清水吸收二氧化硫化工原理課程設計

1、摘要在化工生產(chǎn)中，氣體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反應活性的差異，在氣液兩相接觸是發(fā)生傳質(zhì)，實現(xiàn)氣液混合物的分離。在化學工業(yè)中，經(jīng)常需將氣體混合物中的各個組分加以分離，其目的是： 回收或捕獲氣體混合物中的有用物質(zhì)，以制取產(chǎn)品； 除去工藝氣體中的有害成分，使氣體凈化，以便進一步加工處理；或除去工業(yè)放空尾氣中的有害物，以免污染大氣。根據(jù)不同性質(zhì)上的差異，可以開發(fā)出不同的分離方法。吸收操作僅為其中之一，它利用混合物中各組分在液體中溶解度或化學反應活性的差異，在氣液兩相接觸時發(fā)生傳質(zhì)，實現(xiàn)氣液混合物的分離。一般說來，完整的吸收過程應包括吸收和解吸兩部分。在化工生產(chǎn)過程中，原料

2、氣的凈化，氣體產(chǎn)品的精制，治理有害氣體，保護環(huán)境等方面都要用到氣體吸收過程。填料塔作為主要設備之一，越來越受到青睞。二氧化硫填料吸收塔，以水為溶劑，經(jīng)濟合理，凈化度高，污染小。此外，由于水和二氧化硫反應生成硫酸，具有很大的利用。本次化工原理課程設計，我設計的題目是：爐氣處理量為爐氣吸過程填料吸收塔設計。本次任務為用水吸收二氧化硫常壓填料塔。具體設計條件如下：1、混合物成分：空氣和二氧化硫；2、二氧化硫的含量：0.05（摩爾分率）3、操作壓強；常壓操作4、進塔爐氣流量：5、二氧化硫氣體回收率：95%吸收過程視為等溫吸收過程。目錄摘要I第一章設計方案的確定1流程方案1設備方案1流程布置1吸收劑的選

3、擇1第二章填料的選擇2對填料的要求2填料的種類和特性2填料尺寸3填料材質(zhì)的選擇3第三章工藝計算4氣液平衡的關系4吸收劑用量及操作線的確定4吸收劑用量的確定4操作線的確定5塔徑計算5采用Eckert通用關聯(lián)圖法計算泛點速率：5操作氣速7塔徑計算7噴淋密度U校核7單位高度填料層壓降（）的校核8填料層高度計算9傳質(zhì)系數(shù)的計算9填料高度的計算12第四章填料塔內(nèi)件的類型與設計134.1 塔內(nèi)件的類型13第五章輔助設備的選型16管徑的選擇16泵的選?。?7風機的選型：17第六章填料塔附屬高度計算17第七章分布器簡要計算18第八章關于填料塔設計的選材18參考文獻19附錄20附圖21致謝22第一章 設計方案的

4、確定1.1流程方案指完成設計任務書所達的任務采用怎樣的工藝路線，包括需要哪些裝置設備，物料在個設備間的走向，哪些地方需要有觀測儀表、調(diào)節(jié)裝置，有哪些取樣點以及是否需要有備用支線等。1.2設備方案根據(jù)設備要求，確定選用什么形式的設備。若選用填料塔，塔內(nèi)填料的型式、尺寸和材質(zhì)如何選定。方案的確定需要加以論證，在技術上可行的基礎上考慮經(jīng)濟性。1.3流程布置吸收裝置的流程布置是指氣體和液體進出吸收塔的流向安排。主要有逆流操作、并流操作、吸收劑部分再循環(huán)操作、單塔或多塔串聯(lián)操作，根據(jù)生產(chǎn)任務、工藝特點，結合各種流程的優(yōu)缺點，逆流操作時傳質(zhì)平均推動力大，分離程度高，吸收劑利用率高，所以此次設計采用常規(guī)逆流

5、操作的流程。1.4吸收劑的選擇吸收劑性能的優(yōu)劣是決定吸收操作效果的關鍵之一，選擇應考慮以下幾方面：(1)溶解度要大，以提高吸收速率并減少吸收劑的用量；(2)選擇性要好，對溶質(zhì)組分有良好的溶解能力，對其他組分不吸收或甚微；(3)揮發(fā)度要低，以減少吸收和再生過程中吸收劑的揮發(fā)損失；(4)吸收劑在操作溫度下粘度要低，且不易產(chǎn)生泡沫，以實現(xiàn)吸收塔內(nèi)良好的氣液接觸狀況；(5)對設備腐蝕性小或基本無腐蝕性，盡可能無毒。(6)價廉、易得、化學穩(wěn)定性好，便于再生，不易燃燒等。一般來說，任何一種吸收劑都難以滿足以上所有要求，選用是要針對具體情況和主要因素，既考慮工藝要求又兼顧到經(jīng)濟合理性。第二章 填料的選擇2.

6、1對填料的要求填料塔對填料的要求具體表現(xiàn)在以下幾個方面：(1)比表面積a要大，比表面積a是指單位堆積體積填料所具有的表面積； (2)能提供大的流體流量，即所選用的結構填料要敞開，使于死角區(qū)域的空間小， 有效空隙率大； (3)液體的再分布性能要好；(4)填料要有足夠的機械強度，尤其是非金屬填料；(5)價格低廉；2.2填料的種類和特性工業(yè)填料按形狀和結構分為顆粒填料和)規(guī)整填料：(一)顆粒填料一般為濕法亂堆或干法亂的散裝填料。主要有以下類型：拉西環(huán)填料，鮑爾環(huán)填料，階梯環(huán)填料等環(huán)形填料；弧鞍形填料，環(huán)矩鞍填料等鞍形填料等。(二)規(guī)整填料以一定的幾何形狀，整齊堆砌，工業(yè)用多為波紋填料，其優(yōu)點是結構緊

7、湊、傳質(zhì)效率高、處理量大，但不易處理粘度大或有懸浮物的物料，且造價高。綜合考慮上述因素，此次設計過程我選擇階梯環(huán)填料。尺寸填料尺寸直接影響塔底操作和設備投資。實踐證明，塔徑（D）與填料外徑（d）之比值有一個下限值，若徑比低于此下限值時，塔壁附近的填料空隙率大而不均勻，氣流易短路及液體壁流等現(xiàn)象劇增。各種填料的徑比的下限：拉西環(huán) 2030 （最小不低于810）鮑爾環(huán) 1015 （最小不低于8）階梯環(huán) 15 （最小不低于8）對一定塔徑，滿足徑比下限的填料可能有幾種尺寸，應綜合考慮填料性能及經(jīng)濟因素選定。一般推薦:D300時，選25的填料；時，選2538的填料。時，選用的填料.但一般大塔中常用的填料

8、，但通量的提高不能補償成本的降低。2.4填料材質(zhì)的選擇填料材質(zhì)根據(jù)物系的腐蝕性，操作溫度，材質(zhì)的耐腐蝕性并綜合考慮填料性能及經(jīng)濟因素來選擇。(1)陶瓷 具有耐腐性及耐熱性，但質(zhì)脆、易碎，價格便宜。(2)金屬 金屬材質(zhì)主要有碳鋼，不銹鋼，鋁和鋁合金等。(3)塑料 主要包括聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯等，塑料耐腐蝕性、耐低熱性好，但具有冷脆性，表面潤濕性較差。一般講，操作溫度較高但無顯著腐蝕性時，選用金屬填料；溫度較低選用塑料填料；物系具有腐蝕性、操作溫度高，宜采用陶瓷填料考慮到本設計是利用清水吸收SO吸收液顯弱酸性，有一定的腐蝕性，同時考慮到經(jīng)濟的合理性及吸收的效率，故選用聚乙烯階梯環(huán)。第三章 工藝

9、計算3.1氣液平衡的關系相平衡常數(shù)溶解度系數(shù)為H=3.2吸收劑用量及操作線的確定3吸收劑用量的確定（1）最小吸收劑用量最小液氣比：進塔惰性氣體流量為V：對于純?nèi)軇┪?，進塔液相組成為 （2）吸收劑用量：3操作線的確定 對逆流操作吸收塔在任一截面m-n與塔頂間列物料衡算： 既：3.3塔徑計算3采用Eckert通用關聯(lián)圖法計算泛點速率：查化工原理（上）附錄水的物理性質(zhì)中20下水的黏度,塔底混合氣體的平均摩爾質(zhì)量 ：塔內(nèi)氣體的平均摩爾質(zhì)量近似等于塔底混合氣的平均摩爾質(zhì)量：=故塔內(nèi)氣體平均密度為：氣相質(zhì)量流量為：液相質(zhì)量流量可近似按純水的流量計算即 關聯(lián)圖的橫坐標值為：在此設計中我選擇的是d=50mm

10、的塑料階梯環(huán)，查化工原理課程設計說明指導書表3-3 階梯環(huán)特性，可知： 表3.1 階梯環(huán)特性（亂堆）材質(zhì)外徑高*厚比表面積空隙率個數(shù)堆積密度干填料因子填料因子塑料2522881500313240382720013050998015980金屬38140289001591591615011412500377133137縱坐標為：因為液相為清水，由3操作氣速填料塔塔徑的大小是根據(jù)生產(chǎn)能力與空塔氣速來計算?？账馑儆邢旅娼?jīng)驗公式： 取3由公式：3單位時間內(nèi)每立方米塔截面上的吸收劑用量：最小噴淋密度：由于 3單位高度填料層壓降（）的校核由以上可知橫坐標為：查表39壓降填料因子查的圖1. ?？颂赝ㄓ藐P聯(lián)圖

11、3.4填料層高度計算3傳質(zhì)系數(shù)的計算（1）有效面積（潤濕面積）查化工原理課程設計指導書表填料材質(zhì)的臨界表面張力聚乙烯=33dyn/cm;表3.2 填料材質(zhì)的臨界表面張力值材質(zhì)鋼陶瓷聚乙烯聚丙烯聚氯乙烯玻璃涂石蠟的表面 dyn/cm75613333407320查化工原理上冊（夏清 陳常貴）(天津大學出版社) 附錄（331頁）中水的物理性質(zhì)中水的表面張力=72.67mN/m （化工原理附錄1單位換算因子中知：，所以，所以）查化工原理課程設計說明指導書表3-3 階梯環(huán)特性，可知：,水的粘度：查化工原理下冊（夏清 陳常貴）（95頁）表2-4一些元素的原子體積與簡單氣體的分子體積中查=44.8cm/mo

12、l,=29.9cm/mol,=8cm/mol；已知：.=（2）液相傳質(zhì)系數(shù)k20下SO在水中的擴散系數(shù)由得：（3）氣相傳質(zhì)系數(shù)由于空氣中SO含量很低，所以氣體粘度近似為空氣粘度，查化工原理上冊（夏清 陳常貴）(天津大學出版社) 附錄6（330頁）中:=由 查表常見填料的形狀系數(shù)得表 常見填料的形狀系數(shù)填料類型球形棒形拉西環(huán)弧鞍開孔環(huán)值1則由于所以需要校正。則3.4.2填料高度的計算塔高：傳質(zhì)單元高度：傳質(zhì)單元數(shù): 所以：根據(jù)設計經(jīng)驗，填料層的設計高度一般為可知階梯環(huán)填料層高度最大僅為6m，本設計填料不需分層。第四章 填料塔內(nèi)件的類型與設計4.1 塔內(nèi)件的類型填料塔的內(nèi)件主要有填料支承裝置、填料

13、壓緊裝置、液體分布裝置、液體收集再分布裝置、除沫裝置等。(1) 填料支承裝置 填料支承裝置的作用是支承塔內(nèi)的填料。常用的填料支承裝置有柵板型、孔管型、駝峰型等。對于散裝填料，通常選用孔管型、駝峰型支承裝置；對于規(guī)整填料，通常選用柵板型支承裝置。設計中，為防止在填料支承裝置處壓降過大甚至發(fā)生液泛，要求填料支承裝置的自由截面積應大于75%?？紤]到塔徑及吸收要求，本設計選梁式氣噴式支撐板。表梁式氣噴式支承板結構尺寸（mm）塔徑DN支承板外徑支承板分塊數(shù)支承圈寬度支承圈厚度10009803401011001080440101200116045010130012604501414001360450141

14、500146055014(2) 填料壓緊裝置 為防止在上升氣流的作用下填料床層發(fā)生松動或跳動，需在填料層上方設置填料壓緊裝置。填料壓緊裝置有壓緊柵板、壓緊網(wǎng)板、金屬壓緊器等不同的類型。對于散裝填料，可選用壓緊網(wǎng)板，也可選用壓緊柵板，在其下方，根據(jù)填料的規(guī)格敷設一層金屬網(wǎng)，并將其與壓緊柵板固定；對于規(guī)整填料，通常選用壓緊柵板。設計中，為防止在填料壓緊裝置處壓降過大甚至發(fā)生液泛，要求填料壓緊裝置的自由截面積應大于70%。 為了便于安裝和檢修，填料壓緊裝置不能與塔壁采用連續(xù)固定方式，對于小塔可用螺釘固定于塔壁，而大塔則用支耳固定。本設計選用床層限制板。(3) 液體分布裝置 液體分布裝置的種類多樣，有

15、噴頭式、盤式、管式、槽式及槽盤式等。工業(yè)應用以管式、槽式及槽盤式為主。 管式分布器由不同結構形式的開孔管制成。其突出的特點是結構簡單，供氣體流過的自由截面大，阻力小。但小孔易堵塞，操作彈性一般較小。管式液體分布器多用于中等以下液體負荷的填料塔中。在減壓精餾及絲網(wǎng)波紋填料塔中，由于液體負荷較小，設計中通常用管式液體分布器。 槽式液體分布器是由分流槽(又稱主槽或一級槽)、分布槽(又稱副槽或二級槽)構成的。 一級槽通過槽底開孔將液體初分成若干流股，分別加入其下方的液體分布槽。分布槽的槽底(或槽壁)上設有孔道域?qū)Ч埽瑢⒁后w均勻分布于填料層上。槽式液體分布器具有較大的操作彈性和極好的抗污堵性，特別適合于

16、大氣液負荷及含有固體懸浮物、粘度大的液體的分離場合，應用范圍非常廣泛。 槽盤式分布器是近年來開發(fā)的新型液體分布器，它兼有集液、分液及分氣三種作用，結構緊湊，氣液分布均勻，阻力較小，操作彈性高達10：1，適用于各種液體噴淋量。近年來應用非常廣泛，在設計中建議優(yōu)先選用?？紤]到塔徑及吸收要求，本設計選溢流槽式液體分布器。(4) 液體收集及再分布裝置 前已述及，為減小壁流現(xiàn)象，當填料層較高時需進行分段，故需設置液體收集及再分布裝置。 最簡單的液體再分布裝置為截錐式再分布器。截錐式再分布器結構簡單，安裝方便，但它只起到將壁流向中心匯集的作用，無液體再分布的功能，一般用于直徑小于0.6m的塔中。 在通常情

17、況下，一般將液體收集器及液體分布器同時使用，構成液體收集及再分布裝置。液體收集器的作用是將上層填料流下的液體收集，然后送至液體分布器進行液體再分布。常用的液體收集器為斜板式液體收集器。由于本設計不需要填料分層，所以不需要液體收集及再分布裝置。（5）除沫裝置氣體在塔頂離開填料層時，帶有大量液沫和霧滴，為回收這部分液體，需要在塔頂安裝除沫器。常用的除沫器主要有折流板式除沫器，旋流板式除沫器、絲網(wǎng)除沫器。本設計選用上裝式絲網(wǎng)除沫器。表 上裝式絲網(wǎng)除沫器基本參數(shù)公稱直徑主要外形尺寸 mmDN mmHH1H2D質(zhì)量，kg110010021810201502681200100218112015026813

18、0010022812201502781400100228132015027815001002281420150278第五章 輔助設備的選型5.1管徑的選擇氣相體積流量；液相體積流量；1、進液管管徑：由于清水無腐蝕性故可選擇無縫鋼管（GB8163-87）,取，核算u：，滿足條件。2、出液口管徑：由于本吸收操作中SO在空氣中含量極低故吸收液吸收前后密度變化不大，故出液口管徑仍取3、 進氣口管徑：由于SO遇水呈弱酸性故對管道有腐蝕所以選取無縫不銹鋼管（GB/T14976-94）進氣管進氣為常壓進氣，故可取u=20m/s,4、出氣管管徑由于本吸收操作中SO在空氣中含量極低故吸收前后氣體體積變換不大，故

19、管徑仍取5.2泵的選?。河捎谳斔颓逅?，故泵可選清水泵。由化工原理（上）知可選取IS-125-100-200型泵泵特性參數(shù)：;核算軸功率：；故泵的選取符合要求；風機的選型：輸送氣體SO可選離心通風機；由伯努利方程可得：， 故可選用4-72-118C型離心通風機，其特性參數(shù)為：。第六章 填料塔附屬高度計算 填料塔上部高度可取，塔底液相停留時間按1.5min考慮，則塔釜所占空間高度為 考慮到氣相接管所占空間高度，底部空間高度可取，所以塔的空間附屬高度可取為。 可得塔的總高第七章 分布器簡要計算該吸收液相負荷較大，氣相負荷也較大故選用溢流槽是液體分布器，按Eckert建議當D1200mm時，噴淋密度為

20、42，該塔液相負荷較大，設計取噴淋點密度為120，布液點數(shù)。第八章 關于填料塔設計的選材 本設計填料塔的設計溫度為20，設計壓力位101.33kPa；由于塔設備常年暴露在室外，要求有足夠的強度和塑度，所以筒體，封頭和塔裙選用合金鋼，其它部件選用的鋼材制成。 塔設備的筒體不包括腐蝕度的最小厚度要求內(nèi)徑不小于4mm； 綜上所述，筒管厚度為10mm，根據(jù)化工設備機械基礎查D=1400mm、，可知橢圓形封頭的和厚度為12mm。參考文獻【1】：化工原理下冊（夏清 陳常貴）(天津大學出版社)（80頁）表2-1：某些氣體水溶液的亨利系數(shù)得?！?】：化工原理上冊（夏清 陳常貴）(天津大學出版社)附錄（332頁

21、）中水的物理性質(zhì)中，水的粘度：【3】化工原理課程設計指導書（內(nèi)蒙古科技大學）表3-3（66頁） 階梯環(huán)特性：【4】、查化工原理下冊（夏清 陳常貴）(天津大學出版社)（95頁）表2-4一些元素的原子體積與簡單氣體的分子體積中查=44.8cm/mol,=29.9cm/mol,=8cm/mol【5】王立業(yè)，刁玉偉等，化工設備機械基礎，大連理工大學出版社，2006【6】路秀林，王者相等，塔設備，化學工業(yè)出版社，2004【7】潘永亮，化工設備機械基礎，科學出版社，2007【8】賈紹義，柴誠敬主編，化工原理課程設計，2006附錄1. 吸收塔的吸收劑用量計算總表意義及符號結果混合氣體處理量G氣液相平衡常數(shù)m二氧化硫進塔摩爾比Y1二氧化硫出塔摩爾比Y2進塔液相摩爾分率X2出塔液相摩爾分率X1最小液氣比吸收劑用量L0L=2. 塔設備計算總表氣相傳質(zhì)單元高度0.7150填料層高度Z5.9填料塔上部空間高度填料塔下部空間高度2