水吸收二氧化硫填料吸收塔的设计.doc

吉林化工学院化工原理课程设计 吉吉林林化化工工学学院院 化化 工工 原原 理理 课课 程程 设设 计计 题目题目 水吸收二氧化硫填料吸收塔的设计水吸收二氧化硫填料吸收塔的设计 教教 学学 院院 化学与制药工程学院化学与制药工程学院 专业班级专业班级 应化应化 07010701 学生姓名学生姓名 学生学号学生学号 0722010107220101 指导教师指导教师 2009年年 1212 月月 8 8 日日 吉林化工学院化工原理课程设计 2 化工原理课程设计任务书 设计题目 水吸收二氧化硫填料吸收塔的设计 1 设计题目 水吸收二氧化硫过程填料吸收塔的设计 矿石焙烧炉送出的气体冷却到 20 后送入填料塔中 用 20 清水洗涤除去其中的 SO2 入塔的炉气流量为 1000m3 h 其中进塔 SO2的摩尔分率为 0 03 要求 SO2的吸收率为 99 99 吸收塔为常压操作 因该过程液气比很大 吸收温度基本不变 可近似取为清水的 温度 吸收剂的用量为最小用量的 1 3 倍 2 工艺操作条件 1 操作平均压力 常压 2 操作温度 t 20 3 每年生产时间 7200h 3 设计任务 1 完成干燥器的工艺设计与计算 包括塔径与塔高的计算 填料的选取 2 绘制吸收系统的工艺流程图 吸收塔的设备条件图 3 编写该吸收塔的设计说明书 吉林化工学院化工原理课程设计 3 目 录 摘摘 要要 1 1 1绪绪 论论 2 1 1 气体吸收的概述 2 1 2 化学工业中 吸收的意义 2 1 3 吸收在工业生产中的应用 2 1 4 影响吸收过程因素的分析 3 2 2 设计方案设计方案 4 2 1 吸收剂的选择 4 2 2 吸收操作参数的选择 4 2 3 填料层 5 2 3 1 填料的作用 5 2 3 2 填料种类的选择 5 2 3 3 填料规格的选择 5 2 3 4 填料材质的选择 5 2 4 吸收温度的选择 6 3 3 吸收塔的工艺计算吸收塔的工艺计算 7 3 1 基础物性数据 7 3 1 1 液相物性数据 7 3 1 2 气相物性数据 7 3 1 3 气液相平衡数据 7 3 2 物料衡算 8 3 3 填料塔的工艺尺寸的计算 9 3 3 1 塔径的计算 9 3 3 2 传质单元高度计算 11 3 3 3 传质单元数的计算 14 3 3 4 填料层高度 14 3 4 塔附属高度的计算 14 3 5 填料层压降的计算 15 3 6液体分布器计 算 15 3 6 1 液体分布器 15 3 6 2 布液孔数 15 3 6 3 塔底液体保持管高度 16 3 7 其他附属塔内件的选择 16 3 7 1 液体分布器 16 3 7 2 液体再分布器 17 3 7 3 填料支撑板 17 3 7 4 填料压板与床层限制板 17 3 7 5 气体进出口装置与排液装置 18 吉林化工学院化工原理课程设计 4 附录一附录一 工艺设计计算结果汇总及主要符号说明工艺设计计算结果汇总及主要符号说明 18 参考文献参考文献 22 致致 谢谢 23 吉林化工学院化工原理课程设计 5 吉林化工学院化工原理课程设计 1 3 3 吸收塔的工艺计吸收塔的工艺计算算 3 13 1 基础物性数据基础物性数据 3 1 13 1 1 液相物性数据液相物性数据 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 20oC 时水的有关物性数据如下 密度为 3 L 998 2 mkg 黏度 3 6 Lhmkg 表面张力为 2 L 940869 hkg SO2在水中的扩散系数为 DL 1 47 10 5cm2 s 5 29 10 6m2 h 3 1 23 1 2 气相物性数据气相物性数据 混合气体的平均摩尔质量为 28 30 2995 0 06 6405 0 iivm MyM kmol kg 混合气体的平均密度为 3 259 1 293314 8 28 30 3 101 mkg RT PMvm vm 混合气体的黏度可近似取为空气的黏度 查手册得 20oC 空气的黏度为 065 0 vhmkg 查手册得 SO2在空气中的扩散系数为 D 0 039m2 h V 3 1 33 1 3 气液相平衡数据气液相平衡数据 由手册查得 常压下 20oC 时 SO2在水中的亨利系数为 E 3kPa 3 1055 相平衡常数为 m 04 35 3 101 1055 3 3 P E 溶解度系数为 0156 0 02 181055 3 2 998 3 3 mkPakmol EM H S L 吉林化工学院化工原理课程设计 2 3 23 2 物料衡算物料衡算 全塔物料衡算图 2 12 所示是一个定态操作逆流接触的吸收塔 图中各符号的意义如下 惰性气体的流量 V h kmol L 纯吸收剂的流量 h kmol Y1 Y2 进出吸收塔气体的摩尔比 X1 X2 出塔及进塔液体中溶质物质量的比 注意 本课程设计中塔底截面一律以下标 l 表示 塔顶截 面一律以下标 2 表示 进塔气体摩尔比 0204 0 02 0 1 02 0 1 1 1 1 y y Y 出塔气体摩尔比 6 12 104 2 9999 0 1 0204 0 1 A YY 进塔惰性气体的流量 hkmolV 76 4002 0 1 20273 273 4 22 1000 由设计任务知该吸收过程属于低浓度吸收 平衡关系为直线 最小液气比可按下式计算 即 21 21 min XmY YY V L 对于纯溶剂吸收过程 进塔液相组成为 0 2 X 代入数值 得 04 35 0 04 350204 0 0000204 0 0204 0 min V L 取实际液气比为最小液气比的 1 3 倍 即 V L min 3 1 V L 有 55 45 04 353 1 V L 得 L 45 55 40 76 1856 72 kmol h 由 求得吸收液出塔浓度为 2121 XXLYYV 00045 0 0 72 1856 00000204 0 0204 0 76 40 2 21 1 X L YYV X V Y2 L X2 V Y1 L X1 图 2 12 物料衡算示意图 吉林化工学院化工原理课程设计 3 3 3 填料塔的工艺尺寸的计算填料塔的工艺尺寸的计算 1 空塔气速的确定 通常由泛点气速来确定空塔操作气速 泛点气速是填料塔操作气速的上限 填料塔的操 作气速必须小于泛点气速 操作空塔气速与泛点气速之比称为泛点率 填料的泛点气速可由 Eckert 通用关联图查得 气相质量流量为 hkgq vmvv 1257257 1 1000 液相质量流量可近似按纯水的流量计算 即 hkgWL 09 3345802 1872 1856 Eckert 通用关联图的横坐标为 945 0 2 998 257 1 1257 09 33458 5 05 0 L V V L 查表得 03 0 2 0 2 L L VFF g u 1 170 m F sm g u LVF L F 1721 1259 1 1170 2 99881 9 03 0 030 0 2 02 0 取 smuu F 8210 172 17 07 0 由 m u V D S 6570 821 0 14 3 3600 10004 4 圆整塔径 取mD7 0 泛点率校核 由于泛点附近流体力学性能的不稳定性 一般较难稳定操作 故一般要求 泛点率在 50 80 之间 而对于易起泡的物系可低于 40 smu690 0 7 0821 0 3600 1000 2 在允许范围内 92 58 100 172 1 690 0 F u u 填料规格校核 在允许范围内 842 18 38 700 d D 以上式中 泛点气速 F u s m 吉林化工学院化工原理课程设计 4 空塔气速 u s m L 液体密度 3 m kg 气体密度 G 3 m kg 气液相质量流量 G L h kg g 重力加速度 9 81 2 s m 液体黏度 L smp 填料因子 1 m 2 液体喷淋密度的求法 填料塔的液体喷淋密度是指单位时间 单位塔截面上液体的喷淋量 其计算式为 2 785 0 D L U h 式中 液体喷淋密度 U hm m 2 3 液体喷淋量 h L h m3 填料塔直径 Dm 为使填料能获得良好的润湿 塔内液体喷淋量应不低于某一极限值 此极限值称为最小 喷淋密度 以表示 min U 对于散装填料 其最小喷淋密度通常采用下式计算 min U tw aL min 式中 最小喷淋密度 min U hm m 2 3 最小润湿速率 min w L hm m3 填料的总比表面积 t a 3 2 m m 最小润湿速率是指在塔的截面上 单位长度的填料周边的最小液体体积流量 对于直径 不超过 75mm 的散装填料 可取最小润湿速率 0 08 min w L hm m 3 本次设计选用聚丙烯阶梯环填料 其 132 5 代入数值 得最小喷淋密度38 N D t a 3 2 m m 吉林化工学院化工原理课程设计 5 为 0 08 min U tw aL min 6 10 5 132 hm m 2 3 最小喷淋密度的校核 求得液体喷淋密度为 2 785 0D L U h min 2 14 87 7 0785 0 2 99809 33458 U 所以液体喷淋密度符合要求 即填料塔直径合理 mmD700 3 3 3 3 2 2 传质单元高度计算传质单元高度计算 干填料比表面积为 实际操作中润湿的填料比表面积为 由于只有在润湿的填料表 w a 面才可能发生气 液传质 故 值具有实际意义 下面介绍计算的恩田 ONDA 公式 该 公式为 2 0 2 05 0 2 2 1 075 0 45 1 exp 1 tLL L L tL Lt L L C t w a U g aU a U a a 式中 单位体积填料层的润湿面积 w a 3 2 m m 填料的总比表面积 t a 3 2 m m 液体表面张力 L m N 填料上液体铺展开的最大表面张力 m N 液体通过空塔截面的质量流速 L U sm Kg 2 液体的粘度 sPa L 液体的密度 3 m Kg g 重力加速度 9 81 2 s m 查表得 2 42768033 h Kg cm dy C 流体质量流量 hmkgUL 2 2 95 83155 7 0821 0 09 33458 代入数值 得 953 0 t w a a t a w a c L 吉林化工学院化工原理课程设计 6 气膜吸收系数由下式计算 RT Da Da U k Vt Vv v vt V G 3 17 0 237 0 式中 填料的总比表面积 t a 3 2 m m 气体通过空塔截面的质量流速 V U sm Kg 2 气体的粘度 sPa 气体的密度 V 3 m Kg g 重力加速度 9 81 2 s m 气体质量通量为 12 3124 7 0821 0 257 1 1000 2 2 hm kg UV 代入数值 293314 8 039 0 5 132 039 0 259 1 065 0 065 0 5 132 92 3124 237 0 3 17 0 G k 0 0321 kmol m2 h KPa 液膜传质系数由下式计算 3 15 03 2 0095 0 L L LL L LW L L g Da U k 式中 液体的密度 L 3 m Kg 液体的质量流速ms L U kg 液相的黏度 L spa g 重力加速度 9 81 2 s m 液体通过空塔截面的质量流速 L U sm Kg 2 单位体积填料层的润湿面积 w a 3 2 m m 溶质在液相中的扩散系数 L D s m2 代入数值得 V 吉林化工学院化工原理课程设计 7 3 15 03 2 2 998 10000000027 1 6 3 000001 0 29 5 2 998 6 3 6 3 5 132592 0 95 83155 0095 0 L k 1 276m s 由 查表得 1 1 WGG akak 45 1 则 1 1 WGG akak 09 6 45 1 5 132953 0 0321 0 3 1 1 KPahm kmol h akak WLL 1 94 18645 1 5 132953 0 276 1 4 04 0 5092 58 0 0 F u u ak u u ak G F G 4 1 5 0 5 91 ak u u ak L F L 2 2 5 0 6 21 kPahmkmolakG 3 4 1 05 8 09 6 5 0 5892 0 5 91 h akl 1 32 18994 1865 0 5892 0 6 21 2 2 则 kPahmkmol aHkak ak LG G 3 16 2 32 1890156 0 1 05 8 1 1 11 1 m aPK V aK V H GY OG 465 0 7 0821 0 3 10116 2 76 40 2 3 3 3 3 3 3 传质单元数的计算传质单元数的计算 0158 0 00045 0 04 35 1 1 mXY 0 2 2 mXY 脱吸因数为 769 0 72 1856 76 4004 35 L mV S 气相总传质单元数为 S YY YY s S NOG 22 21 1 ln 1 1 吉林化工学院化工原理课程设计 8 83 12769 0 0 0000204 0 0 0204 0 769 0 1 ln 769 0 1 1 3 3 3 3 4 4 填料层高度填料层高度 mNHZ OGOG 975 83 12465 0 46m7 97 5 25 1 Z 设计取填料层高度为 mZ8 取 8 D h mmh6 max 则 mmh56007008 计算得填料层高度 8000mm 故需要分两段 每段 4000mm 3 43 4 塔附属高度的计算塔附属高度的计算 塔上部空间高度 可取 1 0m 液体在分布器高度约 0 5m 若塔底液相停留时间按 1min 考虑 则塔釜液所占空间高度为 mh39 1 7 0821 0 2 9983600 09 33458 601 2 1 考虑到气相接管所占空间高度 底部空间高度可取 1 0m 所以塔的附属高度为 1 0 0 5 1 39 1 0 3 89m 则 塔的总高度为 8 3 89 11 89 m 即塔的总高度大约为 12 m 3 53 5 填料层压降的计算填料层压降的计算 在逆流操作的填料塔中 从塔顶喷淋下来的液体 依靠重力在填料表面成膜状向下流动 上升气体与下降液膜的摩擦阻力形成了填料层的压降 填料层压降与液体喷淋量及气速有关 在一定的气速下 液体喷淋量越大 压降越大 在一定的液体喷淋量下 气速越大 压降也 越大 散装填料的压降可采用 Eckert 通用关联图计算 计算时 先根据气液负荷及有关物性数 据 求出横坐标值 再根据操作空塔系数 u 及有关物性数据 求出纵坐标 2 1 L L v v 值 通过作图得出交点 读出过焦点的等压线数值 即得出每米填料层压降 2 0 2 L L v g u 吉林化工学院化工原理课程设计 9 值 式中 空塔气速 即按空塔截面积计算的混合气体线速度 u s m 气液相质量流量 v L h kg L 液体密度 3 m kg v 气体密度 3 m kg 液体黏度 L smp 填料因子 m 1 g 重力加速度 9 81 2 s m 经查得 116 m 1 横坐标 0 921 2 1 L L v v 纵坐标 2 0 2 L L v g u 0052 0 1 2 998 257 1 81 9 111659 0 2 0 2 从 Eckert 通用关联图中可查得 mPaZP 91 107 2 m kg 填料塔压降为 Pa28 863891 107 其他塔内件的压力降很小可以忽略 所以填料层压降为 863 28 Pa 3 63 6 液体分布器计算液体分布器计算 3 6 1 液体分布器液体分布器 液体分布器的性能主要由分布器的布液点密度 即单位面积上的布液点数 各布液点的 布液布液均匀性 各布液点上的液相组成的均匀性决定设计液体分布器主要是确定决定这些 参数的结构尺寸 为使液体分布器具有较好的分布性能 必须合理确定布液孔数 布液孔数应依所用填料 所需的质量要求决定 在通常情况下 满足各种填料质量分布要求的适宜喷淋点见下表 在 选择填料的喷淋点密度时应该遵循填料的效率越高 所需的喷淋点密度越大这一规律 依所 选用的填料 确定单位面积的喷淋点后 在根据塔的截面积即可求得分布器的布液孔数 Eckert 的散装填料塔分布点密度推荐值 吉林化工学院化工原理课程设计 10 塔径 mm分布点密度 塔截面 2 m点 D 400330 D 750170 D 120042 根据物质性质可选用管式液体分布器 取布液点数为 2 170m点 3 6 2 布液孔数布液孔数 总布液孔数为点点69 4 681707 0821 0 2 n 3 6 3 塔底液体保持管高度塔底液体保持管高度 液体保持管高度 取布液孔直径为 10mm 则液体保持管高度可由式 mg nkd V h S 187 0 81 9 2 62 0 101010 0 14 3 2 998360072 334584 2 4 2 2 2 2 k 为孔流系数 其值由小孔液体流动雷诺数决定 在雷诺数大于 1000 的情况下 可取 0 60 0 62 液位高度的确定应和布液孔径协调设计 使各项参数均在一定范围内 mmhh05 21518715 1 15 1 在 200mm 500mm 之间 符合要求 3 73 7 其他附属塔内件的选择其他附属塔内件的选择 本装置的直径较小可采用简单的进气分布装置 同时排放的净化气体中的液相夹带要求严 格 应设除液沫装置 为防止填料由于气流过大而是翻 应在填料上放置一个筛网装置 防止填 料上浮 3 7 1 液体分布器液体分布器 液体在填料塔顶喷淋的均匀状况是提供塔内气液均匀分布的先决条件 也是使填料达到 预期分离效果的保证 为此 分布器设计中应注意以下几点 1 为保证液体在塔截面上均布 颗粒型 散装 填料的喷淋点数为 40 80 个 m2 环形 填料自分布性能差应取高值 此外 为减少壁流效应 喷淋孔的分布应使近塔壁 5 20 区域内的液体流量不超过总液量的 10 规整填料一般为 100 200 个 喷淋点 2 喷淋孔径不宜小于 2 以免引起堵塞 孔径也不宜过大 否则液位高度难维持稳定 3 7 1 1 多孔型液体分布器 多孔型液体分布器系借助孔口以上的液层静压或泵送压力使液体通过小孔注入塔内 吉林化工学院化工原理课程设计 11 3 7 1 2 直管式多孔分布器 根据直管液量的大小 在直管下方开 2 4 排对称小孔 孔径与孔数依液体的流量范围确定 通常取孔径 2 6 孔的总面积与及进液管截面积大致相等 喷雾角根据塔径采用 30 或 45 直管安装在填料层顶部以上约 300 此形分布器用于塔径 600 800 对液体的均布要求不高的场合 根据要求 也可以采 用环形管式多孔分布器 3 7 1 3 排管式多孔分布器 支管上孔径一般为 3 5 孔数依喷淋点要求决定 支管排数 管心距及孔心距依塔径和液 体负荷调整 一般每根支管上可开 1 3 排小孔 孔中心线与垂直线的夹角可取 15 22 5 30 或 45 等 取决于液流达到填料表面时的均布状况 主管与支管直径由送液推动力决定 如用液柱静压送液 中间垂直管和水平主管内的流速为 0 2 0 3m s 支管流速取为 0 15 0 2m s 采用泵送液则流速可提高 3 7 2 液体再分布器液体再分布器 当塔顶喷淋液体沿填料层下流时 存在向塔壁流动的趋势 导致壁流增加 此外 塔体 倾斜 保温不良等也会加剧壁流现象 为提高塔的传质效果 当填料层高度与塔径之比超过某一数值时 填料层需分段 在各 段填料层之间安设液体再分布器 以收集自伤以填料层来的液体 为下一填料层提供均匀的 液体分布 3 7 3 填料支撑板填料支撑板 填料支撑板用于支撑塔填料及其所特有的气体 液体的质量 同时起着气液流道及其体 均布作用 故要求支撑板上气液流动阻力太大 将影响塔的稳定操作甚至引起塔的液泛 支撑板大体分为两类 一类为气液逆流通过的平板支撑板 板上有筛孔或为栅板式 另 一类斯气体喷射型 可分为圆柱升气管式的气体喷射型支撑板和梁式气体喷射型支撑板 平板型支撑板结构简单 但自由截面分率小 且因气液流同时通过板上筛孔或栅缝 故 板上存在液位头 气体喷射性支撑板气液分道 即有利于气体的均匀分配 又避免了液体在 板上聚集 梁式结构强度好 装卸方便 可提高大于塔截面的自由截面 且允许气液负荷较 大 其应用日益受到重视 当塔内气液负荷较大或负荷波动较大时 塔内填料将发生浮动或相互撞击 破坏塔的正 常操作甚至损坏填料 为此 一般在填料层顶部设压板或床层限制板 3 7 4 填料压板与床层限制板填料压板与床层限制板 填料压板系藉自身质量压住填料但不致压坏填料 限制板的质量轻 需固定于塔壁上 一般要求压板或限制板自由截面分率大于 70 吉林化工学院化工原理课程设计 12 3 7 5 气体进出口装置与排液装置气体进出口装置与排液装置 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 对 500mm 直径以下 的小塔 可使进气管伸到塔中心位置 管端切成 45 向下斜口或切成向下切口 使气流折转 向上 对 1 5m 以下直径的塔 管的末端可制成下弯的锥形扩大器 或采用其它均布气流的装 置 气体出口装置既要保证气流畅通 又要尽量除去被夹带的液沫 最简单的装置是在气体 出口处装一除沫挡板 或填料式 丝网式除雾器 对除沫要求高时可采用旋流板除雾器 液体出口装置既要使塔底液体顺利排出 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 常压塔气体进出口管气速可取 10 20m s 高压塔气速低于此值 液体进出口气速可取 0 8 1 5m s 必要时可加大些 管径依气速决定后 应按标准管规定进行圆整 吉林化工学院化工原理课程设计 13 附录一附录一 工艺设计计算结果汇总及主要符号说明工艺设计计算结果汇总及主要符号说明 工艺设计计算汇总表 序号项目数值 备注 1 混合气体处理量 U m3 h 1000 2 进塔气相摩尔比 Y1 0 0204 3 出塔气相摩比 Y2 0 0000204 4 进塔液相摩尔分率 X2 OkmolHkmolSO 22 0 5 出塔液相摩尔分率 X1 OkmolHkmolSO 22 0 00045 6 混合气体平均摩尔质量 Vm Mmolg 30 28 7 混合气体的平均密度 Vm 3 mkg1 257 8 混合气体的粘度 V hmkg 0 065 9 吸收剂用量 L hkmol1856 72 10 气相质量流量 V whkg 1257 11 液相质量流量 L whkg 33458 09 12 气相总传质单元数 m OG N 12 83 13 气相总传质单元高度 m OG H 0 465 14 空塔气速 u m s 0 821 15泛点气速 u m s F 1 172 16 泛点率 f 58 92 17 圆整塔径 D m 0 7 18 填料层高 Z m 8 19 填料塔上部高度 h m 1 0 20 填料塔下部高度 h m 1 0 吉林化工学院化工原理课程设计 14 21 塔的附属高度 h m 3 89 22 塔总高度 H 12 主要符号说明 符号意义单位 X 平衡时液相 SO2摩尔比 Y 气相 SO2摩尔比 y 气相 SO2摩尔分率 L w 液体的质量流量 hkg V w 气体的质量流量 hkg V 气体密度 3 kg m Z 填料层高度 m V 惰性气相流量hkmol S L 溶剂的摩尔流率 12 smkmol Y 气相中溶质的比摩尔分率 X 液相中溶质的比摩尔分率 min U 最小喷淋密度 123 hmm w L 润湿率 113 hmm D 填料塔直径m s V 气体的体积流量 13 s m u空塔气速 1 sm f u 液泛气速 1 sm g 重力加速度 2 81 9 mNg 吉林化工学院化工原理课程设计 15 L k 液相传质系数 1 23 kmolms kmol m L D 溶质在液相中的传质系数 2 ms G k 气相传质系数 1 2 kmolms kPa T 气体温度 K DV 溶质在气体中的扩散系数 2 ms V 气体黏度 V G 气相质量流速 2 kgms u 孔塔气速 m s UV UL气体和液体的质量通量 2 hmkg L 液体的密度 3 kg m LV DD 溶质在气体和液体中的扩散系数sm 2 R 气体常数 8 314 kJkmol K L 液体黏度mPa s a t填料的总比表面积 32 mm W a 填料的润湿比表面积 32 mm 填料因子 1 m g 重力加速度 hmg 8 1027 1 L 液体的表面张力 2 hkg c 填料材质的临界表面张力 2 hkg L液体的质量流速 2 kg ms h 填料层高度 m 吉林化工学院化工原理课程设计 16 参考文献 1 化工原理 下册 陈敏恒等 化学工业出版社出版 2006 年 第 1 页 2 化工制图 张淑荣