填料吸收塔课程设计3

1 大气污染控制工程课程设计任务书大气污染控制工程课程设计任务书 一 题目 题目 SO2吸收塔设计吸收塔设计 二 设计任务设计任务 中原地区某工厂排放废气经冷却至 25 后送入吸收塔 用 20 的清水去除其中的 NH3 SO2 入塔炉气流量为 Q m3 h 其中 NH3 SO2的摩 尔分数 y 要求 NH3 SO2的吸收率为 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 可近似取为清水温度 设计该吸收塔 每年 300 工 作日 每天 24 小时连续运行 塔型与填料自选 物性查阅相关手册 注 Q 2000 组次 100 y 与 如下 AY 0393 1494 2595 3696 A 为组次除以 4 的余数 单数组吸收气体为氨气 双数组二氧化硫 cankaolizicankaolizi 一 设计任务书 一 设计题目 水吸收 SO2过程填料吸收塔的设计 试设计一座填料吸收塔 用于脱除焙 烧炉送出的混合气体 先冷却 中的 SO2 其余为惰性组分 采用清水进行吸收 混合气体的处理量 m3 h 2000 混合气体 SO2含量 体积分数 10 SO2的回收率不低于 97 吸收剂的用量与最小用量之比 1 3 二 操作条件 1 操作压力 常压 2 操作温度 25 三 设计内容 1 吸收塔的物料衡算 2 吸收塔的工艺尺寸计算 2 3 填料层压降的计算 4 液体分布器简要设计 5 吸收塔接管尺寸计算 6 绘制吸收塔设计条件图 7 对设计过程的评述和有关问题的讨论 二 设计方案简介 2 1 方案的确定 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 2 2 填料的类型与选择 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 故此选用 DN38 聚丙烯阶梯环填料 阶梯环是对鲍尔环的改进 与鲍尔环相比 阶梯环高度减少了一半 并在 一端增加了一个锥形翻边 由于高径比减少 使得气体绕填料外壁的平均路径 大为缩短 减少了气体通过填料层的阻力 锥形翻边不仅增加了填料的机械强 度 而且使填料之间由线接触为主变成以点接触为主 这样不但增加了填料间 的空隙 同时成为液体沿填料表面流动的汇集分散点 可以促进液膜的表面更 新 有利于传质效率的提高 阶梯环的综合性能优于鲍尔环 成为目前所使用 的环形填料中最为优良的一种 2 3 设计步骤 本课程设计从以下几个方面的内容来进行设计 一 吸收塔的物料衡算 二 填料塔的工艺尺寸计算 主要 包括 塔径 填料层高度 填料层压降 三 设计液体分布器及辅助设备 的选型 四 绘制有关吸收操作图纸 三 工艺计算 3 1 基础物性数据 3 1 1 液相物性数据 3 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 25 时水的有关物性数据如下 密度为 L 997 1 kg m3 粘度为 L 0 0008937 Pa s 3 2173kg m h 表面张力为 L 71 97 dyn cm 932731 kg h2 SO2在水中的扩散系数为 DL 1 724 10 9m2 s 6 206 10 6m2 h 依 Wilke Chang计算 查 化学工程基础 0 5 18 r 0 6 1 859 10 MT D V 3 1 2 气相物性数据 设进塔混合气体温度为 25 混合气体的平均摩尔质量为 MVm yiMi 0 1 64 06 0 9 29 32 506g mol 混合气体的平均密度为 Vm PM RT 101 325 32 506 8 314 298 15 1 3287kg m3 混合气体的粘度可近似取为空气的粘度 查手册得 25 空气的粘度为 V 1 83 10 5Pa s 0 066kg m h 查手册得 SO2在空气中的扩散系数为 DV 1 422 10 5m2 s 0 051 m2 h 依计算 其中 273K 时 1 013 10 5Pa 时SO2在空气中的扩 1 75 0 0 0 PT DD P T 散系数为 1 22 10 5m2 s 查 化学工程基础 3 1 3 气液相平衡数据 由手册查得 常压下 25 时 SO2在水中的亨利系数为 E 4 13 103 kPa 相平衡常数为 m E P 4 13 103 101 3 40 76 4 溶解度系数为 H EM 997 2 4 13 103 18 02 0 0134kmol kPam3 3 1 4 物料衡算 l 进塔混合气中各组分的量 近似取塔平均操作压强为101 3kPa 故 混合气量 kmol h 273 151 2000 81 80 273 1525 22 4 混合气SO2中量 81 80 0 1 8 18 kmol h 8 18 64 06 542 01kg h 设混合气中惰性气体为空气 则混合气中空气量 81 8 8 18 73 62kmol h 73 62 29 2135kg h 2 混合气进出塔的摩尔组成 1 2 0 1 8 18 1 0 97 0 00332 73 628 18 1 0 97 y y 3 混合气进出塔摩尔比组成 进塔气相摩尔比为 1 1 1 y0 1 0 11 1y1 0 1 Y 出塔气相摩尔比为 21 1 0 11 1 0 97 0 0033 A YY 4 出塔混合气量 出塔混合气量 73 62 8 18 0 03 73 7836kmol h 2135 542 01 0 03 2151 26kg h 5 吸收剂 水 的用量L 该吸收过程属低浓度吸收 平衡关系为直线 最小液气比可按下式计算 12 min 1 2 YYL Y V X m 5 对于纯溶剂吸收过程 进塔液相组成为X2 0 min 0 11 0 0033 39 54 0 11 40 760 L V 取操作液气比为 min 1 3 LL VV 1 3 39 5451 40 L V kmol h51 4 73 623784 07L 6 塔底吸收液组成X1 1212 V YYL XX 1 73 62 0 11 0 0033 0 00208 3784 07 X 7 操作线方程 依操作线方程 22 3784 07 0 0033 73 62 LL YXYXX VV 51 40 0033YX 3 2 填料塔的工艺尺寸的计算 3 2 1 塔径的计算 采用 Eckert 通用关联图计算泛点气速 气相质量流量为 wv 2000 1 3287 2657 4 kg h 液相质量流量可近似按纯水的流量计算 即 WL 3784 07 18 02 68188 94 kg h 其中 L 997 1 kg m3 V 1 3287 kg m3 g 9 81 m s2 1 27 108 m h2 WV 2657 4 kg h WL 68188 94 kg h L 0 0008937 Pa s 6 1 采用 Ecekert 通用关联图法计算泛点气速uF 通用填料塔泛点和压降的通用关联图如下 图一填料塔泛点和压降的通用关联图 引自图一填料塔泛点和压降的通用关联图 引自 化工原理化工原理 7 图中 u0 空塔气速 m s 湿填料因子 简称填料因子 1 m 水的密度和液体的密度之比 g 重力加速度 m s2 V L 分别为气体和液体的密度 kg m3 wV wL 分别为气体和液体的质量流量 kg s 此图适用于乱堆的颗粒形填料 如拉西环 弧鞍形填料 矩鞍形填料 鲍尔环 等 其上还绘制了整砌拉西环和弦栅填料两种规整填料的泛点曲线 对于其他 填料 尚无可靠的填料因子数据 Eckert 通用关联图的横坐标为 0 50 5 w68188 94 1 3287 0 937 w2657 4997 1 VL VL 查图一查得纵坐标值为 8 2 0 2 u 0 022 g VF L L 表一表一 散装填料泛点填料因子平均值散装填料泛点填料因子平均值 填料因子 1 m 填料类型 DN16DN25DN38DN50DN76 金属鲍尔 环 410 117160 金属环矩 鞍 170150135120 金属阶梯 环 160140 塑料鲍尔 环 55028018414092 塑料阶梯 环 260170127 瓷矩鞍 1100550200226 瓷拉西环 1300832600410 化工原理课程设计 附录十一 查得 1 170 F m 0 20 2 0 0220 022 9 81 997 1 0 987 170 1 1 3287 0 8937 L F FVL g um s 2 操作气速 由以下公式计算塔径 化工原理课程设计 对于散装填料 其泛点率的经验值为 u uF 0 5 0 85 4 S V D u 取 u 0 7uF 0 7 0 987 0 691m s 3 塔径 由 44 2000 3600 1 012 3 14 0 691 S V Dm u 圆整塔径 取 D l 1m 9 4 泛点率校核 2 2000 3600 0 585 0 785 1 1 um s 0 585 100 59 27 0 987 F u u 在允许范围内 5 填料规格校核 1100 28 948 38 D d 6 液体喷淋密度校核 取最小润湿速率为 Lw min 0 08 m3 m h 查填料手册得 塑料阶梯环比表面积at 132 5m2 m3 Umin Lw minat 0 08 132 5 10 6m3 m2 h 32 min 2 68188 94 997 2 71 99m 0 785 1 1 Um hU 经以上校核可知 填料塔直径选用 D 1100mm 合理 3 2 2 填料层高度计算 1 传质单元数 NOG 11 40 76 0 002080 08478YmX 22 0YmX 解吸因数为 40 76 73 62 0 793 3784 07 mV S L 气相总传质单元数为 12 22 1 ln 1 1 10 11 0 ln 1 0 793 0 793 9 857 1 0 7930 00330 OG YY NSS SYY 2 传质单元高度的计算 10 气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算 0 10 20 750 05 22 2 1 exp1 45 wCLtLL tLtLLLLt aUaUU aaga 查表二 常见材质的临界表面张力值常见材质的临界表面张力值 材质碳瓷玻璃聚丙烯聚氯乙烯钢石蜡 表面张力 mN m 56617333407520 得 33 dyn cm 427680 kg h2 C 液体质量通量为 2 2 68188 94 71789 17 0 785 1 1 L Ukgm h 气膜吸收系数由下式计算 0 050 2 0 750 1 22 28 42768071789 1771789 17132 571789 17 1 exp1 45 932731132 5 3 2173997 11 27 10997 1 932731 132 5 0 6047 w t a a 气体质量通量为 1 0 7 3 0 237 VVtV G tVVV Ua D k aDRT 气体质量通量 2 2 2000 1 3287 2797 70 0 785 1 1 V Ukgm h 1 0 7 3 2 2797 700 066132 5 0 051 0 237 132 5 0 0661 3287 0 0518 314 298 0 0363 G k kmolm hkPa 液膜吸收系数由下式计算 11 211 323 1 21 8 3 32 6 0 0095 71789 173 21733 2173 1 27 10 0 0095 0 6047 132 5 3 2173997 1 6 206 10997 1 1 320 LLL L wLLLL Ug k aD m h 查表三 常见填料塔的形状系数常见填料塔的形状系数 填料类型球形棒形拉西环弧鞍开孔环 值 0 720 7511 191 45 本设计填料类型为开孔环 所以 1 45 则 1 1 1 13 0 0363 132 5 0 6047 1 454 3769kmol mkPa GGw k ak a h 0 4 0 4 1 320 132 5 0 6047 1 45122 71 LLw k ak a l h 又因 u uF 59 27 50 需要按下式进行校正 即 1 4 2 2 1 9 50 5 12 60 5 GG F LL F u k ak a u u k ak a u 可得 1 4 3 2 2 1 9 5 0 59270 54 37695 85kmol mkPa 12 6 0 59270 5122 71124 41 G L k ah k al h 则 3 11 1 297kmol mkPa 1111 5 850 0134 124 41 G GL K ah k aHk a 12 由 2 73 62 1 297 101 3 0 785 1 1 0 590 OG YG VV H K aK aP m 3 填料层高度的计算 由0 59 9 8575 82 OGOG ZHNm 根据设计经验 填料层的设计高度一般为 Z 1 2 1 5 Z 4 19 式中 Z 设计时的填料高度 m Z 工艺计算得到的填料层高度 m 得 1 25 5 82 7 27 m Z 设计取填料层高度为 7 4Zm 查 表四表四 散装填料分段高度推荐值散装填料分段高度推荐值 填料类型 h DHmax m 拉西环 2 5 4 矩鞍5 8 6 鲍尔环5 10 6 阶梯环8 15 6 环矩鞍5 15 6 对于阶梯环填料 8 15m h D max 6hm 取 则 h 8 1100 8800 mm8 h D 73008800mmmm 故需分为两段 每段高 3 7m 3 2 3 填料层压降计算 13 采用 Eckert 通用关联图计算填料层压降 横坐标为 0 5 0 937 VL VL w w 表五 散装填料压降填料因子平均值 填料因子 1 m 填料类型 DN16DN25DN38DN50DN76 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 查表得 p 116 m 1 纵坐标为 22 0 20 2 0 585116 1 1 3287 0 89370 0053 9 81997 1 VP L L u g 查 Eckert 通用关联图得 P Z 117 72Pa m 填料层压降为 P 117 72 7 4 871 128Pa 四 辅助设备的计算及选型 1 除雾沫器 穿过填料层的气体有时会夹带液体和雾滴 因此需在塔顶气体排出口前设 置除沫器 以尽量除去气体中被夹带的液体雾沫 SO2溶于水中易于产生泡沫为 了防止泡沫随出气管排出 影响吸收效率 采用除沫装置 根据除沫装置类型 的使用范围 该填料塔选取丝网除沫器 14 丝网除雾沫器 一般取丝网厚度 H 100 150 mm 气体通过除沫器的压降约 为 120 250pa 通过丝网除沫器的最大速 997 1 1 3278 0 0852 3277 1 3278 LG G ukm s 实际气速为最大气速的 0 75 0 8 倍 所以实际气速 u 0 75 2 3277 1 75m s 2 液体分布器简要设计 1 液体分布器的选型 该吸收塔液相负荷较大 而气相负荷相对较低 故选用槽式液体分布器 2 分布点密度计算 表六表六 EckertEckert 的散装填料塔分布点密度推荐值的散装填料塔分布点密度推荐值 塔径 mm分布点密度 点 m2塔截面 D 400330 D 750170 D 1200 42 按 Eckert 建议值 因该塔液相负荷较大 设计取喷淋点密度为 140 点 m2 布液点数为 n 0 785 1 12 140 132 9 133 点 按分布点几何均匀与流量均匀的原则 进行布点设计 设计结果为 二级槽共设七道 在槽侧面开孔 槽宽度为 80mm 槽高度为 210mm 两槽中心矩为 160mm 分布点采用三角形排列 实际设计布点数为 n 132 点 15 图二图二 槽式液体分布器二级槽的布液点示意图槽式液体分布器二级槽的布液点示意图 3 布液计算 由重力型液体分布器布液能力计算 由 2 0 2 4 S Ld ng H 式中 Ls 液体流量 m3 s n 开孔数目 分布点数目 孔流系数 通常取 0 55 0 60 d0 孔径 m H 开孔上方的液位高度 m 取 0 60 160mm H 则 0 5 0 0 5 4 2 4 68188 94 997 1 3600 3 14 132 0 62 9 81 0 16 0 0131 S L d ng H m 设计取 0 14dmm 液体分布器的安装一般高于填料层表面 150 300 mm 取决于操作弹性 槽式分布器主槽分槽高度均取 210mm 主槽宽度为塔径的 0 7 0 8 这里取塔径 16 的 0 7 分槽宽度由液体量及停留时间确定 最低液位为 50mm 为宜 最高液位 由操作弹性塔内允许高度及造价确定 一般为 200 mm 左右 2 液体再分布器 升气管式液体再分布器 在离填料顶面一定距离处 喷淋的液体便开始向塔壁偏流 然后沿塔壁下 流 塔中心处填料的不到好的润湿 形成所谓的 干锥体 的不正常现象 减 少了气液两相的有效接触面积 因此每隔一定的距离设置液体再分布装置 以 克服此现象 由于塔径为 1100mm 因此可选用升气管式再分布器 分布外径 1180mm 升 气管数 8 3 填料支承装置 填料支承结构用于支承塔内填料及其所持有的气体和液体的重量之装置 对填料的基本要求是 有足够的强度以支承填料的重量 提供足够的自由截面以 使气液两相流体顺利通过 防止在此产生液泛 有利于液体的再分布 耐腐蚀 易制造 易装卸等 常用填料支承板有栅板式和气体喷射式 这里选用分块梁 式支承板 4 填料限定装置 为防止在上升气流的作用下填料床层发生松动或者跳动 需在填料层上方 设置填料压紧装置 对于塑料散装填料 本设计选用创层限制板 3 气体和液体的进出口装置 管道的公 称通径 758090100120130140160185205235260315 1 气体和液体的进出口直径的计算 由公式 4 S V d u Vs 为流体的体积流量 m3 s u 为适宜的流体流速 m s 常压气体进出口管气速可取 10 20m s 液体进出口速度可取 0 8 1 5 m s 必要时可加大 17 选气体流速为 15 m s 由 VS 2000 3600 0 556 m3 s 代入上公式得 d 217mm 圆整之后 气体进出口管径为 d 235mm 选液体流速为 2 0 m s 由 VS 3784 07 18 02 3600 997 1 0 019m3 s 代入上公式得 d 110 mm 圆整之后液体进出口管径为 d 120 mm 2 底液出口管径 选择 d 75 mm 3 泵的选型由计算结果可以选用 IS100 80 125 型的泵 4 塔附属高的确定 塔的附属空间高度主要包括塔的上部空间高度 安装液体分布器和液体再 分度器所需的空间高度 塔的底部空间高度以及塔的群坐高度 塔的上部空间 高度是指塔填料层以上 应有一足够的空间高度 以使随气流携带的液滴能够 从气相中分离出来 该高度一般取 1 2 1 5 安装液体再分布器所需的塔空间 高度依据所用分布器的形式而定一般需要 1 1 5m 的高度 塔的底部空间高度是指塔底最下一块塔板到塔底封头之间的垂直距离 该 空间高度含釜液所占的高度及釜液面上方的气液分离高度的两部分 釜液所占 空间高度的确定是依据塔的釜液流量以及釜液在塔内的停留时间确定出空间容 积 然后根据该容积和塔径计算出塔釜所占的空间高度 塔底液相液相停留时间按 1min 考虑 则塔釜液所占空间为 1 2 1 60 3784 97 18 02 1 0 785 3600 997 1 1 1 hm 考虑到气相接管所占的空间高度 底部空间高度可取 1 5 米 所以塔的附 属空间高度可以取 3 7 米 5 人孔 公称压力公称直径密封面型标准号 常压 450 mm 平面 FS HG21515 95 18 五 设计结果汇总 课程设计 名称 水吸收 SO2填料吸收塔的设计 操作条件操作温度 25 摄氏度操作压力 常压 物性数据物性数据 液相气相 液体密度 997 1kg m3 混合气体 平均摩尔 质量 33 505kg kmol 液体粘度 3 22kg m h 混合气体 的平均密 度 1 3287kg m3 液体表面张 力 932731 混合气体 的粘度 0 066kg mh SO2在水中 的扩散系数 6 206 10 6m2 h SO2在空气 中的扩散 系数 0 051m2 h 重力加速度 1 27 108m h 气相平衡数据气相平衡数据 SO2在水中的亨利系数 E相平衡常数 m溶解度系数 H 4 13 103 kpa40 760 0134kmol kPam3 物料蘅算数据物料蘅算数据 Y1Y2X1X2 气相流量 G液相流量 L最小液气 比 操作液气 比 0 110 0033 0 00208073 62 kmol h3784 07 kmol h39 5451 4 工艺数据工艺数据 气相质量 流量 液相质量流量塔径气相总 传质单 元数 气相总 传质单 元高度 填料层 高度 填料层压降 2657 468188 941 1m9 8570 590m7 4m871 128pa 填料塔附件填料塔附件 除沫器液体分布器填料限定装置填料支承板液体再分 布器 丝网式二级槽式床层限制版分块梁式升气管式 19 六 工艺流程图 下图是本设计的工艺流程简图 图二图二 工艺流程简图工艺流程简图 20 七 课程设计总结 本次课程设计是在生产实习后进行的 是对化学工程的过程设计及设备的 选择的一个深层次的锻炼 也是对实际操作的一个加深理解 在设计过程中遇到的问题主要有 1 未知条件的选取 2 文献检索的 能力 3 对吸收过程的理解和计算理论的运用 4 对实际操作过程中设 备的选择和条件的最优化 5 对工艺流程图的理解以及绘制简单的流程图和 设备结构 6 还有一些其他的问题 例如计算的准确度等等 当然 在本次设计中也为自己再次重新的复习化工这门学科提供了一个动 力 对化工设计过程中所遇到的问题也有了一个更深的理解 理论和实际的结 合也是本次设计的重点 为日后从事相关工作打下了一定的基础 最后 深感要完成一个设计是相当艰