課程設(shè)計二氧化硫吸收塔

1、、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SO2,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 c表一工藝操作條件混合氣體處理量m3/h2000混合氣體SO2含量(體積分?jǐn)?shù))10%SO2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)計方案的確定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， 分離效率高(具有多個理論級的分離能

2、力)的顯著優(yōu)點而廣泛應(yīng)用。用水吸收SO2屬中等溶解度的吸收過程，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/d。填料的材質(zhì)分為陶瓷、金屬和塑料三大類。對于水吸收 S02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，分離效率越高，但阻力增加， 通量減小，填料費用也增

3、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，多用 于吸收、解吸、萃取等裝置。但其缺點是表面潤濕性能差，在某些特殊場合，需要對其表面進 行處理，以提高表面潤濕性能。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。塔徑/mmD<300300< D < 900D>900表2填料尺寸與塔徑的對應(yīng)關(guān)系填料尺寸/mm20 2525 3850 802.3設(shè)計步驟本課程設(shè)計從以下幾個方面的內(nèi)容來進行設(shè)計（一） 吸收塔的物料衡算；（二）填料塔的工藝尺寸計算；主要包括：塔徑，填料層高度，填料層壓降；（三） 設(shè)計液體分布器及輔助設(shè)備的選型；

4、（四） 繪制有關(guān)吸收操作圖紙三、裝置的工藝計算：3.1 基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)3.1.1 液相物性數(shù)據(jù)對低濃度吸收過程，溶液的物性數(shù)據(jù)可近似取純水的物性數(shù)據(jù)。由手冊查得，25c時水的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：3密度為 p l=997.1 kg/m粘度為 "0.0008937 Pa s=3.2173kg/(m h)2表面張力為(T l=71.97 dyn/cm=932731 kg/hSO在水中的擴散系數(shù)為Dl依Wilke-Chang公式計算D =1.859 108( Mr)、V0.6(1)其中:小一溶劑的締合參數(shù)，具體值為水2.6。M溶劑的摩爾質(zhì)量，kg/kmol ;T一溶液的溫度，K;溶劑的粘度，Pa

5、?s；V溶質(zhì)在正常沸點下的分子體積，cm3/mol ;由正常沸點下的液體密度來計算。若缺乏此密 度數(shù)據(jù)，則可采用Tyn-Calus方法估算：V=0.285Vc1.048( 2)Vc為物質(zhì)的臨界體積，SO臨界體積為122.2cm3/mol。最終計算得SO在水中的擴散系數(shù)為 DL=1.724 X 10-9m/s=6.206 X 10-6 n2/h3.1.2 氣相物性數(shù)據(jù)設(shè)進塔混合氣體溫度為25 C,混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為MnP'yiM(3)混合氣體的平均密度為p v后PM/RT(4)混合氣體的粘度可近似取為空氣的粘度，查手冊得25C空氣的粘度為w v=1.83 x 10-5Pa?s=0.

6、066kg/(m?h)SO在空氣中的擴散系數(shù)_ _ _175DDX(R/P) X(T/T0).(5)其中273K時，1.013 X 105Pa時SO在空氣中的擴散系數(shù)為1.22x10m27s最終計算得278K, 1.013 X105Pa下SO在空氣中的擴散系數(shù)為D=1.422 乂 10-5m/s=0.051 m 2/h3.1.3 氣液相平衡數(shù)據(jù)常壓下25c時SO在水中的亨利系數(shù)為 E=4.13 X 103 kPa相平衡常數(shù)為m=E/ P=4.13 x 103/101.3=40.76(6)溶解度系數(shù)為H=p /EM=997.1/4.13 x 103x 18.02=0.0134kmol/kPam

7、3(7)3.1.4 物料衡算本設(shè)計中取回收率“=98%液氣比L/G=1.2(L/G) min近似取塔平均操作壓強為101.3kPa,故：混合氣量 V= 2000 m3/h=81.80 kmol/h混合氣 SO中量 Vi = 2000x 0.1 =200 m3/h3設(shè)混合氣中惰性氣體為空氣，則混合氣中空氣量V2= 1800 m/h=73.62 kmol/h(1) SO進塔體積分?jǐn)?shù)y 1=0.1 ;出塔體積分?jǐn)?shù)(2) 進塔氣相摩爾比為Yi =y10.11 -0.1= 0.11出塔氣相摩爾比為Y2=Y(1- 1 )=0.11(1-0.98)=0.0022(3) 該吸收過程屬低濃度吸收，平衡關(guān)系為直線

8、，最小液氣比可按下式(9)(6)塔底吸收液組成Xi(7)操作線方程Y=(L/V)X+Y 2-(L/V)X 2(10)(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 wg=2000X 1.32 87=2657.4 kg/h液相質(zhì)量流量可近似按純水的流量計算，即Wl=3528.61 X 18.02=63585.55kg/h其中:3p l =997.1 kg/m 3p v=1.3287 kg/m 3g = 9.81 m/s 2 = 1.27 X 108 m/h2W = 2657.4 kg

9、/hW = 63585.55 kg/hw l =0.0008937 Pa - s(1)采用Ecekert通用關(guān)聯(lián)圖法計算泛點氣速 Ur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0.0020.0010.G20.01 O.DGV O.OOfro.ow0.01 OS。4一3#，滯 10.2 0.3 0,4 06 0.8圖中uo 空塔氣速，m /s ；小一一濕填料因子，簡稱填料因子，1 /m ；山 水的密度和液體的密度之比；g 重力加速度，m /s ;p g、p l分別為氣體和液體的密度，kg /m 3;w、w分別為氣體和液體的質(zhì)量流量，kg /s 。此圖適用于亂堆的顆粒

10、形填料，如拉西環(huán)、弧鞍形填料、矩鞍形填料、鮑爾環(huán)等，具上還繪 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(biāo)為查圖一查得縱坐標(biāo)值為表三散裝填料泛點填料因子平均值填料類型填料因子，1/mDN16DN25DN38DN50DN76金屬鮑爾環(huán)410一117160一金屬環(huán)矩鞍一170150135120金屬階梯環(huán)一一160140一塑料鮑爾環(huán)55028018414092塑料階梯環(huán)一260170127一逢矩鞍1100550200226一瓷拉西劃、1300832600410一由于采用DN3磔丙烯階梯環(huán)填料。故由表一可得填料因子F =170m

11、J泛點氣速 (12)對于散裝填料，具泛點率的經(jīng)驗值為u/uF =0.50.85取 u=0.7uf 故操作氣速u=0.7 X 1.052=0.736 m/s氣體的體積流量V s=2000/3600=0.556 m 3/s塔徑=0.962 m(13)圓整塔徑，取D=l.0 m(3)泛點率校核： =0.67 (在允許的范圍內(nèi))(4)填料規(guī)格校核：D/d=1000/38=26.32 >8(5)液體噴淋密度校核：對于直徑不超過75mmi勺散裝填料，可取最小潤濕速率(Lw) min=(2.2 X10-5 )m3/(m . s)=0.08m3/(m - h)3對于直徑大于75mm勺散裝填料，可取最小潤

12、濕速率(Lw) min=0.12m/(m - h)3 .所以，取最小潤濕速率為：(Lw) min=0.08m/(m h)查填料手冊得 2 .3塑料階梯環(huán)比表面積at=132.5m/m流體的最小體積通量5n= (Lw) min h= 0.08 x 132.5 =10.6m3/ m2 - h(13) m3/(m2 , h)>Umin經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用 D=1000mn理。3.2.2 填料層高度計算(1)傳質(zhì)單元數(shù)Ndg _ _ * _ _ _ _ _ _ _Y1 = m Xi = 40.76 X 0.00225 = 0.09171*Y2 = m X2 = 0解吸因數(shù)為： (14)

13、氣相總傳質(zhì)單元數(shù)為：氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計算rI 。75( Me1 小 2 廿05 “2 +2 awc C cU lU l atU l=1exp( 一1.45 -2- at工J 0，) <PL g J 3國&) j查表四表四常見材質(zhì)的臨界表面張力值材質(zhì)碳瓷玻璃聚丙烯聚氯乙烯鋼石蠟表面張力，mN /m56617333407520(2)傳質(zhì)單元高度的計算2(16)得 C C = 33 dyn/cm = 427680 kg/h液體質(zhì)量通量為:氣膜吸收系數(shù)由下式計算:kG =0.2370.7Uv13 atDvJvDv Ji RT J(17)氣體質(zhì)量通量為:液膜吸收系數(shù)由

14、下式計算(18)表五常見填料塔的形狀系數(shù)填料類型球形棒形拉西環(huán)弧鞍開扎環(huán)0.720.7511.191.45本設(shè)計填料類型為開孔環(huán) 所以¥=1.45，則 kGa = k Zw' 1.1 =0.0415(19) kLa=ktawN.4=1.431(20)由于一需要按下式進行校正，即一(21)一(22)得：則總傳質(zhì)系數(shù)：5984kmol/(m2 hkPa)()(24)(3)填料層高度的計算(25)Z = HoNg = 0.579 X 14.15 = 8.193 m但根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，填料層的設(shè)計高度一般為Z' =(1.21.5) Z式中Z'一設(shè)計時的填料高度，mlZ 一

15、工藝計算得到的填料層高度，mZ' =1.25 Z=10.241m設(shè)計取填料層高度為Z =10.5m查：表六散裝填料分段高度推薦值填料類型h/DHmax/m拉西環(huán)2.5<4矩鞍58<6鮑爾環(huán)510<6階梯環(huán)815<6環(huán)矩鞍515<6h - 8 15m對于階梯環(huán)填料，D,hmax -6mh .8 8取 D ，則 h=8X 1000=8000 mm故需分為兩段，每段高5.25 m3.2.3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(biāo)為:表七散裝填料壓降填料因子平均值填料類型填料因子,1/mDN16DN25DN38DN50DN76金屬鮑爾環(huán)306

16、-11498-金屬環(huán)矩鞍-13893.47136金屬階梯環(huán)-11882-塑料鮑爾環(huán)34323211412562塑料階梯環(huán)-17611689-魯矩鞍環(huán)700215140160-瓷拉西劃、1050576450288-查表得，p =116 m-縱坐標(biāo) 查Eckert通用關(guān)聯(lián)圖得：乙P/Z = 186.39Pa/m填料層壓降為： P=186.39 x 10.5=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）

17、填料除霧器，即在塔頂氣體出口前，再通過一層干填料，達到分離霧沫的目的C （2）折板式除霧器，它是利用慣性原理設(shè)計的最簡單的除霧器。（3）絲網(wǎng)除霧器，具為一種分離效率高，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（如下圖）。這是一種效率較高的除霧器，可除去大于5 pm的液滴，效率可達98399%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)（例如堿液或碳酸氫俊溶液等），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 mm氣體通

18、過除沫器的壓降約為120250Pa通過絲網(wǎng)除沫器的最大速率u= 0.085 ,997.1-1.32781.3278=2.3277m/s(26)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(biāo)準(zhǔn)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)

19、 整和維修方便。該吸收塔液相負(fù)荷較大，而氣相負(fù)荷相對較低，故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塔徑,mm分布點密度，點/ m2塔截 面D=400330D=750170D> 120042因該塔液相負(fù)荷較大，設(shè)計取噴淋點密度為150點/m2。布液點數(shù)為n=0.785 X 1.02 X 150=117.75 定 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210mm。兩槽中心矩為160mm。分布點采用三角形排列，實際設(shè)計布點數(shù)為n=120點。(3)布液計算由重力型液體分布器布液能力計算(27)Ls = d02n

20、 . 2gAH由4式中Ls液體流量，m/s ；n開孔數(shù)目(分布點數(shù)目)；小一一孔流系數(shù)，通常取 小=0.550.60 ;d0孔徑，m ; H 開孔上方的液位高度，m取 *=0.60,4 =160mm,設(shè)計取d。=14mm液體分布器的安裝一般高于填料層表面150300 mm (取決于操作彈性)，槽式分布器主槽分槽高度均取210mm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%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 200 mm左右。(4).液體再分布器-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

21、往往造成塔中心的填料不被潤濕，降低表面利用率。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）足夠的自由面積以確保氣、液兩相 順利通過?？傞_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%；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

22、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梁式氣體噴射支撐板4. 4.填料限定裝置填料上方安裝壓緊裝置可防止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

23、塔圈固定，對于小塔可用螺釘固定于塔壁，而大塔則用支耳固定 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)能防止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)氣體夾帶霧滴較多時，需另裝除霧器。如4.5.3液體進口管氣體出口2 A 4 30圖5氣體出口裝置液體的進口管直接指向噴淋裝置。如下圖所示:nc1 I 熊m

24、 .圖6 彎管式液體進口裝置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。圖7液體出口裝置(1)氣體和液體的進出口直徑計算由公式d =Vs為流體的體積流量，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0.81.5 m/s (必要時可加大)。選氣體流速為12 m/s由®2000/3600=0.556 m3/s代入上公式得d=243mnM整之后，氣體 進出口管徑為4 250X 6。選液體流速為 1.0 m/s ,由 V=3528.61 X18.02/ (3600X 997.1 ) =0.018m3/s

25、 代入上公式 得d=150 mm,圓整之后液體進出口管徑為 小160X9。(2)底液出口管徑：選擇 帕9mm 乂 4mm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IS100-80-125型轉(zhuǎn)速2900r/min的泵合適。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 問高度等。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分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分離高度的兩部

26、分。釜液所占空間高度 的確定是依據(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,則塔釜液所占空間高度為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第封間型標(biāo)準(zhǔn)號常壓450 mm平聞（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SO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33.50

27、5kg/kmol液體粘度3.22kg/(m h)混合氣體的平均密度1.3287kg/m3液體表面張力932731混合氣體 的粘度0.066kg/(mh)SO在水中的擴散系數(shù)_ _ _ _ _66.206 X10m/hSO在空氣 中的擴散 系數(shù)0.051m/h重力加速度81.27 X 10m/h氣相平衡數(shù)據(jù)SO在水中的亨利系數(shù)E相平衡常數(shù)m溶解度系數(shù)H4.13X103 kpa40.760.0134kmol/kPam3物料衡算數(shù)據(jù)YiY2XX?氣相流量V液相流量L最小液氣比操作液氣比0.110.00220.00225073.62 kmol/ h3528.61 kmol/ h39.9447.93工藝

28、數(shù)據(jù)氣相質(zhì)量液相質(zhì)量流量塔徑氣相總 傳質(zhì)單 tW氣相總 傳質(zhì)單 元高度填料層高度填料層壓降2657.463585.551.0m14.150.579m10.5m1957.095Pa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)計的基本過程的設(shè)計方法、步驟、思路、有一定的了解與認(rèn)識。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， 基本能按照規(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。指導(dǎo)書、 技術(shù)條件的要求進行。同學(xué)之間相互聯(lián)系，此次課程設(shè)計基本能按照設(shè)計任務(wù)書、討論，整體設(shè)計基本滿足使用要求，但是在設(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