化工原理课程设计报告——30℃时水吸收二氧化硫填料塔的设计

.

《化工原理》

课程设计报告

题目：处理量为1000m3/h清水吸收二氧化硫填料吸收塔设计系别：环境科学与工程学院

专业班级：环境工程11（2）班

姓名：陈新林

学号： 3111007481

指导教师：郑育英

（课程设计时间：2013年12月30日——2014年1月5日）

广东工业大学

目录

1．课程设计目的 (1)

2．课程设计题目描述和要求 (1)

3．课程设计报告内容 (4)

3.1基础物性数据 (4)

3.1.1液相物性数据 (4)

3.1.2气相物性数据 (5)

3.1.3气液相平衡数据 (6)

3.2物料衡算 (6)

3.3塔径计算 (7)

3.3.1塔径的计算 (8)

3.3.2泛点率校核： (8)

3.3.3填料规格校核： (9)

3.3.4液体喷淋密度得校核： (9)

3.4填料层高度的计算 (9)

3.4.1传质单元数的计算 (9)

3.4.2传质单元高度的计算 (10)

3.4.3填料层高度的计算 (11)

3.5填料塔附属高度的计算 (11)

3.6液体分布器计算 (12)

3.6.1液体分布器的选型 (12)

3.6.2布液计算 (13)

3.7其他附属塔内件的选择 (13)

3.7.1填料支承装置的选择 (13)

3.7.2填料压紧装置 (16)

3.7.3塔顶除雾器 (17)

3.8吸收塔的流体力学参数计算 (17)

3.8．1吸收塔的压力降 (17)

3.8.2吸收塔的泛点率 (18)

3.8.3气体动能因子 (18)

3.9附属设备的计算与选择 (18)

3.9.1离心泵的选择与计算 (18)

3.9.2吸收塔主要接管尺寸选择与计算 (20)

工艺设计计算结果汇总与主要符号说明 (24)

4．总结 (26)

参考文献 (27)

1. 课程设计目的

化工原理课程设计是学生学过相关基础课程及化工原理理论与实验后，进一步学习化工设计的基础知识，培养工程设计能力的重要教学环节。通过该环节的实践，可使学生初步掌握单元操作设计的基本程序与方法，得到工程设计能力的基本锻炼。化工原理课程设计是以实际训练为主的课程，学生应在过程中收集设计数据，在教师指导下完成一定的设备设计任务，以达到培养设计能力的目的。单元过程及单元设备设计是整个过程和装备设计的核心和基础，并贯穿于设计过程的始终，从这个意义上说，作为相关专业的本科生能够熟练地掌握典型的单元过程及装备的设计过程和方法，无疑是十分重要的。

2．课程设计题目描述和要求

2.1 设计题目描述

(1) 设计题目

二氧化硫填料吸收塔及周边动力设备与管线设计

(2) 设计内容

根据所给的设计题目完成以下内容：

(1)设计方案确定；

(2)相关衡算；

(3)主要设备工艺计算；

(4)主要设备结构设计与算核；

(5)辅助（或周边）设备的计算或选择；

(6)制图、编写设计说明书及其它。

(3) 原始资料

，废气的处理量为1000m3/h，设计一座填料吸收塔，用于脱除废气中的SO

2

为2%（摩尔分率），采用清水进行逆流吸收。要求塔吸收效率达其中进口含SO

2

98%。吸收塔操作条件：常压：101.3Kpa；恒温，气体与吸收剂温度：303K

清水取自1800米外的湖水。示意图参见设计任务书。

⒈设计满足吸收要求的填料塔及附属设备；

⒉选择合适的流体输送管路与动力设备（求出扬程、选定型号等），并核算离心泵安装高度。

2.2 设计要求

设计时间为一周。设计成果要求如下：

1.完成设计所需数据的收集与整理

2. 完成填料塔的各种计算

3. 完成动力设备及管线的设计计算

4. 完成填料塔的设备组装图

5. 完成设计说明书或计算书（手书或电子版打印均可）

目录、设计题目任务、气液平衡数据、L/G 、液泛速度、塔径、K Y a （或K X a 的计算、H OL 、N OL 的计算、动力设备计算过程（包括管径确定）等。 3．课程设计报告内容

吸收塔的工艺计算

3.1 基础物性数据 3.1.1 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，30℃时水的有关物性数据如下： 密度3/7.995m Kg =水ρ【1】 黏度s Pa ??=-6105.801水μ【1】 表面张力为0.07122N/m L σ=【1】

SO2在水中的扩散系数为922.210/L D m s -=?【1】 3.1.2 气相物性数据 混合气体的平均摩尔质量为

29=空气M Kg/mol 【1】 64=二氧化硫M Kg/mol 【1】

15.3209.06491.029111__

=?+?=?+-?=y M y M M 二氧化硫空气）（kg/kmol

混合气体的密度为 3__

/293.1m Kg RT

P

M V =?=

ρ 混合气体的黏度可近似取为空气的黏度，查资料【1】得30℃空气的黏度为

=0.0000186pa s G μ?【1】

查得SO2在空气中的扩散系数为 521.46910/G D m s -=?【1】

3.1.3气液相平衡数据 查资料【5】：

01698.0=H 平均溶解度系数

C A -------------30度时二氧化硫在水中的平衡浓度，单位为kmol/m 3

x ----------------------30度时二氧化硫在水中溶解平衡时的摩尔分数

H---------------30度时二氧化硫在水中达到平衡时的溶解度系数，单位为kmol/kp a *m 3

y----------------30度时气相中二氧化硫的摩尔分数

*

A

P --------------30度时气相中二氧化硫的平衡分压，单位为 kpa

由以上的y 和x ，以x 的值为横坐标，y 的值为纵坐标作平衡曲线，如图1.1：

3.2物料衡算

进口气体的体积流量G'=1000m 3/h 二氧化硫的摩尔分数为y 1=0.09

进塔气相摩尔比为 Y 1=y 1/1-y 1=0.09/(1-0.09)=0.0989 效率 211/94.9%Y Y η=-=

出塔气相摩尔比 Y 2= ()11Y η-=0.00504 进塔惰性气相流量

G=(G'/22.4)?(1-y 1)?273/303=(1000/22.4)?(1-0.09)?273/303=36.603kmol/h

空气的体积流量 V G =G'?(1-y 1)=1000?0.91=910m 3/h 出口液体中溶质与溶剂的摩尔比 X 2=0

由图 1.1平衡曲线可以读出y 1=0.09所对应的溶质在液相中的摩尔分数*

1x

=0.00252

对应的液相中溶质与溶剂的摩尔比为00253.000252

.0100252

.01*

1*

1*1

=-=-=x x X

最小液气比 099.37)(2

*12

1

min =--=X X Y Y G L 【1】 取液气比

649.55)(5.1min ==G

L

G L 【1】 故 L=G ?55.649=2036.920kmol/h 操作线方程：2Y X G

L

Y += 【1】 代入数据得：00504.0649.55+=X Y

3.3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 25=φ型的塑料鲍尔环填料。

其主要性能参数为：

比表面积 32/209m m a t =【4】 空隙率 33/90.0m m =ε【4】 形状修正系数 ψ=1.45【4】

填料因子平均值 p φ=232 m 1

-【4】

A=0.0942 【4】 K=1.75【4】

3.3.1 塔径的计算

吸收液的密度近似看成30度水的密度：3/7.995m Kg L ==水ρρ

30度时空气的密度3/165.1m Kg =空气ρ 【1】 3/927.2m Kg =二氧化硫ρ【1】

3__

/293.1m Kg RT

P

M V =?=

ρ kmol Kg M /18=水 采用Eckert 关联式计算泛点气速： 气相质量流量为：

,273/303V W G G G ρρ=?+-??空气二氧化硫（）

910 1.16590 2.927273/3031297.5/Kg h =?+??= 液相质量流量为：

h Kg M L W L /56.366641892.2036=?=?=水

选用mm 25=φ型的塑料鲍尔环 A=0.0942 【4】 K=1.75【4】

32/209m m a t = 33/90.0m m =ε

8/14/12.032

)()(]))(([L

V V L L L V t F g W W K A a g u l ρρμρρε-=【4】 代入数值得：s m u F /77.0= 取空塔气速：s m u u F /462.06.0,== 塔径m u G D 875.04

,

,

==

π

【1】

圆整塔径，取 D=0.9m

则算得'22

1000/3600

0.437/0.7850.7850.9G u m s D =

==? 3.3.2泛点率校核：

'22

1000/36000.437/0.7850.7850.9

G u m s D ===? 0.437100%56.75%(50%~85%)0.77

F u u =?=为经验值，所以在允许范围之内 3.3.3填料规格校核：

0.93615()d 0.025

D ==>合格 【4】 3.3.4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，d<75mm 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()()32min min 0.0820916.72/W t U L a m m h =?=?=?

喷淋密度32min 2

36.82357.91/()0.94

V L U m m h U π=

==?>Ω? 经以上校核可知，填料塔直径选用D=900mm 合理。 3.4 填料层高度的计算 3.4.1 传质单元数的计算

由图1.1曲线可以读出以下9个点所对应的y 和x ：

由辛普森积分法有：000277

.08

000241.0002456.08*0*8=-=-=X X ξ 96.3254.428680000923.0)..........424(3

32180=?=+++++=

f f f f f N OL ξ

m

*x -----------------与y 对应的平衡液相中的溶质的摩尔分数

*X -----------------与Y 对应的平衡液相中的溶质与溶剂的摩尔比

OL N -----------------传质单元数，单位 m

3.4.2传质单元高度的计算

查资料【5】有：s

Pa s m D s m D m

N m N G L G L C ??=?=?=?=?=-----52925231086.1/102.2,,/10469.1/10122.7,,/1033μσσ

气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：

,2,,20.750.10.050.2

21exp[ 1.45()()()()]W C L t L L t L t L L L L t a W a W W a a g a σσμρρσ-=--

液体质量通量

,2236664.5657662.28/()0.94

L L W W Kg m h π===?Ω

气体质量通量

,

22

1297.52040.58/()0.94

V G W W Kg m h π===?Ω

23208.96/W a m m =代入数值得：

气膜吸收系数：

,,

0.71/320.237()()()

0.23732.715.220.000001220.0001439/()G G t G G

t G G G W a D

k a D RT kmol m s pa μμρ==???=??

液膜吸收系数：

,,

2/30.51/3

0.0095()()()

0.009520.910.000870.3050.0000527/L L L L

W L L L L

W g k a D m s

μμμρρ-==???=

,, 1.11,,0.41

1.4,

1

2.2,

10.04530.01280.5[19.5(0.5)]0.0552[1 2.6(

0.5)]0.0129G G W L L W F

G G F L L F

k a k a s k a k a s u u u k a k a s u u k a k a s u ψψ----====>=+-==+-=故继续修正：

1

10.0128411.25L G l L

OL L K a s H k a k a

V H m K a -==+=

=Ω

3.4.3填料层高度的计算

由 1.25 3.96 4.95OL OL Z H N m =?=?=

填料有效高度取： Z ’=1.3Z=6.435m

设计取填料层高度为 ' 6.435m Z =

3.5 填料塔附属高度的计算

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

()

22

1036664.56/3600995.710/=0.16m 0.7850.7850.9

L W D ρ???=??水 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h 1.7 6.4358.135m =+=

3.6 液体分布器计算

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，容易调整水平。

液体分布器的种类较多，有多种不同的分类方法，一般多以液体流动的推动 力或按结构形式分。若按流动推动力可分为重力式和压力式，若按结构形式可分为多孔型和溢流型。其中，多孔型液体分布器又可分为：莲蓬式喷洒器、直管式多孔分布器、排管式多孔型分布器和双排管式多孔型分布器等。溢流型液体分布器又可分为：溢流盘式液体分布器和溢流槽式液体分布器。

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。 3.6.1液体分布器的选型

800D mm ≥时，建议采用盘式分布器（筛孔式） 3.6.2液体分布器的选择：

按Eckert 建议值，275060cm D mm ?时，每塔截面设一个喷淋点， 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：盘式分布器（筛孔式）：【5】 分布盘直径：600mm 【5】 分布盘厚度：4mm 【5】

3.6.3布液计算

由

H

g

n

d

L

o

S

?=2

4

φ

π

取

()

015

.0

16

.0

81

.9

2

58

.0

136

14

.3

3600

2.

998

/

31

.

85348

4

2

4

160

,

58

.0

2/1

2/1

=

??

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

=

?

?

?

?

?

?

?

=

=

?

=

H

g

n

L

d

mm

H

S

φ

π

φ

设计取

mm d15

=

3.7 其他附属塔内件的选择

3.7.1填料支承装置的选择

填料支承装置的作用是支承填料以及填料层内液体的重量，同时保证气液两

相顺利通过。支承若设计不当，填料塔的液泛可能首先发生在支承板上。为使气体能顺利通过，对于普通填料塔，支承件上的流体通过的自由截面积为填料面的50%以上，且应大于填料的空隙率。此外，应考虑到装上填料后要将支承板上的截面堵去一些，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。增加压强降，降低效率，甚至形成液泛。由于填料支承装置本身对塔内气液的流动状态也会产生影响，因此作为填料支承装置，除考虑其对流

体流动的影响外，一般情况下填料支承装置应满足如下要求：

（1）足够的强度和刚度，以支持填料及所持液体的重量（持液量），并考虑填料空隙中的持液量，以及可能加于系统的压力波动，机械震动，温度波动等因素。足够的开孔率（一般要大于填料的空隙率），以防止首先在支撑处发生液泛；为使气体能顺利通过，对于普通填料塔，支承件上的流体通过的自由截面积为填料面的50%以上，且应大于填料的空隙率。此外，应考虑到装上填料后要将支承板上的截面堵去一些，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。增加压强降，降低效率，甚至形成液泛[12]。

结构上应有利于气液相的均匀分布，同时不至于产生较大的阻力（一般阻力不大于20Pa）；

结构简单，便于加工制造安装和维修。

要有一定的耐腐蚀性。

因栅板支承板结构简单，制造方便，满足题目各项要求，故选用栅板支承板。

栅板两块查资料【5】(单位：mm)

栅板1：（单位：mm）

栅板2：（单位：mm）

如图：

支承板

支撑圈两块查资料【5】

升气管式再分布器

3.7.2填料压紧装置

为保证填料塔在工作状态下填料床能够稳定，防止高气相负荷或负荷突然变动时填料层发生松动，破坏填料层结构，甚至造成填料损失，必须在填料层顶部设置填料限定装置。填料限定可分为类：一类是将放置于填料上端，仅靠自身重力将填料压紧的填料限定装置，称为填料压板；一类是将填料限定在塔壁上，称为床层限定板。填料压板常用于陶瓷填料，以免陶瓷填料发生移动撞击，造成填料破

碎。床层限定板多用于金属和塑料填料，以防止由于填料层膨胀，改变其开始堆积状态而造成的流体分布不均匀的现象。一般要求压板和限制板自由截面分率大于70%。

本任务由于使用塑料填料，故选用床层限定板。 3.7.3塔顶除雾器

由于气体在塔顶离开填料塔时，带有大量的液沫和

雾滴，为回收这部分液相，经常需要在顶设置除沫

器。根据本吸收塔的特点，此处用丝网除雾器：

]5[2341mm D =

3.8吸收塔的流体力学参数计算

3.8．1 吸收塔的压力降

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

可以利用Eckert 通用关联图计算压强降； 横坐标为

018.1)7

.995293.1(3600/5.12973600/56.36664)(5

.05.0===

L V L Wv W X ρρ 又查散装填料压降填料因子平均值】【42321

-=Φm P

操作空塔气速u=0.437m/s

0056.0)(2

.02=Φ=L L

V p g u Y μρρψ纵坐标

1L

ρψρ--------Φ==水

液体密度校正系数， 其它塔内件的压力降∑

?P

较小，在此可忽略

s m K

u G G L /09.0=-=ρρρ

4/159.81147.15/147.15 6.435946.910P Z Pa m P Pa

?=?=?=?=查资料【】总压降

3.8.2 吸收塔的泛点率校核

泛点率

0.437100%56.75%(50%~85%)0.77

F u u =?=为经验值，所以在允许范围之内 3.8.3 气体动能因子 吸收塔内气体动能因子为

()0.530.4370.4717//F m s kg m ??===???

? 气体动能因子在常用的范围内。

3.9 附属设备的计算与选择 3.9.1

离心泵的选择与计算

取液体流速为 u=2.0m/s

m

u V d s m u s

Pa h

m W V L

L L

L

L 08.02

4

14.3360082

.364

3600/2105.801/82.367

.99556

.36664,

,63=??=??

=

=??===

=

-π

μρ估算管内径为取管内液体流速

2

6

88.54180.52.01/36004

0.0805 2.01995.7201009.66801.510

0.351,/0.35/80.50.0043

L

e L mm mm d mm V u m s d

du R mm d ?π

ρμεε-?==

=?

???===?===选用水煤气管【】，内径管内实际流速钢管粗糙度【】相对粗糙度

,,22

0.028,

300,

90352704200.28.3430.211.5411.54 2.01()0.028(30070420)20.080529.815.38(e

e

e

e f l d l d

l d

l m l m l l u H d g m λλ===?====++=+∑∑==?+++?

?=查得摩擦系数【1】截止阀（全开）：【1】两个度弯头：【1】

带滤水器的底阀（全开）：【1】

吸入管伸进水里总管长管路的压头损失

水柱）

原料泵的选择

对1--1和2--2截面列伯努力方程得：

m g

u H Z H H g

u g P Z H g u g P Z f f 72.1321.032.534.82222

2

22211

1=++=+

∑+?=∑+++=+++

ρρ

选用IS80---65---125型泵【1】 汽蚀余量：3.0~~3.5m 【1】

30度时水的饱和蒸汽压

,,

22,

3,4.2411101.314.2 4.2 2.01()0.028(42035) 2.9220.080529.81

(101.3 4.241)10 3.5 2.92 3.52995.79.81

3.52,V e f

V f g P kPa P kPa l m l l u H m d d g P P H h H m

g m λρ===∑∑=+=?++?=?--?=-?-∑=--=?允

【】【】

取吸入管长，吸入管压头损失

泵的最大允许安装高度：泵的实际安装高度应小于这 1.8,1m m 里取即安装在离地面处

由于本设计中吸收剂使用的是水，因而，采用清水泵（可用于输送各种工业用水以及物理性质、化学性质类似于水的其他液体）既简单又使用。通过计算可知，吸收塔所要求的压头不是很高，所以采用普通的单级单吸式即可，本设计中选用

远

处

泵

和

管

路

的

设

计

及

计

算

90度弯头三个,进水管伸进水里m l 0.1,,=，总管长l=1802.8+1.0=1803.8m