化工原理課程設(shè)計——30℃時水吸收二氧化硫填料塔的設(shè)計

1、課程設(shè)計報告題目：處理量為1000m3/h清水吸收二氧化硫填料吸收塔設(shè)計系 別： 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)班級： 環(huán)境工程11（2）班 姓 名： 陳 新 林 學(xué) 號： 3111007481 指導(dǎo)教師： 鄭 育 英 （課程設(shè)計時間：2013年12月30日2014年1月5日）廣東工業(yè)大學(xué) 目 錄1課程設(shè)計目的12課程設(shè)計題目描述和要求 13課程設(shè)計報告內(nèi)容43.1 基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)43.1.1 液相物性數(shù)據(jù)43.1.2 氣相物性數(shù)據(jù)5氣液相平衡數(shù)據(jù)6物料衡算673.3.1 塔徑的計算83.3.2泛點率校核： 83.3.3填料規(guī)格校核：93.3.4液體噴淋密度得校核：93.4 填料層高度的計算93.4.

2、1 傳質(zhì)單元數(shù)的計算9 10113.5 填料塔附屬高度的計算113.6 液體分布器計算12液體分布器的選型12133.7 其他附屬塔內(nèi)件的選擇13填料支承裝置的選擇13填料壓緊裝置16塔頂除霧器17吸收塔的流體力學(xué)參數(shù)計算171 吸收塔的壓力降173.8.2 吸收塔的泛點率183.8.3 氣體動能因子183.9 附屬設(shè)備的計算與選擇183.9.1 離心泵的選擇與計算18吸收塔主要接管尺寸選擇與計算22工藝設(shè)計計算結(jié)果匯總與主要符號說明244總結(jié)26參考文獻(xiàn) 271. 課程設(shè)計目的化工原理課程設(shè)計是學(xué)生學(xué)過相關(guān)基礎(chǔ)課程及化工原理理論與實驗后，進(jìn)一步學(xué)習(xí)化工設(shè)計的基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)工程設(shè)計能力的重要教

3、學(xué)環(huán)節(jié)。通過該環(huán)節(jié)的實踐，可使學(xué)生初步掌握單元操作設(shè)計的基本程序與方法，得到工程設(shè)計能力的基本鍛煉。化工原理課程設(shè)計是以實際訓(xùn)練為主的課程，學(xué)生應(yīng)在過程中收集設(shè)計數(shù)據(jù)，在教師指導(dǎo)下完成一定的設(shè)備設(shè)計任務(wù)，以達(dá)到培養(yǎng)設(shè)計能力的目的。單元過程及單元設(shè)備設(shè)計是整個過程和裝備設(shè)計的核心和基礎(chǔ)，并貫穿于設(shè)計過程的始終，從這個意義上說，作為相關(guān)專業(yè)的本科生能夠熟練地掌握典型的單元過程及裝備的設(shè)計過程和方法，無疑是十分重要的。2課程設(shè)計題目描述和要求2.1 設(shè)計題目描述(1) 設(shè)計題目二氧化硫填料吸收塔及周邊動力設(shè)備與管線設(shè)計(2) 設(shè)計內(nèi)容根據(jù)所給的設(shè)計題目完成以下內(nèi)容：(1)設(shè)計方案確定； (2)相關(guān)衡

4、算； (3)主要設(shè)備工藝計算； (4)主要設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計與算核；(5)輔助（或周邊）設(shè)備的計算或選擇；(6)制圖、編寫設(shè)計說明書及其它。(3) 原始資料設(shè)計一座填料吸收塔，用于脫除廢氣中的SO2，廢氣的處理量為1000m3/h，其中進(jìn)口含SO2為2%（摩爾分率），采用清水進(jìn)行逆流吸收。要求塔吸收效率達(dá)98%。吸收塔操作條件：常壓：101.3Kpa；恒溫，氣體與吸收劑溫度：303K清水取自1800米外的湖水。示意圖參見設(shè)計任務(wù)書。設(shè)計滿足吸收要求的填料塔及附屬設(shè)備；選擇合適的流體輸送管路與動力設(shè)備（求出揚程、選定型號等），并核算離心泵安裝高度。2.2 設(shè)計要求設(shè)計時間為一周。設(shè)計成果要求如下：1.

5、 完成設(shè)計所需數(shù)據(jù)的收集與整理2. 完成填料塔的各種計算3. 完成動力設(shè)備及管線的設(shè)計計算4. 完成填料塔的設(shè)備組裝圖5. 完成設(shè)計說明書或計算書（手書或電子版打印均可）目錄、設(shè)計題目任務(wù)、氣液平衡數(shù)據(jù)、L/G、液泛速度、塔徑、KYa（或KXa的計算、HOL、NOL的計算、動力設(shè)備計算過程（包括管徑確定）等。3課程設(shè)計報告內(nèi)容吸收塔的工藝計算3.1 基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)3.1.1 液相物性數(shù)據(jù)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，30時水的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度【1】黏度【1】表面張力為【1】SO2在水中的擴(kuò)散系數(shù)為【1】3.1.2 氣相物性數(shù)據(jù)混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為Kg

6、/mol【1】 Kg/mol【1】kg/kmol混合氣體的密度為混合氣體的黏度可近似取為空氣的黏度，查資料【1】得30空氣的黏度為【1】查得SO2在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為【1】查資料【5】：CA (kmol/m3)H (kmol/kpa*m3)y(kpa)CA-30度時二氧化硫在水中的平衡濃度，單位為kmol/m3-30度時二氧化硫在水中溶解平衡時的摩爾分?jǐn)?shù)H-30度時二氧化硫在水中達(dá)到平衡時的溶解度系數(shù)，單位為kmol/kpa*m3y-30度時氣相中二氧化硫的摩爾分?jǐn)?shù)-30度時氣相中二氧化硫的平衡分壓，單位為 kpa由以上的y和x，以x的值為橫坐標(biāo)，y的值為縱坐標(biāo)作平衡曲線，如圖1.1：進(jìn)口氣體

7、的體積流量G'=1000m3/h 二氧化硫的摩爾分?jǐn)?shù)為y1=0.09 進(jìn)塔氣相摩爾比為 Y1=y1/1-y1效率出塔氣相摩爾比 Y2=進(jìn)塔惰性氣相流量 G=(G'/22.4)(1-y1)273/303=(1000/22.4)(1-0.09)空氣的體積流量 VG=G'(1-y1)=10000.91=910m3/h出口液體中溶質(zhì)與溶劑的摩爾比 X2=01 =0.00252 對應(yīng)的液相中溶質(zhì)與溶劑的摩爾比為最小液氣比 【1】取液氣比 【1】故 L=G操作線方程： 【1】 代入數(shù)據(jù)得：該流程的操作壓力及溫度適中，避免二氧化硫腐蝕，故此選用型的塑料鮑爾環(huán)填料。其主要性能參數(shù)為：比

8、表面積 【4】 空隙率 【4】形狀修正系數(shù) =1.45【4】填料因子平均值 =232 m【4】A=0.0942 【4】 K=1.75【4】3.3.1 塔徑的計算吸收液的密度近似看成30度水的密度：30度時空氣的密度 【1】 【1】采用Eckert關(guān)聯(lián)式計算泛點氣速：氣相質(zhì)量流量為：液相質(zhì)量流量為：選用型的塑料鮑爾環(huán) A=0.0942 【4】 K=1.75【4】【4】代入數(shù)值得：取空塔氣速：塔徑【1】 則算得3.3.2泛點率校核：3.3.3填料規(guī)格校核：【4】3.3.4液體噴淋密度校核：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Mor

9、ris等推薦，d<75mm的環(huán)形及其它填料的最小潤濕速率（）min為最小噴淋密度噴淋密度經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用D=900mm合理。3.4 填料層高度的計算3.4.1 傳質(zhì)單元數(shù)的計算由圖1.1曲線可以讀出以下9個點所對應(yīng)的y和x：點數(shù)序號yYX*X89%78%67%56%45%34%23%12%00.457%0由辛普森積分法有：m-與y對應(yīng)的平衡液相中的溶質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)-與Y對應(yīng)的平衡液相中的溶質(zhì)與溶劑的摩爾比-傳質(zhì)單元數(shù)，單位 m查資料【5】有：氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計算：液體質(zhì)量通量氣體質(zhì)量通量 氣膜吸收系數(shù)： 液膜吸收系數(shù)：由填料有效高度?。篫設(shè)計取填料層高度

10、為 3.5 填料塔附屬高度的計算塔的附屬高度主要包括塔的上部空間高度，安裝液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3.6 液體分布器計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)計不當(dāng)，液體預(yù)分布不均，填料層的有效濕面積減小而

11、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密度（即單位面積上的布液點數(shù)），各布液點均勻性，各布液點上液相組成的均勻性決定，設(shè)計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，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。若按流動推動力可分為重力式和壓力式

12、，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，噴淋點密度應(yīng)遵循填料的效率越所需的噴淋點密度越大這一規(guī)律。時，建議采用盤式分布器（篩孔式）液體分布器的選擇：按Eckert建議值，按分布點幾何均勻與流量均勻的原則，進(jìn)行布點設(shè)計。設(shè)計結(jié)果為：盤式分布器（篩孔式）：【5】分布盤直徑：600mm【5】分布盤厚度：4mm【5】由取設(shè)計取3.7

13、 其他附屬塔內(nèi)件的選擇填料支承裝置的作用是支承填料以及填料層內(nèi)液體的重量，同時保證氣液兩相順利通過。支承若設(shè)計不當(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） 足夠的強度和剛度，以支持填料

14、及所持液體的重量（持液量），并考慮填料空隙中的持液量，以及可能加于系統(tǒng)的壓力波動，機械震動，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。增加壓強降，降低效率，甚至形成液泛12。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。因柵板支承板

15、結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，滿足題目各項要求，故選用柵板支承板。柵板兩塊 查資料【5】(單位：mm)DRt88044025柵板1：（單位：mm）連接板長度270880102507270柵板2：（單位：mm）連接板長度303102509260如圖：支承板支撐圈兩塊 查資料【5】厚度（mm）8947948升氣管式再分布器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。

16、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。一般要求壓板和限制板自由截面分率大于70%。本任務(wù)由于使用塑料填料，故選用床層限定板。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。根據(jù)本吸收塔的特點，此處用絲網(wǎng)除霧器：3.81 吸收塔的壓力降氣體通過填料塔的壓強降，對填料塔影響較大。如果氣體通過填料塔的壓強降大，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

17、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。填料層壓降的計算 可以利用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計算壓強降；橫坐標(biāo)為又查散裝填料壓降填料因子平均值其它塔內(nèi)件的壓力降較小，在此可忽略3.8.2 吸收塔的泛點率校核泛點率3.8.3 氣體動能因子吸收塔內(nèi)氣體動能因子為氣體動能因子在常用的范圍內(nèi)。3.9 附屬設(shè)備的計算與選擇3.9.1 離心泵的選擇與計算原料泵的選擇對1-1和2-2截面列伯努力方程得：選用IS80-65-125型泵【1】汽蝕余量：3.03.5m【1】30度時水的飽和蒸汽壓由于本設(shè)計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

18、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)計中選用的型號為IS125-100-200,其具體參數(shù)如下：轉(zhuǎn)速n/(r/min)流量/m3/h揚程H/m效率軸功率/kW電機功率/kW必須汽蝕余量質(zhì)量（泵/底座）/kg145010076100/66遠(yuǎn)處泵和管路的設(shè)計及計算90度彎頭三個,進(jìn)水管伸進(jìn)水里鋼管絕對粗糙度:（1）進(jìn)氣管(管的末端可制成向下的喇叭形擴(kuò)大口）取氣體流速u=15m/s=54000m/h（2）液體出口裝置以下的塔，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

19、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據(jù)根管材規(guī)范，選擇熱軋無縫鋼管，取管徑為：其內(nèi)徑為81。（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，保證塔內(nèi)有一定液封裝置高度而設(shè)計，并能防止氣體短路。（6）封頭工藝設(shè)計計算結(jié)果匯總與主要符號說明 吸收塔的吸收劑用量計算總表 表-1項目符號數(shù)值與計量單位混合氣體處理量1000進(jìn)塔氣相摩爾比0.0989 出塔氣相摩爾比進(jìn)塔液相摩爾分率0 出塔液相摩爾分率0.00253 最小液氣比混合氣體

20、的平均摩爾質(zhì)量混合氣體的平均密度吸收劑用量氣相質(zhì)量流量液相質(zhì)量流量 塔設(shè)備計算總表 表-2項目符號數(shù)值與計量單位塔徑D填料層高度填料塔上部空間高度填料塔下部空間高度塔附屬高度塔高Z傳質(zhì)單元高度傳質(zhì)單元數(shù)總壓降空塔氣速0.437 泛點率填料計算總表 表-3項目符號 數(shù)值與計量單位填料直徑25泛點填料因子232填料臨界表面張力 主要符號說明 表-4符號意義數(shù)值與計量單位吸收因子或填料常數(shù)填料的比表面積20930S30S重力加速度氣體摩爾流速氣體膜吸收系數(shù)液膜吸收系數(shù)液相摩爾流速泛點氣速氣體流速液相體積流量氣相體積流量液體質(zhì)量流量氣體質(zhì)量流量液體密度/混合氣體密度/混合氣的粘度水的粘度空隙率90%填

21、料材質(zhì)的臨界表面張力水的表面張力填料的潤濕比表面積氣體動能因子最小噴淋密度最小潤濕速率液體噴淋密度氣體的質(zhì)量通量液體的質(zhì)量通量4總結(jié)剛開始看到這個設(shè)計題目時，老師給我們講了一下設(shè)計中的一些過程，但自己腦袋里幾乎是一片空白，不知道如何下手。向周圍的同學(xué)詢問她們的見解，大家的反應(yīng)好像都一樣茫然！同學(xué)們在一起討論，應(yīng)該怎么做？我們先是反復(fù)閱讀設(shè)計任務(wù)，然后查看課本，去辦公室問老師，經(jīng)過這些步驟后，頭腦里漸漸有了設(shè)計過程的一個輪廓，盡管不是太清楚，但已經(jīng)知道具體應(yīng)該做些什么。在以后的日子里，我的生活就是和同學(xué)就去圖書館查資料，去用電腦完成文字部分的輸入。但是在計算過程中，出現(xiàn)了不少問題。在選擇數(shù)據(jù)時，

22、因為沒有經(jīng)驗，費了好多時間，計算完成后發(fā)現(xiàn)不合理，這時就得回到原點，再從新選擇，再計算。說實話，出現(xiàn)這種情況很氣人，后悔選擇了原來不合適的數(shù)據(jù)，有一種“走錯一步，全盤皆輸”的感覺。這時候就用一句“人生豪邁，大不了從頭再來”來激勵自己！當(dāng)其他同學(xué)也有同樣的感覺時，用這句話也很管用。它幾乎成了激勵我們繼續(xù)走下去滅火劑。遇到問題時，我們不再煩躁，而是靜下心來，想出解決問題的方法。我是體會最深的一個，因為就在我計算問題完成后，接近大功告成時，我的U盤丟了！這事要是在放在以前，我肯定會抱怨，會煩躁不安，那是自己的多大心血??！經(jīng)歷了那么多后，我的心漸漸的平靜下來，連同學(xué)都懷疑我為什么能那么淡定。當(dāng)我找完它

23、所有可能純在的地方后，就決定再重新做一份，對我來說，這是最好的補救方法。在短短的兩周里，我真實的體會到理論與實踐結(jié)合的困難，也學(xué)到了用所學(xué)的有限的理論知識去解決實際過程中的問題的不易。在初步設(shè)計的時候，由于二氧化硫在30度的時候的溶解度曲線不是一條直線，而是一條曲線，而在計算相關(guān)參數(shù)的時候用亨利定律只能計算溶解度曲線是直線的情形，所以不能用亨利定律來計算相關(guān)參數(shù)。我們不得不通過查找文獻(xiàn)來尋找30度時候二氧化硫的溶解度時及在各個溶解度點的時候的平衡分壓，然后在坐標(biāo)紙上準(zhǔn)確的作出這么一條曲線。通過這條曲線找到在進(jìn)氣口處氣體中含有百分之九的二氧化硫的時候，對應(yīng)的吸收擠中二氧化硫的平衡摩爾分?jǐn)?shù)，從而確定平均溶解度系數(shù)。在設(shè)計過程中我慢慢發(fā)現(xiàn)吸收單元的操作型設(shè)計與計算，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)計合理與實用性好是必須的。為使化工生產(chǎn)更加便捷，操作費用低廉，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，要從多方面考慮，管道的直徑，管中流速，流量等。任務(wù)的完成過程是艱辛的，也是快樂的。艱辛是由于缺少這方