分离工程课程设计

2.5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（或解吸因子）。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。操作压力选择本任务中已经给出是常压操作，所以不需要再对其进行考虑。操作温度选择本任务中已经给出操作温度是20°C吸收因子和解吸因子选择吸收因子和解吸因子是一个关联了气体处理量，吸收剂用量以及气液平衡常数的综合过程参数。吸收因子和解吸因子的取值大小对过程的经济性影响很大，选用大的吸收因子，则过程的设备费用降低而吸收剂用量或循环量加大，操作费用升高。若吸收因子较小，则过程推动力减小，塔必然很高。在设计上，两者的数值应该以过程的总费用最低为目标函数进行设计后确定[10]mG A—~EG根据公式m=；A=mG；所以EG第3章吸收塔的工艺计算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水的物性数据。由手册查得，20C时水的有关物性数据如下:密度pl=998物/m3黏度*l=0.001户”•s=3.6kg/(m-h)表面张力为°l=72.6伽回-940896奴/h2D=1.47X10-5cm2/s=5.29x10-6m2/hSO2在水中的扩散系数为L3.1.2气相物性数据混合气体的平均摩尔质量为MV=£yM=0.05X64.07+0.95x28.95=30.706PVm混合气体的密度为PM PVm混合气体的密度为PM VmRT101.325x30.7068.314x293=1.277kg/m3混合气体的黏度可近似取为空气的黏度，查手册得20°C空气的黏度为勺=1.81X10一5混合气体的黏度可近似取为空气的黏度，查手册得20°C空气的黏度为勺=1.81X10一5Pa-s=0.065kg/(m-h)查手册得SO2在空气中的扩散系数为Dv=0.108cm2/s=0.039m2/h3.1.3气液相平衡数据由手册查得，常压下20C时SO2在水中的亨利系数为E=3.55x103kPa相平衡常数为E3.55x103m=—= =35.04P101.325溶解度系数为H== 99" =0.0156kmo//^kPa-m3EM 3.55x103x18.2s3.2物料衡算进塔气相摩尔比为Y=-^1—="05=0.052611-y1 1-0.05出塔气相摩尔比Y2=Y1（1-中a）=0.0526xG-0.95）=0.00263进塔惰性气相流量G=240°L273■~0.0万=94.km4olh/22.427320进塔惰性气相流量G=240°L273■~0.0万=94.km4olh/22.427320最小液气比0.0526-0.002630.0526/35.04—0=33.29min—=1.5「—) =1.5x33.29=49.94…G"G).液气比 minL=49.94x94.84=4736.31kmol/h所以由 G(T-Y2)=L(X1-X2)X=99.58x0.0526-0.00263=0.001得1 4976.033.3塔径计算3.3.1塔径的计算采用Eckert关联图计算泛点气速气相质量流量为ov=2400x1.277=3064.8kg/h液相质量流量为oL=4736.31x18.02=85348.31kg/hEckert关联图得横坐标为¥.585348.31(1.277V5o—Lov查图5-21得U侦土目2=0.0225gPlL差表5-11得 x3064.8=0.996©=170m-1F ■0.0225gp.'0.0225x9.81x998.2u=， ^-—=• =1.007m/sF\©VP日2 \170x1x1.277x10.2取u=0.7uF=0.7x1.007=0.7052m/s

'4V ：4x2400/3600S= =1.097m''兀u\3.14x0.7052D=12m圆整塔径，取 m3.3.2泛点率校核:u=2400/3600=0.59m/s0.785x1.22—=竺史x100%=58.6%（50%〜85%为经验值，所以在允许范围内）Uf1.0073.3.3填料规格校核:DD1200一二 d38=31.58>83.3.4液体喷淋密度得校核: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3.3.4液体喷淋密度得校核: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依Morris等推荐，d<75mm0.08m3/(m2•h)的环形及其它填料的最小润湿速率（LW）min为最小喷淋密度"min最小喷淋密度"min （'wlin气=0.08x132.5=10.6m3/(m2•h)U=85348.31/998.2=75.64>U喷淋密度 0.785x技2 min... D=1200mm经以上校核可知，填料塔直径选用D1200mm合理。3.4填料层高度的计算3.4.1传质单元数的计算Y*=mX=35.04x0.001=0.03504Y*=mX2=0

S=mV=35.04x".58=0.702L4973.03脱吸因数1-1ln气相总传质单元数NOG1-0.702lnG-0.702)0.0526-0+1-0.702ln0.00263-03.4.2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:aw. .——=1aw. .——=1—exp〈—1.45A0.75AA0.2at=33=33dyn/cm=427680kg/h2液体质量通量85348.31=75502.75kg/(m3-h)0.785x1.22=1一exp-1.45x427680=1一exp-1.45x427680M75(75502.75M1(75502.752x132.5)-0・05(75502.752、0.2<132.5x3.6)"998.2x1.27x108)"998.2x940896x132.5)=0.605气膜吸收系数、0.7,(切气膜吸收系数、0.7,(切"a旦)KtV7乂气体质量通量U=2400x1.27=2711.25kg/(m2-h)v0.785x1.22七=0.237匕=0.237x(2711.25、0.7，匕=0.237x(2711.25、0.7，0.065\"132.5x0.039\<132.5x0.065)11.277x0.039)(8.314x293)0.03077kmol/(m2-h-KPa)液膜吸收系数液膜吸收系数、=0.0095(次)WLy2/3-1/2Pl、=0.0095(次)WLy2/3-1/2PlDl1/3=0.0095x75502.75 12/33.6-1/2\0.605x132.5x3.6)(998.2x5.29x10-6)(3.6x1.27x1081^ 998.2 71/3=1.13ka=ka=ka中1.1由GGw查表5-4得中=1.45ka=ka中1.1则GGw=0.03077x0.605x132.5x1.451.1=3.712kmol/(m3查表5-4得中=1.45ka=ka中1.1则GGw=0.03077x0.605x132.5x1.451.1=3.712kmol/(m3•h•kPa)ka=ka中0.4LLw=1.135x0.605X132.5x1.450.4=105.563/h—=58.6%>50%uF1+9.5(鬟\--0.51UF1.4=1+9.5x(0.586-0.5>4x3.712=4.849kmol/•h-kPa)1+2.6U-0.5

1UF/2.2=1+2.6(0.586-0.5.2x105.563=106.806/h1~~1 1 + 4.8490.0156x106.806=1.240kmol/Cm3•h•kPa)HOG_VK/PQ94.841.240x101.325x6.3643.4.3填料层高度的计算由Z=H/og=0.668x6.364=4.251m得Z，=L3x4.251=5.526m设计取填料层高度为Z'=5.6mhc一_一 •=8~15,h=6m查表5-16，对于阶梯环填料，建议分段高度得条件为D maXh=9取D ，则h3x12。。二皿。。mm计算得填料层高度为560mm，故不需分段。3.5填料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（包括除沫器高度九设塔定液相停留时间为10s，则塔釜液所占空间高度为10x85348.310/（3600x998.2） =0.21m0.785x1.22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7.3m.3.6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[1L]3.6.1液体分布器的选型该吸收塔液相负荷较大，而气相负荷相对较小，故选用槽式液体分布器。

3.6.2布液孔数的计算按Eckert建议值，D'1200时，喷淋点密度为42点/”2,因该塔液相负荷较大，设计取喷淋点密度为/m2120点布液点数为n=0.785x1.22x120=135.6注136占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：二级槽共七道，在槽侧面开孔，槽宽度为80mm，槽高度为210mm，两槽中心距为160mm。分布点采用三角形排列，实际设计布点数n=132占点。8=0.58,A8=0.58,AH=160mm兀LS由d0取/2( 4x85348.31/(998.2x3600))1/2八…仃 , =0.015"3.14x136x0.58xJ2x9.81x0.16)设、计取d0=15mm3.7其他附属塔内件的选择3.7.1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：（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）；结构简单，便于加工制造安装和维修。要有一定的耐腐蚀性。因梁型气体喷射式支承板可提供超过90%的自由截面，保证气体通量大，阻力小，故选用梁型喷射式支承板。支持板外径1116mm，分块数4,支承圈宽度50，支承圈厚度10，近似重量400N.3.7.2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%［5］。本任务由于使用聚丙烯填料，故选用床层限定板。3.7.3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。常用的除沫器有以下几种：折流板式除沫器，它是一种利用惯性使液滴得以分离的装置，一般在小塔中使用。旋流板式除沫器，由几块固定的旋流板片组成，气体通过时，产生旋转运动，造成一个离心力场，液滴在离心力作用下，向塔壁运动实现了气液分离。适用于大塔径净化要求高的场合。丝网除沫器，它由金属丝卷成高度为100-150的盘状使用。安装方式多种多样，气体通过除雾沫器的压强降约为120-250Kp，丝网除沫器的直径由气体通过丝网的最大气速决定［14］。根据本吸收特点及要求，本吸收操作选用金属丝网除沫器。丝网除雾器的设计计算如下：u"（宰=2.79m/s d「区==。加\ PG …rt兀uV3.14X2.793.8吸收塔的流体力学参数计算3.8.1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。（1）填料层压降的计算可以利用Eckert通用关联图计算压强降；

横坐标为④又查表5-18得89614 x3223.08 998.2E=0.9964横坐标为④又查表5-18得89614 x3223.08 998.2E=0.9964=116m-1p纵坐标u2。平gp“乙L0.592x116x1.277x10.2 0.00539.81x998.2查图5-18得△P/Z=117.72Pa/m填料层压降为△阵117.72x5-6=65"a（2）气体进出口压力降气体出口压降取接管内径250mmu=2400/3600=13.7m/s0.785x0.252△P=-pu2=1x1.277x13.72=119.84Pa则进口压降为TOC\o"1-5"\h\z1 2 2则进口压降为AP2出口压降AP2出口压降=AP=0.5x119.84=59.92Pa1（3）其它塔内件的压力降'"较小，在此可忽略所以总压为P="P+△，+△[=659.23+119.84+59.92=838.99Pa3.8.2吸收塔的泛点率—=Q^9x100%=58.6%泛点率校核"尸• （允许范围内）3.8.3气体动能因子吸收塔内气体动能因子为F=u加=0.59x扣1.277=0.667[m/s(kg/m3)0.5]气体动能因子在常用的范围内。

3.9附属设备的计算与选择3.9.1离心泵的选择与计算取液体流速为u=2.0m/sd-0.01881s0.5u-0.5p-0.5-0.01881x85348.310.5x2.0-0.5x998.2-0.5-0.123mL123mmd133mmx4.0mm 123mm据根管材规范，该直径d应该选甲 热轧无缝钢管，内径为125mm实际流速u-4x°.024-1.96m/s3.14x0.1252原料泵的选择TT■AP Au2H=AZ+ +压头又AZ-5.6m AP=压头又AZ-5.6m AP=APf=838.99尸。Re=岂0.125xL96x998.2-244559>40000.001（湍流）8=0.3mm,8/d=0.3/125=0.0024取管壁绝对粗糙度力由图查知力由图查知0.024ZHf-卫-0.024xL962x8-0.3m1 2dg 2x0.125x9.81选2个90弯头，2个截止阀全开。cu2 1.962Hf =0).75x2+6.4x2)―-—-2.8mAPAu2H=AZAPAu2H=AZ+ +Pg2g+£Hf+£Hf-5.6+ 838.99 +0.3+2.8-8.8m.1 2 998.2x9.81兀- 一 一 一一 __流量-—d2u=0.785x0.125x1.96x3600=86.5m3/h4

流量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IS125-100-200,其具体参数如下：转g速流量/m3/h扬程H/m效率门/%轴功率/kW电机功率/kW必须汽蚀余量（NUSH）^/m质量（泵/底座）/kg145010012.5764.487.52.5100/663.9.2吸收塔主要接管尺寸选择与计算气体管路直径：气体进入塔内的流速一般为10〜18m/s，常压塔气体进出口管速度可取10〜20m/s，高压塔气速低于此值。为了防止突然扩大引起的压头损失，所以取气体流速为u=18m/s。d'v=0.018813/5u-0.5P"0.5=0.01881X3064.80.5x18-0.5x1.277-。.5=0.217m据根管材规范，取管径为：'271.6""X以珈皿内径为250命u=4X2400/3600=13.7m/s实际流速 3.14x0.252（2） 液体进口装置对于直径1.5mm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U=2m/Sd，L=0.01881%0.5u-0.5PL-0.5=0.01881X85348.310.5x2-0.5x998.2-0.5=0.123m据根管材规范，取管径为：'133mmX4mm，其内径为125mm。（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项目符号数值与计量单位混合气体处理量V2400m3/h气液相平衡常数m35.04进塔气相摩尔比Y10.0526出塔气相摩尔比Y20.00263进塔液相摩尔分率X20出塔液相摩尔分率X1