水吸收SO2过程填料吸收塔地设计

word一 设计任务书一设计题目水吸收SO2过程填料吸收塔的设计：试设计一座填料吸收塔，用于脱除焙烧炉送出的混合气体(先冷却)中的SO2，其余为惰性组分，采用清水进展吸收。混合气体的处理量m3/h2200混合气体SO2含量体积分数10%SO2的回收率不低于97%吸收剂的用量与最小用量之比二操作条件1操作压力 常压 2操作温度 25三设计内容1吸收塔的物料衡算； 2吸收塔的工艺尺寸计算； 3填料层压降的计算； 4液体分布器简要设计； 5吸收塔接收尺寸计算； 6绘制吸收塔设计条件图；7对设计过程的评述和有关问题的讨论。二 设计方案简介用水吸收SO2属中等溶解度的吸收过程，为提高传质效率，选用逆流吸收流程。因用水作为吸收剂，且SO2不作为产品，故采用纯溶剂。对于水吸收SO2的过程，操作温度与操作压力较低，工业上通常选用塑料散装填料。在塑料散装填料中，塑料阶梯环填料的综合性能较好，故此选用DN38聚丙烯阶梯环填料。阶梯环是对鲍尔环的改良。与鲍尔环相比，阶梯环高度减少了一半，并在一端增加了一个锥形翻边。由于高径比减少，使得气体绕填料外壁的平均路径大为缩短，减少了气体通过填料层的阻力。锥形翻边不仅增加了填料的机械强度，而且使填料之间由线接触为主变成以点接触为主，这样不但增加了填料间的空隙，同时成为液体沿填料外表流动的聚集分散点，可以促进液膜的外表更新，有利于传质效率的提高。阶梯环的综合性能优于鲍尔环，成为目前所使用的环形填料中最为优良的一种。本课程设计从以下几个方面的内容来进展设计一 吸收塔的物料衡算；二 填料塔的工艺尺寸计算；主要包括：塔径，填料层高度，填料层压降；三 设计液体分布器与辅助设备的选型；四 绘制有关吸收操作图纸。3.1.1 液相物性数据 对低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。由手册查得，25时水的有关物性数据如下： 密度为L=997.1 kg/m3粘度为L=0.0008937 Pas=3.2173kg/(mh)外表X力为L=71.97 dyn/cm=932731 kg/h2SO2在水中的扩散系数为 DL10-9m210-6m2/h依Wilke-Chang计算，查化学工程根底3.1.2 气相物性数据设进塔混合气体温度为25，混合气体的平均摩尔质量为MVm=yiMi混合气体的平均密度为Vm3混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得25空气的粘度为 V=1.83 10-5Pas=0.066kg/(mh)查手册得SO2在空气中的扩散系数为 DV10-5m2/s=0.051 m2/h依10-5Pa时SO210-5m2/s，查化学工程根底3.1.3 气液相平衡数据由手册查得，常压下25时SO2在水中的亨利系数为 103 kPa相平衡常数为103溶解度系数为H=103kmol/kPam33.1.4 物料衡算(l). 进塔混合气中各组分的量近似取塔平均操作压强为101.3kPa，故：混合气量2200273.15(273.15+25)14=89.98kmolh混合气SO20.18.998 kmolh64.06=596.211kgh设混合气中惰性气体为空气，如此混合气中空气量89.98-8.99880.982kmolh292348.478kgh(2)混合气进出塔的摩尔组成3混合气进出塔摩尔比组成进塔气相摩尔比为出塔气相摩尔比为4出塔混合气量5吸收剂水的用量L该吸收过程属低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为X2=0取操作液气比为kmol/h(6)塔底吸收液组成X1(7)操作线方程依操作线方程采用Eckert通用关联图计算泛点气速。气相质量流量为wv=2200kg/h液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即WL18.02=75007.7094 kg/h其中：L =997.1 kg/m3V = kg/m3g = 9.81 m/s2108 m/h2WV = 2923.14 kg/h WL = 75007.7094 kg/hL =0.0008937 Pas1采用Ecekert通用关联图法计算泛点气速uF。通用填料塔泛点和压降的通用关联图如下：图一填料塔泛点和压降的通用关联图引自化工原理图中 u0空塔气速，m /s； 湿填料因子，简称填料因子，1 /m； 水的密度和液体的密度之比； g重力加速度，m /s2； V、L分别为气体和液体的密度，kg /m3； wV、wL分别为气体和液体的质量流量，kg /s。 此图适用于乱堆的颗粒形填料，如拉西环、弧鞍形填料、矩鞍形填料、鲍尔环等，其上还绘制了整砌拉西环和弦栅填料两种规整填料的泛点曲线。对于其他填料，尚无可靠的填料因子数据。Eckert通用关联图的横坐标为 查图一查得纵坐标值为表一 散装填料泛点填料因子平均值填料类型填料因子，1/mDN16DN25DN38DN50DN76金属鲍尔环410117160金属环矩鞍170150135120金属阶梯环160140塑料鲍尔环55028018414092塑料阶梯环260170127瓷矩鞍1100550200226瓷拉西环1300832600410化工原理课程设计附录十一查得：2操作气速由以下公式计算塔径：化工原理课程设计对于散装填料，其泛点率的经验值为u/uF取 u=0. 7uF0.987=0.691m/s3塔径由圆整塔径，取D=1.1m。 4泛点率校核： 5填料规格校核： 6液体喷淋密度校核： 取最小润湿速率为 Lwmin=0.08 m3/mh查填料手册得 塑料阶梯环比外表积at2/m3Umin=Lwminat3/ m2h经以上校核可知，填料塔直径选用D=1100mm合理。(1)传质单元数NOG解吸因数为:气相总传质单元数为:2传质单元高度的计算气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算查表二:常见材质的临界外表X力值材质碳瓷玻璃聚丙烯聚氯乙烯钢石蜡外表X力, mN /m56617333407520得= 33 dyn/cm = 427680 kg/h2液体质量通量为:气膜吸收系数由下式计算气体质量通液膜吸收系数由下式计算:查表三:常见填料塔的形状系数填料类型球形棒形拉西环弧鞍开孔环值1本设计填料类型为开孔环 所以 =1.45,如此又因u/uF50需要按下式进展校正，即可得：如此由3填料层高度的计算由根据设计经验，填料层的设计高度一般为 Z(1.21.5)Z (4-19)式中 Z设计时的填料高度，m； Z 工艺计算得到的填料层高度，m。得:6.26= 7.825 m 设计取填料层高度为 查：表四 散装填料分段高度推荐值填料类型h/DHmax/m拉西环4矩鞍586鲍尔环5106阶梯环8156环矩鞍5156对于阶梯环填料， 取 ，如此h=81100=8800 mm故需分为两段，每段高4.0m。采用Eckert通用关联图计算填料层压降。横坐标为:表五 散装填料压降填料因子平均值填料类型填料因子, 1/mDN16DN25DN38DN50DN76金属鲍尔环306-11498-金属环矩鞍-1387136金属阶梯环-11882-塑料鲍尔环34323211412562塑料阶梯环-17611689-瓷矩鞍环700215140160-瓷拉西环1050576450288-查表得，p =116 m-1纵坐标为:查Eckert通用关联图得: 填料层压降为: 四、辅助设备的计算与选型1. 除雾沫器穿过填料层的气体有时会夹带液体和雾滴，因此需在塔顶气体排出口前设置除沫器，以尽量除去气体中被夹带的液体雾沫，SO2溶于水中易于产生泡沫为了防止泡沫随出气管排出，影响吸收效率，采用除沫装置，根据除沫装置类型的使用X围，该填料塔选取丝网除沫器。丝网除雾沫器：一般取丝网厚度H=100150 mm，气体通过除沫器的压降约为120250pa。通过丝网除沫器的最大速1 液体分布器的选型该吸收塔液相负荷较大，而气相负荷相对较低，应当选用槽式液体分布器。2分布点密度计算表六 Eckert的散装填料塔分布点密度推荐值塔径,mm分布点密度,点/ m2塔截面D=400330D=750170D120042按Eckert建议值，因该塔液相负荷较大，设计取喷淋点密度为140点/m2 。2133点按分布点几何均匀与流量均匀的原如此，进展布点设计。设计结果为：二级槽共设七道，在槽侧面开孔，槽宽度为80mm ，槽高度为210mm 。两槽中心矩为 160mm 。分布点采用三角形排列，实际设计布点数为 n=132点.图二 槽式液体分布器二级槽的布液点示意图3布液计算由重力型液体分布器布液能力计算由式中 Ls液体流量，m3/s； n开孔数目(分布点数目)； 孔流系数，通常取0.550.60； d0孔径，m ； H开孔上方的液位高度，m。 取=0.60， =160mm,如此设计取液体分布器的安装一般高于填料层外表150300 mm (取决于操作弹性)，槽式分布器主槽分槽高度均取210mm，主槽宽度为塔径的0.70.8，这里取塔径的0.7，分槽宽度由液体量与停留时间确定，最低液位为50mm为宜，最高液位由操作弹性塔内允许高度与造价确定，一般为200 mm 左右。在离填料顶面一定距离处，喷淋的液体便开始向塔壁偏流，然后沿塔壁下流，塔中心处填料的不到好的润湿，形成所谓的“干锥体的不正常现象，减少了气液两相的有效接触面积。因此每隔一定的距离设置液体再分布装置，以克制此现象。由于塔径为1100mm，因此可选用升气管式再分布器，分布外径1180mm，升气管数8。3 填料支承装置填料支承结构用于支承塔内填料与其所持有的气体和液体的重量之装置。对填料的根本要求是：有足够的强度以支承填料的重量;提供足够的自由截面以使气液两相流体顺利通过，防止在此产生液泛；有利于液体的再分布；耐腐蚀，易制造，易装卸等。常用填料支承板有栅板式和气体喷射式。这里选用分块梁式支承板。为防止在上升气流的作用下填料床层发生松动或者跳动，需在填料层上方设置填料压紧装置。对于塑料散装填料，本设计选用创层限制板。3气体和液体的进出口装置管道的公称通径7580901001201301401601852052352603151气体和液体的进出口直径的计算由公式Vs 为流体的体积流量，m3/su 为适宜的流体流速，m/s .常压气体进出口管气速可取1020m/s；液体进出口速度可取0.81.5 m/s必要时可加大。选气体流速为15 m/s 由VS=2200/3600=0.611 m3/s 代入上公式得d=236.313mm圆整之后，气体进出口管径为d=245mm选液体流速为2.0 m/s，由VS18.0236003/s 代入上公式得 d=110 mm,圆整之后液体进出口管径为d=120 mm2底液出口管径：选择 d= 75 mm3泵的选型由计算结果可以选用：IS100-80-125型的泵4塔附属高确实定塔的附属空间高度主要包括塔的上部空间高度，安装液体分布器和液体再分度器所需的空间高度，塔的底部空间高度以与塔的群坐高度。塔的上部空间高度是指塔填料层以上，应有一足够的空间高度，以使随气流携带的液滴能够从气相中别离出来，该高度一般取1.2-1.5。安装液体再分布器所需的塔空间高度依据所用分布器的形式而定一般需要1-1.5m的高度。塔的底部空间高度是指塔底最下一块塔板到塔底封头之间的垂直距离。该空间高度含釜液所占的高度与釜液面上方的气液别离高度的两局部。釜液所占空间高度确实定是依据塔的釜液流量以与釜液在塔内的停留时间确定出空间容积，然后根据该容积和塔径计算出塔釜所占的空间高度。塔底液相液相停留时间按1min考虑，如此塔釜液所占空间为考虑到气相接收所占的空间高度，底部空间高度可取1.5米，所以塔的附属空间高度可以取4.0米。5人孔公称压力公称直径密封面型标准号常压450 mm平面(FS)HG21515-95五、设计结果汇总课程设计名称水吸收SO2填料吸收塔的设计操作条件操作温度 25摄氏度操作压力：常压物性数据液相气相液体密度kg/m3混合气体平均摩尔质量kg/kmol液体粘度kg/(m h)混合气体的平均密度kg/m3液体外表X力932731混合气体的粘度kg/(mh)SO2在水中的扩散系数10-6m2/hSO2在空气中的扩散系数m2/h重力加速度108m/h气相平衡数据SO2在水中的亨利系数E相平衡常数m溶解度系数H103 kpa物料蘅算数据Y1Y2X1X2气相流量G液相流量L最小液气比操作液气比0 kmol/ h4162.4748 kmol/ h工艺数据气相质量流量液相质量流量塔径气相总传质单元数气相总传质单元高度填料层高度填料层压降填料塔附件除沫器液体分布器填料限定装置填料支承板液体再分布器丝网式二级槽式床层限制版分块梁式升气管式六、工艺流程图如下图是本设计的工艺流程简图图二 工艺流程简图七、课程设计总结本次课程设计是在生产实习后进展的，是对化学工程的过程设计与设备的选择的一个深层次的锻炼，也是对实际操作的一个加深理解。在设计过程中遇到的问题主要有：1未知条件的选取；(2)文献检索的能力；3对吸收过程的理解和计算理论的运用；4对实际操作过程中设备的选择和条件的最优化；5对工艺流程图的理解以与绘制简单的流程图和设备结构；6还有一些其他的问题，例如计算的准确度等等。当然，在本次设计中也为自己再次重新的复习化工这门学科提供了一个动力，对化工设计过程中所遇到的问题也有了一个更深的理解。理论和实际的结合也是本次设计的重点，为日后从事相关工作打下了一定的根底。最后，深感要完成一个设计是相当艰巨的一个任务，如何细节的出错都有可能造成实际操作中的经济损失甚至生命安全。八、主要符号说明at填料的总比外表积，m2/m3aW填料的润湿比外表积，m2/m3d填料直径，m；D塔径，m；DL液体扩散系数，m2/s；Dv气体扩散系数，m2/s ； ev液沫夹带量,kg(液)/kg(气)； g重力加速度，9.81 m/s2 ； h填料层分段高度，m； HETP关联式常数； hmax允许的最大填料层高度，m； HB塔底空间高度，m； HD塔顶空间高度，m； HOG气相总传质单元高度，m； kG气膜吸收系数，kmol/(m2skPa)； kL液膜吸收系数，m/s； KG气相总吸收系数，kmol/(m2skPa)； Lb液体体积流量，m3/h； LS液体体积流量，m3/s； LW润湿速率，m3/(ms)； m相平衡常数，无因次； n筛孔数目； NOG气相总传质单元数； P操作压力，Pa； P压力降，Pa； u空塔气速，m/s； uF泛点气速，m/su0.min漏液点气速，m/s； u0液体通过降液管底隙的速度，m/s； U液体喷淋密度，m3/(m2h)UL液体质量通量，kg/(m2h)Umin最小液体喷淋密度，m3/(m2h)Uv气体质量通量，kg/(m2h)Vh气体体积流量，m3/h； VS气体体积流量，kg/s； wL液体质量流量，kg/s； wV气体质量流量，kg/s； x液相摩尔分数； X液相摩尔比Zy气相摩尔分数； Y气相摩尔比； Z板式塔的有效高度，m； 填料层高度，m。 希腊字母空隙率，无因次；粘度，Pas； 密度，kg/m3； 外表X力，N/m； 开孔率或孔流系数，无因次；填料因子，l/m； 液体密度校正系数，无因次。下标max最大的； min最小的； L液相的； V气相的。 九、参考文献1. 某某大学,化学工程根底，高等教育,2001.2. 马江权，化工原理课程设计第二版， 某某工业学院，2007.3. 眶国柱,史启才,化工单元过程与设备课程设计，：化学工业，2002.4.贾绍义，柴诚敬,化工原理课程设计,某某大学, 2002.5. 涂伟萍，陈佩珍，程达芳, 化工过程与设备设计, ：化学工业,2000.6. 杨祖荣，X丽英，X伟,化工原理,： 化学工业, 2004.7. 管国峰，化工原理，：化学工业出版，2003.十 附图附图：SO2吸收塔条件图精彩文档