化工原理课程设计吸收塔-终极版

目录

引言 (1)

1.流程的说明 (2)

1.1吸收剂的选择 (2)

1.2填料层 (2)

1.2.1填料的作用 (2)

1.2.2填料种类的选择 (3)

1.2.3填料的选择 (3)

1.2.4填料塔的选择 (3)

1.3吸收流程 (4)

1.4液体分布器 (4)

1.5液体再分布器 (4)

2.吸收塔工艺计算 (5)

2.1基础物性数据 (5)

2.1.1 液相物性数据 (5)

2.1.2气相物性数据 (5)

2.2物料衡算 (5)

2.3填料塔的工艺尺寸计算 (6)

2.3.1塔径计算 (6)

2.3.2传质单元高度的计算 (8)

2.3.3 传质单元数的计算 (8)

2.3.4填料层高度的计算 (9)

2.4塔附属高度的计算 (10)

2.5填料层压降的计算 (10)

2.6其他附属塔内件的选择 (11)

2.6.1液体分布器的选择： (11)

2.6.2布液计算 (12)

2.7.3液体再分布器的选择 (13)

2.6.4填料支承装置的选择 (13)

2.6.5填料压紧装置 (14)

2.6.6塔顶除雾器 (14)

2.7吸收塔的流体力学参数计算 (14)

2.7.1 吸收塔的压力降 (14)

2.7.2 吸收塔的泛点率校核 (14)

2.7.3 气体动能因子 (15)

3.其他附属塔内件的选择 (15)

3.1吸收塔主要接管的尺寸计算 (15)

3.2离心泵的计算与选择 (16)

3.3风机的选取 (17)

4.总结 (18)

附录一吸收塔设计计算用量符号总表 (19)

参考文献 (21)

引言

吸收是分离气体混合物的单元操作，其分离原理是利用气体混合物中各组分在液体溶剂中溶解度的差异来实现不同气体的分离。一个完整的吸收过程应包括吸收和解吸两部分。气体吸收过程是利用气体混合物中，各组分在液体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。

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，保护环境等方面都广泛应用到气体吸收过程。本次化工原理课程设计的目的是根据设计要求采用填料吸收塔的方法处理含有二氧化硫的混合物，使其达到排放标准，采用填料吸收塔吸收操作是因为填料可以提供巨大的气液传质面积而且填料面积具有良好的湍流状态，从而使吸收易于进行，填料塔有通量大，阻力小，压降低，操作弹性大，塔内持液量小，耐腐蚀，结构简单，分率效率高等优点，从而使吸收操作过程节省大量人力和物力。

在设计中，以水吸收混合气中的二氧化硫，在给定的操作条件下对填料吸收塔进行物料衡算。本次设计包括设计方案的选取、主要设备的工艺设计计算——物料衡算、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算、工艺流程图、主要设备的工艺条件图等内容。

1.流程的说明

工业上使用的吸收流程多种多样，可以从不同的角度进行分类，从所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部吸收流程，从所用的塔设备数量看，可分为单塔吸收流程很多塔吸收流程，从塔内气液两相得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。

1.1 吸收剂的选择

吸收剂的选择是吸收操作的关键，吸收剂的选择与吸收方法的选择有一定的联系。选择吸收剂时，首先要考虑吸收过程在整个生产过程中的作用和前后工序所提供的工艺条件和要求；其次从吸收过程的基本原理出发，按照各项技术经济要求加以分析和选择。

选择吸收剂的基本要求：

1.溶解度要大，减少吸收剂用量，降低输送与再生的能。

2.选择性好，吸收剂的选择性可以减少惰性组分的溶解损失，提高解吸后所得溶质的纯度。

选择性以选择性系数表示：=溶质组分溶解度

选择性系数

其余组分溶解度

3.易于再生。

4.挥发性小，对应一定温度，其蒸汽压要低。这样可以减少吸收剂的损耗，并提高溶质气体纯度。

5.具有较好的化学稳定性及热稳定性，以减少吸收剂的降解和变质，尤其在使用化学吸收剂时。

6.粘度低，以利于传质与输送；不易发泡，以利于实现高效、稳定操作。

7.安装性能好。

8.经济、易得，且对环境没有污染。

本次设计次用水作为吸收剂。

1.2 填料层

1.2.1填料的作用

填料塔内充以某种特定形状的固体填料以构成填料层。填料层是塔实现气、液接触的主要部位。填料的主要作用是：①填料层内空隙体积所占比例很大，填料间隙形成不规则的弯曲通道，气体通过时可达到很高的湍动程度；②单位体积填料层内提供很大的固体表面，液体分布于填料表面呈膜状流下，增大了气、液之间的接触面积。

填料的选择包括确定填料的种类、规格及材质等。所选填料既要满足生产工艺的要求，又要使设备投资和操作费用最低。

1.2.2填料种类的选择

填料种类的选择要考虑分离工艺的要求，通常考虑以下几个方面：

(1)传质效率要高：一般而言，规整填料的传质效率高于散装填料。

(2)通量要大：在保证具有较高传质效率的前提下，应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料。

(3)填料层的压降要低。

(4)填料抗污堵性能强，易拆装、检修。

1.2.3填料的选择

散堆填料目前散堆填料主要有环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料。所用的材质有陶瓷、塑料、石墨、玻璃及金属等

（1）拉西环填料拉西环填料于1914年由拉西（F. Rashching）发明，为外径与高度相等的圆环，如图片拉西环所示。拉西环填料的气液分布较差，传质效率低，阻力大，通量小，目前工业上已较少应用。

（2）鲍尔环填料如图片鲍耳环所示，鲍尔环是对拉西环的改进，在拉西环的侧壁上开出两排长方形的窗孔，被切开的环壁的一侧仍与壁面相连，另一侧向环内弯曲，形成内伸的舌叶，诸舌叶的侧边在环中心相搭。鲍尔环由于环壁开孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率，气流阻力小，液体分布均匀。与拉西环相比，鲍尔环的气体通量可增加50%以上，传质效率提高30%左右。鲍尔环是一种应用较广的填料。

（3）阶梯环(Stairs wreath)填料如图片阶梯环所示，填料的阶梯环结构与鲍尔环填料相似，环壁上开有长方形小孔，环内有两层交错45°的十字形叶片，环的高度为直径的一半，环的一端成喇叭口形状的翻边。这样的结构使得阶梯环填料的性能在鲍尔环的基础上又有提高，其生产能力可提高约10%，压降则可降低25%，且由于填料间呈多点接触，床层均匀，较好地避免了沟流现象。阶梯环一般由塑料和金属制成，由于其性能优于其它侧壁上开孔的填料，因此获得广泛的应用。

（4）矩鞍填料如图片矩鞍填料所示，将弧鞍填料两端的弧形面改为矩形面，且两面大小不等，即成为矩鞍填料。矩鞍填料堆积时不会套叠，液体分布较均匀。矩鞍填料一般采用瓷质材料制成，其性能优于拉西环。目前，国内绝大多数应用瓷拉西环的场合，均已被瓷矩鞍填料所取代。

（5）金属环矩鞍填料如图片金属换环聚鞍填料所示，环矩鞍填料（国外称为Intalox）是兼顾环形和鞍形结构特点而设计出的一种新型填料，该填料一般以金属材质制成，故又称为金属环矩鞍填料。环矩鞍填料将环形填料和鞍形填料两者的优点集于一体，其综合性能优于鲍尔环和阶梯环，在散装填料中应用较多。

填料采用乱堆形式，因为乱堆形式能使气液相对充分接触，而且填料时省时省工。1.2.4填料塔的选择

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）

1.3 吸收流程

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）的显着优点而广泛应用。工程上，如无特别需要，一般均采用逆流吸收流程。

本设计采用单塔逆流操作。

1.4 液体分布器

根据本吸收的要求和物系的性质可选用重力型排管式液体分布器，布液孔数应应依所用填料所需的质量分布要求决定，喷淋点密度应遵循填料的效率越所需的喷淋点密度越大这一规律。

1.5 液体再分布器

升气管式再分布器适用于直径0.6m以上的塔，而且可以分段卸下填料，更换填料方便，所以本设计选用升气管式再分布器。

2.吸收塔工艺计算

2.1基础物性数据 2.1.1 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水的物性数据。由手册查得，20℃时水的有关物性数据如下： 密度3/2.998m Kg =水ρ 黏度s Pa ??=-6101004水μ 表面张力为m N /07269.0

SO2在水中的扩散系数为s m D L /1047.129

-?=

2.1.2气相物性数据

混合气体的平均摩尔质量为:

kg/m ol 97.28=空气M kg/mol 02.642=SO M

g/km ol 72.3005.002.6495.097.28111__

k y M y M M =?+?=?+-?=二氧化硫空气）（

混合气体的密度为：

3/277.1m kg RT

MP

G ==

—

ρ 混合气体的黏度可近似取为空气的黏度，查资料得20℃空气的黏度为：

s pa G ?=0000181.0μ

查得SO2在空气中的扩散系数为：

h m D G /039.02=

2.2物料衡算

进口气体的体积流量：/h 2000m q 3=V

二氧化硫的摩尔分数为： 05.01=y 进塔气相摩尔比为: 效率: %95=η

出塔气相摩尔比 ： ()00263.0112=-=ηY Y

进塔惰性气相流量 ：

出口液体中溶质与溶剂的摩尔比 ： X2=0 查表知20℃时kPa /103.55E 3

?=

最小液气比： 28.33)(2*121min =--=X X Y Y G L 93.4928.335.15.1min =?=???

???=G L G L

取液气比 ：

故l/h 4151.20kmo

=93.94G =L ?

2.3填料塔的工艺尺寸计算 2.

3.1塔径计算

该流程的操作压力及温度适中，避免二氧化硫腐蚀，故此选用mm 50=φ型的陶瓷鲍尔环填料。

其主要性能参数为：

比表面积：3

2/110m m a t =

空隙率： 3

3/81.0m m =ε 形状修正系数：1=ψ

填料因子平均值：1

130-=m D φ

吸收液的密度近似看成20度水的密度：3/2.998m kg L ==水ρρ

kmol kg M /18=水

采用Eckert 关联式计算泛点气速：

h 83.14kmol/=30.72

1.2772000_V q =G ?=M G ρ

0526.005

.0105

.01111=-=-=

y y Y

气相质量流量为：

h kg q W V G G /25542000277.1=?=?=ρ

液相质量流量为：

h kg M L W L /54.747211820.41512=?=?=水

选用)(5.45050mm ??型的陶瓷鲍尔环 填料因子m /130=?

比表面积3

2/110m m a t =

18.12.998277.12554309.749082

12

1=??? ???=???

? ???L G G

L W W ρρ 查乱堆填料泛点线图知：

02.02

.02=???? ??L L G

f g u μρρ?ψ 12==L

O H ρρψ 代入数值得：

s

m g u L

G L

f /09.102.02

.0=?=

μ?ψρρ

取空塔气速：s m u u f /87.08.0,

== 塔径m u V D G

903.04

,

==

π

圆整塔径，取 1000mm m 0.1D ==

71.04

2=?

=

π

D V u G

65.0086

.171.0==f u u (50%-80%为经验值，所以在允许范围之内) 遇到的问题：空塔气速取泛点气速的百分比，取值70%以下校核时超出经验值 填料规格校核

102050

1000>==d D (合格) 液体喷淋密度校核：

填料表面的润湿状况是传质的基础，为保持良好的传质性能，每种填料应维持一定的液体润湿速率（或喷淋密度）。 依Morris 等推荐，75mm d <的环形及其它填料的最小润湿速率（

W

L ）min 为

()

320.08m /m h ?

最小喷淋密度 ： ()()

h m m a L U t

W ?=?=?=23min min /8.811008.0

喷淋密度：

()

min 2

32/91.1051

785.014.83U h m m V U G >?=?=Ω=

经以上校核可知，填料塔直径选用1000mm D =合理。

2.3.2传质单元高度的计算

36.620.415114.83036.350036.3500263.00036.350526.020.415114.83036.351ln 20

.415114.83036.3511

1ln 11

2221=???????+

??? ???-?-??? ???-?-

=??

????+???? ??--??? ??--

=L mG mX Y mX Y L mG L

mG N OG

2.3.3 传质单元数的计算

32/110m m a t = h kg L /940896=σ 2/7905601296061h kg C =?=σ

液体质量通量：

)/(67.951861

785.018

20.415122h m kg W W L L ?=??=Ω=

? 气体质量通量：

)/(12.32541

785.0277.120002

2.

h m kg W W G G ?=??=Ω=

? 气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：

53

.01109408962.99867.9518681.92.99811067.9518660.3110.67.9518694089679056045.1exp 145.1exp 12.0205.0221.075.02

.02

05

.0221

.075

.0=???

??????

??? ???????? ??????? ?????? ??--=???

????

?

???

?

?????

?

?????

? ?????

? ??--=-?-??t L L L L t

L L

t L

L

C t W

a W g a W a W a a σρρμσσ气膜吸收系数：

)

/(03.015.293314.8039.0110039.0277.1065.0065.011067.95186237.0237.0231

7

.031

7

.0.

kPa h m kmol RT D a D a W k G t G

G G G t G G ??=??? ??????? ?????? ???=??? ?

?????

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

?ρμμ液膜吸收系数： 查表知：45.1=ψ

s

m g D a W

k L L L L L L

w L

L

/65.12.9981027.16.32.9981029.56.36.3663.011067.951860095.00095.03

1

8

5

.06

3

2

3

1

5

.03

2

=???

?

?

?????

?

??????

?

?

?????=???

? ?????

? ?????

? ??=---??ρμρμμ

)/(92.245.153.011003.031.11.1kPa h m kmol a k a k W G G ??=???==??ψ )/(16.11245.153.011065.14.04.0h L a k a k W L L =???==??ψ

继续修正：

()[]

)/(89.492.25.065.05.915.05.9134

.14

.1kPa h m kmol a k u u a k G f G ??=?-+=???????

????? ??-+=?

()[]

)/(75.11616.1125.065.05.915.06.214

.12

.2h L a k u u a k L f L =?-+=???????

????? ??-+=?

016.018

1055.32

.9983

=??=

=

L

L

EM H ρ)/(33.175

.116016.0189.411

1113kPa h m kmol a

Hk a

k a K L G G ??=?+

=

+=

m a pK G H G OG 79.01785.033.1325.10114

.832

=???=Ω=

2.3.4填料层高度的计算

由m N H z OG OG 01.536.679.0=?==

填料有效高度取：m z Z 26.601.525.125.1=?==

设计取填料层高度为 ： m Z 3.6=

对于乱堆鲍尔环 ： 10~5=D

h

,m h 6max ≤

取 6m Z >

计算得填料层高度为6.3m 需要分层

2.4塔附属高度的计算

塔的附属高度主要包括塔的上部空间高度，安装液体分布器所需的空间高度，塔的底部空间高度等。

塔的上部空间高度是为使随气流携带的液滴能够从气相中分离出来而留取的高度，可取1.2m （包括除沫器高度）。设塔定液相停留时间为10s ，则塔釜液所占空间高度为

()26.01785.02.998360054.74721104

102

2

2

=???=

?

D

W O

H L ρ

考虑到气相接管的空间高度，底部空间高度取为0.5米，那么塔的附属空间高度可以取为1.7m 。吸收塔的总高度为m H 0.83.67.1=+=

2.5填料层压降的计算

气体通过填料塔的压强降，对填料塔影响较大。如果气体通过填料塔的压强降大，则操作过程的消耗动力大，特别是负压操作更是如此，这将增加塔的操作费用。气体通过填料塔的压力降主要包括气体进入填料的进口及出口压力降，液体分布器及再分布器的压力降，填料支撑及压紧装置压力降以及除沫器压力降等。

填料层压降的计算

取 Eckert (通用压降关联图)；将操作气速'u (＝0.8688m/s) 代替纵坐标中的F u 查表，DG50mm 陶瓷鲍尔环的压降填料因子98＝ ?代替纵坐标中的．

则纵标值为：0078.012

.998277.181.91111671.02.022

.02=????=??L L V P g u μρρ?φ

横坐标为：

05.12.998277.128.255454.727212

1

21

=??? ??=???

? ??''L

G

G L ρρ

查图得：m Pa Z

P

/200=??

全塔填料层压降 ： Pa P 12603.6200=?=?

填料塔泛点气速及气体压力降计算用关联图

2.6其他附属塔内件的选择

2.6.1液体分布器的选择：

液体分布器可分为初始分布器和再分布器，初始分布器设置于填料塔内，用于将塔顶液体均匀的分布在填料表面上，初始分布器的好坏对填料塔效率影响很大，分布器的设计不当，液体预分布不均，填料层的有效湿面积减小而偏流现象和沟流现象增加，即使填料性能再好也很难得到满意的分离效果。因而液体分布器的设计十分重要。特别对于大直径低填料层的填料塔，特别需要性能良好的液体分布器。

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），各布液点均匀性，各布液点上液相组成的均匀性决定，设计液体分布器主要是决定这些参数的结构尺寸。对液体分布器的选型和设计，一般要求：液体分布要均匀；自由截面率要大；操作弹性大；不易堵塞，不易引起雾沫夹带及起泡等；可用多种材料制作，且操作安装方便，容易调