化工原理课程设计.doc

内蒙古科技大学课程设计说明书20摘 要吸收操作是气体混合物分离方法之一，它是根据混合物中各组分在某一种溶剂中溶解度不同而达到分离的目的。二氧化硫有强烈的刺激性气味对于人体健康和大气环境都会造成破坏和污染，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吸收的方法来净化含有二氧化硫的工业尾气，使其达到排放标准。塔设备是炼油、化工、石油化工等生产中广泛应用的气液传质设备。根据塔内气液接触部件的形式，可以分为填料塔和板式塔。用于吸收的设备类型很多，如填料塔、板式塔、鼓泡塔和喷洒塔等。板式塔属于逐级接触逆流操作，填料塔属于微分接触操作。设计中采用填料塔进行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，从而使吸收过程易于进行，而且，填料塔还具有结构简单、生产能力大、分离效率高、压力降小、操作弹性大、持液量、填料易用耐腐蚀材料制造等优点，从而可以使吸收操作过程节省大量人力和物力。本设计是利用填料塔来吸收SO关键词：塔设备 填料塔 吸收 SOAbstractAbsorption of operation is one of separation of gas mixtures, which is the mixture of each component in the solubility of a solvent to achieve the separation of different purposes. Sulfur dioxide has a strong irritating smell the atmosphere for human health and the environment caused by the destruction and pollution, the principle of chemical engineering.Tower equipment is oil refining, chemical, oil and chemical widely used in the production of gas-liquid mass transfer equipment. Gas-liquid contact tower parts in accordance with the form, can be divided into the packed tower and tray column. For the absorption of many types of equipment, such as the packed tower, plate tower, bubble column and the spray tower. Plate countercurrent contact tower is level operations, packed tower operation is differential exposure. Design of packed tower used to absorb the operation because the packing can provide a huge gas-liquid mass transfer surface area and fill the turbulence has a good situation, so that the absorption process easy, and packed tower also has a simple structure, production capacity, and separation high efficiency, pressure drop in small, flexible operation, liquid holdup, filler-to-use corrosion-resistant materials, etc., which can save a lot of the process of absorption of human and material resources. This design is the use of packed tower to absorb the sulphurKey words: tower equipment packed tower absorption sulphur1.1设计方案的确定1.1.1流程方案指完成设计任务书所达的任务采用怎样的工艺路线，包括需要哪些装置设备，物料在个设备间的走向，哪些地方需要有观测仪表、调节装置，那些取样点以及是否需要有备用设备等，按上述内容绘制如下简明流程图：进液口混合气出口 SO2和空气混合气吸收了SO2的水吸收塔冷凝器泵1.1.2设备方案根据设备要求，确定选用什么形式的设备。若选用填料塔，塔内填料的形式、尺寸和材质如何选定。方案的确定需要加以论证在技术上可行的基础上考虑经济性。1.1.3流程布置常用的吸收装置流程主要有逆流操作、并流操作、吸收剂部分再循环操作、单塔或多塔串联操作，根据设计任务、工艺特点，结合各种流程的优缺点，逆流操作时传质平均推动力大，传质速率快，分离程度高，吸收剂利用率高，所以本设计采用常规逆流操作的流程。1.1.4吸收剂的选择吸收剂性能的优劣是决定吸收操作效果的关键之一，选择应考虑以下几方面：(1)溶解度要大，以提高吸收速率并减少吸收剂的用量；(2)选择性要好，对溶质组分有良好的溶解能力，对其他组分不吸收或甚微；(3)挥发度要低，以减少吸收和再生过程中吸收剂的挥发损失；(4)吸收剂在操作温度下粘度要低，且不易产生泡沫，以实现吸收塔内良好的气液接触状况；(5)对设备腐蚀性小或基本无腐蚀性，尽可能无毒，不易爆易燃、廉价易得及化学性质稳定，便于再生。一般来说，任何一种吸收剂都难以满足以上所有要求，选用是要针对具体情况和主要因素，既考虑工艺要求又兼顾到经济合理性。1.1.5操作温度和压力的确定(1) 温度: 低温利于吸收，但温度的底限应由吸收系统决定，本设计温度选20。(2) 压力：加压利于吸收，但压力升高操作费用、能耗增加，需综合考虑，本设计采用常压设计。1.2填料的确定1.2.1填料的类型(1)颗粒填料一般为湿法乱堆或干法乱堆的散装填料。主要有以下类型：拉西环填料：最早的工业填料，但因性能较差，目前工业上已经很少使用；鲍尔环填料：是在拉西环基础上的改进，利用率有了很大提高；阶梯环填料：鲍尔环的改进，为目前所使用的环形填料最为优良的一种；弧鞍形填料：一般采用瓷质材料，易碎，工业中不常用；环矩鞍填料:环型与鞍型优点，是工业应用最广的一种金属散装填料。(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。1.2.2填料类型的选择根据分离工艺的要求，考虑以下因素：(1)比表面积a要大，比表面积a是指单位堆积体积填料所具有的表面积； (2)能提供大的流体流量，即所选用的结构填料要敞开，使于死角区域的空间小，有效空隙率大；(3)液体的再分布性能要好；(4)填料要有足够的机械强度，尤其是非金属填料；价格低廉。综上，可选择阶梯环填料。1.2.3填料规格的选择表1.1压降填料因子平均值填料类型 填料因子, 1/mDN16DN25DN38DN50DN76金属鲍尔环 306-11498-金属环矩鞍 -13893.47136金属阶梯环 -11882-塑料鲍尔环 34323211412562塑料阶梯环 -17611689-瓷矩鞍环 700215140160-瓷拉西环 1050576450288- (1)散装填料 用主要有16、25、38、50、76等几种规格。一般推荐:300时，选25的填料；时，选2538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成本的降低，所以本设计选用DN38的填料。(2)规整填料 从分离要求、通量要求、场地条件、物料性质及设备投资、操作费用等方面综合考虑，既考虑工艺要求又兼顾到经济合理性。1.2.4填料材质的选择(1)陶瓷 具有耐腐性及耐热性，但质脆、易碎，不宜高冲击强度下使用。(2)金属 碳钢对低腐蚀无腐蚀物系优先考虑，不锈钢耐以外物系腐蚀，特种合金钢价格高，只在特殊条件下使用(3)塑料 主要包括PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)、 PVC(聚氯乙烯)等，一般采用PP(聚丙烯)材质。塑料耐腐蚀性、耐低热性好，但具有冷脆性，表面润湿性较差。 一般讲，操作温度较高但无显著腐蚀性时，选用金属填料；温度较低选用塑料填料；物系具有腐蚀性、操作温度高，宜采用陶瓷填料 考虑到本设计是利用清水吸收SO吸收液显弱酸性，有一定的腐蚀性，同时考虑到经济的合理性及吸收的效率，故选用聚丙烯阶梯环。1.3工艺计算1.3.1确定气液平衡的关系由表1.2若干气体水溶液的亨利系数查的20下SO在水中亨利系数E=3.55KPa相平衡常数溶解度系数为H=表1.2 某些气体水溶液的亨利系数 气体 温度 /( ) 种类 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 60 70 80 90 100 (E106)/(kPa)H2 5.87 6.16 6.44 6.70 6.92 7.16 7.39 7.52 7.61 7.70 7.75 7.75 7.71 7.65 7.61 7.55 N2 5.35 6.05 6.77 7.48 8.15 8.76 9.36 9.98 10.5 11.0 11.4 12.2 12.7 12.8 12.8 12.8 空气 4.38 4.94 5.56 6.15 6.73 7.30 7.81 8.34 8.82 9.23 9.59 10.2 10.6 10.8 10.9 10.8 CO 3.57 4.01 4.48 4.95 5.43 5.88 6.28 6.68 7.05 7.39 7.71 8.32 8.57 8.57 8.57 8.57 O2 2.58 2.95 3.31 3.69 4.06 4.44 4.81 5.14 5.42 5.70 5.96 6.37 6.72 6.96 7.08 7.10 CH4 2.27 2.62 3.01 3.41 3.81 4.18 4.55 4.92 5.27 5.58 5.85 6.34 6.75 6.91 7.01 7.10 NO 1.71 1.96 2.21 2.45 2.67 2.91 3.14 3.35 3.57 3.77 3.95 4.24 4.44 4.45 4.58 4.60 C2H6 1.28 1.57 1.92 2.90 2.663.063.473.884.294.695.075.726.316.706.967.01(E10-5)/(kPa)C2H45.59 6.627.789.0710.311.612.9-N2O-1.191.431.682.012.282.623.06-CO20.3780.81.051.241.441.661.882.122.362.602.873.46-C2H20.730.850.971.091.231.351.48-Cl20.2720.3340.3990.4610.5370.6040.6690.740.800.860.900.970.990.970.96-H2S0.2720.3190.3720.4180.4890.5520.6170.6860.7550.8250.6891.041.211.371.461.50(E10-4)/(kPa)SO20.1670.2030.2450.2940.3550.4130.4850.5670.6610.7630.8711.111.391.702.01-1.3.2吸收剂及操作线的确定1.3.2.1吸收剂用量的确定（1）最小液气比该吸收过程属于低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下使计算， 进塔惰性气体流量为：对于纯溶剂吸收，进塔液相组成为 （2）吸收剂用量：1.3.2.2操作线的确定 对逆流操作吸收塔在任一截面m-n与塔底间列物料衡算： 1.3.3塔径计算1.3.3.1采用Eckert通用关联图法计算泛点速率：相关数据：由化工原理（上）附录查20下水的黏度，塔底混合气体的平均摩尔质量 ：塔顶混合气体的平均摩尔质量：图1.1填料塔泛点和压降的通用关联图塔内气体的平均摩尔质量=故塔内气体平均密度为气相质量流量为：液相质量流量可近似按纯水的流量计算即 根据以上选择知选取的塑料阶梯环查 化工原理（下）表3-6 ，可知关联图的横坐标值为：查图1.1可知 ，纵坐标为1.3.3.2操作气速填料塔塔径的大小是根据生产能力与空塔气速来计算。空塔气速有下面经验公式： 取1.3.3.3塔径计算圆整后 取D=1200mm则1.3.3.4喷淋密度U校核单位时间内每立方米塔截面上的吸收剂用量： 最小喷淋密度：1.3.3.5单位高度填料层压降（）的校核由图1.1上可查横坐标，由表1.1查的填料层压强降为1.3.4填料层高度计算1.3.4.1传质系数的计算（1）有效面积（润湿面积）由表1.3查得，聚丙烯的 表1.3 填料材质的临界表面张力值材质钢陶瓷聚乙烯聚丙烯聚氯乙烯玻璃涂石蜡的表面 dyn/cm75613333407320查化工原理（上）附录a=132.5m/m ，=998.2kg/m ， g=1.27-1.4003=0.7535=99.8368（2）液相传质系数k由=0.0095得：20下SO在水中的扩散系数D=1.47（3）气膜吸收系数由表1.4知0时SO在空气中的扩散系数：=0.103 表1.4 一些物质在空气中的扩散系数（0，101.3kPa） 扩散物质 扩散系数/ （cm2/s） 扩散物质 扩散系数/ （cm2/s） H2N2O2CO2HClSO2SO3NH3 0.6110.1320.1780.1380.1300.1030.0950.170 H2OC6H6C7H8CH3OHC2H5OHCS2C2H5OC2H5 0.2200.0770.0760.1320.1020.0890.078 由 查表1.5得表1.5 常见填料的形状系数填料类型球形棒形拉西环弧鞍开孔环值0.720.7511.191.45则 由于所以需要校正。 则气相传质单元高度：传质单元数Z: 脱吸因数：1.3.4.2 填料层高度 根据设计经验，填料层的设计高度一般为可知阶梯环填料层高度最大仅为6m，本设计填料不需分层。1.4填料塔内件的类型与设计 1.4.1 塔内件的类型 填料塔的内件主要有填料支承装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体收集再分布装置、除沫装置等。(1) 填料支承装置 填料支承装置的作用是支承塔内的填料。常用的填料支承装置有栅板型、孔管型、驼峰型等。对于散装填料，通常选用孔管型、驼峰型支承装置；对于规整填料，通常选用栅板型支承装置。设计中，为防止在填料支承装置处压降过大甚至发生液泛，要求填料支承装置的自由截面积应大于75%。考虑到塔径及吸收要求，本设计选梁式气喷式支撑板。表1.6 梁式气喷式支承板结构尺寸（mm）塔径DN支承板外径支承板分块数支承圈宽度支承圈厚度10009803401011001080440101200116045010130012604501414001360450141500146055014(2) 填料压紧装置 为防止在上升气流的作用下填料床层发生松动或跳动，需在填料层上方设置填料压紧装置。填料压紧装置有压紧栅板、压紧网板、金属压紧器等不同的类型。对于散装填料，可选用压紧网板，也可选用压紧栅板，在其下方，根据填料的规格敷设一层金属网，并将其与压紧栅板固定；对于规整填料，通常选用压紧栅板。设计中，为防止在填料压紧装置处压降过大甚至发生液泛，要求填料压紧装置的自由截面积应大于70%。 为了便于安装和检修，填料压紧装置不能与塔壁采用连续固定方式，对于小塔可用螺钉固定于塔壁，而大塔则用支耳固定。本设计选用床层限制板 。(3) 液体分布装置 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。 管式分布器由不同结构形式的开孔管制成。其突出的特点是结构简单，供气体流过的自由截面大，阻力小。但小孔易堵塞，操作弹性一般较小。管式液体分布器多用于中等以下液体负荷的填料塔中。在减压精馏及丝网波纹填料塔中，由于液体负荷较小，设计中通常用管式液体分布器。 槽式液体分布器是由分流槽(又称主槽或一级槽)、分布槽(又称副槽或二级槽)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)上设有孔道域导管，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，应用范围非常广泛。 槽盘式分布器是近年来开发的新型液体分布器，它兼有集液、分液及分气三种作用，结构紧凑，气液分布均匀，阻力较小，操作弹性高达10：1，适用于各种液体喷淋量。近年来应用非常广泛，在设计中建议优先选用。考虑到塔径及吸收要求，本设计选溢流槽式液体分布器。(4) 液体收集及再分布装置 前已述及，为减小壁流现象，当填料层较高时需进行分段，故需设置液体收集及再分布装置。 最简单的液体再分布装置为截锥式再分布器。截锥式再分布器结构简单，安装方便，但它只起到将壁流向中心汇集的作用，无液体再分布的功能，一般用于直径小于0.6m的塔中。 在通常情况下，一般将液体收集器及液体分布器同时使用，构成液体收集及再分布装置。液体收集器的作用是将上层填料流下的液体收集，然后送至液体分布器进行液体再分布。常用的液体收集器为斜板式液体收集器。由于本设计不需要填料分层 ，所以不需要液体收集及再分布装置。（5）除沫装置气体在塔顶离开填料层时，带有大量液沫和雾滴，为回收这部分液体，需要在塔顶安装除沫器。常用的除沫器主要有折流板式除沫器，旋流板式除沫器、丝网除沫器。本设计选用上装式丝网除沫器。表1.7 上装式丝网除沫器基本参数公称直径主要外形尺寸 mmDN mmHH1H2D质量，kg1100100218102043.415026851.71200100218112049.615026859.91300100228122064.815027876.61400100228132071.615027885.21500100228142079.615027895.11.5辅助设备的选型1.5.1管径的选择气相体积流量V=2400；液相体积流量；1、进液管管径：由于清水无腐蚀性故可选择无缝钢管（GB8163-87）,取，核算u：，满足条件。2、出液口管径：由于本吸收操作中SO在空气中含量极低故吸收液吸收前后密度变化不大，故出液口管径仍取1275mm;3、 进气口管径：由于SO遇水呈弱酸性故对管道有腐蚀所以选取无缝不锈钢管（GB/T14976-94）进气管进气为常压进气，故可取u=20m/s, 4、出气管管径由于本吸收操作中SO在空气中含量极低故吸收前后气体体积变换不大，故管径仍取1.5.2泵的选取：1、离心泵的选取：由于输送清水，故泵可选清水泵。由化工原