板式吸收塔的设计

./板式吸收塔设计任务书一设计题目水吸收二氧化硫板式吸收塔设计二设计任务及操作条件1设计任务混合气体的处理为20000m3/h,其中废气进入塔的浓度为0.3%〔体积比,其余组分为惰性气体〔空气。要求采用清水进行吸收,吸收效率为98%。2操作条件：塔顶表压力0.3atm,操作温度

30℃3塔板类型:泡罩式塔板4设备型式：塔板三设计内容1设计方案的选择及流程说明2吸收塔的基础物性数据3吸收塔的物料衡算4吸收塔的工艺尺寸的计算5溢流装置的计算6塔板的流体力学验算7塔板负荷性能图；8板式塔的结构与附属设备的计算9设计结果汇总表10设计心得11主要参数说明12绘制生产工艺流程图13绘制主要设备结构总装图板式吸收塔设计说明书目录第一章设计方案的简介.……………〔41.1概述………………〔4塔设备的类型………………〔4板式塔与填料塔的比较及选型……………〔41.2板式塔的设计……………………〔5设计方案——装置流程的确定………………〔6塔板的类型与选择……………〔6第二章板式塔工艺尺寸计算…………〔92.1基础物性数据……………………〔92.1.1液相物性数据……………2.1.2气相物性数据……………2.1.3气液相平衡数据…………2.2物料衡算………〔92.3板式吸收塔的工艺尺寸的计算…………………〔102.3.1塔径计算………………2.3.2塔截面积……………2.3.2塔截面积……………2.4溢流装置的计算………………〔10溢流堰长……………………〔10出口堰高……………………〔10降液管的宽度和降液管的面积………………〔10降液管底隙高度……………〔112.4.5塔板布置……………………〔112.5塔板的流体力学验算…………〔112.6塔板负荷性能图………………〔13漏液线……………………〔132.6.2雾沫夹带线…………………〔2.6.3液相负荷下限线………2.6.4液相负荷上限线……………〔2.6.5液泛线…………〔第三章板式塔的结构与附属设备……〔183.1塔体结构…………〔183.2塔板结构…………〔18第四章设计结果总汇…………………〔204.1板式塔设计汇总表………………<204.2结束语……………〔21附录1主要符号说明附录2参考文献附图一板式吸收塔工艺流程简图附图二板式塔的装配图第一章设计方案的简介1.1概述塔设备的类型塔设备是化工,石油化工,生物化工,制药等生产过程中广泛应用的气液传质设备。根据塔内气液接触构件的结构形式,可分为板式塔和填料塔两大类。板式塔内设置一定数量的塔板,气体以鼓泡或喷射形式穿过板上的液层,进行传质与传热。在正常操作下,气相为分散相,液相为连续相,气相组成呈阶梯变化,属逐级接触逆流操作过程。板式塔与填料塔的比较及选型.1板式塔与填料塔的比较工业上,评价塔设备的性能指标主要有以下几个方面：生产能力,分离效率,塔压降,结构、制造及造价等。现就板式塔与填料塔的性能比较如下。1、生产能力板式塔与填料塔的液体流动和传质机理不同。板式塔的传质是通过上升气体穿过板上的液层来实现,塔板的开空率一般占塔截面积的7%~10%；而填料塔的传质是通过上升气体和靠重力沿填料表面下降的液流接触实现。填料塔内件的开孔率通常在50%以上,而填料层的空隙率则超过90%,一般液泛点较高,故单位塔截面积上,填料塔的生产能力一般均高于板式塔。2、分离效率一般情况下,填料塔具有较高的分离效率。工业上常用填料塔每米理论级为2~8级。而常用的板式塔,每米理论版最多不超过2级。研究表明,在减压,常压和低压操作下,填料塔的分离效率明显低于板式塔,在高压操作下,板式塔的分离效率略优于填料塔。3、压力降填料塔由于空隙率高,故其压降远远小于板式塔。一般情况下,板式塔的每个理论级压降约在0.4~1.1kPa,填料塔约为0.01~0.27kPa,通常,板式塔的压降高于填料塔5倍左右。压降低不仅能降低操作费用,节约能耗。4、操作弹性一般来说,填料本身对气液负荷变化的适应性很大,故填料塔的操作弹性取决于塔内件的设计,因而可根据实际需要确定填料塔的操作弹性。而板式塔的操作弹性则受到塔板液泛,液沫夹带及降液管能力的限制,一般操作弹性较小。5、结构,制造及造价等一般来说,填料塔的结构较板式塔简单,故制造、维修也较为方面,但填料塔的造价通常高于板式塔。应予指出,填料塔的持液量小于板式塔,持液量大,可使塔的操作平稳,不易引起产品的迅速变化,故板式塔较填料塔更易于操作。板式塔容易实现侧线进料和出料,而填料塔对侧线进料和出料等复杂情况不太适合。对于比表面积较大的高性能填料,填料层容易堵塞,故填料塔不易直接处理由悬浮物或容易聚合的物料。表1板式塔与填料塔对比序号填料塔板式塔压降小尺寸填料较大；大尺寸填料及规整填料较小较大空塔气速小尺寸填料较大；大尺寸填料及规整填料较小较大塔效率传统填料低,新型乱堆及规整填料高较稳定,效率较高持液量较小较大液气比对液量有一定要求适应范围较大安装检修较难较易材质金属及非金属材料均可常用金属材料造价新型填料投资较大大直径时较低1.1.2工业上,塔设备主要用于蒸馏和吸收传质单元操作过程。传统的设计中,蒸馏过程多选用板式塔,而吸收过程多选用填料塔。近年来,随着塔设备设计水平的提高及新型塔构件的出现,上述传统已逐渐打破。在吸收过程中采用板式塔已有不少应用范例。对于一个具体的分离过程,设计中选择何种塔型,应根据生产能力、分离效果、塔压降、操作弹性等要求,并结合制造、维修、造价等因素综合考虑。例如,多于热敏性物系的分离,要求塔压降尽可能低,选用填料塔较为适宜；对于右侧线进料和出料的工艺过程,选用板式塔较为适宜；对于有悬浮物或容易聚合物系的分离,为防止堵塞,宜选用板式塔；对于液体喷淋密度极小的工艺过程,若采用填料塔,填料层得不到充分润湿,使其分离效率明显下降,故宜选用板式塔；对于宜发泡物系的分离,因填料层具有破碎泡沫的作用,宜选用填料塔。1.2板式塔的设计板式塔的类型很多,但其设计原理基本相同。一般来说,板式塔的设计步骤大致如下：根据设计任务和工艺要求,确定设计方案；根据设计任务和工艺要求,选择塔板类型；确定塔径、塔高等工艺尺寸；进行塔板的设计,包括溢流装置的设计、塔板的布置、升气道〔泡罩、筛孔或浮阀等的设计及排列；进行流体力学验算；绘制塔板的复合性能图；根据复合性能图,对设计进行分析,若设计不够理想,可对某些参数进行调整,重复上述设计过程,一直到满意为止。1.2.1确定流程时要较全面、合理的兼顾设备、操作费用、操作控制及安全诸因素。<如图1装置流程简图>图1装置流程简图1.2板式塔是在塔内装很多的塔板,传热传质过程中基本上是在每层塔板上进行,塔板的形、板结构或塔板上气液两相的表现,来命名这些塔,诸如泡罩塔、筛板塔、浮阀塔、栅板塔、舌形塔、等等。.1泡罩塔泡罩塔是工业上使用最早的一种板式塔,其主要元件为升气管及泡罩。泡罩安装在升气管的顶部,分圆形和条形两种,国内应用较多的是圆形泡罩。泡罩尺寸分为φ80mm、φ100mm、φ150mm三种,可根据塔径的大小选择。通常塔径小于1000mm,选用φ80mm的泡罩；塔径大于2000mm,选用φ150mm的泡罩。其优点是：因升气管高出液层,不易发生漏液现象,有较好的操作弹性,即当气、液有较大的波动时,仍能维持几乎恒定的板效率；塔板不易堵塞,适于处理各种物料。缺点是:、：塔板机构复杂,金属耗量大,造价高；板上液层厚,气体流径曲折,塔板压降大,兼因雾沫夹带现象严重,限制了气速的提高,致使生产能力及板效率均较低。近年来泡罩塔已逐渐被筛板塔和浮阀塔所取代,然而因它有操作稳定、技术比较成熟、对赃物料不敏感等优点,故目前仍有采用的。.2筛板塔筛板塔是一种有降液管,板型结构简单的板式塔,孔径一般为４－８mm,制造方便,处理量较大,清洗,更换,修理较简单但操作范围较小,适应于清洁的物料,以免堵塞。其优点是：结构简单,造价低廉,气体压降小,板上液面落差也较小,生产能力及板效率均较泡罩塔高。主要缺点是：操作弹性小,筛孔小时容易堵塞。近年来采用大孔径〔直径10~25mm筛板可避免堵塞,而且由于气速的提高,生产能力增大。过去由于对筛板的性能研究不充分,认为操作不易稳定而未普遍应用,直到本世纪50年代初,对筛板塔的结构、性能作了较充分的研究,认识到只要设计合理、操作正确,同样可获得较满意的塔板效率和一定的操作弹性,故近年来筛板塔的应用日趋广泛。1.2.2.浮阀塔板是在泡罩塔板和筛孔塔板的基础上发展起来的,它吸收了两种塔板的优点。塔盘上开阀孔,安置能上下浮动的阀件〔固定阀除外。由于浮阀塔板的气体流通面积能随气体负荷变动自动调节,因而能在较宽的气体负荷下保持稳定操作;同时气体以水平方向吹出,气液接触时间长,雾沫夹带少,具有良好的操作弹性和较高塔板效率,在工业中得到了较为广泛地应用。浮法塔板的结构特点是在塔板上开有若干大孔〔标准孔径为39mm,每个孔上装有一个可以上下浮动的阀片。浮阀的型式很多,目前国内已采用的浮阀有5种,但最常用的浮阀型式为F1型和V-4型。总之,浮阀塔生产能力大,弹性大,分离效率高,雾沫夹带少,液面梯度较少,结构简单等特点。第二章板式塔工艺尺寸计算2.1基础物性数据2.1对于低浓度吸收过程,溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。由手册查得,20℃的H2O物性数据：密度ρL=998.2kg粘度μL=0.001Pa•s=3.6kg/<m•h>表面张力σL=72.6dyn/cm=940896kg/hSO2在水中的扩散系数DL=5.29×10-6m2.1混合气体的平均摩尔质量为Mvm=∑yiMi=0.02×64.13+0.98×29=30.76混合气体的平均密度ρvm=PMvmRT=对于低浓该气体粘度近似的取空气粘度,查手册地20℃ρVm=PMVmRT查手册地20℃空气的粘度为μV=1.81×10-5Pa·s=0.065查手册得二氧化硫在空气中的扩散系数为DV=0.039m2.1由手册查得,常压下20℃时,SO2亨利系数为E=3550kPa相平衡常数m=E/P=3550/101.3=35溶解度系数2.2物料衡算1、进塔的气相摩尔比为Y1=y11-y2、出塔的气相摩尔比为Y2=Y1<1-φA>=0.0526×<1-0.95>=0.002633、进塔惰性气相流量为GB=300022.4×273293×4、该吸收过程属低浓度吸收,平衡关系为一条直线,最小液气比可按下式计算：(对吸收剂为纯水的吸收过程,进塔液组成X2=0因此,(取操作液气比为最小液气比的1.4倍,即：L气相流量LS=46.55GB=46.55×118.5474=5518.38kmol/h根据LSX=<0.0526-0.00263>×146.55+02.3板式吸收塔的工艺尺寸的计算2.3采用Eckert通用关联图计算泛点气速。气相的质量流量为wV=GBρ=3000×1.1814=3544.2kg液相质量流量可近似按纯水的质量流量计算,即wL=LsMs=5518.38×18.02=99441.2076Lv=wLρLVs=3000Nm3/h计算液相负荷因子C：塔板间距HT的选取与塔高、塔径、物系性质、分离效率、操作弹性伊基塔的安装、检修等因素有关。设计时通常根据塔径的大小,由表2列出的塔板间距的经验数值选取。表2塔板间距与塔径的关系塔径D,m0.3~0.50.5~0.80.8~1.61.6~2.02.0~2.4＞2.4板间距HT,m0.2~0.30.3~0.350.35~0.450.45~0.60.5~0.8≥0.8设计中,板上液层高度hL由设计者选定。对常压塔一般取为0.05~0.08m；对减压塔一般取为0.025~0.03m。选取板间距HT=0.45m,板上清液高度hL=0.08m,HT-hL=0.37mLVVS(由史密斯关联图查得C20=0.035已知水在20℃时的表面张力σL=72.6dyn/cm=940896kg/h修正校正表面张力后的C值为C=C20(σL式中C——操作物系的负荷因子,m/s；σL——操作物系的液体表面张力,mN/m。最大允许空塔气速umax=cρL-ρVρV=根据设计经验,乘以一定的安全系数,即u=<0.6~0.8>umax安全系数的选取于分离物系的发泡程度密切相关。对不易发泡的物系,可取较高的安全系数,对易发泡的物系,可取较低的安全系数。取安全系数为0.6,则u=0.6umax=0.8580m/s∴塔径DT=VSuπ故取整D=1.4m2.3.2塔截面积AT=π4D2.6塔板负荷性能图2.由u0,min=4.4C0(0.0056+0.13u0,min=hL=hW+hOWhOW=2.841000×联立得：Vs,min=4.4C=2.19390.005103+0.1546在操作范围内,任取几个Ls值,依上式计算Vs值,计算结果如表5-1Ls,m3/s1.5710×10-33.1420×10-34.7130×10-36.2840×10-3Vs,m3/s0.18600.20130.21330.2234由上表数据可做出漏液线12.6以ev=0.1kg液/kg气为限,求Vs–Ls关系如下由ev=ua=VsAT-AhW=0.0439hOW=2.841000×1×(3600hf=2.5hL=2.5<hW+hOW>=2.5<0.0439+1.19Ls2/3>=0.10975+2.975Ls2/3ev=5.7×10整理得VS=0.536-6.644LS2/3在操作范围内,任取几个Ls值,依上式计算Vs值,计算结果如表5-2Ls,m3/s1.5710×10-33.1420×10-34.7130×10-36.2840×10-3Vs,m3/s0.44620.39350.34920.3098由上表数据可做出液沫夹带线22.对于平直堰,取堰上液层高度hOW=0.006m作为最小液体负荷标准,hOW=2.84取E=1.04,则Ls,min=0.006×10002.842据此可做出与气体流量无关的垂直液相负荷下限线32.以Ɵ=4S作为液体在降液管中停留时间的下限Ɵ=Af故Ls,max=AfHT4=据此可做出与气体流量无关的垂直液相负荷上限线42.令Hd=φ<HT+hW>由Hd=hp+hL+hd,hp=hc+h1+hσh1=βhLhL=hW+hOW联立得φHT+<φ-β-1>hW=<β+1>hOW+hc+Hd+hσ忽略hσ,将hOW与Ls,Hd与Ls,hc与Vs的关系式代入上式,并整理得a’Vs2=b’-c’Ls2-d’Ls2/3式中,a’=0.051b’=φHT+<φ-β-1>hWc’=0.153/<lwh0>2d’=2.84×10-3E<1+β>(将有关数据代入得：a’=0.0510.101×b’=0.5×0.35+<0.5-0.6-1>×0.0439=0.1267c’=0.153/<0.42×0.0312>2=891d’=2.84×10-3×1×<1+0.6>(3600故0.205/Vs2=0.1267-891Ls2-1.9032Ls2/3在操作范围内,任取几个Ls值,依上式计算Vs值,计算结果如表5-3Ls,m3/s1.5710×10-33.1420×10-34.7130×10-36.2840×10-3Vs,m3/s0.69400.61300.56760.5103由上表数据可做出液泛线5根据以上各线方程,可作出泡罩塔的负荷性能图,如图5-1所示在负荷性能图上,作出操作点A,连接OA,即作出操作线。由图可看出,该筛板的操作上限为液泛控制,下限为漏夜控制。由图5-1查得Vs,max=0.61m3/sVs,min=操作弹性为Vs,maxVs,min=第三章板式塔的结构与附属设备3.1塔体结构3.1.1由顶部第一块塔板到筒体与封头接线的距离〔不包括封头空间叫塔顶空间高度。通常取HD=1.5~2.0HT可取HD=2.0HT=2×0.45=0.9m3.1.2由塔底第一块塔板到塔底封头接线的距离称为塔底空间。塔底液面至最下层塔板之间要〔1~2m的间距,大塔可以大于此值,因此塔底空间.3.1对于D≥1000mm的板式塔,为安装、检修的需要,一般每隔6～8层塔板设一人孔。人孔直径一般为450mm～600mm,其伸出塔体的筒长为200～250mm,人孔中心距操作平台约800～1200mm。设人孔的板间距应等于或大于600mm。3.塔的高度是有效高度,底部,和顶部空间及裙座高度之和。根据给定的分离任务,求出理论板层后,就可按照下式计算塔的有效高度,即：式中Z--塔高,m--塔内所需的理论板数--总板效率--塔板间距,m可得Z=80.4×3.2塔板结构塔板按结构特点,大致可以分为整块和分块式两类塔板。塔径小于800mm时,一般采用整块式；塔径超过800mm时,由于刚度、安装、检修等要求,多将塔板分成数块通过人孔送入塔内。对于单溢流型塔板,塔板分块数如表5所示：表5塔板分块数塔径,mm800-12001400-16001800-20002200-2400塔板分块数3456第四章设计结果总汇4.1板式塔设计汇总表板式塔设计计算结果序号项目筛孔板式塔1气相流量0.83332液相流量0.027673实际塔板数84有效段高度Z,m95塔径,m1.46板间距,m0.457溢流形式单溢流8降液管形式弓形9堰长,m0.9810堰高,m0.015711板上液层高度,m0.0812堰上液层高度,m0.064313降液管底隙高度,m0.009714边缘区宽度,m0.0315开孔区面积1.05916筛孔直径,m0.00417筛孔数目849418孔中心距,m0.01219开孔率,%10.120空塔气速0.541621筛孔气速7.791122稳定系数2.4823每层塔板压降,Pa874.9524负荷上限液沫夹带控制25负荷下限液相控制下限26液沫夹带5.749×10-727气相负荷上限0.00227528气相负荷下限0.00038529操作弹性3.5884.2结束语本设计为筛孔式吸收塔设计,在设计过程中,物性数据的求取很繁琐,塔的工艺尺寸也需经过多次试差才达到要求,实际塔板数的求取既要通过作图、查图,又要通过计算才可完成。本设计由于我们的知识与经验都不足有些不合理的地方,总的来说本塔的设计基本满足一般的工艺要求。通过这次的课程设计我们更加了解了板式塔及吸收过程。对于以后的学习和工作都有一定的帮助。通过这次的设计,我们对于以前所学习的理论知识有了更深入的认识,并学到了许多实践中的东西