課程設(shè)計二氧化硫吸收塔

1、一、課程設(shè)計任務(wù)書1.1.設(shè)計題目：設(shè)計一座填料吸收塔,用于脫除混合氣體中的S02,其余為惰性組分,采用清水進行吸收.1.2.工藝操作條件：1操作壓力常壓2操作溫度：25表一工藝操作條件混合氣體處理量m7h2000混合氣體SO2含量體積分數(shù)10%so?的回收率不低于97%1.3.設(shè)計任務(wù)：1吸收方案和工藝流程的說明2填料吸收塔的工藝計算；3填料吸收塔設(shè)備設(shè)計；4制備工藝流程圖、設(shè)備圖；5編寫設(shè)計說明書.二、設(shè)計方案確實定2.1、吸收劑的選擇吸收塔或再生塔內(nèi)氣液相可以逆流操作也可以并流操作,由于逆流操作具有傳質(zhì)推動力大,別離效率高具有多個理論級的別離水平的顯著優(yōu)點而廣泛應(yīng)用.用水吸收SO2屬中等

2、溶解度的吸收過程,選用逆流吸收流程.因用水作為吸收劑,且so2不作為產(chǎn)品,故采用純?nèi)軇?2.2填料的選擇填料的選擇包括確定填料的種類,規(guī)格及材料.填料的種類主要從傳質(zhì)效率,通量,填料層的壓降來考慮,填料規(guī)格的選擇常要符合填料的塔徑與填料公稱直徑比值D/do填料的材質(zhì)分為陶瓷,金屬和塑料三大類.對于水吸收SO?的過程、操作、溫度及操作壓力較低,工業(yè)上通常選用所了散裝填料.本設(shè)計中采用散裝填料,工業(yè)常用的主要有選用DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等幾種規(guī)格.同類填料,尺寸越小,別離效率越高,但阻力增加,通量減小,填料費用也增加很多.塑料填料具有質(zhì)輕、價廉、耐沖擊、不易破碎等優(yōu)點,多

3、用于吸收、解吸、萃取等裝置.但其缺點是外表潤濕性能差,在某些特殊場合,需要對其外表進行處理,以提升外表潤濕性能.綜合各點因素,在所了散裝填料中,塑料階梯環(huán)填料的綜合性能較好,故此選用塑料階梯環(huán)填料.2填料尺寸與塔徑的對應(yīng)關(guān)系填料尺寸/1口口2025300WDW900D2900D=L859X1()T6(刎)6T(1)其中：L 容劑的締合參數(shù),具體值為水2.6.防一溶劑的摩爾質(zhì)量,kg/kmoI；丁一溶液的溫度,K；4一溶劑的粘度,Pa-s；溶質(zhì)在正常沸點下的分子體積,cm7mol；由正常沸點下的液體密度來計算.假設(shè)缺乏此密度數(shù)據(jù),那么可采用Tyn-Calus方法估算：HO.285048(2)%為

4、物質(zhì)的臨界體積,SO2臨界體積為122.2cm7molo最終計算得SO?在水中的擴散系數(shù)為DL=1.724X10V/S=6.206X106m7h3.1.2氣相物性數(shù)據(jù)設(shè)進塔混合氣體溫度為25,混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為塔徑/皿DW30025385080風(fēng)方(3)混合氣體的平均密度為pPM/RT(4)混合氣體的粘度可近似取為空氣的粘度,查手冊得25空氣的粘度為Uy=1.83X105Pa*s=0.066kg/(rrrh)SO2在空氣中的擴散系數(shù)ZtAX(E/.X(T/Ti)175(5)其中273K時,1.013X105Pa時S02在空氣中的擴散系數(shù)為1.22X10m7s最終計算得278K,1.013

5、X105Pa下SO2在空氣中的擴散系數(shù)為Dv=1.422X105m7s=0.051m2/h3.1.3氣液相平衡數(shù)據(jù)常壓下250c時S02在水中的亨利系數(shù)為4.13X103kPa相平衡常數(shù)為_ViX(i-n)_V-VXXT1200X0.022000-200X0.98=0.00222(8)Y2=YI(1-TI)=0.11(1一0.98)=0.0022(3)該吸收過程屬低濃度吸收,平衡關(guān)系為直線,最小液氣比可按下式0.11-0.00220.1139.94(9)40.76=l-2()min=47.93L=73.62X47.93=3528.61kmoZ/h(6)塔底吸收液組成X、V(Y1-Y2)=LCX

6、1-X2)XI=0.11-0.002247.93=0.00225(10)frFE/4.13X107101.3=40.76(6)溶解度系數(shù)為p/EM=997.1/4.13X103X18.02=0.0134kmo1/kPam3(7)3.1.4物料衡算本設(shè)計中取回收率n=98%,液氣比L/G=1.2(L/G)近似取塔平均操作壓強為101.3kPa,故：混合氣量V=2000m3/h=81.80kmoI/h混合氣SO,中量Vi=2000X0.1=200m3/h設(shè)混合氣中惰性氣體為空氣,那么混合氣中空氣量V?=1800m3/h=73.62kmoI/hSO?進塔體積分數(shù)L二0.1；出塔體積分數(shù)進塔氣相摩爾比

7、為出塔氣相摩爾比為匕一%min=-mz操作線方程Y=(L/V)X+Y2-(L/V)X2(11)故操作線方程：Y=47.93X+0.00223.2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(guān)聯(lián)圖計算泛點氣速.氣相質(zhì)量流量為加=2000X1.3287=2657.4kg/h液相質(zhì)量流量可近似按純水的流量計算,即WL=3528.61X18.02=63585.55kg/h其中：pL=997.1kg/m3Pv=1.3287kg/m3g=9.81m/s2=1.27X108m/h2Wv=2657.4kg/hWL=63585.55kg/hUL=0.0008937Pas(1)采用Ecekert

8、通用關(guān)聯(lián)圖法計算泛點氣速UP.通用填料塔泛點和壓降的通用關(guān)聯(lián)圖如下:圖一填料塔泛點和壓降的通用關(guān)聯(lián)圖圖中 5 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;PG、PI分別為氣體和液體的密度,kg/m3；餌、斷一分別為氣體和液體的質(zhì)量流量,kg/so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(guān)聯(lián)圖的橫坐標為WLpvnc63585.55/1.328705師X贏=2657.4X997T=-8735查圖一查

9、得縱坐標值為管管=0.0250.0010.8060.020.01OOOt0.0060.0040.002O, ,0020.03%0?1020.30.4060.4I23456810表三散裝填料泛點填料因子平均值填料類型填料因子,1/m16爾25K38爾50爾76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)260170127.一瓷矩鞍1100550200226瓷拉西坤1300832600410由于采用DN38聚丙烯階梯環(huán)填料.故由表一可得填料因子170111-1y 上一、士/0.025gpj/0.025X9.81

10、X997.14cLe/,.八、)之點氣速“F=7=rr=1.052m/s(12)卜N8(5)液體噴淋密度校核：對于直徑不超過75mm的散裝填料,可取最小潤濕速率(L.)min=(2.2X105)m3/(ms)=0.08m3/(mh)對于直徑大于75mm的散裝填料,可取最小潤濕速率(L)min=0.12m3/(mh)所以,取最小潤濕速率為：(Lw)min=0.08m3/(mh)查填料手冊得塑料階梯環(huán)比外表積at=132.5m2/m3流體的最小體積通量4l(乙)minat=0.08X132.5=10.6m7m2-h(13)U=產(chǎn)=81.23m3/(m2-h)Umin-XI24經(jīng)以上校核可知,填料塔

11、直徑選用廬1000M合理.3. 2.2填料層高度計算(D傳質(zhì)單元數(shù)NoeY；=mXi=40.76X0.00225=0.09171Y；=mX2=0解吸因數(shù)為：S=孚=40.76x含三=0.850(14)L352861氣相總傳質(zhì)單元數(shù)為：1匕一修*NOG=:-S)+S1JIoIo10.11-0.、=：ln(l-0.850)X-+0.850)=14.15(15)1-0.850LV,0.0022-07J表四常見材質(zhì)的臨界外表張力值材質(zhì)碳瓷玻璃聚丙烯聚氯乙烯鋼石蠟外表張力,mN/m56617333407520得crc=33dyn/cm=427680kg/h2UL=6T5255=81000.70kg/fj

12、xh4X1氣膜吸收系數(shù)由下式計算:氣體質(zhì)量通量為：TT2000X1.32872tUv=3385.22kg/(0.5UF需要按下式進行校正,即kGa=14-9.5償0.5)kGa(21)kLa=1+2.6得-0.5)22kLa(22)得：必0=1+9.5(0.67-0.5)1-4X5.1512=9.2623kmoZ/(m2/ikPa)kLa=l+2.6(0.67-0.5)22136.94=144.16Z/t那么總傳質(zhì)系數(shù)：KGa=11x=J=1.5984kmoI/(m2h9.2623+0.0134xl44.16%aHkahkPa)( (23) )由(3)填料層高度的計算/3.2173997.1X

13、6.206X10-6-0.5(18)填料類型 球形棒形拉西環(huán)弧鞍開孔環(huán)的直0.720.7511.191.45OG=73.62KyalKGaPl1.5984X1O1.3X12=0.579m=0.579m(24)13.2173X1.27X1083z=lA31m/A997.1/表五常見填料塔的形狀系數(shù)本設(shè)計填料類型為開孔環(huán)所以中二1.45,那么Z=HOGNOG=0.579X14.15=8.193m但根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗,填料層的設(shè)計高度一般為2=(1.21.5)2式中2一設(shè)計時的填料高度,m；2一工藝計算得到的填料層高度,moZ,=1.25Z=10.241m設(shè)計取填料層高度為Z=10.5m查：表六散裝填料分

14、段高度推薦值填料類型h/D/nax/m拉西坤2.5W4矩鞍58W6鮑爾環(huán)510W6階梯環(huán)815W6環(huán)矩鞍515W6=815ni1v對于階梯環(huán)填料,D,1-6m&=8取D,那么h=8X1000=8000mm故需分為兩段,每段高5.25mo3. 2.3填料層壓降計算采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計算填料層壓降.橫坐標為蒞x(鼾5=0.8735表七散裝填料壓降填料因子平均值(25)填料類型填料因子,1/mZ3N16爾25K38爾50爾76金屬鮑爾環(huán)306一11498金屬環(huán)矩鞍一13893.47136金屬階梯環(huán)一11882塑料鮑爾環(huán)34323211412562塑料階梯環(huán)一17611689一瓷矩鞍環(huán)

15、700215140160一瓷拉西坤1050576450288一查表得,op=116m1縱坐標跑比.2=OgisX丫吧XO.893702=0.0078g9.81997.1/查Eckert通用關(guān)聯(lián)圖得：ZP/Z=186.39Pa/m填料層壓降為：P=186.39X10.5=1957.095Pa四、輔助設(shè)備的計算及選型4. 1塔頂除霧沫器穿過填料層的氣體有時會夾帶液體和霧滴,因此,工藝上對吸收設(shè)備提出除霧的要求.被凈化的氣體在離開吸收塔之前要進行除霧.通常,除霧器多設(shè)在吸收塔的頂部.常用的形式有以下幾種：1填料除霧器,即在塔頂氣體出口前,再通過一層干填料,到達別離霧沫的目的.2折板式除霧器,它是利用

16、慣性原理設(shè)計的最簡單的除霧器.3絲網(wǎng)除霧器,其為一種別離效率高,阻力較小,重量較輕,所占空間不大的除霧器.根據(jù)除沫裝置類型的使用范圍,該填料塔選取絲網(wǎng)除沫器如下列圖.這是一種效率較高的除霧器,可除去大于5Pm的液滴,效率可達98%T9%,但壓強降較折流板式除霧器為大,約為0.245kpa,且不適用于氣液中含有粘結(jié)物或固體物質(zhì)例如堿液或碳酸氫鐵溶液等,因為液體蒸發(fā)后留下固體物質(zhì)容易堵塞絲網(wǎng)孔,影響塔的正常操作.圖2絲網(wǎng)除霧器裝配圖絲網(wǎng)除霧器： 一般取絲網(wǎng)厚度H=100150而1,氣體通過除沫器的壓降約為120250Pa0通過絲網(wǎng)除沫器的最大速率997.1-1.3278“,=0.085x=2.32

17、77m/sN1.3278實際氣速為最大氣速的0.750.8倍所以實際氣速u=0.75X2.3277=1.75m/s4.2液體分布器簡要設(shè)計液體分布裝置的種類多樣,有噴頭式、盤式、管式、槽式及槽盤式等.工業(yè)應(yīng)用以管式、槽式及槽盤式為主.性能優(yōu)良的液體分布器設(shè)計時必須滿足以下幾點：1、液體分布均勻評價液體分布的標準是：足夠的分布點密度；分布點的幾何均勻性；降液點間流動的均勻性.2操作彈性大.3自由截面積大.4液體分布器應(yīng)結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小、制造容易、調(diào)整和維修方便.該吸收塔液相負荷較大,而氣相負荷相對較低,應(yīng)選用槽式液體分布器.2分布點密度計算表八Eckert的散裝填料塔分布點密度推薦值分布點密

18、度,點/塔截絲網(wǎng)除霧器(26)D=400330D二750170DN120042因該塔液相負荷較大,設(shè)計取噴淋點密度為150點/tn?.布液點數(shù)為0.785X1.02X150=117.75*118點設(shè)計結(jié)果為：二級槽共設(shè)五道,在槽側(cè)面開孔,槽寬度為80mm,槽高度為210所.兩槽中央矩為160mmo分布點采用三角形排列,實際設(shè)計布點數(shù)為120點.3布液計算由重力型液體分布器布液水平計算kfdoOSgAH式中L.液體流量,m7s；一開孔數(shù)目分布點數(shù)目；.孔流系數(shù),通常取.=0.550.60；&孔徑,m；AH開孔上方的液位高度,mo取.二0.60,AH=160mm,4X63585.55/(9

19、97.1X3600)八,=0.0139mm120X3.14X0.60XV2X9.81X0.16設(shè)計取=14mm液體分布器的安裝一般高于填料層外表150300所取決于操作彈性,槽式分布器主槽分槽高度均取210M,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200mm左右o4.液體再分布器一一截錐式再分布器液體在亂堆填料層內(nèi)向下流動時,有偏向塔壁流動的現(xiàn)象,偏流往往造成塔中央的填料不被潤濕,降低外表利用率.對于此填料塔而言,由于塔徑為1000mm,根據(jù)再分布器各種規(guī)格(27)4LSnPny

20、2gH的使用范圍,使用最簡單的截錐式再分布器.截錐式再分布器結(jié)構(gòu)簡單,安裝方便.如下列圖圖3截錐式再分布器4.3填料支承裝置用以支承填料的部件.它應(yīng)具有：1足夠的機械強度以承受設(shè)計載荷量,支承板的設(shè)計載荷主要包括填料的重量和液泛狀態(tài)下持液的重量.2足夠的自由面積以保證氣、 液兩相順利通過.總開孔面積應(yīng)盡可能不小于填料層的自由截面積.開孔率過小可導(dǎo)致液泛提前發(fā)生.一般開孔率在40%以上.常用的支承板有柵板、升氣管式和氣體噴射式等類型.柵板：優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,造價低；缺點是柵板間的開孔容易被散裝填料擋住,使有效開孔面積減小.升氣管式：具有氣、液兩相分流而行和開孔面積大的特點.氣體由升氣管側(cè)面的狹縫進

21、入填料層.氣體噴射式支撐板具有氣、液兩相分流而行和開孔面積大的特點,并有利于液體的均勻再分配.氣體由波形的側(cè)面開孔射入填料層.本設(shè)計中選用氣體噴射式支撐板.圖4梁式氣體嘖射支撐板4.4.填料限定裝置填料上方安裝壓緊裝置可預(yù)防在氣流的作用下填料床層發(fā)生松動和跳動.填料壓緊裝置分為填料壓板和床層限制板兩大類,每類又有不同的型式.床層限制板用于金屬、塑料等制成的不易發(fā)生破碎的散裝填料及所有規(guī)整填料.床層限制板要固定在塔壁上,為不影響液體分布器的安裝和使用,不能采用連續(xù)的塔圈固定,對于小塔可用螺釘固定于塔壁,而大塔那么用支耳固定.本設(shè)計中填料塔在填料裝填后于其上方安裝了填料壓緊柵板.4.5氣體和液體的

22、進出口裝置4.5.1氣體進口裝置氣體進口裝置的設(shè)計,應(yīng)能預(yù)防淋下的液體進入管內(nèi),同時還要使氣體分散均勻.因此不宜使氣流直接由管接口或水平管沖入塔內(nèi),而應(yīng)使氣體的出口朝下,使氣流折轉(zhuǎn)向上.管得末端可制成向下的喇叭形擴大口.4.5.2氣體出口裝置氣體出口裝置,要求即能保證氣體通暢,又能盡量出去被夾帶的霧沫,當(dāng)氣體夾帶霧滴較圖5氣體出口裝置4.5.3液體進口管液體的進口管直接指向噴淋裝置.如下列圖所示:多時,需另裝除霧器.如氣體出口圖7液體出口裝置氣體和液體的進出口直徑計算由公式d=怪4.5.4液體出口管液體出口裝置應(yīng)便于塔內(nèi)液體的排放,并保證塔內(nèi)有一定的液封高度.彎管式液體進口裝置圖67nuVs為

23、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0.81.5m/s(必要時可加大).選氣體流速為12m/s由V$=2000/3600=0.556mVs代入上公式得d=243mm圓整之后,氣體進出口管徑為.250X6.選液體流速為1.0m/s,由Vs=3528.61X18.02/(3600X997.1)=0.018m7s代入上公式得d=150rm,圓整之后液體進出口管徑為0160X9.(2)底液出口管徑：選擇制9mmx4mm管徑材料均選擇選擇熱軋無縫鋼管(3)泵的選型由計算結(jié)果可以選用：P296型號IS100-80725型轉(zhuǎn)速2900

24、r/min的泵適宜.4.6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別離出來而留取的高度,可取1.2m(包括除沫器高度).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別離高度的兩局部.釜液所占空間高度確實定是依據(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所占的空間高度.設(shè)塔定液相停留時間為30s,那么塔釜液所占空間高度為10WL/PL_30X63585.55/(3600X997.

25、1)_N;=U.O/THyD20.785X124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3.2m.吸收塔的總高度為h=3.2+10.5=13.7m7、人孔表九人孔選擇公稱壓力公稱直徑密封面型標準號常壓450mm平面(FS)HG21515-95五、設(shè)計結(jié)果匯總表十設(shè)計結(jié)果課程設(shè)計名稱水吸收S02填料吸收塔的設(shè)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(zhì)量33.505kg/kmoI液體粘度3.22kg/(mh)混合氣體的平均密度1.3287kg/m3液體外表張力932731混合氣體的粘度0.066k

26、g/(mh)so?在水中的擴散系數(shù)6.206X5m2/hSOz在空氣中的擴散系數(shù)0.051m2/h重力加速度1.27X108m/h氣相平衡數(shù)據(jù)S02在水中的亨利系數(shù)E相平衡常數(shù)m溶解度系數(shù)H4.13X103kpa40.760.0134kmol/kPam3物料蔚算數(shù)據(jù)Yi丫2Xix2氣相流量V液相流量L最小液氣比操作液氣比0.110.0022 0.00225073.62kmol/h3528.61kmol/h39.9447.93工藝數(shù)據(jù)氣相質(zhì)量流量液相質(zhì)量流量塔徑氣相總傳質(zhì)單兀數(shù)氣相總傳質(zhì)單兀高度填料層高度填料層壓降2657.463585.551.0m14.150.579m10.5m1957.09

27、5Pa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金屬絲網(wǎng)除霧器二級槽式填料壓緊柵板氣體噴射式支撐板截錐式再分布器六、課程設(shè)計總結(jié)通過本次課程設(shè)計,使我對從填料塔設(shè)計方案到填料塔設(shè)計的根本過程的設(shè)計方法、步驟、思路、有一定的了解與熟悉.它相當(dāng)于實際填料塔設(shè)計工作的模擬.在課程設(shè)計過程中,根本能根據(jù)規(guī)定的程序進行,先針對填料塔的特點和收集、調(diào)查有關(guān)資料,然后進入草案階段,最后定案.設(shè)計方案確定后,計算物料守衡,傳質(zhì)系數(shù),填料層高度,塔高等；最后進行塔附件設(shè)計.此次課程設(shè)計根本能根據(jù)設(shè)計任務(wù)書、 指導(dǎo)書、 技術(shù)條件的要求進行.同學(xué)之間相互聯(lián)系,討論,整體設(shè)計根本滿足使用要求,但是在

28、設(shè)計指導(dǎo)過程中也發(fā)現(xiàn)一些問題.理論的數(shù)據(jù)計算不難,困難就在于實際選材,附件選擇等實際問題.這些方面都應(yīng)在以后的學(xué)習(xí)中得以增強與改良.七、參考資料和文獻1賈紹義,柴誠敬,?化工原理課程設(shè)計?M.M.天津：天津大學(xué)出版社,2003,149.2柴誠敬,天津大學(xué)化工學(xué)院.?化工原理?下冊M.M.北京：高等教育出版社,2021.3陳敏恒.?化工原理?M.M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社M.M.2004.4李功樣,陳蘭英,崔英德.?常用化工單元設(shè)備設(shè)計?M.M.廣州： 華南理工大學(xué)出版社.2006.5張前程,簡麗.填料吸收塔中適宜液氣比確實定M.M.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)學(xué)報,第 20卷.八、主要符號說明n回收率無因次g重力加速度,9.81m/s2