黄鸿林化工原理课程设计--均相物系分离系统的设计-水吸收S.docx

化工原理课程设计均相物系分离系统的设计-水吸收SO2 姓名：黄鸿林班级：10211501小组成员：黄鸿林 梁中原 邓玉玺指导教师：谭瑾时间：2017年9月化工原理课程设计任务书一、课程设计任务题目：水吸收SO2常压二、承担设计任务人员：黄鸿林、梁中原、邓玉玺。三、设计任务实施时间：第 2 周 第 3周四、设计任务分离物系：水吸收SO2 原料状态：20 oC yb=0.12分离要求：吸收率99%设计能力：72000吨/年。（按 300天/年 计）操作压力：1atm小组分工黄鸿林：资料搜集与整理、工艺流程整理、工艺与设备设计、报告撰写；梁中原：排版、资料搜集与整理、部分工艺与设备设计；邓玉玺：资料搜集与整理、工艺流程整理、部分工艺与设备设计；第1章 绪论1.1 SO2 的来源二氧化硫的来源包括微生物活动，火山活动，森林火灾以及海水飞沫。主要有自然来源和人为来源两大类：自然来源主要是火山活动，喷出的火山气体中含有大量的二氧化硫气体，地质深处的天然硫元素在火山喷发过程中燃烧氧化为二氧化硫，随火山灰一起喷射到大气中。地球上57%的二氧化硫来自自然界，沼泽、洼地、大陆架等处所排放的硫化氢，进入大气，被空气中的氧氧化为二氧化硫。自然排放大约占大气中全部二氧化硫的一半，通过自然循环过程，自然排放的硫基本上是平衡的。人为来源则指在人类进行生产、生活活动中，使用含硫及其化合物的矿石进行燃烧，以及硫矿石的冶炼和硫酸、磷肥纸浆的生产等产生的工业废气，从而使其中一部分或全部的硫以二氧化硫的形式排放到大气中，形成二氧化硫污染。这部分二氧化硫占地球上二氧化硫来源的43%。随着化石燃料消费量的不断增加，全世界认为排放的二氧化硫在不断在增加，其中北半球排放的二氧化硫占人为排放总量的90%。我国的能源主要依靠煤炭和石油，而我国的煤炭、石油一般含硫量较高，因此，火力发电厂、钢铁厂、冶炼厂、化工厂和炼油厂排放出的大量二氧化硫和二氧化碳是造成我国大气污染的主要原因。由于我国部分地区燃用高硫煤，燃煤设备未能采取脱硫措施，致使二氧化硫排放量不断增加，造成严重的环境污染。1.2 SO2 的性质（1）物理性质二氧化硫又名亚硫酸酐，英文名称：sulfurdioxide。无色气体，有强烈刺激性气味。分子量64.07密度为1.4337kg/m3（标准状况下），密度比空气大。溶解度：9.4g/mL（25）熔点76.1（200.75K）沸点10（263K）蒸汽压338.32kPa(2538mmHg，21.11)易溶于水，在338.32kPa水中溶解度为8.5%（25）；易容于甲醇和乙醇；容于硫酸、乙酸、氯仿和乙醚等。易液化（mp：10）。（2） 化学性质二氧化硫是一种酸性氧化物，它极易溶于水，其水溶液呈酸性，为亚硫酸水溶液。实际上，二氧化硫水溶液中成分为SO27H2O，仅含有微量的亚硫酸，但是亚硫酸盐含有亚硫酸根离子。所谓的亚硫酸水溶液能被空气逐渐氧化成硫酸，其浓度越低氧化越快，而且一经加热就会有自行氧化。二氧化硫在完全燃烧干燥时几乎不与氧气发生反应，当在有初生态氧的燃烧环境下，或者对二氧化硫与氧气的混合物进行放电，则有氧化反应发生。氧化性：SO2+2H2S=3S+2H2O；还原性：能被Cl2、Br2、I2、Fe3+、KMnO4、HNO3等强氧化剂氧化成高价态硫元素。SO2+X2+2H2O=H2SO4+2HX。第2章 方案设计2.1塔型选择在进行工艺设计、设备设计之前，需要确定塔型以选择工艺设计模型，因此，先讨论吸收塔的选型。以便工艺设计和其他辅助设备选型的正常进行。工业上常用的塔型主要为填料塔和板式塔中的筛板塔、浮阀塔三种。通过比对填料塔和板式塔的特性我们发现以下几点：（1）填料塔的压降比板式塔的压降要小，阻力小；（2）填料塔空塔气速因子（生产能力）更大，塔效率高3；（3）两种塔的液气比范围都比较大；（4）板式塔因为采用塔板结构，与多孔的填料相比，持液量较大（大于填料塔1%-6%）4；（5）采用规整填料的填料塔维修难度、造价以及质量都适中；同样因为规整填料的使用，设备的设计与生产更加简洁方便，塔径与塔高已经不再成为设备选型的重要考虑因素5；（6）填料塔适应各种材质，板式塔要求用一般金属材质制作，而本设计任务中SO2物料具有腐蚀性，故填料塔具有优势。通过以上分析，我们得出结论：在当前情况下，规整填料已经大大发展，采用填料塔更有优势，除了在工艺设计方面模型更加简洁外，填料的塔的阻力更小，效率高，因而节省了操作过程中的费用，同时设备的耐腐蚀、易维修、运行稳定性、性价比等性质都优于板式塔，这也是近年来填料塔得到迅速发展的原因。2.2填料的选择以波纹填料为主的规整填料自20世纪60年代即发展起来。波纹填料材料细，孔隙率大，排列规整，因而气流通过能力强，压降小，湿润率提高，液泛现象不明显，持液量也大大减小。故，在此我们选择规整的波纹填料作为填料式吸收塔的塔内填料。考虑到防腐蚀、塔身质量和环境温度（塔内吸收温度为20，厂房内部温度也不会超过40度），我们选择塑料丝网波纹填料BX6。第3章 工艺设计3.1吸收过程的计算3.1.1吸收模型的选择虽然本次设计中，原料气中SO2摩尔分数yb=0.120.1，需要采用高浓度气体的吸收模型。但是惰性气体和溶剂的摩尔流率可以视为不变，因此，还可以使用恒摩尔流假设。3.1.2工艺参数计算过程1.溶剂溶液参数计算任务书中规定，年处理原料气72000t，吸收率99%；塔内气压为P=100kpa；在保证生产连续、稳定的前提下，我们可以得出原料气流率：G1=72000/（30024）=10t/h2777.78g/s此时的空气摩尔质量：m=0.88280.1264=32.32g/mol则原料气的流率也可以表示为：G2=G1/m=0.086kmol/s=309.6kmol/h 因为yb=0.12，故惰性气体流率为：Gb=G1m0.88=0.0756kmol/s=272.4mol/h由高浓度气体情况下，惰性气体和溶剂的摩尔流率可以视为不变的假设进行物料衡算：Gb（Yb-Ya）=Lsmin（Xb-Xa） （1）其中Yb、Ya、Xb、Xa为摩尔比（1）入塔气体中SO2摩尔分数：yb=0.12（2）出塔气体中SO2摩尔分数：ya=yb（1-99%）=0.120.01=0.0012（3）入塔溶剂中SO2摩尔分数： xa=0（4）出塔溶剂中SO2摩尔分数xb*的计算：利用SO2水溶液的气液平衡关系，由yb计算出xb*，由于高浓度吸收中相平衡关系曲线不是直线，亨利系数m变化，因此，我们通过下面的图3-1得出xb*：图3-1 293K下几种气体在水中的溶解曲线cAyb=0.12，故SO2在水中的分压应为pA=12kpa，按照图中所做的图线得出：10ca=2.5kmol/m3 故 ca（SO2）=0.25kmol/m3则 xb*=0.25/（1000/18）=4.510-3将以上yb、ya、xa、xb*四个数据带入到公式（1）中，可得：0.075（0.12/（1-0.12）0.0012/（1-0.0012）=Lsmin（0.00 45/（1-0.0045）-0）则：Lsmin=2.24kmol/s=8073kmol/h因为水溶液比较稀，故此时溶液的摩尔质量可以用水的摩尔质量来近似代替，则Ls还可以表示为：Lsmin=2.2418=40.32kg/s=145.152m3/h=145.152t/h至此，所需溶剂的量我们已经得出。但是，此时的流量为最小液气比下得出的最小溶剂量，我们考虑到塔内喷淋的不均匀性、溶剂可能吸附于塔壁和填料、溶剂蒸发等等因素，为了确保达到吸收率大于99%的工艺设计要求，我们选择实际的液气比为1.257。从任务书中我们知道，气体流量已经固定，因此，合适的溶剂流量应为：Ls=1.25Lsmin=1.25145.152=181.44t/h2.传质单元数和传质单元高度（1）传质单元数用NOG表示，采用对数平均推动力法进行计算从图3-1可以看出，在本次的设计条件下，在SO2水溶液浓度为0-0.4kmol/m3时，相平衡关系可以近似为直线关系：y=mx其中亨利系数m可近似为：m=yb/xb*27ya=yb-yb*=0.12-（0.0045/1.25）27=0.0228ya=ya-ya*=0.0012-027=0.0012ym=(ya -yb)/ln(ya/ya)=0.0216/ln(0.0228/0.0012)=0.0073NOG=（yb-ya）/ym=(0.12-0.0012)/0.0073=16.27（2）查询到传质系数8为：KGa=0.056kmol/（m3s） HOG=GKGa （2）（3）G的单位为kmol/（m2s），上面计算的G2单位为kmol/s，需要我们算出塔的横截面积。我们在第二章的第1.2.2小节中已经提到，使用规整波纹填料，因此，在这里可以很容易得到以下相关数据：泛点：丝网波纹填料泛点不明显，故可以用下式进行计算9：uF=ueF1.2g g为气体密度 ，单位为kg/m3：由PV=nRT=mMRT则 g=mV=PMRT=（10000032.32）/（8.314293）=1.33kg/m3ueF=2.9m/suF=2.9(1.2/1.33)=2.75m/s对于波纹填料塔，空塔气速一般取为泛点气速的75%10，故空塔气速为：u=uF75%=2.06m/s按照下面公式初估塔径，初估塔径后，按照国内公称直径标准（JB 115373）进行圆整11。直径1m以下，间隔为100mm；直径1m以上，间隔为200mm。 D=Vs/（0.875u） Vs为气体体积流量，m3/s；u为空塔气速；D为初估塔径，m；D=(2.1/(0.875*2.06)=1.08m=1080mm按照国家标准，同时考虑到塔高的因素，此时塔径应该圆整到1300。吸收塔的横截面面积A为：A=（D/2）2=3.14（1.3/2）2=1.33m2G=G2/A=0.086/1.33=0.065kmol/（m2s）将G代入到（2）式中，得到：HOG=0.065/0.056=1.16m所以：填料层高度为：h=HOGNOG=1.1616.27=18.9m3.2解析塔概述3.2.1解吸方法将吸收液中溶质分离的过程叫做解吸过程，是吸收的逆过程。解吸的方法主要有加热解吸、惰性气体解吸、减压解吸和化学解吸四种。 （1）减压解吸适用于吸收过程为加压吸收的流程中，化学解吸则会带来一定的杂质，影响溶剂的回收。同时，考虑到减压解吸要用到更多的设备和能源，化学解吸需要购置更多的原料，这都将使得生产成本升高。故，我们多采用加热解吸和惰性气体解吸的方法。（2）加热解吸因为需要采用比吸收过程更高的温度，所以广泛的使用在常温吸收过程中。通常采用直接蒸汽加热或者间接蒸汽加热，能耗比减压法要小。（3）惰性气体解吸是通入空气等不溶于溶剂的气体，将溶质气体带出的方法，也叫做汽提法。这种方法消耗的能源少，循环生产的能力更强，带来的污染也少。缺点在于富集后的气体物料属于混合物，在某些生产环节需要进行进一步的分离，但是考虑到我们这里所涉及的溶质为SO2，故可以将富集后达到一定高的SO2浓度的气体物料用于硫酸的生产。3.2.2解吸条件加热解吸中，最重要的操作条件是温度，在此提供一点建议。如图3-2为解吸温度与解吸效果的关系曲线，富液的初始温度为20。 图3-2 解吸温度与解吸效果的关系曲线可以看出，随着温度的升高，SO2的解吸量是增加的，在温度达到60时，只要时间足够长，SO2解吸量会逐渐增多。但是当温度达到90时，溶液发生了沸腾现象。所以温度过高也不好，当温度超过90时，溶液会大量蒸发而造成吸收剂的损失。实验表明，适宜的解吸温度为506012。第4章 设备设计下面的是一个具有两个填料段的填料吸收塔结构图，展示了各个构件的安装位置。图4-1填料塔结构图1.塔壳体2.液体分布器3.填料压板4.填料5.液体再分布装置6.填料支承板4.1塔设备设计4.1.1填料的选则关于填料的选择，我们在第二章的第1.2.2小节中已经提到，在此不再赘述。4.1.2填料层流体力学条件泛点：丝网波纹填料泛点不明显，故可以用下式进行计算：uF=ueF1.2g g为气体密度 ，单位为kg/m3：PV=nRT=mMRT则 g=mV=PMRT=（10000032.32）/（8.314293）=1.33kg/m3ueF=2.9m/suF=2.9(1.2/1.33)=2.75m/s对于波纹填料塔，空塔气速一般取为泛点气速的75%，故空塔气速为：u=uF75%=2.06m/s按照下面公式初估塔径，初估塔径后，按照国内公称直径标准（JB 115373）进行圆整。直径1m以下，间隔为100mm；直径1m以上，间隔为200mm。 D=Vs/（0.875u） Vs为气体体积流量，m3/s；u为空塔气速；D为初估塔径，m；D=(2.1/(0.875*2.06)=1.08m=1080mm按照国家标准，同时考虑到塔高的因素，此时塔径应该圆整到1300。圆整后的实际空塔气速应为：u=Vs/(D20.875)=1.42m/suF=2.75m/s压降：波纹填料的压降一般由制造厂来提供。从相关手册来看，塑料丝网波纹填料的每块理论板压降为60Pa。我们前面得到的总填料层高度为h=18.9m，而对于塑料丝网波纹填料BX，每米填料的理论板数约为5。则总压降为：P压降=18.9560/1000=5.67kpa前面规定，此时的操作处于常压下，故压降所占百分比为：降=5.67/100100%=5.67%可以看到，压降很小，可以忽略，即压降不影响到塔内的吸收过程。波纹填料的持液量较小，且目前还没有成熟的关联式，一般文献描述为填料容积的5%13。填料容积为：V=hA=18.91.33=25.137m3故持液量Ht为：Ht=V5%=25.1375%=1.25m3填料层分段液体沿填料层下流时，有逐渐向塔壁方向集中的趋势，形成壁流效应。壁流效应会造成填料层气液分布不均匀，使得传质效率降低。因此，每隔一定的填料层高度，需要设置液体收集再分布装置，即将填料层分段。按照推荐，规整填料的分段高度h=3.0m现有填料层总高度为18.9m，则应分为6层4.1.3塔内构件的设计(1)填料层顶部压板我们选用了塑料填料，故在此选用固定式压板14。（2）支承板支承板承担板上填料的重力和填料的持液量，开孔面积接近于填料的孔隙率。考虑到此塔高度较高，则选择瓦楞形的支承板来增大强度，如图4-2：图4-2 支承板此塔中填料的材质为聚丙烯，聚丙烯填料的平均密度为=120kg/m3填料体积V=hA=18.91.33=25.137m3则填料的质量为：M=V=3.16t持液量Ht=1.25m3，则质量为Mt=1.25t共有六段填料，故每块支承板此时至少要承重：M总=（1.25+3.16）/6=0.735t每段填料使用一块支承板，共六块。（3）液体分布器15对于常压型填料塔，每平方米塔板上应该有30个以上的喷淋点，高真空要求较高，在45个左右。考虑到使用规整的精密型填料，塔内气压为一个大气压，我们在35-40之间选取。我们设计的塔为直径1300mm的塔，已经属于较大的塔，因此，可以采用管式喷淋器、盘式喷淋器和槽式喷淋器三种喷淋器。（4）丝网除沫器丝网除沫器用于分离塔中气体夹带的液滴，以保证传质效率。对于本设计中的填料塔，因为气体由塔底运行到塔上，故选择上装式丝网除沫器。4.1.4塔及塔内设备材料的选择SO2气体及其水溶液都会引起塔身及塔内设备的腐蚀。因此，选择合适的材料成为了设备安全运行、降低安全风险、节约生产成本的重要环节。1.塔身材料（1）钢制材料ZG35Cr25Nil2 、ZG50Cr28Ni48W5 、ZG40Cr25Ni20、ZG40Cr25Ni35Nb、ZGCr50Ni50Nb是石化工业中5种常用的耐热钢材料，5种材料分别简称为2512、2520、2535、2848和5050。洛阳船舶材料研究所的谭惠钟，陈继志，王嘉敏研究17：在混合气体情况下，5种材料的耐腐蚀性能均表现良好可通过促进村料表面形成致密氧化膜的方式提高其耐一氧化硫腐蚀性能。对于2848钢，高浓度硫气氛不宜使用，但是低浓度条件下（在2/3空气和13 S02混合气体及以下），2848钢仍然具有良好的耐腐蚀性能。可以使用钢制材料制造吸收系统附属设备和塔身，但是需要考虑成本以及质量等问题。（2）塑料聚丙烯，俗称PP。聚丙烯抗腐蚀性强、耐高温、耐老化。密度较小，为120kg/m3，与钢制设备相比质量更轻，因而便于运输。工业中常用于：化学化工储罐制造加工、高酸碱溶液储存器、洗涤器，空气过滤系统，导管系统、废气处理洗涤系统。塔内填料使用此种材料。聚乙烯则不可使用，因为硫酸对聚乙烯有较强的破坏作用。2.保温材料（1）聚氨酯其制品具有如下优点:密度高,可根据不同应用场合,密度在200500千克/立方进行调节，压缩强度大,可达420MPa， 导热系数0.052.具有低导热系数,低透湿系数,低吸水率,满足保冷要求。具有耐水解稳定性,抗老化,耐酸碱等化学药品性能优良，不易燃烧,聚氨酯保温大多为施工现场发泡喷涂方式，由于是现场进行发泡，属于化学反应，要求气温较高，低温下会影响发泡效果。一般要求15度以上较好。施工后的膨胀不会太大，只是局部由于原料搅拌不均匀可能会发生鼓包现象。目前该种保温材料在我国的应用比例不大，主要是因为缺陷较多。如受天气影响大、材料防火性能低、施工污染大、表面平整度不好控制、发泡效果不易控制等等。（2）聚乙烯聚乙烯保温材料是采用特殊工艺生产的，其泡孔为闭孔结构，其有隔热、保湿、防结露、抗抗老化等特性，广泛用于中央空调以及种类冷热质管道的隔热、保湿、保冷等。聚乙烯保温材料是高性能节能材料，在相同条件下，用料比其它材料少，且施工方便快捷，为缩短工程周期，提高施工治疗，提高了可靠的保证。同时，聚乙烯材料还具有以下优点：1）在强低温下，材料结构不破坏、不变形、龟裂；2）可耐多种化学药品，浸泡后基本不变形，不龟裂，因而可广范用化工管道、 罐的保温；3）绝热材料由于交联密度高、稳定性好，紫外线人工照射300小时，表层毫无变化，使用寿命长等特点（3）其他材料硅酸铝制品(湿法、干法)，耐高温，最高使用温度可达到1300，它有以下优点，导热率低，氯离子指数低，对设备腐蚀性低，重量轻，施工损耗小，保温效果好，结构整齐。硅酸钙适用于高中温区(300-600)。240号制品由于重量较大，基本不使用，220号制品适用于中小管径，目前170号制品已开始使用，130号制品正在研制。但是后两种标号的制品价格较高，选用时应综合比较。棉类制品首先应限制其重量不大于150kgh13。矿岩棉使用粘结剂含量不同时，使用温度也不同，当使用酚醛树脂作粘结剂含量大于3时，使用温度应小于30013，当含量小于23时，使用温度应小予350，当含量小于2时，可用在600以上。矿渣棉制品渣球多，杂物也多，对设备及管道有腐蚀作用，使用温度不得超过30013，比较起来，岩棉的性能较矿渣棉要好，但岩棉的价格高于矿渣棉，因此选用时应作综合经济比较。复合硅酸盐保温涂料，建议在设备、阀门或异形件处使用，成型卷材适用于高中温设备管道保温，并与岩棉组成复合结构用于高中温管道，应该注意到这种保温材料价格偏高，要作经济比较。在设计说明书(样本)中提供的最高使用温度，一般应降低50-10013来对待。综合以上论述，塔身保温材料选择为聚乙烯材料或者棉类材料；设备、阀门的保温材料选择复合硅酸盐材料。4.1.5保温材料施工标准施工是保证工程质量的重要环节。施工中出现的问题较多，如未遵守分层规定、制品厚度偏薄、错缝压缝不正确、硬保温材料的拼砌灰缝大、灰浆不满、干填不实等。因此，在施工时应注意以下问题：1.根据GBl2699工业设备管道绝热工程及验收规范的规定，当采用一种保温制品保温厚度大于100mm时，应分为两层或多层，逐层施工、各层的厚度宜接近。2.保温制品不管是板或块状施工，无论是“干法”或“湿法”保温，均不允许有空缝或直通缝。3.保温施工要求缝隙内嵌填性能相似材料，缝隙饱满。4.设备或管道绝热层使用硬质材料时，应留设伸缩缝。5.多层保温层各伸缩缝的留设：中、低温保温层的各层伸缩缝可不错开，高温保温层伸缩缝必须错开。错开距离不宜大于100mm。6.热力设备顶和底的保温施工应与工件紧贴，不能用小块料拼贴，以便减少缝隙。7.保温制品在环向、纵向接缝上做成搭扣型，以减少接缝处散热损失。8.涂料保温：阀门、弯头等异径形件及一些换热、加热设备的保温层可采用保温涂料，外面的保护层可设可不设。4.2附属设备的设计4.2.1风机的选择气体温度为20，操作压力（风机进口压力）为1.0 atm=1.01325bar3bar，故采用鼓风机。由于原料气体流率为2777.78g/s，密度为1.33kg/m3，故风机流量为7518.8m3/h。为避免对风机的冲击，需选择轴向进风，径向出风的离心风机。而二氧化硫具有腐蚀性，因而需要选择防腐蚀的离心风机。根据流量查询可使用F4-726A型号的离心风机。4.2.2泵的选择选择离心泵，扬程选择型号为IS 100-80-125（转速为2900r/min）其流量为100 m3/h，扬程为20m。4.2.3排气管的设置19在支座上部设置两个规格为894（单位为mm）的排气管，排气管中心线距支座顶端距离为140mm。设置位置如图4-8：图4-8 支座上部排气管的设置4.3管路标准管路应该按照场地实际来设计走向和分布方位，这里给出部分国家标准，以供设计人员参考。输气管道工程设计规范：GB50251-2003化工装置管道布置设计规定：HG/T20549.5-1998化工企业静电接地设计规程：HG/T20675-1990化工装置用不锈钢焊接钢管技术要求：HG/T20537.3-1992流体输送用不锈钢焊接钢管：GB 12771-2000化工金属管道工程施工及验收规范：HG 20225-1995附录一 符号说明yb：原料气中SO2摩尔分