℃时水吸收二氧化硫填料塔的设计

1、«化工原理课程设计报告系别：专业班级：姓名：学号：指导教师：（课程设计时间：2011年6月10日2011年6月24日）1 .课程设计目的12 .课程设计题目描述和要求13 .课程设计报告内容4基础物性数据4液相物性数据4气相物性数据5气液相平衡数据6物料衡算6塔径计算7塔径的计算8泛点率校核：8填料规格校核：9液体喷淋密度得校核：9填料层高度的计算9传质单元数的计算9传质单元高度的计算10填料层高度的计算11填料塔附属高度的计算11液体分布器计算12液体分布器的选型12布液计算13其他附属塔内件的选择13填料支承装置的选择13填料压紧装置16塔顶除雾器吸收塔的流体力学参数计算1717

2、.1吸收塔的压力降17吸收塔的泛点率18气体动能因子18附属设备的计算与选择18离心泵的选择与计算18吸收塔主要接管尺寸选择与计算错误！未定义书签。工艺设计计算结果汇总与主要符号说明244.总结26参考文献271. 课程设计目的化工原理课程设计是学生学过相关基础课程及化工原理理论与实验后，进一步学习化工设计的基础知识，培养工程设计能力的重要教学环节。通过该环节的实践，可使学生初步掌握单元操作设计的基本程序与方法，得到工程设计能力的基本锻炼。化工原理课程设计是以实际训练为主的课程，学生应在过程中收集设计数据，在教师指导下完成一定的设备设计任务，以达到培养设计能力的目的。单元过程及单元设备设计是整

3、个过程和装备设计的核心和基础，并贯穿于设计过程的始终，从这个意义上说，作为相关专业的本科生能够熟练地掌握典型的单元过程及装备的设计过程和方法，无疑是十分重要的。2课程设计题目描述和要求设计题目描述(1) 设计题目二氧化硫填料吸收塔及周边动力设备与管线设计(2) 设计内容根据所给的设计题目完成以下内容：(1) 设计方案确定；(2) 相关衡算；(3) 主要设备工艺计算；(4) 主要设备结构设计与算核；(5) 辅助(或周边)设备的计算或选择；(6) 制图、编写设计说明书及其它。(3) 原始资料设计一座填料吸收塔，用于脱除废气中的SO2，废气的处理量为1000m3/h，其中进口含SO2为9%(摩尔分率

4、)，采用清水进行逆流吸收。要求塔吸收效率达%。吸收塔操作条件：常压；恒温，气体与吸收剂温度：303K清水取自1800米外的湖水。示意图参见设计任务书。1 .设计满足吸收要求的填料塔及附属设备；2 .选择合适的流体输送管路与动力设备（求出扬程、选定型号等），并核算离心泵安装高度。设计要求设计时间为两周。设计成果要求如下：1. 完成设计所需数据的收集与整理2. 完成填料塔的各种计算3. 完成动力设备及管线的设计计算4. 完成填料塔的设备组装图5. 完成设计说明书或计算书（手书或电子版打印均可）目录、设计题目任务、气液平衡数据、L/G、液泛速度、塔径、Ka（或Ka的计算、HOl、Ndl的计算、动力设

5、备计算过程（包括管径确定）等。3课程设计报告内容吸收塔的工艺计算基础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水的物性数据。由手册查得，30时水的有关物性数据如下：密度水995.7Kg/m3【1】黏度水801.5106Pas【1】表面张力为L0.07122N/m【1】SO2在水中的扩散系数为Dl2.2109m2/s1气相物性数据混合气体的平均摩尔质量为M空气29Kg/mol1M二氧化硫64Kg/mol11MM空气（1y1）M二氧化硫y1290.91640.0932.15kg/kmol混合气体的密度为V立1.293Kg/m3RT混合气体的黏度可近似取为空气的黏度，查资料【1】得

6、30c空气的黏度为G=0.0000186pas1查得SO2在空气中的扩散系数为DG1.469105m2/s1气液相平衡数据查资料51:KgSO2100KgH2。G(kmol/m3)x103H(kmol/kpa*m)yP；(kpa)平均溶解度系数H0.01698CA-30度时二氧化硫在水中的平衡浓度，单位为kmol/m3x30度时二氧化硫在水中溶解平衡时的摩尔分数H30度时二氧化硫在水中达到平衡时的溶解度系数，单位为3kmol/kpa*my30度时气相中二氧化硫的摩尔分数Pk30度时气相中二氧化硫的平衡分压，单位为kpa由以上的y和x,以x的值为横坐标，y的值为纵坐标作平衡曲线，如图:物料衡算进

7、口气体的体积流量G'=1000n3/h二氧化硫的摩尔分数为y尸进塔气相摩尔比为Yi=yi/1-y1=效率1Y2/Y94.9%出塔气相摩尔比Y2=Y1=进塔惰性气相流量G=(G'/(1-y1)273/303=(1000/273/303=h空气的体积流量Vg=G'(1-y1)=910m3/h出口液体中溶质与溶剂的摩尔比X2=0由图平衡曲线可以读出y产所对应的溶质在液相中的摩尔分数x1*=*对应的液相中溶质与溶剂的摩尔比为X；xU0.002531410.00252最小液气比(L)minY*Y237.0991GX1X2取液气比-1.5(-)min55.6491GG故L=h操作线

8、方程：YXY21代入数据得：Y55.649X0.00504G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25mm型的塑料鲍尔环填料。其主要性能参数为：比表面积at209m2/m34空隙率0.90m3/m34形状修正系数=41填料因子平均值d=232m1【4】pA=4K=4塔径的计算吸收液的密度近似看成30度水的密度：L水995.7Kg/m330度时空气的密度空气1.165Kg/m31二氧化硫2.927Kg/m31MP3v1.293Kg/mM水18Kg/kmolRT采用Eckert关联式计算泛点气速：气相质量流量为：WVG空气（G,G）二氧化硫273/3039101.16590

9、2.927273/3031297.5Kg/h液相质量流量为：WLLM水2036.921836664.56Kg/h选用25mm型的塑料鲍尔环A=4K=4at 209m2 / m3330.90m /mA K(")1/4(上)1/8【4】W L代入数值得：Uf0.77m/s取空塔气速：u,0.6uF 0.462m/s塔径D 叵0.875m 11圆整塔径，取D=则算得uG_ _ 20.785D1000/3600 2 0.437m / s0.785 0.9泛点率校核:UfG0.785D20.4370.7700 0.437m/s0.785 0.92100% 56.75%（50% 85%为经验值，

10、所以在允许范围之内 ）填料规格校核:0.90.02536 15（合格）41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，d<75mm的环形及其它填料的最小润湿速率（LW）min为0.08m3/m2h最小喷淋密度UminLWminat0.0820916.72m3/m2h喷淋密度ULV36.82357.91m3/（m2h）Um0.924经以上校核可知,填料塔直径选用D=900mn理。填料层高度的计算传质单元数的计算由图曲线可以读出以下9个点所对应的y和x:点数序号yY*xX*X89%78%67%5

11、6%45%34%23%12%0%0*X8X。0.0024560.000241由辛普森积分法有:80.000277Nol(f°f84fi2f24f3.)0.000092342868.2543.96m3X与y对应的平衡故相中的溶质的摩尔分数X与Y对应的平衡故相中的溶质与溶剂的摩尔比Nol传质单元数，单位m传质单元高度的计算3一2c3310N/m,l7.12210N/m查资料【5】有：Dg1.469105m2/s,Dl2.2109m2/s一一一5g1.8610Pas气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：aW1exp1.45(，)0.75(.)0(堂)0.05()0.2atLatLLg

12、LL液体质量通量WL36664.56W,L 0.924气体质量通量57662.28Kg/(m2?h)WGWV129752040.58Kg/(m2?h)2-0.924代入数值得：aW208.96m2/m3气膜吸收系数:kG0.237(-Wg-)°-7(J)"3(aDG)atgDggRT0.23732.715.22°.°°°°°1222、°.°°°1439kmol/(mspa)液膜吸收系数：kL°.°°95(-W-)2/3(二)"(-Lg)

13、"3aWLDLLL0.009520.91°.°°°870.305°.°°°°527m/s.111kGakGaW0.0453skLakLaW0.40.0128s1u0.5uF故继续修正：kGa19.5(0.5)1.4kGa0.0552sUfU22kLa12.6(0.5)kLa0.0129sUf11KLa,1.0.01284s1LH工kGaklaVHOL1.25mta填料层高度的计算由ZHOLNOL1.253.964.95m填料有效高度取：Z'=设计取填料层高度为Z6.435m填料塔附属高度

14、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（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10 WL / 水0.785 D21036664.56/3600995.72=0.16m0.7850.92考虑到气相接管的空间高度,底部空间高度取为米，那么塔的附属空间高度可以取为。吸收塔的总高度为h1.7 6.435 8.135m液体分布器计算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

15、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，使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

16、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。液体分布器的选型D800mm时，建议采用盘式分布器（筛孔式）液体分布器的选择：按Eckert建议值，D750mm时，每60cm2塔截面设一个喷淋

17、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：盘式分布器（筛孔式）：【5】分布盘直径：600mrm（5分布盘厚度：4mm5布液计算Lsd°n.2gH由40.58,H160mm1/21/24LS485348.31/998.23600d0S0.015n,2gH3.141360.58.29.810.16设计取d015mm其他附属塔内件的选择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姒上，且应

18、大于填料的空隙率。止匕外，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：（1）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

19、填料面的50犯上，且应大于填料的空隙率。止匕外，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）；结构简单，便于加工制造安装和维修。要有一定的耐腐蚀性。因栅板支承板结构简单，制造方便，满足题目各项要求，故选用栅板支承板。栅板两块查资料【5】（单位：mm）DRhst88044050625栅板1:（单位：mrm1iLiH1l2l3连接板长度270880102507270栅板2:（单位：mmlnil213连接板

20、长度303102509260如图:D1(mm)D2(mm)厚度（mm8947948支撑圈两块查资料【5】升气管式再分布器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

21、和限制板自由截面分率大于70%本任务由于使用塑料填料，故选用床层限定板。u K塔顶除雾器009m/S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：Di234mm5吸收塔的流体力学参数计算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

22、通用关联图计算压强降;横坐标为X Wvi36664.56/3600 ,1.293、05 / c().1.0181297.5/3600995.7又查散装填料压降填料因子平均值232m 1【4】操作空塔气速u=s2纵坐标YuL（）L0.20.0056gL液体密度校正系数，1L其它塔内件的压力降P较小，在此可忽略查资料【4】P/Z159.81147.15Pa/m总压降P147.156.435946.910Pa泛点率需100%吸收塔的泛点率校核56.75%（50%85%为经验值，所以在允许范围之内气体动能因子吸收塔内气体动能因子为0.4371.1653 0.50.4717 m/s kg/m气体动能因子

23、在常用的范围内附属设备的计算与选择离心泵的选择与计算取液体流速为u=sVlWl36664.56995.7336.82m /hL801.5106Pas取管内液体流速u,2m/s估算管内径为d360036.823.140.08m选用 88.5mm 4mm水煤气管【1】，内径d 80.5mm管内实际流速uVl23600 d242.01m/sdu 0.0805 2.01 995.7 801.5 10 6201009.66钢管粗糙度0.35mm【1】,相对粗糙度/ d0.35/80.5 0.0043查得摩擦系数0.028 111,截止阀（全开）：l- 30011, d两个90度弯头：le 35 2 70

24、【1】 d带滤水器的底阀（全开）：卜420【1】 d吸入管伸进水里l” 0.2m总管长 l 8.34 3 0.2 11.54m管路的压头损失l le u211.54H f （e）0.028 （300 70 420）d 2g0.08055.38m（水柱）2.0122 9.81原料泵的选择对1-1和2-2截面列伯努力方程得:PlgZUiP2U 2H Z22Hf2gg2g2H f 区8.345.320.21 13.72m2g选用IS80-65-125型泵【1】汽蚀余量：【1】30度时水的饱和蒸汽压PV 4.241kPa【1】P 101.3kPa【1】取吸入管长l,4.2m,吸入管压头损失Hf-4.2

25、0.028 (0.08052420 35)-.2.92m2 9.81泵的最大允许安装高度:PPVHg允一Vh Hfg泵的实际安装高度应小于(101.3 4.241) 1033 3.5 2.92 3.52m995.7 9.813.52m,这里取1.8m,即安装在离地面1m处由于本设计中吸收剂使用的是水，因而，采用清水泵（可用于输送各种工业用水以及物理性质、化学性质类似于水的其他液体）既简单又使用。通过计算可知，吸收塔所要求的压头不是很高，所以采用普通的单级单吸式即可，本设计中选用的型号为IS,其具体参数如下：转速8M:扬程效率轴功电机功必须汽蚀余量质量n/(r/min/m3/H/m/%率/kW率

26、/kW(NUSH)r/m(泵/)h底座）/kg145010076100/66远90度弯头三个，进水管伸进水里l”1.0m,总管长l=+=qV12VL1.236.8244.18m3/h去管内流速u11.5m/s,估算管内径为dIqV0.102m33600-U1选用直径为114mm5mm的焊接钢管【"内经d104mm管内流速u卬3600 d2444.18314:3600 314 0.104241.45m/sReduL0.104 1.45 995.7801.5 106187338.19钢管绝对粗糙度：0.35mm【1,相对粗糙度/d0.35/1040.0034查得摩擦系数0.02711截止

27、阀(全开)：Q30011,d三个90度弯头L35310511d带滤水器的底阀(全开)：420Hd关出口突然扩大1111,管进口突然缩小20.511ll2管路的压头损失Hf(12)d2g1803.81.4520.027(-30010542010.5)-54.9m0.10429.81以大河面为11截面，出管口截面为22截面列伯努利方程：22乙"HZ2旦.HfLg2gLg2gu1u20m/s,P1P2101.3kPaZ1.2m,外加压头HZHf1.254.956.1m选用IS8050160的泵，汽t4余量h2.53.0m30度时水的饱和蒸汽压为PV4.241kPaP101.3kPa,吸入管

28、长l3.4m22吸入管的压头损失Hf(-)0.027(招一42035)dd2g0.10429.811.41m泵的最大允许安装高度PPvHgV(101.3 4.241) 103Lg995.79.813 1.41 5.53m这里取2m,即直接安装在地面上le当量长度，单位m两截面的高度差，单位m吸收塔主要接管尺寸选择与计算进气管（管的末端可制成向下的喇叭形扩大口）取气体流速 u=15m/s=54000m/h管径：dG 1000 3 14 ；u | 314 54000 ：4 40.1536m查资料【U取165.0 4.500勺焊接钢管，内径d 0.156m气体流速u， -G-d2410003.140

29、.156252345.716m/h 14.54m/s液体出口装置对于直径mm以下的塔，管口末端可制成向下的喇叭形扩大口，防止淋下的液体进入管内，同时还要使气体分散均匀。(3)气体出口装置气体的出口装置，要求既能保证气体畅通又要尽量除去被夹带的液沫，在气体出口前加装除液沫挡板。当气体夹带较多雾滴时，需另装除沫器(4)液体管路直径取液体流速u2m/sdL0.018810.5u0.5J50.0188136664.560620995.7"0.0807m据根管材规范，选择热轧无缝钢管，取管径为：89mm4mm其内径为81mm(5)液体进口装置液体进口管应直接通向喷淋装置，可选用直管。液体出口装

30、置为了便于塔内液体排放，保证塔内有一定液封装置高度而设计，并能防止气体短路。工艺设计计算结果汇总与主要符号说明吸收塔的吸收剂用量计算总表表-1项目符号古匚且m/-V混合气体处理量V1000m3/h进塔气相摩尔比1出塔气相摩尔比2进塔液相摩尔分率X20出塔液相摩尔分率Xi最小液气比L/G混合气体的平均摩尔质量Mvmg.mol混合气体的平均密度Vmkg.m3吸收剂用量Lkmol.h气相质里流里Vh液相质里流里Lh塔设备计算总表表-2项目符号断/古匚什旦M/-V塔径D填料层高度填料塔上部空间高度him填料塔下部空间高度h2m塔附属高度h3mZ，m传质单兀局度HOGm传质单元数NOG总压降PfPa空塔

31、气速ums泛点率uUf56.75%曩料计算总表表-3项目符号数值与计量单位填料直径d25mm泛点填料因子F1232m填料临界表面张力cm主要符号说明表-4符号意义数值与计量单位A吸收因子或填料常数at填料的比表面积2,3209m/mDl30C。2水中扩散系数109m2/sDg30cO2空气中扩散系数g重力加速度m.s2G气体摩尔流速kmolh或kghkG气体膜吸收系数0.0001439kmol/(m2spa)kL液膜吸收系数0.0000527kmol/(m2spa)L液相摩尔流速kmol.hUf泛点气速一3/m/su气体流速3m/sVl液相体积流量36.82m3/hVsWl口相体积流里液体质里

32、流里m3/s36664.56Kg/hWL气体质里流里液体密度1297.5Kg/hkgm3v混合气体密度kgm3G混合气的粘度1.86105Pas水水的粘度6_801.510Pas空隙率90%c填料材质的临界表面张力33103N/mL水的表面张力27.122102N/maw填料的润湿比表面枳2/3m/mF气体动能因子30.50.4717m/skg/mUmin最小喷淋密度3216.72m/mh0.08m3/m2hLwmin最小润湿速率U液体喷淋密度57.91m3/(m2h)Wg气体的质量通量_2_2040.58Kg/(m?h)Wl液体的质里通里57662.28Kg/(m2?h)4.总结哈哈，课程设

33、计终于竣工了！这是发自内心的笑声，也包含了很多的艰辛很泪水！刚开始看到这个设计题目时，老师给我们讲了一下设计中的一些过程，但自己脑袋里几乎是一片空白，不知道如何下手。向周围的同学询问她们的见解，大家的反应好像都一样一一茫然！同学们在一起讨论，应该怎么做我们先是反复阅读设计任务，然后查看课本，去办公室问老师，经过这些步骤后，头脑里渐渐有了设计过程的一个轮廓，尽管不是太清楚，但已经知道具体应该做些什么。在以后的日子里，我的生活就是上完课，和同学就去图书馆查资料，去机房或是网吧完成文字部分的输入。但是在计算过程中，出现了不少问题。在选择数据时，因为没有经验，费了好多时间，计算完成后发现不合理，这时就

34、得回到原点，再从新选择，再计算。说实话，出现这种情况很气人，后悔选择了原来不合适的数据，有一种“走错一步，全盘皆输”的感觉。这时候就用一句“人生豪迈，大不了从头再来”来激励自己！当其他同学也有同样的感觉时，用这句话也很管用。它几乎成了激励我们继续走下去灭火剂。遇到问题时，我们不再烦躁，而是静下心来，想出解决问题的方法。我是体会最深的一个，因为就在我计算问题完成后，接近大功告成时，我的U盘丢了！这事要是在放在以前，我肯定会抱怨，会烦躁不安，那是自己的多大心血啊！经历了那么多后，我的心渐渐的平静下来，连同学都怀疑我为什么能那么淡定。当我找完它所有可能纯在的地方后，就决定再重新做一份，对我来说，这是最好的补救方法。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。