填料吸收塔課程項目設計方案

1、填料吸收塔課程項目設計方案一設計任務書(一) 設計題目水吸收SO過程填料吸收塔的設計：試設計一座填料吸收塔，用于脫除焙燒 爐送出的混合氣體(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/h2000混合氣體SO含量(體積分數(shù))10%SO的回收率不低于97%吸收劑的用量與最小用量之比1.3(二) 操作條件(1) 操作壓力常壓(2) 操作溫度25C(三) 設計容(1) 吸收塔的物料衡算；(2) 吸收塔的工藝尺寸計算；(3) 填料層壓降的計算；(4) 液體分布器簡要設計；(5) 吸收塔接管尺寸計算；(6) 繪制吸收塔設計條件圖；(7) 對設計過程的評述和有關問題的討論。二設

2、計方案簡介2.1方案的確定用水吸收SO屬中等溶解度的吸收過程，為提高傳質效率，選用逆流吸收流 程。因用水作為吸收劑，且SQ不作為產(chǎn)品，故采用純溶劑。2.2填料的類型與選擇對于水吸收SO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。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。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。由于高徑比減少，使得氣體繞填料外壁的平均路徑大為 縮短，減少了氣體通過填料層的阻力。 錐形翻邊不僅增加了填料的機械強度， 而 且使填料之間由線接觸為主變成以點接觸為主，這樣不但增加了填

3、料間的空隙， 同時成為液體沿填料表面流動的匯集分散點，可以促進液膜的表面更新，有利于 傳質效率的提高。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。2.3設計步驟本課程設計從以下幾個方面的容來進行設計（一） 吸收塔的物料衡算；（二） 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；（三） 設計液體分布器及輔助設備的選 型；（四）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)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)可近似取純水的物性數(shù)據(jù)。由手冊查得,25 C時水的有關物性數(shù)據(jù)如下：密度為 p l=997.1 kg/m 3粘度為 卩 l=0.00

4、08937 Pa - s=3.2173kg/(m h)2表面力為 c l=71.97 dyn/cm=932731 kg/hSQ在水中的擴散系數(shù)為 Dl=1.724 X 10-9m/s=6.206 X 10-6ni/h(依 Wilke-Cha ng D1.859 100.518 (MJ T計算V。6查化學工程基礎氣相物性數(shù)據(jù)設進塔混合氣體溫度為25 C,混合氣體的平均摩爾質量為MVm=藝 yiM=0.1 X 64.06+0.9 X 29=32.506g/mol混合氣體的平均密度為p vm=PM/RT=101.325<3 2.506/ (8.314 X 298.15) =1.3287kg/

5、m 3混合氣體的粘度可近似取為空氣的粘度，查手冊得25 r空氣的粘度為卩 V=1.83 X 10-5 Pa? s=0.066kg/(m ? h)查手冊得SO在空氣中的擴散系數(shù)為-5 2 2D=1.422 X 10 m/s=0.051 m 7h(依 D D0-P0(T)1.75計算，其中273K時，1.013 X 105Pa時SO在空氣中的擴散系數(shù)為1.22 X10-5m/s，查化學工程基礎)氣液相平衡數(shù)據(jù)由手冊查得，常壓下25T時SO在水中的亨利系數(shù)為3E=4.13 X10 kPa相平衡常數(shù)為3m=E/P=4.13 X 10 /101.3=40.76溶解度系數(shù)為33H=p /EM=997.2/

6、4.13 X 103X 18.02=0.01 34kmol/kPa m物料衡算(l).進塔混合氣中各組分的量近似取塔平均操作壓強為101.3kPa，故：混合氣量= 2000(273.15)81.80 kmol/h273.15 25 22.4混合氣 SQ中量=81.80 X 0.1 = 8.18 kmol /h=8.18 X 64.06=542.01kg /h設混合氣中惰性氣體為空氣，則混合氣中空氣量=81.8-8.18 = 73.62kmol /h=73.62 X 29= 2135kg/ h(2) 混合氣進出塔的摩爾組成yi0.1818(1 阿)0.0033273.62 8.18(1 0.97

7、)(3) 混合氣進出塔摩爾比組成進塔氣相摩爾比為丫10.11 0.10.11出塔氣相摩爾比為匕 Y(1 A) 0.11(10.97) 0.0033(4) 出塔混合氣量出塔混合氣量=73.62+8.18 x 0.03=73.7836kmol/h=2135+542.01 X 0.03=2151.26kg/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Y1m丫2X2對于純溶劑吸收過程，進塔液相組成為X2=00.11 0.00330.11/40.76 0LVLV取操作液氣比為1.3("L)min1.3 39.54 51.40L 51.4 73.6

8、2 3784.07 kmol/h(6) 塔底吸收液組成X1V(丫 丫2)L(X1 X2)X1 九62 1 0.0033) 0.00208 3784.07(7) 操作線方程依操作線方程丫扣(V2 VLx2)霊X0.0033Y 51.4X0.00333.2填料塔的工藝尺寸的計算塔徑的計算采用Eckert通用關聯(lián)圖計算泛點氣速。氣相質量流量為 wv=2000X 1.3287=2657.4 kg/h液相質量流量可近似按純水的流量計算，即W=3784.07 X 18.02=68188.94 kg/h其中：p l =997.1 kg/mp v =1.3287 kg/mg = 9.81 m/s=1.27 X

9、 108 m/hW = 2657.4 kg/hW = 68188.94 kg/h卩 l =0.0008937 Pa 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）Ha0U40020 0060.2 030 43 4 5 6 I 100X)1O nono i 0 0R0.002圖中 uo空塔氣速，m /s ;©濕填料因子，簡稱填料因子，1 /m ;書一一水的密度和液體的密度之比；2g重力加速度，m /s ;P V、p L分別為氣體和液體的密度，kg /m3;wV wL分別為氣體和液體的質量流量，

10、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w l（ v）o.568188.94（1.3287）o.50937wV L2657.4 （ 997.1）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1

11、100550200226瓷拉西環(huán)11300832600410Ufg（丄）L0.2L0.022（化工原理課程設計附錄十一）查得：f 170m 1Uf0.022g l0.2F V L0.022一9.8廠997.1 170 1 1.3287 0.89370.20.987m /s（2）操作氣速由以下公式計算塔徑：（化工原理課程設計）D - 4Vs對于散裝填料，其泛點率的經(jīng)驗值為 u/ Uf=0.50.85取 u=0. 7 Uf=0.7 X 0.987=0.691m/s（3）塔徑-?。?VTM 2000/3600.由 D .：S.1.012mN uV 3.14 0.691圓整塔徑，取D=l.1m(4)

12、泛點率校核:2000/36000.785 1.10.585m/ suUf1100828.94 8100%59.27%(在允許范圍內)0.987(5) 填料規(guī)格校核:71.99m3/m2h UminmVL40.76 73.623784.070.793(6) 液體噴淋密度校核:取最小潤濕速率為3(Lw) min=0.08 m /m h查填料手冊得 塑料階梯環(huán) 比表面積at=132.5m/m0.785 1.12經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用 D=1100mn合理填料層高度計算(1)傳質單元數(shù)Ndg¥mX1 40.76 0.00208 0.08478Y2 mX20解吸因數(shù)為：Umin= (L

13、w) minat=0.08 x 132.5=10.6m3/ m2 h68188.94/997.2氣相總傳質單元數(shù)為1Nog冋(11 SS)Y 丫2sY2 丫21ln(11 0.7930.11 00.793)0.793 9.8570.0033 0(2)傳質單元高度的計算氣相總傳質單元高度采用修正的恩田關聯(lián)式計算0.750.10.05小 0.2Ul2L lQ查表二：aw 1 exp 1.45 CalUlatlUl242L g材質碳瓷玻璃聚丙烯聚氯乙烯鋼石蠟表面力，mN /m56617333407520常見材質的臨界表面力值得2C = 33 dyn/cm = 427680 kg/h液體質量通量為Ul

14、68188.942271789.17 kg/(m h)電 1 exp0.754276801.45 -0.171789.1771789.172 132.50.05271789.172997.1 1.27 108q932731132.5 3.2173997.1 9327310.60470.785 1.1氣膜吸收系數(shù)由下式計算:氣體質量通量為:132.50.20.7UvkG 0.237at VVV DV4 DvRT氣體質量通量Uv2000 1.32870.785 1.122797.70kg/(m2h)2797.70 ；0.237 - 132.5 0.0660.0363kmol / (m2hkPa)0

15、.70.0661.3287 0.051液膜吸收系數(shù)由下式計算1? 132.5 0.0518.314 298kL0.0095Ulaw L11T3LLglDlL230.0095271789.1730.6047 132.5 3.21733.2173997.1 6.206 103.2173 1.27 108 §997.1填料類型球形棒形拉西環(huán)弧鞍開孔環(huán)屮值0.720.7511.191.45常見填料塔的形狀系數(shù)本設計填料類型為開孔環(huán) 所以W=1.45,則1.1kLa1.320m/h查表三：da kcdw0.0363 132.5 0.6047 1.45.1 4.3769kmol/ m3hkPa1

16、22.71l/h1.320 132.5 0.6047 1.450.4又因u/u f=59.27 %> 50%需要按下式進行校正，即1.4kG a1 9.5 0.5kGaUF2.2ukL a 1 2.60.5kLauf可得:kGa1 9.5 0.5927 0.54.3769 5.85kmol / m3hkPakL a2.21 2.6 0.5927 0.5122.71 124.411/haa1.297kmol / m'hkPaH OGVKyQVdaP73.6221.297 101.3 0.785 1.120.590m(3)填料層高度的計算由 Z Hog Nog 0.59 9.8575

17、.82m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 一一設計時的填料高度，mZ 工藝計算得到的填料層高度，m。得：Z' = 1.25 X5.82= 7.27 m設計取填料層高度為Z'7.4m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)2.5< 4矩鞍58< 6鮑爾環(huán)510< 6階梯環(huán)815< 6環(huán)矩鞍515< 6對于階梯環(huán)填料，h 815m , hmax 6m取 一 8，貝U h=8Xl 100=8800 mmD7300mm 8800mm故需分為兩段，每段咼3.7m。填料層壓降計算

18、采用Eckert通用關聯(lián)圖計算填料層壓降。0.5橫坐標為：WLv0.937WVL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)306-11498-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)1050576450288-1查表得，p =116 m縱坐標為：2uPV0.20.58圧 116 113287 0.89370.20.0053997.1LgL9.81查 Eckert 通用關聯(lián)圖得： P/Z = 117.72Pa

19、/m填料層壓降為： P=117.72X 7.4=871.128Pa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， SO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，采用除沫裝置，根據(jù)除沫裝置類型的使 用圍，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0.085997.1 1.3278 2.3277m/sV 1.3278實際氣速為最大氣速的0.750.8倍 所以實際氣速u=0.75

20、X 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/ m塔截面D=400330D=750170D> 120042按Eckert建議值，因該塔液相負荷較大，設計取噴淋點密度為140點/m2。2布液點數(shù)為 n=0.785 X 1.1 XI 40=132.9 133 點按分布點幾何均勻與流量均勻的原則，進行布點設計。設計結果為：二級槽共設七道，在槽側面開孔，槽寬度為80mm,槽高度為210mm 兩槽中心矩為160

21、mm。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Lsd°2n ,2g H4式中Ls液體流量，m/s ;n-開孔數(shù)目（分布點數(shù)目）；©孔流系數(shù)，通常取 ©- 0.550.60 ;do-孔徑，m ; H-開孔上方的液位高度，m。取=0.60,H=160mm,0.5d。4Ls0.5n 2g H4 68188.94/997.1 36003.14 132 0.62 9.81 0.160.0131m設計取d0 14mm液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

22、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50mn為宜，最高液位由操 作彈性塔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1180mm升氣 管數(shù)&3填料支承裝置填料支承結構用于支承塔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

23、要：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758090100120130140160185205235260315稱通徑(1)氣體和液體的進出口直徑的計算vs為流體的體積流量，m/s u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

24、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 02000/3600=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 X 18.02/ （3600X 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） 泵的選型由計算結果可以選用：IS100-80-125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

25、，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。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-1 60 3784.97 18.02 dh.2

26、1m10.785 3600 997.1 1.12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、設計結果匯總課程設計 名稱水吸收SG填料吸收塔的設計操作條件操作溫度25攝氏度操作壓力：常壓物性數(shù)據(jù)液相氣相液體密度997.1kg/m3混合氣體 平均摩爾 質量33.505kg/kmol液體粘度3.22kg/(m h)混合氣體 的平均密 度1.3287kg/m3液體表面力932731混合氣體 的粘度0.066kg/(mh)SQ在水中 的擴散系數(shù)6.206 x 10

27、-6m/hSQ在空氣 中的擴散 系數(shù)0.051m/h重力加速度1.27 x 108m/h氣相平衡數(shù)據(jù)SCO在水中的亨利系數(shù)E相平衡常數(shù)m溶解度系數(shù)H4.13 x 103 kpa40.760.0134kmol/kPam3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0.110.00330.00208073.62 kmol/ h3784.07 kmol/ h39.5451.4工藝數(shù)據(jù)氣相質量 流量液相質量流量塔徑氣相總 傳質單 元數(shù)氣相總 傳質單 元高度填料層 高度填料層壓降2657.468188.941.1m9.8570.590m7.4m871.128pa填料塔附件除沫

28、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風機H4> 塔頂取樣排入地溝吸收用水XXVII-項目<1><2><3><4>空氣（摩爾分數(shù)）0,9(X 99663刃2 （摩爾分數(shù)）0.1Q* QQ囂Z0a 00208水借爾分製10. 99733溫度25252525壓力血亂0.1010.1000.1010.101流 M/Omol/h)3L3Q73, 863734.073792.01流量心訓）2657. 42151. 2668188.546996.0

29、8（Xf 塔底取樣 0七、課程設計總結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構；（6）還有一些其他的問題，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，nVm3d填料直徑，m； d塔徑，mDL液體擴散系數(shù)，m/s ;D氣體擴散系數(shù)，nVs ；ev液沫夾帶量，kg（液）/kg（氣）；g重力加速度，9.81 m/s 2 ；h填料層分段高度，mHETP關聯(lián)式常數(shù)；hmax允許的最大填料層高度，mHB塔底空間高度，mh塔頂空間咼度，mHdg氣相