清水吸收SO2填料吸收塔设计Word文档格式.docx
《清水吸收SO2填料吸收塔设计Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《清水吸收SO2填料吸收塔设计Word文档格式.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
4.5填料压紧装置17
4.6气体和液体的进出口装置17
5、设计结果汇总19
6、主要符号说明20
7、设计评述21
8、参考文献22
1、概述
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一物料衡算、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。
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，则传质推动力越大，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，否则不能实现有效的分离。
（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
对温度的变化比较敏感，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，则被吸收的气体解吸，吸收剂再生方便。
⑹其它所选用的吸收剂应尽可能无蠹性、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，采用活水为吸收剂。
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。
若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，若在吸收过程中，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应，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，则称为物理吸收。
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）发生显著的化学反应，则称为化学吸收。
（3）低浓度吸收与高浓度吸收：
在吸收过程中，若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,则称为高浓度吸收。
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应热，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。
若吸收过程
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，能及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。
2.2.2吸收装置的流程
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，分离效率高，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）吸收剂部分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部分冷却后与补充的新鲜吸收剂一同送回塔内，即为部分再循环操作。
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，需取出一部分热量。
该流程特别适宜于相平衡常数m值很小的情况，通过吸收液的部分再循环，提高吸收剂的使用效率。
应予指出，吸收剂部分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）多塔申联操作若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活理调料，为便于维修，可把填料层分装在几个申联的塔内，每个吸收塔通过的吸收剂和气体量都相等，即为多塔申联操作。
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）申联一并联混合操作若吸收过程处理的液量很大，如果用通常的流程，则液
体在塔内的喷淋密度过大，操作气速势必很小（否则易引起塔的液泛），塔的生产能力
很低。
实际生产中可采用气相作申联、液相作并联的混合流程。
用水吸收二氧化硫届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。
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十法乱的散装填料。
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。
由丁高径比减少，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，若径比低丁此下限值时，塔壁附近的填料空隙率大而不均匀，气流易短路及液体壁流等现象剧增。
一般推荐：
D<
300时，选25mm的填料；
300mm壬D至900mm时，选25—38mm的填料。
D*900mm时，选用50—70mm的填料。
但一般大塔中常用50mm的填料，但通量的提高不能补偿成本的降低。
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。
3、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，20C
时水的有关物性数据如下：
密度为pl=998.2kg/m3
粘度为l=0.001Pas=3.6kg/（mh）
表面张力为bl=72.6dyn/cm=940896kg/h2
SO在水中的扩散系数为Dl=1.47X0-5m2/s=5.29t0-6m2/h
（依Wilke-ChangD=1.859尺顽渺比匕T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30C,
混合气体的平■均摩尔质量为
MVm=2yMi=0.06忘4.06+0.9429=31.104g/mol
混合气体的平■均密度为
_、__3
pvm=PM/RT=101.33<
31.104/（8.314恣03.15）=1.2505kg/m3
混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得20C空气的粘度为
口v=1.811€-5Pa?
s=0.0（5kg/（m?
h）
查手册得SO2在空气中的扩散系数为
DV=0.018cm2/s=0.039m2/h
（依D=D0m（T）1.75计算，其中273K时，1.01310-5Pa时SO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20C时SO在水中的亨利系数为
E=3.55103kPa
溶解度系数为
H=p/EMW98.2/（3.55X03>
18.02）=0.0156kmol/（kPam3）
相平衡常数为
m=E/P=3.55103/101.33=35.033.1.4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101.33kPa,故:
混合气量=2575—_|J=103.58kmol/h[273.15+30）22.4
混合气SO中量=103.58006=6.215kmol/h=6.215忘4.06=398.12kg/h混合气中空气量=103.58-6.215=97.37kmol/h=97.37）29=2823.73kg/h
（2）混合气进出塔的摩尔组成
6.2171-0.94
y20.00382
97.376.2171-0.94
（3）混合气进出塔摩尔比组成进塔气相摩尔比为
y10.06
Y1=——0.064
1-y11-0.06
出塔气相摩尔比为
丫2=丫11-a=0.0641-0.94=0.00384
（4）出塔混合气量
出塔混合气量=97.37+6.2150.06=97.7429kmol/h
=2823.73+398.12M6=2847.62kg/h
（5）吸收剂（水）的用量L
该吸收过程届低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算
（L）Yi
（V扁-Y1
"
X2m
对丁纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为X2=0
L0.064-0.00384““
—min==32.93
V0.064/35.03-0
取操作液气比为
A3
（L'
|min
<
VJ—=1.3X32.93=42.81
V
L=42.8197.37=4168.41kmol/h
（6）塔底吸收液组成Xi
V（Y—E）=L（Xi—X2）
w97.37X（0.064-0.00384）°
°
4168.41
Xi==0.00141
3.2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=2575X1.2505=3220kg/h
液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即
Wl=4168.4118.02=75114.75kg/h
其中：
pl=998.2kg/m3
3
pv=1.2505kg/m
g=9.81m/S=1.27108m/h2
Wv=3220kg/h
Wl=75114.75kg/h
pl=0.00100Pas-
（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:
0.S
06
04
02
0J
006
0.G4
0.01onmi
0006
0004
0002
0.00J0.01OXtt00?
一%法.唯诚」e.2Q.304060,8）2345i»
in
0"
即觥
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；
4湿填料因子，简称填料因子，1/m；
小——水的密度和液体的密度之比；
g重力加速度，m/s2;
w、住一一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/So
此图适用丁乱堆的颗粒形填料，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。
对丁其他填料，尚无可
靠的填料因子数据。
Eckert通用关联图的横坐标为
Wl]'
印'
0.575114.75气2505、'
0.5n[=I=0.8257
W/（PlJ3220<
998.2；
查图3-1查得纵坐标值为
:
V,0.2
-一<
=0.027
gl
2
Uf
表3-1散装填料泛点填料因子平均值
填料类型
填料因子,1/m
DN16
DN25
DN38
DN50
DN76
金届鲍尔环
410
—
117
160
金届环矩鞍
170
150
135
120
金届阶梯环
140
塑料鲍尔环
550
280
184
92
塑料阶梯环
260
127
瓷矩鞍
1100
200
226
瓷拉西环
1300
832
600
查表3-1得:
F=170m4
（2）操作气速
D-
由以下公式计算塔径:
并对5装填料，其泛点率的经验值为心=°
.5~0.85
取u=0.7uf=0.7X.1152=0.7807m/s
（3）塔径
由八严=42575/3600=1.08m
二u3.140.7807
圆整塔径，取D=l.1m。
（4）泛点率校核：
42575u
2
3600〉顷*1.1
=0.753
m/s
=67.52%（在允许范围内）
u0.753—=100%
Uf1.1152
（5）填料规格校核:
D1100
d一38
=28.95
>
8
（6）液体喷淋密度校核：
取最小润湿速率为
（Lw）min=0.08m3/mh
查填料手册得
塑料阶梯环比表面积at=132.5m2/m3
Umin=（Lw）minat=0.08>
32.5=10.6m3/m2h
=79.22m3/m2h>
Umin
75114.75/998.2
0.7851.12
经以上校核可知，填料塔直径选用D=1100mm合理。
3.2.2填料层高度计算
（1）传质单元数Nog
*
Y1-mX^35.030.00141=0.04939
Y2=mX2=0
解吸因数为：
cmV35.041c…
S===0.819
L42.81
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
-0.05
*=1-exp<
-1.45—Ca-
Ul
EtL
UL2at
Ul2
表3-2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/m
56
61
73
33
40
75
20
查表3-2得oC=33dyn/cm=427680kg/#
液体质量通量为：
75114.75o
Ul=2=79080.64kg/（m2h）
0.7851.1
气膜吸收系数由下式计算：
气体质量通量为：
k0237'
'
Uv'
0"
氏ji'
&
DV）
G.eD顶dJIrtJ
气体质量通量：
25751.25052
Uv==3390.05kg/（mh）
071
cccr'
3390.05Yf0.065'
132.^0.039
kG=0.237
l132.5x0.065」<
1.2505x0.039J<
8.31^293.15J=0.0359kmol/（m2hkPa）
液膜吸收系数由下式计算：
.：
L
79080.64
kL=0.0095
=1.1746m/h
表3-3常见填料塔的形状系数
球形
棒形
拉西环
弧鞍
开孔环
中值
0.72
0.75
1
1.19
1.45
本设计填料类型为开孔环，查表3-3得W=1.45,则
k&
a
=0.0359132.50.61171.451.1=4.3788kmol/（m3hkPa）=1.1746132.50.61171.450.4=110.46l/h
乂因
u/uf=67.52%>
50%
需要按下式进行校正，即
kGa=卜9.5兰一0.5i'
kGa
…["
-。
八
-凹J
可得：
kGa=19.50.6752-0.51.4】4.3788=8.0098kmol/（m3hkPa）
kLa=1+2.6（0.6752—0.5）"
太110.46=116.68l/h
HOG
KYa“KGaP‘"
97.371.483101.330.7851.12
=0.682m
（3）填料层高度的计算
由Z=HOGNOG=0.6827.427=5.07m
根据设计经验，填料层的设计高度一般为
Z'
=（1.2~1.5）Z，取25%g余量
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：
Z=1.255.07=6.4m
设计取填料层高度为
Z=6.4m
表3-4散装填料分段高度推荐值
h/D
Hmax/m
2.5
4
矩鞍
5〜8
6
鲍尔环
5〜10
阶梯环
8〜15
环矩鞍
5〜15
对丁阶梯环填料,-=8~15m，查表3-4得hma^6m
D
取皇=8，则h=8Xl100=8800mmD
6400mm<
8800mm
故需分为两段，第一段高为3.2m，第二段高为3.2m。
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。
、0.5
横坐标为：
虬顼=0.8257
wvL
表3-5散装填料压降填料因子平均值
填料因子，1/m
金属鲍尔环
306
-
114
98
金属环矩鞍
138
93.4
71
36
金属阶梯环
118
82
343
232
125
62
176
116
89
瓷矩鞍环
700
215
1050
576
450
288
i
查3-5表得，①p=116m1
纵坐标为：
22
u：
：
，P‘-I0.20.753211611.25050.2
_=1.0=0.0084
998.2
查图3-1Eckert
填料层压降为：
通用关联图得：
△P/Z=186Pa/m
△P=186X6.4=1190.4Pa
4、辅助设备的计算及选型
4.1除雾沫器
穿过填料层的气体有时会火带液体和雾滴，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火带的液体雾沫，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，SO溶丁水中易丁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=100~150mm,气体通过除沫器的压降约为120~250pa
4.2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4-1Eckert的散装填料塔分布点密度推荐值
塔径,mm
分布点笞度，点/m2塔截回
D=400
330
D=750
D>
1200
42
按Eckert建议值，因
升级会员 