清水吸收so填料吸收塔设计.docx
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清水吸收so填料吸收塔设计
TheponywasrevisedinJanuary2021
清水吸收so填料吸收塔设计
设计任务书
一、设计任务：
设计一台SO2气体填料吸收塔
二、设计条件：
气体冷却到30℃，用20℃清水洗涤出去SO2
气体流量：
2575m3/h空气和SO2混合气
混合气中SO2摩尔分率：
SO2吸收率：
94%
操作方式：
连续操作
操作温度：
20℃
操作压力：
三、设计内容
1.根据设计任务和工艺要求，确定设计方案；
2.根据设计任务和工艺要求，合理选择填料；
3.确定塔径、填料层高度等工艺尺寸；
4.计算填料层压降；
5.填料塔附属高度及其附件。
四、设计基础数据：
参考教材及参考资料。
五、设计成果：
1.设计说明书一份；
2.填料吸收塔主体设备图；
3.填料吸收塔工艺流程图。
注：
吸收塔常规操作，液气比很大，吸收温度不变，近似为清水温度
1、概述
吸收的定义
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。
吸收的目的
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表面具有良好的湍流状况，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，分离效率高等优点，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。
填料吸收塔简介
在化学工业中，吸收操作广泛应用于石油炼制，石油化工中分离气体混合物，原料气的精制及从废气回收有用组分或去除有害组分等。
吸收操作中以填料吸收塔生产能力大，分离效率高，压力降小，操作弹性大和持液量小等优点而被广泛应用。
2、设计方案简介
吸收剂的选择
吸收操作的好坏在很大程度上取决于吸收剂的性质。
选择吸收剂时在，主要考虑以下几点：
（1）溶解度大吸收剂对溶质组分的溶解度越大，则传质推动力越大，吸收速率越快，且吸收剂的耗用量越少，操作费用较低。
（2）选择性好吸收剂应对溶质组分有较大的溶解度，而对混合气体中的其它组分溶解度甚微，否则不能实现有效的分离。
（3）挥发性好在吸收过程中，吸收尾气往往为吸收剂蒸汽所饱和。
故在操作温度下，吸收剂的蒸汽压要低，以减少吸收剂的损失量。
（4）粘度低吸收剂在操作温度下的粘度越低，其在塔内的流动阻力越小，扩散系数越大，这有助于传质速率的提高。
（5）易再生当富液不作为产品时，吸收剂要易再生，以降低操作费用。
要求溶解度对温度的变化比较敏感，即不仅在低温下溶解度要大，平衡分压要小；而且随着温度升高，溶解度应迅速下降，平衡分压应迅速上升，则被吸收的气体解吸，吸收剂再生方便。
（6）其它所选用的吸收剂应尽可能无毒性、无腐蚀性、不易燃易爆、不发泡、冰点低、价廉易得，且化学性质稳定、经济安全。
在实际生产中满足所有要求的吸收剂是不存在的。
应从满足工艺要求出发，对可供选择的吸收剂做全面的评价，作出科学、经济、合理的选择。
综上所述，考虑吸收剂的选用标准，在二氧化硫的吸收过程中，采用清水为吸收剂。
吸收流程的选择
气体吸收过程分类
气体吸收过程通常按以下方法分类。
（1）单组分吸收与多组分吸收:
吸收过程按被吸收组分数目的不同，可分为单组分吸收和多组分吸收。
若混合气体中只有一个组分进入液相，其余组分不溶（或微溶）于吸收剂，这种吸收过程称为单组分吸收。
反之，若在吸收过程中，混合气中进入液相的气体溶质不止一个，这样的吸收称为多组分吸收。
（2）物理吸收与化学吸收:
在吸收过程中，如果溶质与溶剂之间不发生显着的化学反应，可以把吸收过程看成是气体溶质单纯地溶解于液相溶剂的物理过程，则称为物理吸收。
相反，如果在吸收过程中气体溶质与溶剂（或其中的活泼组分）发生显着的化学反应，则称为化学吸收。
（3）低浓度吸收与高浓度吸收:
在吸收过程中，若溶质在气液两相中的摩尔分率均较低（通常不超过），这种吸收称为低浓度吸收；反之，则称为高浓度吸收。
对于低浓度吸收过程，由于气相中溶质浓度较低，传递到液相中的溶质量相对于气、液相流率也较小，因此流经吸收塔的气、液相流率均可视为常数。
（4）等温吸收与非等温吸收:
气体溶质溶解于液体时，常由于溶解热或化学反应热，而产生热效应，热效应使液相的温度逐渐升高，这种吸收称为非等温吸收。
若吸收过程的热效应很小，或虽然热效应较大，但吸收设备的散热效果很好，能及时移出吸收过程所产生的热量，此时液相的温度变化并不显着，这种吸收称为等温吸收。
吸收装置的流程主要有以下几种。
（1）逆流操作气相自塔底进入塔顶排出，液相自塔顶进入塔底排出，此即逆流操作。
逆流操作的特点是，传质平均推动力大，传质速率快，分离效率高，吸收剂利用率高。
工业生产中多采用逆流操作。
（2）并流操作气液两相均从塔顶流向塔底，此即并流操作。
并流操作的特点是，系统不受液流限制，可提高操作气速，以提高生产能力。
并流操作通常用于以下情况：
当吸收过程的平衡曲线较平坦时，流向对推动力影响不大；易溶气体的吸收或处理的气体不需要吸收很完全；吸收剂用量特别大，逆流操作易引起液泛。
（3）吸收剂部分再循环操作在逆流操作系统中，用泵将吸收塔排出液体的一部分冷却后与补充的新鲜吸收剂一同送回塔内，即为部分再循环操作。
通常用于以下情况：
当吸收剂用量较小，为提高塔的液体喷淋密度；对于非等温吸收过程，为控制塔内的温升，需取出一部分热量。
该流程特别适宜于相平衡常数m值很小的情况，通过吸收液的部分再循环，提高吸收剂的使用效率。
应予指出，吸收剂部分再循环操作较逆流操作的平均推动力要低，且需要设置循环泵，操作费用增加。
（4）多塔串联操作若设计的填料层高度过大，或由于所处理物料等原因需要经常清理调料，为便于维修，可把填料层分装在几个串联的塔内，每个吸收塔通过的吸收剂和气体量都相等，即为多塔串联操作。
此种操作因塔内需要留较大空间，输液、喷淋、支承板等辅助装置增加，使设备投资加大。
（5）串联—并联混合操作若吸收过程处理的液量很大，如果用通常的流程，则液体在塔内的喷淋密度过大，操作气速势必很小（否则易引起塔的液泛），塔的生产能力很低。
实际生产中可采用气相作串联、液相作并联的混合流程。
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。
填料的类型与选择
填料是填料塔中气液接触的基本构件，其性能的优劣是决定填料塔操作性能的主要元素，因此，填料的选择是填料塔设计的重要环节。
工业填料按形状和结构分为颗粒填料和规整填料：
（1）颗粒填料一般为湿法乱堆或干法乱的散装填料。
主要有以下类型：
拉西环填料，鲍尔环填料，阶梯环填料等环形填料；弧鞍形填料，环矩鞍填料等鞍形填料等。
（2）规整填料以一定的几何形状，整齐堆砌，工业用多为波纹填料，其优点是结构紧凑、传质效率高、处理量大，但不易处理粘度大或有悬浮物的物料，且造价高。
对于水吸收SO2的过程，操作温度及操作压力较低，工业上通常选用塑料散装填料。
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。
阶梯环是对鲍尔环的改进。
与鲍尔环相比，阶梯环高度减少了一半，并在一端增加了一个锥形翻边。
由于高径比减少，使得气体绕填料外壁的平均路径大为缩短，减少了气体通过填料层的阻力。
填料尺寸直接影响塔底操作和设备投资。
实践证明，塔径（D）与填料外径（d）之比值有一个下限值，若径比低于此下限值时，塔壁附近的填料空隙率大而不均匀，气流易短路及液体壁流等现象剧增。
一般推荐:
D≤300时，选25
的填料；
时，选25—38
的填料。
时，选用
的填料。
但一般大塔中常用
的填料，但通量的提高不能补偿成本的降低。
设计步骤
本课程设计从以下几个方面的内容来进行设计
（一）吸收塔的物料衡算；
（二）填料塔的工艺尺寸计算；主要包括：
塔径，填料层高度及压降；
（三）辅助设备的选型；
（四）绘制有关吸收操作图纸。
3、工艺计算
基础物性数据
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，20℃时水的有关物性数据如下：
密度为ρL=kg/m3
粘度为μL=Pa·s=（m·h）
表面张力为σL=dyn/cm=940896kg/h2
SO2在水中的扩散系数为DL=×10-5m2/s=×10-6m2/h
（依Wilke-Chang
计算，查《化学工程基础》）
气相物性数据
设进塔混合气体温度为30℃，
混合气体的平均摩尔质量为
MVm=ΣyiMi=×+×29=mol
混合气体的平均密度为
ρVm=PM/RT=×（×）=m3
混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得20℃空气的粘度为
μV=×10-5Pa?
s=（m?
h）
查手册得SO2在空气中的扩散系数为
DV=s=m2/h
（依
计算，其中273K时，×10-5Pa时SO2在空气中的扩散系数为×10-5m2/s，查《化学工程基础》）
气液相平衡数据
由手册查得，常压下20℃时SO2在水中的亨利系数为
E=×103kPa
溶解度系数为
H=ρ/EM=（×103×）=（k·Pam3）
相平衡常数为
m=E/P=×103/=
物料衡算
（1）进塔混合气中各组分的量
近似取塔平均操作压强为，故：
混合气量＝
kmol／h
混合气SO2中量＝×＝／h＝×=／h
（2）混合气中空气量＝混合气进出塔的摩尔组成
（3）混合气进出塔摩尔比组成
进塔气相摩尔比为
出塔气相摩尔比为
（4）出塔混合气量
出塔混合气量=+×=h
=+×=h
（5）吸收剂（水）的用量L
该吸收过程属低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算
对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为X2=0
取操作液气比为
kmol/h
（6）塔底吸收液组成X1
填料塔的工艺尺寸的计算
塔径的计算
采用Eckert通用关联图计算泛点气速。
气相质量流量为WV=2575×=3220kg/h
液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即
WL=×=h
其中：
ρL=m3
ρV=kg/m3
g=m/s2=×108m/h2
WV=3220kg/h
WL=kg/h
μL=Pa·s
（1）采用Ecekert通用关联图法计算泛点气速uF。
通用填料塔泛点和压降的通用关联图如下：
图3-1填料塔泛点和压降的通用关联图
图3-1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；
ρV、ρL——分别为气体和液体的密度，kg/m3；
wV、wL——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3-1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：
m/s
（2）操作气速
由以下公式计算塔径：
对于散装填料，其泛点率的经验值为u/uF=~
取u=0.7uF=×=s
（3）塔径
由
m
圆整塔径，取D=。
（4）泛点率校核：
m/s
（在允许范围内）
（5）填料规格校核：
>8
（6）液体喷淋密度校核：
取最小润湿速率为
（Lw）min=m3/m·h
查填料手册得
塑料阶梯环比表面积at=m3
Umin=（Lw）minat=×=m2·h
m3/m2h>Umin
经以上校核可知，填料塔直径选用D=1100mm合理。
填料层高度计算
（1）传质单元数NOG
解吸因数为：
气相总传质单元数为：
（2）传质单元高度的计算
气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算
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
查表3-2得
=33dyn/cm=427680kg/h2
液体质量通量为:
气膜吸收系数由下式计算：
气体质量通量为:
气体质量通量:
液膜吸收系数由下式计算:
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
1
本设计填料类型为开孔环，查表3-3得Ψ=,则
又因
u/uF=﹪＞50﹪
需要按下式进行校正，即
可得：
则
由
（3）填料层高度的计算
由
根据设计经验，填料层的设计高度一般为
Z′＝~Z，取25%富余量
式中Z′——设计时的填料高度，m；
Z——工艺计算得到的填料层高度，m。
得:
=×=
设计取填料层高度为
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
≤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，
，查表3-4得
取
，则h=8×1100=8800mm
6400mm<8800mm
故需分为两段，第一段高为，第二段高为。
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:
表3-5散装填料压降填料因子平均值
填料类型
填料因子,1/m
DN16
DN25
DN38
DN50
DN76
金属鲍尔环
306
-
114
98
-
金属环矩鞍
-
138
71
36
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
-
查3-5表得，Φp=116m-1
纵坐标为:
查图3-1Eckert通用关联图得:
△P/Z=186Pa/m
填料层压降为:
△P=186×=
4、辅助设备的计算及选型
除雾沫器
穿过填料层的气体有时会夹带液体和雾滴，因此需在塔顶气体排出口前设置除沫器，以尽量除去气体中被夹带的液体雾沫，常用的型式有填料除雾器、折流板式除雾器、丝网除雾器这几类，SO2溶于水中易于产生泡沫为了防止泡沫随出气管排出，影响吸收效率，采用除沫装置，根据除沫装置类型的使用范围，该填料塔选取丝网除沫器。
丝网除雾沫器：
一般取丝网厚度H=100~150mm，气体通过除沫器的压降约为120~250pa。
液体分布器简要设计
（1）液体分布器的选型
该吸收塔液相负荷较大，而气相负荷相对较低，故选用槽式液体分布器。
（2）分布点密度计算
表4-1Eckert的散装填料塔分布点密度推荐值
塔径,mm
分布点密度,点/m2塔截面
D=400
330
D=750
170
D≥1200
42
按Eckert建议值，因该塔液相负荷较大，设计取喷淋点密度为140点/m2。
布液点数为n=××140=≈133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：
二级槽共设七道，在槽侧面开孔，槽宽度为80mm，槽高度为210mm。
两槽中心矩为160mm。
分布点采用三角形排列，实际设计布点数为n=132点.
图4-1槽式液体分布器二级槽的布液点示意图
（3）布液计算
由重力型液体分布器布液能力计算
由
式中Ls——液体流量，m3/s；
n——开孔数目（分布点数目）；
φ——孔流系数，通常取φ＝～；
d0——孔径，m；
△H——开孔上方的液位高度，m。
取
=，
=160mm,
则
设计取
液体分布器的安装一般高于填料层表面150~300mm（取决于操作弹性），槽式分布器主槽分槽高度均取210mm，主槽宽度为塔径的~，这里取塔径的，分槽宽度由液体量及停留时间确定，最低液位为50mm为宜，最高液位由操作弹性塔内允许高度及造价确定，一般为200mm左右。
液体再分布器――升气管式液体再分布器
在离填料顶面一定距离处，喷淋的液体便开始向塔壁偏流，然后沿塔壁下流，塔中心处填料的不到好的润湿，形成所谓的“干锥体”的不正常现象，减少了气液两相的有效接触面积。
因此每隔一定的距离设置液体再分布装置，以克服此现象。
由于塔径为1100mm，因此可选用升气管式再分布器，分布外径1180mm，升气管数8。
填料支撑装置
填料支撑结构是用于支承塔内填料及其所特有的气体和液体的重量之装置。
对填料支承结构的基本要求是：
有足够的强度以支承填料的重量；提供足够的自由截面以使气、液两相流体顺利通过，防止产生液泛；有利于液体的再分布；耐腐蚀，易制造，易装卸等。
常用的填料支承板主要有栅板式和气体喷射式等结构。
气体喷射式支承板的结构特点是：
为气体和液体提供了不同的通道，气体易于进入填料层，液体也可自由排出，避免了因液体积聚而发生液泛的可能性，并有利于液体的均匀再分配。
气体喷射式支承板有圆柱升气管式和梁式，而以梁式较为优越，梁式支承板用于小塔可制成整体式，用于大塔则分块制作或塔内组装。
它可提供超过90%的自由截面（有时甚至达到100%），保证气体通量大，阻力小。
因此，在新型填料塔中广泛采用了这种结构。
这里选用分块梁式支承板。
填料压紧装置
为防止在上升气流的作用下填料床层发生松动或者跳动，需在填料层上方设置填料压紧装置。
对于塑料散装填料，本设计选用床层限制板。
气体和液体的进出口装置
管道的公称直径
65
80
100
125
150
200
250
300
350
400
450
500
600
（1）气体和液体的进出口直径的计算
由公式
Vs为流体的体积流量，m3/s
u为适宜的流体流速，m/s.
常压气体进出口管气速可取10~20m/s；液体进出口速度可取~m/s（必要时可加大）。
选气体流速为15m/s由VS=2575/3600=m3/s代入上公式得d=247mm圆整之后，气体进出口管径为d=250mm
选液体流速为m/s，由VS=×／（3600×）=s代入上公式得d=116mm,圆整之后液体进出口管径为d=125mm
（2）底液出口管径：
选择d=150mm
（3）泵的选型由计算结果可以选用：
IS100-80-125型的泵
（4）塔附属高的确定
塔的附属空间高度主要包括塔的上部空间高度，安装液体分布器和液体再分度器所需的空间高度，塔的底部空间高度以及塔的群坐高度。
塔的上部空间高度是指塔填料层以上，应有一足够的空间高度，以使随气流携带的液滴能够从气相中分离出来，该高度一般取。
安装液体再分布器所需的塔空间高度依据所用分布器的形式而定一般需要的高度。
塔的底部空间高度是指塔底最下一块塔板到塔底封头之间的垂直距离。
该空间高度含釜液所占的高度及釜液面上方的气液分离高度的两部分。
釜液所占空间高度的确定是依据塔的釜液流量以及釜液在塔内的停留时间确定出空间容积，然后根据该容积和塔径计算出塔釜所占的空间高度。
塔底液相液相停留时间按1min考虑，则塔釜液所占空间为
考虑到气相接管所占的空间高度，底部空间高度可取米，所以塔的附属空间高度可以取米。
（5）人孔
公称压力
公称直径
密封面型
标准号
常压
450mm
平面（FS）
HG21515-95
5、设计结果汇总
课程设计名称
水吸收SO2填料吸收塔的设计
操作条件
操作温度：
20摄氏度
操作压力：
物性数据
液相
气相
液体密度
kg/m3
混合气体平均摩尔质量
kg/kmol
液体粘度
kg/（mh）
混合气体的平均密度
kg/m3
液体表面张力
940896
kg/h2
混合气体的粘度
kg/（mh）
SO2在水中的扩散系数
×10-6
m2/h
SO2在空气中的扩散系数
m2/h
重力加速度
×108
m/h
气液相平衡数据
SO2在水中的亨利系数E
相平衡常数m
溶解度系数H
×103kpa
kPam3
物料衡算数据
Y1
Y2
X1
X2
气相流量G
液相流量L
最小液气比
操作液气比
0
kmol/h
kmol/h
工艺数据
气相质量流量
液相质量流量
塔径
气相总传质单元数
气相总传质单元高度
填料层高度
填料层压降
3220kg/h
h
填料塔附件
除沫器
液体分布器
填料压紧装置
填料支撑装置
液体再分布器
丝网式
二级槽式
床层限制版
分块梁式
升气管式
结构尺寸一览表
气体进出口管径
液体进出口管径
底液出口管径
附属塔高
总塔高
250mm
125mm
150mm
6、主要符号说明
at——填料的总比表面积，m2/m3
aW——填料的润湿比表面积，m2/m3
d——填料直径，m；
D——塔径，m；
DL——液体扩散系数，m2/s；
Dv——气体扩散系数，m2/s；
ev——液沫夹带量,kg（液）/kg（气）；
g——重力加速度，m/s2；
h——填料层分段高度，m；
HETP关联式常数；
hmax——允许的
升级会员 