清水吸收SO2填料吸收塔设计Word文档格式.docx

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3.确定塔径、填料层高度等工艺尺寸；

4.计算填料层压降；

5.填料塔附属高度与其附件。

四、设计根底数据：

参考教材与参考资料。

五、设计成果：

1.设计说明书一份；

2.填料吸收塔主体设备图；

3.填料吸收塔工艺流程图。

注：

吸收塔常规操作，液气比很大，吸收温度不变，近似为清水温度

1、概述

吸收是别离气体混合物的单元操作，其别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别离。

一个完整的吸收过程应包括吸收和解吸两局部。

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响活性的差异，在气液两相接触时发生传质，实现气液混合物的别离。

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外表具有良好的湍流状况，从而使吸收易于进展，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，别离效率高等优点，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展物料衡算。

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。

在化学工业中，吸收操作广泛应用于石油炼制，石油化工中别离气体混合物，原料气的精制与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，别离效率高，压力降小，操作弹性大和持液量小等优点而被广泛应用。

2、设计方案简介

2.1吸收剂的选择

吸收操作的好坏在很大程度上取决于吸收剂的性质。

选择吸收剂时在，主要考虑以下几点：

（1）溶解度大吸收剂对溶质组分的溶解度越大，如此传质推动力越大，吸收速率越快，且吸收剂的耗用量越少，操作费用较低。

（2）选择性好吸收剂应对溶质组分有较大的溶解度，而对混合气体中的其它组分溶解度甚微，否如此不能实现有效的别离。

（3）挥发性好在吸收过程中，吸收尾气往往为吸收剂蒸汽所饱和。

故在操作温度下，吸收剂的蒸汽压要低，以减少吸收剂的损失量。

（4）粘度低吸收剂在操作温度下的粘度越低，其在塔内的流动阻力越小，扩散系数越大，这有助于传质速率的提高。

（5）易再生当富液不作为产品时，吸收剂要易再生，以降低操作费用。

要求溶解度对温度的变化比拟敏感，即不仅在低温下溶解度要大，平衡分压要小；

而且随着温度升高，溶解度应迅速下降，平衡分压应迅速上升，如此被吸收的气体解吸，吸收剂再生方便。

（6）其它所选用的吸收剂应尽可能无毒性、无腐蚀性、不易燃易爆、不发泡、冰点低、价廉易得，且化学性质稳定、经济安全。

在实际生产中满足所有要求的吸收剂是不存在的。

应从满足工艺要求出发，对可供选择的吸收剂做全面的评价，作出科学、经济、合理的选择。

综上所述，考虑吸收剂的选用标准，在二氧化硫的吸收过程中，采用清水为吸收剂。

2.2吸收流程的选择

2.2.1气体吸收过程分类

气体吸收过程通常按以下方法分类。

（1）单组分吸收与多组分吸收:

吸收过程按被吸收组分数目的不同，可分为单组分吸收和多组分吸收。

假如混合气体中只有一个组分进入液相，其余组分不溶〔或微溶〕于吸收剂，这种吸收过程称为单组分吸收。

反之，假如在吸收过程中，混合气中进入液相的气体溶质不止一个，这样的吸收称为多组分吸收。

（2）物理吸收与化学吸收:

在吸收过程中，如果溶质与溶剂之间不发生显著的化学反响，可以把吸收过程看成是气体溶质单纯地溶解于液相溶剂的物理过程，如此称为物理吸收。

相反，如果在吸收过程中气体溶质与溶剂（或其中的活泼组分）发生显著的化学反响，如此称为化学吸收。

（3）低浓度吸收与高浓度吸收:

在吸收过程中，假如溶质在气液两相中的摩尔分率均较低〔通常不超过0.1〕，这种吸收称为低浓度吸收；

反之，如此称为高浓度吸收。

对于低浓度吸收过程，由于气相中溶质浓度较低，传递到液相中的溶质量相对于气、液相流率也较小，因此流经吸收塔的气、液相流率均可视为常数。

（4）等温吸收与非等温吸收:

气体溶质溶解于液体时，常由于溶解热或化学反响热，而产生热效应，热效应使液相的温度逐渐升高，这种吸收称为非等温吸收。

假如吸收过程的热效应很小，或虽然热效应较大，但吸收设备的散热效果很好，能与时移出吸收过程所产生的热量，此时液相的温度变化并不显著，这种吸收称为等温吸收。

吸收装置的流程主要有以下几种。

〔1〕逆流操作气相自塔底进入塔顶排出，液相自塔顶进入塔底排出，此即逆流操作。

逆流操作的特点是，传质平均推动力大，传质速率快，别离效率高，吸收剂利用率高。

工业生产中多采用逆流操作。

〔2〕并流操作气液两相均从塔顶流向塔底，此即并流操作。

并流操作的特点是，系统不受液流限制，可提高操作气速，以提高生产能力。

并流操作通常用于以下情况：

当吸收过程的平衡曲线较平坦时，流向对推动力影响不大；

易溶气体的吸收或处理的气体不需要吸收很完全；

吸收剂用量特别大，逆流操作易引起液泛。

〔3〕吸收剂局部再循环操作在逆流操作系统中，用泵将吸收塔排出液体的一局部冷却后与补充的新鲜吸收剂一同送回塔内，即为局部再循环操作。

通常用于以下情况：

当吸收剂用量较小，为提高塔的液体喷淋密度；

对于非等温吸收过程，为控制塔内的温升，需取出一局部热量。

该流程特别适宜于相平衡常数m值很小的情况，通过吸收液的局部再循环，提高吸收剂的使用效率。

应予指出，吸收剂局部再循环操作较逆流操作的平均推动力要低，且需要设置循环泵，操作费用增加。

〔4〕多塔串联操作假如设计的填料层高度过大，或由于所处理物料等原因需要经常清理调料，为便于维修，可把填料层分装在几个串联的塔内，每个吸收塔通过的吸收剂和气体量都相等，即为多塔串联操作。

此种操作因塔内需要留较大空间，输液、喷淋、支承板等辅助装置增加，使设备投资加大。

〔5〕串联—并联混合操作假如吸收过程处理的液量很大，如果用通常的流程，如此液体在塔内的喷淋密度过大，操作气速势必很小〔否如此易引起塔的液泛〕，塔的生产能力很低。

实际生产中可采用气相作串联、液相作并联的混合流程。

用水吸收二氧化硫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，且二氧化硫不作为产品，故采用纯溶剂。

2.3填料的类型与选择

填料是填料塔中气液接触的根本构件，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。

工业填料按形状和结构分为颗粒填料和规整填料：

〔1〕颗粒填料一般为湿法乱堆或干法乱的散装填料。

主要有以下类型：

拉西环填料，鲍尔环填料，阶梯环填料等环形填料；

弧鞍形填料，环矩鞍填料等鞍形填料等。

〔2〕规整填料以一定的几何形状，整齐堆砌，工业用多为波纹填料，其优点是结构紧凑、传质效率高、处理量大，但不易处理粘度大或有悬浮物的物料，且造价高。

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。

填料尺寸直接影响塔底操作和设备投资。

实践证明，塔径〔D〕与填料外径〔d〕之比值有一个下限值，假如径比低于此下限值时，塔壁附近的填料空隙率大而不均匀，气流易短路与液体壁流等现象剧增。

一般推荐:

D≤300时，选25的填料；

时，选25—38的填料。

时，选用的填料。

但一般大塔中常用的填料，但通量的提高不能补偿本钱的降低。

2.4设计步骤

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，填料层高度与压降；

〔三〕辅助设备的选型；

〔四〕绘制有关吸收操作图纸。

3、工艺计算3.1根底物性数据

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ρL=998.2kg/m3

粘度为μL=0.001Pa·

s=3.6kg/（m·

h）

外表X力为σL=72.6dyn/cm=940896kg/h2

SO2在水中的扩散系数为DL=×

10-5m2×

10-6m2/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30℃，

混合气体的平均摩尔质量为

MVm=ΣyiMi=0.06×

4×

29=g/mol

混合气体的平均密度为

ρVm=3×

×

303.15〕=5kg/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

μV1×

10-55kg/（m•h）

查手册得SO2在空气中的扩散系数为

DV=2/s=0.039m2/h

〔依计算，其中273K时，×

10-5Pa时SO2在空气中的扩散系数为×

10-5m2/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20℃时SO2在水中的亨利系数为

E=3.55×

103kPa

溶解度系数为

H=ρ/EM=〔×

103×

〕=0.0156kmol/〔k·

Pam3〕

相平衡常数为

m=×

10333

3.1.4物料衡算

〔1〕进塔混合气中各组分的量

近似取塔平均操作压强为3kPa，故：

混合气量＝kmol／h

混合气SO2中量＝×

0.06＝kmol／h＝×

64.06=kg／h

混合气中空气量＝-＝kmol／h＝×

29＝kg／h

（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=+×

=kmol/h

=+×

=kg/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X1

3.2填料塔的工艺尺寸的计算

3

采用Eckert通用关联图计算泛点气速。

气相质量流量为WV=2575×

5=3220kg/h

液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即

WL=×

18.02=kg/h

其中：

ρL3

ρV=5kg/m3

g=9.81m/s2×

108m/h2

WV=3220kg/h

WL=kg/h

μL=0.00100Pa·

s

〔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：

图3-1填料塔泛点和压降的通用关联图

图3-1中u0——空塔气速，m/s；

φ——湿填料因子，简称填料因子，1/m；

ψ——水的密度和液体的密度之比；

g——重力加速度，m/s2；

ρV、ρL——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/