填料吸收塔课程设计说明书.doc
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XuzhouCollegeofIndustrialTechnology
填料吸收塔课程设计说明书
专业：
材料工程
班级：
高聚物111
姓名：
李进亮
班级学号：
1132403115
指导老师：
张晓东
日期：
2013-05-18
化工单元操作课
化工单元操作课程设计任务书
班级：
高聚物111姓名：
李进亮学号：
1132403115
常压下，在填料塔中用清水吸收混合气中的二氧化硫。
一、设计条件
1.操作方式：
连续操作；
2.生产能力：
处理炉气量：
2415；
3.操作温度：
25℃；
4.操作压力：
常压；
5.进塔混合气含量；二氧化硫的摩尔分数为0.065％；其余为空气；
6.进塔吸收剂：
清水；
7.二氧化硫回收率：
95％；
二、设计要求
1.流程布置与说明；
2.工艺过程计算；
3.填料的选择；
4.填料塔工艺尺寸的确定；
5.输送机械功率的选型；
三、设计成果
1.设计任务书一份；
2.设计图纸：
（填料塔工艺条件图）
四、设计时间
2013年5月13日-------2013年5月24日
五、主要参考资料
1、化工原理课程设计，汤金石，化学工业出版社，1990
2、化工工艺设计手册，上海医药设计院
3、传质与分离技术，周立雪，化学工业出版社
4、流体流动与传热，张洪流，化学工业出版社
5,、化工单元过程课程设计，王明辉主编，化学工业出版社
6、化工单元过程课程设计，刘兵主编，化学工业出版社
六、指导教师：
张晓东
化学制药教研室
2013.5
29
目录
摘要 3
前言 4
1.1吸收技术概况 4
1.2吸收设备分类 4
第二章水吸收二氧化硫填料塔设计 7
2.1任务及操作条件 7
2.2吸收剂的选择 7
2.3填料塔的填料的选择 8
2.4操作参数的选择 9
2.4.1操作温度的确定 9
2.4.2操作压力的确定 10
第三章吸收塔工艺条件的计算 11
3.1基础物性数据 11
3.1.1液相物性数据 11
3.1.2气相物性数据 11
3.1.3气液相平衡数据 11
3.2物料衡算 12
3.3填料塔的工艺尺寸的计算 14
3.3.1空塔气速的确定 14
3.3.2填料规格校核:
17
3.3.3传质单元高度的计算 17
3.4填料层压降的计算 21
3.5液体分布器计算 23
3.5.1液体分布器 23
3.5.2液体分布器简要设计 24
3.5.2.1液体分布器的选型 24
3.5.2.2分布点密度计算 24
3.5.2.3布液计算 24
3.6其他附件的选择 25
3.6.1离心泵的计算与选择 25
3.6.2多孔型液体分布器 26
3.6.3直管式多孔分布器 26
3.6.4排管式多孔分布器 26
3.6.5填料支撑板 26
3.6.6填料压板与床层限制板 26
3.6.7气体进出口装置与排液装置 27
3.6.8人孔 27
主要符号说明 28
结束语 30
摘要
吸收是利用混合气体中各组分在液体中的溶解度的差异来分离气态均相混合物的一种单元操作。
气液两相的分离是通过它们密切的接触进行的，在正常操作下，气相为连续相而液相为分散相，气相组成呈连续变化，气相中的成分逐渐被分离出来。
填料塔是气液呈连续性接触的气液传质设备，属微分接触逆流操作过程。
塔的底部有支撑板用来支撑填料，并允许气液通过。
支撑板上的填料有整砌和乱堆两种方式。
填料层的上方有液体分布装置，从而使液体均匀喷洒于填料层上。
填料层的空隙率超过90%，一般液泛点较高，单位塔截面积上填料塔的生产能力较高，研究表明，在压力小于0.3MPa时，填料塔的分离效率明显优于板式塔。
这次课程设计的任务是用清水吸收空气中的二氧化硫，然后再进行解吸处理得到二氧化硫。
要求设计包括塔径、填料塔高度、塔管的尺寸等，需要通过物料衡算得到所需要的基础数据，然后进行所需尺寸的计算得到各种设计参数，为图的绘制打基础，提供数据参考。
关键词：
填料塔吸收二氧化硫
前言
1.1吸收技术概况
当气体混合物与适当的液体接触，气体中的一个或者几个组分溶解与液体中，而不能溶解的组分仍留在气体中，使气体得以分离。
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。
1.2吸收设备分类
在吸收过程中，质量交换是在两相接触面上进行的。
因此，吸收设备应具有较大的气液接触面，按吸收表面的形成方式，吸收设备可分为下列几类：
（1）表面吸收器
吸收器中两相间的接触面是静止液面（表面吸收器本身的液面）或流动的液膜表面（膜式吸收器）。
这类设备中的接触表面在相当大的程度上决定于吸收器构件的几何表面。
这类设备还可分为以下几种基本类型：
水平液面的表面吸收器：
在这类吸收器中，气体在静止不动或缓慢流动的液面上通过，液面即为传质表面，由于传质表面不大，所以此种表面吸收器只适用于生产规模较小的场合。
通常将若干个气液逆流运动的吸收器串联起来使用。
为了能使液体自流，可将吸收器排列成阶梯式，即沿流体的流向，后一个吸收器低于前一个吸收器。
水平液面的表面吸收器的效率极低，现在应用已很有限。
只有从体积量不大的气体中吸收易溶组分，并同时需要散除热量的情况下才采用它们。
这类吸收器有时还用于吸收高浓度气体混合物中的某些组分。
液膜吸收器：
在液膜吸收器中，气液两相在流动的液膜表面上接触。
液膜是沿着圆管或平板的纵向表面流动的。
已知有三种类型的液膜吸收器：
列管式吸收器：
液膜沿垂直圆管的内壁流动；
板状填料吸收器：
填料是一些平行的薄板，液膜沿垂直薄板的两测流动；
升膜式吸收器：
液膜向上（反向）流动。
目前，液膜吸收器应用比较少，其中最常见的是列管式吸收器，常用于从高浓度气体混合物同时取出热量的易溶气体（氯化氢，二氧化硫）的吸收。
填料吸收器填料吸收器是装有各种不同形状填料的塔。
喷淋液体沿填料表面流下，气液两相主要在填料的润湿表面上接触。
设备单位体积内的填料表面积可以相当大，因此，能在较小的体积内得到很大的传质表面。
但在很多情况下，填料的活性接触表面小于其几何表面。
填料吸收器：
填料吸收器一般作成塔状，塔内装有支撑板，板上堆放填料层。
喷淋的液体通过分布器洒向填料。
在吸收器内，填料在整个塔内堆成一个整体。
有时也将填料装成几层，每层的下边都设有单独的支撑板。
当填料分层堆放时，层与层之间常装有液体再分布装置。
在填料吸收器中，气体和液体的运动经常是逆流的。
而很少采用并流操作。
但近年来对在高气速条件下操作的并流填料吸收器给予另外很大的关注。
在这样高的气速下，不但可以强化过程和缩小设备尺寸，而且并流的阻力降也要比逆流时显着降低。
这样高的气速在逆流时因为会造成液泛，是不可能达到的。
如果两相的运动方向对推动力没有明显的影响，就可以采用这种并流吸收器。
填料吸收器的不足之处是难于除去吸收过程中的热量。
通常使用外接冷却器的办法循环排走热量。
曾有人提出在填料层中间安装冷却组件从内部除热的设想，但这种结构的吸收器没有得到推广。
机械液膜吸收器：
机械液膜吸收器可分为两类。
在第一类设备中，机械作用用来生成和保持液膜。
属于这一类的有圆盘式液膜吸收器。
当圆盘转到液面上方时，便被生成的液膜所覆盖，吸收过程就在这一层液膜表面上进行。
圆盘的圆周速度为0.2～0.3米/秒。
这种吸收器的传质系数与填料吸收器相近。
第一类设备没有什么明显的优点，并由于有转动部件的存在而使结构复杂化，同时还增加了能量消耗。
因此这类设备没有得到推广。
第二类设备的实用意义较大。
在这类设备中，转子的转动用来使两相混合，促使传质过程得到强化。
这种设备称之为“转子液膜塔”，常用于热稳定性较差物质的精馏。
显然，这种设备也可用于吸收操作。
（2）鼓泡吸收器
在这种吸收器中，接触表面是随气流而扩展。
在液体中呈小气泡和喷射状态分布。
这样的气体运动（鼓泡）是以其通过充满液体的设备（连续的鼓泡）或通过具有不同形式塔板的塔来实现。
在充填填料的吸收器中，也可看到气体和液体相互作用的特征。
这一类吸收器也包括以机械搅拌混合液体的鼓泡吸收器。
鼓泡吸收器中，接触表面是由流体动力状态（气体和液体的流量）所决定的。
（3）喷洒吸收器
喷洒吸收器中的接触表面是在气相介质中喷洒细小液滴的方法而形成的。
接触表面取决于流体动力学状态（液体流量）。
这一类的吸收器有：
吸收器中液体的喷洒是用喷雾器（喷洒或空心的吸收器）；用高速气体运动流的高速并流喷洒吸收器；或用旋转机械装置的机械喷洒吸收器。
在这些不同形式的设备中，现在最通用的是填料塔吸收器。
进液
进气
1—塔壳体，2—液体分布器，3—填料压板，4—填料，
5—液体再分布装置，6—填料支撑板
出液
1
2
3
4
5
6
出气
第二章水吸收二氧化硫填料塔设计
2.1任务及操作条件
操作方式：
连续生产
生产能力：
处理气量为2415m3/h
操作温度：
20℃
操作压力：
常压
混合气体的含量：
二氧化硫的摩尔分数为0.065％；
温度25℃；其余为气体
吸收剂：
清水
2.2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：
1.对溶质的溶解度大
所选的吸收剂对溶质的溶解度大，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条件下，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，则可以提高吸收速率，减小塔设备的尺寸。
2.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，而对其它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。
3.不易挥发
吸收剂在操作条件下应具有较低的蒸汽压，以避免吸收过程中吸收剂的损失，提高吸收过程的经济性。
4.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该考虑的主要问题，其次，还应该注意所选择地吸收剂应该具有良好的物理、化学性能和经济性。
其良好的物理性能主要指吸收剂的粘度要小，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择用廉价易得的溶剂，两种吸收剂如下：
物理吸收剂和化学吸收剂的选择
物理吸收剂
化学吸收剂
（1）吸收容量（溶解度）正比于溶质分压
（2）吸收热效应很小（近于等温）
（3）常用降压闪蒸解吸
（4）适于溶质含量高，而净化度要求不太高的场合
（5）对设备腐蚀性小，不易变质
（1）吸收容量对溶质分压不太敏感
（2）吸收热效应显着
（3）用低压蒸汽气提解吸
（4）适于溶质含量不高，而净化度要求很高的场合
（5）对设备腐蚀性大，易变质
本设计采用水作为吸收剂，二氧化硫作为溶质。
2.3填料塔的填料的选择
塔填料是填料塔中的气液相间传质组件，是填料塔的核心部分。
其种类繁多，性能上各有差异。
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（Stairswreath）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。
由于该过程处理量不大，所以所用的塔直径不会太大，以采用填料塔较为适宜，所以采用聚丙烯塑料阶梯环填料。
2.4操作参数的选择
2.4.1操作温度的确定
对于物理吸收而言,降低操作温度,对吸收有利.但低于环境温度的操作温度因其要消耗大量的制冷动力而一般是不可取的,所以一般情况下,取常温吸收较为有利.对于特殊条件的吸收操作方可采用低于或高于环境的温度操作.
对于化学吸收,操作温度应根据化学反应的性质而定,既要考虑温度对化学反应速度常数的影响,也要考虑对化学平衡的影响,使吸收反应具有适宜的反应速度.
对于再生操作,较高的操作温度可以降低溶质的溶解度,因而有利于吸收剂的再生.
而对本设计而言，由吸收过程的气液关系可知，温度降低可增加溶质组分的溶解度，即低温有利于吸收，但操作温度的低限应有吸收系统的具体情况决定。
依据本次设计要求，操作温度定为20℃。
2.4.2操作压力的确定
操作压力的选择根据具体情况的不同分为三种：
对于物理吸收,加压操作一方面有利于提高吸收过程的传质推动力而提高过程的传质速率,另一方面,也可以减小气体的体积流率,减小吸收塔径.所以操作十分有利.但工程上,专门为吸收操作而为气体加压,从过程的经济性角度看是不合理的,因而若在前一道工序的压力参数下可以进行吸收操作的情况下,一般是以前道工序的压力作为吸收单元的操作压力.
对于化学吸收,若过程由质量传递过程控制,则提高操作压力有利,若为化学反应过程控制,则操作压力对过程的影响不大,可以完全根据前后工序的压力参数确定吸收操作压力,但加大吸收压力依然可以减小气相的体积流率,对减小塔径仍然是有利的.
对于减压再生（闪蒸）操作,其操作压力应以吸收剂的再生要求而定,逐次或一次从吸收压力减至再生操作压力,逐次闪蒸的再生效果一般要优于一次闪蒸效果.
本设计中由吸收过程的气液平衡可知，压力升高可增加溶质组分的溶解度，即加压有利于吸收。
但随着操作压力的升高，对设备的加工制造要求提高，且能耗增加，综合考虑，采用常压101.3kPa。
第三章吸收塔工艺条件的计算
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纯水的物性数据。
由手册查得，25℃时水的有关物性数据如下：
密度为
粘度为
表面张力为
SO2在水中的扩散系数为
3.1.2气相物性数据
混合气体的平均摩尔质量为：
混合气体的平均密度为：
混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得，25℃时空气的粘度为：
查手册得SO2在空气中的扩散系数为：
3.1.3气液相平衡数据
由手册
常压下20℃时，SO2在水中的亨利系数为：
相平衡常数为:
溶解度系数为：
3.2物料衡算
如图3-1所示:
图3-1物料衡算图示意图
全塔物料衡算是一个定态操作逆流接触的吸收塔，图中各符号的意义如下：
－惰性气体的流量，;
－纯吸收剂的流量，;
－进出吸收塔气体的摩尔比;
－出进吸收塔液体中溶质物质量的比；
注意：
本课程设计中塔底截面一律以下标“1”表示，塔顶截面一律以下标“2”表示。
进塔气相摩尔比为：
出塔气相摩尔比比为：
进塔惰性气相流量为：
由设计任务知改吸收过程属于低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算，即：
对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为：
对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为：
带入数值，得：
取实际液气比为最小液气比的1.4倍，即：
有：
得：
由，求得吸收液出他浓度为：
3.3填料塔的工艺尺寸的计算
3.3.1空塔气速的确定
通常由泛点气速来确定空塔操作气速。
泛点气速是填料塔操作气速的上限，填料塔的操作气速必须小于泛点气速，操作空塔气速与泛点气速之比称为泛点率。
填料的泛点气速可由Eckert通用关联图查得，
气相质量流量为：
液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即：
采用Eckert通用关联图法计算泛点气速。
通用填料塔泛点和压降的通用关联图如下：
图3-2填料塔泛点和压降的通用关联图
图中：
u0——空塔气速，m/s；
φ——湿填料因子，简称填料因子，1/m；
ψ——水的密度和液体的密度之比；
g——重力加速度，m/s2；
——分别为气体和液体的密度，kg/m3；
——分别为气体和液体的质量流量，kg/s。
此图适用于乱堆的颗粒形填料，如拉西环、弧鞍形填料、矩鞍形填料、鲍尔环等，其上还绘制了整砌拉西环和弦栅填料两种规整填料的泛点曲线。
对于其他填料，尚无可靠的填料因子数据。
Eckert通用关联图的横坐标为：
查图3-2查得纵坐标值为：
表3-1散装填料泛点填料因子平均值
填料类型
填料因子，1/m
DN16
DN25
DN38
DN50
DN76
金属鲍尔环
410
—
117
160
—
金属环矩鞍
—
170
150
135
120
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
—
瓷矩鞍
1100
550
200
226
—
瓷拉西环
1300
832
600
410
—
查表3-1得：
对于散装填料，其泛点率的经验值为u/uF=0.5～0.85
取
由
圆整塔径取
泛点率校核：
由于泛点率校核：
由于泛点附近流体力学性能的不稳定性，一般较难稳定操作，故一般要求泛点率在50%—80%之间，而对于易起泡的物系可低于40%：
（在允许范围内）
填料规格校核（在允许范围内）
3.3.2填料规格校核:
阶梯环的径比要求：
>8
有即符合要求
液体喷淋密度校核：
最小润湿速率为
查填料手册得
at=132.5
经以上校核可知，填料塔直径选用D=1200mm合理。
注上式中：
—泛点气速，；
—空塔气速；
—液体密度，；
—气体密度，；
，—气液相质量流量，；
g—重力加速度，9.81；
—液体黏度，；
--填料因子，1/m；
3.3.3传质单元高度的计算
脱吸因数为：
气相总传质单元数：
气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：
式中：
--单位体积填料层的润湿面积，；
—填料的总比表面积，；
—液体表面张力，；
—填料上液体铺展开的最大表面张力，；
—液体通过空塔的截面的质量流速，；
—液体的粘度，；
—液体的密度，；
g—重力加速度，9.81。
表3-2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mN/m,
56
61
73
33
40
75
20
得：
气膜吸收系数由下式计算：
气膜吸收系数计算公式：
气体质量通量：
所以气膜吸收系数为：
带入数值得：
液膜传质系数由下式计算：
式中：
—液体的密度，；
—液体的质量流速ms
—液相的黏度，；
g—重力加速度，9.81；
—液体通过空塔截面的质量流速，；
—单位体积填料层的润湿面积，；
—溶质在液相中的扩散系数，。
代入数值得:
由
表3-3常见填料塔的形状系数
填料类型
球形
棒形
拉西环
弧鞍
开孔环
Ψ值
0.72
0.75
1
1.19
1.45
本设计填料类型为开孔环所以,则
因为
>50%
需要按下式进行校正，即
可得：
则
由
由，得
设计取填料塔高度为
查表3-4散装填料分段高度推荐值
填料类型
h/D
Hmax/m
拉西环
2.5
≤4
矩鞍
5～8
≤6
鲍尔环
5～10
≤6
阶梯环
8～15
≤6
环矩鞍
5～15
≤6
对于阶梯环填料，，。
取，则
计算得填料层高度为6000mm,故不需分段。
3.4填料层压降的计算
在逆流操作的填料塔中，从塔顶喷淋下来的液体，依靠重力在填料表面成膜状向下流动，上升气体与下降液膜的摩擦阻力形成了填料层的压降。
填料层压降与液体喷淋量及气速有关，在一定的气速
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