吸收塔的设计

课程设计任务书课程设计任务书 1.设计题目设计题目：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 25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 2250m3/h，其中进塔 SO2的摩尔分数为 005，要求 SO2的吸收率 为 96。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量的 14 倍。 2.2.工艺操作条件工艺操作条件： (1) 操作平均压力 常压 101.325kpa (2) 操作温度 t=20 (4) 所用填料为 DN38聚丙烯阶梯环形填料。 3.3.设计任务设计任务 完成填料吸收塔的工艺设计与计算，有关附属设备的设计和选型，绘制吸收系统工艺流 程图和吸收塔工艺条件图，编写设计说明书。 目录目录 摘要摘要.1 1 1 1 绪论绪论.2 2 1.1 吸收技术概况 .2 1.2 吸收过程对设备的要求及设备的发展概况 .2 1.3 吸收在工业生产中的应用 .2 1.3.1 吸收的应用概况 .3 1.3.2 典型吸收过程 .3 2 2 设计方案设计方案.4 4 2.1 吸收方法及吸收剂的选择 .4 2.1.1 吸收方法 .4 2.1.2 吸收剂的选择: .4 2.2 吸收工艺的流程 .5 2.2.1 吸收工艺流程的确定 .5 2.2.2 吸收工艺流程图及工艺过程说明 .6 2.3 操作参数的选择 .6 2.3.1 操作温度的选择 .6 2.3.2 操作压力的选择 .6 2.3.3 吸收因子的选择 .7 2.4 吸收塔设备及填料的选择 .8 2.4.1 吸收塔的设备选择 .8 2.4.2 填料的选择 .8 3 3 吸收塔的工艺计算吸收塔的工艺计算.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 气液平衡数据 .9 3.2 物料衡算 .10 3.3 塔径的计算 .10 3.3.1 塔径的计算 .10 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 填料层高度计算 .11 3.4.1 传质单元高度计算 .11 OG H 3.4.2 填料层高度 Z 的计算: .12 3.5 填料层压降 P 的计算: .12 3.6 填料塔附属高度计算 .13 3.7 离心泵的选择 3.8 进出液气接管管口的计管 结论结论.13 参考文献参考文献.14 主要符号说明主要符号说明.14 摘要摘要 在化工生产中，气体吸收过程是利用气体混合物中，各组分在液体中溶解度或化学反应活 性的差异，在气液两相接触是发生传质，实现气液混合物的分离。在化学工业中，经常需将气体 混合物中的各个组分加以分离，其目的是： 回收或捕获气体混合物中的有用物质，以制取产品； 除去工艺气体中的有害成分，使气体净化，以便进一步加工处理；或除去工业放空尾气中 的有害物，以免污染大气。 实际过程往往同时兼有净化和回收双重目的。 气体混合物的分离，总是根据混合物中各组分间某种物理和化学性质的差异而进行的。根据 不同性质上的差异，可以开发出不同的分离方法。吸收操作仅为其中之一，它利用混合物中 各组分在液体中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。 一般说来，完整的吸收过程应包括吸收和解吸两部分。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，保护环境等方面都要用到气体吸收过程。填料塔作为主要 设备之一，越来越受到青睐。二氧化硫填料吸收塔，以水为溶剂，经济合理，净化度高，污 染小。此外，由于水和二氧化硫反应生成硫酸，具有很大的利用。 1 1 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，利用不同气体组分在液体溶剂中的溶解度的差异，对其进 行选择性溶解，从而将混合物各组分分离的传质过程称为吸收。气体吸收过程 是化工生产中常用的气体混合物的分离操作，其基本原理是利用混合物中各组 分在特定的液体吸收剂中的溶解度不同，实现各组分分离的单元操作。 实际生产中，吸收过程所用的吸收剂常需回收利用，故一般来说，完整的吸收 过程应包括吸收和解吸两部分，因而在设计上应将两部分综合考虑，才能得到 较为理想的设计结果。作为吸收过程的工艺设计，其一般性问题是在给定混合 气体处理量、混合气体组成、温度、压力以及分离要求的条件下，完成以下工 作： （1）根据给定的分离任务，确定吸收方案； （2）根据流程进行过程的物料和热量衡算，确定工艺参数； （3）依据物料及热量衡算进行过程的设备选型或设备设计； （4）绘制工艺流程图及主要设备的工艺条件图； （5）编写工艺设计说明书。 1.21.2 吸收过程对设备的要求及设备的发展概况吸收过程对设备的要求及设备的发展概况 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过 程中。对于吸收过程，能够完成分离任务的塔设备有多种，如何从众多的塔设 备中选择合适类型是进行工艺设计的首要任务。而进行这一项工作则需对吸收 过程进行充分的研究后，并经多方面对比方能得到满意的结果。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，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，便于安装、操作和维修等。 但是吸收过程，一般具有液气比大的特点，因而更适用填料塔。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。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 1.3.1 吸收的应用概况吸收的应用概况 在化工生产中，原料气的净化，气体产品的精制，治理有害气体保护环境 等方面得到了广泛的应用，在研究和开发过程中，在方法上多从吸收过程的传 质速率着手，希望在整个设备中，气液两相为连续微分接触过程，这一特点则 与填料塔得到了良好的结合，由于填料塔的通量大，阻力小，使得其在某些处 理量大要求压降小的分离过程中备受青睐，尤其近年高效填料塔的开发，使得 填料塔在分离过程中占据了重要的位置。吸收在化工的应用大致有以下几种： （1）原料气的净化。 （2）有用组分的回收。 （3）某些产品的制取。 （4）废气的处理。 1.3.2 典型吸收过程典型吸收过程 煤气脱苯为例:在炼焦及制取城市煤气的生产过程中，焦炉煤气内含有少量 的苯、甲苯类低碳氢化合物的蒸汽（约 35）应予以分离回收，所用的吸 3 /mg 收溶剂为该工业生产过程中的副产物，即焦煤油的精制品称为洗油。 回收苯系物质的流程包括吸收和解吸两个大部分。含苯煤气在常温下由底 部进入吸收塔，洗油从塔顶淋入，塔内装有木栅等填充物。在煤气与洗油接触 过程中，煤气中的苯蒸汽溶解于洗油，使塔顶离去的煤气苯含量降至某允许值 ()，而溶有较多苯系物质的洗油(称富油)由吸收塔底排出。为取出富油 3 /2mg 中的苯并使洗油能够再次使用(称溶剂的再生)，在另一个称为解吸塔的设备中 进行与吸收相反的操作-解吸。为此，可先将富油预热到 170左右由解吸C 塔顶淋下，塔底通入过热水蒸气。洗油中的苯在高温下逸出而被水蒸气带走， 经冷凝分层将水除去，最终可得苯类液体（粗苯） ，而脱除溶质的洗油（称贫油） 经冷却后可作为吸收溶剂再次送入吸收塔循环使用. 2 2 设计方案设计方案 吸收过程的设计方案主要包括吸收剂的选择、吸收流程的选择、解吸方法选择 、设备类型选择、操作参数的选择等内容.用水吸收 S02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 S02不作为 产品，故采用纯溶剂。 2.12.1 吸收方法及吸收剂的选择吸收方法及吸收剂的选择 2.1.1 吸收方法吸收方法 完成同一吸收任务，可选用不同吸收剂，从而构成了不同的吸收方法，如以合 成氨厂变换器脱 CO2的为例，若配合焦炉气为原料的制氢工艺，宜选用水，碳 酸丙烯酯，冷甲酸等作吸收剂，既能脱 CO2，又能脱除有机杂质。后继配以碱洗 和低温液氨洗构成了一个完整的净化体系，若以天然气为原料制 H2和 N2时，宜 选用催化热碳酸钾溶液作吸收剂，净化度高。后继再配以甲烷化法，经济合理。 其中，前者为物理吸收，后者则为化学吸收。一般而言，当溶剂含量较低，而 要求净化度又高时，宜采用化学吸收法；若溶质含量较高，而净化度又不很高 时，宜采用物理吸收法。 2.1.2 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)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,则可以提高吸收效率,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)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)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,往往能有效地降低过程的能量消耗. 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. 表表 2 21 1 物理吸收剂和化学吸收剂的特性物理吸收剂和化学吸收剂的特性 物理吸收剂化学吸收剂 （1）吸收容量（溶解度）正比于溶质分压 （2）吸收热效应很小（近于等温） （3）常用降压闪蒸解吸 （4）适于溶质含量高，而净化度要求不太高的场合 （5）对设备腐蚀性小，不易变质 （1）吸收容量对溶质分压不太敏感 （2）吸收热效应显著 （3）用低压蒸汽气提解吸 （4）适于溶质含量不高，而净化度要求很高的场合 （5）对设备腐蚀性大，易变质 2.22.2 吸收工艺的流程吸收工艺的流程 2.2.1 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（通常是双塔吸收流程） （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。 3 3 吸收塔的工艺计算吸收塔的工艺计算 。 3.1基础物性数据 3.1.1 液相液相 密度 L=998.2kg/m3 粘度 L=0.001Pa.s=3.6kg/(m. h) 表面张力 L=72.6dyn/cm=940896kg/h2 SO2在水中的扩散系数为 DL=1.4710-5cm2/s=5.2910-6m2/h 3.1.2气相气相 混合气体平均摩尔质量为ii=0.0564.060.9529=30.75 vm M 平均密度= vm RT Mp vm 3 /257 . 1 15.298314 . 8 75.30325.101 mkg y1=0.05 所以近似取空气粘度 查表得当 T=20OC 时， hmScmSO hmkgspa v /039 . 0 /108 . 0 D )./(065 . 0 .1081 . 1 32 V2 5 在空气中扩散系数为 3.1.3 相关平衡数据相关平衡数据 04.35 325.101 1055 . 3 kP103055EC20T 3 3 2 0 kpa kpa P E m aSO 于水中的亨利系数为时，由表查得，当 )./(0156. 0 02.181055 . 3 2 . 998 3 3 mkpakmol EM H S l 3.2 物料计算物料计算 又0526 . 0 95 . 0 05 . 0 1 1 1 1 y y Y 002104 . 0 96 . 0 10526 . 0 1YY96 . 0 12 ）（）（，所以 进塔惰性气体气体流量 Lkmol/42.8705 . 0 1 2515.273 15.273 4 . 22 2250 ）（ 取操作液气比最小值的 1.4 倍64.33 0 01.35 0526 . 0 002104 . 0 0526 . 0 )( 2 1 21 min X m Y YY V L 得 所以 10.4764.334 . 1)(4 . 1 min V L V L /13.411742.8710.47Lkmol 由物料守恒得 0011 . 0 13.4117 )005104 . 0 0526 . 0 (42.87 1 X 3.33.3 塔径的计算塔径的计算 3.3.1 塔径的计算塔径的计算 气相质量流量为 液相质量流量近似取纯水hkgWv/ 3 . 2828257 . 1 2250 由贝思-霍夫泛点关联式hkgWl/68.7419002.1813.4117 3 / 2 . 998mkg l 得Lg 81 4 1 2 . 0 3 2 l v v l l l vt f w w KA a g u 查表的 塑料阶梯环有 32 / 5 . 132mmat204 . 0 A75 . 1 K 33 /91 . 0 mm 将已知数据带入得 515 . 1 2 . 998 257 . 1 3 . 2828 68.74190 75 . 1 204 . 0 1 2 . 998 257 . 1 91 . 0 5 .132 81 . 9 8 1 4 1 2 . 0 3 2 f u 对于散装材料 smuf/16 . 1 7 . 0(85 . 0 5 . 0 ff u u u u 由经验得），取 所以 smuu f /812 . 0 16 . 1 7 . 07 . 0 圆整塔径取m u V D s 990 . 0 812 . 0 14 . 3 3600/225044 mD0 . 1 3.3.2 泛点率校核泛点率校核 smu/849. 0 14 3600/2400 2 在允许范围内 %18.73 16 . 1 849 . 0 f u u 3.3.3 填料规格校核填料规格校核: 填料规格 由阶梯环规格 而 符合要求8 d D 832.26 38 1000 d D 3.3.4 液体喷淋密度校核液体喷淋密度校核 液体喷啉密度校核 由直径不超过 75mm 的散装填料要求 hmmLw./08 . 0 3 min 查附录表得 塑料阶梯环特性数据其比表面积 32 / 5 . 132mmat hmmaLu tw ./ 6 . 10 5 . 13208 . 0 23 minmin min 2 68.94 1785 . 0 2 . 99868.74190 uu 经以上校核可知，直径选用 D=1000mm 合理。 3.43.4 填料层高度计算填料层高度计算 0385 . 0 0011 . 0 04.35 11 mXY0 2 Y 则744 . 0 13.4117 42.8704.35 L mv S 68 . 7 744 . 0 002104 . 0 0526 . 0 744 . 0 1ln 744 . 0 1 1 1ln 1 1 22 21 S YY YY S S NOG 3.4.1 传质单元高度传质单元高度计算计算 OG H 由修正的恩田关联式得 2 . 0 05 . 0 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 查表 5-13 得 2 /427680/33hkgcmdyn c 液体的质量流量为 代入公式计算得hmkgUl./42.94510 1785 . 0 68.74190 2 835 . 0 5 . 132940896 2 . 998 42.94510 1027 . 1 2 . 998 5 . 13242.94510 6 . 3 5 . 132 42.94510 940896 427680 45 . 1 exp1 2 . 0 2 05 . 0 82 1 . 075 . 0 t w a a =0.835 气膜系数 由气体流量 RT Da Da U vt vv v vt v G 3 1 7 . 0 237 . 0 代入算得hmkgUv./86.3602 1785 . 0 257 . 1 2250 2 0378 . 0 15.293314 . 8 039 . 0 5 . 132 039 . 0 257 . 1 065 . 0 065 . 0 5 . 132 86.3602 237 . 0 3 1 7 . 0 G 液膜吸吸系数 由 公式 得 3 2 2 1 3 2 095 . 0 l l ll l lw l l g Da U hm l /075 . 1 2 . 998 1027 . 1 6 . 3 1029 . 5 2 . 998 6 . 3 6 . 315.132835 . 0 42.94510 095 . 0 3 1 8 2 1 6 3 2 由 查表 5-14 得 1 . 1 wGGa aK 4 . 0 wlla aK45 . 1 kpahmkmolKGa./294 . 6 45 . 1 5 . 132835 . 0 0378 . 0 31 . 1 h Kla 1 99.13745 . 1 5 . 132835 . 0 075 . 1 4 . 0 又由 %50%18.73 f u u 校正 kpahmkmolK u u K Ga f Ga ./02.14294 . 6 5 . 0%18.735 . 915 . 05 . 91 3 41 4 . 1 h u u K la f la 1 38.15299.1375 . 0%18.736 . 215 . 06 . 21 2 . 2 2 . 2 kpahmkmol KHK laGa ./03 . 2 38.1520156 . 0 1 02.14 1 1 11 1 K 3 Ga m pK v K v H GaYa OG 541 . 0 1 4 03 . 2 325.101 42.87 2 3.4.2 填料层高度填料层高度 Z 的计算的计算: 由安全系数得 mHNZ OGOG 155 . 4 541 . 0 68 . 7 ZZ)5 . 12 . 1 ( 取 圆整后取填料层高度为mZZ817 . 5 155 . 4 4 . 14 . 1mZ6 查表 5-16 对于阶梯环材料 不妨取 158 D h mh6 max 9 D h 则 由填料层高度为 6m 所以无需分段mmh900010009 3.53.5 填料层压降填料层压降 PP 的计算的计算: : 利用埃克特关联图计算 931 . 0 2 . 998 257 . 1 3 . 2828 02.1813.4117 2 1 2 1 l v v l w w 查表 5-18 则纵座标为 1 116 m p 查图得 0107 . 0 1257 . 1 2 . 99881 . 9 1116849 . 0 2 2 . 0 2 l l v p g u mpa Z p /49.28481 . 9 29 所以真料层压降为pap94.170649.2846 3.63.6 填料塔附属高度及最终高度计算填料塔附属高度及最终高度计算 填料层最终高度为 6+20%6=7.2m 3.6.1塔顶上部空间高度由经验值，在此可取 1.4m 由进气管安装要求，在此取高于塔底液面 0.3m, 且位于填料层下方一个塔径的距离 1m 水体的液封高度的计算： 3.6.2 塔底液体保持高度 取液体在塔底停留时间为 t=1min 由算的液体的流速为smvs/0206 . 0 3 hDtvs 2 4 mhh57 . 1 1 4 14 . 3 6010206 . 0 则塔高为 H=7.2+1.4+1+1.57+0.3=11.47m 圆整后取塔高为 H=12m 3.73.7泵的选择泵的选择 由液体的通量为hmV/32.74 2 . 998 68.74190 3 由此查表选得泵型号为：IS100-80-125 3.83.8 进出液气接管管口的计管进出液气接管管口的计管 由管口直径有 u v d s 4 3.8.1 对于液体有 由查得一般情况下液本进出sm w v l s /0206 . 0 3600 2 . 998 68.74190 3 管内速度一般为（0.81.5m/s） 在这里不妨取 u=1m/s 代入公 式得 mmmd1621621 . 0 114 . 3 0206 . 0 4 3.8.2 对于气体有 由查得一般情况下气体进出管内速度由smvs/625 . 0 3600 2250 3 经验值为（1020m/s） 在这里不妨取 u=15m/s 代入公式算得 d= mmm2302303 . 0 1514 . 3 625 . 0 4 圆整 对液体管 Dg=175mm 壁厚为 10mm 对气体管 Dg=225mm 壁厚为 5mm 两种接管长度均取 150mm 公称压力1.6Mpa 结论结论 吸收塔的吸收剂用量计算总表吸收塔的吸收剂用量计算总表 意义及符号结果 混合气体处理量 G 2250m3/h 气液相平衡常数 m 35.04 进塔气相摩尔比 Y1 0.0526 出塔气相摩尔分率 Y2 0.00263 进塔液相摩尔比 X1 0.0011 出塔液相摩尔比 X2 0 最小液气比 L/V 33.64 混合气体平均试量M 30.75g/mol 混合气体的密度 1.257kg/m3 混合气体的粘度 1.81Pa. s 5 10 吸收剂用量 L 4117.13kmol/h 塔设备计算总表塔设备计算总表 意义及符号结果 塔径 D 1.0 m 塔高 H（理论值） 圆整后塔高 H 11.47m 12m 填料层高 Z 7.2 m 填料塔上部理论高度 h1 1.4m 填料塔下部问总理论高度 h 2.87m 气相总传质单元高度 OG H 0.541m 气相总传质单元数 OG N 7.68 空塔气速 f u 1.16m/s 泛点率 f73.18% 参考文献参考文献 化工原理 高等教育规划教材第四版. 王志魁 刘丽