填料吸收塔设计.doc

SO2填料吸收塔课程设计天津大学SO2填料吸收塔设计2009级化工课程设计2012/9/6吸收塔课程设计摘要：本设计的任务是为某化工厂设计一个吸收塔，以除去化工厂废气中的SO2。SO2对环境和人体有着很大的危害，如果不处理而直接排放，其易与空气中的水蒸气结合形成酸雨，并且有可能造成人类的呼吸道疾病。因此，化工厂的含SO2的废气不能直接排放，而是经过吸收塔吸收后排放。本次设计采用填料塔用20的清水逆流吸收SO2。引言：填料塔是以塔内装有大量的填料为相间接触构件的汽液传质设备。填料塔于19世纪中期已应用于工业生产，此后，它与板式塔竞相发展，构成了两类不同的汽液传质设备。填料塔属于连续接触式的汽液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。与板式塔相比，填料塔具有以下特点：生产能力大。分离效率高。压力降小。持液量小。操作弹性大。但是，填料塔也有一些不足之处，如填料造价高；当液体负荷较小时不能有效的润湿填料表面，使传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不太合适等。因此，在选择塔的类型时，应根据分离物系的具体情况和操作所追求的目标综合考虑上述各因素。填料的种类很多，根据装填方式不同，可分为散装填料和规整填料两大类。散装填料中较为典型的有拉西环填料、鲍尔环填料、阶梯环填料、弧鞍填料、矩鞍填料、金属环矩鞍填料、球形填料。工业上常用的规整填料有格栅填料、波纹填料、脉冲填料等。塔型的合理选择是做好塔设备设计的首要环节，选择时应考虑物料的性质、操作的条件、塔设备的性能以及塔设备的制造、安装、运转和维修等方面的因素。板式塔的研究起步较早，具有结构简单、造价较低、适应性强、易于放大等特点。目录第一章 设计任务和条件41.1 设计任务41.2 操作条件41.3 吸收塔的作用4第二章 设计方案的确定和流程说明52.1 设计方案的确定52.1.1 吸收剂的选择52.1.2 填料的选择52.1.3 设计方案的流程说明5第三章 吸收塔的物料衡算73.1 基础物性数据73.1.1 液相物性数据73.1.2 气相物性参数73.1.3 气液相平衡数据73.2 填料的基本参数83.3 物料衡算8第四章 吸收塔的工艺尺寸计算104.1 塔径的计算104.2 填料层高度的计算及分段104.2.1 传质单元高度的计算114.2.2 传质单元数的计算144.2.3 填料层高度的计算154.3 吸收塔高度计算154.4 填料层压降的计算15第五章 液体分布器的简要设计185.1 液体分布器的选择185.2 分点密度计算185.3 液体分布器布液能力计算18第六章 吸收塔接管尺寸的计算21第七章 改变操作温度时的回收率237.1 基础物性数据237.1.1 液相物性数据237.1.2 气相物性参数237.1.3 气液相平衡数据247.2 传质单元高度的计算247.2.1 总体积吸收系数的计算247.2.2 传质单元数和回收率的计算26第八章 散装填料与规整填料的比较278.1 规整丝网（500BX）填料的性能278.2 填料高度的计算27第九章 设备结果汇总29第十章 设计过程的评述与讨论30附录31参考文献：35第一章 设计任务和条件1.1 设计任务某化工厂的废气排放中含有SO2，拟采用填料塔用20清水逆流吸收SO2。已知废气排放量3000m3/h，温度30，其中SO2的含量0.1（体积分数），要求回收率95。1.2 操作条件（1）混合气（空气+ SO2）处理量：3000m3/h；（2）混合气的温度：30（3）进塔混合气中二氧化硫体积分数：10%；（4）进塔吸收剂（清水）温度：20；（5）SO2的回收率95（6）操作压力：常压。（7）操作温度:20。（8）工作日:每年300天，每天24小时连续运转。（9）厂址:天津1.3 吸收塔的作用 由于SO2溶于水中，会形成亚硫酸（酸雨的主要成分），对大气可造成严重污染。而且，SO2易被湿润的粘膜表面吸收生成亚硫酸、硫酸。对眼及呼吸道粘膜有强烈的刺激作用，对人们的健康造成危害。因此工厂中含SO2的废气不能直接排放，必须经过吸收塔，出去废气中的SO2后才能排放。本次设计的填料塔的作用就是防止有毒气体的排出。第二章 设计方案的确定和流程说明2.1 设计方案的确定2.1.1 吸收剂的选择用水吸收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，即纯水做吸收剂。2.1.2 填料的选择对于水吸收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，是目前所使用的环形填料中最为优良的一种。工业塔常用的散装填料主要有Dn16、Dn25、Dn38、Dn50、Dn76等几种规格。同类填料，尺寸越小，分离效率越高，但阻力增加，通量减小，填料费用也增加很多。而大尺寸的填料应用于小直径塔中，又会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率降低。因此，对塔径与填料尺寸的比值要有一规定，一般塔径与填料公称直径的比值D/d应大于8。本次的设计选用DN50聚丙烯阶梯环填料。2.1.3 设计方案的流程说明工厂含硫废气的吸收装置包括一个吸收塔和一个解析塔。流程图如图2-1所示。图中左边为吸收塔，含硫的废气由吸收塔底部引入，清水从吸收塔顶部喷淋而下与气体呈逆流流动。在废气与清水逆流接触中，废气中的SO2便溶解于清水中，吸收了SO2的吸收液由吸收塔底排出。被吸收后的工业废气由吸收塔顶排出，其含苯量可降至允许值以下，从而得到净化。吸收液从吸收塔底排出进入解析塔进行解吸，以便使得吸收剂再生后循环使用。吸收液由塔中间某块塔板引入，实际为精馏过程，在精馏过程中，SO2从吸收液中释放出来，从塔顶排出。解吸出的水经过冷却后再送回吸收塔循环使用。第三章 吸收塔的物料衡算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：L=998.2kgm3粘度：L=1mPas液体密度校正系数: =1表面张力：L=72.710-3N/mSO2在水中的扩散系数：DL=1.4710-9m2s 3.1.2气相物性参数混合气体的平均密度：V=1.315kg/m3空气的密度：空=1.205kg/m3由于SO2的含量较少，因此不妨把混合气体的粘度可以近似取为空气的粘度，查数据手册得到：空气的粘度：V=1.8110-5PasSO2在空气中的扩散系数：Dv=1.08310-5m2/s 3.1.3 气液相平衡数据查得SO2的亨利系数E=0.35510-4kPa则其相平衡常数m=Ep=0.355104101.325=35.04 溶解度系数H=LEMs=998.23.5510318.02=0.0156kmolkPam33.2 填料的基本参数本次设计选用的填料为聚丙烯阶梯环散装填料DN50。其基本参数见表3-1表3-1聚丙烯阶梯环散装填料DN50特性数据公称直径DN/mm外径高厚dh/mm比表面积a/(m2m3)空隙率 /个数n/m-3堆积密度p/(kgm3)干填料因子/m-15050251.5114.292.710740 54.8 1433.3 物料衡算1. 进塔气相摩尔比为Y1=y11-y1=0.11-0.1=0.111 2. 出塔气相摩尔比为 Y2=Y11-A=0.011-0.95=5.5510-3 3. 进塔惰性气体流量 V=3000(1-0.1)1.205360029=0.03116kmol/s 则气相质量流量为：WL=VVs,气相=1.3153000=3945kg/h因为该吸收过程为低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比按下式计算。即LVmin=Y1-Y2Y1m-X2因为是纯溶剂吸收过程，进塔液相组成X2=0所以LVmin=Y1-Y2Y1m-X2=m=33.288选择操作液气比为LV=1.2LVmin=39.946则L=39.9460.03116=1.245kmol/s则液相的质量流量为:WL=LM水3600=1.245183600=80676kg/h第四章 吸收塔的工艺尺寸计算4.1 塔径的计算采用贝恩（Bain）霍根（Hougen）关联式求泛点气速,即lgF2ga3VLL0.2=A-KWLWV14VL18即lgF29.81114.20.92731.315998.210.2=0.204-1.75806763945141.315998.218得uF=1.405m/s取安全系数为0.8，即u=0.8uF=0.81.405=1.124m/s由D=4Vsu=4300036001.124=0.972m圆整塔径，取D=1m。校核 Dd=100050=208，所选填料的规格适宜。取Lwmin=0.08m3/m2h故最小喷淋密度Umin=Lwmina=0.08114.2=9.136m3/m2h操作喷淋密度U=80676/998.2412=102.96m3/m2h操作空塔气速u=3000/3600412=1.062m/s安全系数 uuF100%=1.0621.405100%=75.6%经校核，选用D=1m合理。4.2 填料层高度的计算及分段采用传质单元数法计算填料层高度，即Z=HOGNOGY1=0.111 Y2=5.5510-3 V=0.03116kmol/s L=1.245kmol/s4.2.1 传质单元高度的计算HOG=VKYa4.2.1.1 总体积吸收系数的计算在进行设计时选用修正的恩田（Onde）公式进行计算。以下公式中符号含义和单位在此说明和计算：UV、UL气体、液体的质量通量，kg(m2h);V、L气体、液体的粘度，kgmh1Pas=3600kg(mh)V、L气体、液体的密度，kgm3DV、DL溶质在气体和液体中的扩散系数m2hR通用气体常。8.314m3kPakmolKT系统温度，Kt填料的总比表面积，m2m3w填料的润湿比表面积，m2m3 g重力加速度，1.27108mhL液体的表面张力，kgm21dyncm=12960kgh2L填料材质的临界张力系数，kgm21dyncm=12960kgh2填料的形状系数本次设计：UV=Wv0.78512=5025.478kgm2h UL=Wv0.78512=5025.478kgm2h V=1.8110-53600=0.06516kgmh L=110-33600=3.6kgmhDV=1.08310-53600=0.0390m2h DL=1.4710-93600=5.29210-6m2hL=73dyncm=946080kgh2 c=33dyncm=427680kgh2 填料润湿比表面积w计算采用修正的恩田关联式计算：查得采用聚丙烯作为材质时，填料的临界表面张力值c=33dyn/cmawa=1-exp-1.45CL0.75ULatL0.1UL2atL2g-0.05UL2LLat0.2 =1-exp-1.4533770.75102771.97114.13.60.1102771.972114.2998.221.27108-0.05102771.972998.2933120114.20.2 =1-exp-1.450.55131.7371.2620.63 =0.6684aw=0.6684a=76.331m2m3气膜吸收系数kG和液膜吸收系数的计算kL的计算kG=0.237UatV0.7VVDV13atDVRT =0.2375025.478114.20.065160.70.065161.3150.039013114.20.03908.314293.15 =0.04486kmolm2hkPakL=0.0095ULawL23LLDL-0.5LgL13 =0.0095102771.9776.3313.6233.6998.25.29210-6-0.53.61.27108998.213 =0.009551.9100.038377.084 =1.456m/hkGa和kLa的计算查表得阶梯环材料的形状因子=1.45kGa=kGaw1.1 =0.044860.6684114.21.451.1 =5.153kmolm3hkPakLa=kLaw0.4 =1.45676.33311.450.4 =128.959h-1kGa和kLa的修正由于修正的恩田公式只适用于u0.5uF的情况，当u0.5uF时，需要继续修正。本次设计uuF0.5,则应予继续修正。则kG,a=1+9.5uuF-0.51.4kGa =1+9.50.725-0.51.45.153 =11.218kmolm3hkPakL,a=1+2.6uuF-0.52.2kLa =1+2.60.725-0.52.2141.554 =142.652kmolh-1总体积吸收系数KYa由于当吸收质在气相中的组成很低时，Y和Ye都很小时，KYKGp则KYa=KGapKGa=11kG,a+1HkL,a =1111.218+10.0156142.652 =1.707kmolm3hkPa KYa=KGap=172.962kmolm3h传质单元高度的计算HOG=VKYa=VKGPa =112.1891.707101.3250.785 =0.826m 4.2.2 传质单元数的计算脱吸因数 S=mVL=35.040.031161.245=0.8772Y2*=mX2=0由 NOG=11-Sln1-SY1-Y2*Y2-Y2*+S =11-0.8772ln1-0.87720.111-05.5510-3-0+0.8772 =9.8044.2.3 填料层高度的计算填料层高度Z=HOGNOG=0.8269.804=8.1m设计填料层高度Z=1.4Z=1.48.1=11.3412m因为Zhmax=6m,所以填料层应分为2段，每段5m。4.3 吸收塔高度计算吸收塔的高度是由主体高度H，顶部空间高度Ha,底部空间高度Hb组成。主体高度H=12m；顶部空间高度为使随气流携带的液滴能够从气相中分离出来而留取的高度，Ha可取为1.4m，即Ha=1.4m（包括除沫器高度）。设塔定液相停留时间为10s，则塔釜液所占空间高度为10WL/水0.785D2=1080676（998.23600）0.78512=0.285m考虑到气液相接管的空间高度，底部空间高度取为2.5 m,则Hb=2.5m。则塔的总高度为H=12+1.4+2.5=15.9m。4.4 填料层压降的计算散装填料层的压降值可由埃克特通用关联图来计算。如图4-1所示。横坐标 WLWVVL0.5=0.742查表可得到DN50塑料阶梯环的压降填料因子p=89m-1纵坐标 u2pgVLL0.2=1.06228919.811.315998.210.2=0.0135查图4-1，得pZ=339.81=323.73Pa/m填料层的压降 p=323.7312=3885kPa图4-1 埃克特通用关联图第五章 液体分布器的简要设计5.1 液体分布器的选择液体分布装置的种类多样，有喷头式、盘式、管式、槽式及槽盘式等。工业应用以管式、槽式及槽盘式为主。槽式液体分布器是由分流槽（又称主槽或一级槽）、分布槽（又称付槽或二级槽）构成的。一级槽通过槽底开孔将液体初分成若干流股，分别加入其下方的液体分布槽。分布槽的槽底（或槽壁）上设有孔道（或导管），将液体均匀分布于填料层上。槽式液体分布器具有较大的操作弹性和极好的抗污堵性，特别适合于大气液负荷及含有固体悬浮物、粘度大的液体的分离场合，应用范围广泛。由于改吸收塔气液相符合加大，所以选择槽式液体分布器。5.2 分点密度计算分点密度按照Eckert推荐值选取，Eckert推荐值见表4-1塔径D/mm分布点密度/点m2塔截面500330750170120042按照Eckert建议值，当D=1000mm时，可设计取喷淋点密度为130点/m2。则布液点数为n=412130=102.05103点设计中，分布点的排列采用三角形排列方式，按照分布点几何均匀的原则，进行分布点设计。设计结果为：二级槽共设计7道，在槽侧面开孔，槽宽度为75mm，槽高度为230mm,两槽中心距为150mm，实际设计不点数为110点，布液点如示意图见附图（附图二：液体分布器条件图）5.3 液体分布器布液能力计算本塔使用重力型液体分布器，按以下公式进行计算。LS=4d02n2gH式中：LS液体流量，m3s； 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=0.57，H=170mmd0=4LSn2gH0.5=480676998.236003.141100.5729.820.170.5=16mm设计取d0=16mm。第六章 吸收塔接管尺寸的计算填料塔的气体进口既要防止液体倒灌，更要有利于气体的均匀分布。液体出口设备既要使塔底液体顺利流出，又能防止塔内与塔外气体串通。常压吸收塔可采用液封装置。常压塔气体进口管气速35-10m/s，液体进口管流速可取为0.51m/s。计算管径的公式为：d=4VSu气体进出口管径的计算VS=30003600=0.833m3s，取气体流速为9m/s d=4VSu=343mm查标准无缝钢管规格（GB8163-87），可选取标准钢管37716mm液体进出口管径的计算VS=80676998.23600=0.02245m3s,液体流速取为0.8m/s d=4VSu=189mm 查标准无缝钢管，可选取标准钢管2037mm第七章 改变操作温度时的回收率当操作温度为35时，重新查得物性数据。7.1 基础物性数据7.1.1 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，35时水的有关物性数据如下：密度：L=993.95kgm3粘度：L=0.0728mPas=2.62206kg/(mh)液体密度校正系数: =1表面张力：L=72.710-3Nm=70.4dyncmSO2在水中的扩散系数：根据威尔基公式D=7.410-15MB12TBVbA0.6可知，SO2在水中的扩算系数正比于温度，则DL=5.56310-6m2s7.1.2 气相物性参数混合气体的平均密度：V=1.296kg/m3空气的密度：空=1.1465kg/m3由于SO2的含量较少，因此不妨把混合气体的粘度可以近似取为空气的粘度，查数据手册得到：空气的粘度：V=1.88510-5Pas=0.06786kg/(mh)SO2在空气中的扩散系数：由于在中、低压（约2532.5kPa以下）范围内，气体的扩散系数与温度和压力的关系为：D2=D1p1p2T2T132则计算得到：Dv=0.0420m2h 7.1.3 气液相平衡数据查得SO2的亨利系数E=0.56710-4kPa则其相平衡常数m=Ep=0.567104101.325=55.959 溶解度系数H=LEMs=993.955.6710318.02=0.009728kmolkPam37.2 传质单元高度的计算HOG=VKYa7.2.1 总体积吸收系数的计算在进行设计时选用修正的恩田（Onde）公式进行计算。其他操作条件不变：UV=Wv0.78512=5025.478kgm2h UL=Wv0.78512=5025.478kgm2h 填料润湿比表面积w计算采用修正的恩田关联式计算：查得采用聚丙烯作为材质时，填料的临界表面张力值c=33dyn/cmawa=1-exp-1.45CL0.75ULatL0.1UL2atL2g-0.05UL2LLat0.2 =1-exp-1.450.5671.7931.2610.633 =0.690aw=0.690a=78.974m2m3气膜吸收系数kG和液膜吸收系数的计算kL的计算kG=0.237UatV0.7VVDV13atDVRT =0.23792.9671.07631.87210-3 =0.04439kmolm2hkPakL=0.0095ULawL23LLDL-0.5LgL13 =0.009562.7810.04669.453 =1.905m/hkGa和kLa的计算查表得阶梯环材料的形状因子=1.45kGa=kGaw1.1 =5.264kmolm3hkPakLa=kLaw0.4 =174.1559h-1kGa和kLa的修正由于修正的恩田公式只适用于u0.5uF的情况，当u0.5uF时，需要继续修正。本次设计uuF0.5,则应予继续修正。则kG,a=1+9.5uuF-0.51.4kGa =11.459kmolm3hkPakL,a=1+2.6uuF-0.52.2kLa =191.165kmolh-1总体积吸收系数KYa由于当吸收质在气相中的组成很低时，Y和Ye都很小时，KYKGp则KYa=KGapKGa=11kG,a+1HkL,a =1.6kmolm3hkPa KYa=KGap=162.119kmolm3h传质单元高度的计算HOG=VKYa=VKGPa =112.1891.707101.3250.785 =0.882m 7.2.2 传质单元数和回收率的计算由于Z=HOGNOG则NOG=ZHOG=9.188脱吸因数 S=mVL=55.9590.031161.245=1.4005Y2*=mX2=0由 NOG=11-Sln1-SY1-Y2*Y2-Y2*+S=9.188解得Y2=0.0323则回收率=Y1-Y2Y1=70.88由此可见，当温度升高时，用同样高度的填料，同样流量的吸收剂进行吸收废气中的SO2时，回收率会降低，即提高温度不宜于SO2的吸收。第八章 散装填料与规整填料的比较设计任务：将散装填料改为规整丝网（500BX）填料，对应原有的分离任务，计算所需规整填料的高度。8.1 规整丝网（500BX）填料的性能表8-1聚丙烯阶梯环散装填料DN50特性数据型号理论板数NT/(1m)比表面积a/(m2m3)空隙率/液体负荷U/m3m2hF因子Fmax/m/s(kg/m3)0.5压降p/(MPa/m)BX4-5500900.2-20 2.4 1.9710-48.2 填料高度的计算填料层高度计算采用等板高度法计算，即Z=NTHETP式中：NT为理论级数或理论板数；HETP为等板高度，m理论板数NT的计算NT的计算采用解析法，即NT=lnA-1-lnA-1吸收因数A=LmV=1S=1.140任务规定吸收率=0.95则NT=lnA-1-lnA-1 =ln1.14-0.951-0.95ln1.14-1=2.968 等板高度HETP的计算对于500BX金属丝网波纹填料，每米填料理论板数为45块，取4块。则HETP=14=0.25m填料高度的计算工艺计算得到填料高度为：Z=NTHETP=0.742m设计填料高度：Z=1.4Z=1.03881.1m填料的分层对于规整填料，填料层分段高度可按下式确定：h=1520HETP=3.755m由于总共设计填料只有1.2m，则填料不需要分段。第九章 设备结果汇总设计结果见表7-1表7-1 设备工艺结果表吸收塔工艺和流体力学计算结果汇总设备类型填料塔填料类型DN50聚丙烯阶梯环项目单位结构参数塔高及塔径塔径Dmm1000填料层高度Zm12估算塔高Hm15液体分布器型式槽式分布器布点数n个110排列方式三角形布液孔孔径d0mm16二级槽个数个7二级槽的高度mm230流体力学校核空塔气速m/s1.062泛点气速m/s1.405塔压降kPa3885设计过程数据气相总传质系数KYakmolm3h172.962气相传质单元书NOG9.804气象总传质单元高度HOGm0.826气体质量流量WGkg/h3945液体质量流量WLkg/h80676气液接管规格气体接管尺寸mm37716液体接管尺寸mm2037第十章 设计过程的评述与讨论本次课程设计历时三周，在此期间我通过查阅学习相关的资料，同时再加上老师的指导，我与其他同学共同完成了这项吸收塔的设计任务。以前只是在书本上学到吸收塔的核算，各种条件都是题目中已知的，而这次的吸收塔的设计则需要自己确定一些条件，查找物性数据，并且找到合适的经验公式。在这次的设计过程中，我收获很多，体会也很多。首先，我感到“学以致用”对于我们来说是非常重要的，原来书本上的知识学起来感觉不是非常难懂，但是，当我刚刚接触这个课程设计时，却感到无从下手，原因是感到缺少各种物性数据。书本上的习题把解决题目所需要的条件基本上都给出了，把物性数据也给出了，而课程设计中的物性数据是自己查找的，特别是总体积吸收系数的查找和计算，总体积吸收系数KYa获得的途径有三条：一是试验测定；二是选用适当的经验公式进行计算；三是选用适当的准时关联式进行计算，通过比较和选择，我查到了恩田经验公式进行计算。其次，这次的计算锻炼了我们的查资料的能力和计算能力。在使用恩田公式的计算过程中，恩田公式中需要大量的物性数据，这些都需要使用物性手册进行查