填料吸收塔课程设计--水吸收SO2过程填料吸收塔的设计

一 设计任务书 （一）设计题目 水吸收 SO 2 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 混合气体 SO 2 含量（体积分数） SO 2 的回收率不低于 吸收剂的用量与最小用量之比 （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； （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 1 2000 10% 97% 1.3 2.1 方案的确定 用水吸收 SO 2 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 SO 2 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 SO 2 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 2 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 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/m 粘度为 L=0.0008937 Pas=3.2173kg/(mh) 表面张力为 L=71.97 dyn/cm=932731 kg/h 2 3 SO 2 在水中的扩散系数为 D L=1.72410 -9m2/s=6.20610-6m2/h （依 Wilke-Chang D 1.85910 础 ） 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=0.164.06+0.929=32.506g/mol 混合气体的平均密度为 Vm=PM/RT=101.32532.506/ （8.314298.15） =1.3287kg/ m 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 -5Pas=0.066kg/(mh) 3 3 18 (M r )0.5T V0.6 计算，查化学工程基 查手册得 SO2在空气中的扩散系数为 DV=1.42210 m /s=0.051 m /h （依 D D 0 P 0( T )1.75计算，其中 273K 时，1.01310 Pa 时 SO2 -5 -522 P T 0 在空气中的扩散系数为 1.2210 m /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 SO 2 在水中的亨利系数为 E=4.13 10 kPa 相平衡常数为 m=E/P=4.13103/101.3=40.76 溶解度系数为 H=/EM=997.2/4.1310318.02=0.0134kmol/kPam 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 2000( 273.151 )81.80kmolh 273.1525 22.4 3 3 -52 混合气SO 2中量81.800.18.18 kmolh 8.1864.06=542.01kgh 设混合气中惰性气体为空气，则混合气中空气量 81.8-8.1873.62kmolh 73.62 292135kgh 4 (2)混合气进出塔的摩尔组成 y 1 0.1 y 2 8.18(10.97) 0.00332 73.628.18(10.97) （3）混合气进出塔摩尔比组成 进塔气相摩尔比为 Y 1 y 1 0.1 0.11 1 y 1 10.1 出塔气相摩尔比为 Y 2 Y 1(1 A)0.11(1 0.97) 0.0033 （4）出塔混合气量 出塔混合气量=73.62+8.180.03=73.7836kmol/h =2135+542.010.03=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 Y YL () min 12 Y 1 V X 2 m 对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为X2=0 L0.110.0033 () min 39.54 V0.11/ 40.760 取操作液气比为 LL 1.3() min VV L 1.339.54 51.40 V 5 L 51.473.62 3784.07 kmol/h (6)塔底吸收液组成X 1 V(Y 1 Y 2 ) L(X 1 X 2 ) X 1 73.62(0.110.0033) 0.00208 3784.07 (7)操作线方程 依操作线方程Y L X (Y 2 L X 2 ) 3784.07 X 0.0033 VV73.62 Y 51.4X 0.0033 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=20001.3287=2657.4 kg/h 液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即 W L=3784.0718.02=68188.94 kg/h 其中： L =997.1 kg/m V =1.3287 kg/m g = 9.81 m/s = 1.2710 m/h W V = 2657.4 kg/h W L = 68188.94 kg/h L =0.0008937 Pas （1）采用 Ecekert 通用关联图法计算泛点气速 u F。 6 282 3 3 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（引自化工原理图一填料塔泛点和压降的通用关联图（引自化工原理 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。 8 Eckert 通用关联图的横坐标为 w L V 0.5 68188.94 1.3287 0.5()() 0.937 w V L 2657.4997.1 查图一查得纵坐标值为 u F 2 V() L 0.2 0.022 g 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 填料类 型 金属鲍 尔环 金属环 矩鞍 金属阶 梯环 塑料鲍 尔环 塑料阶 梯环 填料因子，1/m DN16DN25DN38DN50DN76 410117160 170150135120 160140 55028018414092 260 550 832 170 200 600 127 226 410 瓷矩鞍1100 瓷拉西1300 9 环 （ 化工原理课程设计附录十一） 查得： F 170m1 u F 0.022g L 0.0229.81997.1 0.987m/ s 17011.32870.89370.2 FV L 0.2 （2）操作气速 由以下公式计算塔径： （ 化工原理课程设计 ） D 4VS u 对于散装填料，其泛点率的经验值为 u/uF=0.50.85 取 u=0. 7uF=0.70.987=0.691m/s （3）塔径 由D 4VS42000/3600 1.012m u3.140.691 圆整塔径，取 D=l.1m。 （4）泛点率校核： u 2000/3600 0.585m/ s 20.7851.1 u0.585 100% 59.27%(在允许范围内） uF0.987 （5）填料规格校核： D1100 28.94 8 d38 10 （6）液体喷淋密度校核： 取最小润湿速率为 （Lw）min=0.08 m3/mh 查填料手册得 塑料阶梯环比表面积 at=132.5m2/m3 Umin=（Lw）minat=0.08132.5=10.6m3/ m2h U 68188.94/997.2 71.99m3/ m2h U min 20.7851.1 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 Y 1 mX 1 40.760.00208 0.08478 Y 2 mX 2 0 解吸因数为: S mV40.7673.62 0.793 L3784.07 气相总传质单元数为: N OG Y 1 Y 2 1 ln(1S)S 1SY 2 Y 2 10.110 ln(10.793)0.7939.857 10.7930.00330 （2）传质单元高度的计算 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 a w U aUU CLtLL1exp1.45 2 a t L a t L L g LLat 11 查表二: 常见材质的临界表面张力值 材质 表面张 力, mN56 /m 得 C= 33 dyn/cm = 427680 kg/h 液体质量通量为: U L 68188.94 2 71789.17kg /(m h) 20.7851.1 2 碳瓷 聚氯乙 玻璃聚丙烯 烯 钢石蜡 617333407520 气膜吸收系数由下式计算： 0.050.2 0.750.1 22 a w 71789.17 42768071789.1771789.17 132.5 1exp1.45 28 a t 932731132.53.2173997.1 1.2710997.1932731132.5 0.6047 气体质量通量为: U V V a t D V k G 0.237 aDRT tV VV 0.7 1 3 气体质量通量: U V 20001.3287 2797.70kg /(m2h) 20.7851.1 0.7 1 3 0.0662797.70 132.50.051 k G 0.237 132.50.0661.32870.051 8.314298 0.0363kmol /(m2hkPa) 12 液膜吸收系数由下式计算: U g k L 0.0095L L L a wL L D L L 2 3 2 3 1 2 1 3 71789.173.2173 3.21731.2710 0.0095 6 997.1 0.6047132.53.2173 997.16.20610 1.320m/ h 1 2 8 1 3 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 1 本设计填料类型为开孔环 所以 =1.45,则 k GakGaw 1.1 0.0363132.50.60471.451.14.3769kmol/ m3hkPa k La kLaw 0.4 1.320132.50.60471.450.4 值0.720.751.191.45 122.71l / h 又因 u/uF=59.2750 需要按下式进行校正，即 1.4 u k G a 19.50.5k Ga uF u k L a 12.60.5 uF 2.2 k La 可得： 13 1.4 k G a 19.50.59270.5 4.3769 5.85kmol/ m3hkPa k L a 12.60.59270.5 122.71124.41l /h 2.2 则 K Ga 1 1 k G a 1 Hk L a 1 11 5.850.0134124.41 1.297kmol / m3hkPa 由 H OG VV K Y aK GaP 73.62 1.297101.30.7851.12 0.590m （3）填料层高度的计算 由Z H OG N OG 0.599.857 5.82m 根据设计经验，填料层的设计高度一般为 Z(1.21.5)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: Z = 1.255.82= 7.27 m 设计取填料层高度为 Z 7.4m 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/D 14 Hmax/m 拉西环 矩鞍 鲍尔环 阶梯环 环矩鞍 2.5 58 510 815 515 4 6 6 6 6 对于阶梯环填料， h 取 h D 8 ，则 D 815m ， hmax 6m h=81100=8800 mm 7300mm8800mm 故需分为两段，每段高 3.7m。 3.2.3 填料层压降计算 采用 Eckert 通用关联图计算填料层压降。 横坐标为: w L w V V L 0.5 0.937 表五 散装填料压降填料因子平均值 填料类 型 金属鲍 尔环 金属环 矩鞍 填料因子, 1/m DN16DN25DN38DN50DN76 306-11498- -13893.47136 15 金属阶 梯环 塑料鲍 尔环 塑料阶 梯环 瓷矩鞍 环 瓷拉西 环 -11882- 34323211412562 -17611689- 700215140160- 1050576450288- 查表得，p =116 m 纵坐标为: u2 P V 0.2 0.58521161 1.3287 L 0.89370.2 0.0053 g L 9.81997.1 -1 查 Eckert 通用关联图得: P/Z = 117.72Pa/m 填料层压降为: P=117.727.4=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 16 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。 丝网除雾沫器：一般取丝网厚度 H=100150 mm，气体通 过除沫器的压降约为 120250pa。 通过丝网除沫器的最大速 u k L G 997.11.3278 0.085 2.3277m/ s G 1.3278 实际气速为最大气速的 0.750.8 倍 所以实际气速 u=0.752.3277=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 Eckert Eckert 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=400 17 330 D=750 D1200 170 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/m 。 布液点数为 n=0.7851.1 140=132.9133 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. 2 2 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 L S d 0 2n 4 2gH 3式中Ls液体流量，m /s； 18 n开孔数目(分布点数目)； 孔流系数，通常取 0.550.60； d0孔径，m ； H开孔上方的液位高度，m。 取=0.60， H =160mm, 4L Sd 0 n 2gH 0.5 468188.94/997.13600 则 3.141320.629.810.16 0.0131m 0.5 设计取d 0 14mm 液体分布器的安装一般高于填料层表面 150300 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 0.70.8，这里取塔径的 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 19 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 75 80 90 100 120 130 140 160 185 205 235 260 315 公称通 径 （1）气体和液体的进出口直径的计算 由公式 d 4VS u 3Vs 为流体的体积流量，m /s u 为适宜的流体流速，m/s . 20 常压气体进出口管气速可取 1020m/s； 液体进出口速度 可取 0.81.5 m/s（必要时可加大） 。 选气体流速为 15 m/s 由 V S=2000/3600=0.556 m /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 V S=3784.0718.02 （3600997.1）=0.019m /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。 21 3 3 塔底液相液相停留时间按 1min 考虑，则塔釜液所占空 间为 h 1 1603784.9718.02 1m 20.7853600997.11.1 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 常压 五、设计结果汇总 课程设 计名称 操作条 件 物性数据物性数据 液相气相 操作温度 25 摄氏度操作压力：常压 水吸收 SO2填料吸收塔的设计 450 mm 标准号 平面(FS)HG21515-95 22 液体密 度 997.1kg/m 混合气 体平均 摩尔质 量 333.505kg/kmol 液体粘 度 3.22kg/(m 混合气 h)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) SO 2 在水 中的扩 散系数 6.20610-6m /h SO 2 在空 气中的 扩散系 数 20.051m /h2 重力加 速度 1.27108m/h 气相平衡数据气相平衡数据 SO 2 在水中的亨利系数 E 4.1310 kpa 3 相平衡常数 m 40.76 溶解度系数 H 0.0134kmol/kPam3 物料蘅算数据物料蘅算数据 23 Y1Y2X1X2气相流量 G液相流量 L最小液 操作液 气比气比 0.110.00 0.0020 338 073.623784.07 kmol/ 39.5451.4 kmol/ h 工艺数据工艺数据 h 气相质 液相质量 量流量流量 塔径气相 气相 填料 总传 总传 层高 质单 质单 元数 元高 度 度 填料层压降 2657.4 68188.941.1m9.857 0.590 7.4m m 填料塔附件填料塔附件 871.128pa 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 六、工艺流程图 下图是本设计的工艺流程简图 24 图二图二 工艺流程简图工艺流程简图 七、课程设计总结 25 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巨的一个任务，如 何细节的出错都有可能造成实际操作中的经济损失甚至生 命安全。 八、主要符号说明 a t填料的总比表面积，m /m a W填料的润湿比表面积，m /m d填料直径，m； D塔径，m