毕业论文水吸收二氧化硫填料塔设计

水吸收二氧化硫填料塔设计作者陈福茂单位港口航道与近海工程学院专业港口航道与每岸工程学号1303010317摘要：本设计的目的在于除去工业放空尾气中的有害物质。尾气的初始条件为：20°C,常压下，体积流量为2500m3/h混合气(空气+SO2),其中SO2体积分数5%,出塔SO2含量为0.25%。设计方案：用水吸收SO2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，且SO2不作为产品，故属用纯溶剂吸收过程。对于水吸收SO2的过程，操作温度及操作压力较低，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。根据以上条件本设计的结果如下：塔径D=1.2m；填料层高度h=5000mm；填料设计层压降△P=107・91x5=539・55Pa。关键词：水，二氧化硫，填料塔吸收塔WaterAbsorptionofSulfurDioxideinaPackedTowerAbstract：Theabsorptionofthedesignaimstoremoveharmfulsubstancesintheexhaustofindustrialventing.Thesulfurdioxideabsorptionwater,designandoperatingconditionsforthetaskis:Atthetemperatureof20andundertheatmosphericpressure,thegasmixture(air+SO2)intheamountofprocesing:2500m3/h,volumefractionofsulfuedioxideintheinletgasmixture:5%,emissions(sulfurdioxidebyvolume):0.25%.Designscheme:Thesulfurdioxideabsorptionwater,tobelongtomediumsolubilityabsorptionprocess,inordertoimprovethemasstransferefficiency,choosecounter-currentabsorptionprocess,becausewaterabsorbentdo,andsulfurdioxide,notasproducts,sothepuresolvents.Choiceoffiller:theprocessofwaterabsorptionofSO2,theoperatingtemperatureandoperatingpressureislow,theindustryusuallyuseplasticbulkpacking.Intheplasticbulkpacking,plasticladderringpackingperformanceisbetter,thereforetheDN38polypropyleneladderringpackingisbeingchoiced.Thedesignofthetowerdiameteris1.2m,packinglayerheightis5000mm,packingdesignpressuredropis539.55Pa.KeyWords:H2O;SO2；PackedTower、弓I言填料塔70年代以前，在大型塔器中，板式塔占有绝对优势，出现过许多新型塔板。70年代初能源危机的出现，突出了节能问题。随着石油化工的发展，填料塔日益受到人们的重视，此后的20多年间，填料塔技术有了长足的进步，涌现出不少高效填料与新型塔内件，特别是新型高效规整填料的不断开发与应用，冲击了蒸馏设备以板式塔为主的局面，且大有取代板式塔的趋势。最大直径规整填料塔已达14〜20m，结束了填料塔只适用于小直径塔的历史。这标志着填料塔的塔填料、塔内件及填料塔本身的综合设计技术进入了一个新阶段。纵观填料塔的发展，可以看出，直至80年代末，新型填料的研究始终十分活跃，尤其是新型规整填料不断涌现，所以当时有人说是规整填料的世界。但就其整体来说，塔填料结构的研究又始终是沿着两个方面进行的，即同步开发散堆填料与规整填料［1，2］。另一个研究方向是进行填料材质的更换，以适应不同工艺要求，提高塔内气液两相间的传质效果，以及对填料表面进行适当处理(包括在板片上碾压细纹或麻点，在板片上粘接石英砂，表面化学改性等)，以改变液相在填料表面的润湿性［3-5］。填料塔从ACHEMA‘94和ACHEMA’97两届展览会展出情况来看，进入90年代后，填料的发展较慢，仿佛进入一个相对稳定期，或者说是处于巩固阶段。如1994年展出的最具代表性的产品仍是Sulzer公司1991年展出的Optiflow规整填料，而1997年也只展出了一种新型填料的几何形状，即Raschig公司的Supekpak300型板式规整填料，其余都是一些老填料的新改进(如Rombopak改进型填料)。填料领域最多的发展还是在气液分布器方面。国外大公司对液体分布装置的研究较成熟，但对气体分布器的研究是几年前才起步的。与此相反的是，近五六年来，塔器中板式塔技术却又有了明显的进步。尽管如此，新型填料的开发与应用仍将会有发展，其重点亦仍是规整填料。预计今后填料塔的发展仍应归结到以下三个方面：①新型填料及塔内件的开发。②填料塔的性能研究。③填料塔的工业应用。塔设备是炼油、化工、石油化工等生产中广泛应用的气液传质设备。根据塔内气液接触部件的形式，可以分为填料塔和板式塔［6,7］。板式塔属于逐级接触逆流操作，填料塔属于微分接触操作［8-10］。工业上对塔设备的主要要求：(1)生产能力大(2)分离效率高(3)操作弹性大(4)气体阻力小结构简单、设备取材面广等［11-13］。塔型的合理选择是做好塔设备设计的首要环节，选择时应考虑物料的性质、操作的条件、塔设备的性能以及塔设备的制造、安装、运转和维修等方面的因素［15-18］。板式塔的研究起步较早，具有结构简单、造价较低、适应性强、易于放大等特点。填料塔由填料、塔内件及筒体构成。填料分规整填料和散装填料两大类U9,20］。塔内件有不同形式的液体分布装置、填料固定装置或填料压紧装置、填料支承装置、液体收集再分布装置及气体分布装置等。与板式塔相比，新型的填料塔性能具有如下特点：生产能力大、分离效率高、压力降小、操作弹性大、持液量小等优点。二、实验过程1任务及操作条件1.1设计任务SO2气体填料吸收塔设计。1.2操作条件混合气(空气+SO2)处理量：2500m3/h；进塔混合气中二氧化硫体积分数：5%；进塔吸收剂(清水)温度：20°C；排放量(二氧化硫体积分数)：0.25%；操作压力：常压。2设计方案的确定2.1吸收剂的选择用水吸收SO2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，且SO2不作为产品，故采用纯溶剂。2.2填料的选择对于水吸收SO2的过程，操作温度及操作压力较低，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。图1水吸收二氧化硫的吸收和解析过程3基础物性数据3.1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°C时水的有关物性数据如下：密度为p=998.2kg/m3粘度为r£=0.001Pa.s=3.6kg/(m.h)；中=1表面张力为a=72.7x10-3N/m=940896kg/h2LSO2在水中的扩散系数为D广1.47x10-9m2/s=5.29x10-6m2/h3.2气相物性数据混合气体的平均摩尔质量为MV=Zy.M,=0.05x64.06+0.95x29=30.75混合气体的平均密度为p=1pMv=1.257kg/m3vRT混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得20°C空气的粘度为旦=1.81x10-5Pa・s=0.065kg/(m.h)V查手册得SO2在空气中的扩散系数为Dv=0.039m2/h3.3气液相平衡数据由手册查得，常压下20C时SO2在水中的亨利系数为E=3.55x103kPa相平衡常数为心勺35.04P101.3溶解度系数为x_025=0.142%b35.04X*0.14%=0.0014b1-0.14%5填料塔的工艺尺寸的计算采用Eckert通用关联图计算泛点气速。塔底混合气相质量流量为:V'=2500x1.257=3142.5Kmol/h

液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即L'=4950.37xl8.02=89205.6674Kg/h纤Pg)°.5_89205.6674』1.257]°5_i007V\pJ3142.5"998.2J经比较选用DN38塑料阶梯环查《化工原理》附录知：填料因子o=170m-io从0.080.06•KV00.010.0080.0066810下图查得：仪FPT.007垂线与散堆填料液泛总线相交可读出疽.0210.0020.1/3L'fP0.080.06•KV00.010.0080.0066810下图查得：仪FPT.007垂线与散堆填料液泛总线相交可读出疽.0210.0020.1/3L'fP，

V'IpJ图2填料塔液泛、压力降通用关联图横坐标:L'V0.5V横坐标:L'V0.5V―trV/pA0-5—W(pp31

T——G—l^-

gp

LW(pp31

T——G—l^-

gp

L各物理量的意义如下：V\Lf--气体与液体的质量流速Kg/M2S；

V、VLV、VL——气体与液体的体积流量M3/S；Pg、p——气体与液体的密度Kg/M3。中――填料因子I/M；查表4=170mtF=0.021:0.021gPL\,'4VP32:0.021gPL\,'4VP32=0.981m/s\T70x1x1.257x100.2取u=0.7〃尸=0.7x0.981=0.687m/s2500Vs==0.694m3/s36004V4x2500/3600D=S=■=1.135mHu3.14x0.687圆整塔径，取D=1.2m泛点率校核：=0.614m/s2500/3600u==0.614m/s—=0614x100%=62.6%(在允许的范围内)uF0.981填料规格校核:=31.58>8液体喷淋密度校核:取最小润湿速率为(L).=0.08m3/m-h查填料手册得a=132.5m2/m3tU.=(L).a=0.08x132.5=10.6m3/m2-hU=89205.6674/998.2=79.06>u0.785x1.22min经以上校核可知，填料塔直径选用D=1200mm合理实验结果与讨论

1.液体分布器简要设计1.1液体分布器的选型该吸收塔液相负荷较大，而气相负荷相对较低，故选用槽式液体分布器。2.2分布点密度计算按Eckert建议值，D〉1200mm时，喷淋点密度为42点/m2,因该塔液相负荷较大，设计取喷淋点密度为120点/m2。布液点数为仃0.785x1.22x120=135.6=136点八、、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210mm，两槽中心矩为160mm。分布点采用三角形排列，实际设计布点数为n=132点，布液点示意图所示。由L^=旦由L^=旦d2冲j2gAH得取中0.60，d=0gW=0.015(4x89205.37/(998.2x=0.015，"3.14x132x0.6J2x9.81x0.16)设计取do=15mm。2.填料吸收塔的附属设备2.1填料支承板分为两类：气液逆流通过平板型支承板，板上有筛孔或栅板式;气体喷射型，分为圆柱升气管式的气体喷射型支承板和梁式气体喷射型支承板。2.2填料压板和床层限制板在填料顶部设置压板和床层限制板。有栅条式和丝网式。2.3气体进出口装置和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度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。气体出口既要保证气流畅通，又要尽量除去夹带的液沫。最简单的装置是除沫挡板（折板），或填料式、丝网式除雾器。2.4除雾沫器穿过填料层的气体有时会夹带液体和雾滴，因此需在塔顶气体排出口前设置除沫器，以尽量除去气体中被夹带的液体雾沫，SO2溶于水中易于产生泡沫为了防止泡沫随出气管排出，影响吸收效率，采用除沫装置，根据除沫装置类型的使用范围，该填料塔选取丝网除沫器。丝网除雾沫器：一般取丝网厚度H=100〜150mm，气体通过除沫器的压降约为120〜250Pa，通过丝网除沫器的最大气速umax=k=0.085=2.3875m/s，实际气速为最大气速的0.75〜0.8倍所以实际气速u=0.75x2.3875=1.7906m/s。所以丝网除沫器直径D=0.6984m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。注：（1）本设计任务液相负荷不大，可选用排管式液体分布器；且填料层不高，可不设液体再分布器。（2）塔径及液体负荷不大，可采用较简单的栅板型支承板及压板。其它塔附件及气液出口装置计算与选择此处从略。四、设计总结对于设计过程我们通过查阅各种文献得到数据，公式最后汇总，通过给出的任务进行计算，使我们的自学能力，汇总能力都得到了提高。对于最后部分塔附属高度的计算还不甚了解，很不熟练，有待提高。通过本次课程设计不仅增强了自己的自学能力更促进了对化工原理知识的进一步了解，同时通过同学之间，同学和老师之间的相互交流使我的设计更加完善。在良好的互动环境下我们大家都很努力认真，不仅是为了取得成绩，更是为了能在知识上，在能力上都有所提高。特别使对一些参考文献的使用，和对图表的查询都有了实质性的操作。动手能力也有了显著提高，使我们大家都很高兴。虽然我们做设计的时间较以前的学哥学姐时间短，但我们相信我们的收获不比他们少。当然我知道自己的设计也许还存在这样或那样的不足，但我知道这是我努力的结果。我感谢能有这次让我努力并增长知识的机会，缺点和不足一定回尽力改正。也真心的希望这样可以促进我们学习和进步的机会以后还：1、通过本次课程设计，使我对从填料塔设计方案到填料塔设计的基本过程的设计方法、步骤、思路、有一定的了解与认识。它相当于实际填料塔设计工作的模拟。在课程设计过程中，基本能按照规定的程序进行，先针对填料塔的特点和收集、调查有关资料，然后进入草案阶段，其间与指导教师进行几次方案的讨论、修改，再讨论、逐步了解设计填料塔的基本顺序，最后定案。设计方案确定后，又在老师指导下进行扩初详细设计，并计算物料守衡，传质系数，填料层高度，塔高等；最后进行塔附件设计。2、此次课程设计基本能按照设计任务书、指导书、技术条件的要求进行。同学之间相互联系，讨论，整体设计基本满足使用要求，但是在设计指导过程中也发现一些问题。理论的数据计算不难，困难就在于实际选材，附件选择等实际问题。这些方面都应在以后的学习中得以加强与改进。以上足本次课程设计的指