环境工程原理课程设计清水吸收二氧化硫过程填料吸收塔设计

1、环境工程原理课程设计清水吸收SO2过程填料吸收塔设计学生学院：土建与环境学院 专业班级：14资环1班 学生学号：1410400230 学生姓名：蔡雨菲 目录 HYPERLINK l _Toc469258252 一、前言1 HYPERLINK l _Toc469258253 二、设计任务1 HYPERLINK l _Toc469258254 1、设计题目：清水吸收SO2过程填料吸收塔的设计1 HYPERLINK l _Toc469258255 2、设计条件1 HYPERLINK l _Toc469258256 3、设计内容1 HYPERLINK l _Toc469258257 三、设计方案2 H

2、YPERLINK l _Toc469258258 1、吸收剂的选择2 HYPERLINK l _Toc469258259 2、流程图及流程说明2 HYPERLINK l _Toc469258260 3、塔填料选择2 HYPERLINK l _Toc469258261 四、基本参数3 HYPERLINK l _Toc469258262 1、液相物性数据3 HYPERLINK l _Toc469258263 2、气相物性数据3 HYPERLINK l _Toc469258264 3、气相平衡数据3 HYPERLINK l _Toc469258265 4、填料的主要参数4 HYPERLINK l _

3、Toc469258266 五、工艺计算4 HYPERLINK l _Toc469258267 1、物料衡算4 HYPERLINK l _Toc469258268 2、塔径计算6 HYPERLINK l _Toc469258269 3、填料层高度计算9 HYPERLINK l _Toc469258270 4、填料层压降计算12 HYPERLINK l _Toc469258272 六、塔内件12 HYPERLINK l _Toc469258273 1、液体分布装置12 HYPERLINK l _Toc469258274 2、液体再分布器-升气管式液体再分布器14 HYPERLINK l _Toc4

4、69258275 3、填料限定装置14 HYPERLINK l _Toc469258276 4、气体和液体的进出口装置15 HYPERLINK l _Toc469258277 5、液体再分布装置17 HYPERLINK l _Toc469258278 6、填料支撑装置17 HYPERLINK l _Toc469258279 七、设计结果表17 HYPERLINK l _Toc469258280 八、对设计成果的评价及讨论19 HYPERLINK l _Toc469258281 九、参考文献19一、前言填料塔是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一。它可以使气液两相之间进行紧密接触，达到气

5、液传质的目的。填料塔不但结构简单。且流体通过填料层的压降较小，易于用耐腐蚀的材料制造，所以它特别适用于处理量小，有腐蚀性的物料及要求压降小的场合。液体自塔顶经液体分布器喷洒于填料顶部，并在填料的表面呈膜状流下，气体从塔底的气体口送入，流过填料的空隙，在填料层中与液体逆流接触进行传质。因气液两相组成沿塔高连续变化，所以填料塔属连续接触式的气液传质设备。二、设计任务1、设计题目：清水吸收SO2过程填料吸收塔的设计试设计一座填料吸收塔，用于脱除焙烧炉送出的混合气体（先冷却）中的SO2，其余为惰性组分，采用清水进行吸收。设计条件（1）气体混合物成分：空气和SO2；（2）SO2的含量：10%（体积分数）

6、；（3）混合气体流量：1230m3/h；（4）操作温度：20（293K）；KPa）；（6）回收率：97%；（7）吸收剂的用量与最小用量之比：1.5（根据处理量来定吸收剂用量）。（8）工作日：每年300天，连续运行每天24h。3、设计内容（1）吸收塔的物料衡算，确定塔顶、塔底的气液流量和组成；（2）吸收塔的工艺尺寸计算：选择填料、计算塔径、填料层高度、填料的分层、塔高的确定；（3）（气体通过）填料层压降P的计算；（4）吸收塔接管尺寸计算；（5）吸收塔附属装置的选择与确定：液体分布器简要设计（流体力学特性的校核：液气速度的求取，喷淋密度的校核）、液体喷淋装置、液体再分布器、气体进出口及液体进出口装

7、置、栅板。（6）附属设备选型：泵（通过计算选型）、风机（选型计算）（7）绘制生产工艺流程图；（8）绘制填料塔装配图；（9）对设计过程的评述和有关问题的讨论。三、设计方案1、吸收剂的选择采用清水进行吸收流程图及流程说明图1 逆流吸收塔的流程图该设计采用逆流方式。该填料塔中，氨气和空气混合后，经由填料塔的下侧进入填料塔中，与从填料塔顶流下的清水逆流接触，在填料的作用下进行吸收。经吸收后的混合气体由塔顶排除，吸收了氨气的水由填料塔的下端流出。（如右图）塔填料选择选择填料：选用散装填料，DN38mm聚丙烯阶梯环塔填料。 图2 填料选择原因：在用清水吸收SO2的过程中，操作、温度及操作压力较低，所以选用

8、散装填料，其中塑料阶梯环填料的综合性较好。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。由于高径比减少，使得气体绕填料外壁的平均路径大为缩减，减少了气体通过填料层的阻力。锥形翻边不仅增强了填料的机械强度，而且使填料之间由线接触为主变成以点接触为主，这样不但增加了填料之间的空隙，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。塔径/mm填料尺寸/mmD3002025300D9002538D9005080表1 填料尺寸与塔径的对应关系四、基本参数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，20水的有关物性数

9、据如下：密度为 QUOTE L=998.2 kg/m3粘度为L=1.005mPaS=3.6 kg/（mh）表面张力为L=72.6 /cm=940896 kg/h2SO2在水中的扩散系数为 DL=1.4710-5m2/s=5.2910-6m2/h 气相物性数据混合气体的平均摩尔质量为g/混合气体的平均密度为kg/ m3混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得20空气的粘度为: =1.810-5 Pas=0.065 kg/(mh)20，101.3kpa下，SO2在空气中的扩散系数DV=1.38110-5m22/h（由计算，其中273K，101.3kPa下，SO2在空气中的扩散系数为1.2210

10、-5m2/s，查化学工程基础。）3、气相平衡数据混合气体的平衡摩尔质量常压下20时SO2在水中的亨利系数为E=3550kPa 相平衡常数为20时SO2在水中的溶解度系数为：H=1041156kmol/(m3)4、填料的主要参数本方案选用塑料阶梯环DN38mm, 其主要性能参数如下：比表面积a：1 空隙率干填料因子：五、工艺计算对低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。混合气体的黏度可近似取为空气的黏度。空气和水的物性常数如下：空气：水：物料衡算进塔混合气中各组分的量混合气量混合气中SO2量51.160.15.116kmol/h5.11设混合气中惰性气体为空气，则混合气中空气量51

11、.165.11 46.044291混合气进出塔的摩尔组成 y2混合气进出塔摩尔比组成进塔气相摩尔比为出塔气相摩尔比为出塔混合气量出塔混合气量 吸收剂（水）的用量L该吸收过程属低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为X20取操作液气比为（6）塔底吸收液组成XV(YY2）L（XX2）X操作线方程依操作线方程塔径计算采用通用关联图计算泛点气速。气相质量流量为WV=12301.353=1液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即WL=2347.4718.02=42301.4kg/h其中：=998.2kg/m3 =1.353kgm3 2 =1 .2708m/h2

12、WV = kg/h WL =kg/h =100.510-5Pas（1）采用通用关联图法计算泛点气速通用填料塔泛点和压降的通用关联图如下：图3 埃克特通用关联图图中 u0空塔气速，m /s； 湿填料因子，简称填料因子， /m；水的密度和液体的密度之比； g重力加速度，m /s2； 、分别为气体和液体的密度，kg /m3； 、分别为气体和液体的质量流量，kg /s。 此图适用于乱堆的颗粒形填料，如拉西环、弧鞍形填料、矩鞍形填料、鲍尔环等，其上还绘制了整砌拉西环和弦栅填料两种规整填料的泛点曲线。对于其他填料，尚无可靠的填料因子数据。通用关联图的横坐标为 查图二查得纵坐标值为表 2 填料表填料类型填料

13、因子，1/mDN16DN25DN38DN50DN76金属鲍尔环410117160金属环矩鞍170150135120金属阶梯环160140塑料鲍尔环55028018414092塑料阶梯环260170127瓷矩鞍1100550200226瓷拉西环1300832600410查得：（2）操作气速由以下公式计算塔径：（化工原理课程设计）对于散装填料，其泛点率的经验值为u/取 uuF塔径由圆整塔径，取D=泛点率校核填料规格校核：液体喷淋密度校核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。其值可由经验公式计算(见有关填料手册)，也可采用一些经验值。对于直径不超过75 mm的散装填料，

14、可取最小润湿速率(LW) min为0.08 m3/(mh)；对于直径大于75 mm的散装填料，取(LW) min=0.12 m3/(mh)。取最小润湿速率为 （）3/mh查填料手册得 塑料阶梯环比表面积at=12/m3=32.5=13/ m2h经以上校核可知，填料塔直径选用D=合理。填料层高度计算(1)传质单元数NOG解吸因数为:气相总传质单元数为:（2）传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三:表 3 常见材质的临界表面张力值材质碳瓷玻璃聚丙烯聚氯乙烯钢石蜡表面张力, mN /m5667333407520得kg/h2液体质量通量为:气体质量通量为：气相总传质单元高度

15、采用修正的恩田关联式计算：气膜吸收系数由下式计算：液膜吸收系数由下式计算：由于本设计填料类型为开孔环表4 常见填料塔的形状系数填料类型球形棒形拉西环弧鞍开孔环值1查表四可得：又因u/=55.4850需要按下式进行校正，即可得：（3）填料层高度的计算根据设计经验，填料层的设计高度一般为 Z(1.21.5)Z式中 Z设计时的填料高度，m； Z工艺计算得到的填料层高度，m得: =1.25=设计取填料层高度为表5 散装填料分段高度推荐值查表：填料类型h/D拉西环4矩鞍586鲍尔环5106阶梯环8156环矩鞍5156对于阶梯环填料，将填料层分为两段设置，每段，两段间设置一个液体再分布器。4、填料层压降计

16、算采用通用关联图计算填料层压降横坐标为：已知：查图得，六、塔内件1、液体分布装置（1）液体分布器的选型：图4 液体分布器多孔环管式分布器:由多孔圆形盘管、联接管及中央进料管组成。这种分布器气体阻力小，特别使用于液量小而气量大的填料吸收塔。液体在塔顶的初始均匀喷淋，是保证填料塔达到预期分离效果的重要条件。近年来的实践表明，大直径填料塔的放大问题主要是保证液体初始分布均匀，若能保证单位塔截面的喷淋点数目与小塔相同，大型填料塔的传质效率将不会低于小型塔。液体分布装置的安装位置，须高于填料层表面200mm,以提供足够的自由空间，让上升气流不受约束地穿过分布器。根据氨气易溶解的性质，可选用目前应用较为广

17、泛的多孔型布液装置中的排管式喷淋器。多孔型布液装置能提供足够均匀的液体分布和空出足够大的气体通道（自由截面一般在70%以上），也便于制成分段可拆结构。液体引入排管喷淋器的方式采用液体由水平主管一侧引入，通过支管上的小孔向填料层喷淋。排管式喷淋器采用塑料制造。（2）分布点数量计算：为了使液体初始分布均匀，原则上应增加单位面积上的喷淋点数。但是，由于结构的限制，不可能将喷淋点设计得很多。根据建议，当时，设计取喷淋点密度为140点/m2。则总布液孔数为：按分布点几何均匀与流量均匀的原则，进行布点设计。设计结果为：二级槽共设七道，在槽侧面开孔，槽宽度为80mm ，槽高度为20mm 。两槽中心矩为 60

18、mm 。分布点采用三角形排列，实际设计布点数为n=90点。图5 槽式液体分布器二级槽的布液点示意图啊（3）布液计算由重力型液体分布器布液能力计算由式中 Ls液体流量，m3/s； n开孔数目(分布点数目)； 孔流系数，通常取； d0孔径，m ； H开孔上方的液位高度，m。 取=0.60， =60mm,液体分布器的安装一般高于填料层表面150300mm (取决于操作弹性)，槽式分布器主槽分槽高度均取210mm，主槽宽度为塔径的，这里取塔径的，分槽宽度由液体量及停留时间确定，最低液位为50mm为宜，最高液位由操作弹性塔内允许高度及造价确定，一般为200mm 左右。2、液体再分布器-升气管式液体再分布

19、器在离填料顶面一定距离处，喷淋的液体便开始向塔壁偏流，然后沿塔壁下流，塔中心处填料的不到好的润湿，形成所谓的“干锥体”的不正常现象，减少了气液两相的有效接触面积。因此每隔一定的距离设置液体再分布装置，以克服此现象。由于塔径为900mm，因此可选用升气管式再分布器，分布外径980mm，升气管数8。3、填料限定装置为防止在上升气流的作用下填料床层发生松动或者跳动，需在填料层上方设置填料压紧装置。图6 填料压紧网板对于塑料散装填料，本设计选用创层限制板。4、气体和液体的进出口装置表 6 管道的公称通径管道的公称通径75809000203040608520523526035（1）气体和液体的进出口直径

20、的计算由公式图7 上装式丝网除沫器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0.81.5m/s（必要时可加大）。选气体流速为15m/s 由VS=117m3/s 代入上公式得d=171mm圆整之后，气体进出口管径为d=180mm选液体流速为，由VS=1118m3/s 代入上公式得 d=87mm,圆整之后液体进出口管径为d=90mm（2）底液出口管径：选择 d= 75 mm（3）泵的选型由计算结果可以选用：IS00-80-125型的泵图8 IS00-80-125型 风机的选型：4-72-118C型离心通风机图9 离心式

21、风机 （5）塔附属高的确定塔的附属空间高度主要包括塔的上部空间高度，安装液体分布器和液体再分度器所需的空间高度，塔的底部空间高度以及塔的群坐高度。塔的上部空间高度是指塔填料层以上，应有一足够的空间高度，以使随气流携带的液滴能够从气相中分离出来，该高度一般取1.2-1.5。安装液体再分布器所需的塔空间高度依据所用分布器的形式而定一般需要1-1.5m的高度。塔的底部空间高度是指塔底最下一块塔板到塔底封头之间的垂直距离。该空间高度含釜液所占的高度及釜液面上方的气液分离高度的两部分。釜液所占空间高度的确定是依据塔的釜液流量以及釜液在塔内的停留时间确定出空间容积，然后根据该容积和塔径计算出塔釜所占的空间

22、高度。塔底液相液相停留时间按min考虑，则塔釜液所占空间为考虑到气相接管所占的空间高度，底部空间高度可取.5米，所以塔的附属空间高度可以取米。（6）人孔公称压力公称直径密封面型标准号常压450mm平面(FS)HG21515-955、液体再分布装置图10 升气管式液体再分布器实践表明，当喷淋液体沿填料层向下流动时，不能保持喷淋装置所提供的原始均匀分布状态，液体有向塔壁流动的趋势。因而导致壁流增加、填料主体的流量减小，影响了流体沿塔横截面分布的均匀性，降低传质效率。为减小壁流现象，当填料层较高时需进行分段，故需设置液体收集及再分布装置。最简单的液体再分布装置为截锥式再分布器。截锥式再分布器结构简单

23、，安装方便，但它只起到将壁流向中心汇集的作用，无液体再分布的功能，一般用于直径小于的塔中。在通常情况下，一般将液体收集器及液体分布器同时使用，构成液体收集及再分布装置。液体收集器的作用是将上层填料流下的液体收集，然后送至液体分布器进行液体再分布。可选用多孔盘式再分布器。分布盘上的孔数按喷淋点数确定，孔径为。为了防止上一填料层来的液体直接流入升气管，应在升气管上设帽盖。它的设计数据如下：分布盘外径-785mm，升气管数量-6.6、填料支撑装置图11 栅板型填料支撑装置填料支撑装置对于保证填料塔的操作性能具有重大作用。采用结构简单、自由截面较大、金属耗用量较小的栅板作为支撑板。为了改善边界状况，可采用大间距的栅条，然后整砌一、二层按正方形排列的瓷质十字环，作为过渡支撑，以取得较大的孔隙率。由于采用的是的填料，所以可用的十字环。塔径，设计栅板由两块组成。且需要将其搁置在焊接于塔壁的支持圈或支持块上。分块式栅板，每块宽度为450mm。设计结果表课程设计名称水吸收SO2填料吸收塔的设计操作条件操作温度20摄氏度操作压力：