二氧化碳吸收课程设计

1、课程设计一填料塔吸收SO2指导教师：学生姓名： 班级学号： 2015年7月第一章 设计任务1.1设计题目设计一座填料吸收塔，用于脱除混合气体中的SO2其余为惰性组分，采用清水进行吸收。1.2设计要求1工艺参数混合气体处理量m3/h2200混合气体SO2含量(体积分数)8.5%SO2的回收率不低于97%2操作条件(1)操作压力常压101.325kPa(2)操作温度：251.3设计主要内容1.工艺及设备设计（1）设计方案和工艺流程的说明逆流吸收、填料类型的选择等优缺点选择的理由（2）填料吸收塔的工艺计算（3）填料吸收塔设备设计填料吸收塔附属结构的选型与设计；全塔高度：包括上、下封头，裙座高度。2.

2、制图包括工艺流程图、设备图。3.编写设计说明书第二章 设计方案2.1吸收剂的选择 根据设计要求本方案的吸收剂为清水，常温常压下：1体积水中溶解40体积SO2，属于中等吸收度，而且水易于获得，后续的处理也较为简单。2.2吸收流程的选择吸收装置的流程主要有以下几种。 逆流操作 气相自塔底进入塔顶排出，液相自塔顶进入塔底排出，此即逆流操作。逆流操作的特点是，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。工业生产中多采用逆流操作。 并流操作 气液两相均从塔顶流向塔底，此即并流操作。并流操作的特点是，系统不受液流限制，可提高操作气速，以提高生产能力。并流操作通常用于以下情况：当吸收过程的平衡

3、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要吸收很完全；吸收剂用量特别大，逆流操作易引起液泛。 吸收剂部分再循环操作 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，即为部分再循环操作。通常用于以下情况：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。该流程特别适宜于相平衡常数m植很小的情况，通过吸收液的部分再循环，提高吸收剂的使用效率。应予指出，吸收剂部分再循环操作较逆流操作的平均推动力要低，且需要设置循环泵，操作费用增加。 多塔串联操作 若设计的填料层高度过大，或由于所处理物料等原

4、因需要经常清理调料，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。此种操作因塔内需要留较大空间，输液、喷淋、支承板等辅助装置增加，使设备投资加大。 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（否则易引起塔的液泛），塔的生产能力很低。实际生产中可采用气相作串联、液相作并联的混合流程。 用水吸收二氧化硫属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。因用水作为吸收剂，对于后续处理没有要求所以采取纯溶剂吸收。2.3填料的选择填料是填料塔中气液接触的基本构件，其性能的优劣是决

5、定填料塔操作性能的主要因素，因此，塔填料的选择是填料塔设计的重要环节。 在选择塔填料时应考虑如下几个问题： 比表面积要大 比表面积a是指单位体积的填料层所具有的表面积，大的比表面积和良好的润湿性能有利于传质速率的提高。 空隙率大 空隙率是指单位体积的填料所具有的空隙体积，填料的空隙率大，气液通过的能力大，气体流动的阻力小，填料的空隙率一般在0.45-0.95范围。 堆积密度小 堆积密度是指单位体积填料的质量，在机械强度允许的条件下，填料壁要尽量减薄，以减小填料的堆积密度，从而既可降低成本又可增加空隙率。 填料的几何形状 填料的几何形状对填料的流体力学和传质性能有着重要的影响。 填料的材质 工业

6、上，填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类，不同的材质适应于不同的操作条件。本流程的操作压力及温度较低，工业上通常选用塑料散装填料，在塑料散装填料中，塑料阶梯环填料的综合性能较好，故此选用DN38聚丙烯阶梯环填料。阶梯环是对鲍尔环的改进。与鲍尔环相比，阶梯环高度减少了一半，并在一端增加了一个锥形翻边。锥形翻边不仅增加了填料的机械强度，而且使填料表面由线接触为主变成以点接触为主，这样不但增加了填料间的空隙，同时成为液体沿填料表面流动的汇集分散点，可以促进液膜的表面更新，有利于传质效率的提高。阶梯环的综合性能优于鲍尔环，成为目前所使用的环形填料中最为优良的一种。其主要性能参数为： 名称公称直径/mm

7、干填料因子/m-1比表面积空隙率每立方米填料个数堆积密度（kg/m3）阶梯环38170132.50.912720057.5（表2-1）第三章 设计计算3.1液相基础物性数据25水的物性数据如下：密度为 =997.1 kg/m3粘度为=0.0008937 Pas=3.2173kg/(mh)表面张力为=71.97 dyn/cm=932731 kg/h2SO225在水中的扩散系数D=1.859´10-18(fMr)0.5T/(mV0.6)=6.206×10-6/h其中：f溶剂的缔合参数，具体值为水2.6，甲醇1.9，乙醇1.5，苯、乙醚等不缔合的溶剂为1.0。Mr溶剂的摩尔质量，

8、kg/kmol；T溶液的温度，K；m溶剂的粘度，Pas；V溶质在正常沸点下的分子体积，cm3/mol；由正常沸点下的液体密度来计算。若缺乏此密度数据，则可采用Tyn-Calus方法估算：V=0.285Vc1.048，Vc为物质的临界体积，SO2临界体积为122.2cm3/mol。3.2气相物性数据设进塔混合气体温度为25，混合气体的平均摩尔质量为M=0.085×64.05+0.915×29=31.98g/mol混合气体的平均密度为Vm=PM/RT=1.309kg/m³混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得25空气的粘度为V=1.83 ×10-5Pa

9、s=0.066kg/(mh)，SO2在空气中的扩散系数D=D0×(P0/P)×(T/T0)1.75其中273K时，1.013×105Pa时SO2在空气中的扩散系数为1.22×10-6m2/s计算的D=0.051/h3.3气液平衡数据常压下25时SO2在水中的亨利系数为E=4.13 ×103 kPa相平衡常数为m=E/P=4.13×103/101.3=40.76溶解度系数为H=/EM=997.1/4.13×103×18.02=0.0134kmol/kPam33.4物料衡算进入塔的气体量为2200m3/h，SO2含量(

10、体积分数) 8.5%,SO2的回收率不低于97%，通过计算得出（在25，1.01×105Pa时气体摩尔的体积约为24.5L/mol）V=220024.5=89.8×103mol/h出塔惰性气体流量V=82.17×103mol/h气相进口摩尔比Y1=0.085/1-0.085=0.0929气相出口摩尔比Y2=Y1×0.03=0.00279根据下列公式LVmin=Y1-Y2Y1m-X2吸收剂进口为纯溶剂X2=0,m=40.76算的最小液气比LVmin=39.54实际L/V=1.12.0(L/V)min，取比例系数为1.7，算的L/V=67.22，则L=67.

11、22×82.17×103=5523kmol/h。根据V(Y1-Y2)=L(X1-X2)，塔底液相组成X1=1.34×10-3操作线方程依操作线方程Y=(L/V)X+Y2-(L/V)X2实际操作线方程为Y=67.22X+0.002793.5填料塔工艺计算(1)采用Ecekert通用关联图法计算泛点气速uF图中湿填料因子，简称填料因子，1 /m(查手册)；水的密度和液体的密度之比；g重力加速度，m /s2；V、L分别为气体和液体的密度，kg /m3；WG、WL分别为气体和液体的质量流量，kg /s。气相质量流量WG=2200×1.308=2877.6kg/h

12、液相质量流量，液体密度去纯水密度WL=5.523×106×18.02=99524.46 kg/h其中：V=1.83 ×10-5Pas=0.066kg/(mh)，Vm=1.308kg/m³水=997.1 kg/m³g=9.81m/ S2WL=99524.46 kg/hWG=2877.6kg/h经计算得出WLWG(gL)0.5=1.25查图可知uF2gVLL0.2=0.0175查表2-1=170m-1由上述公式计算的出uF=0.8873m/s取u=0.7uF=0.62111m/s由D=4VSu算出D=1.1195m圆整的D=1.2m泛点率校核由公式

13、D=4VSu将D带入得：u=0.541m/s uuF=0.541/0.8873=0.610(在允许范围内)填料规格校核Dd=1200/38=31.58>8液体喷淋密度校核，去最小润湿速率为：(LW)min=0.08m³/m·h查表2-1：at=132.5/m³Umin=(LW)min×at=10.6 m³/m2·hU=88.3> Umin经以上校核可知，填料塔直径选用D=1.2m合理。3.6填料层高度的计算填料层高度计算公式Z=HOGNOGY1*=mX1=40.76×1.34×10-3=0.0546Y2

14、*=0S=mVL=40.76×82.175523=0.6064气相总传质单元数为：NOG=11-Sln1-SY1-Y2*Y2-Y2*+S=6.652气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算查手册得c=33 dyn/cm=427680(kg/h2)带入修正的恩田关联式计算的出 awat=0.63475气膜吸收系数由以下公式算的kG=0.237UVatV0.7VVDV13atDVRT气体质量通量：Uv=2200×1.3080.785×1.2×1.2=2545.65kg/(m2h)计算得出：kG=0.0342kmol/(m2·h·kpa)

15、液膜吸收系数的计算公式：kL=0.0095ULawL23LLDL-12LgL13液体质量通量为：UL=99524.460.785×1.2×1.2=88043.58kg/(m2·h)计算得出kL=1.464 m/hkGa=kGaW1.1y填料形状系数常见填料的形状系数填料类型球形棒形拉西环弧鞍开孔环y值0.720.7511.191.45计算得出𝑘G𝑎 =4.329 kmol/(𝑚3 𝑘𝑃𝑎)𝑘L𝑎=𝑘L𝑎W0

16、.4=142.86(L/h) 由之前的计算得uuF=0.541/0.8873=0.610>0.5因为u/uF50需要按下式进行校正，即kG'a=1+9.5uuF-0.51.4kGakL'a=1+2.6uuF-0.52.2kLa校正得kG'a=6.2 kmol/(𝑚3h𝑘𝑃𝑎) kL'a=145.75(m/h)则KGa=11kG'a+1HkL'a=1.485 kmol/(𝑚3 𝑘𝑃𝑎)其中：H 为溶解度系数，kmol

17、/(𝑚3 𝑘𝑃𝑎) HOG=VKYa=VKGaP=0.483m其中其中为塔截面积，𝑚2；P 为操作总压，kPaZ=HOGNOG=3.213mZ(1.21.5)Z，取比例系数为1.4，得Z=4.37m设计填料层高度为Z=4.5m对于阶梯环填料，hD=8到15取hD=8，则h=8×1.2=9.6>4.5,所以不需分段。3.7填料层压降由之前计算的WLWG(gL)0.5=1.25根据填料压降填料因子表得p=116m-1带入查表得uG2gVLL0.2p=0.00445查表得P/Z=117.72Pa/m填料层

18、压降P=117.72×4.5=529.74Pa3.8塔高计算塔上部空间，考虑到让空气携带的液滴从气相中分离出来及液体分布器的安装，塔上部空间取 1.3m； 塔下部空间，考虑一个合适的液相停留时间及进气接管的安装，塔底所需高度取 1.5m。 安装液体分布器所需塔高度值取 1.0m。最终塔的附属高度取 3.8m。塔总高=3.8+4.5=8.3m 圆整后塔总高取值 8.5m。第四章辅助设备设计4.1气体和液体的进出口管径计算由公式 d=Vs为流体的体积流量，m3/su为适宜的流体流速，m/s .常压气体进出口管气速可取1020m/s；液体进出口速度可取0.81.5 m/s（必要时可加大）。

19、进气管u=15m/sdG=0.2278m，圆整为0.24气体出口径取进口的0.8为d=0.2进液管u=0.9m/sdL=0.198m圆整为0.2m液体出口管的直径取进口的3/4d=0.15m4.2液体分布器(1)液体分布器的选择 由于液体的流量较大，气相负荷小，选用槽式液体分布器(2)分布点密度计算因为D=1200mm，取喷淋点密度为150点/布液点数n=0.785×1.22×150=169.56，取170(3)布液计算由WL=4d2n2gH取=0.6，H=160mm,d=0.014m4.3填料支撑装置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

20、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)足够的机械强度以承受设计载荷量，支承板的设计载荷主要包括填料的重量和液泛状态下持液的重量。 (2)足够的自由面积以确保气、

21、液两相顺利通过。总开孔面积应尽可能不小于填料层的自由截面积。开孔率过小可导致液泛提前发生。一般开孔率在40%以上。 常用的支承板有栅板、升气管式和气体喷射式等类型。本设计采用栅板: 优点是结构简单，造价低；缺点是栅板间的开孔容易被散装填料挡住，使有效开孔面积减小。4.4填料层限定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

22、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%。 本任务由于使用塑料填料，故选用床层限定板。4.5除沫器设计本设计采用丝网除沫器：原理：当带有雾沫的气体以一定速度上升通过丝网时，由于雾沫上升的惯性作用，雾沫与丝网细丝相碰撞而被附着在细丝表面上。细丝表面上雾沫的扩散、雾沫的重力沉降，使雾沫形成较大的液滴沿着细丝流至两根丝的交接点。细丝的可润湿性、液体的表面张力及细丝的毛细管作用，使得液滴越来越大，直到聚集的液滴大到其自身产生的重力超过气体的上升力与液体表面张力的

23、合力时，液滴就从细丝上分离下落。气体通过丝网除沫器后，基本上不含雾沫。分离气体中的雾沫，以改善操作条件，优化工艺指标，减少设备腐蚀，延长设备使用寿命，增加处理量及回收有价值的物料，保护环境，减少大气污染等。结构简单体积小，除沫效率高，阻力小，重量轻，安装、操作、维修方便，丝网除沫器对粒径35um的雾沫，捕集效率达98%-99.8%，而气体通过除沫器的压力降却很小，只有250-500Pa，有利于提高设备的生产效率。采用HG/T21586-98标准，由若干块丝网除沫元件构成，通过导轨插入塔体内。该除沫器的特点是操作、维修方面，可在塔体外更换除沫元件，适合于硫酸装置的吸收塔及干燥塔等。4.5人孔设计

24、人孔设计根据国家标准，参数如下：公称压力公称直径密封面型标准号常压450mm平面(FS)HG21575-95第五章设计结果汇总课程设计水吸收二氧化硫操作条件25摄氏度常压101.325kPa物性数据液相数据气相数据液体密度997.1Kg/m2平均摩尔质量31.98kg/mol液体粘度3.2173Kg/（m·h）平均密度1.309kg/m2表面张力932731kg/h2气体粘度0.066Kg/(m·h)SO2在水中的扩散系数6.206×10-6/h在空气中扩散系数0.051/h重力加速度1.27×108m/h2气相平衡数据SO2在水中的亨利系数E相平衡常数

25、溶解度系数4.13×103kPa40.760.0134物料衡算数据Y1Y2X1X2VL最小液气比操作液气比0.09290.002790.00134082.17×103mol/h5.523×106mol/h39.5467.22工艺数据气相质量流量2877.6kg/h液相质量流量99524.46 kg/h塔径1.2m气相总传质单元数6.652气相传质高度0.483m填料层高度4.5m填料层压降529.74Pa填料塔附件除沫器液体分布器填料层限定装置填料层支撑丝网除沫器槽式液体分布器床层限定板栅板后记通过这一周的课程设计，我加深了对以前学过的专业课知识的理解，之前对于课程的理解不够透彻，现在可以说有了更深的理解。对一些公式掌握的更加熟练了，也提高了查阅资料选用公式和搜索数据的能力。在课程设计过程中，我经过不断发现错误，不断改正错误，不断领悟知识，不断获取知识。可以说这次课程设计是将我们所学