SO2气体填料吸收塔的设计

目录一 设计任务总概31.1.吸收的定义31.2吸收的目的31.3填料吸收塔简介3二 设计方案简介32.1方案的确定.42.2填料的类型与选择42.3设计步骤. .4三 、工艺计算43.1基础物性数据.43.1.1 液相物性数据53.1.2 气相物性数据53.1.3 气液相平衡数据53.1.4 物料衡算63.2填料塔的工艺尺寸的计算73.2.1塔径的计算73.2.2填料层高度计算103.2.3填料层压降计算14四、辅助设备的计算及选型151. 除雾沫器152.液体分布器简要设计163.液体再分布器-升气管式液体再分布器174.填料支承装置175.填料限定装置186气体和液体的进出口装置18五、设计结果汇总19六、主要符号说明21七、参考文献23八、 结语24化工原理课程设计任务书一、设计任务：设计一台SO2气体填料吸收塔二、设计条件： 生产能力：2000Nm3/h空气和SO2混合气 混合气中SO2组成（体积分数）：10% 排放含量： 0.16% 操作方式：连续操作 操作温度：20 操作压力：常压 吸收剂：清水 平衡线方程：y=66.76676x1.15237三、设计内容 1.设计方案和流程的选择； 2.填料的选择； 3.填料塔塔径、塔高及压降的计算； 4.附属装置的选型和设计。四、设计基础数据：参考教材及参考资料。五、设计成果： 1.设计说明书一份； 2.调料吸收塔工艺条件图（2#图幅）六、设计时间安排： 1.查阅资料、设计方案：一天 2.设计计算：三天 3.图纸绘制：一天 4.设计整理：半天 一 设计任务总概1.1.吸收的定义吸收是分离气体混合物的单元操作，其分离原理是利用气体混合物中各组分在液体溶剂中溶解度的差异来实现不同气体的分离。一个完整的吸收过程应包括吸收和解吸两部分。气体吸收过程是利用气体混合物中，各组分在液体中溶解度或化学反应活性的差异，在气液两相接触时发生传质，实现气液混合物的分离。1.2吸收的目的在化工生产过程中，原料气的净化，气体产品的精制，治理有害气体，保护环境等方面都广泛应用到气体吸收过程。本次化工原理课程设计的目的是根据设计要求采用填料吸收塔的方法处理含有二氧化硫的混合物，使其达到排放标准，采用填料吸收塔吸收操作是因为填料可以提供巨大的气液传质面积而且填料表面具有良好的湍流状况，从而使吸收易于进行，填料塔有通量大，阻力小，压降低，操作弹性大，塔内持液量小，耐腐蚀，结构简单，分离效率高等优点，从而使吸收操作过程节省大量人力和物力。在设计中,以水吸收混合气中的二氧化硫，在给定的操作条件下对填料吸收塔进行物料衡算。本次设计包括设计方案的选取、主要设备的工艺设计计算-物料衡算、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算、工艺流程图、主要设备的工艺条件图等内容。1.3填料吸收塔简介在化学工业中，吸收操作广泛应用于石油炼制，石油化工中分离气体混合物，原料气的精制及从废气回收有用组分或去除有害组分等。吸收操作中以填料吸收塔生产能力大，分离效率高，压力降小，操作弹性大和持液量小等优点而被广泛应用。二 设计方案简介2.1方案的确定用水吸收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。2.2填料的类型与选择填料是填料塔中气液接触的基本构件，其性能的优劣是决定填料塔操作性能的主要元素，因此，填料的选择是填料塔设计的重要环节。 散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积在塔内，又称为乱堆填料或颗粒填料。散装填料根据结构特点的不同，又可分为环形填料，鞍形填料，环鞍形填料及球形填料等。对于水吸收SO2的过程，操作温度及操作压力较低，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进。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表面流动的汇集分散点，可以促进液膜的表面更新，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。2.3设计步骤本课程设计从以下几个方面的内容来进行设计（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，填料层高度及压降；（三） 辅助设备的选型；（四） 绘制有关吸收操作图纸。三 、工艺计算3.1基础物性数据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，20时水的有关物性数据如下： 密度为 L=998.2 kg/m3粘度为 L=0.001 Pas=3.6kg/(mh)表面张力为L=72.6 dyn/cm=940896 kg/h2SO2在水中的扩散系数为 DL=1.4710-5m2/s=5.2910-6m2/h（依Wilke-Chang计算，查化学工程基础）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=0.164.06+0.929=32.506g/mol混合气体的平均密度为Vm=PM/RT=101.32532.506/（8.314293.15）=1.3138kg/ m3混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得20空气的粘度为 V=1.81 10-5Pas=0.065kg/(mh)查手册得SO2在空气中的扩散系数为 DV=0.018cm2/s=0.039 m2/h（依计算，其中273K时，1.01310-5Pa时SO2在空气中的扩散系数为1.2210-5m2/s，查化学工程基础）3.1.3 气液相平衡数据由手册查得，常压下20时SO2在水中的亨利系数为 E=3.55 103 kPa溶解度系数为H=/EM=998.2/4.1310318.02=0.0156kmol/（kPam3）3.1.4 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 kmolh混合气SO2中量83.190.18.319 kmolh8.31964.06=532.921kgh设混合气中惰性气体为空气，则混合气中空气量83.19-8.31974.87kmolh74.87292171.26kgh(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）出塔混合气量出塔混合气量=74.87+8.3190.0016=74.8833kmol/h=2171.26+532.920.0016=2172.11kg/h（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X13.2填料塔的工艺尺寸的计算3.2.1塔径的计算采用Eckert通用关联图计算泛点气速。气相质量流量为wv=20001.3514=2702.8 kg/h液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即WL=3194.1018.02=57557.68 kg/h其中：L =998.2kg/m3 V =1.3287 kg/m3g = 9.81 m/s2 = 1.27108 m/h2WV = 2702.8 kg/h WL = 57557.68 kg/hL =0.00100 Pas（1）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：填料塔泛点和压降的通用关联图（引自化工原理）上图中 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=0.50.85取 u=0. 7uF=0.71.1679=0.8175m/s（3）塔径由圆整塔径，取D=l.0m。 （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 （Lw）min=0.08 m3/mh查填料手册得 塑料阶梯环比表面积at=132.5m2/m3Umin=（Lw）minat=0.08132.5=10.6m3/ m2h经以上校核可知，填料塔直径选用D=1000mm合理。 3.2.2填料层高度计算 (1)传质单元数NOG由平衡关系式可知平衡线为曲线，故采用数值积分法YXY*1/Y-Y*0.0017600568.180.012580.0002540.00480128.530.023400.0005070.0106578.380.034230.0007610.0170158.070.045050.0010140.0244048.410.058800.0012690.0306639.650.066700.0015220.0378134.610.077580.0017760.0451830.910.088350.0020970.0547029.720.099170.0022830.0603325.750.011000.0025370.0681323.88Y2=Y0Y1=Ynn=10用辛普森公式（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:常见材质的临界表面张力值材质碳瓷玻璃聚丙烯聚氯乙烯钢石蜡表面张力, 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：气体质量通量为:气体质量通量: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0.720.7511.191.45本设计填料类型为开孔环 所以 =1.45,则又因u/uF=60.6050需要按下式进行校正，即可得：则由（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: = 1.255.25= 6.56 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2.54矩鞍586鲍尔环5106阶梯环8156环矩鞍5156对于阶梯环填料， ， 取 ，则h=81000=8000 mm故需分为两段，每段高3.4m。3.2.3填料层压降计算采用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-13893.47136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: P/Z = 132Pa/m填料层压降为: P=1327.0=924Pa四、辅助设备的计算及选型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，常用的型式有填料除雾器、折流板式除雾器、丝网除雾器这几类，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范围，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。2.液体分布器简要设计（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，故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 。布液点数为n=0.7851.02140=110112点按分布点几何均匀与流量均匀的原则，进行布点设计。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=112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,则设计取液体分布器的安装一般高于填料层表面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，分槽宽度由液体量及停留时间确定，最低液位为50mm为宜，最高液位由操作弹性塔内允许高度及造价确定，一般为200 mm 左右。3.液体再分布器-升气管式液体再分布器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，以克服此现象。由于塔径为1000mm，因此可选用升气管式再分布器，分布外径1080mm，升气管数8。4.填料支承装置填料支撑结构是用于支承塔内填料及其所特有的气体和液体的重量之装置。对填料支承结构的基本要求是：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。常用的填料支承板主要有栅板式和气体喷射式等结构。1）栅板式支承板栅板式的支承结构较为常见，由竖立的扁钢制成。栅板可以制成整块式或分块式的。一般直径小于500mm的塔可以采用整块式栅板；直径为大于600mm的塔，可以根据情况将栅板分成若干块，每块宽度在300400mm之间，以便于装卸。栅条间距为填料外径的0.60.8倍。在直径较大的塔中，当填料环尺寸较小时，也可采用间距较大的栅板、2）气体喷射式支承板气体喷射式支承板的结构特点是：为气体和液体提供了不同的通道，气体易于进入填料层，液体也可自由排出，避免了因液体积聚而发生液泛的可能性，并有利于液体的均匀再分配。气体喷射式支承板有圆柱升气管式和梁式，而以梁式较为优越，梁式支承板用于小塔可制成整体式，用于大塔则分块制作或塔内组装。它可提供超过90%的自由截面（有时甚至达到100%），保证气体通量大，阻力小。因此，在新型填料塔中广泛采用了这种结构。这里选用分块梁式支承板。5.填料限定装置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。6气体和液体的进出口装置管道的公称通径758090100120130140160185205235260315（1）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=2000/3600=0.556 m3/s 代入上公式得d=217mm圆整之后，气体进出口管径为d=369mm选液体流速为2.0 m/s，由VS=3194.1018.02（3600998.2）=0.016m3/s 代入上公式得 d=100 mm,圆整之后液体进出口管径为d=110 mm（2）底液出口管径：选择 d= 75 mm（3）泵的选型由计算结果可以选用：IS100-80-125型的泵（4）塔附属高的确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及塔的群坐高度。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分离出来，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及釜液面上方的气液分离高度的两部分。釜液所占空间高度的确定是依据塔的釜液流量以及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，则塔釜液所占空间为考虑到气相接管所占的空间高度，底部空间高度可取1.5米，所以塔的附属空间高度可以取3.7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 20摄氏度操作压力：常压物性数据液相气相液体密度998.2kg/m3混合气体平均摩尔质量33.505kg/kmol液体粘度3.6kg/(m h)混合气体的平均密度1.3514kg/m3液体表面张力940896混合气体的粘度0.065kg/(mh)SO2在水中的扩散系数5.9210-6m2/hSO2在空气中的扩散系数0.039m2/h重力加速度1.27108m/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H3.55103 kpa35.50.0156kmol/kPam3物料衡算数据Y1Y2X1X2气相流量G液相流量L最小液气比操作液气比0.110.001760.00254074.87 kmol/ h3194.10 kmol/ h30.4742.66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2762.857557.681.0m9.8570.590m6.8m924pa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、主要符号说明at填料的总比表面积，m2/m3aW填料的润湿比表面积，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； 表面张力，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。 参考文献1. 夏清，陈常贵,化学原理，天津大学出版社,2007.2. 马江权，冷一欣化工原理课程设计（第二版）， 中国石化出版社，2009.3. 眶国柱,史启才,化工单元过程及设备课程设计，化学工业出版社，2002.4.贾绍义，柴诚敬,化工原理课程设计,天津大学出版社, 2002.5. 涂伟萍，陈佩珍，程达芳, 化工过程及设备设计,化学工业出版社,2000.6. 杨祖荣，刘丽英，刘伟,化工原理,北京： 化学工业出版社, 2004.7. 管国峰，化工原理，北京：化学工业出版，2003.八、 结语在这次设计的过程中,我遇到了许多问题,有计算机的,还有其他的.因此，课程设计让我认识到很多问题，发挥主观能动性独立地去通过书籍、网络等各种途径查阅资料、查找数据，确定设计方案,这为我们以后的工作和学习打下了良好的基础,通过这次课程设计提高了我的认识问题、分析问题、解决问题的能力。更加重要的是还学会了一种认真做事的态度。这无疑会对自己的工作和生活产生影响。这次设计对我来说受益匪浅。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及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基础。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。