清水吸收二氧化硫化工原理课程设计

摘要在化工生产中，气体吸收过程是利用气体混合物中，各组分在液体中溶解度或化学反应活性的差异，在气液两相接触是发生传质，实现气液混合物的分离。在化学工业中，经常需将气体混合物中的各个组分加以分离，其目的是：①回收或捕获气体混合物中的有用物质，以制取产品；②除去工艺气体中的有害成分，使气体净化，以便进一步加工处理；或除去工业放空尾气中的有害物，以免污染大气。根据不同性质上的差异，可以开发出不同的分离方法。吸收操作仅为其中之一，它利用混合物中各组分在液体中溶解度或化学反应活性的差异，在气液两相接触时发生传质，实现气液混合物的分离。一般说来，完整的吸收过程应包括吸收和解吸两部分。在化工生产过程中，原料气的净化，气体产品的精制，治理有害气体，保护环境等方面都要用到气体吸收过程。填料塔作为主要设备之一，越来越受到青睐。二氧化硫填料吸收塔，以水为溶剂，经济合理，净化度高，污染小。此外，由于水和二氧化硫反应生成硫酸，具有很大的利用。本次化工原理课程设计，我设计的题目是：炉气处理量为4200m3h炉气吸过程填料吸收塔设计。本次任务为用水吸收二氧化硫常压填料塔。具体设计条件如下：1、 混合物成分：空气和二氧化硫；2、 二氧化硫的含量：0.05（摩尔分率）3、 操作压强；常压操作4、 进塔炉气流量：4200m3；h5、 二氧化硫气体回收率：95%吸收过程视为等温吸收过程。目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 I\o"CurrentDocument"第一章设计方案的确定 1\o"CurrentDocument"流程方案 1\o"CurrentDocument"设备方案 1流程布置 1吸收剂的选择 1\o"CurrentDocument"第二章填料的选择 22.1对填料的要求 22.2填料的种类和特性 22.3填料尺寸 3\o"CurrentDocument"2.4填料材质的选择 3\o"CurrentDocument"第三章工艺计算 43.1气液平衡的关系 43.2吸收剂用量及操作线的确定 43.2.1吸收剂用量的确定 43.2.2操作线的确定 5\o"CurrentDocument"3.3塔径计算 53.3.1采用Eckert通用关联图法计算泛点速率"f: 5操作气速 7塔径计算 73.3.4喷淋密度U校核 7P3.3.5单位高度填料层压降（Z）的校核 83.4填料层高度计算 93.4.1传质系数的计算 93.4.2填料高度的计算 12\o"CurrentDocument"第四章填料塔内件的类型与设计 13\o"CurrentDocument"塔内件的类型 13\o"CurrentDocument"第五章辅助设备的选型 16管径的选择 16泵的选取: 17风机的选型: 17\o"CurrentDocument"第六章填料塔附属高度计算 17\o"CurrentDocument"第七章分布器简要计算 18\o"CurrentDocument"第八章关于填料塔设计的选材 18\o"CurrentDocument"参考文献 19\o"CurrentDocument"附录 20\o"CurrentDocument"附图 21\o"CurrentDocument"致谢 22第一章设计方案的确定流程方案指完成设计任务书所达的任务采用怎样的工艺路线，包括需要哪些装置设备，物料在个设备间的走向，哪些地方需要有观测仪表、调节装置，有哪些取样点以及是否需要有备用支线等。设备方案根据设备要求，确定选用什么形式的设备。若选用填料塔，塔内填料的型式、尺寸和材质如何选定。方案的确定需要加以论证，在技术上可行的基础上考虑经济性。1.3流程布置吸收装置的流程布置是指气体和液体进出吸收塔的流向安排。主要有逆流操作、并流操作、吸收剂部分再循环操作、单塔或多塔串联操作，根据生产任务、工艺特点，结合各种流程的优缺点，逆流操作时传质平均推动力大，分离程度高，吸收剂利用率高，所以此次设计采用常规逆流操作的流程。1.4吸收剂的选择吸收剂性能的优劣是决定吸收操作效果的关键之一，选择应考虑以下几方面：溶解度要大，以提高吸收速率并减少吸收剂的用量；选择性要好，对溶质组分有良好的溶解能力，对其他组分不吸收或甚微；挥发度要低，以减少吸收和再生过程中吸收剂的挥发损失；吸收剂在操作温度下粘度要低，且不易产生泡沫，以实现吸收塔内良好的气液接触状况；对设备腐蚀性小或基本无腐蚀性，尽可能无毒。价廉、易得、化学稳定性好，便于再生，不易燃烧等。一般来说，任何一种吸收剂都难以满足以上所有要求，选用是要针对具体情况和主要因素，既考虑工艺要求又兼顾到经济合理性。第二章填料的选择2.1对填料的要求填料塔对填料的要求具体表现在以下几个方面：比表面积at要大，比表面积at是指单位堆积体积填料所具有的表面积m2/ ；/m3能提供大的流体流量，即所选用的结构填料要敞开，使于死角区域的空间小，有效空隙率大；液体的再分布性能要好；填料要有足够的机械强度，尤其是非金属填料；价格低廉；2.2填料的种类和特性工业填料按形状和结构分为颗粒填料和)规整填料：(一)颗粒填料一般为湿法乱堆或干法乱的散装填料。主要有以下类型：拉西环填料，鲍尔环填料，阶梯环填料等环形填料；弧鞍形填料，环矩鞍填料等鞍形填料（二）规整填料以一定的几何形状，整齐堆砌，工业用多为波纹填料，其优点是结构紧凑、传质效率高、处理量大，但不易处理粘度大或有悬浮物的物料，且造价高。综合考虑上述因素，此次设计过程我选择阶梯环填料。2.3填料尺寸填料尺寸直接影响塔底操作和设备投资。实践证明，塔径（D）与填料外径（d）之比值有一个下限值，若径比低于此下限值时，塔壁附近的填料空隙率大而不均匀，气流易短路及液体壁流等现象剧增。各种填料的径比的下限：拉西环20—30（最小不低于8—10）鲍尔环10—15（最小不低于8）阶梯环15（最小不低于8）对一定塔径，满足径比下限的填料可能有几种尺寸，应综合考虑填料性能及经济因素选定。一般推荐:DW300时，选25mm的填料；300mm<D<900mm时，选25—38mm的填料。D>900mm时，选用50-70mm的填料.但一般大塔中常用50mm的填料，但通量的提高不能补偿成本的降低。2.4填料材质的选择填料材质根据物系的腐蚀性，操作温度，材质的耐腐蚀性并综合考虑填料性能及经济因素来选择。（1） 陶瓷具有耐腐性及耐热性，但质脆、易碎，价格便宜。（2） 金属金属材质主要有碳钢，不锈钢，铝和铝合金等。（3） 塑料主要包括聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯等，塑料耐腐蚀性、耐低热性好但具有冷脆性，表面润湿性较差。一般讲，操作温度较高但无显著腐蚀性时，选用金属填料；温度较低选用塑料填料；物系具有腐蚀性、操作温度高，宜采用陶瓷填料

考虑到本设计是利用清水吸收SO2吸收液显弱酸性，有一定的腐蚀性，同时考虑到经济的合理性及吸收的效率，故选用聚乙烯阶梯环。第三章工艺计算3.1气液平衡的关系由某些气体水溶液的亨利系数查得20°C下SO在水中亨利系数E二3.55xOKPau〕2相平衡常数m=Ep二號晋=35.03溶解度系数为H溶解度系数为H=匸3.55驚32；18.02二0.0156Kmol/(KPa-m3)3.2吸收剂用量及操作线的确定吸收剂用量的确定1）最小吸收剂用量最小液气比：〔L]〔L]IV丿.minY-Y—1X*1Y-Y1 2士-X

m20.05=0.05=0.05263y= 11 1-y1-0.051=Y(1-0)=0.05263x(1-0.95)=0.0026321进塔惰性气体流量为V：V二t---(1-y)二4200X101.33X(1-0.05)二163.19kmol-h-1RT1 8.314 (273+25)对于纯溶剂吸收’进塔液相组成为X2=0

IV丿.minY-Y—i 1iX*-XIV丿.minY-Y—i 1iX*-XY12 ―1-Xm2Y-Y =申-m=0.95x35.03=33.279L二V-min2）吸收剂用量：(L|=(1.1-2.0)—L二1.5L二1.5x5430.80二8146.20kmol-h-1min8146.20163」9x(O.。526-0.00263)*o=0.00108146.20操作线的确定对逆流操作吸收塔在任一截面m-n与塔顶间列物料衡算:VY+LX二VY+LX22既：Y二--XL(LL(L\—=1.51-|VIV丿.min=1.5x33.279=49.9185,Y--X=Y=0.00263,2V2 2.Y=49.9185X+0.002633.3塔径计算3.3.1采用Eckert通用关联图法计算泛点速率"f:查《化工原理（上）》附录水的物理性质中200C下水的黏度卩=100.50x10-5mPa-sb〕，水塔底混合气体的平均摩尔质量：M=YyM=0.05x64.06+0.95x29=30.753kg/kmol1ii

塔内气体的平均摩尔质量近似等于塔底混合气的平均摩尔质量：M=M=2yM=30.753kg/kmol1ii故塔内气体平均密度为PV=RTMP-M101.33PV=RTMP-M101.33x30.75得出：歹= = =1.258kg-m-3RT气相质量流量为：8.314x298气相质量流量为：W=Vp=4200x1.258=5283.6kg•h-1VS液相质量流量可近似按纯水的流量计算即W=LxM=8146.2x18=146631.6kg-h-1LS关联图的横坐标值为：W p丄146631.6/1.258、丄(a)2= -( )2=27.752x(0.00126)0.5=0.985W p5283.6 998.2VL在此设计中我选择的是d=50mm的塑料阶梯环，查《化工原理》课程设计说明指导书表3-3阶梯环特性，可知：80m-1,a=121.8m2[3]t表3.1阶梯环特性(乱堆)材质外径咼*厚比表面积空隙率个数堆积密度干填料因子填料因子塑料2517.5x1.42280.98150097.83132403819x1.0132.50.912720057.5175.61305030x1.5121.80.915998076.815980金3819x0.81400.95828900159159161属5025x1.01140.94912500377133137纵坐标为：u2 •屮(p)/ • •u0.2=0.0252g Bl丿L因为液相为清水，由屮水=1，故液体校正系数屮=1pL

u2®•屮 P丄 •(注)•u0.2二0.0252gPlL即:f即:fX80019.81 998.2)•1.00500.2二0.0252u=1.56m-s-if操作气速填料塔塔径的大小是根据生产能力与空塔气速来计算。空塔气速有下面经验公式：—=0.5~0.8取ufu=0.6u=0.601.56=0.936m•s-1塔径计算由公式：IVi 4200D=「一4= —— =1.260m」兀\0.936x0.7849x36004•u由于D>1m,所以D=1.260+0.100=1.360经圆整后D=1400mm=1.4m3・3・4喷淋密度U校核Ln——Ln——0.785D2L•M SPL 0.785D2146631.6=9547m3(m2•h)最小喷淋密度：U=（L）aminwmint由于d=50<75mm

取(L)二0.08m3,( Ja=121.8m2/wmin /m2-ht /m3得U 二9.744m3.；' 八min /(m2-h):.U>Umind合适AP3・3・5单位高度填料层压降（丁）的校核由以上可知横坐标为:W p丄146631.6/1.258、丄l-(4)2= -( )2=27.752x(O.OO126)o.5=0.985W p5283.6 998.2VL查表3—9压降填料因子查的0=89m-1[3]p<PL丿卩0.2L0.9362x89<PL丿卩0.2L0.9362x89x11.258x9.81 998.2x1.OO42o.2=0.01aoiO.OO80.006O.CKH0,002O.oi4iri2OJM0.06OJ0.2 0.4O.«D.«.0 2 34 6KWM呂AP由E-AP由E-ckert关联图查得——二30x9.81二294.3Z.•.145 <巴<491Z•••d符合条件3.4填料层高度计算3.4.1传质系数的计算（1）有效面积（润湿面积）«w查《化工原理》课程设计指导书表 3.2填料材质的临界表面张力聚乙烯c=33dyn/cm;C表3.2填料材质的临界表面张力c°值材质钢陶瓷聚乙烯聚丙烯聚氯乙烯玻璃涂石蜡的表面cC75613333407320dyn/cm查《化工原理》上册（夏清陈常贵）（天津大学出版社）附录（331页）中水的物理性质中20°C水的表面张力c=72.67mN/m（《化工原理》附录1单位换L算因子中知：1N=1x10-5dyn,所以1mN/m=1dyn/cm,所以c二72.67x12960=941803.2kg/h2）L查《化工原理》课程设计说明指导书表3-3阶梯环特性，可知：a二121.8m2[3],t水的粘度：卩（=1.0050mPa-s水查《化工原理》下册（夏清陈常贵）（95页）表2-4一些元素的原子体积与简

单气体的分子体积中查V=44.8cm/mol,V=29.9cm/mol,V=8cm/mol；AB0已知：g=1.07x108m/h2.a—w

at=1-a—w

at=1-exp“G\0.75-1.45y(U丫」 —©卩丿

tL(U2a—L―tIP2g

LJ.05( U2 L—丿(pGaLLt、0.2丿=1-exp=1-exp[-1.45x0.553x1.707x1.26x0.5958〕=1-e-1.027=0.643...a二0.643-121.8二78.32UlUl-為-邛-95301.962-h)R=1.0050x10R=1.0050x10-3x3600=3.618L-h2)2）液相传质系数kL20°C下SO在水中的扩散系数27.7x10-157.7x10-15TDLR(VA3-VP7.7x10-15x298二1.471x10-9m2111.0050x10-3x(44.83-83)所以：所以：D-1.471x10-9x3600m2;s-5.296x10-6m2；h由k=0.0095L(U LIa巴丿由k=0.0095L(U LIa巴丿wL2/3RPD丿LL-1/2 1/3RgLPL丿得：3.618k二0.0095x(95301-96)2(四 )-；(址凹斗l 78.32x3.618 998.2x5.296x10-6998.2-1.35mfh3）气相传质系数R)1(aR)1(aD)v)3(tv)pDRTVVG aRtV

2114.36X10-5T3( + )0.5M M A B P(V3[4]+V3[4])2AB4.36x10一5298；(丄+丄)o.5642911101.33(44.83+299)2=1.12x10-5m2/s所以：D=1.12x10-5x3600m2/s=0.04032m2/hVWV—0.785WV—0.785D24200x1.2580.785x1.42=3434.03kg；(m2-h)kG=0237(冷回君)3(眷)tV VV由于空气中SO2含量很低，所以气体粘度近似为空气粘度，查《化工原理》上册（夏清陈常贵）（天津大学出版社）附录6（330页）中:20°C下空气的粘度为18.1rPa.S=18.1x3600x10-6=6.516x10-2Kg/m.h3434.03 、/6.516x10-2 ±121.8x0.04032、k=0.237x( )0.7( )3( )g 121.8x6.516x10-21.258x0.04032 8.314x293=0.0364kmolZ 77、(m2-h-kpa)由ka=ka屮1.1查表3.3常见填料的形状系数得2=1.45G Gw表3.3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2值0.720.7511.191.45则k=ka屮11=0.0364x78.32x1.451.1=4.29kmol(m3-h-kPa)GGwk=ka屮0.4=1.35x78.32x1.450.4=122.67kmol：(m3-h-kPa)L Lw

由于上二60%>50%,所以需要校正。u一0.5)一0.5)i.4kaG1+9.5(—uF1+2.6(上-0.5)2.2kak'aL-1+9.5(0.6-0.5)i.4-k4.29=5.91251+2.6(上-0.5)2.2kak'aLu L1- F "I J+2.6(0.6-0.5)2.2k122.67=124.68kmol；(m3-h-kPa)则Ka=则Ka=一G1 1+k'aHk'aGL1+5.9125 0.0156x124.68=1.464kmol.(m3-h-kPa)3.4.2填料高度的计算塔高：z=NOGHOG传质单元高度H：3.4.2填料高度的计算塔高：z=NOGHOG传质单元高度H：OG163.19H=OGKaQKapQ1.464x101.33x0.785x1.42yG=0.715m传质单元数:Y一YN=T2ogAYm由全塔物料衡算得(Y-Y)12=L(X一X)12所以：X1V气(「Y2)=於O。5263一0W263)=0.001AY=Y—Y*=Y—mX=0.05263—35.03x0.001=0.017611111

AY二Y—mX=Y=0.00263AYmAYmAY—AY 12lak

lniAY20.0176-O.O。263二010.0176ln0.00263Y—Y所以：N 2二6.329OG AYm所以：z=NH =6.329x0.715=4.525mOGOG根据设计经验，填料层的设计高度一般为Z'二（1.2〜1.5）Z取Z'二1.3Z沁6000mm可知阶梯环填料层高度最大仅为6m•••本设计填料不需分层。第四章填料塔内件的类型与设计4.1塔内件的类型填料塔的内件主要有填料支承装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体收集再分布装置、除沫装置等。（1） 填料支承装置填料支承装置的作用是支承塔内的填料。常用的填料支承装置有栅板型、孔管型、驼峰型等。对于散装填料，通常选用孔管型、驼峰型支承装置；对于规整填料，通常选用栅板型支承装置。设计中，为防止在填料支承装置处压降过大甚至发生液泛，要求填料支承装置的自由截面积应大于75%。考虑到塔径及吸收要求，本设计选梁式气喷式支撑板。表4.1梁式气喷式支承板结构尺寸（mm）塔径DN支承板外径支承板分块数支承圈宽度支承圈厚度10009803401011001080440101200116045010130012604501414001360450141500146055014（2） 填料压紧装置为防止在上升气流的作用下填料床层发生松动或跳动，需在填料层上方设置填料压紧装置。填料压紧装置有压紧栅板、压紧网板、金属压紧器等不同的类型。对于散装填料，可选用压紧网板，也可选用压紧栅板，在其下方，根据填料的规格敷设一层金属网，并将其与压紧栅板固定；对于规整填料，通常选用压紧栅板。设计中，为防止在填料压紧装置处压降过大甚至发生液泛，要求填料压紧装置的自由截面积应大于70%。为了便于安装和检修，填料压紧装置不能与塔壁采用连续固定方式，对于小塔可用螺钉固定于塔壁，而大塔则用支耳固定。本设计选用床层限制板。（3） 液体分布装置液体分布装置的种类多样，有喷头式、盘式、管式、槽式及槽盘式等。工业应用以管式、槽式及槽盘式为主。管式分布器由不同结构形式的开孔管制成。其突出的特点是结构简单，供气体流过的自由截面大，阻力小。但小孔易堵塞，操作弹性一般较小。管式液体分布器多用于中等以下液体负荷的填料塔中。在减压精馏及丝网波纹填料塔中，由于液体负荷较小，设计中通常用管式液体分布器。槽式液体分布器是由分流槽（又称主槽或一级槽）、分布槽（又称副槽或二级槽）构成的。一级槽通过槽底开孔将液体初分成若干流股，分别加入其下方的液体分布槽。分布槽的槽底（或槽壁）上设有孔道域导管，将液体均匀分布于填料层上。槽式液体分布器具有较大的操作弹性和极好的抗污堵性，特别适合于大气液负荷及含有固体悬浮物、粘度大的液体的分离场合，应用范围非常广泛。槽盘式分布器是近年来开发的新型液体分布器，它兼有集液、分液及分气三种作用，结构紧凑，气液分布均匀，阻力较小，操作弹性高达10：1，适用于各种液体喷淋量。近年来应用非常广泛，在设计中建议优先选用。考虑到塔径及吸收要求，本设计选溢流槽式液体分布器。液体收集及再分布装置前已述及，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，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0.6m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。常用的液体收集器为斜板式液体收集器。由于本设计不需要填料分层，所以不需要液体收集及再分布装置。除沫装置气体在塔顶离开填料层时，带有大量液沫和雾滴，为回收这部分液体，需要在塔顶安装除沫器。常用的除沫器主要有折流板式除沫器，旋流板式除沫器、丝网除沫器。本设计选用上装式丝网除沫器。表4.2上装式丝网除沫器基本参数公称直径DNmm主要外形尺寸mmHH1H2D质量，kg1100100218102043.415026851.71200100218112049.615026859.91300100228122064.815027876.61400100228132071.615027885.21500100228142079.615027895.1

第五章辅助设备的选型5.1管径的选择气相体积流量V二4200m3fh二1.167m3；h；S液相体积流量V'S液相体积流量V'S-L146631.6998.2=146.896m3h=0.0408ms1、进液管管径：由于清水无腐蚀性故可选择无缝钢管畑163-87)，取笃水=2.0妣，VSd0WVSd0WL 3600xpL146631.63600x998.2=0.0408m3：h4V=s=161mm,取壁厚§=9mm,管径为179mm,圆整后取管规格©180x9mm.'兀u4V核算u：u= S=1.98ms，满足条件。兀(180-9x2) '2、出液口管径：由于本吸收操作中SO在空气中含量极低故吸收液吸收前后密度变化不大，故2出液口管径仍取©180x9mm3、 进气口管径：由于SO遇水呈弱酸性故对管道有腐蚀所以选取无缝不锈钢管(GB/T14976-94)2进气管进气为常压进气，故可取i'4V'u=20m/s,d= &=305mm,取管径规格©325x9mm0 兀U4、 出气管管径由于本吸收操作中SO在空气中含量极低故吸收前后气体体积变换不大，故管径2仍取©325x9mm

5.2泵的选取：由于输送清水，故泵可选清水泵。由《化工原理(上)》知可选取IS-125-100-200型泵泵特性参数：n=2900r/min;Q=200m3/h;H=50m;m=81%;N=33.6kw;(NPSH)=4.5m;S S r核算轴功率：N=HQ^=8.75kw<33.6kw；故泵的选取符合要求；102q5.3风机的选型：输送气体so2可选离心通风机;由伯努利方程可得：H'T=(P-PH'T=(P-P)+211.224x2022=244.8Pa，H=H'.1.2T1.224=240pa故可选用4-72-118C型离心通风机，其特性参数为:n=800r.min-1,H=294.2Pa,Q=5610m3.h-1胡=91%。SS第六章填料塔附属高度计算填料塔上部高度可取h=1.3m，塔底液相停留时间按1.5min考虑，则塔釜所占空间高度为 h=1.5X60x146631.6=2.7m3600x998.2x0.785考虑到气相接管所占空间高度，底部空间高度可取，所以塔的空间附属高度可取为。可得塔的总高H=h'+h+Z=2.7+1.3+5.9=9.9m1

第七章分布器简要计算该吸收液相负荷较大，气相负荷也较大故选用溢流槽是液体分布器，按Eckert建议当D>1200mm时，喷淋密度为42点/,该塔液相负荷较大，设计取喷淋/m2点密度为120点/，布液点数n二0.758x1.42x120二178点。/m2兀 L=dn©j2gAH，其中©=0.6，AH=160mms4 0=0.013md=(©4—)2=(4x146631.6998.2x3600)1=0.013m叭2gAH 、:2x9.81x0.16x3.14x178第八章关于填料塔设计的选材本设计填料塔的设计温度为20，设计压力位101.33kPa；由于塔设备常年暴露在室外，要求有足够的强度和塑度，所以筒体，封头和塔裙选用15MnNiDR合金钢，其它部件选用Q235-A的钢材制成。塔设备的筒体不包括腐蚀度的最小厚度要求内径不小于4mm；PD=PD=0.48mmkl综上所述，筒管厚度为10mm，根据《化工设备机械基础》查D=1400mm、可知椭圆形封头的和厚度为12mm。参考文献【1】：《化工原理》下册（夏清陈常贵）（天津大学出版社）（80页）表2-1：某些气体水溶液的亨利系数得20°C下SO在水中亨利系数E=3.55xlOsKPa。2【2】：《化工原理》上册（夏清陈常贵）（天津大学出版社）附录（332页）中水的物理性质中20C水