课程设计水吸收二氧化硫填料吸收塔的设计

1、吉吉林林化化工工学学院院化化 工工 原原 理理 课课 程程 设设 计计题目题目 水吸收二氧化硫填料吸收塔的设计水吸收二氧化硫填料吸收塔的设计 教教 学学 院院 化学与制药工程学院化学与制药工程学院 专业班级专业班级 应化应化 07010701 学生姓名学生姓名 学生学号学生学号 0722010107220101 指导教师指导教师 2009年年 1212 月月 8 8 日日 化工原理课程设计任务书设计题目：水吸收二氧化硫填料吸收塔的设计1、设计题目：水吸收二氧化硫过程填料吸收塔的设计；矿石焙烧炉送出的气体冷却到 20后送入填料塔中，用 20清水洗涤除去其中的 SO2。入塔的炉气流量为 1000m

2、3/h，其中进塔 SO2的摩尔分率为 0.03，要求 SO2的吸收率为99.99。吸收塔为常压操作，因该过程液气比很大，吸收温度基本不变，可近似取为清水的温度。吸收剂的用量为最小用量的 1.3 倍。2、工艺操作条件：（1） 操作平均压力： 常压（2） 操作温度： t=20（3） 每年生产时间： 7200h3、设计任务：1.完成干燥器的工艺设计与计算（包括塔径与塔高的计算，填料的选取） 。 2.绘制吸收系统的工艺流程图，吸收塔的设备条件图。 3.编写该吸收塔的设计说明书。 目 录摘摘 要要.11 1绪绪 论论.21.1 气体吸收的概述 .21.2 化学工业中，吸收的意义.21.3 吸收在工业生产

3、中的应用.21.4 影响吸收过程因素的分析.32 2 设计方案设计方案.42.1 吸收剂的选择 .42.2 吸收操作参数的选择 .42.3 填料层.52.3.1 填料的作用.52.3.2 填料种类的选择.52.3.3 填料规格的选择.52.3.4 填料材质的选择.52.4 吸收温度的选择.63 3 吸收塔的工艺计算吸收塔的工艺计算.73.1 基础物性数据.73.1.1 液相物性数据 .73.1.2 气相物性数据.73.1.3 气液相平衡数据.73.2 物料衡算.83.3 填料塔的工艺尺寸的计算.93.3.1 塔径的计算.93.3.2 传质单元高度计算.113.3.3 传质单元数的计算.143.

4、3.4 填料层高度.143.4 塔附属高度的计算 .143.5 填料层压降的计算.153.6液体分布器计算.153.6.1 液体分布器.153.6.2 布液孔数.153.6.3 塔底液体保持管高度.163.7 其他附属塔内件的选择.163.7.1 液体分布器.163.7.2 液体再分布器.173.7.3 填料支撑板.173.7.4 填料压板与床层限制板.173.7.5 气体进出口装置与排液装置.18附录一附录一 工艺设计计算结果汇总及主要符号说明工艺设计计算结果汇总及主要符号说明.18参考文献参考文献.22致致 谢谢.233 3 吸收塔的工艺计吸收塔的工艺计算算3.13.1 基础物性数据基础物

5、性数据3.1.13.1.1 液相物性数据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纯水的物性数据。由手册查得，20oC 时水的有关物性数据如下： 密度为：3L/998.2mkg= 黏度 ：)/(3.6Lhmkg=表面张力为：2L/940869hkg=SO2在水中的扩散系数为：DL=1.47 10-5cm2/s=5.29 10-6m2/h3.1.23.1.2 气相物性数据气相物性数据混合气体的平均摩尔质量为：kg/kmol28.302995. 006.6405. 0+=iivmMyM混合气体的平均密度为： 3/259. 1293314. 828.303 .101mkgRTPMvmvm=

6、混合气体的黏度可近似取为空气的黏度，查手册得 20oC 空气的黏度为： )/(065. 0vhmkg=查手册得 SO2在空气中的扩散系数为： D=0.039m2/h V3.1.33.1.3 气液相平衡数据气液相平衡数据由手册查得。常压下 20oC 时，SO2在水中的亨利系数为： E=3kPa31055.相平衡常数为： m =04.353 .1011055. 33=PE溶解度系数为：)(0156. 002.181055. 32 .99833mkPakmolEMHSL=3.23.2 物料衡算物料衡算全塔物料衡算图 212 所示是一个定态操作逆流接触的吸收塔，图中各符号的意义如下：惰性气体的流量，；

7、VhkmolL纯吸收剂的流量，；hkmolY1，Y2进出吸收塔气体的摩尔比；X1，X2出塔及进塔液体中溶质物质量的比。注意：本课程设计中塔底截面一律以下标“l”表示，塔顶截面一律以下标“2”表示。进塔气体摩尔比：0204. 002. 0-102. 0-1111=yyY出塔气体摩尔比：6_12104 . 2)9999. 0-1 (0204. 0)-1 (=AYY进塔惰性气体的流量：hkmolV/76.4002. 0-1202732734 .221000 由设计任务知该吸收过程属于低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算，即：2121min-)(XmYYYVL=对于纯溶剂吸收过程，进塔液

8、相组成为： 02=X代入数值，得：04.350-04.350204. 00000204. 0-0204. 0)(min=VL取实际液气比为最小液气比的 1.3 倍，即；)(VLmin)(3 . 1VL= 有 55.4504.353 . 1=VL 得： L =45.55*40.76=1856.72 kmol/h 由，求得吸收液出塔浓度为：2121-XXLYYV 00045. 0072.1856)00000204. 0-0204. 0(76.40-2211XLYYVX V, Y2 L, X2 V, Y1 L, X1 图 2-12 物料衡算示意图 3.3 填料塔的工艺尺寸的计算填料塔的工艺尺寸的计算

9、（1） 空塔气速的确定通常由泛点气速来确定空塔操作气速。泛点气速是填料塔操作气速的上限，填料塔的操作气速必须小于泛点气速，操作空塔气速与泛点气速之比称为泛点率。填料的泛点气速可由 Eckert 通用关联图查得， 气相质量流量为： hkgqvmvv/1257257. 11000液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即： hkgWL/09.3345802.1872.1856Eckert 通用关联图的横坐标为： 945. 0)2 .998257. 1(125709.33458)(5 . 05 . 0LVVL查表得： 03. 02 . 02LLVFFgu1 -170mF smguLVFLF.172112

10、59. 111702 .99881. 903. 0030. 02 . 02 . 0=取 smuuF.8210172. 17 . 07 . 0=由 muVDS.6570821. 014. 33600/100044=圆整塔径，取mD7 . 0=泛点率校核：由于泛点附近流体力学性能的不稳定性，一般较难稳定操作，故一般要求泛点率在 50%-80%之间，而对于易起泡的物系可低于 40%；smu690. 07 . 0821. 03600/10002=（在允许范围内）%92.58%100172. 1690. 0=Fuu填料规格校核 （在允许范围内）842.1838700=dD以上式中：泛点气速，；Fusm

11、-空塔气速 ；usm液体密度，；L3mkg气体密度，；G3mkg，气液相质量流量，；GLhkgg重力加速度，9.81；2sm液体黏度，；Lsmp/ -填料因子，1/ m；（2） 液体喷淋密度的求法：填料塔的液体喷淋密度是指单位时间、单位塔截面上液体的喷淋量，其计算式为： 2785. 0DLUh式中：液体喷淋密度，；Uhmm23 液体喷淋量，；hLhm3 填料塔直径，。Dm为使填料能获得良好的润湿，塔内液体喷淋量应不低于某一极限值，此极限值称为最小喷淋密度，以表示。minU对于散装填料，其最小喷淋密度通常采用下式计算： minU twaLmin式中：最小喷淋密度，；minUhmm23 最小润湿速

12、率，； minwLhmm3 填料的总比表面积，。ta32mm最小润湿速率是指在塔的截面上，单位长度的填料周边的最小液体体积流量。对于直径不超过 75mm 的散装填料，可取最小润湿速率:=0.08 minwLhmm3本次设计选用聚丙烯阶梯环填料，其=132.5，代入数值，得最小喷淋密度38NDta32mm为：=0.08minU twaLmin6 .105 .132=hmm23最小喷淋密度的校核：求得液体喷淋密度为：= 2785. 0DLUh=min214.877 . 0785. 02 .99809.33458U=所以液体喷淋密度符合要求，即填料塔直径合理。mmD700=3 33 32 2 传质单

13、元高度计算传质单元高度计算干填料比表面积为 ，实际操作中润湿的填料比表面积为，由于只有在润湿的填料表wa面才可能发生气、液传质，故 值具有实际意义。下面介绍计算的恩田（ONDA）公式，该公式为 ： 2 . 0205. 0221 . 075. 045. 1-exp-1tLLLLtLLtLLCtwaUgaUaUaa式中：单位体积填料层的润湿面积，；wa32mm填料的总比表面积，；ta32mm液体表面张力，；LmN 填料上液体铺展开的最大表面张力，； mN 液体通过空塔截面的质量流速，； ， LUsmKg2 液体的粘度，； sPa液体的密度，；L3mKgg重力加速度，9.81。2sm查表得：2427

14、68033hKgcmdyC=流体质量流量 hmkgUL22/95.831557 . 0821. 009.33458代入数值，得：953. 0twaatawacL气膜吸收系数由下式计算：RTDaDaUkVtVvvvtVG3/17 . 0237. 0式中： 填料的总比表面积，；ta32mm 气体通过空塔截面的质量流速，; VUsmKg2 气体的粘度，； sPa气体的密度，；V3mKgg重力加速度，9.81。2sm气体质量通量为： )(12.31247 . 0821. 0257. 1100022hmkgUV代入数值： 293314. 8039. 05 .132039. 0259. 1065. 006

15、5. 05 .13292.3124237. 03/17 . 0Gk=0.0321 kmol/(m2.h.KPa)液膜传质系数由下式计算： 3/15 . 03/20095. 0LLLLLLWLLgDaUk式中：液体的密度，；L3mKg液体的质量流速msLUkg液相的黏度，；Lspag重力加速度，9.81；2sm液体通过空塔截面的质量流速，；LUsmKg2单位体积填料层的润湿面积，；wa32mm溶质在液相中的扩散系数， 。LDsm2代入数值得： V3/15 . 03/22 .99810000000027. 16 . 3000001. 029. 52 .9986 . 36 . 35 .132592.

16、 095.831550095. 0Lk =1.276m/s由 ，查表得1 . 1WGGakak=45. 1 =则 1 . 1WGGakak=).(09. 645. 15 .132953. 00321. 031 . 1KPahmkmol=hakakWLL194.18645. 15 .132953. 0276. 14 . 04 . 0=%5092.5800=Fuu akuuakGFG4 . 15 . 0-5 . 91 akuuakLFL2.25 . 0-6 . 21kPahmkmolakG34 . 1/05. 809. 65 . 0-5892. 05 . 91hakl132.18994.1865

17、. 0-5892. 06 . 212 . 2则 kPahmkmolaHkakakLGG3/16. 232.1890156. 0105. 811111maPKVaKVHGYOG465. 07 . 0821. 03 .10116. 276.402=3 33 33 3 传质单元数的计算传质单元数的计算0158. 000045. 004.351*1=mXY02*2=mXY脱吸因数为： 769. 072.185676.4004.35=LmVS 气相总传质单元数为：SYYYYsSNOG*22*21-)-1 (ln-11 83.12769. 00-0000204. 00-0204. 0)769. 0-1 (

18、ln769. 0-113 33 34 4 填料层高度填料层高度 mNHZOGOG.97583.12465. 0= .46m797. 525. 1Z设计取填料层高度为：mZ8=取 ; 8=Dhmmh6max 则 mmh56007008=计算得填料层高度 8000mm，故需要分两段，每段 4000mm。3.43.4 塔附属高度的计算塔附属高度的计算塔上部空间高度，可取 1.0m，液体在分布器高度约 0.5m，若塔底液相停留时间按 1min考虑，则塔釜液所占空间高度为：mh39. 17 . 0821. 02 .998360009.3345860121考虑到气相接管所占空间高度，底部空间高度可取 1.

19、0m，所以塔的附属高度为1.0+0.5+1.39+1.0=3.89m则： 塔的总高度为 8+3.89=11.89 m,即塔的总高度大约为 12 m。3.53.5 填料层压降的计算填料层压降的计算在逆流操作的填料塔中，从塔顶喷淋下来的液体，依靠重力在填料表面成膜状向下流动，上升气体与下降液膜的摩擦阻力形成了填料层的压降。填料层压降与液体喷淋量及气速有关，在一定的气速下，液体喷淋量越大，压降越大；在一定的液体喷淋量下，气速越大，压降也越大。散装填料的压降可采用 Eckert 通用关联图计算。计算时，先根据气液负荷及有关物性数据，求出横坐标值，再根据操作空塔系数 u 及有关物性数据，求出纵坐标21L

20、Lvv值，通过作图得出交点，读出过焦点的等压线数值，即得出每米填料层压降2 . 02LLvgu值。式中：空塔气速，即按空塔截面积计算的混合气体线速度，；usm，气液相质量流量，；vLhkg液体密度，；L3mkgv气体密度，；3mkg液体黏度，；Lsmp填料因子， ；m1g重力加速度，9.81 。2sm经查得，=116m1横坐标：=0.92121LLvv纵坐标：2 . 02LLvgu0052. 012 .998257. 181. 9111659. 02 . 02从 Eckert 通用关联图中可查得mPaZP/91.107/=2mkg 填料塔压降为： Pa28.863891.107其他塔内件的压力

21、降很小可以忽略，所以填料层压降为 863.28 Pa。3.63.6 液体分布器计算液体分布器计算3.6.1 液体分布器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） ，各布液点的布液布液均匀性，各布液点上的液相组成的均匀性决定设计液体分布器主要是确定决定这些参数的结构尺寸。为使液体分布器具有较好的分布性能，必须合理确定布液孔数，布液孔数应依所用填料所需的质量要求决定。在通常情况下，满足各种填料质量分布要求的适宜喷淋点见下表，在选择填料的喷淋点密度时应该遵循填料的效率越高，所需的喷淋点密度越大这一规律，依所选用的填料，确定单位面积的喷淋点后，在根据塔的截面积即可求得

22、分布器的布液孔数。Eckert 的散装填料塔分布点密度推荐值：塔径，mm分布点密度，塔截面2/m点D=400330D=750170D120042根据物质性质可选用管式液体分布器，取布液点数为 2/170m点3.6.2 布液孔数布液孔数总布液孔数为点点694 .681707 . 0821. 02n3.6.3 塔底液体保持管高度塔底液体保持管高度液体保持管高度:取布液孔直径为 10mm,则液体保持管高度可由式 mgnkdVhS187. 081. 9262. 0101010. 014. 32 .998360072.334584242222k 为孔流系数,其值由小孔液体流动雷诺数决定;在雷诺数大于 1

23、000 的情况下,可取 0.60-0.62,液位高度的确定应和布液孔径协调设计,使各项参数均在一定范围内. mmhh05.21518715. 115. 1 在 200mm-500mm 之间,符合要求.3.73.7 其他附属塔内件的选择其他附属塔内件的选择本装置的直径较小可采用简单的进气分布装置,同时排放的净化气体中的液相夹带要求严格,应设除液沫装置,为防止填料由于气流过大而是翻,应在填料上放置一个筛网装置,防止填料上浮.3.7.1 液体分布器液体分布器液体在填料塔顶喷淋的均匀状况是提供塔内气液均匀分布的先决条件，也是使填料达到预期分离效果的保证。为此，分布器设计中应注意以下几点：（1） 、为保

24、证液体在塔截面上均布，颗粒型（散装）填料的喷淋点数为 4080 个/m2（环形填料自分布性能差应取高值） ，此外，为减少壁流效应，喷淋孔的分布应使近塔壁 520区域内的液体流量不超过总液量的 10。规整填料一般为 100200 个/喷淋点。（2） 、喷淋孔径不宜小于 2，以免引起堵塞，孔径也不宜过大，否则液位高度难维持稳定。3.7.1.1 多孔型液体分布器多孔型液体分布器系借助孔口以上的液层静压或泵送压力使液体通过小孔注入塔内。3.7.1.2 直管式多孔分布器根据直管液量的大小，在直管下方开 24 排对称小孔，孔径与孔数依液体的流量范围确定，通常取孔径 26，孔的总面积与及进液管截面积大致相等

25、，喷雾角根据塔径采用 30或45，直管安装在填料层顶部以上约 300。此形分布器用于塔径 600800，对液体的均布要求不高的场合。根据要求，也可以采用环形管式多孔分布器。3.7.1.3 排管式多孔分布器支管上孔径一般为 35，孔数依喷淋点要求决定。支管排数、管心距及孔心距依塔径和液体负荷调整。一般每根支管上可开 13 排小孔，孔中心线与垂直线的夹角可取 15、22.5、30或 45等，取决于液流达到填料表面时的均布状况。主管与支管直径由送液推动力决定，如用液柱静压送液，中间垂直管和水平主管内的流速为 0.20.3m/s，支管流速取为0.150.2m/s；采用泵送液则流速可提高。3.7.2 液

26、体再分布器液体再分布器当塔顶喷淋液体沿填料层下流时，存在向塔壁流动的趋势，导致壁流增加。此外，塔体倾斜、保温不良等也会加剧壁流现象。为提高塔的传质效果，当填料层高度与塔径之比超过某一数值时，填料层需分段。在各段填料层之间安设液体再分布器，以收集自伤以填料层来的液体，为下一填料层提供均匀的液体分布。3.7.3 填料支撑板填料支撑板填料支撑板用于支撑塔填料及其所特有的气体、液体的质量，同时起着气液流道及其体均布作用。故要求支撑板上气液流动阻力太大，将影响塔的稳定操作甚至引起塔的液泛。支撑板大体分为两类，一类为气液逆流通过的平板支撑板，板上有筛孔或为栅板式；另一类斯气体喷射型，可分为圆柱升气管式的气

27、体喷射型支撑板和梁式气体喷射型支撑板。平板型支撑板结构简单，但自由截面分率小，且因气液流同时通过板上筛孔或栅缝，故板上存在液位头。气体喷射性支撑板气液分道，即有利于气体的均匀分配，又避免了液体在板上聚集。梁式结构强度好，装卸方便，可提高大于塔截面的自由截面，且允许气液负荷较大，其应用日益受到重视。当塔内气液负荷较大或负荷波动较大时，塔内填料将发生浮动或相互撞击，破坏塔的正常操作甚至损坏填料，为此，一般在填料层顶部设压板或床层限制板。3.7.4 填料压板与床层限制板填料压板与床层限制板填料压板系藉自身质量压住填料但不致压坏填料；限制板的质量轻，需固定于塔壁上。一般要求压板或限制板自由截面分率大于

28、 70。3.7.5 气体进出口装置与排液装置气体进出口装置与排液装置填料塔的气体进口既要防止液体倒灌，更要有利于气体的均匀分布。对 500mm 直径以下的小塔，可使进气管伸到塔中心位置，管端切成 45向下斜口或切成向下切口，使气流折转向上。对 1.5m 以下直径的塔，管的末端可制成下弯的锥形扩大器，或采用其它均布气流的装置。气体出口装置既要保证气流畅通，又要尽量除去被夹带的液沫。最简单的装置是在气体出口处装一除沫挡板，或填料式、丝网式除雾器，对除沫要求高时可采用旋流板除雾器。液体出口装置既要使塔底液体顺利排出，又能防止塔内与塔外气体串通，常压吸收塔可采用液封装置。常压塔气体进出口管气速可取 1

29、020m/s（高压塔气速低于此值） ；液体进出口气速可取0.81.5m/s（必要时可加大些）管径依气速决定后，应按标准管规定进行圆整.附录一附录一 工艺设计计算结果汇总及主要符号说明工艺设计计算结果汇总及主要符号说明工艺设计计算汇总表序号项目数值备注1混合气体处理量 U（m3/h）10002进塔气相摩尔比 Y10.02043出塔气相摩比 Y20.00002044进塔液相摩尔分率 X2（）OkmolHkmolSO2205出塔液相摩尔分率 X1 （）OkmolHkmolSO220.000456混合气体平均摩尔质量（）VmMmolg30.287混合气体的平均密度（）Vm3mkg1.2578混合气体的

30、粘度（）V)(hmkg0.0659吸收剂用量 L（）hkmol1856.7210气相质量流量（）Vwhkg125711液相质量流量（）Lwhkg33458.0912气相总传质单元数（m）OGN12.8313气相总传质单元高度(m)OGH0.46514空塔气速 u (m/s)0.82115泛点气速 u(m/s)F1.17216泛点率 f58.92%17圆整塔径 D（m）0.718填料层高 Z (m)819填料塔上部高度 h (m)1.020填料塔下部高度 h (m)1.021塔的附属高度 h(m)3.8922塔总高度 H 12主要符号说明符号意义单位X 平衡时液相 SO2摩尔比Y气相 SO2摩尔

31、比y气相 SO2摩尔分率Lw液体的质量流量hkgVw气体的质量流量，hkgV气体密度3/kg mZ填料层高度，mV惰性气相流量hkmol/SL溶剂的摩尔流率12/smkmolY气相中溶质的比摩尔分率；X液相中溶质的比摩尔分率。minU最小喷淋密度123/hmmwL润湿率113/hmmD填料塔直径msV气体的体积流量13/smu空塔气速1/smfu液泛气速1/smg重力加速度2/81. 9mNg =Lk液相传质系数123/kmolms kmol mLD溶质在液相中的传质系数；2/msGk气相传质系数12kmolms kPa T气体温度KDV溶质在气体中的扩散系数2/msV气体黏度VG气相质量流速2/()kgms u孔塔气速m/sUV，UL气体和液体的质量通量)(2hmkgL液体的密度3/kg mLVDD ,溶质在气体和液体中的扩散系数sm /2R气体常数8.314/()kJkmol KL液体黏度mPa s at填料的总比表面积32mmWa填料的润湿比表面积32mm填料因子1mg重力加速度hmg81027. 1L液体的表面张力2hkgc填料材质的临界表面张力2hkgL液体的质量流速2/kg ms h填料层高度m参考文献1化工原理下册，陈敏恒等.化学工业出版社出版，2006 年，第 1 页2化工制图 ，张淑荣、王守发.延边大学出版社，197