吸收塔化工原理课程设计

化工原理课程设计

-------水吸收二氧化硫过程填料吸收塔设计说明书

学院：

班级：

姓名：

学号：

指导教师：

设计时间:

化工原理课程设计任务书(2)

一、设计题目

水吸收二氧化硫过程填料吸收塔设计

二、设计任务及操作条件

1、设计任务

①生产能力（入塔炉气流量） 2500 m3／h

②二氧化硫吸收率 96%

③入塔炉气组成(含二氧化硫) （摩尔分率）

2、操作条件

①入塔炉气温度25℃

②洗涤除去二氧化硫的清水温度20℃

③操作压强常压

④吸收温度基本不变,可近似取为清水的温度

3、填料类型阶梯环填料,填料规格自选

4、厂址齐齐哈尔地区

三、设计内容

1、设计方案的选择及流程说明

2、吸收塔的物料衡算

3、吸收塔工艺尺寸计算

4、填料层压降的计算

5、液体分布器简要设计

6、填料吸收塔装配图(1号图纸)

7、设计评述

8、参考资料

目录

1 绪论 (1)

吸收技术概况 (1)

吸收设备的发展 (1)

2 设计方案的确定 (2)

方案的确定 (2)

流程的确定 (2)

3 填料选择 (2)

4 吸收塔的工艺计算 (2)

基础物性数据 (2)

4.1.1 液相物性数据 (2)

4.1.2 气相物性数据 (2)

4.1.3 气液相平衡数据 (3)

物料衡算 (3)

填料塔的工艺尺寸计算 (4)

4.3.1塔径的计算 (4)

4.3.2传质单元高设计 (7)

4.3.3传质单元数的计算 (7)

4.3.4填料层高度 (9)

填料层压降 (10)

5 填料塔的附属结构 (11)

液体分布器简要置 (11)

液体再分配置 (11)

填料支撑结构 (12)

5.3.1填料支撑结构应满足三个基本条件 (12)

5.3.2较常用的支撑结构 (12)

6结果汇表 (12)

7符号说明 (14)

8参考文献 (17)

9设计心得 (18)

1绪论

吸收技术概况

吸收操作利用气体混合物各组分在某种溶剂中溶解度不同而达到分离的目的。化工生产中，经常需将气体混合物中的各个组分加以分离。气体的吸收是用适当的液体吸收剂与气体混合物接触，吸收气体混合物中一个或几个组分，使其中的各组分得以分离的一种操作。在化工生产中它主要用于原料气的净化、有用组分的回收、制取气体的溶液作为成品以及废气的治理等方面，因此吸收操作是一种重要的分离方法，在化学工业中应用相当普遍。气体吸收是物质自气相到液相的转移，这是一种传质过程。混合气体中某一组分能否进入液相，既取决于气体中该组分的分压，也取决于溶液里该组分的平衡蒸汽压。如果混合气体中该气体的分压大于溶液中该组分的平衡蒸汽压，这个组分便可自气相转移到液相，即被吸收。转移的结果，溶液里这个组分的浓度便升高，它的平衡蒸汽压也随着升高，到最后，可以升高到等于它的气相中的分压，传质过程于是停止，这时称为气液两相达到平衡。反之，如果溶液中某一组分的平衡蒸汽压大于混合气体中该组分的分压，这个组分便要从溶液中释放出来。即从液相转移到气相，这种情况称为解吸。所以，根据两相的平衡关系可以判断传质过程的方向与极限。另外，传质速率与推动力成正比，与阻力成反比，两相的浓度距离平衡浓度越大，则传质的推动力越大，传质速率也越大。吸收操作的分析，应该从气液两相的平衡关系与传质速率关系着手，本章的许多公式和结

论，正是在这个基础上得到的。

吸收设备的发展

可用作吸收的设备种类很多，如填料塔、板式塔、喷洒塔和鼓泡塔等，工业上较多地使用填料塔。填料吸收塔的设计，在保证实现工艺指标的前提下，要求结构尺寸合理，价格低廉，动力消耗低，操作故障少，维修管理方便等，在整个设计过程中这些因素都要加以考虑。

2 设计方案的确定

方案的确定

用水吸收二氧化硫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，且二氧化硫不作为产品，故采用纯溶剂。

流程的确定

在吸收操作中，除了制取溶液产品等少数情况只需单独进行吸收之外，一般都需对吸收后的溶液予以解吸，使溶剂再生，以便循环使用，同时也得到有价值的溶质。这样，除了吸收塔之外，还需要与其他设备一起组成一个完整的流程。

3.填料的选择

对于水吸收二氧化硫的过程,操作温度及压力较低，工业上通常采用塑料散装填料。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。

4 吸收塔的工艺计算

基础物性数据

4.1.1液体物料数据

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。由手册查的，20℃时水的有关物性数据如下： 密度：3

L 998.2Kg/m

=ρ

粘度：h)3.6Kg/(m s 0.001Pa L ?=?=μ

表面张力：==72.6dyn/cm L δ940896kg/h 2

SO 2在水中扩散系数为/h m 105.29/s cm 101.47D 2-62-5L ?=?= 4.1.2气相物性数据

混合气体的平均摩尔质量为

∑=?+?==10.312994.006.6406.0yiMi M Vm

混合气体的平均密度

3/272.1298

314.810

.313.101m Kg RT PM Vm Vm =??==

ρ 混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得20℃空气度为)(065.0.1081.15h m kg s Pa ?=?=-μν 查手册得SO 2在空气中的扩散系数为

220.108/0.039/v D cm s m h ==

4..气液相平衡数据

由手册差得，常压下20℃时，SO 2在水中的亨利常数为

kPa E 31055.3?=

相平衡常数为

04.353

.1011055.33

=?=

=P E m 溶解度系数为

).(0156.002

.181055.32

.99833m kpa kmol E H S

L

=??=

=

M

P 物料衡算

进塔气相摩尔比为

=

Y 1

0638.006

.0106

.011

1

=-=

-y

y

出塔气相摩尔比为

00255.0)96.01(0638.0)1(1

2

=-=-=?A

Y

Y

进塔惰性气相流量为

h kmol 11.96)06.01(25

273273

4.222500V =-+?=

该吸收过程属低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气量比可按下式计算，即

12min 12

()/Y Y L

V Y m X -=- 对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为

20X =

64.330

04.35/6380.0255

00.06380.0)(min =--=

V L 取操作液气比为：

min )(4.1V L V L = 7.10464.334.1=?=V

L

h kmol L /526.7846.1197.104=?=

1212()()V Y Y L X X -=-

()0.00134526.78

0.00255)

-3896.11(0.06L

-V X Y Y X 2211==

+=

填料塔的工艺尺寸计算 4.3.1塔径计算

采用Eckert 通过关联图计算泛点气速 气相质量流量为

3180kg/h 1.2722500w V =?=

液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即

/h 81572.58kg 18.024526.78w L =?=

Eckert 通过关联图的横坐标为

169.0)2

.998722.1(31801572.588)(5

.05.0==L V V L w w ρρ 查图8—23得

023.02

.02=L L

V F F g μρρψφμ

查表5—11 填料类

填料因子,1/m

型 DN16 DN25 DN38 DN50 DN76 金属阶梯环 —

—

160

140

—

塑料鲍尔环 550 280 184 140 92

塑料阶梯环

— 260 170 127 —

瓷距鞍 1100 550 200 226 — 瓷拉西环 1300

832

600

410

—

得：

-1F 170m =φ s m g U L

V F L

F /210.11722.111702

.99881.9023.0023.02

.02

.0=?????=

=

μψρφρ

取0.715m /s 1.0210.70.7u u F =?== 由112.115

7.014.33600

/250044=??==

u

V D s

π

圆整塔径，取 1.2m D = 泛点率校核： s m D V u S /61.02

.114.33600

/2500442

2=??==

π

%.7559%10021

0.161.0=?=F u u (在允许的范围内)

附录五

填料规格校核：

858.3138

1200>==d D 液体喷淋密度校核：

填料类型

公称直径mm

外径×高×厚

/mm

比表面积m 2 /m 3

空隙率

个数

m -2

堆积密度kg/m 3

干填料因子

m -1

塑料阶梯环

25 25×× 228

90% 81500 312 38

38×19×10

91%

27200

175

50 50×25×

% 10740

143

76 76×38×

90 % 3420

112

取最小润湿速率为

h /m 0.08m )(L 3min W ?=

查附录五 得 ：

32t /m 132.5m =a

h /m 10.6m 132.50.08)(23min min ?=?==t w a L U

min 2

2

9.2722.1785.02

.998/8.5815724

U U D

w

L

L

>=?=

=

πρ

经以上校核可知，填料塔直径选用1200mm D =合理。 4.3.2填料层高度计算

0.0456=0.001335.04=m X =Y 1*1? 0=mX = Y 2*

2

脱吸因数为

744.078

.452611

.9604.35=?==

L mV S 4.3.3气相总传质单元数为

])1[(11*2

2*21S Y Y Y Y S n S N OG

+---I -= ]744.00

00255.00

0638.0)744.01ln[(744.011+----=

=

气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算

})()()()(45.1exp{12.02

05.0221.075.0t L L L

L t L L

t L L c t w a U g U a U a a σρρασσμ

---= 查表5—13

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，dyn/cm 56 61 73 33 40 75 20

得：

2/427680/33h kg cm dyn c ==σ

液体质量通量为

)/(58.721622

.1785.058.815722

2

h m kg U L ?=?=

1

.075.0)6

.35.13258.72162()940896427680(45.1ex p{1?--=t w a a 598.0})5.1329408962.99858.72162()10

27.12.9985.13258.72162(2.0205.08

22=?????- 气膜吸收系数由下式计算：

)()()(

237.0317.0RT

D a D a U k V

t V V V V t V G ρμμ= 气体质量通量为：

)/(99.27792

.1785.0257.125002

2

h m kg U V ?=??=

)293314.8039

.05.132()039.0272.1065.0()065.05.13299.2779(237.0317.0????=G k

)/(0314.02kPa h m kmol ??=

液膜吸收系数由下式计算：

3

12132)()()(

0095.0l

L L L L L W L L g D a U k ρμρμμ-= 3

18216

32)2.9981027.16.3()10

29.52.9986.3()6.35.132598.058.72162(0095.0??????=--

h m /122.1=

由 1.1ψW G G a k a k = ， 表5—14 常见填料的形状系数

填料类型 球形

棒形

拉西环

弧鞍

开孔换

ψ值

1

得：

45.1=ψ

则 1.1ψW G G a k a k =

)/(01.9245.15.132598.00314.031.1kPa h m kmol ??=???=

4

.0L

ψW L a k a k = h l /103.1545.15.132985.0221.14.0=???=

%50%75.59>=F

u u

由 a k u u

a k G F

G

])5.0(5.91[4.1'

-+=, a k u u

a k L F

L ])5.0(

6.21[2.2'-+=, 得 )

(3.9602.901])5.09755.0(5.91[34.1'kPa h m kmol a k G ??=?-+=

h l a k L /104.75103.15])5.09755.0(6.21[2.2'=?-+=

则 a Hk a k a K L G G '

'1

1

1+=

)/(751.1104.750156.01

3.96011

3kPa h m kmol ??=?+

=

由 Ω

=Ω=

aP K V

a K V H G Y OG m 725.02

.1785.03.101571.1 6.11

92

=???=

由 5.5687.68725.0=?==OG OG N H Z

m Z 6.965.56825.1'=?=

4.3.4 设计取填料层高度为

m Z 7'=

由于m h 6max '

Z => ，故填料层分两段。其中一段为3000mm,另一段为4000mm 。 填料层压降计算

采用Eckert 通用关联图计算填料层压降。 横坐标为

916.0)(5

.0=L

V V L ρρωω 查表8—17得，1116-=Φm P 纵坐标为

0052.012

.99872.2181.9111659.02

.022.02=????=ΦL L V P g u μρρψ

查表5—18

散装填料压降填料因子平均值

填料类型

填料因子，1/m

D N 16

D N 25 D N 38 D N 50 D N 76 金属鲍尔环 306

—

114

98

—

金属环矩

—

138

71 36

鞍 金属阶梯环 —

—

118

82

—

塑料鲍尔环 343

232

114

125

62

塑料阶梯环 —

176

116

89

—

瓷矩鞍环

700

215 140 160 — 瓷拉西环 1050 576

450

288

—

得：

m Pa Z

P

/91.107=? 填料层压降为

Pa P 7.3755791.107=?=?

5 填料塔的附属结构

填料塔的设计中，除了正确的进行填料层本身的计算外，一些附属结构的设计也很重要，如果设计不良，容易造成气液分布不均，严重影响效率，或者由于附属构件（例如支撑板）阻力过大，影响塔的生产能力。 液体分布器简要设置

多孔盘官式喷淋器适用于直径较大的的塔，盘管中心线的直径

为塔径的～倍.

液体再分配装置

液体填料层向下流时往往有逐渐靠塔壁方向集中的趋势，使总的传质效率大为降低，因此每个一段距离必须设置液体再分配装置，以避免此现象发生。根据我组数据，我们选择截锥式再分配器，只需将截锥体焊（或搁置）在塔体中，用这种简单的结构，截锥上

填料支撑结构

5.3.1填料支撑结构应满足三个基本条件

①使气液能顺利通过，对于普通填料塔，支撑件上的流体通过的自由截面，应为塔截面的50%以上，且应大于填料空隙率；此外，应考虑到装上调料后会将支撑板的自由截面堵去一些，所以设计时应取尽可能大的自由截面，自由截面太小，在操作中会产生拦液现象，增加压降，降低效率，甚至形成液泛；

②要有足够的强度承受填料重量，并考虑填料空隙中的持液重量，以及可能加于系统的压力波动、机械振动、温度波动等因素；

③要有一定的耐腐蚀性能。

5.3.2 较常用的支撑结构

栅板，其由竖立扁钢条构成，结构简单，制造方便。栅板可以制成整块的或是分块的，由于我们计算的直径在900mm—1200mm之间，所以分成三块，是每块宽度在300mm—400mm之间，以便通过塔的人孔装卸。

6结果汇总表