水吸收二氧化硫填料塔的设计

1 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塔的设计水吸收二氧化硫填料塔的设计 教教 学学 院院 化工与材料工程学院化工与材料工程学院 专业班级专业班级 材化材化 09010901 学生姓名学生姓名 学生学号学生学号 指导教师指导教师 2011年年 7 7 月月 5 5 日日 2 课程设计任务书课程设计任务书 1 1 设计题目 设计题目 处理量为 2750m3 h 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 清水洗涤洗涤除去其中的 SO2 入塔的炉气流量为 2750m3 h 其中进塔 SO2的摩尔分率为 0 05 要求 SO2的吸收率为 95 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 5 倍 2 2 工艺操作条件 工艺操作条件 1 操作平均压力 常压 2 操作温度 t 20 3 选用填料类型及规格自选 3 3 设计任务 设计任务 完成干燥器的工艺设计与计算 有关附属设备的设计和选型 绘制吸收系统的工艺流程 图和吸收塔的工艺条件图 编写设计说明书 化工原理教研室化工原理教研室 20112011 年年 5 5 月月 III 目录 第 1 章 绪论 1 1 1 吸收技术概况 1 1 2 吸收设备的发展 1 1 3 吸收在工业生产中的应用 2 第 2 章 设计方案 2 2 1 吸收剂的选择 4 2 2 吸收流程的选择 4 2 2 1 吸收工艺流程的确定 4 2 3 吸收塔设备及填料的选择 4 2 3 1 吸收塔的设备选择 4 2 3 2 填料的选择 5 2 4 吸收剂再生方法的选择 6 2 5 操作参数的选择 7 第 3 章 吸收塔的工艺计算 9 3 1 基础物性数据 9 3 1 1 液相物性数据 9 3 1 2 气相物性数据 9 3 1 3 气液相平衡数据 9 3 2 物料衡算 10 3 3 填料塔的工艺尺寸的计算 11 3 3 1 塔径的计算 11 3 3 2 泛点率校核 11 3 3 3 填料规格校核 11 3 3 4 液体喷淋密度校核 11 3 4 填料塔填料高度计算 12 3 4 1 传质单元高度计算 12 3 4 2 传质单元数的计算 14 3 5 填料塔附属高度计算 14 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 17 3 6 3 液体保持管高度 17 3 7 其他附属塔内件的选择 17 3 7 1 填料支承板 17 3 7 2 除沫器 除雾器 17 3 7 3 管口结构 18 IV 3 8 吸收塔的流体力学参数的计算 19 3 8 1 吸收塔的压力降 19 3 8 2 吸收塔的泛点率 20 3 8 3 气体动能因子 20 3 9 附属设备的计算与选择 20 3 9 1 离心泵的选择与计算 20 3 9 2 吸收塔的主要接管尺寸的计算 21 工艺设计主要符号说明 22 评述与讨论 24 结束语 25 参考文献 26 1 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 11 1 吸收技术概况吸收技术概况 在化学工业中 经常需将气体混合物中的个各组分加以分离 气体的吸收是用适当的液 体吸收剂与气体混合物接触 吸收器气体混合物中一个或几个组分 使其中的各组分得以分 离的一种操作 在化工生产中 它主要用于原料气的净化 有用组分的回收 制取气体的溶 液作为成品 以及废气的治理等方面 因此吸收操作是一种重要的分离方法 在化学工业中 应用相当普遍 吸收操作利用气体混合物各组分在某种溶剂中溶解度不同而达到分离的目的 气体吸收 是物质自气相到液相的转移 这是一种传质过程 混合气体中某一组分能否进入液相 既取 决于气相中该组分的分压 也取决于溶液里该组分的平衡蒸气压 如果混合气体中该气体的 分压大于溶液中该组分的平衡蒸气压 这个组分便可自气相转移到液相 即被吸收 转移的 结果 溶液里这个组分的浓度便升高 它的平衡蒸汽压也随着升高 到最后 可以升高到等 于它的气相中的分压 传质过程于是停止 这时称为气液两相达到平衡 根据两相的平衡关 系可以判断传质过程的方向与极限 另外 传质速率与推动力成正比 与阻力成反比 两相 的浓度距离平衡浓度越大 则传质的推动力越大 传质速率与越大 吸收技术是从气液两相的平衡关系与传质速率关系着手 利用气体混合物中各组分在特 定的液体吸收剂中的溶解度不同的基本原理 最终实现各组分分离的目的 1 21 2 吸收设备的发展吸收设备的发展 吸收设备有多种类型 如填料塔 板式塔 喷洒塔和鼓泡塔等 最常用的有填料塔与板 式塔 填料塔中装有诸如瓷环之类的填料 气液接触在填料中进行 板式塔中装有筛孔塔板 气液亮相在塔板上鼓泡进行接触 工业模型的填料塔始于 1881 年的蒸馏操作中 1904 年采用于炼油工业 当时的填料是碎 砖瓦 小石块和管子缩节等 20 世纪初 填料塔进入了一个新的发展阶段 在瓷环填料亦称 拉西环填料被广泛采用后 弧鞍形填料相继问世 特别是出现了斯特曼填料后 便大大的促 进了规整填料的发展 除了各种填料大大涌现外 还发展了多管塔 乳化塔等被成为高效填 料塔的新塔型 从 20 世纪 60 年代起新型填料有了较多的发展 属于颗粒型填料的有 海佐涅尔填料 阶梯环填料 多角螺旋填料 金属鞍环填料 比阿雷茨基环 莱瓦填料以及它们的改进形式 属于规整填料的有 苏采尔填料 重叠式丝网波纹板填料 重叠式金属波形板填料 格里希 栅格填料 格子填料 拉伸金属网填料 塑料蜂窝填料 Z 形格子填料 Perform 喷射式填料 和脉冲填料等 同时 还创建了使小球浮动来强化传质的湍球塔 进入 20 世纪 70 年代后 至于新型填料的研究 希望找到有利于气液分布均匀 高效和 制造方便的填料 2 近年来随着化工产业的发展 大规模的吸收设备已经广泛用于实际生产当中 具有了很 高的吸收效率 以及在节能方面也日趋完善 填料塔的工艺设计内容是在明确了装置的处理 量 操作温度及操作压力及相应的相平衡关系的条件下 完成填料塔的工艺尺寸及其他塔内 件设计 在今后的化学工业的生产中 对吸收设备的要求及效率将会有更高的要求 所以日 益完善的吸收设备会逐渐应用于实际的工业生产中 1 31 3 吸收在工业生产中的应用吸收在工业生产中的应用 吸收在工业上的应用大致有以下几种 1 原料气的净化 为除去原料气中所有的杂质 吸收可说是最常用的方法 2 有用组分的回收 如从焦炉煤气中用水回收氨 再用洗油回收粗苯蒸气 包括苯 甲 苯 二甲苯等 以及从某些干燥废气中回收有机溶剂蒸气等 3 液体产品的制取 将气体中需要的成分以指定的溶剂吸收出来 成为溶液态的成品或 半成品 如制酸工业中含 HCL NOX 氮氧化物 或 SO3的气体制取盐酸 硝酸或硫酸 甲醇 乙醇 蒸气经氧化后 用水吸收以制成甲醛 乙醛 半成品等 4 废弃的治理 很多工业废气中含有 SO2 NOX 主要是 NO 及 NO2 汞蒸气等有害成分 虽然浓度一般甚低 但对人体和环境仍危害甚大而必须进行治理 选择适当的工艺和 溶剂进行吸收 使废气治理中应用较广的方法 当然 以上目的有时也难以截然分开 如干燥废气中的有机溶剂 能回收下来就很有价值 任其排放则会污染大气 3 第第 2 2 章章 设计方案设计方案 2 12 1 吸收剂的选择吸收剂的选择 对于吸收操作 选择适宜的吸收剂 具有十分重要的意义 其对吸收操作过程的经济性有着 十分重要的影响 一般情况下 选择吸收剂 要着重考虑如下问题 一一 对溶质的溶解度大 所选的吸收剂多溶质的溶解度大 则单位量的吸收剂能够溶解较多的溶质 在一定的处理量 和分离要求下 吸收剂的用量小 可以有效地减少吸收剂循环量 这对于减少过程功耗和再生能 量消耗十分有利 另一方面 在同样的吸收剂用量下 液相的传质推动力大 则可以提高吸 收速率 减小塔设备的尺寸 二 对溶质有较高的选择性 对溶质有较高的选择性 即要求选用的吸收剂应对溶质有较大的溶解度 而对其他组分则 溶解度要小或基本不溶 这样 不但可以减小惰性气体组分的损失 而且可以提高解吸后溶质气 体的纯度 三三 不易挥发 吸收剂在操作条件下应具有较低的蒸气压 以避免吸收过程中吸收剂的损失 提高吸收过 程的经济性 四四 再生性能好 由于在吸收剂再生过程中 一般要对其进行升温或气提等处理 能量消耗较大 因而 吸收 剂再生性能的好坏 对吸收过程能耗的影响极大 选用具有良好再生性能的吸收剂 往往能有效 以上四个方面是选择吸收剂时应考虑的主要问题 其次 还应注意所选择的吸收剂应具有 良好的物理 化学性能和经济性 其良好的物理性能主要指吸收剂的粘要小 不易发泡 以保证 吸收剂具有良好的流动性能和分布性能 良好的化学性能主要指其具有良好的化学稳定性和热 稳定性 以防止在使用中发生变质 同时要求吸收剂尽可能无毒 无易燃易爆性 对相关设备无 腐蚀性 或较小的腐蚀性 吸收剂的经济性主要指应尽可能选用廉价易得的溶剂 工业常用吸收剂 溶质吸收剂溶质吸收剂 氨水 硫酸硫化铵碱液 砷碱液 有机溶 剂 丙酮蒸汽水苯蒸汽煤油 洗油 氯化氢水丁二烯乙醇 二氧化碳水 碱液 碳酸烯酯二氯乙烯煤油 二氧化硫水一氧化碳铜氨液 4 2 22 2 吸收流程吸收流程的选择的选择 工业上使用的吸收流程多种多样 可以从不同角度进行分类 从所选用的吸收剂的种类 看 有仅用一种吸收剂的一步吸收流程和使用两种吸收剂的两步吸收流程 从所用的塔设备 数量看 可分为单塔吸收流程和多塔吸收流程 从塔内气液两相的流向可分为逆流吸收流程 并流吸收流程等基本流程 此外 还有用于特定条件下的部分溶剂循环流程 2 2 12 2 1 吸收工艺流程的确定吸收工艺流程的确定 工业上使用的吸收流程多种多样 可以从不同角度进行分类 从所选用的吸收剂的种类 看 有仅用一种吸收剂的一步吸收流程和使用两种吸收剂的两步吸收流程 从所用的塔设备 数量看 可分为单塔吸收流程和多塔吸收流程 从塔内气液两相的流向可分为逆流吸收流程 并流吸收流程等基本流程 此外 还有用于特定条件下的部分溶剂循环流程 一 一步吸收流程和两步吸收流程 一步流程一般用于混合气体溶质浓度较低 同时过程的分离要求不高 选用一种吸收剂即可 完成任务的情况 若混合气体中溶质浓度较高且吸收要求也高 难以用一步吸收达到规定的 吸收要求 但过程的操作费用较高 从经济性的角度分析不够适宜时 可以考虑采用两步吸 收流程 二 单塔吸收流程和多塔吸收流程 单塔吸收流程是吸收过程中最常用的流程 如过程无特别需要 则一般采用单塔吸收流程 若过程的分离要求较高 使用单塔操作时 所需要的塔体过高 或采用两步吸收流程时 则 需要采用多塔流程 典型的是双塔吸收流程 三 逆流吸收与并流吸收 吸收塔或再生塔内气液相可以逆流操作也可以并流操作 由于逆流操作具有传质推动力大 分离效率高 具有多个理论级的分离能力 的显著优点而 广泛应用 工程上 如无特别需要 一般均采用逆流吸收流程 四 部分溶剂循环吸收流程 由于填料塔的分离效率受填料层上的液体喷淋量影响较大 当液相喷淋量过小时 将降低填 料塔的分离效率 因此当塔的液相负荷过小而难以充分润湿填料表面时 可以采用部分溶剂 循环吸收流程 以提高液相喷淋量 改善踏的操作条件 5 2 32 3 吸收塔设备及填料的选择吸收塔设备及填料的选择 2 3 12 3 1 吸收塔的设备选择吸收塔的设备选择 塔型的合理选择是做好塔设备设计的首要环节 选择时应考虑的因素有 物料性质 操 作条件 塔设备性能 以及塔设备的制造 安装 运转和维修等 一 与物性有关的因素 如易起泡的物系 处理量不大时 选填料塔为宜 具有 腐蚀性的介质 也可选用填料塔 具有热敏性的物料须减压操作 可采用装 填规整的散堆填料 粘性较大的物系 可以选用大尺寸填料 二 与操作条件有关的因素 气相传质阻力大 宜采用填料塔 大的液体负荷 可选用填料塔 低的液体负荷 不宜采用填料塔 液气比波动的适应性 板 式塔优于填料塔 三 其它因素 对于吸收过程 能够完成其分离任务的塔设备有多种 如何从众多的塔设备中选出合适的 类型是进行工艺设计的首要工作 而进行这一项工作则需对吸收过程进行充分的研究后 并经 多方案对比方能得到较满意的结果 一般而言 吸收用塔设备与精馏过程所需要的塔设备具有 相同的原则要求 即用较小直径的塔设备完成规定的处理量 塔板或填料层阻力要小 具有良好 的传质性能 具有合适的操作弹性 结构简单 造价低 易于制造 安装 操作和维修等 但作为吸收过程 一般具有操作液起比大的特点 因而更适用于填料塔 此外 填料塔阻力 小 效率高 有利于过程节能 所以对于吸收过程来说 以采用填料塔居多 但在液体流率很低难 以充分润湿填料 或塔径过大 使用填料塔不经济的情况下 以采用板式塔为宜 2 3 22 3 2 填料的选择填料的选择 填料是填料塔中传质元件 它可以有各种不同的分类 如按性能分为通用填料和高效填 料 按形状分为颗粒型填料和规整填料 填料品种很多 最古老的填料是拉西环 在国外被 认为较为理想的是鲍尔环 矩鞍填料和波纹填料等工业填料 现经测试验证 已被推荐为我 国今后推广使用的通用型填料 填料的材质可为金属 陶瓷或塑料 各种填料的结构差异较大 具有不同的优缺点 因此在使用上应根据具体情况选择不同 的塔填料 在选择塔填料时 应该考虑如下几个问题 1 选择填料材质 选择填料材质应根据吸收系统的介质以及操作温度而定 一般情况下 可以选用塑料 金属 陶瓷等材料 对于腐蚀性介质应采用相应的抗腐蚀性材料 如陶瓷 塑料 玻璃 石墨 不锈钢等 对于温度较高的情况 应考虑材料的耐温性能 2 填料类型的选择 填料类型的选择是一个比较复杂的问题 一般来说 同一类填料塔 中 比表面积大的填料虽然具有较高的分离效率 但是由于在同样的处理量下 所需要的塔 径较大 塔体造价升高 6 3 填料尺寸的选择 实践表明 填料塔的塔径与填料直径的比值应保持不低于某一下限 值 以防止产生较大的壁效应 造成塔的分离效率下降 一般来说 填料尺寸大 成本低 处理量大 但是效率低 使用大于 50mm 的填料 其成本的降低往往难以抵偿其效率降低所造 成的成本增加 所以 一般大塔经常使用 50mm 的填料 但在大塔中使用小于 20 25mm 填 料时 效率并没有较明显的提高 一般情况下 可以按表选择填料尺寸 因此对于水吸收 S02的过程 操作 温度及操作压力较低 工业上通常选用所了散装填料 在所了散装填料中 塑料阶梯环填料的综合性能较好 故此选用塑料阶梯环填料 表表 2 2 2 2 填料尺寸与塔径的对应关系填料尺寸与塔径的对应关系 塔径 mm填料尺寸 mm D 300 300 D 900 D 900 20 25 25 38 50 80 相关的填料数据如下 表表 2 32 3 散装填料类型以及关联常数散装填料类型以及关联常数 A KA K 值值 散装填料类型AK规整填料类型AK 塑料鲍尔环0 09421 75金属丝网波纹填料0 301 75 金属鲍尔环0 11 75塑料丝网波纹填料0 42011 75 塑料阶梯环0 2041 75金属网孔波纹填料0 1551 47 金属阶梯环0 1061 75金属孔板波纹填料0 2911 75 瓷矩鞍0 1761 75塑料孔板波纹填料0 2911 563 金属环矩鞍0 062251 75 表表 2 4 聚丙烯阶梯环几何数据聚丙烯阶梯环几何数据 规格比表面积 m2 m3 空隙率堆积个数堆积重量填料因子 m 1 16 8 9 13700 85299136135 6602 6 25 12 5 1 22280 908150097 8312 8 38 19 1 2132 50 912720057 5175 8 50 25 1 5114 20 9271074054 8143 1 76 37 2 6900 929342068 4112 3 7 2 42 4 吸收剂再生方法的选择吸收剂再生方法的选择 依据所用的吸收剂不同可以采用不同的再生方法 工业上常用的吸收剂再生方法主要有减 压再生 加热再生及气提再生等 一 减压再生减压再生 闪蒸 吸收剂的减压再生是最简单的吸收剂再生方法之一 在吸收塔内 吸收了大量溶质后的吸 收剂进入再生塔并减压 使得溶如吸收剂中的溶质得以再生 该方法最适用于加压吸收 而 且吸收后的后续工艺处于常压或较低压力的条件 如吸收操作处于常压条件下进行 若采用 减压再生 那么解吸操作需在真空条件下进行 则过程可能不够经济 二 加热再生加热再生 加热再生也是吸收剂再生最常用的方法 吸收了大量溶质后的吸收剂进入再生塔内并加热 使其升温 溶入吸收剂中的溶质得以解吸 由于再生温度必须高于解吸温度 因而 该方法 最适用于常温吸收或在接近于常温的吸收操作 否则 若吸收温度较高 则再生温度必然更 高 从而 需要消耗更高品位的能量 一般采用水蒸汽作为加热介质 加热方法可以依据具 体情况采用直接蒸汽加热或采用缉间接蒸汽加热 三 气提再生气提再生 气提再生是在再生塔的底部通入惰性气体 使吸收剂表面溶质的分压降低 使吸收剂得以 再生 常用气提气体是空气和水蒸气 2 52 5 操作参数的选择操作参数的选择 吸收过程的操作参数主要包括吸收 或再生 压力 吸收 或再生 温度以及吸收因子 或解析因子 这些条件的选择应充分考虑前后工序的工艺参数 从整个过程的安全性 可 靠性 经济性出发 利用过程的模拟计算 经过多方案对比优化得出过程参数 一 操作压力的选择 一 操作压力的选择 对于物理吸收 加压操作一方面有利于提高吸收过程的传质推动力而提高过程的传质速率 另 一方面 也可以减小气体的体积流率 减小吸收塔径 所以操作十分有利 但工程上 专门为吸 收操作而为气体加压 从过程的经济性角度看是不合理的 因而若在前一道工序的压力参数下 可以进行吸收操作的情况下 一般是以前道工序的压力作为吸收单元的操作压力 对于化学吸收 若过程由质量传递过程控制 则提高操作压力有利 若为化学反应过程控制 则 操作压力对过程的影响不大 可以完全根据前后工序的压力参数确定吸收操作压力 但加大吸 收压力依然可以减小气相的体积流率 对减小塔径仍然是有利的 对于减压再生 闪蒸 操作 其操作压力应以吸收剂的再生要求而定 逐次或一次从吸收压 力减至再生操作压力 逐次闪蒸的再生效果一般要优于一次闪蒸效果 二 操作温度的选择 二 操作温度的选择 对于物理吸收而言 降低操作温度 对吸收有利 但低于环境温度的操作温度因其要消耗 8 大量的制冷动力而一般是不可取的 所以一般情况下 取常温吸收较为有利 对于特殊条件的 吸收操作必须采用低于环境的温度操作 对于化学吸收 操作温度应根据化学反应的性质而定 既要考虑温度对化学反应速度常数 的影响 也要考虑对化学平衡的影响 使吸收反应具有适宜的反应速度 对于再生操作 较高的操作温度可以降低溶质的溶解度 因而有利于吸收剂的再生 三 吸收因子的选择 三 吸收因子的选择 吸收因子是一个关联了气体处理量 吸收剂用量以及气液相平衡常数的综合的AGLm 过程参数 AmGL 式中 气体处理量 Ghkmol L 吸收剂用量 hkmol m 气体相平衡常数 9 第第 3 3 章章 吸收塔的工艺计算吸收塔的工艺计算 3 13 1 基础物性数据基础物性数据 3 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 由参考书查得 20 1 时水的有关物性数据如下 密度为 3 998 2 m L kg 粘度为 3 6 kg m h 004 1 L sPa 表面张力为 2 h941803 2kgdyn cm67 72 L SO2在水中的扩散系数为 hmsmDL 10292 5 1047 1 2629 3 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 75 302995 0 06 6405 0 iiVm MyM 混合气体的平均密度为 3 Vm PM101 3 30 75 1 278 kg m 8 314 293 Vm RT 混合气体的粘度可近似取为空气的粘度 由参考书查得 20 时空气的粘度为 1 hm0 065kg s1081 1 5 Pa V 查参考书得 SO2在空气中的扩散系数为 1 0 039 m2 h 124 10108 0 smDv 3 1 3 气液相平衡数据气液相平衡数据 由参考书查得 常压下 20 时 SO2在水中的亨利系数为 1 kPaMPaE 3 1055 3 55 3 相平衡常数为 04 35 3 101 1055 3 3 p E m 10 溶解度系数为 3 3 0156 0 02 181055 3 2 998 mkPakmol EM H s L 3 23 2 物料衡算物料衡算 进塔气相摩尔比为 出塔气相摩尔比比为 21 1 0 0526 10 95 0 00263 A YY 进塔惰性气相流量为 2750273 1 0 05108 67 22 427320 Vkmol h 该吸收过程属于低浓度吸收 平衡曲线可近似为直线 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 29 33 004 35 0526 0 00263 0 0526 0 min V L 取操作液气比为 935 4929 335 15 1 min V L V L 49 935 108 675426 44 Lkmol h 1212 12 1 108 670 05260 00263 0 0010 5426 44 V YYL XX V YY X L 1 1 1 0 05 0 0526 11 0 05 y Y y 11 3 33 3 填料塔的工艺尺寸的计算填料塔的工艺尺寸的计算 3 3 1 塔径的计算塔径的计算 采用贝恩 Bain 霍根 Hongen 关联式 气相质量流量为 1 278 27503514 5 VVv Wqkg h 液相质量流量可以近似按纯水的流量计算 即 5246 44 18 0297784 45 L Wkg h 11 2 48 0 2 3 lg1 75 f tvvL L LvL u aW A gW 11 2 48 0 2 3 132 5 1 27897784 451 278 lg1 0050 204 1 75 9 81998 23514 5998 2 0 91 f u 取 1 11530 f u f uu85 0 5 0 0 70 7 1 115300 781 f uum s 圆整塔径后取 4 2750 1 116 3600 3 14 0 781 Dm mmD1200 3 3 23 3 2 泛点率校核泛点率校核 2 2750 3600 0 781 0 785 1 2 um s 在允许范围 50 80 内 0 781 100 70 03 1 1153 F u u 3 3 33 3 3 填料规格校核填料规格校核 有即符合要求 858 31 38 1200 d D 3 3 43 3 4 液体喷淋密度校核液体喷淋密度校核 对于直径不超过 75mm 的散装填料 可取最小润湿速率 Lw min 0 08m3 m h 对于直径大于 75mm 的散装填料 可取最小润湿速率 Lw min 0 12m3 m h 12 所以 取最小润湿速率为 查参考书附录五得 2 32 5 132mmat hmmaLU tw 23 minmin 6 10 5 13208 0 min 2 97784 45 998 2 86 66 0 785 1 2 U 故满足最小喷淋密度的要求 经以上校核可知 填料塔直径选用 D 1200mm 合理 3 43 4 填料塔填料高度计算填料塔填料高度计算 3 4 13 4 1 传质单元高度计算传质单元高度计算 气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算 2 0 2 05 0 2 2 1 075 0 45 1 exp1 tLL L L tL Lt L L C t w a U g aU a U a a 查参考书表 5 13 得 2 2 427680 33hkgcmdyn C 液体质量通量为 2 2 97784 45 86504 29 0 785 1 2 L Ukgmh 0 05 0 750 1 2 28 0 2 2 42768086504 2984504 29132 5 1 45 941803 2132 5 3 6998 21 27 10 1 exp0 635 84504 29 998 2 941803 2 132 5 w t a a 气膜吸收系数有下式计算 气体质量通量为 2 2 2750 1 278 3109 8 0 785 1 2 V kgmh U 1 0 7 3 1 0 7 3 211 3109 080 065 132 5 0 039 0 237 132 5 0 0651 278 0 0398 314 293 0 0339 VVtV G tVVV ua D kc aDRT kmol mhKPa 3 min 0 08 w Lmm h 13 液膜吸收系数由下式计算 21 0 5 33 1 2 0 5 8 3 3 6 0 0095 86504 293 63 6 1 27 10 0 0095 0 6301 132 5 3 6998 2 5 292 10998 2 1 216 LLL L wLLLL Ug k aD m h 由 查参考书表 5 14 得 1 1 wGG akak 2 45 1 则 1 11 13 0 0339 0 635 132 5 1 454 292 GGw k ak akmolmh kPa 0 40 4 1 216 0 635 132 5 1 45118 71 LLw k ak al h 0 781 64 16 50 1 1153 F u u 由 ak u u ak G F G 4 1 5 0 5 91 得ak u u ak L F L 2 2 5 0 6 21 1 43 1 9 5 0 70030 5 4 2928 585 G k akmolmh kPa 2 2 12 6 0 70030 5 118 71127 69 L k al h 3 11 1 617 1111 8 5850 0156 128 47 G GL k akmolmh kpa k aHk a 由 2 108 67 0 587 1 617 101 3 0 785 1 2 OG G V Hm K a 3 4 23 4 2 传质单元数的计算传质单元数的计算 03504 0 0010 0 04 35 1 1 mXY 0 2 2 mXY 14 脱吸因数为 35 04 108 67 0 702 5426 44 mV S L 气相总传质单元数为 364 6702 0 000263 0 00526 0 702 0 1 ln 702 0 1 1 1 ln 1 1 22 21 S YY YY S S NOG 3 4 33 4 3 填料层高度计算填料层高度计算 由 得0 587 6 3643 7357 OGOG ZHNm 1 4 3 73575 230Zm zz5 1 2 1 设计取填料层高度为mZ6 查参考书表 5 16 得 对于阶梯环填料 h D 8 15 2 mh6 max 取 则 8 D h mmmmh960012008 计算得填料塔高度为 6000mm 故不需分段 3 53 5 填料塔附属高度计算填料塔附属高度计算 塔上部空间高度可取 1 2m 塔底液相停留时间按 1min 考虑 则塔釜所占空间高度为 mh496 1 2 9983600785 0 2 1 02 1818 5626601 2 1 考虑到气相接管所占的空间高度 底部空间高度可取 2 1m 所以塔的附属高度可以取 2 9m 经参考书查得 直径 D 1200mm 的椭圆封头总深度 H 为 325mm 4 3 63 6 液体分布器计算液体分布器计算 3 6 13 6 1 液体分布器液体分布器 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 1 液体分布器设计的基本要求 性能优良的液体分布器设计时必须满足以下几点 1 液体分布均匀 评价液体分布的标准是 足够的分布点密度 分布点的几何均匀性 降 液点间流动的均匀性 15 分布点密度 液体分布器分布点密度的选取与填料类型及规格 塔径大小 操作条件 等密切相关 各种文献推荐的值也相差较大 大致规律是 塔径越大 分布点密度越 小 液体喷淋密度越小 分布点密度越大 对于散装填料 填料尺寸越大 分布点密 度越小 表 3 1 列出了散装填料塔的分布点密度推荐值 表表 3 13 1 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 塔截面 2 m点 D 400330 D 750170 D 120042 分布点的几何均匀性 分布点在塔截面上的几何均匀分布是较之分布点密度更为重要 的问题 设计中 一般需要通过反复计算和绘图排列 进行比较 选择最佳方案 分 布点的排列可采用正方形 正三角形等不同方式 降液点间流动的均匀性 为保证各分布点的流动均匀需要分布器总体的设计合理 精 细的制作和正确的安装 高性能的液体分布器 要求各分部点与平均流动的偏差小于 6 2 操作弹性大 液体分布器的操作弹性 是指液体的最大负荷与最小负荷之比 设计 中 一般要求液体分布器的操作弹性为 2 4 对于液体负荷变化很大的工艺过程 有时要求 操作弹性达到 10 以上 此时 分布器必须特殊设计 3 自由截面积大 液体分布器的自由截面积是指气体通道占塔截面积最小应在 35 以 上 4 其他 液体分布器应结构紧凑 占用空间小 制造容易 调整和维修方便 按 Eckert 建议值 D 1200mm 时 喷淋点密度为 42 点 m2 因该塔液相负荷较大 设计 取喷淋点密度为 100 点 m2 2 液体分布装置也称为液体喷淋装置 填料塔操作时 在任一横截面上保证气液的均匀 分布十分重要 液体分布装置的作用是使液体的初始分布尽可能地均匀 设计液体分布 装置的原则应该是能均匀分散液体 通道不易堵塞 结构简单 制造检修方便等 为了使液体初始分布均匀 原则上应增加单位面积上的喷淋点数 但是 由于结构 的限制 不可能将喷淋点设计的很多 同时如果喷淋点数过多 必然使每股的液流的流 量过小 也难以保证均匀分配 此外 不同填料对液体均匀分布的要求也有差异 如高 效填料因流动不均匀对效率的影响十分敏感 孤影有较为严格的均匀分布要求 常用的填料喷淋点数可参照下列指标 时 每 30cm 2塔截面设计一个喷淋器mmD400 时 每 60cm 2塔截面设计一个喷淋器mmD750 时 每 240cm 2 塔截面设计一个喷淋器mmD1200 任何程度的壁流都会降低效率 因此在靠塔壁的 10 塔径区径内 所分布的流量不应超 过总流量的 10 液体喷淋装置的安装位置 通常需高于填料层表面 150 300mm 以提 供足够的自由空间 让上身气流不受约束地穿过喷淋器 液体喷淋装置的类型很多 国内常用的有下列几种 16 一 一 管式喷淋器管式喷淋器 几种结构简单的管式喷淋器有弯管式 缺口式 液体直接向下流出 为避免水冲 击瓷环现象 在流出口下面加有一块圆形挡板 这两种喷射器一般只用于塔径 300mm 以下的情况 多孔直管式 适用于 600mm 以下的塔 多孔盘管式 适用 于直径 1 2mm 以下的塔 在管底部钻 2 4 排直径 3 6mm 的小孔 孔的总截面积 大致与进液管截面积相等 必须注意 饭开有小孔的喷淋器都要求料液不含沉淀或其他悬浮颗粒 否则易于 堵塞 二 二 莲蓬式喷洒器莲蓬式喷洒器 莲蓬式喷洒器是开有许多小孔的球面分布器 液体借助泵或高位槽的静压头 经 分布器上的小孔喷出 喷洒半径的大小随液体压头和分布其高度不同而异 在探 头稳定的场合 可达到较为而均匀的喷淋效果 莲蓬式喷洒器结构简单 应用较为广泛 缺点是小孔容易堵塞 它一般用于 直径 600mm 以下的塔中 通常安装在填料塔上方中央处 离开填料表面的距离为 塔径的 1 2 1 莲蓬头直径约为塔径的 20 30 小孔直径为 3 15mm 球面 半径为 0 5 1 0 d 喷洒角 80o 喷洒外圈距塔壁 x 70 100mm 莲蓬高 度 y 0 5 1 0 D 三 三 盘式分布器盘式分布器 盘式分布器是一种分布效果较好的结构 其作用原理是液体通过进液管加到淋洒 盆内 然后由淋洒盆围板的上边缘溢流或通过喷洒盆上的小孔或管子 是液体淋 洒到填料上 盆式喷淋器的结构简单 液体通过时的阻力较小 其分布比较均匀 这种分布器适用于直径大于 0 8m 的塔 四 四 冲击式淋洒器冲击式淋洒器 冲击式淋洒器 其优点是喷洒半径大 最高时可达 3m 液体流量大约为 50 200m3 h 结构简单 不会堵塞 缺点是改变液体流量或液体压头时会影响半径 因此应在操作比较恒定计较小直径下使用 3 6 23 6 2 布液孔数布液孔数 1 液体分布器的选型 根据该吸收塔液相负荷较大 而气相负荷相对较低的物系性质可选用槽 式液体分布器 2 分布点密度计算 按 Eckert 建议值 D1200 时 喷淋点密度为 42 2 因该塔液相负荷较大 设计取喷淋 m点 点密度为 120 2 m点 总布液孔数为 点 136 点 2 0 785 1 2120135 6n 分布点采用三角形排列 实际设计布点数位 n 132 点 17 3 6 33 6 3 液体保持管高度液体保持管高度 液体保持管高度 取布液孔直径为 14mm 则液位保持管中的液位高度可得 2 22 44 5426 44 18 02 998 2 3600 22 9 810 2542 3 14 132 0 0140 60 s L hgm d nk 为孔流系数 k 在 200mm 500mm 之间符合要求 1 151 15 0 25420 2923292 3hhmmm 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 13 7 1 填料支承板填料支承板 填料支承板既要具备一定的机械强度以承受填料层及其所持液的重量 又要立出足够的 空隙面积供气 液流通 气体通过支承板的空隙的线速度不能大于通过填料层空隙的线速度 否则便会在填料层内尚未发生液泛之前 已在支承板处发生液泛 一般要求支承板的自由截 面积与塔截面积之比大于填料层的孔隙率 最简单的支承装置是用扁钢条制作的格栅或开孔的金属板 亦有特制的陶瓷开孔板以适 应耐腐蚀要求 格栅的间隙或孔板的孔径如果过大 容易使填料落下 此时可用支承装置上 先铺一层尺寸较大的同类填料 3 7 23 7 2 除沫器 除雾器 除沫器 除雾器 若由塔设备出来的气相没有大量雾沫夹带 则不需要考虑除雾问题 但在有些情况下 例 如塔顶液体喷淋装置产生的测液现象较严重 操作中得空塔气速过大 或者工艺过程不允许 出来的气相中夹带雾滴 此时则需要考虑加装除雾装置 常用的除雾装置介绍如下 一 一 折板除雾器折板除雾器 这是一种最为简单有效的结构 除雾板由 50mm 50mm 3mm 的角钢组成 板间横向 距离为 25mm 垂直流过的气速 可按下式计算 二 二 丝网除雾器丝网除雾器 这是一种效率较高的除雾器 可除去大于 5 m 的液滴 效率可达 98 99 但 压强降较折流板式除雾器为大 约为 0 245kpa 且不适用于气液中含有粘结物或 固体物质 例如碱液或碳酸氢铵溶液等 因为液体蒸发后留下固体物质容易堵塞 丝网孔 影响塔的正常操作 18 丝网盘高 H 一般取 100 150mm 丝网可用金属或塑料为材料制成 支承丝网的栅 板应具有大于 90 的自由截面积 此外 填料塔常用的除雾器装置还有干填料除雾器 在液体喷淋装置与气体出 口管制见状一段干填料 这种除雾方法用得较多 效果与折板除雾器相仿 3 7 33 7 3 管口结构管口结构 一 气体进 出口管 1 气体进口的结构 气体进出口的结构 要能防止液体淹没气体通过 填料塔对其流入塔的分布要求一般不 平 但也不应该是气体直接由管接口或水平管中入塔内 对于直径 500mm 以下的小塔 可使 进气管水平伸到塔的中部 管的末端切成 45o斜口 向下 或这类似的向下切口 使气流折 转向上 对于直径 1 1m 以下的塔 管的末端可做成向下的喇叭形扩大 对于更大的塔 可以 做成类似的盘关式 2 气体出口的结构 气体出口的结构 要能防止液滴的带出的积累 可采用同气体进口结构相似的开向下的 引出管 或者在出口接管之前加装除沫挡板或加装一开口向上的分离袋囊 袋底砖有小孔 以泄去分离出来的液体 当气体夹带液滴较多时 则需要令装除 二 液体进 出口管 液体进出口管多是直接通向喷淋装置 其结构需要按喷淋装置的要求而定 液体的出口 装置应该便于塔内液体的排放 不易堵塞 而且又能将塔设备的内部与外部大气相隔离 也 提出扣装置在负压操作的塔设备中必须另装液封装置 例如倒 U 形管等 有时不另装液封装 置而把塔的下部当作缓冲器用 即其中经常贮有一定量的液体 并保持液面恒定 在有的塔 设备中 液体出口装置采用防涡流板 可以消除邻近出口处的旋涡 这一结构也可用于液体 不太清洁的场合 另外 也要注意防止瓷环碎片漏入液体出口管 使管道堵塞 可装设挡网 等 此外 填料卸出口可按塔径大小 在人孔 手孔的标准尺寸中进行选择 3 83 8 吸收塔的流体力学参数的计算吸收塔的流体力学参数的计算 3 8 13 8 1 吸收塔的压力降吸收塔的压力降 填料塔的压力降为 ppppp 321 1 气体进出口压降 取气体进出口接管的内径为 360mm 则气体的进出口流速为 2 4 2750 7 509 3600 3 14 0 36 um s 则进口压强为 突然扩大 1 22 1 11 1 278 7 50936 03 22 puPa 19 出口压强为 突然缩小 0 5 22 2 11 0 50 51 278 7 50918 02 22 puPa 2 填料层压降 气体通过填料层的压降采用 Eckert 关联图计算 其中横坐标为 0 5 0 9955 VL VL W W 查参考书表 5 18 得 2 1 175 8 P m 纵坐标为 2 0 20 2 0 781175 8 1 1 257 10 01393 9 81998 2 VP L L u g 查参考书图 5 21 得 2 30 9 81294 3 P Pa m z 填料层压力降294 3 61765 8 PPa 3 其他塔内件的压降 其他塔内件的压降较小 在此处可以忽略 p 所以吸收塔的总压降为 123 44 3222 16 1765 81832 28pppppPa 3 8 23 8 2 吸收塔的泛点率吸收塔的泛点率 吸收塔操作气速为 0 725m s 泛点气速为 1 13007m s 所以泛点率为 0 781 0 7003 1 11530 f 对于散装填料 其泛点率的经验值为 85 0 5 0 F uu 所以符合 3 8 33 8 3 气体动能因子气体动能因子 气体动能因子 0 5 3 0 7811 2780 883 v Fum s kg m 气体动能因子在常用的范围内 从以上的各项指标分析 该吸收塔的设计合理 可以满足吸收操作的工艺要求 20 3 93 9 附属设备的计算与选择附属设备的计算与选择 3 93 9 1 1 离心泵的选择与计算离心泵的选择与计算 本设计中填料塔有多处接管 在此分别以液体进料管和气体进料管的管径计算为例进行说 明 相关数据查参考书 2 1 液体进料管 进料管的结构类型很多 有直管进料管 弯管进料管 T 型进料管 本设计采用直管进料管 管径计算如下 1 1 1 2 44 0 027211 0 132 3 14 2 s um s L Dm u 取 设计取进料管管径 所以查参考书取管径为 1 146 6 2 气体进料管 采用直管进料 取气速 2 5 um s 2 2 44 2750 0 441 3600 3 14 5 s V Dm u 设计取进料管管径 所以查参考书取管径为 2 480 9 3 9 23 9 2 吸收塔的主要接管尺寸的计算吸收塔的主要接管尺寸的计算 计算过程如下 所选管为热轧无缝钢管1466mmmm 校核管内流速 22 44 0 0272 1 989 3 14 0 132 s l um s d 则雷诺数 5 0 134 1 989 998 2 2 62 10 0 001 e L du R 0 2 0 033 d 6 查参考书得 摩擦系数与雷诺数及相对粗糙度的关系 3 21 0 063 局部阻力损失 三个标准截止阀全开 1 3 6 419 2 三个标准 90 弯头 2 3 0 752 25 管路总压头损失 2 2 2 201 989 0 06321 45 6 25 kg 0 1322 9 81 f lu H dg J 扬程 1819 85 66 2512 44 998 2 9 81 ef P HzHm g A A 流量 2 97784 45 97 96 998 2 L L W Qmh 经查参考书附表二十二得 3 P296 型号 IS100 80 125 转速 2900的泵合适 n r min 22 工艺设计主要符号说明工艺设计主要符号说明 1 1 英文字母 英文字母 填料层的有效传质比表面积 m m 填料层的润滑比表面积 m m a w a 吸收因数 无因次 填料直径 mm Ad 填料当量直径 mm 扩散系数 m s 塔径 p dD 亨利系数 KPa 重力加速度 kg m h Eg 溶解度系数 kmol m KPa 气相传质单元高度 m H G H 液相传质单元高度 m 气相总传质单元高度 m L H OG H 液相总传质单元高度 m 气膜吸收系数 kmol m s KPa OL H G k 吸收液质量流速 kg m h 液体喷淋密度 G L 喷 L 相平衡常数 无因次 气相传质单元数 无因次 m G N 液相传质单元数 无因次 气相总传质系数 无因次 L N OG N 液相总传质系数 无因次 总压 KPa OL NP 分压 KPa 气体通用常数 kJ kmol K pR 解吸因子 温度 0C ST 空塔速度 m s 液泛速度 m s u f u 惰性气体流量 kmol s 混合气体体积流量 m3 s B V S V 液膜吸收系数 kmol m2 s kmol m3 气膜吸收系数 kmol m2 s L k y k 气相总吸收系数 kmol m s 液膜吸收系数 kmol m2 s y K x k 气相总吸收系数 kmol m2 s kpa 液相总吸收系数 kmol m s G k x K 吸收剂用量 kmol h kmol s 是吸收液量 kmol h S LL 吸收液质量流量 kg h 吸收液流量 m s L V L 23 密度 kg m 填料因子 m 1 2 2 下标 下标 液相的 气相的LG