水吸收二氧化硫填料塔

1、化工原理課程設(shè)計設(shè)計名稱水吸收S02-空氣混合氣填料塔的設(shè)計學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院班級環(huán)境131學(xué)號 201301144120姓名高鵬壘指導(dǎo)教師石鳳娟2016 年 1 月 22 日化工原理課程設(shè)計任務(wù)書一、設(shè)計題目水吸收SO2-空氣混合氣填料塔的設(shè)計：試設(shè)計一座填料吸收塔，用 20 C的清水吸 收SO2-空氣混合氣中的 S02。已知入口空氣中含SO2的摩爾分率為0.05，操作壓力為 101.3KPa,相對濕度為70%。要求SO2的回收率為96%。采用清水進行吸收，吸收劑 的用量為最小用量的 1.5倍。二、設(shè)計操作條件(1 )入塔爐氣流量： 1200 (1800 )+n*10=1400 m3 /h(

2、說明: n 為學(xué)號尾數(shù)后兩位)(2) 常壓 101.3KPa。(3 )操作溫度20 C。三、填料類型選用聚丙烯階梯環(huán)填料，填料規(guī)格自選。四、工作日每年 300 天，每天 24h 連續(xù)運行。五、廠址河南省周口市。六、設(shè)計內(nèi)容(1 )填料塔的物料衡算；(2) 填料塔的工藝尺寸計算；(3) 填料層壓降的計算；（4）液體分布器簡要設(shè)計；（5）填料塔接管尺寸計算；（6 ）繪制生產(chǎn)工藝流程圖（ A2 號圖紙）（7 ）繪制填料塔裝配圖（ A1 號圖紙） （8）對設(shè)計過程的評述和有關(guān)問題的討論。摘要：介紹了吸收技術(shù)的基本知識； 敘述了水吸收 SO2 的設(shè)計方案和流程； 根據(jù)操作條件 設(shè)計出符合要求的填料塔，包

3、括塔設(shè)備的工藝尺寸計算、填料選擇及輔助設(shè)備的選型和 計算。關(guān)鍵字 ：課程設(shè)計 SO2 吸收 填料塔目錄一、前言 11、吸收技術(shù)概況 12、吸收在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 23、吸收設(shè)備 3二、設(shè)計方案 31、吸收劑的選擇 32、吸收流程的選擇 52.1 氣體吸收過程分類 52.2 吸收裝置的流程 63、吸收塔設(shè)備及填料的選擇 73.1 吸收塔設(shè)備 73.2 填料的選擇 74、吸收劑再生方法的選擇 95、操作參數(shù)的選擇 95.1 操作溫度的確定 95.2 操作壓力的確定 10三、吸收塔工藝條件的計算 111、基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù) 111.1 液相物性數(shù)據(jù) 111.2 氣相物性數(shù)據(jù) 111.3 氣液兩相平衡時的數(shù)

4、據(jù) 122、物料衡算 123、填料塔的工藝尺寸計算 133.1 塔徑的計算 133.2 泛點率校核和填料規(guī)格 143.3 液體噴淋密度校核 154、填料層高度計算 154.1 傳質(zhì)單元數(shù)的計算 154.2 傳質(zhì)單元高度的計算 164.3 填料層高度的計算 175、填料塔附屬高度的計算 186、液體分布器的簡要設(shè)計 186.1 液體分布器的選型 186.2 分布點密度及布液孔數(shù)的計算 206.3 塔底液體保持管高度的計算 217、其它附屬塔內(nèi)件的選擇 217.1 填料支撐板 217.2 填料壓緊裝置與床層限制板 227.3 氣體進出口裝置與排液裝置 228、流體力學(xué)參數(shù)計算 238.1 填料層壓

5、力降的計算 239、吸收塔主要接管的尺寸計算 249.1 液體進料接管 259.2 氣體進料接管 259.3 吸收劑輸送管路直徑及流速計算 25四、工藝設(shè)計計算結(jié)果匯總與主要符號說明 2.61、填料塔工藝尺寸計算結(jié)果表： 262、流體力學(xué)參數(shù)計算結(jié)果匯總： 273、附屬設(shè)備計算結(jié)果匯總： 284、所用 DN 38聚丙烯塑料階梯環(huán)填料主要性能參數(shù)匯總： 285、主要符號說明： 29五、課程設(shè)計總結(jié) 3.2.附錄 3.3 附錄（一） 水的物性數(shù)據(jù)表 33附錄（二） 塔徑與填料公稱直徑的比值 D/d 的推薦值 34附錄（三）貝恩（Bain）-霍根（Hougen ）關(guān)聯(lián)式中的A、K值34參考文獻 33

6、一、前言1、吸收技術(shù)概況化學(xué)工業(yè)中的廢氣二氧化硫主要來自化石燃料的燃燒、含硫礦石的冶煉、硫酸、磷 肥等生產(chǎn)的工業(yè)廢氣。二氧化硫是化工生產(chǎn)中極為重要的生產(chǎn)原料，其強烈的刺激性氣 味對于人體健康和大氣環(huán)境都會造成破壞和污染，必須進行凈化回收，具經(jīng)濟價值的規(guī) 模應(yīng)充分回收利用，避免硫資源浪費和造成大氣污染，危害人類生存發(fā)展。吸收是氣體混合物分離方法之一，它是根據(jù)混合物中各組分在某一種溶劑中溶解度 不同而達到分離的目的的單元操作。工業(yè)吸收操作是在吸收塔內(nèi)進行的。在吸收操作中，通常將混合氣體中能夠溶解于 溶劑中的組分稱為溶質(zhì)或吸收質(zhì)， 以 A 表示 ;而不溶或微溶的組分稱為載體或惰性氣體， 以B表示；吸

7、收所用的溶劑稱為吸收劑，以 S表示；經(jīng)吸收后得到的溶液稱為吸收液 被吸收后排出吸收塔的氣體稱為吸收尾氣。吸收就是吸收質(zhì)從氣相轉(zhuǎn)入液相的過程 1 吸收過程通常在吸收塔中進行。根據(jù)氣、液兩相的流動方向，分為逆流操作和并流 操作兩類，工業(yè)生產(chǎn)中以逆流操作為主，吸收劑以塔頂加入自上向下流動，與從下向上 流動的氣體接觸，吸收了吸收質(zhì)的液體從塔底排出，凈化后的氣體從塔頂排出。其操作 示意圖如下圖所示：吸 收 劑吸收尾氣（B +微量的A ）混合氣體（A + B） 1酬出口 2橢人口 3-W«SS 4-00 5旗那賊體酚儲 7墉口 8支當脫吧體人口曲鈾口 吸收液（A + S）2、吸收在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)

8、用1）、有用組分的回收：如用硫酸處理焦爐氣以回收其中的二氧化硫，用氣油處理 焦爐氣以回收其中的芳烴，用液態(tài)烴處理裂解氣以回收其中的乙烯、丙烯等。2）原料氣的凈化。例如用水和堿液脫除合成二氧化硫原料氣中的二氧化碳，用丙 酮脫除裂解氣中的乙炔等。3）某些產(chǎn)品的制取。例如用水吸收二氧化氮以制造硝酸，用水吸收氯化氫以制備 鹽酸，用水吸收甲醛以制備福爾馬林溶液等。4）廢氣的治理。例如：電廠的鍋爐尾氣含二氧化硫。硝酸生產(chǎn)尾氣含一氧化氮等 有害氣體，均須用吸收方法除去。3、吸收設(shè)備吸收操作主要在填料塔和板式塔中進行，幾種常用的吸收塔有填料塔、湍球塔、板 式塔等。由于填料塔的基本特點是結(jié)構(gòu)簡單，壓力降小，傳質(zhì)

9、效率高，便于采用耐腐蝕 材料制造，對于熱敏性及容易發(fā)泡的物料， 更顯出其優(yōu)越性， 故填料塔的應(yīng)用較為廣泛。填料塔由外殼、填料、填料支承、液體分布器、中間支承和再分布器、氣體和液體 進出口接管等部件組成，塔外殼多采用金屬材料，也可用塑料制造。填料是填料塔的核心，它提供了塔內(nèi)氣液兩相的接觸面，填料與塔的結(jié)構(gòu)決定了塔 的性能。填料必須具備較大的比表面，有較高的空隙率、良好的潤濕性、耐腐蝕、一定 的機械強度、密度小、價格低廉等。常用的填料有拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、弧鞍形和矩鞍形填 料。二、填料塔設(shè)計1、吸收劑的選擇吸收操作的好壞在很大程度上取決于吸收劑的性質(zhì)。選擇吸收劑時在，主要考慮以下幾點：溶解度大 吸收劑

10、對溶質(zhì)組分的溶解度越大，則傳質(zhì)推動力越大，吸收速率越快, 且吸收劑的耗用量越少，操作費用較低。 選擇性好吸收劑應(yīng)對溶質(zhì)組分有較大的溶解度，而對混合氣體中的其它組分溶 解度甚微，否則不能實現(xiàn)有效的分離。 揮發(fā)性好在吸收過程中，吸收尾氣往往為吸收劑蒸汽所飽和。故在操作溫度下, 吸收劑的蒸汽壓要低，以減少吸收劑的損失量。 粘度低 吸收劑在操作溫度下的粘度越低，其在塔內(nèi)的流動阻力越小，擴散系數(shù) 越大，這有助于傳質(zhì)速率的提高。 易再生 當富液不作為產(chǎn)品時，吸收劑要易再生，以降低操作費用。要求溶解度 對溫度的變化比較敏感，即不僅在低溫下溶解度要大，平衡分壓要??；而且隨著溫度升 高，溶解度應(yīng)迅速下降，平衡分

11、壓應(yīng)迅速上升，則被吸收的氣體解吸，吸收劑再生方便。 其它：無毒性、無腐蝕性、不易燃易爆、不發(fā)泡、冰點低、價廉易得，且化學(xué)性 質(zhì)穩(wěn)定、經(jīng)濟安全。在實際生產(chǎn)中滿足所有要求的吸收劑是不存在的。應(yīng)從滿足工藝要求出發(fā)，對可供 選擇的吸收劑做全面的評價，作出科學(xué)、經(jīng)濟、合理的選擇。表2-1物理吸收劑和化學(xué)吸收劑的選擇物理吸收劑化學(xué)吸收劑（1 ）吸收容量（溶解度）正比于溶質(zhì)分（1 ）吸收容量對溶質(zhì)分壓不太敏感壓（2 ）吸收熱效應(yīng)顯著（2 ）吸收熱效應(yīng)很小（近于等溫）（3）用低壓蒸汽氣提解吸（3）常用降壓閃蒸解吸（4）適于溶質(zhì)含量不咼，而凈化度要求（4 ）適于溶質(zhì)含量咼，而凈化度要求不很高的場合太高的場合（5

12、 ）對設(shè)備腐蝕性大，易變質(zhì)（5 ）對設(shè)備腐蝕性小，不易變質(zhì)綜上所述，考慮吸收劑的選用標準，在二氧化硫的吸收過程中，采用水為吸收劑2、吸收流程的選擇2.1氣體吸收過程分類氣體吸收過程通常按以下方法分類。 單組分吸收與多組分吸收：吸收過程按被吸收組分數(shù)目的不同， 可分為單組分吸 收和多組分吸收。若混合氣體中只有一個組分進入液相，其余組分不溶（或微溶）于吸 收劑，這種吸收過程稱為單組分吸收。反之，若在吸收過程中，混合氣中進入液相的氣體溶質(zhì)不止一個，這樣的吸收稱為多組分吸收。 物理吸收與化學(xué)吸收：在吸收過程中，如果溶質(zhì)與溶劑之間不發(fā)生顯著的化學(xué)反 應(yīng)，可以把吸收過程看成是氣體溶質(zhì)單純地溶解于液相溶劑的

13、物理過程，則稱為物理吸 收。相反，如果在吸收過程中氣體溶質(zhì)與溶劑（或其中的活潑組分）發(fā)生顯著的化學(xué)反應(yīng)， 則稱為化學(xué)吸收。 低濃度吸收與高濃度吸收：在吸收過程中，若溶質(zhì)在氣液兩相中的摩爾分率均較 低（通常不超過0.1），這種吸收稱為低濃度吸收；反之，則稱為高濃度吸收。對于低濃 度吸收過程，由于氣相中溶質(zhì)濃度較低，傳遞到液相中的溶質(zhì)量相對于氣、液相流率也 較小，因此流經(jīng)吸收塔的氣、液相流率均可視為常數(shù)。 等溫吸收與非等溫吸收：氣體溶質(zhì)溶解于液體時，常由于溶解熱或化學(xué)反應(yīng)熱，而產(chǎn)生熱效應(yīng)，熱效應(yīng)使液相的溫度逐漸升高，這種吸收稱為非等溫吸收。若吸收過程 的熱效應(yīng)很小，或雖然熱效應(yīng)較大，但吸收設(shè)備的散

14、熱效果很好，能及時移出吸收過程 所產(chǎn)生的熱量，此時液相的溫度變化并不顯著，這種吸收稱為等溫吸收6 。2.2 吸收裝置的流程吸收裝置的流程主要有以下幾種。 逆流操作 氣相自塔底進入塔頂排出，液相自塔頂進入塔底排出，此即逆流操作。 逆流操作的特點是，傳質(zhì)平均推動力大，傳質(zhì)速率快，分離效率高，吸收劑利用率高。 工業(yè)生產(chǎn)中多采用逆流操作。 并流操作 氣液兩相均從塔頂流向塔底， 此即并流操作。 并流操作的特點是， 系統(tǒng) 不受液流限制，可提高操作氣速，以提高生產(chǎn)能力。并流操作通常用于以下情況：當吸 收過程的平衡曲線較平坦時，流向?qū)ν苿恿τ绊懖淮螅灰兹軞怏w的吸收或處理的氣體不 需要吸收很完全；吸收劑用量特別

15、大，逆流操作易引起液泛。 吸收劑部分再循環(huán)操作 在逆流操作系統(tǒng)中， 用泵將吸收塔排出液體的一部分冷卻 后與補充的新鮮吸收劑一同送回塔內(nèi)，即為部分再循環(huán)操作。通常用于以下情況：當吸 收劑用量較小，為提高塔的液體噴淋密度；對于非等溫吸收過程，為控制塔內(nèi)的溫升， 需取出一部分熱量。該流程特別適宜于相平蘅常數(shù) m 植很小的情況，通過吸收液的部 分再循環(huán)，提高吸收劑的使用效率。應(yīng)予指出，吸收劑部分再循環(huán)操作較逆流操作的平 均推動力要低，且需要設(shè)置循環(huán)泵，操作費用增加。 多塔串聯(lián)操作 若設(shè)計的填料層高度過大， 或由于所處理物料等原因需要經(jīng)常清理 調(diào)料，為便于維修，可把填料層分裝在幾個串聯(lián)的塔內(nèi)，每個吸收塔

16、通過的吸收劑和氣 體量都相等，即為多塔串聯(lián)操作。此種操作因塔內(nèi)需要留較大空間，輸液、噴淋、支承 板等輔助裝置增加，使設(shè)備投資加大。 串聯(lián)并聯(lián)混合操作 若吸收過程處理的液量很大，如果用通常的流程，則液體 在塔內(nèi)的噴淋密度過大，操作氣速勢必很?。ǚ駝t易引起塔的液泛） ，塔的生產(chǎn)能力很 低。實際生產(chǎn)中可采用氣相作串聯(lián)、液相作并聯(lián)的混合流程。 用水吸收二氧化硫?qū)僦械热芙舛鹊奈者^程，為提高傳質(zhì)效率，選用逆流吸收流程。因 用水作為吸收劑，且二氧化硫不作為產(chǎn)品，故采用純?nèi)軇?73、吸收塔設(shè)備及填料的選擇3.1 吸收塔設(shè)備對于吸收過程，塔設(shè)備有多種，如何選擇合適的類型是進行工業(yè)設(shè)計的首要工作。 而進行這一項

17、工作則主要對吸收過程進行充分的研究后， 并經(jīng)過多方案對比方能得到較 滿意的結(jié)果。一般而言，吸收用塔設(shè)備與精餾過程所需要的塔設(shè)備具有相同的原則要求， 即用較小直徑的塔設(shè)備完成規(guī)定的處理量，塔板或填料層阻力要小，具有良好的傳質(zhì)性 能，具有合適的操作彈性，結(jié)構(gòu)簡單，造價低，易于制造、安裝、操作和維修等。但作為吸收過程，一般具有操作液氣比大的特點，因而更適用于填料塔。此外，填 料塔阻力小，效率高，有利于過程節(jié)能，所以對于吸收過程來說，以采用填料塔居多。 但在液體流率很低難以充分潤濕填料，或塔徑過大，使用填料不很經(jīng)濟的情況下，以采 用板式塔為宜。本設(shè)計過程采用填料塔作為吸收設(shè)備。3.2 填料的選擇塔填料

18、是填料塔中氣液接觸的基本構(gòu)件， 其性能的優(yōu)劣是決定填料塔操作性能的主 要因素，因此，塔填料的選擇是填料塔設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。在選擇塔填料時應(yīng)考慮如下幾個問題： 比表面積要大 比表面積 a 是指單位體積的填料層所具有的表面積，大的比表 面積和良好的潤濕性能有利于傳質(zhì)速率的提高。 空隙率大 空隙率&是指單位體積的填料所具有的空隙體積，填料的空隙率大，氣液通過的能力大，氣體流動的阻力小，填料的空隙率一般在 0.45-0.95 范圍。 堆積密度小 堆積密度P是指單位體積填料的質(zhì)量，在機械強度允許的條件下，填料壁要盡量減薄，以減小填料的堆積密度，從而既可降低成本又可增加空隙率。 填料的幾何形狀填料的

19、幾何形狀對填料的流體力學(xué)和傳質(zhì)性能有著重要的影響。 填料的材質(zhì) 工業(yè)上，填料的材質(zhì)分為陶瓷、金屬和塑料三大類，不同的材質(zhì)適 應(yīng)于不同的操作條件。該流程的操作壓力及溫度較低，工業(yè)上通常選用塑料散裝填料，在塑料散裝填料中，塑料階梯環(huán)填料的綜合性能較好，故此選用 DN38 聚丙烯階梯環(huán)填料。階梯環(huán)是對鮑爾環(huán)的改進。與鮑爾環(huán)相比，階梯環(huán)高度減少了一半，并在一端增加 了一個錐形翻邊。錐形翻邊不僅增加了填料的機械強度，而且使填料表面由線接觸為主 變成以點接觸為主，這樣不但增加了填料間的空隙，同時成為液體沿填料表面流動的匯 集分散點，可以促進液膜的表面更新，有利于傳質(zhì)效率的提高。階梯環(huán)的綜合性能優(yōu)于 鮑爾環(huán)

20、，成為目前所使用的環(huán)形填料中最為優(yōu)良的一種。其主要性能參數(shù)為：21 比表面積 =250m 2形狀修正系數(shù) =1.45填料因子 =173m 14、吸收劑再生方法的選擇依據(jù)所用的吸收劑不同可以采用不同的再生方案， 工業(yè)上常用的吸收劑再生方法主 要有減壓再生、加熱再生及氣提再生等。A. 減壓再生（閃蒸）吸收劑的減壓再生是最簡單的吸收劑再生方法之一。在吸收塔內(nèi)，吸收了大量溶 質(zhì)后的吸收劑進入再生塔并減壓，使得融入吸收劑中的溶質(zhì)得以再生。該方法最適用 于加壓吸收，而且吸收后的后續(xù)工藝處于常壓或較低壓力的條件，如吸收操作處于常 壓條件下進行，若采用減壓再生，那么解吸操作需要在真空條件下進行，則過程可能 不

21、夠經(jīng)濟B. 加熱再生加熱再生也是吸收劑再生最常用的方法。吸收了大量溶質(zhì)后的吸收劑進入再生塔 內(nèi)并加熱使其升溫，溶入吸收劑中的溶質(zhì)得以解吸。由于再生溫度必須高于吸收溫度， 因而，該方法最適用于常溫吸收或在接近于常溫的吸收操作，否則，若吸收溫度較高， 則再生溫度必然更高， 從而，需要消耗更高品位的能量。 一般采用水蒸氣作為加熱介質(zhì)， 加熱方法可依據(jù)具體情況采用直接蒸汽加熱或采用間接蒸汽加熱。5、操作參數(shù)的選擇5.1 操作溫度的確定對于物理吸收而言 ,降低操作溫度 ,對吸收有利 .但低于環(huán)境溫度的操作溫度因其要消 耗大量的制冷動力而一般是不可取的 ,所以一般情況下 ,取常溫吸收較為有利 .對于特殊條

22、 件的吸收操作方可采用低于或高于環(huán)境的溫度操作 .對于化學(xué)吸收 ,操作溫度應(yīng)根據(jù)化學(xué)反應(yīng)的性質(zhì)而定 ,既要考慮溫度對化學(xué)反應(yīng)速度 常數(shù)的影響 ,也要考慮對化學(xué)平衡的影響 ,使吸收反應(yīng)具有適宜的反應(yīng)速度 .對于再生操作 ,較高的操作溫度可以降低溶質(zhì)的溶解度 ,因而有利于吸收劑的再生 . 而對本設(shè)計而言， 由吸收過程的氣液關(guān)系可知， 溫度降低可增加溶質(zhì)組分的溶解度， 即低溫有利于吸收，但操作溫度的低限應(yīng)有吸收系統(tǒng)的具體情況決定。依據(jù)本次設(shè)計要 求，操作溫度定為20 C。5.2 操作壓力的確定操作壓力的選擇根據(jù)具體情況的不同分為三種：對于物理吸收 ,加壓操作一方面有利于提高吸收過程的傳質(zhì)推動力而提高

23、過程的傳 質(zhì)速率,另一方面 ,也可以減小氣體的體積流率 ,減小吸收塔徑 .所以操作十分有利 .但工程 上,專門為吸收操作而為氣體加壓 ,從過程的經(jīng)濟性角度看是不合理的 ,因而若在前一道工 序的壓力參數(shù)下可以進行吸收操作的情況下 ,一般是以前道工序的壓力作為吸收單元的 操作壓力.對于化學(xué)吸收 ,若過程由質(zhì)量傳遞過程控制 ,則提高操作壓力有利 ,若為化學(xué)反應(yīng)過程 控制 ,則操作壓力對過程的影響不大 ,可以完全根據(jù)前后工序的壓力參數(shù)確定吸收操作壓 力,但加大吸收壓力依然可以減小氣相的體積流率 ,對減小塔徑仍然是有利的 .對于減壓再生 （閃蒸）操作,其操作壓力應(yīng)以吸收劑的再生要求而定 ,逐次或一次從吸

24、 收壓力減至再生操作壓力 ,逐次閃蒸的再生效果一般要優(yōu)于一次閃蒸效果 .本設(shè)計中由吸收過程的氣液平衡可知，壓力升高可增加溶質(zhì)組分的溶解度，即加壓 有利于吸收。但隨著操作壓力的升高，對設(shè)備的加工制造要求提高，且能耗增加，綜合 考慮，采用常壓 101.3KPa 。三、填料塔工藝設(shè)計計算1、基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)1.1液相物性數(shù)據(jù)對于低濃度的吸收過程，溶液的物性數(shù)據(jù)可以近似取純水的物性數(shù)據(jù)查得20 C時水的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度 pL=998.2(kg/m 3)粘度 g=0.001004(Pa.S)=3.6kg/(m.h)表面張力S L=72.69(dy n/cm)=942062.4(kg/h2)SO2在水中

25、的擴散系數(shù) Dl=1.47 X10-5(m2/s)=5.29 X10-6(m2/h)1.2氣相物性數(shù)據(jù)混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為M m =0.05 X64.06+0.95 X29=30.75g/mol混合氣體的平均密度為M PRT30.75 101.3258.314 （273 20）1.257 kg/m3混合氣體的粘度可近似取為空氣的粘度，查手冊的20 C°空氣的粘度為G 1.81 10 5(Pa s) 0.065kg/ n(mhh)20 C 時 SO2 在空氣中的擴散系數(shù) DG =0.108 X10-4 (m2/s)=0.039(m 2/h)1.3氣液兩相平衡時的數(shù)據(jù)常壓下20 C

26、SO2在水中的亨利系數(shù)為E 3.55 103KPa相平衡常數(shù)為Em P355 10335.04101.3溶解度系數(shù)為EMs3.55 103. 18.02 056kmOl/kPa m3 2、物料衡算因為公式G( 丫1-丫2)=L(Xi-X2)無論是低濃度吸收還是高濃度吸收均適用，故物料衡算利用此式。進塔氣相摩爾比為Y1y11y10.050.05261 0.05出塔氣相摩爾比為丫2 丫1(1A)0.0526 (1 0.96)0.002104進塔惰性氣相流量為1400273VG(1 0.05)55.32kmol/h22.4293該吸收過程屬于低濃度吸收，平衡曲線可近似為直線，最小液氣比可按下式計算,

27、即對于純?nèi)軇┪者^程，進塔液相組成為,X20丄 O.0526 0.0021°433.64G min 0.0526/35.04 0取操作液氣比1.5()min 1.5 33.64 50.46G GL=50.46 X55.32=2791.31(Kmol/h)G(Yi Y2) L(X1 X2)X1G(Y1 丫2) +5X 2=55 .(3>2052(0.05(2'6)-020021)04)02791.31 +0=0.001L2827.963、填料塔的工藝尺寸計算3.1塔徑的計算考慮到填料塔內(nèi)部的壓力降，塔的操作壓力為101.3KPa混合氣體的密度31.257 kg/mPM 1

28、01.325 103 30.75 10RT8.314 (273 20)液相質(zhì)量流量可近似按純水的流量計算，即WL =L XM=2791.31 X18.02=50959.84kg/h氣相質(zhì)量流量為WV =1400 X1.257=1759.8kg/hEckert通用關(guān)聯(lián)圖的橫坐標為:Wv0.5G50299.411.2570.5.0141759.8998.2用圖橫坐標的1.014與亂堆填料的泛點線，查的縱坐標:0.20.022L對于DN38塑料階梯環(huán)的填料因子：f 173m 1，又因為液相為清水，故液體密度Uf0.022g l0.20.022 9.81 998.2173 1 1.257 0.0010

29、04021.985m/s本次設(shè)計選用塑料階梯環(huán)類型填料。對于散裝填料，泛點率的經(jīng)驗值為u 0.5 0.85uf，G校正系數(shù) 1，水的黏度為0.001004(Pa.S)，故泛點氣速為:泛點率的選擇，對于加壓操作，選擇較高的泛點率，減壓操作選擇較低的泛點率，此處D4 14003.14 1.290 3600取 u 0.65uF 0.65 1.985 1.290m/s0.620m圓整后取 D=0.7(m)=700(mm)3.2泛點率校核和填料規(guī)格泛點率校核1.011m/suuf4 1400填料規(guī)格校核階梯環(huán)的徑比要求：D>8d有D 70018.42 8即符合要求4d 383.3液體噴淋密度校核取

30、最小潤濕速率為:Lw min0.08m3/ m h查化工原理（表3.6常用散裝填料的特性參數(shù)）得23a 132.5m2/m332U min Lw min a 0.08 132.510.6m / m hLh0.785D250959.84/998.20.785 0.72132.72 > Umin故滿足最小噴淋密度的要求經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用 D=700mm合理4、填料層高度計算4.1傳質(zhì)單元數(shù)的計算Y* mX135.04 0.0010.03504Y2* mX20解吸因數(shù)為mVGL35.04 55.322827.960.6854氣相總傳質(zhì)單元數(shù)為Nog 丄 In(1 S丫2S1 S丫2

31、 丫2 *10.6854 1門"0.6854)0.0526 00.002104 00.68546.8214.2傳質(zhì)單元高度的計算氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計算awat1 exp 1.45()0.75 (lat2U L 0.1 / U LatL0.05 ( U l 、0.2 L Lat查表（常見材質(zhì)的臨界表面張力值）C33dyn/cm 427680kg /h ，L 71.2dyn / cm 927067kg / h液體質(zhì)量通量為UlWL-D2450959.84空 0.722132483.7kg /(m .h)aw427680、0.75/ 132483.7 W/132483.

32、72 132.5、0.05/132483.72no1 exp 1.45()() (28)() at927067132.5 3.6998.22 1.27 10998.2 927067 132.50.4295aw=a t X0.4295=132.5 X0.4295=56.91(m 2/m 3) 氣體質(zhì)量通量為 Ug M1759.8 4575.07kg/(m2.h)-D23 0.7244氣膜吸收系數(shù)由下式計算kG 0.237(-)0.7(G )1s(atDG)at g gDg RT)0237 (4575.07 f 0.065 占 132.5 0.039(132.5 0.065) (1.257 0.0

33、39，8.315 (273 20)J20.0446kmol/(m .h.kpa)液膜吸收系數(shù)由下式計算kL0.0095(-)%( L )0.5(上)1.386kmol/( m3.h.kpa)3aw LL DLL8132483.7、23.6、os 3.6 1.27 10 J30.0095() 3(6)() 36.91 3.6998.2 5.29 10998.22.097(m/h)由 kGa kGaw 1.1，查附表5 得，1.45則 kGa kGaw 1.10.0446 56.91 1.451.1 3.82kmol /(m3.h.kpa)kLa kLaw 0.42.097 56.91 1.450

34、.4138.46(l /h)因為Uf50.9%50%，故需要校正。由 kG a9.5(上Uf0.5)1.4U22kGa，kL a 1 2.6(0.5) kLa，得UfkL a19.5(0.5090.5)1.43.82 3.87kmol /(mlh.kpa)12.6(0.5090.5)窗138.46 138.47(l/h) 則有Kg aOGkG a HkL a3.87 0.0156 138.47VgKYaVgFD255.321.386 101.31.0243m 空 0.7244.3填料層高度的計算Z Hog Ng 1.0243 6.8216.98m根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，填料層設(shè)計高度一般為Z (1.2

35、1.5)Z因此取Z 1.2 6.98 8.37m,通過圓整的8.5m.由于 Z > hmax 6m故填料層分為兩段，一段高度為 4m，段高度為4.5m5、填料塔附屬高度的計算塔上部空間高度，通過相關(guān)資料可知，可取為1.2m，塔底液相停留時間按I.Omin考慮，則塔釜液所占空間高度為:hlwL50959.84l 36003600 998.230.0142(m /s)1.0 60 Vs0.7241.0 60 0.014220.785 0.72.21(m)考慮到氣相接管所占空間高度，底部空間高度可取3.0m ;法蘭、填料壓緊裝置、液體分布器及在分布氣高度取0.8m ;所以塔的附屬空間高度可以取

36、為1.2+3+0.8=5米因此塔的實際高度取H=8.5+5=13.5(m)6、液體分布器的簡要設(shè)計6.1液體分布器的選型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：A液體分布均勻 評價液體分布均勻的標準是：足夠的分布點密度；分布點的幾何 均勻性；降液點間流量的均勻性。 分布點密度。液體分布器分布點密度的選取與填料類型及規(guī)格、塔徑大小、操作 條件等密切相關(guān)，各種文獻推薦的值也相差較大。大致規(guī)律是：塔徑越大，分布點密度越小；液體噴淋密度越小，分布點密度越大。對于散裝填料，填料尺寸越大，分布點密度越

37、小。表3-1列出了散裝填料塔的分布點密度推薦值2表3-1 Eckert的散裝填料塔分布點密度推薦值塔徑，mm2分布點密度，點/ m塔截面D=400330D=750170D >120042 分布點的幾何均勻性。分布點在塔截面上的幾何均勻分布是較之分布點密度更為 重要的問題。設(shè)計中，一般需通過反復(fù)計算和繪圖排列，進行比較，選擇較佳方案。分 布點的排列可采用正方形、正三角形等不同方式。 降夜點間流量的均勻性。為保證各分布點的流量均勻，需要分布器總體的合理設(shè) 計、精細的制作和正確的安裝。高性能的液體分布器，要求個分布點與平均流量的偏差 小于6%。B操作彈性大 液體分布器的操作彈性是指液體的最大負

38、荷與最小負荷之比。設(shè)計 中，一般要求液體分布器的操作彈性為 24，對于液體負荷變化很大的工藝過程，有 時要求操作彈性達到10以上，此時，分布器必須特殊設(shè)計。C自由截面積大 液體分布器的自由截面積是指氣體通道占塔截面積最小應(yīng)在35%以上。D其它 液體分布器應(yīng)結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小、制造容易、調(diào)整和維修方便由于該吸收塔的液相負荷較大，而氣相負荷相對較低，故選用槽式液體分布器。當填料層高度與塔徑之比超過某一數(shù)值時，填料層需分段。在各段填料層之間安設(shè) 液體再分布器，以收集自上一填料層來的液體，為下一填料層提供均勻的液體分布2由343節(jié)中知，本次設(shè)計的填料層不需要分段，故不需要安裝液體再分布器。6.2分布

39、點密度及布液孔數(shù)的計算按照Eckert建議值，D=700mm 時，噴淋點密度為195點/m2;因此布液點數(shù)為：n二一X0.72 X195=0.785 X0.49 X195=75.007 "75 點4取圓盤直徑為塔徑的倍，分布盤厚度5mm.布液計算如下：由 L -don、2gH4L:液體流量m 3/sn:開孔數(shù)目:孔流系數(shù)，取0.550.60d0：孔徑，mH:開孔上方的液位高度，m取 0.60， H 160mm, I 4L4 50959.84do=0.015m n V2g H 998.2 3600 3.14 75 0.612 9.81 0.16設(shè)計取 do=15mm設(shè)計結(jié)果為：二級槽共

40、設(shè)五道，在槽側(cè)面開孔，槽寬度為72mm,槽高度為200mm,兩槽的中心距為144mm,分布點采用三角形排列，實際設(shè)計分布點數(shù)為n=75點。取布液孔的直徑為15mm，則液位保持管中的液位高度可由公式:L -d2 nk.2gh 得，即：h44L/2g :6.3塔底液體保持管高度的計算式中：d :布液孔直徑，mL:液體流率，m3/sn :布液孔數(shù)k :孔流系數(shù)(k值由小孔液體流動雷諾數(shù)決定，可取 k 0.60 0.62，取 k 0.60)h :液體高度，mg :重力加速度，m/s 22 24L4 50959.84丄口h2/ 2g2/ 2 9.810.162(m)根d2nk998.2 3600 3.1

41、4 0.0152 75 0.6據(jù)經(jīng)驗，則液位保持管咼度為：h 1.15h 1.15 0.162 0.186(m)d2nk7、其它附屬塔內(nèi)件的選擇7.1填料支撐板填料支撐板的作用是支撐塔內(nèi)的填料。常用的填料支撐裝置由柵板型，孔管型，駝 峰型等。對于散裝填料，通常選用孔管型，駝峰型支撐裝置；設(shè)計中，為防止在填料支 撐裝置處壓降過大甚至發(fā)生液泛，要求填料支撐裝置的自由截面積應(yīng)大于 75%。本次設(shè)計選用駝峰型支撐裝置。7.2填料壓緊裝置與床層限制板對于散裝填料，可以選用壓緊柵板，也可以選用壓緊網(wǎng)板，在其下方根據(jù)填料的 規(guī)格鋪設(shè)一層金屬網(wǎng)，并將其與壓緊柵板固定。設(shè)計中，為防止在填料壓緊裝置處壓降 過高甚

42、至發(fā)生液泛，要求壓板或限制板自由截面分率大于 70 %。本次設(shè)計選用壓緊網(wǎng)板。7.3氣體進出口裝置與排液裝置A、氣體進出口裝置填料塔的氣體進口既要防止液體倒灌，更要有利于氣體的均勻分布。對500mm直徑以下的小塔，可使進氣管伸到塔中心位置，管端切成45 °向下斜口或切成向下切口，使氣流折轉(zhuǎn)向上。對1.5m以下直徑的塔，管的末端可制成下彎的錐形擴大器，或采用 其它均布氣流的裝置。氣體出口裝置既要保證氣流暢通，又要盡量除去被夾帶的液沫。最簡單的裝置是在 氣體出口處裝一除沫擋板，或填料式、絲網(wǎng)式除霧器，對除沫要求高時可采用旋流板除 霧器。本設(shè)計中選用折板除霧器。折板除霧器的結(jié)構(gòu)簡單有效，除

43、霧板由50mm50mm 3mm的角鋼組成，板間橫向距離為25mm，垂直流過的氣速可按下式計算：u式中 u 氣速，m/s; l v 液相及氣相密度，kg/m3 ；k 系數(shù)，0.085-0.10 ;' 998 21 257本設(shè)計中取k=0.09，則流過的氣速u 0.09: 2.5346m/s1.257所需除霧板組的橫斷面為S qv弊 0.1534 m2u 3600 2.5346由上式確定的氣速范圍，除霧板的阻力為49-98pa，此時能除去的最小霧滴直徑約 為 0.05mm，即 50 m.B、排液裝置液體出口裝置既要使塔底液體順利排出，又能防止塔內(nèi)與塔外氣體串通，常壓吸收 塔可采用液封裝置。

44、常壓塔氣體進出口管氣速可取1020m/s （高壓塔氣速低于此值）；液體進出口流 速可取0.81.5m/s （必要時可加大些）管徑依氣速決定后，應(yīng)按標準管規(guī)定進行圓整 在以后的各節(jié)中會有計算。8、流體力學(xué)參數(shù)計算8.1填料層壓力降的計算A、氣體進出口壓力降由后面主要接管尺寸計算可知，氣體的進出口接管內(nèi)徑為148mm。則氣體的進出口流速為：1400u23600 0.785 0.148212122.617m/s1 2則進口 P gu2出口 P2 - Gu22 21.257 22.6172 321.492Pa （突然擴大=1 ）2 21 21.28 22.617160.746Pa（突然縮小=0.5 ）

45、B、填料層壓力降氣體通過填料層的壓力降采用Eckert關(guān)圖計算，有前面計算可知其中橫坐標為查散裝填料壓降填料因子平均值得P 116m-1縱坐標為Uf0.2 L1.9852 116 1 1.2579.81998.2(3.6)0.2 =0.0758查Eckert關(guān)聯(lián)圖得3150 9.811471.5Pa/mZ所以填料層壓力降 P3 1471.5 6.98 10271.07Pa其它塔內(nèi)間的壓力降較小，因此可忽略于是得到吸收塔的總壓力降為PP1P2P3 321.492 160.746 10271.07 10753.308 Pa9、吸收塔主要接管的尺寸計算本設(shè)計中填料塔有多處接管，但主要的是氣體和液體的

46、進料口和出料口接管。在此 分別以液體進料管和氣體進料管的管徑計算為例進行說明。氣體和液體在管道中流速的選擇原則為：常壓塔氣體進出口管氣速可取1020m/s （高壓塔氣速低于此值）；液體進出口流速可取0.83.0m/s （必要時可加大些）9.1液體進料接管進料管的結(jié)構(gòu)類型很多，有直管進料管、彎管進料管、T型進料管。本設(shè)計采用直管進料管，管徑計算如下取 u 液 1.5m/s4 50595.84998.2 3600 3.14 1.50.109m11設(shè)計取進料管管內(nèi)徑 D1查流體輸送用不銹鋼無縫鋼管規(guī)格：GB/T 14976-94可知，可選用熱軋無縫鋼管管徑為114mm 10mm。則實際管內(nèi)徑為109

47、mm.實際通過液體接管的液速為：4MgD24 50595.84998.2 3600 3.14 0.10921.510 m/s。9.2氣體進料接管采用直管進料。取氣速16.0m/ s設(shè)計取進料管管徑D24Gs4 1400/3600 0.176mV u氣 Y 3.14 16.0所以查流體輸送用不銹鋼無縫鋼管規(guī)格：GB/T 14976-94可知取管徑為168mm 10mm.實際管內(nèi)徑為148mm。則實際通過氣體接管的氣速為:4 GsD24 1400/36003.14 0.148222.617 m/s9.3吸收劑輸送管路直徑及流速計算根據(jù)管材規(guī)范，選擇159 7mm型的熱軋無縫管道 ，其內(nèi)徑為145m

48、m，其實際流速為：u4 50959.84998.2 3600 3.14 0.14520.859 m/s。四、填料塔設(shè)計計算結(jié)果匯總與主要符號說明1、填料塔工藝尺寸計算結(jié)果表：表-1項目符號數(shù)值與計量單位氣相質(zhì)量流量1759.8kg/h液相質(zhì)量流量WL50959.84kg/h塔徑D700mm空塔氣速u1.011 ms泛點率u/ Uf50.9%噴淋密度U132.72 m 3/(m2.h)解吸因數(shù)S0.6854氣相總傳質(zhì)單兀數(shù)Nog6.821液體質(zhì)量通量Ul132483.7 kg/(m2 h)氣體質(zhì)量誦量Ug4575.07 kg/(m2 h)氣膜吸收系數(shù)kG0.0446kmol/(m2.h.kpa)

49、液膜吸收系數(shù)kL2.097 (m/h)氣相總吸收系數(shù)（校正后）kGa3.87kmol/(m 3.h.kpa)液相總吸收系數(shù)（校正后）k| a138.47(l/h)氣相總傳質(zhì)系數(shù)心1.386 kmol/(m 3.h.kpa)氣相傳質(zhì)單元高度H OG1.0243 m填料層咼度Z，8.37 m，圓整后 8.5m填料塔上部空間高度hi1.2 m填料塔下部空間高度h23.0 m塔附屬咼度h34.2 m塔高Ha12.7 m布液孔數(shù)n75點孔徑do0.015m開孔上方高度h0.162m液位保持管高度h，0.186m2、流體力學(xué)參數(shù)計算結(jié)果匯總:表-2項目符號數(shù)值與計量單位氣體進口壓力降321.492 Pa;

50、氣體出口壓力降2160.746 Pa;填料層壓力降310271.070 Pa;吸收塔總壓力降10753.308 Pa;泛點率u'u F50.9%氣體動能因子F30 51.446m/s(kg/m ) . 3、附屬設(shè)備計算結(jié)果匯總:表-3項目選型數(shù)值與計量單位液體進出口接管熱軋無縫鋼管液體實際流速114mm 10mmu 液 1.510m/s氣體進出口接管熱軋無縫鋼管氣體實際流速168mm 10mm.u氣 15.993 m/s吸收劑輸送管路熱軋無縫鋼管 159mm 7mm吸收劑實際流速u 0.859 m/s4、所用Dn38聚丙烯塑料階梯環(huán)填料主要性能參數(shù)匯總:表-4項目符號數(shù)值與計量單位公稱

51、直徑DN38mm塔徑與填料公稱直徑比值D/d>8填料因子平均值F173 1臨界表面張力值C33 dyn/cm形狀修正系數(shù)1.45填料分段高度推薦值h/D=8 15hmax6m壓降填料因子平均值P116m -15、主要符號說明:5.1英文字母表-5aw填料層的潤滑比表面積m2m 3;s脫吸因數(shù)；無因次；a填料層的有效傳質(zhì)比表面積(m2m3)D擴散系數(shù)，m2/s;塔徑,m;U L液體質(zhì)量通量kg/(m h)U V氣體質(zhì)量通量 kg /(m h)E 亨利系數(shù)，KPa;g重力加速度，kg/(m 2.h);H溶解度系數(shù)，kmol /(m 3KPa);Hv氣相傳質(zhì)單兀咼度，m;Hl液相傳質(zhì)單兀咼度，m;Hog氣相總傳質(zhì)單元咼度，m；Hol液相總傳質(zhì)單兀咼度，m;L噴液體噴淋密度；m相平衡常數(shù)，無因次；Ng氣相傳質(zhì)單兀數(shù)，無因次；Nl -液相傳質(zhì)單兀數(shù)，無因次；Nog氣相總傳質(zhì)系數(shù)，無因次Nol液相總傳質(zhì)系數(shù)，無因次；P總壓，KPa ;T -溫度，°C;R 氣體通用常數(shù)，kJ/(kmol.K)d填料直徑，mm ;u空塔速度，m/s ;u f液泛速度， m/s ;G惰性氣體流量，kmol/h ;G s 混合氣體體積流量，