液体吸收塔装置设计说明书

1 液体吸收塔装置设计说明书 1 流程的说明 种流程的比较 吸收装置的流程主要有以下几种 (1) 逆流操作： 定义：气相自塔底进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出的操作。 特点：传质平均推动力大，传质速率快，分离效率高，吸收剂利用率高。 适用情况：工业生产中多采用逆流操作。 (2) 并流操作： 定义：气液两相均从塔顶流向塔底的操作。 特点：系统不受液流限制，可提高操作气速，以提高生产能力。 适用情况：当吸收过程的平衡曲线较平坦时，流向对推动力影响不大 ; 易溶气体的吸收或处理的气体不需吸收很完全 ;吸 收剂用量特别大，逆流操作易引起液泛。 (3) 吸收剂部分再循环操作： 定义：在逆流操作系统中，用泵将吸收塔排出液体的一部分冷却后与补充的新鲜吸收剂一同送回塔内的操作。 适用情况：当吸收剂用量较小，为提高塔的液体喷淋密度；对于非等温吸收过程，为控制塔内的温升，需取出一部分热量。该过程特别适宜于相平衡常数 m 值很小的情况，通过吸收液部分再循环，提高吸收剂的使用效率。应予以指出，吸收及部分再循环操作较逆流操作的平均推动力要低，且需设置循环泵，操作费用增加。 (4) 多塔串联操作： 如设计的填料层高度过大，或由于 所处理的物料等原因需经常清理填料，为便于维修，可把填料层分装在几个串联的塔内，每个吸收塔通过的吸收剂和气体量都相等，即为多塔串联操作。 (5) 串联 并联混合操作： 若吸收过程处理的液量很大，如果用通常的流程，则液体在塔内的喷淋密度过大，操作气速势必很小，塔的生产能力很低。实际生产中可采用气相做串联，液相做并联的混合流程；若吸收过程处理的液量不大而气相流量很大时，可采用液相做串联，气相做并联的混合流程。 程的确定 装置流程的确定：本填料吸收塔的设计任务是用水吸收 于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 . 2 2 填料的选择 料的类型 填料是填料塔中气液接触的基本构件，其性能的优劣是决定填料塔操作性能的主要元素，因此，填料的选择是填料塔设计的重要环节。 填料类型：填料种类很多，根据装填方式的不同可分为散装填料和规整填料两大类。 1. 散装填料： 散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积在塔内，又称为乱堆填料或颗粒填料。散装填料根据结构特点的不同，又可分为环形填料，鞍形填料，环鞍形填料及球形填料等。 拉西环填料：拉西环为外径与高度相等的圆 环，通常由陶瓷或金属材料制成。其结构简单，制造容易，但堆积时相邻环间易形成线接触，填料层的均匀性差，致使传质效率低。而且流动阻力大，操作范围小。 鲍尔环：鲍尔环是在拉西环的壁上开一层或两层长方形窗口，窗孔的母材两层交错地弯向环中心对接。这种结构使填料层内气、液分布性能大为改善，尤其是环的内表面得到充分利用。气液通量得到提高而压降仅为拉西环的一半，分离效果也得到提高。 阶梯环：鲍尔环基础上改造得出的。其高径比较小，气体绕填料外壁的平均路径大为缩短，减少了阻力。喇叭口一边，不仅增加机械强度，而且使填料之 间为点接触，有利于液膜的汇集与更新，提高了传质效率。目前所使用的环型填料中最为优良的一种。 弧鞍型：表面全部敞口，不分内外，液体在表面两侧均匀流动，表面利用率高，流动呈弧形，气体阻力小。但容易产生沟流， 强度差，易破碎，故应用较少。 矩鞍型：矩鞍形填料结构不对称堆积时不重叠均匀性更高。该填料气流阻力小，处理能力大，构造简单，是一种性能优良的填料。 环矩鞍：兼具环型、鞍型填料的优点。敞开的侧壁有利于气体和液体通过，减少了填料层内滞液死区。填料层内流体孔道增多，使气液分布更加均匀，传质效率高。 2规整填料 规整填料是由许多相同尺寸和形状的材料组成的填料单元，以整砌的方式装填在塔体中。规整填料主要包括板波纹填料、丝网波纹填料、格利希格栅、脉冲填料等，其中尤以板波纹填料和丝网波纹填料所用材料主要有金属丝网和塑料丝网 料材质： （ 1）陶瓷材料 陶瓷材料具有良好的耐腐蚀性及耐热性，对强碱介质，可以选用耐碱配方制造的耐碱陶瓷材料。陶瓷材料因其质脆，易碎，不宜在高冲击强度下使用。在工业上，主要用于气体吸收，气体洗涤和液体萃取等过程。 (2)金属填料 金属填料可用多种材质制成，金属材质的选择主 要根据物系的腐蚀性和金属材质的耐腐蚀性来综合考虑。碳钢填料造价低，且具有良好的表面润湿性能，对于无腐蚀或低腐蚀性物系应优先考虑使用。 (3)塑料填料 塑料填料的材质主要包括聚丙烯，聚乙烯及聚氯乙烯等。塑料填料的耐腐蚀性能较好，可耐一般的无机酸，碱和有机溶剂的腐蚀且耐温性良好。塑料填料具有质轻、价廉、耐冲击、不易破碎等优点，多用于吸收、解吸、萃取、除尘等装置中。 3 料的的选择 综合考虑以上因素在本次设计中采用散装填料，因为鲍尔环填料的分离效果不错，综合性能较好所以选择 50 50 鲍尔环乱堆填 料。 4 3 吸收塔的工艺计算 础物性数据 相物性数据 对于低浓度的吸收过程，溶液的物性数据可以近似取纯水的物性数据 20时水的有关物性数据如下： 密度 L=998.2(kg/ 粘度 L= 表面张力 L=941803(kg/L=10 2/s)=10-6(m2/h) 相物性数据 混合气体的平均摩尔质量 为 29=合气体的平均密度为 kg/ 混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册的 25 C 空气的粘度为)(G s） 2空气中的扩散系数为 (24G m2/s) 液两相平衡时的数据 常压下 20 2水中的亨利系数为相平衡常数为 溶解度系数为 33 /mk m )/(G 5 料衡算 y y 进塔气相摩尔比为 11 出塔气相摩尔比为 0 0 2 5 2 5 2 5 22 进塔惰性气相流量为 00 衡曲线可近似为直线，最小液气比可按下式计算，即 2121m 对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为 02 X 5 2 0 2 5 2 i n 取操作液气比 6 L=h) )()( 2121 211 L + 0251)/+0 =料塔的工艺尺寸计算 径的计算 采用 用关联图计算泛点气速，液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即 h 气相质量流量为 800 268kg/h 6 用关联图的横坐标为 9 8 . 21 . 2 6(22686 3 2 08 . 7 5)( 0 5查 用关联图得0 2 3 式中： 泛点气速 m/s L ：液体粘度 s g：重力加速度 1F m：试验填料因子， ；水密度与液体密度之比: （ 12 ） G， L ：气相，液相密度 kg/次设计选用的是 5050鲍尔环料乱堆填料。 查表 5 填料因子 1130 7 泛点气速： 对于散装填料，泛点率的经验值为 0 0 ， 泛点率的选择，对于加压操作，选择较高的泛点率，减压操作选择较低的泛点率， 8 2 1 6 0 0/1 8 0 044 标准塔径有 400500； 600； 700800； 1000； 1200； 圆整塔 D 取 800 点率校核和填料规格 泛点率校核 600/1800 2 % 0 01 7 9 在允许范围内 ) 填料规格校核 有 81650800 体喷淋密度校核 取最小润湿速率为： /m 工原理课程设计（化工传递与单元操作课程设计）附录五得 32 / w 23m i nm i n /13208.0 m i U 故满足最小喷淋密度的要求。 经以上校核可知，填料塔直径选用 D=800理 8 料层高度计算 质单元数的计算 11 0* 22 0 1 7 5 5 0 2 32121 0 2 5 2 21 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 )()()()( 查表 (常见材质的临界表面张力值 ) y 4 2 7 6 8 0/33 ，941803/ 液体质量通量为)./(L 25813()941803427680(1 26 8 0.0 气体质量通量为)./(G 9 气膜吸收系数由下式计算 )()()( )./(20273(p m o l 液膜吸收系数由下式计算 ()()(0 0 9 )/( 5 8 1 3( 由 1.1，查附 5表 得， 则 )./( k p m o )/( 因为 %50%故需要校正。 由 得 )./( 34.1 k p m o )/( 1 2.2 则有 )./( k p mo 由 10 料层高度的计算 2 根据设计经验，填料层设计高度一般为 Z 因此取 所以设计取填料层高度为 查附 5表 ，对于瓷鲍尔环填料， h/D=5 10,h m 取 0 08 0 08,8 则 计算得填料层高度为 5000不需要分段。 料塔附属高度的计算 塔上部空间高度， 通过相关资料可知，可取为 底液相停留时间按 虑，则塔釜液所占空间高度为： )/(0 1 7 5 83 6 0 2 0 83 6 0 0 3 )( 1 7 5 01 221 考虑到气相接管所占空间高度，底部空间高度可取 以塔的附属空间高度可以取为 。 因此塔的实际高度取 H=.8(m) 料层压降 P 的计算 气体通过填料层的压力降采用 联图计算，有前面计算可知 空塔气速 u= m/s =130坐标为： 2 横坐标为： 9 8 . 21 . 2 6(22686 3 2 08 . 7 5)( 0 5交点在每米填料压力降 P=450等压线上。故气体通过每米填料的压力降为 450 P 总 = P Z=450 5=225011 点率 吸收塔操作气速为 %0 017 4 f 对于散装填料，其泛点率的经验值为： 所以该塔的泛点率合适。 12 4 辅助设备的选用 填料塔的附属设备有填料支承板、液体分布装置、液体再分布装置、气体和液体进出口装置以及除雾器等。填料塔附属装置的选型和设计对于保证塔的正常操作及性能的发挥至关重要。以下简要介绍几种常用的附属结构。 料支承装置 填料支撑结构是用于支承塔内填料及其所特有的气体和液体的重量之装置。对填料支承结构的基本要 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。 常用的填料支承板主要有栅板式和气体喷射式等结构。 1、 栅板式支承板 栅板式的支承结构较为常见，由竖立的扁钢制成。栅板可以制成整块式或分块式的。一般直径小于 500径为大于 600以根据情况将栅板分成若干块，每块宽度在 300400间，以便于装卸。栅条间距为填料外径的 直径较大的塔中，当填料环尺寸较小时， 也可采用间距较大的栅板、 2、气体喷射式支承板 气体喷射式支承板的结构特点是：为气体和液体提供了不同的通道，气体易于进入填料层，液体也可自由排出，避免了因液体积聚而发生液泛的可能性，并有利于液体的均匀再分配。气体喷射式支承板有圆柱升气管式和梁式，而以梁式较为优越，梁式支承板用于小塔可制成整体式，用于大塔则分块制作或塔内组装。它可提供超过 90%的自由截面（有时甚至达到 100%），保证气体通量大，阻力小。因此，在新型填料塔中广泛采用了这种结构。 综上所述选用 栅板式支承板 体喷淋装置 液体喷淋装置 的作用是为了能有效的分布液体，提高填料的有效利用率。选择液体喷淋装置的原则是能使液体均匀的分散开来，使整个塔截面的填料表面很好的润湿，结构简单，制造和检修方便。 液体喷淋装置的机构形式很多，常见的喷淋器结构有如下几种：管式喷淋器、莲蓬头式喷淋器、齿槽式分布器、盘式分布器、冲击式喷淋器等。对于各种类型的塔，应根据塔径的不同，选择不同的喷淋结构。 由于塔径 D=800槽式分布器 . 体再分布装置 填料塔内当液体沿填料层下流时，往往会产生壁流现象，使塔中心填料得不到良好的润湿，减少了气液接触的有效面 积。为了克服这种现象，当填料层过高时，应将填料层分段装填，并在塔内每两段填料之间安装液体再分布装置，使液体重新分布。液体再分布器的形式有多种，常用的结构有截锥式在分布器和槽型在分布器等。 顶除雾沫器 穿过填料层的气体有时会夹带液体和雾滴，因此有时需在塔顶气体排出口前设置除雾沫器，以尽量除去气体中被夹带的液体雾沫，常用的型式有填料除雾器、折流板式除雾器、丝网除雾器这几类 13 5 附属设备的计算与选择 收塔主要接管的尺寸计算 本设计中填料塔有多处接管，但主要的是气体和液体的进料口和出料口接管。在此分别以液体进料管和气体进料管的管径计算为例进行说明。气体和液体在管道中流速的选择原则为： 常压塔气体进出口管气速可取 10 20m/s；液体进出口流速可取 s。 1液体进料接管 进料管的结构类型很多，有直管进料管、弯管进料管、 设计采用直管进料管，管径计算如下 液液设计取进料管管内径取查 输送流体用地缝钢管： 知， 可选用热轧无缝钢管管径为 。则实际管内径为 s / 1 . 0 2 0 844 22 液。 2气体进料接管 采用直管进料。取气速 s 600/1800442 气设计取进料管管径 所以 查 输送流体用地缝钢管： 知 取管径为 219 实际管内径为 206实际通过气体接管的气速为： m/ 600/180042 s 气 3吸收剂输送管路直径及流速计算 根据管材规范，选择 型的热轧无 缝管道，其内径为 145实际流速为 。 14 心泵的计算与选择 a) 流量 8 2 0 8 3 b) 流量所需的扬程 2122 ff 中 : Z 两截面处位头差； 1直管阻力； 两截面处静压头之差； 2管件、阀门局部阻力； 两截面处动压头之差； 根据前面设计资料对上述公式各项进行估算： 管路总阻力和所需压头计算根据管路的平立面布置，计算所得雷诺数为： 3 5 3 20 0 1 0 0 （湍流） 利用柏拉修斯关系式有： 根据填料塔高及泵的大体位置，管路长 取 16 米 选用三个 90。 弯头，三个截止阀全开 f 6 22 考虑到安全系数，查得流量的安全系数为 程的安全系数为 1.1 3 1m 因为该吸收以清水为吸收剂，选用离心泵型号 为： 12 15 其性能参数如 转速（ r/ 流量 m3/h 扬程 H /m 效率 /% 轴功率 电机功率 必需汽蚀余量 (r /m 2900 100 200 78% 1 机的选择 气体流量为 1800m3/h 选 管径为 219 实际管内径为 206实际通过气体接管的气速为： m / 600/180042 s =气 本设计混合气体流量为 1800m3/h，上 面算的填料塔的全压降为 2250以选择 离心式鼓风机 其参数如下 流量 m3/h 全压 速 r/率 机型号 1800 2300 3500 16 设计结果列表 基础物性数据和物料衡算结果汇总：表 目 符号 数值与计量单位 吸收剂（水）的密度 L 998.2(kg/溶剂的粘度 L 溶剂表面张力 L 941803(kg/二氧化硫在 水中扩散系数 10 2/s)=10-6(m2/h) 混合气体的平均摩尔质量 混合气体的平均密度 G 二氧化硫在空气中扩散系数 10-4(m2/s)=m2/h) 亨利系数 E 103 气液相平衡常数 m 解度系数 H (m 二氧化硫进塔摩尔比 氧化硫出塔摩尔比 小气液比 (L/G)作液气比 L/G 性气体摩尔流量 G h ; 吸收剂摩尔流量 L 3507.7 h 液相进口摩尔比 液相出口摩尔比 17 填料塔工艺尺寸计算结果表： 表 目 符号 数值与计量单位 气相质量流量 2268kg/h 液相质量流量 h 塔径 D 800塔气速 u 泛点率 喷淋密度 U 气相总传质单元数 体质量通量 ( 2 气体质量通量 ( 2 气膜吸收系数 m.液膜吸收系数 m/h) 气相总吸收系数 (校正后 ) 液相总吸收系数（校正后） l