化原課程設計二氧化硫吸收塔

1、化工原理課程設計 題目：SO2氣體吸收塔的設計 系別：化學與環(huán)境工程學院 專業(yè)：過程裝備與控制工程 姓名： 楊 天 賜 學號： 122209104136 指導老師： 劉 紅 嬌 2015年 6 月 22 日目錄一 設計任務書二 設計方案簡介三 工藝計算一 設計任務書（一）設計題目水吸收SO2過程填料吸收塔的設計：試設計一座填料吸收塔，用于脫除混合氣體(先冷卻)中的SO2，其余為惰性組分，采用清水進行吸收?；旌蠚怏w的處理量m3/h3000入塔混合氣含SO2（體積分數(shù)）4%出塔混合氣含SO2（體積分數(shù)）0.14%平衡線方程（二）操作條件（1）操作壓力 常壓 （2）操作溫度 20（三）設計內(nèi)容（1）

2、流程的選擇：本流程選擇逆流操作；（2）工藝計算： 吸收劑量求取、 操作線方程式、 填料塔徑求取、填料層高度、 最小潤濕速度求取及潤濕速度的選取、單位填料層壓降的求取、吸收塔高度等的計算；（3）附件選型：液體分布，分布器及再分布器、支座等的選型；（4）編寫設計說明書和設計結(jié)果一覽表，繪制填料塔的工藝條件圖。二 設計方案簡介2.1方案的確定2.1.1裝置流程的確定本流程選擇逆流操作。2.1.2吸收劑的選擇吸收劑為清水2.1.3操作溫度與壓力的確定（1）操作壓力 常壓 （2）操作溫度 202.2填料的類型與選擇對于水吸收SO2的過程，操作溫度及操作壓力較低，工業(yè)上通常選用塑料散裝填料。本流程選用N3

3、8塑料鮑爾環(huán)填料。2.3設計步驟本課程設計從以下幾個方面的內(nèi)容來進行設計：（1）吸收塔的物料衡算；（2）填料塔的工藝尺寸計算；主要包括：塔徑，填料層高度，填料層壓降；（3）設計液體分布器及輔助設備的選型；（4）繪制有關吸收操作圖紙。三 工藝計算3.1基礎物性數(shù)據(jù)3.1.1 液相物性數(shù)據(jù) 20時水的有關物性數(shù)據(jù)如下： 密度為 L=998.2 kg/m3粘度為 µL=1.0050mPa·s表面張力為L=72.6×103 N/mSO2在水中的擴散系數(shù)為 DL=147×10-9m2/s=5.29×10-6m2/h（依Wilke-Chang計算，查化學工

4、程基礎）3.1.2 氣相物性數(shù)據(jù)設進塔混合氣體溫度為20，混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為 MVm=yiMi=0.04×64+0.96×29=30.4g/mol混合氣體的平均密度為Vm=1.2645kg/ m3混合氣體的粘度可近似取為空氣的粘度，查化工原理得20空氣的粘度為 V=1.81×105Pa·s查手冊得SO2在空氣中的擴散系數(shù)為 DV=1.08×10-5m2/s=0.039 m2/h3.1.3 氣液相平衡數(shù)據(jù)由手冊查得，常壓下20時SO2在水中的亨利系數(shù)為 E=3.55×103 kPa相平衡常數(shù)為 m=E/P=3.55×10

5、3/101.3=35.04溶解度系數(shù)為H=/EM=998.2/（3.55×103×18）=0.0156kmol/kN·m3.1.4 物料衡算（1）進塔混合氣中各組分的量塔平均操作壓強為101.3kPa，故：混合氣量3000××=124.79 kmol/h 混合氣SO2中量124.78×0.044.99 kmol/h4.99×64=319.44kg/h設混合氣中惰性氣體為空氣，則混合氣中空氣量124.78-4.99119.79kmol/h119.79×293473.88kg/h（2）混合氣進出塔的摩爾組成y1=0.0

6、4y2=0.0014（3）混合氣進出塔摩爾比組成進塔氣相摩爾比為Y1=0.04167出塔氣相摩爾比為Y2=0.001401963（4）出塔混合氣量出塔混合氣量=119.79÷（1-0.0014）=119.96kmol/h（5）吸收劑（水）的用量L該吸收過程屬低濃度吸收，平衡關系為直線，最小液氣比可按下式計算對于純?nèi)軇┪者^程，進塔液相組成為X2=0（）min=33.86取操作液氣比為 kmol/h(6)塔底吸收液組成X1(7)操作線方程依操作線方程3.2填料塔的工藝尺寸的計算3.2.1塔徑的計算采用Eckert通用關聯(lián)圖計算泛點氣速。氣相質(zhì)量流量為WV=3000×1.264

7、=3792 kg/h液相質(zhì)量流量可近似按純水的流量計算，即WL=5678.53×18=102213.45 kg/h其中：L =992.2 kg/m3 V =1.264 kg/m3g = 9.81 m/s2 µL=1.0050mPa·s（1）采用Ecekert通用關聯(lián)圖法計算泛點氣速uF。通用填料塔泛點和壓降的通用關聯(lián)圖如下：圖一填料塔泛點和壓降的通用關聯(lián)圖（引自化工原理）圖中 u0空塔氣速，m /s； 濕填料因子，簡稱填料因子，1 /m； 水的密度和液體的密度之比； g重力加速度，m /s2； V、L分別為氣體和液體的密度，kg /m3； WV、WL分別為氣體和液

8、體的質(zhì)量流量，kg /s。 此圖適用于亂堆的顆粒形填料，如拉西環(huán)、弧鞍形填料、矩鞍形填料、鮑爾環(huán)等，其上還繪制了整砌拉西環(huán)和弦柵填料兩種規(guī)整填料的泛點曲線。對于其他填料，尚無可靠的填料因子數(shù)據(jù)。Eckert通用關聯(lián)圖的橫坐標為 查圖一查得縱坐標值為 表一 散裝填料泛點填料因子平均值填料類型填料因子，1/mDN16DN25DN38DN50DN76金屬鮑爾環(huán)410117160金屬環(huán)矩鞍170150135120金屬階梯環(huán)160140塑料鮑爾環(huán)55028018414092塑料階梯環(huán)260170127瓷矩鞍1100550200226瓷拉西環(huán)1300832600410（ 化工原理課程設計附錄十一）查得：m

9、/s（2）操作氣速由以下公式計算塔徑：（化工原理課程設計） 對于散裝填料，其泛點率的經(jīng)驗值為u/uF=0.50.85取 u=0. 7uF=0.7×0.962=0.674m/s（3）塔徑由圓整塔徑，取D=l.2m。 （4）泛點率校核： （在允許范圍內(nèi)）（5）填料規(guī)格校核： （6）液體噴淋密度校核： 取最小潤濕速率為 （Lw）min=0.08 m3/m·h查填料手冊得 塑料階梯環(huán)比表面積at=130m2/m3Umin=（Lw）minat=0.08×130=10.4m3/ m2·h經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用D=1200mm合理。 3.2.2填料層高度計算(

10、1)傳質(zhì)單元數(shù)NOG解吸因數(shù)為:氣相總傳質(zhì)單元數(shù)為:（2）傳質(zhì)單元高度的計算氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關聯(lián)式計算查表二:常見材質(zhì)的臨界表面張力值材質(zhì)碳瓷玻璃聚丙烯聚氯乙烯鋼石蠟表面張力, mN /m56617333407520得 = 33 dyn/cm = 427680 kg/h2液體質(zhì)量通量為:氣膜吸收系數(shù)由下式計算：氣體質(zhì)量通量為:氣體質(zhì)量通量:液膜吸收系數(shù)由下式計算:查表三:常見填料塔的形狀系數(shù)填料類型球形棒形拉西環(huán)弧鞍開孔環(huán)值0.720.7511.191.45本設計填料類型為開孔環(huán) 所以 =1.45,則又因u/uF=76.6350需要按下式進行校正，即可得：則由（3）填料層高度的

11、計算由根據(jù)設計經(jīng)驗，填料層的設計高度一般為 Z(1.21.5)Z (4-19)式中 Z設計時的填料高度，m； Z 工藝計算得到的填料層高度，m。得: = 1.25×4.76= 5.95 m 設計取填料層高度為 查：表四 散裝填料分段高度推薦值填料類型h/DHmax/m拉西環(huán)2.54矩鞍586鮑爾環(huán)5106階梯環(huán)8156環(huán)矩鞍5156對于鮑爾環(huán)填料， ， （符合要求）故不需分段，填料層高度為6m。3.2.3填料層壓降計算采用Eckert通用關聯(lián)圖計算填料層壓降。橫坐標為: 表五 散裝填料壓降填料因子平均值填料類型填料因子, 1/mDN16DN25DN38DN50DN76 金屬鮑爾環(huán)30

12、6-11498- 金屬環(huán)矩鞍-13893.47136 金屬階梯環(huán)-11882- 塑料鮑爾環(huán)34323211412562 塑料階梯環(huán)-17611689-瓷矩鞍環(huán)700215140160-瓷拉西環(huán)1050576450288-查表得，p =114 m-1縱坐標為:查Eckert通用關聯(lián)圖得: P/Z = 90.55Pa/m填料層壓降為: P=90.55×6=543.3Pa四、輔助設備的計算及選型1. 除霧沫器穿過填料層的氣體有時會夾帶液體和霧滴，因此需在塔頂氣體排出口前設置除沫器，以盡量除去氣體中被夾帶的液體霧沫，SO2溶于水中易于產(chǎn)生泡沫為了防止泡沫隨出氣管排出，影響吸收效率，采用除沫裝

13、置，根據(jù)除沫裝置類型的使用范圍，該填料塔選取絲網(wǎng)除沫器。絲網(wǎng)除霧沫器：一般取絲網(wǎng)厚度H=100150 mm，氣體通過除沫器的壓降約為120250pa。通過絲網(wǎng)除沫器的最大速  實際氣速為最大氣速的0.750.8倍 所以實際氣速u=0.75×2.3277=1.75m/s2.液體分布器簡要設計（1） 液體分布器的選型該吸收塔液相負荷較大，而氣相負荷相對較低，故選用槽式液體分布器。（2）分布點密度計算表六 Eckert的散裝填料塔分布點密度推薦值塔徑,mm分布點密度,點/ m2塔截面D=400330D=750170D120042按Eckert建議值，因該塔液相負荷較大，

14、設計取噴淋點密度為120點/m2 。布液點數(shù)為n=0.785×1.22×120=135.6136點按分布點幾何均勻與流量均勻的原則，進行布點設計。設計結(jié)果為：二級槽共設七道，在槽側(cè)面開孔，槽寬度為80mm ，槽高度為210mm 。兩槽中心矩為 160mm 。分布點采用三角形排列，實際設計布點數(shù)為 n=132點.圖二 槽式液體分布器二級槽的布液點示意圖（3）布液計算由重力型液體分布器布液能力計算由式中 Ls液體流量，m3/s； n開孔數(shù)目(分布點數(shù)目)； 孔流系數(shù)，通常取0.550.60； d0孔徑，m ； H開孔上方的液位高度，m。 取=0.60， =160mm,則設計取液

15、體分布器的安裝一般高于填料層表面150300 mm (取決于操作彈性)，槽式分布器主槽分槽高度均取210mm，主槽寬度為塔徑的0.70.8，這里取塔徑的0.7，分槽寬度由液體量及停留時間確定，最低液位為50mm為宜，最高液位由操作彈性塔內(nèi)允許高度及造價確定，一般為200 mm 左右。2.液體再分布器-升氣管式液體再分布器在離填料頂面一定距離處，噴淋的液體便開始向塔壁偏流，然后沿塔壁下流，塔中心處填料的不到好的潤濕，形成所謂的“干錐體”的不正?，F(xiàn)象，減少了氣液兩相的有效接觸面積。因此每隔一定的距離設置液體再分布裝置，以克服此現(xiàn)象。由于塔徑為1100mm，因此可選用升氣管式再分布器，分布外徑118

16、0mm，升氣管數(shù)8。3 填料支承裝置填料支承結(jié)構(gòu)用于支承塔內(nèi)填料及其所持有的氣體和液體的重量之裝置。對填料的基本要求是：有足夠的強度以支承填料的重量;提供足夠的自由截面以使氣液兩相流體順利通過，防止在此產(chǎn)生液泛；有利于液體的再分布；耐腐蝕，易制造，易裝卸等。常用填料支承板有柵板式和氣體噴射式。這里選用分塊梁式支承板。4.填料限定裝置為防止在上升氣流的作用下填料床層發(fā)生松動或者跳動，需在填料層上方設置填料壓緊裝置。對于塑料散裝填料，本設計選用創(chuàng)層限制板。3氣體和液體的進出口裝置管道的公稱通徑758090100120130140160185205235260315（1）氣體和液體的進出口直徑的計算

17、由公式 Vs 為流體的體積流量，m3/su 為適宜的流體流速，m/s .常壓氣體進出口管氣速可取1020m/s；液體進出口速度可取0.81.5 m/s（必要時可加大）。選氣體流速為15 m/s 由VS=2000/3600=0.556 m3/s 代入上公式得d=217mm圓整之后，氣體進出口管徑為d=235mm選液體流速為2.0 m/s，由VS=3784.07×18.02（3600×997.1）=0.019m3/s 代入上公式得 d=110 mm,圓整之后液體進出口管徑為d=120 mm（2）底液出口管徑：選擇 d= 75 mm（3）泵的選型由計算結(jié)果可以選用：IS100-8

18、0-125型的泵（4）塔附屬高的確定塔的附屬空間高度主要包括塔的上部空間高度，安裝液體分布器和液體再分度器所需的空間高度，塔的底部空間高度以及塔的群坐高度。塔的上部空間高度是指塔填料層以上，應有一足夠的空間高度，以使隨氣流攜帶的液滴能夠從氣相中分離出來，該高度一般取1.2-1.5。安裝液體再分布器所需的塔空間高度依據(jù)所用分布器的形式而定一般需要1-1.5m的高度。塔的底部空間高度是指塔底最下一塊塔板到塔底封頭之間的垂直距離。該空間高度含釜液所占的高度及釜液面上方的氣液分離高度的兩部分。釜液所占空間高度的確定是依據(jù)塔的釜液流量以及釜液在塔內(nèi)的停留時間確定出空間容積，然后根據(jù)該容積和塔徑計算出塔釜

19、所占的空間高度。塔底液相液相停留時間按1min考慮，則塔釜液所占空間為考慮到氣相接管所占的空間高度，底部空間高度可取1.5米，所以塔的附屬空間高度可以取3.7米。（5）人孔公稱壓力公稱直徑密封面型標準號常壓450 mm平面(FS)HG21515-95五、設計結(jié)果匯總課程設計名稱水吸收SO2填料吸收塔的設計操作條件操作溫度 20攝氏度操作壓力：常壓物性數(shù)據(jù)液相氣相 液體密度 998.2 kg/m3混合氣體平均摩爾質(zhì)量30.4kg/kmol 液體粘度 3.22 kg/(m h)混合氣體的平均密度1.264kg/m3液體表面張力 940896Kg/h2 混合氣體的粘度 0.065kg/(mh) SO

20、2在水中的擴散系數(shù)5.29×10-6m2/hSO2在空氣中的擴散系數(shù)0.039m2/h 重力加速度1.27×108m/h氣相平衡數(shù)據(jù)SO2在水中的亨利系數(shù)E相平衡常數(shù)m溶解度系數(shù)H3.55×103 kpa35.040.0156kmol/kPa·m3物料蘅算數(shù)據(jù)Y1Y2X1X2氣相流量G液相流量L最小液氣比操作液氣比0.041620.00140.0008480119.79 kmol/ h 5678.53 kmol/ h33.8647.404工藝數(shù)據(jù)氣相質(zhì)量流量Kg/h液相質(zhì)量流量Kg/h塔徑氣相總傳質(zhì)單元數(shù)氣相總傳質(zhì)單元高度填料層高度填料層壓降 3792

21、102213.451.2m8.2230.579m6m543.3pa填料塔附件除沫器液體分布器 填料限定裝置填料支承板液體再分布器絲網(wǎng)式二級槽式 床層限制版分塊梁式 升氣管式六、工藝流程圖下圖是本設計的工藝流程簡圖圖二 工藝流程簡圖七、課程設計總結(jié)本次課程設計是在生產(chǎn)實習后進行的，是對化學工程的過程設計及設備的選擇的一個深層次的鍛煉，也是對實際操作的一個加深理解。在設計過程中遇到的問題主要有：（1）未知條件的選??；(2)文獻檢索的能力；（3）對吸收過程的理解和計算理論的運用；（4）對實際操作過程中設備的選擇和條件的最優(yōu)化；（5）對工藝流程圖的理解以及繪制簡單的流程圖和設備結(jié)構(gòu)；（6）還有一些其他

22、的問題，例如計算的準確度等等。當然，在本次設計中也為自己再次重新的復習化工這門學科提供了一個動力，對化工設計過程中所遇到的問題也有了一個更深的理解。理論和實際的結(jié)合也是本次設計的重點，為日后從事相關工作打下了一定的基礎。最后，深感要完成一個設計是相當艱巨的一個任務，如何細節(jié)的出錯都有可能造成實際操作中的經(jīng)濟損失甚至生命安全。八、主要符號說明at填料的總比表面積，m2/m3aW填料的潤濕比表面積，m2/m3d填料直徑，m；D塔徑，m；DL液體擴散系數(shù)，m2/s；Dv氣體擴散系數(shù)，m2/s ； ev液沫夾帶量,kg(液)/kg(氣)； g重力加速度，9.81 m/s2 ； h填料層分段高度，m； HETP關聯(lián)式常數(shù)； hmax允許的最大填料層高度，m； HB塔底空間高度，m； HD塔頂空間高度，m； HOG氣相總傳質(zhì)單元高度，m； kG氣膜吸收系數(shù)，kmol/(m2·s·kPa)； kL液膜吸收系數(shù)，m/s； KG氣相總吸收系數(shù)，kmol/(m2·s·