相等， 即為多塔串聯(lián)操作。此種操作因塔內(nèi)需要留較大空間，輸液、噴淋、支承板等輔助裝置增加， 使設(shè)備投資加大。(5) 串聯(lián) 并聯(lián)混合操作 若吸收過程處理的液量很大，如果用通常的流

19、程，則液體在塔內(nèi)的 噴淋密度過大，操作氣速勢必很小(否則易引起塔的液泛) ，塔的生產(chǎn)能力很低。實(shí)際生產(chǎn)中 可采用氣相作串聯(lián)、液相作并聯(lián)的混合流程。用水吸收二氧化硫?qū)僦械热芙舛鹊奈者^程，為提高傳質(zhì)效率，選用逆流吸收流程。因用水作為吸收劑，且 二氧化硫不作為產(chǎn)品，故采用純?nèi)軇?72.3 吸收塔設(shè)備及填料的選擇2.3.1 吸收塔設(shè)備對于吸收過程，塔設(shè)備有多種，如何選擇合適的類型是進(jìn)行工業(yè)設(shè)計(jì)的首要工作。而進(jìn)行 這一項(xiàng)工作則主要對吸收過程進(jìn)行充分的研究后，并經(jīng)過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，

20、 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。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。但在液體流率很低難 以充分潤濕填料，或塔徑過大，使用填料不很經(jīng)濟(jì)的情況下，以采用板式塔為宜。 本設(shè)計(jì)過程采用填料塔作為吸收設(shè)備 8 。2.3.2 填料的選擇塔填料是填料塔中氣液接觸的基本構(gòu)件，其性能的優(yōu)劣是決定填料塔操作性能的主要因 素，因此，塔填料的選擇是填料塔設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。在選擇塔填料時應(yīng)考慮如下幾個問題：(1) 比

21、表面積要大比表面積 a 是指單位體積的填料層所具有的表面積，大的比表面積和良好的潤濕性能有利于傳質(zhì)速率的提高。(2) 空隙率大 空隙率&是指單位體積的填料所具有的空隙體積，填料的空隙率大，氣液通 過的能力大，氣體流動的阻力小，填料的空隙率一般在0.45-0.95范圍。(3) 堆積密度小 堆積密度p是指單位體積填料的質(zhì)量，在機(jī)械強(qiáng)度允許的條件下，填料壁 要盡量減薄，以減小填料的堆積密度，從而既可降低成本又可增加空隙率。(4) 填料的幾何形狀 填料的幾何形狀對填料的流體力學(xué)和傳質(zhì)性能有著重要的影響。( 5)填料的材質(zhì) 工業(yè)上，填料的材質(zhì)分為陶瓷、金屬和塑料三大類，不同的材質(zhì)適應(yīng)于不 同的操作條件

22、9。該流程的操作壓力及溫度較低，工業(yè)上通常選用塑料散裝填料，在塑料散裝填料中，塑料階梯 環(huán)填料的綜合性能較好，故此選用 DN38聚丙烯階梯環(huán)填料。階梯環(huán)是對鮑爾環(huán)的改進(jìn)。與鮑爾環(huán)相比，階梯環(huán)高度減少了一半，并在一端增加了一個 錐形翻邊。錐形翻邊不僅增加了填料的機(jī)械強(qiáng)度，而且使填料表面由線接觸為主變成以點(diǎn)接觸 為主，這樣不但增加了填料間的空隙，同時成為液體沿填料表面流動的匯集分散點(diǎn)，可以促進(jìn) 液膜的表面更新，有利于傳質(zhì)效率的提高。階梯環(huán)的綜合性能優(yōu)于鮑爾環(huán)，成為目前所使用的 環(huán)形填料中最為優(yōu)良的一種。其主要性能參數(shù)為：2比表面積:=132.5m孔隙率:=0.91形狀修正系數(shù)=1.45填料因子=1

23、70m JA=0.2042.4吸收劑再生方法的選擇使溶解于液相中的氣體釋放出來的操作稱為解吸。其操作方法通常是使富液與惰性氣體或 蒸汽逆流接觸，富液自解吸塔頂引入，在其下流過程中與來自塔底的惰性氣體或蒸汽相遇，吸 收質(zhì)逐漸從溶液中釋放出來，在塔頂?shù)玫轿召|(zhì)與惰性氣體或蒸汽的混合物，在塔底得到較純 凈的吸收劑。在本設(shè)計(jì)操作中，規(guī)定吸收二氧化硫后的水，經(jīng)富液泵送入再生塔頂，用燃料氣 進(jìn)行氣提解吸操作，解吸后的水經(jīng)貧油泵，送回吸收塔，循環(huán)使用，氣提氣則進(jìn)入燃料處理系 統(tǒng)9。2.5操作參數(shù)的選擇吸收過程的操作參數(shù)主要包括吸收（或再生）壓力、吸收（或再生）溫度以及吸收因子（或 解吸因子）。這些條件的選擇

24、應(yīng)充分考慮前后工序的工藝參數(shù)，從整個過程的安全性、可靠性、 經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，利用過程的模擬計(jì)算，經(jīng)過多方案對比優(yōu)化得出過程參數(shù)。操作壓力選擇本任務(wù)中已經(jīng)給出是常壓操作，所以不需要再對其進(jìn)行考慮。操作溫度選擇本任務(wù)中已經(jīng)給出操作溫度是 20 C吸收因子和解吸因子選擇吸收因子和解吸因子是一個關(guān)聯(lián)了氣體處理量，吸收劑用量以及氣液平衡常數(shù)的綜合過程 參數(shù)。吸收因子和解吸因子的取值大小對過程的經(jīng)濟(jì)性影響很大，選用大的吸收因子，貝U過程 的設(shè)備費(fèi)用降低而吸收劑用量或循環(huán)量加大，操作費(fèi)用升高。若吸收因子較小，則過程推動力 減小，塔必然很高。在設(shè)計(jì)上，兩者的數(shù)值應(yīng)該以過程的總費(fèi)用最低為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)后確定10根

25、據(jù)公式Lm=E/p； A= mG ；所以aG第3章吸收塔的工藝計(jì)算3.1基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)3.1.1液相物性數(shù)據(jù)20 r時水的有關(guān)物對低濃度吸收過程，溶液的物性數(shù)據(jù)可近似取水的物性數(shù)據(jù)。由手冊查得, 性數(shù)據(jù)如下：3密度L = 998.2kg / m黏度 =0.001Pa s= 3.6kg/(m h)2表面張力為 6 =72.6dyn/cm = 940896kg/h5262SO2在水中的擴(kuò)散系數(shù)為Dl47 10 cm /s=529 10 m /h3.1.2氣相物性數(shù)據(jù)混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為MVm 八 yiMi =0.05 64.07 0.95 28.95 =30.706=1.277kg/m3PMVm

26、101.325 30.706混合氣體的密度為RT 8.314 293混合氣體的黏度可近似取為空氣的黏度，查手冊得20 r空氣的黏度為g =1.81 10Pa s=0.065kg/(m h)查手冊得SO2在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為2 2Dv =0.108cm /s=0.039m /h3.1.3氣液相平衡數(shù)據(jù)由手冊查得，常壓下20C時S02在水中的亨利系數(shù)為3E =3.55 10 kPa相平衡常數(shù)為E 3.55 103 m35.04P 101.325溶解度系數(shù)為H L998；20.0156kmol / kPa m3EM s3.51018.23.2物料衡算進(jìn)塔氣相摩爾比為%1 - y10.050.0526

27、1-0.05出塔氣相摩爾比Y2 =Y1A =0.0526 1 -0.95 =0.00263進(jìn)塔惰性氣相流量24 00x-4G2 2.27 327 3210 0. 0 59 4k 884)l h /最小液氣比0.0 5 26.003329in 0.05 26 / 3 5.0 40G min= 1.5液氣比= 1.5 33.29 =49.94所以L =49.94 94.84 =4736.31kmol/hG -丫2 二 L X1 -X24976.0399.58 O.0526 。00263 丸.0013.3塔徑計(jì)算 3.3.1塔徑的計(jì)算采用Eckert關(guān)聯(lián)圖計(jì)算泛點(diǎn)氣速 氣相質(zhì)量流量為V =2400

28、1.277 = 3064.8kg /h液相質(zhì)量流量為丄=4736.31 18.02 =85348.31kg /hEckert關(guān)聯(lián)圖得橫坐標(biāo)為8534831川迦丫53064.8998.2查圖5-21得UfL 巳L= 0.996-0.0225差表5 -11得F =170mUf0.0225g 叮m20.0225 9.81 998.2-170 1 1.277 10.2=1.007m/ sD 二4 漢 2400/3600:3.14 0.7052取u =0.7uf -0.7 1.007 =0.7052m/s=1.097 m圓整塔徑，取D =1.2m 3.3.2泛點(diǎn)率校核:2400 / 3600= 0.59

29、m/ suUf0.591.007100% =58.6%（50% 85%為經(jīng)驗(yàn)值，所以在允許范圍內(nèi)）3.3.3填料規(guī)格校核:D 1200d 38= 31.58 83.3.4液體噴淋密度得校核:填料表面的潤濕狀況是傳質(zhì)的基礎(chǔ)，為保持良好的傳質(zhì)性能，每種填料應(yīng)維持一定的液體潤濕 速率（或噴淋密度）。依 Morris等推薦，d0 Vi i 2 嚴(yán) f-Ul at2 八代g丿Ul22又二C =33dyn/cm = 427680kg/h液體質(zhì)量通量85348.3132 = 75502.75kg/ m h0.785 1.2214 從* 998.2X1.27I08 丿Ul0.75ataw0.12衛(wèi).57550

30、2.75132.575502.752(998.2 x 940896x132.50.2=0.605氣膜吸收系數(shù)0.7kG =0.2371h Dv. RT又氣體質(zhì)量通量2400燈 272UV2 =2711.25kg/ m2 h0.70.785 1.22, CC f 2711.25 Y f 0.065 亍32.5沢 0.039)門 2 ,，小kc =0.2370.03077kmol/ m h KPa132.5 0.0651.277 0.039.8.314 293液膜吸收系數(shù)kL =0.0095 出 2.險(xiǎn)=0.0095過竺空aw JLlDl幾r 3.60.605 132.5 3.6998.2 5.2

31、9 10 衛(wèi)廣3.6X1.27 幻 08 丿I 998.2 丿1/3= 1.135m/h由 kGkGaw ：1.1查表5-4得T45kca 二 kGaw ：1.1=0. 0 30 77 0. 6 05 13 2.15 =1. 4c5n o 1(3. r7 1 h 七Pa“a 二w ;：0.4 = 1.135 0.605 132.5 1.450.4 =105.563/ h-58.6%50%Ufkca =由1 +9.5-0.5IIUfJ.41 .= 19.50.58 63=3.7112m(41. 8 4n9 h k/P a-0.5Uf-a = 1+2.622da15.563h106.806/KGa

32、 二二 _kGa HkLa1+4.849 0.0156 106.806=1. 2 4cmol3m h kPaH OG -Ky aaP94.841.240 101.325 6.364 一0.66亦3.4.3填料層高度的計(jì)算由 Z = H og Nog = 0.668 6.364 = 4.251m得 Z =1.3 4.251 =5.526m設(shè)計(jì)取填料層高度為Z =56m查表5-16，對于階梯環(huán)填料，建議分段高度得條件為h= 815, hmax =6m取詈9，則 h1200=10800mm計(jì)算得填料層高度為560mm,故不需分段。3.5填料塔附屬高度的計(jì)算塔的附屬高度主要包括塔的上部空間高度，安裝液

33、體分布器所需的空間高度，塔的底部空 間高度等。塔的上部空間高度是為使隨氣流攜帶的液滴能夠從氣相中分離出來而留取的高度，可取1.2m （包括除沫器高度）。設(shè)塔定液相停留時間為10s,則塔釜液所占空間高度為10 85348.310/ 3600 998.2 門一20.21m0.785 x1.22考慮到氣相接管的空間高度，底部空間高度取為0.5米，那么塔的附屬空間高度可以取為1.7m 吸收塔的總高度為7.3m.3.6液體分布器計(jì)算液體分布器可分為初始分布器和再分布器，初始分布器設(shè)置于填料塔內(nèi)，用于將塔頂液體 均勻的分布在填料表面上，初始分布器的好壞對填料塔效率影響很大，分布器的設(shè)計(jì)不當(dāng)，液 體預(yù)分布不

34、均，填料層的有效濕面積減小而偏流現(xiàn)象和溝流現(xiàn)象增加，即使填料性能再好也很 難得到滿意的分離效果。因而液體分布器的設(shè)計(jì)十分重要。特別對于大直徑低填料層的填料塔， 特別需要性能良好的液體分布器。液體分布器的性能主要由分布器的布液點(diǎn)密度（即單位面積上的布液點(diǎn)數(shù)），各布液點(diǎn)均勻性，各布液點(diǎn)上液相組成的均勻性決定，設(shè)計(jì)液體分布器主要是決定這些參數(shù)的結(jié)構(gòu)尺寸。 對液體分布器的選型和設(shè)計(jì)，一般要求：液體分布要均勻；自由截面率要大；操作彈性大；不 易堵塞，不易引起霧沫夾帶及起泡等；可用多種材料制作，且操作安裝方便，容易調(diào)整水平。液體分布器的種類較多，有多種不同的分類方法，一般多以液體流動的推動力或按結(jié)構(gòu)形式分

35、。若按流動推動力可分為重力式和壓力式，若按結(jié)構(gòu)形式可分為多孔型 和溢流型。其中，多孔型液體分布器又可分為：蓮蓬式噴灑器、直管式多孔分布器、排管式多 孔型分布器和雙排管式多孔型分布器等。溢流型液體分布器又可分為：溢流盤式液體分布器和 溢流槽式液體分布器。根據(jù)本吸收的要求和物系的性質(zhì)可選用重力型排管式液體分布器，布液孔數(shù)應(yīng)應(yīng)依所用填 料所需的質(zhì)量分布要求決定，噴淋點(diǎn)密度應(yīng)遵循填料的效率越所需的噴淋點(diǎn)密度越大這一規(guī)律 11O3.6.1液體分布器的選型該吸收塔液相負(fù)荷較大，而氣相負(fù)荷相對較小，故選用槽式液體分布器。3.6.2布液孔數(shù)的計(jì)算2按Eckert建議值，D -1200時，噴淋點(diǎn)密度為42點(diǎn)/m

36、，因該塔液相負(fù)荷較大，設(shè)計(jì)取噴淋2點(diǎn)密度為120點(diǎn)/m布液點(diǎn)數(shù)為2n =0.785 1.2120 =135.6 T36 點(diǎn)按分布點(diǎn)幾何均勻與流量均勻的原則，進(jìn)行布點(diǎn)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)結(jié)果為：二級槽共七道，在槽側(cè)面 開孔，槽寬度為80mm，槽高度為210mm，兩槽中心距為160mm。分布點(diǎn)采用三角形排列， 實(shí)際設(shè)計(jì)布點(diǎn)數(shù)n = 132點(diǎn)。363布液計(jì)算。顯冷6mm取4 85348.31/ 998.2 36003.14 136 0.58,2 9.81 0.161/2= 0.0 1 5設(shè)計(jì)取d0 =15mm3.7其他附屬塔內(nèi)件的選擇3.7.1填料支承裝置的選擇填料支承裝置的作用是支承填料以及填料層內(nèi)液體的重

37、量，同時保證氣液兩相順利通過。支承若設(shè)計(jì)不當(dāng)，填料塔的液泛可能首先發(fā)生在支承板上。為使氣體能順利通過， 對于普通填料塔，支承件上的流體通過的自由截面積為填料面的50%以上，且應(yīng)大于填料的空隙率。此外，應(yīng)考慮到裝上填料后要將支承板上的截面堵去一些，所以設(shè)計(jì)時應(yīng)取盡可能大的 自由截面。自由截面太小，在操作中會產(chǎn)生攔液現(xiàn)象。增加壓強(qiáng)降，降低效率，甚至形成液泛。由于填料支承裝置本身對塔內(nèi)氣液的流動狀態(tài)也會產(chǎn)生影響，因此作為填料支承裝置，除考慮 其對流體流動的影響外，一般情況下填料支承裝置應(yīng)滿足如下要求：（1）足夠的強(qiáng)度和剛度，以支持填料及所持液體的重量（持液量），并考慮填料空隙中的持液量，以及可能加于

38、系統(tǒng)的壓力波動，機(jī)械震動，溫度波動等因素。足夠的開孔率（一般要大于填料的空隙率），以防止首先在支撐處發(fā)生液泛；為使氣體能順利 通過，對于普通填料塔，支承件上的流體通過的自由截面積為填料面的50%以上，且應(yīng)大于填料的空隙率。此外，應(yīng)考慮到裝上填料后要將支承板上的截面堵去一些，所以設(shè)計(jì)時應(yīng)取盡可 能大的自由截面。自由截面太小，在操作中會產(chǎn)生攔液現(xiàn)象。增加壓強(qiáng)降，降低效率，甚至形 成液泛12 o結(jié)構(gòu)上應(yīng)有利于氣液相的均勻分布，同時不至于產(chǎn)生較大的阻力（一般阻力不大于20Pa）;結(jié)構(gòu)簡單，便于加工制造安裝和維修。要有一定的耐腐蝕性。因梁型氣體噴射式支承板可提供超過 90%的自由截面，保證氣體通量大，阻

39、力小，故選用梁型 噴射式支承板。支持板外徑1116mm，分塊數(shù)4,支承圈寬度50，支承圈厚度10,近似重量400n.3.7.2填料壓緊裝置為保證填料塔在工作狀態(tài)下填料床能夠穩(wěn)定，防止高氣相負(fù)荷或負(fù)荷突然變動時填料層發(fā)生松 動，破壞填料層結(jié)構(gòu)，甚至造成填料損失，必須在填料層頂部設(shè)置填料限定裝置。填料限定可分為類：一類是將放置于填料上端，僅靠自身重力將填料壓緊的填料限定裝置，稱為填料壓板;一類是將填料限定在塔壁上，稱為床層限定板。填料壓板常用于陶瓷填料，以免陶瓷填料發(fā)生 移動撞擊，造成填料破碎。床層限定板多用于金屬和塑料填料，以防止由于填料層膨脹，改變 其開始堆積狀態(tài)而造成的流體分布不均勻的現(xiàn)象。

40、一般要求壓板和限制板自由截面分率大于 70%。本任務(wù)由于使用聚丙烯填料，故選用床層限定板。3.7.3塔頂除霧器由于氣體在塔頂離開填料塔時，帶有大量的液沫和霧滴，為回收這部分液相，經(jīng)常需要在頂設(shè) 置除沫器。常用的除沫器有以下幾種：折流板式除沫器，它是一種利用慣性使液滴得以分離的 裝置，一般在小塔中使用。旋流板式除沫器，由幾塊固定的旋流板片組成，氣體通過時，產(chǎn)生 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，造成一個離心力場，液滴在離心力作用下，向塔壁運(yùn)動實(shí)現(xiàn)了氣液分離。適用于大 塔徑凈化要求高的場合。絲網(wǎng)除沫器，它由金屬絲卷成高度為100-150的盤狀使用。安裝方式多種多樣，氣體通過除霧沫器的壓強(qiáng)降約為120-250Kp，絲網(wǎng)除沫

41、器的直徑由氣體通過絲網(wǎng)的最大氣速決定14。根據(jù)本吸收特點(diǎn)及要求，本吸收操作選用金屬絲網(wǎng)除沫器。絲網(wǎng)除霧器的設(shè)計(jì)計(jì)算如下：u = K _ ：G =2.79m/sV PgDr直徑J 4 X 0.67= 0.55m3.14 2.793.8吸收塔的流體力學(xué)參數(shù)計(jì)算3.8 . 1吸收塔的壓力降氣體通過填料塔的壓強(qiáng)降，對填料塔影響較大。如果氣體通過填料塔的壓強(qiáng)降大，則操作過程 的消耗動力大，特別是負(fù)壓操作更是如此，這將增加塔的操作費(fèi)用。氣體通過填料塔的壓力降 主要包括氣體進(jìn)入填料的進(jìn)口及出口壓力降，液體分布器及再分布器的壓力降，填料支撐及壓 緊裝置壓力降以及除沫器壓力降等。(1) 填料層壓降的計(jì)算可以利用

42、Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算壓強(qiáng)降；89614 過 j1.2793223.08998.2橫坐標(biāo)為-0.996又查表5-18得，p =116m4縱坐標(biāo)UP V | 0.2g江L查圖5-18得2 0 20.592116 1.277 10.00539.81 998.2.P/Z =117.72Pa/m填料層壓降為八卩=117.72 5.6 =659.23Pa(2) 氣體進(jìn)出口壓力降氣體出口壓降取接管內(nèi)徑250mm2400/3600“，u2 =13.7m/s0.785 0.2521 2 1 2 AR = Pu2 = x 1.277 x13.72 =119.84Pa 則進(jìn)口壓降為22P2 二1 R =0.5

43、 119.84 =59.92Pa出口壓降2(3) 其它塔內(nèi)件的壓力降 P較小，在此可忽略所以總壓為 P = P P R = 659.23 119.8459.92 = 838.99Pa3.8.2吸收塔的泛點(diǎn)率u泛點(diǎn)率校核UF0.591.007100% =58.6%(允許范圍內(nèi))3.8.3氣體動能因子吸收塔內(nèi)氣體動能因子為F =Ui 兀=0.59177 =0.667m/s(kg/m3)0.5氣體動能因子在常用的范圍內(nèi)。3.9附屬設(shè)備的計(jì)算與選擇 3.9.1離心泵的選擇與計(jì)算取液體流速為u=2.0m/sd =0.01881 L據(jù)根管材規(guī)范,0.5u 5亠5 =0.01881 85348.3105 2

44、.0 5 998.2亠5 = 0.123m =123mm該直徑d應(yīng)該選133mm 4.0mm熱軋無縫鋼管，內(nèi)徑為125mm實(shí)際流速4 0.02423.14 0.125二 1.96m/ s原料泵的選擇H ：Z壓頭+ 瓦 HJ +送 Hf22g12又 Z = 5.6m ：P Y Pf =838.99PaRed” O.125 196 8.2 =244559 40000.001（湍流）取管壁絕對粗糙度；=0.3mm, :/d = 0.3/125 = 0.00240 .024u2l0.024 1.962 82dg2 0.125 9.81 0.3m選2個90彎頭，2個截止閥全開。Hf2 二u2-2g二 0

45、.75 2 6.4 22.8m27.81也u2838 99、HJ Hf2 = 5.60.3 2.8 二 8.8m.2g998.2 9.8123VLd u =0.785 0.125 1.96 3600 =86.5m/h流量 4由于本設(shè)計(jì)中吸收劑使用的是水，因而，采用清水泵（可用于輸送各種工業(yè)用水以及物理性質(zhì)、 化學(xué)性質(zhì)類似于水的其他液體）既簡單又使用。通過計(jì)算可知，吸收塔所要求的壓頭不是很高, 所以采用普通的單級單吸式即可，本設(shè)計(jì)中選用的型號為 IS125-100-200其具體參數(shù)如下：轉(zhuǎn)速n/(r/mi n)流量/m3/ h揚(yáng)程H/m效率/%軸功 率/kW電機(jī)功率/kW必須汽蝕余量（NUSH）

46、r/m質(zhì) 量（泵/底 座）/kg145010012.5764.487.52.5100/663.9.2吸收塔主要接管尺寸選擇與計(jì)算氣體管路直徑：氣體進(jìn)入塔內(nèi)的流速一般為1018m/s,常壓塔氣體進(jìn)出口管速度可取 1020m/s高壓塔氣速低 于此值。為了防止突然擴(kuò)大引起的壓頭損失，所以取氣體流速為u=18m/s。dV =0.01881 V0.5u.5 凡皿=0.01 881 3064.80.5 1 8恥 1.277皿=0.217m據(jù)根管材規(guī)范，取管徑為： 271.6mm 108mm，內(nèi)徑為250mm4 2400/3600,u =廠=13.7m/ s實(shí)際流速 3.14 0.252（2）液體進(jìn)口裝置對

47、于直徑1.5mm以下的塔，管口末端可制成向下的喇叭形擴(kuò)大口，防止淋下的液體進(jìn)入管內(nèi)， 同時還要使氣體分散均勻。（3）氣體出口裝置氣體的出口裝置，要求既能保證氣體暢通又要盡量除去被夾帶的液沫，在氣體出口前加裝除液 沫擋板。當(dāng)氣體夾帶較多霧滴時，需另裝除沫器（4）液體管路直徑取液體流速u =2m/s0.5 _0 5 r -0.50 50 50 5dL =0.01881u - L =0.01881 85348.312998.2=0.123m據(jù)根管材規(guī)范，取管徑為：133mm 4mm，其內(nèi)徑為125mm。（5）液體進(jìn)口裝置液體進(jìn)口管應(yīng)直接通向噴淋裝置，可選用直管。液體出口裝置為了便于塔內(nèi)液體排放，保證

48、塔內(nèi)有一定液圭寸裝置高度而設(shè)計(jì)，并能防止氣體短路。工藝設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果匯總與主要符號說明吸收塔的吸收劑用量計(jì)算總表 表-1項(xiàng)目符號數(shù)值與計(jì)量單位混合氣體處理量V2400 m3/h氣液相平衡常數(shù)m35.04進(jìn)塔氣相摩爾比一 10.0526出塔氣相摩爾比-20.00263進(jìn)塔液相摩爾分率X20出塔液相摩爾分率Xi0.001最小液氣比L/G33.29混合氣體的平均摩爾質(zhì)量M Vm30.706 g1.277kg m混合氣體的平均密度? Vm吸收劑用量L4736.31 kmO h氣相質(zhì)量流量-V3064.8kg/h液相質(zhì)量流量-L85348.31kg/h塔設(shè)備計(jì)算總表表-2項(xiàng)目符號古匕冷丄且角/A-數(shù)值與計(jì)

49、量單位塔徑D1.2 m填料層高度h5.6m填料塔上部空間高度hi1.2 m填料塔下部空間高度h20.5 m塔附屬高度h31.7m塔高Ha7.3 m傳質(zhì)單兀咼度H OG0.668 m傳質(zhì)單元數(shù)N OG6.364m布液孔數(shù)n136點(diǎn)總壓降Pf838.99 Pa空塔氣速u0.59 m S泛點(diǎn)率u Uf58.6%填料計(jì)算總表表-3項(xiàng)目符號古匕冷丄且角/A-數(shù)值與計(jì)量單位填料直徑d38 mm泛點(diǎn)填料因子S170 m，填料臨界表面張力-c33 dyn. cm主要符號說明表-4符號意義計(jì)量單位A吸收因子或填料常數(shù)一at填料的比表面積m2 /m3Dl20C 101.3Kpa水中擴(kuò)散系數(shù)m2/ hD g塔徑重力

50、加速度mm s2G氣體摩爾流速kmol h或 kg hh填料層高度mH總塔高mH OG氣相總傳質(zhì)單兀咼度mKg氣體膜吸收系數(shù)kmol m2 h KPaKl液膜吸收系數(shù)kmol m2 h KPaL液相摩爾流速kmol. hm相平衡常數(shù)一N OG氣相總傳質(zhì)單元數(shù)一P壓力降PaP壓力PaPf吸收塔的總壓力降PaUf泛點(diǎn)氣速m /su氣體流速m /sVl液相體積流量m / sVs氣相體積流里m /s-L液體質(zhì)量流量kg sV氣體質(zhì)量流量kg sX液相中溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)一Y氣相中溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)一液體密度kg /m3G氣體密度kg /m3Ug混合氣的粘度Pa s水的粘度Pa sz空隙率%-c填料材質(zhì)的臨界表

51、面張力kg h2-L水的表面張力kg h2aw填料的潤濕比表面積m2 /m3p壓降填料因子-1 mF氣體動能因子m s kg m3M摩爾質(zhì)量kg kmolY氣相摩爾比一E亨利系數(shù)KPaH溶解度系數(shù)kmol. m3 KPaU min最小噴淋密度m3/(m2 h)最小潤濕速率m3/ (m h )U液體噴淋密度m3.m hUg氣體的質(zhì)量通量kg m2 hUl液體的質(zhì)量通量kg m2 hS脫吸因子（解吸因子）一n布液點(diǎn)數(shù)占八、開孔系一開孔上方的液位高度mdo孔徑mLs液體流量m3. sf泛點(diǎn)率一設(shè)計(jì)過程的評述和有關(guān)問題的討論對吸收單元的操作型設(shè)計(jì)與計(jì)算，在工業(yè)生產(chǎn)中起著非常重要的作用，要求也很嚴(yán)格，設(shè)計(jì)合 理與實(shí)用性好是必須的。為使化工生產(chǎn)更加便捷，操作費(fèi)用低廉，有些工藝材質(zhì)需要加以改進(jìn)，如塔填料。同時也要注 意相關(guān)附屬設(shè)備的選擇，如選泵，要