化工原理课程设计吸收塔-终极版

目录引言11.流程的说明21.1吸收剂的选择21.2填料层21.2.1填料的作用21.2.2填料种类的选择31.2.3填料的选择31.2.4填料塔的选择31.3吸收流程41.4液体分布器41.5液体再分布器42.吸收塔工艺计算52.1基础物性数据52.1.1 液相物性数据52.1.2气相物性数据52.2物料衡算52.3填料塔的工艺尺寸计算62.3.1塔径计算62.3.2传质单元高度的计算82.3.3 传质单元数的计算82.3.4填料层高度的计算92.4塔附属高度的计算102.5填料层压降的计算102.6其他附属塔内件的选择112.6.1液体分布器的选择：112.6.2布液计算122.7.3液体再分布器的选择132.6.4填料支承装置的选择132.6.5填料压紧装置142.6.6塔顶除雾器142.7吸收塔的流体力学参数计算142.7.1 吸收塔的压力降142.7.2 吸收塔的泛点率校核142.7.3 气体动能因子153.其他附属塔内件的选择153.1吸收塔主要接管的尺寸计算153.2离心泵的计算与选择163.3风机的选取174.总结18附录一 吸收塔设计计算用量符号总表19参考文献2121引言吸收是分离气体混合物的单元操作，其分离原理是利用气体混合物中各组分在液体溶剂中溶解度的差异来实现不同气体的分离。一个完整的吸收过程应包括吸收和解吸两部分。气体吸收过程是利用气体混合物中，各组分在液体溶解度或化学反应活性的差异，在气液两相接触时发生传质，实现气液混合物的分离。在化工生产过程中，原料气的净化，气体产品的精制，治理有害气体，保护环境等方面都广泛应用到气体吸收过程。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的方法处理含有二氧化硫的混合物，使其达到排放标准，采用填料吸收塔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面积具有良好的湍流状态，从而使吸收易于进行，填料塔有通量大，阻力小，压降低，操作弹性大，塔内持液量小，耐腐蚀，结构简单，分率效率高等优点，从而使吸收操作过程节省大量人力和物力。在设计中，以水吸收混合气中的二氧化硫，在给定的操作条件下对填料吸收塔进行物料衡算。本次设计包括设计方案的选取、主要设备的工艺设计计算物料衡算、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算、工艺流程图、主要设备的工艺条件图等内容。1.流程的说明工业上使用的吸收流程多种多样，可以从不同的角度进行分类，从所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部吸收流程，从所用的塔设备数量看，可分为单塔吸收流程很多塔吸收流程，从塔内气液两相得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。1.1 吸收剂的选择吸收剂的选择是吸收操作的关键，吸收剂的选择与吸收方法的选择有一定的联系。选择吸收剂时，首先要考虑吸收过程在整个生产过程中的作用和前后工序所提供的工艺条件和要求；其次从吸收过程的基本原理出发，按照各项技术经济要求加以分析和选择。选择吸收剂的基本要求：1.溶解度要大，减少吸收剂用量，降低输送与再生的能。2.选择性好，吸收剂的选择性可以减少惰性组分的溶解损失，提高解吸后所得溶质的纯度。选择性以选择性系数表示： 3.易于再生。4.挥发性小，对应一定温度，其蒸汽压要低。这样可以减少吸收剂的损耗，并提高溶质气体纯度。5.具有较好的化学稳定性及热稳定性，以减少吸收剂的降解和变质，尤其在使用化学吸收剂时。6.粘度低，以利于传质与输送；不易发泡，以利于实现高效、稳定操作。7.安装性能好。8.经济、易得，且对环境没有污染。本次设计次用水作为吸收剂。1.2 填料层1.2.1填料的作用填料塔内充以某种特定形状的固体填料以构成填料层。填料层是塔实现气、液接触的主要部位。填料的主要作用是：填料层内空隙体积所占比例很大，填料间隙形成不规则的弯曲通道，气体通过时可达到很高的湍动程度；单位体积填料层内提供很大的固体表面，液体分布于填料表面呈膜状流下，增大了气、液之间的接触面积。填料的选择包括确定填料的种类、规格及材质等。所选填料既要满足生产工艺的要求，又要使设备投资和操作费用最低。1.2.2填料种类的选择填料种类的选择要考虑分离工艺的要求，通常考虑以下几个方面：(1)传质效率要高：一般而言，规整填料的传质效率高于散装填料。(2)通量要大：在保证具有较高传质效率的前提下，应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料。(3)填料层的压降要低。(4)填料抗污堵性能强，易拆装、检修。1.2.3填料的选择散堆填料 目前散堆填料主要有环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料。所用的材质有陶瓷、塑料、石墨、玻璃及金属等（1）拉西环填料拉西环填料于1914年由拉西（F. Rashching）发明，为外径与高度相等的圆环，如图片拉西环所示。拉西环填料的气液分布较差，传质效率低，阻力大，通量小，目前工业上已较少应用。（2）鲍尔环填料如图片鲍耳环所示，鲍尔环是对拉西环的改进，在拉西环的侧壁上开出两排长方形的窗孔，被切开的环壁的一侧仍与壁面相连，另一侧向环内弯曲，形成内伸的舌叶，诸舌叶的侧边在环中心相搭。鲍尔环由于环壁开孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率，气流阻力小，液体分布均匀。与拉西环相比，鲍尔环的气体通量可增加50%以上，传质效率提高30%左右。鲍尔环是一种应用较广的填料。（3）阶梯环(Stairs wreath)填料如图片阶梯环所示，填料的阶梯环结构与鲍尔环填料相似，环壁上开有长方形小孔，环内有两层交错 45的十字形叶片，环的高度为直径的一半，环的一端成喇叭口形状的翻边。这样的结构使得阶梯环填料的性能在鲍尔环的基础上又有提高，其生产能力可提高约10%，压降则可降低25%，且由于填料间呈多点接触，床层均匀，较好地避免了沟流现象。阶梯环一般由塑料和金属制成，由于其性能优于其它侧壁上开孔的填料，因此获得广泛的应用。（4）矩鞍填料如图片矩鞍填料所示，将弧鞍填料两端的弧形面改为矩形面，且两面大小不等，即成为矩鞍填料。矩鞍填料堆积时不会套叠，液体分布较均匀。矩鞍填料一般采用瓷质材料制成，其性能优于拉西环。目前，国内绝大多数应用瓷拉西环的场合，均已被瓷矩鞍填料所取代。（5）金属环矩鞍填料如图片金属换环聚鞍填料所示，环矩鞍填料（国外称为Intalox）是兼顾环形和鞍形结构特点而设计出的一种新型填料，该填料一般以金属材质制成，故又称为金属环矩鞍填料。环矩鞍填料将环形填料和鞍形填料两者的优点集于一体，其综合性能优于鲍尔环和阶梯环，在散装填料中应用较多。填料采用乱堆形式，因为乱堆形式能使气液相对充分接触，而且填料时省时省工。1.2.4填料塔的选择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（通常是双塔吸收流程）1.3 吸收流程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）的显着优点而 广泛应用。工程上，如无特别需要，一般均采用逆流吸收流程。本设计采用单塔逆流操作。1.4 液体分布器根据本吸收的要求和物系的性质可选用重力型排管式液体分布器，布液孔数应应依所用填料所需的质量分布要求决定，喷淋点密度应遵循填料的效率越所需的喷淋点密度越大这一规律。1.5 液体再分布器升气管式再分布器适用于直径0.6m以上的塔，而且可以分段卸下填料，更换填料方便，所以本设计选用升气管式再分布器。2.吸收塔工艺计算2.1基础物性数据2.1.1 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：密度黏度表面张力为SO2在水中的扩散系数为2.1.2气相物性数据混合气体的平均摩尔质量为: 混合气体的密度为： 混合气体的黏度可近似取为空气的黏度，查资料得20空气的黏度为：查得SO2在空气中的扩散系数为：2.2物料衡算进口气体的体积流量：二氧化硫的摩尔分数为： 进塔气相摩尔比为:效率: 出塔气相摩尔比 ： 进塔惰性气相流量 ： 出口液体中溶质与溶剂的摩尔比 ： X2=0查表知20时最小液气比： 取液气比 ：故 2.3填料塔的工艺尺寸计算2.3.1塔径计算 该流程的操作压力及温度适中，避免二氧化硫腐蚀，故此选用型的陶瓷鲍尔环填料。 其主要性能参数为：比表面积： 空隙率： 形状修正系数：填料因子平均值： 吸收液的密度近似看成20度水的密度：采用Eckert关联式计算泛点气速：气相质量流量为：液相质量流量为：选用型的陶瓷鲍尔环 填料因子比表面积 查乱堆填料泛点线图知： 代入数值得：取空塔气速：塔径圆整塔径，取 (50%-80%为经验值，所以在允许范围之内) 遇到的问题：空塔气速取泛点气速的百分比，取值70%以下校核时超出经验值填料规格校核 (合格)液体喷淋密度校核：填料表面的润湿状况是传质的基础，为保持良好的传质性能，每种填料应维持一定的液体润湿速率（或喷淋密度）。依Morris等推荐，的环形及其它填料的最小润湿速率（）min为最小喷淋密度 ： 喷淋密度：经以上校核可知，填料塔直径选用合理。2.3.2传质单元高度的计算2.3.3 传质单元数的计算 液体质量通量：气体质量通量： 气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：气膜吸收系数： 液膜吸收系数： 查表知：继续修正：2.3.4填料层高度的计算由填料有效高度取：设计取填料层高度为 ： 对于乱堆鲍尔环 ： ,取 计算得填料层高度为6.3m需要分层2.4塔附属高度的计算塔的附属高度主要包括塔的上部空间高度，安装液体分布器所需的空间高度，塔的底部空间高度等。塔的上部空间高度是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，可取1.2m（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考虑到气相接管的空间高度，底部空间高度取为0.5米，那么塔的附属空间高度可以取为1.7m。吸收塔的总高度为2.5填料层压降的计算 气体通过填料塔的压强降，对填料塔影响较大。如果气体通过填料塔的压强降大，则操作过程的消耗动力大，特别是负压操作更是如此，这将增加塔的操作费用。气体通过填料塔的压力降主要包括气体进入填料的进口及出口压力降，液体分布器及再分布器的压力降，填料支撑及压紧装置压力降以及除沫器压力降等。填料层压降的计算取 Eckert (通用压降关联图)；将操作气速(0.8688m/s) 代替纵坐标中的查表，DG50mm陶瓷鲍尔环的压降填料因子代替纵坐标中的则纵标值为：横坐标为：查图得：全塔填料层压降 ： 填料塔泛点气速及气体压力降计算用关联图2.6其他附属塔内件的选择2.6.1液体分布器的选择：液体分布器可分为初始分布器和再分布器，初始分布器设置于填料塔内，用于将塔顶液体均匀的分布在填料表面上，初始分布器的好坏对填料塔效率影响很大，分布器的设计不当，液体预分布不均，填料层的有效湿面积减小而偏流现象和沟流现象增加，即使填料性能再好也很难得到满意的分离效果。因而液体分布器的设计十分重要。特别对于大直径低填料层的填料塔，特别需要性能良好的液体分布器。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），各布液点均匀性，各布液点上液相组成的均匀性决定，设计液体分布器主要是决定这些参数的结构尺寸。对液体分布器的选型和设计，一般要求：液体分布要均匀；自由截面率要大；操作弹性大；不易堵塞，不易引起雾沫夹带及起泡等；可用多种材料制作，且操作安装方便，容易调整水平。液体分布器的种类较多，有多种不同的分类方法，一般多以液体流动的推动力或按结构形式分。若按流动推动力可分为重力式和压力式，若按结构形式可分为多孔型和溢流型。其中，多孔型液体分布器又可分为：莲蓬式喷洒器、直管式多孔分布器、排管式多孔型分布器和双排管式多孔型分布器等。溢流型液体分布器又可分为：溢流盘式液体分布器和溢流槽式液体分布器。根据本吸收的要求和物系的性质可选用重力型排管式液体分布器，布液孔数应应依所用填料所需的质量分布要求决定，喷淋点密度应遵循填料的效率越所需的喷淋点密度越大这一规律。按Eckert建议值，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：盘式分布器（筛孔式）：分布盘直径：600mm分布盘厚度：4mm2.6.2布液计算由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，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5点数为n=132点，(见示意图)布液计算： L: 液体流量 m3/sn: 开孔数目: 孔流系数，取d0: 孔径，m: 开孔上方的液位高度，m 取，根据物质性质取分布点数取100 设计取2.7.3液体再分布器的选择除塔顶液体的分布之外，填料层中的液体的再分布是填料塔中的一个重要问题。往往会发现，在离填料顶面一定距离处，喷淋的液体便开始向塔壁偏流，然后雁塔壁下流，塔中心处填料得不到好的湿润，形成所谓“干椎体”的不正常现象，减少了气液两相的有效接触面积。因此每隔一定距离必须设置液体再分布器，以克服此种现象。升气管式再分布器适用于直径0.6m以上的塔，而且可以分段卸下填料，更换填料方便，所以本设计选用升气管式再分布器。2.6.4填料支承装置的选择填料支承装置的作用是支承填料以及填料层内液体的重量，同时保证气液两相顺利通过。支承若设计不当，填料塔的液泛可能首先发生在支承板上。为使气体能顺利通过，对于普通填料塔，支承件上的流体通过的自由截面积为填料面的50%以上，且应大于填料的空隙率。此外，应考虑到装上填料后要将支承板上的截面堵去一些，所以设计时应取尽可能大的自由截面。自由截面太小，在操作中会产生拦液现象。增加压强降，降低效率，甚至形成液泛。由于填料支承装置本身对塔内气液的流动状态也会产生影响，因此作为填料支承装置，除考虑其对流体流动的影响外，一般情况下填料支承装置应满足如下要求：足够的强度和刚度，以支持填料及所持液体的重量（持液量），并考虑填料空隙中的持液量，以及可能加于系统的压力波动，机械震动，温度波动等因素。足够的开孔率（一般要大于填料的空隙率），以防止首先在支撑处发生液泛；为使气体能顺利通过，对于普通填料塔，支承件上的流体通过的自由截面积为填料面的50%以上，且应大于填料的空隙率。此外，应考虑到装上填料后要将支承板上的截面堵去一些，所以设计时应取尽可能大的自由截面。自由截面太小，在操作中会产生拦液现象。增加压强降，降低效率，甚至形成液泛12。结构上应有利于气液相的均匀分布，同时不至于产生较大的阻力（一般阻力不大于20Pa）。本设计运用的瓷质鲍尔环，孔隙率相对较大，升气管式支撑板能更好的克服支撑板的强度和自由截面之间的矛盾，耗能更好的适应高空隙率填料的要求，本设计选用升气管式支撑板。2.6.5填料压紧装置为保证填料塔在工作状态下填料床能够稳定，防止高气相负荷或负荷突然变动时填料层发生松动，破坏填料层结构，甚至造成填料损失，必须在填料层顶部设置填料限定装置。填料限定可分为类：一类是将放置于填料上端，仅靠自身重力将填料压紧的填料限定装置，称为填料压板；一类是将填料限定在塔壁上，称为床层限定板。填料压板常用于陶瓷填料，以免陶瓷填料发生移动撞击，造成填料破碎。床层限定板多用于金属和塑料填料，以防止由于填料层膨胀，改变其开始堆积状态而造成的流体分布不均匀的现象。一般要求压板和限制板自由截面分率大于70%。本任务由于使用陶瓷填料，故选用床层限定板。2.6.6塔顶除雾器由于气体在塔顶离开填料塔时，带有大量的液沫和雾滴，为回收这部分液相，经常需要在顶设置除沫器。根据本吸收塔的特点，此处用丝网除雾器：2.7吸收塔的流体力学参数计算2.7.1 吸收塔的压力降 气体通过填料塔的压强降，对填料塔影响较大。如果气体通过填料塔的压强降大，则操作过程的消耗动力大，特别是负压操作更是如此，这将增加塔的操作费用。气体通过填料塔的压力降主要包括气体进入填料的进口及出口压力降，液体分布器及再分布器的压力降，填料支撑及压紧装置压力降以及除沫器压力降等。填料层压降的计算 可以利用Eckert通用关联图计算压强降；2.7.2 吸收塔的泛点率校核塔的操作气速为，泛点气速为泛点率(50%-80%为经验值，所以在允许范围之内)2.7.3 气体动能因子吸收塔内气体动能因子为气体动能因子在常用的范围内。3.其他附属塔内件的选择3.1吸收塔主要接管的尺寸计算本设计中填料塔有多处接管，但主要的是气体和液体的进料口和出料口接管。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。气体和液体在管道中流速的选择原则为：常压塔气体进出口管气速可取1020m/s（高压塔气速低于此值）；液体进出口流速可取0.81.5m/s（必要时可加大些）1液体进料接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，管径计算如下选管内液体流速：估算管内径：管选用的普通焊接钢管，内径为156mm管内实际流速：2气体进料接管采用直管进料。取气速 取管径为实际管内径为，则实际通过气体接管的气速为：3.2离心泵的计算与选择钢管的绝对粗糙度，相对粗糙度查表得摩擦系数泵入口管长：0.2m 喷头前管长0.5m 全程有一个截止阀（全开）： 三个90度弯头： 带滤水器的底阀（全开）：吸入管伸进水里出口突然扩大 进口突然缩小以河面为1-1截面，出口处为2-2截面列伯努利方程：选用IS100-80-125型 流量为 扬程为20m的泵流量m3/h扬程H/m效率/%功率/kw必需汽蚀余量(NPSH)r /m转速（r/min）轴功率电功率10020787.00114.52900准备两个泵，一个备用3.3风机的选取本设计混合气体流量为2000m3/h，上面算的填料塔的全压降为1260Pa，所以选择4-72-3.2A型离心式鼓风机 其参数如下流量m3/h全压Pa转速r/min功率Kw电机型号2100130029002.2Y90L-2准备两个风机，一个备用4.总结这次课程设计经过两周的时间得以完成，主要包括目录、引言、设计方案、吸收塔的工艺计算等内容，主要通过上网搜集资料、查找统计文献、数据的整合计算、文字的筛选等部分组成，在此基础上形成了该课程设计的基础框架，最后由本人加以总结整合，提出了相关设计方案，具体内容在课程设计各章节有所体现。在短短的两周里，我真实的体会到理论与实践结合的困难，也学到了用所学的有限的理论知识去解决实际过程中的问题的不易。在初步设计的时候，由于二氧化硫在30度的时候的溶解度曲线不是一条直线，而是一条曲线，而在计算相关参数的时候用亨利定律只能计算溶解度曲线是直线的情形，所以不能用亨利定律来计算相关参数。我们不得不通过查找文献来寻找30度时候二氧化硫的溶解度时及在各个溶解度点的时候的平衡分压，然后在坐标纸上准确的作出这么一条曲线。通过这条曲线找到在进气口处气体中含有百分之九的二氧化硫的时候，对应的吸收挤中二氧化硫的平衡摩尔分数，从而确定平均溶解度系数。在设计过程中我慢慢发现吸收单元的操作型设计与计算，在工业生产中起着非常重要的作用，要求也很严格，设计合理与实用性好是必须的。为使化工生产更加便捷，操作费用低廉，有些工艺材质需要加以改进，如塔填料。同时也要注意相关附属设备的选择，如选泵，要从多方面考虑，管道的直径，管中流速，流量等。这次课程设计让我有了很多的收获。首先，通过课程设计资料的搜索以及对数据的计算中，让我对化工原理有了更加清晰、更加深刻的认识，课程设计本身的完成过程，其实也是自己对化工原理轮廓的理解，对内容的把握的过程，这样可以更加丰富的了解了化工原理的全貌，对自己的专业知识学习也更加深刻，不在流于表面。其次通过这次课程设计提高了我的逻辑思维能力以及对材料的整合和筛选能力，这对于我今后的研究和学习有很大的帮助，通过整个