吸收塔的设计.doc

课程设计任务书

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25℃后送入填料塔中，用20℃清水洗涤除去其中的SO

2

。

入塔的炉气流量为2250m3/h，其中进塔SO

2的摩尔分数为0．05，要求SO

2

的吸收率为96％。

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量的1．4倍。

2.工艺操作条件：

(1) 操作平均压力常压101.325kpa

(2) 操作温度t=20℃

(4) 所用填料为D N38聚丙烯阶梯环形填料。

3.设计任务

完成填料吸收塔的工艺设计与计算，有关附属设备的设计和选型，绘制吸收系统工艺流程图和吸收塔工艺条件图，编写设计说明书。

目录

摘要 (1)

1绪论 (2)

1.1吸收技术概况 (2)

1.2吸收过程对设备的要求及设备的发展概况 (2)

1.3吸收在工业生产中的应用 (2)

1.3.1吸收的应用概况 (3)

1.3.2典型吸收过程 (3)

2设计方案 (4)

2.1吸收方法及吸收剂的选择 (4)

2.1.1吸收方法 (4)

2.1.2吸收剂的选择: (4)

2.2吸收工艺的流程 (5)

2.2.1吸收工艺流程的确定 (5)

2.2.2吸收工艺流程图及工艺过程说明 (6)

2.3操作参数的选择 (6)

2.3.1操作温度的选择 (6)

2.3.2操作压力的选择 (6)

2.3.3吸收因子的选择 (7)

2.4吸收塔设备及填料的选择 (8)

2.4.1吸收塔的设备选择 (8)

2.4.2填料的选择 (8)

3吸收塔的工艺计算 (9)

3.1基础物性数据 (9)

3.1.1液相物性数据 (9)

3.1.2气相物性数据 (9)

3.1.3气液平衡数据 (9)

3.2物料衡算 (10)

3.3塔径的计算 (10)

3.3.1塔径的计算 (10)

3.3.2泛点率校核 (11)

3.3.3填料规格校核: (11)

3.3.4液体喷淋密度校核 (11)

3.4填料层高度计算 (11)

H计算 (11)

3.4.1传质单元高度

OG

3.4.2填料层高度Z的计算: (12)

3.5填料层压降ΔP的计算: (12)

3.6填料塔附属高度计算 (13)

3.7离心泵的选择

3.8进出液气接管管口的计管

结论 (13)

参考文献 (14)

主要符号说明 (14)

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。

实际过程往往同时兼有净化和回收双重目的。

气体混合物的分离，总是根据混合物中各组分间某种物理和化学性质的差异而进行的。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。

1.1吸收技术概况

在化学工业中，利用不同气体组分在液体溶剂中的溶解度的差异，对其进行选择性溶解，从而将混合物各组分分离的传质过程称为吸收。气体吸收过程是化工生产中常用的气体混合物的分离操作，其基本原理是利用混合物中各组分在特定的液体吸收剂中的溶解度不同，实现各组分分离的单元操作。

实际生产中，吸收过程所用的吸收剂常需回收利用，故一般来说，完整的吸收过程应包括吸收和解吸两部分，因而在设计上应将两部分综合考虑，才能得到较为理想的设计结果。作为吸收过程的工艺设计，其一般性问题是在给定混合气体处理量、混合气体组成、温度、压力以及分离要求的条件下，完成以下工作：（1）根据给定的分离任务，确定吸收方案；

（2）根据流程进行过程的物料和热量衡算，确定工艺参数；

（3）依据物料及热量衡算进行过程的设备选型或设备设计；

（4）绘制工艺流程图及主要设备的工艺条件图；

（5）编写工艺设计说明书。

1.2吸收过程对设备的要求及设备的发展概况

近年来随着化工产业的发展，大规模的吸收设备已经广泛用于实际生产过程中。对于吸收过程，能够完成分离任务的塔设备有多种，如何从众多的塔设备中选择合适类型是进行工艺设计的首要任务。而进行这一项工作则需对吸收过程进行充分的研究后，并经多方面对比方能得到满意的结果。一般而言，吸收用塔设备与精馏过程所需要的塔设备具有相同的原则要求，用较小直径的塔设备完成规定的处理量，塔板或填料层阻力要小，具有良好的传质性能，具有合适的操作弹性，结构简单，造价低，便于安装、操作和维修等。

但是吸收过程，一般具有液气比大的特点，因而更适用填料塔。此外，填料塔阻力小，效率高，有利于过程节能。所以对于吸收过程来说，以采用填料塔居多。近年来随着化工产业的发展，大规模的吸收设备已经广泛用于实际生产当中。具有了很高的吸收效率，以及在节能方面也日趋完善。填料塔的工艺设计内容是在明确了装置的处理量，操作温度及操作压力及相应的相平衡关系的条件下，完成填料塔的工艺尺寸及其他塔内件设计。在今后的化学工业的生产中，对吸收设备的要求及效率将会有更高的要求，所以日益完善的吸收设备会逐渐应用于实际的工业生产中。

1.3吸收在工业生产中的应用

1.3.1吸收的应用概况

在化工生产中，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得到了广泛的应用，在研究和开发过程中，在方法上多从吸收过程的传质速率着手，希望在整个设备中，气液两相为连续微分接触过程，这一特点则与填料塔得到了良好的结合，由于填料塔的通量大，阻力小，使得其在某些处理量大要求压降小的分离过程中备受青睐，尤其近年高效填料塔的开发，使得填料塔在分离过程中占据了重要的位置。吸收在化工的应用大致有以下几种：

（1）原料气的净化。

（2）有用组分的回收。 （3）某些产品的制取。 （4）废气的处理。 1.3.2典型吸收过程

煤气脱苯为例:在炼焦及制取城市煤气的生产过程中，焦炉煤气内含有少量的苯、甲苯类低碳氢化合物的蒸汽（约353/m g ）应予以分离回收，所用的吸收溶剂为该工业生产过程中的副产物，即焦煤油的精制品称为洗油。

回收苯系物质的流程包括吸收和解吸两个大部分。含苯煤气在常温下由底部进入吸收塔，洗油从塔顶淋入，塔内装有木栅等填充物。在煤气与洗油接触过程中，煤气中的苯蒸汽溶解于洗油，使塔顶离去的煤气苯含量降至某允许值(<3/2m g )，而溶有较多苯系物质的洗油(称富油)由吸收塔底排出。为取出富油中的苯并使洗油能够再次使用(称溶剂的再生)，在另一个称为解吸塔的设备中进行与吸收相反的操作----解吸。为此，可先将富油预热到170C 左右由解吸塔顶淋下，塔底通入过热水蒸气。洗油中的苯在高温下逸出而被水蒸气带走，经冷凝分层将水除去，最终可得苯类液体（粗苯），而脱除溶质的洗油（称贫油）经冷却后可作为吸收溶剂再次送入吸收塔循环使用.

2设计方案

吸收过程的设计方案主要包括吸收剂的选择、吸收流程的选择、解吸方法选择、设备类型选择、操作参数的选择等内容.用水吸收S02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S02不作为产品，故采用纯溶剂。

2.1吸收方法及吸收剂的选择

2.1.1吸收方法

完成同一吸收任务，可选用不同吸收剂，从而构成了不同的吸收方法，如以合成氨厂变换器脱CO

2

的为例，若配合焦炉气为原料的制氢工艺，宜选用水，碳酸丙

烯酯，冷甲酸等作吸收剂，既能脱CO

2

，又能脱除有机杂质。后继配以碱洗和低

温液氨洗构成了一个完整的净化体系，若以天然气为原料制H

2和N

2

时，宜选用

催化热碳酸钾溶液作吸收剂，净化度高。后继再配以甲烷化法，经济合理。其中，前者为物理吸收，后者则为化学吸收。一般而言，当溶剂含量较低，而要求净化度又高时，宜采用化学吸收法；若溶质含量较高，而净化度又不很高时，宜采用物理吸收法。

2.1.2吸收剂的选择:

对于吸收操作,选择适宜的吸收剂,具有十分重要的意义.其对吸收操作过程的经济性有着十分重要的影响.一般情况下,选择吸收剂,要着重考虑如下问题.

(一)对溶质的溶解度大

所选的吸收剂多溶质的溶解度大,则单位量的吸收剂能够溶解较多的溶质,在一定的处理量和分离要求下,吸收剂的用量小,可以有效地减少吸收剂循环量,这对于减少过程功耗和再生能量消耗十分有利.另一方面,在同样的吸收剂用量下,液相的传质推动力大,则可以提高吸收效率,减小塔设备的尺寸.

(二)对溶质有较高的选择性

对溶质有较高的选择性,即要求选用的吸收剂应对溶质有较大的溶解度,而对其他组分则溶解度要小或基本不溶,这样,不但可以减小惰性气体组分的损失,而且可以提高解吸后溶质气体的纯度.

(三)不易挥发

吸收剂在操作条件下应具有较低的蒸气压,以避免吸收过程中吸收剂的损失,提高吸收过程的经济性.

(四)再生性能好

由于在吸收剂再生过程中,一般要对其进行升温或气提等处理,能量消耗较大,因而,吸收剂再生性能的好坏,对吸收过程能耗的影响极大,选用具有良好再

生性能的吸收剂,往往能有效地降低过程的能量消耗.

以上四个方面是选择吸收剂时应考虑的主要问题,其次,还应注意所选择的吸收剂应具有良好的物理、化学性能和经济性.其良好的物理性能主要指吸收剂的粘要小,不易发泡,以保证吸收剂具有良好的流动性能和分布性能.良好的化学性能主要指其具有良好的化学稳定性和热稳定性,以防止在使用中发生变质,同时要求吸收剂尽可能无毒、无易燃易爆性,对相关设备无腐蚀性(或较小的腐蚀性).吸收剂的经济性主要指应尽可能选用廉价易得的溶剂.

表2—1 物理吸收剂和化学吸收剂的特性

2.2吸收工艺的流程

2.2.1吸收工艺流程的确定

工业上使用的吸收流程多种多样，可以从不同角度进行分类，从所选用的吸收剂的种类看，有仅用一种吸收剂的一步吸收流程和使用两种吸收剂的两步吸收流程，从所用的塔设备数量看，可分为单塔吸收流程和多塔吸收流程，从塔内气液两相的流向可分为逆流吸收流程、并流吸收流程等基本流程，此外，还有用于特定条件下的部分溶剂循环流程。

（一）一步吸收流程和两步吸收流程

一步流程一般用于混合气体溶质浓度较低，同时过程的分离要求不高，选用一种吸收剂即可完成任务的情况。若混合气体中溶质浓度较高且吸收要求也高，难以用一步吸收达到规定的吸收要求，但过程的操作费用较高，从经济性的角度分析不够适宜时，可以考虑采用两步吸收流程。

（二）单塔吸收流程和多塔吸收流程

单塔吸收流程是吸收过程中最常用的流程，如过程无特别需要，则一般采用单塔吸收流程。若过程的分离要求较高，使用单塔操作时，所需要的塔体过高，或采用两步吸收流程时，则需要采用多塔流程（通常是双塔吸收流程）

（三）逆流吸收与并流吸收

吸收塔或再生塔内气液相可以逆流操作也可以并流操作，由于逆流操作具有传质推动力大，分离效率高（具有多个理论级的分离能力）的显著优点而广泛应用。工程上，如无特别需要，一般均采用逆流吸收流程。

（四）部分溶剂循环吸收流程

由于填料塔的分离效率受填料层上的液体喷淋量影响较大，当液相喷淋量过小时，将降低填料塔的分离效率，因此当塔的液相负荷过小而难以充分润湿填料表面时，可以采用部分溶剂循环吸收流程，以提高液相喷淋量，改善踏的操作条件。

3吸收塔的工艺计算

。

3.1基础物性数据

3.1.1液相

密度 ρL =998.2kg/m 3

粘度 μL =0.001Pa.s=3.6kg/(m. h) 表面张力 σL =72.6dyn/cm=940896kg/h 2

SO 2在水中的扩散系数为 D L =1.47×10-5

cm 2

/s=5.29×10-6m 2

/h

3.1.2气相

混合气体平均摩尔质量为=vm M ∑Уi Μi =0.05×64.06＋0.95×29=30.75

平均密度=vm ρ=

RT

M p vm

=

3/257.115

.298314.875

.30325.101m kg =??

y 1=0.05 所以近似取空气粘度 查表得当T=20O

C

时，

h

m S cm SO h m kg s pa v /039.0/108.0D )

./(065.0..1081.13

2

V 25===?=-在空气中扩散系数为μ

3.1.3

相关平衡数据

04

.35325.1011055.3kP 103055E C 20T 3320=?==?==kpa

kpa P E m a SO 于水中的亨利系数为时，由表查得，当

)./(0156.002

.181055.32

.99833

m kpa kmol EM H S

l

=??=

=

ρ 3.2 物料计算

0526.095

.005

.01111==-=

y y Y 又

002104.096.010526.01Y Y 96.012=-=-==）（）

（，所以?? 进塔惰性气体气体流量L kmol /42.8705.0125

15.27315

.2734.222250=-?+?=

∨）（ 64.33001.350526.0002104.00526.0)(2121min =--=--=X m

Y Y Y V

L 取操作液气比最小值的1.4倍 得

10.4764.334.1)(4.1min =?==V

L

V L 所以/13.411742.8710.47L kmol =?= 由物料守恒得 0011.013

.4117)

005104.00526.0(42.871=-?=X

3.3塔径的计算

3.3.1塔径的计算

气相质量流量为h kg W v /3.2828257.12250=?= 液相质量流量近似取纯水

h kg W l /68.7419002.1813.4117=?= 3/2.998m kg l =ρ 由贝思------霍夫泛点关联式

得Lg 8

14

1

2.032???

? ?????

?

???-=???

?????l v v l

l l v t f w w K A a g u ρρμρρξ 查表的 塑料阶梯环有32/5.132m m a t = 204.0=A 75.1=K 3

3/91.0m m =ξ

将已知数据带入得

515.12.998257.13.282868.7419075.1204.012.998257.191.05.13281.98

1412.032-=??? ?????? ???-=???

?????????

?????? ???f u s m u f /16.1=? 对于散装材料 7.0(85.05.0=≤≤

f

f u u u u 由经验得），取

所以s m u u f /812.016.17.07.0=?==

m u V D s

990.0812

.014.33600

/225044=??==

π 圆整塔径取m D 0.1=

3.3.2泛点率校核

s m u /849.0143600

/24002

=?=

π

%18.7316

.1849.0==f u u 在允许范围内 3.3.3填料规格校核:

填料规格 由阶梯环规格

8>d D 而832.2638

1000

>==d D 符合要求 3.3.4液体喷淋密度校核

液体喷啉密度校核 由直径不超过75mm 的散装填料要求 ()()h m m L w ./08.03

min = 查附录表得 塑料阶梯环特性数据其比表面积 3

2/5.132m m a t =

()h m m a L u t w ./6.105.13208.023min min =?== min 2

68.941

785.02

.99868.74190u u >=?=

经以上校核可知，直径选用D=1000mm 合理。

3.4填料层高度计算

0385.00011.004.3511=?==*

mX Y 02=*

Y

744.013

.411742

.8704.35=?==∴L mv S 则

()()68.7744.0002104.00526.0744.01ln 744.0111ln 112221=???

??

?+--=??????+----=**

S Y Y Y Y S S N OG

3.4.1传质单元高度OG H 计算

由修正的恩田关联式得???

????

????

? ?????

? ?????

? ?????

? ??--=-2

.005

.021

.075

.045.1exp 1t l l l l t l l t l l

c t w

a U g a U a U a a σρρμσσ 查表5-13得2

/427680/33h kg cm dyn c ==σ

液体的质量流量为()

h m kg U l ./42.945101

785.068

.741902=?=

代入公式计算得

5.1329408962.99842.945101027.12.9985.13242.94510

6.35.13242.9451094089642768045.1exp 12.0205.0821.075.0???

????????? ???????

???????? ?????? ???--=-t w a a =0.835

气膜系数???

?

????? ?????? ??=RT D a D a U v t v v v v t v G 31

7

.0237.0ρμμκ 由气体流量

()

h m kg U v ./86.36021

785.0257.122502=??= 代入算得

0378.015.293314.8039.05.132039.0257.1065.0065.05.13286.3602237.031

7

.0=??

?

??????? ?????? ????=G κ

液膜吸吸系数

由 公式 32

2

1

3

2

095.0???

? ?????

? ?????

? ??=-l l l

l l l w l

l g D a U ρμρμμ

κ 得 h

m l /075.12.9981027.16.31029.52.9986.36.315.132835.042.94510095.03

1

8

2

163

2=???

?

?

????

?

?

??????? ????=--κ

由1.1ψκw G Ga a K = 4

.0ψκw l la a K = 查表5-14得 45.1=ψ

()

kpa h m kmol K Ga ../294.645.15.132835.00378.031.1=???=∴

()

h

K la 199.13745.15.132835.0075.14.0=???=

又由%50%18.73>=f

u u

校

正

()[]

()

kpa

h m kmol K u u K Ga f Ga ../02.14294.65.0%18.735.915.05.9134

14

.1=?-?+=???????

????? ??-+='

()[]()

h u u K la f la 138.15299.1375.0%18.736.215.06.212.22

.2=?-?+=???

????????? ??-+='κ

()kpa h m kmol K H K la

Ga

../03.238

.1520156.01

02.1411

1

11K 3Ga =?+=

'-'=

∴

m pK v K v H Ga Ya OG 541.014

03.2325.10142.872=???=Ω=

Ω

=

∴π

3.4.2填料层高度Z 的计算:

m H N Z OG OG 155.4541.068.7=?==∴ 由安全系数得Z Z )5.12.1(→='

取m Z Z 817.5155.44.14.1=?==' 圆整后取填料层高度为m Z 6='

查表5-16 对于阶梯环材料

15~8=D h m h 6max ≤ 不妨取9=D

h

则mm h 900010009=?= 由填料层高度为6m 所以无需分段

3.5填料层压降ΔP 的计算:

利用埃克特关联图计算 931.02.998257.13.282802.1813.41172

1

2

1

=?

?

? ?????? ???=???

? ??l v v

l

w w

ρρ

查表5-181

116-=Φm p 则纵座标为

0107.01257.12

.99881.91

116849.022.02=?????=Φl l v p g u μρρ? 查图得

m pa Z

p

/49.28481.929=?=? 所以真料层压降为pa p 94.170649.2846=?=?

3.6填料塔附属高度及最终高度计算

填料层最终高度为6+20%×6=7.2m

3.6.1塔顶上部空间高度由经验值，在此可取1.4m

由进气管安装要求，在此取高于塔底液面0.3m, 且位于填料层下方一个塔径的距离 1m 水体的液封高度的计算：

3.6.2塔底液体保持高度

取液体在塔底停留时间为t=1min 由算的液体的流速为s m v s /0206.03

=

h D t v s 24π=∴ m h h 57.114

14.36010206.0=???=??

则塔高为H=7.2+1.4+1+1.57+0.3=11.47m

圆整后取塔高为 H=12m

3.7泵的选择

由液体的通量为h m V /32.742

.99868

.741903==

由此查表选得泵型号为：IS100-80-125

3.8进出液气接管管口的计管

由管口直径有 u

v d s

π4=

3.8.1对于液体有 s m w v l

s /0206.03600

2.99868

.741903=?=

=

ρ

由查得一般情况下液本进出

管内速度一般为（0.8~1.5m/s ） 在这里不妨取u=1m/s 代入公式得

mm m d 1621621.01

14.30206

.04==??=

3.8.2对于气体有 s m v s /625.03600

2250

3==

由查得一般情况下气体进出管内速度由经验值为（10~20m/s ） 在这里不妨取u=15m/s 代入公式算得 d=

mm m 2302303.015

14.3625

.04==??

圆整

对液体管Dg=175mm 壁厚为10mm 对气体管Dg=225mm 壁厚为5mm

两种接管长度均取150mm 公称压力≦1.6Mpa

结论

参考文献

《化工原理》高等教育规划教材第四版. 王志魁刘丽英刘伟编《常用化工单元设备设计》华南理工大学出版社第二版. 李功样陈兰英崔英德编

《画法几何与机械制图》华南理工大学出版社第二版. 冯开平左宗义编

《化工单元过程及设备课程设设计》化学工业出版社第二版. 匡国柱史启才主编

《化工原理课程设计》（化工传递与单元操作课程设计）天津大学出版社. 贾绍义柴诚敬主编

主要符号说明

1、英文字母

a ——填料层的有效传质比表面积（m 2/m 3）; w a ——填料层的润滑比表面积m 2/m 3；

A ——吸收因数;无因次; d ——填料直径，mm ；

p d ——填料当量直径，mm; D ——扩散系数，m 2/s ； 塔径; E ——亨利系数，KPa; g ——重力加速度，kg/(m2.h); H ——溶解度系数，kmol /(m 3.KPa); G H ——气相传质单元高度 ，

m;

L H ——液相传质单元高度，m; OG H ——气相总传质单元高度，

m;

OL H ——液相总传质单元高度，m; G k ——气膜吸收系数, kmol /(m

3.s.KPa);

G L ——吸收液质量流速kg/(m2.h); 喷L ——液体喷淋密度;

m ——相平衡常数，无因次; G N ——气相传质单元数，无因次;

L N ——液相传质单元数，无因次; OG N ——气相总传质系数，无因

次;

OL N —— 液相总传质系数，无因次; P ——总压，KPa ;

p ——分压，KPa ; R ——气体通用常数，

kJ/(kmol.K) ;

S ——解吸因子; T ——温度，0C ;

u ——空塔速度，m/s ; f u ——液泛速度，m/s ;

B V ——惰性气体流量，kmol/s ; S V ——混合气体体积流量，m 3/s;

L k ——液膜吸收系数 ，kmol/(m 2.s.kmol/m 3); y k ——气膜吸收系数，

kmol/(m 2.s);

y K ——气相总吸收系数kmol/(m2.s); x k ——液膜吸收系数，

kmol/(m 2.s);

G k ——气相总吸收系数，kmol/(m 2

.s.kpa); x K ——液相总吸收系数

kmol/(m2.s);

S L ——吸收剂用量kmol/h; kmol/s; L ——是吸收液量 kmol/h ；

'L ——吸收液质量流量kg/h ； V L ——吸收液流量，m 3/s

ρ——密度kg/ m 3 φ——填料因子， m -1 ;

2、下标

L ——液相的 G ——气相的

V ——混合气流量 kmol/s 'V ——混合气质量流量

x ——溶质组分在液相中的摩尔分率 无因次 X ——溶质组分在气相中的摩尔比 无因次

y ——溶质组分在液相中的摩尔分率 无因次 Y ——溶质组分在气相中的摩尔

比 无因次

Z ——填料层高度 m

Zs ——填料层分段高度 m 3.希腊字母

μ——粘度 Pa.s ρ——密度 kg/m 3

σ——表面张力 N/m m ——平均的，对数平均的

min ——最小的 max ——最大的