水吸收二氧化硫课程设计Word下载.docx
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3、吸收设备1
二、设计方案.2
1、吸收剂的选择2
2、吸收流程的选择3
2.1气体吸收过程分类.3
2.2吸收装置的流程4
3、吸收塔设备及填料的选择5
3.1吸收塔设备.5
3.2填料的选择.5
4、吸收剂再生方法的选择6
5、操作参数的选择7
5.1操作温度的确定7
5.2操作压力的确定7
三、吸收塔工艺条件的计算8
1、基础物性数据8
1.1液相物性数据8
1.2气相物性数据8
1.3气液两相平衡时的数据9
2、物料衡算9
3、填料塔的工艺尺寸计算10
3.1塔径的计算10
3.2泛点率校核和填料规格11
3.3液体喷淋密度校核11
4、填料层高度计算12
4.1传质单元数的计算12
4.2传质单元高度的计算12
4.3填料层高度的计算14
5、填料塔附属高度的计算14
6、液体分布器的简要设计15
6.1液体分布器的选型15
6.2分布点密度及布液孔数的计算16
6.3塔底液体保持管高度的计算17
7、其它附属塔内件的选择18
7.1填料支撑板.18
7.2填料压紧装置与床层限制板.18
7.3气体进出口装置与排液装置18
8、流体力学参数计算19
8.1填料层压力降的计算19
9、吸收塔主要接管的尺寸计算20
9.1液体进料接管21
9.2气体进料接管21
9.3吸收剂输送管路直径及流速计算21
10、离心泵的计算与选择22
四、工艺设计计算结果汇总与主要符号说明24
1、填料塔工艺尺寸计算结果表：
24
2、流体力学参数计算结果汇总：
25
3、附属设备计算结果汇总：
26
4、所用DN38聚丙烯塑料阶梯环填料主要性能参数汇总：
5、主要符号说明：
27
五、设计方案讨论29
30
29
六、心得体会附录.
附录
（一）水的物性数据表30
附录
（二）塔径与填料公称直径的比值D/d的推荐值31
附录（三）贝恩（Bain）--霍根（Houge®
关联式中的A、K值31
附录（五）IS型单级单吸离心泵性能表（摘录）32
参考文献33
'
、前言
1、吸收技术概况
化学工业中的废气二氧化硫主要来自化石燃料的燃烧、含硫矿石的冶炼、硫
酸、磷肥等生产的工业废气。
二氧化硫是化工生产中极为重要的生产原料，其强烈的刺激性气味对于人体健康和大气环境都会造成破坏和污染，必须进行净化回收，具经济价值的规模应充分回收利用，避免硫资源浪费和造成大气污染，危害人类生存发展。
吸收是气体混合物分离方法之一，它是根据混合物中各组分在某一种溶剂中溶解度不同而达到分离的目的的单元操作。
工业吸收操作是在吸收塔内进行的。
在吸收操作中，通常将混合气体中能够溶解于溶剂中的组分称为溶质或吸收质，以A表示；
而不溶或微溶的组分称为载体或惰性气体，以B表示；
吸收所用的溶剂称为吸收剂，以S表示；
经吸收后得到的溶液称为吸收液；
被吸收后排出吸收塔的气体称为吸收尾气。
吸收就是吸收质从气相转入液相的过程⑴。
吸收过程通常在吸收塔中进行。
根据气、液两相的流动方向，分为逆流操作
和并流操作两类，工业生产中以逆流操作为主，吸收剂以塔顶加入自上向下流动，与从下向上流动的气体接触，吸收了吸收质的液体从塔底排出，净化后的气体从塔顶排出。
其操作示意图如下图所示:
吸收尾气（B+微量的A）
混合气体（A+B）
吸收液（A+S）
□1•气铀口
□卜液体人口
□瑚粉布装置
□朋瓷
□
□曲体酚楠
□74A
□mas
□mxn
□id磧体岀口
2、吸收在工业生产中的应用
1）、有用组分的回收：
如用硫酸处理焦炉气以回收其中的二氧化硫，用气
丙烯
油处理焦炉气以回收其中的芳烃，用液态烃处理裂解气以回收其中的乙烯、等。
原料气的净化。
例如用水和碱液脱除合成二氧化硫原料气中的
用丙酮脱除裂解气中的乙炔等。
3）某些产品的制取。
例如用水吸收二氧化氮以制造硝酸，用水吸收氯化氢以制备盐酸，用水吸收甲醛以制备福尔马林溶液等。
4）废气的治理。
例如：
电厂的锅炉尾气含二氧化硫。
硝酸生产尾气含一氧化氮等有害气体，均须用吸收方法除去。
3、吸收设备
吸收操作主要在填料塔和板式塔中进行，几种常用的吸收塔有填料塔、湍球塔、板式塔等。
由于填料塔的基本特点是结构简单，压力降小，传质效率高，便于采用耐腐蚀材料制造，对于热敏性及容易发泡的物料，更显出其优越性，故填料塔的应用较为广泛。
填料塔由外壳、填料、填料支承、液体分布器、中间支承和再分布器、气体和液体进出口接管等部件组成，塔外壳多采用金属材料，也可用塑料制造。
填料是填料塔的核心，它提供了塔内气液两相的接触面，填料与塔的结构决定了塔的性能。
填料必须具备较大的比表面，有较高的空隙率、良好的润湿性、耐腐蚀、一定的机械强度、密度小、价格低廉等。
常用的填料有拉西环、鲍尔环、弧鞍形和矩鞍形填料。
二、设计方案
1、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：
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：
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[1]。
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。
表2-1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
（1）吸收容量对溶质分压不太敏感
压
（2）吸收热效应显着
（2）吸收热效应很小（近于等温）
（3）用低压蒸汽气提解吸
（3）常用降压闪蒸解吸
（4）适于溶质含量不咼，而净化度要求
（4）适于溶质含量咼，而净化度要求不
很高的场合
太高的场合
（5）对设备腐蚀性大，易变质
（5）对设备腐蚀性小，不易变质
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，采用水为吸收剂
2、吸收流程的选择
2.1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著的化学反应，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）发生显著的化学反应，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0.1），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著，这种吸收称为等温吸收[6]。
2.2吸收装置的流程
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蘅常数m植很小的情况，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[7]
3、吸收塔设备及填料的选择
3.1吸收塔设备
对于吸收过程，塔设备有多种，如何选择合适的类型是进行工业设计的首要工作。
而进行这一项工作则主要对吸收过程进行充分的研究后，并经过多方案对比方能得到较满意的结果。
一般而言，吸收用塔设备与精馏过程所需要的塔设备具有相同的原则要求，即用较小直径的塔设备完成规定的处理量，塔板或填料层阻力要小，具有良好的传质性能，具有合适的操作弹性，结构简单，造价低，易于制造、安装、操作和维修等。
但作为吸收过程，一般具有操作液气比大的特点，因而更适用于填料塔。
此外，填料塔阻力小，效率高，有利于过程节能，所以对于吸收过程来说，以采用填料塔居多。
但在液体流率很低难以充分润湿填料，或塔径过大，使用填料不很经济的情况下，以采用板式塔为宜。
本设计过程采用填料塔作为吸收设备。
3.2填料的选择
塔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因素，因此，塔填料的选择是填料塔设计的重要环节。
在选择塔填料时应考虑如下几个问题：
1比表面积要大比表面积a是指单位体积的填料层所具有的表面积，大的比表面积和良好的润湿性能有利于传质速率的提高。
2空隙率大空隙率&
是指单位体积的填料所具有的空隙体积，填料的空隙率大，气液通过的能力大，气体流动的阻力小，填料的空隙率一般在0.45-0.95范围。
3堆积密度小堆积密度P是指单位体积填料的质量，在机械强度允许的条
件下，填料壁要尽量减薄，以减小填料的堆积密度，从而既可降低成本又可增加
空隙率
4填料的几何形状填料的几何形状对填料的流体力学和传质性能有着重要的影响。
5填料的材质工业上，填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类，不同的材质适应于不同的操作条件。
该流程的操作压力及温度较低，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。
锥形翻边不仅增加了填料的机械强度，而且使填料表面由线接触为主变成以点接触为主，这样不但增加了填料间的空隙，同时成为液体沿填料表面流动的汇集分散点，可以促进液膜的表面更新，有利于传质效率的提高。
阶梯环的综合性能优于鲍尔环，成为目前所使用的环形填料中最为优良的一种。
其主要性能参数为：
2
比表面积=250m2形状修正系数=1.45填料因子
1
=173m1
4、吸收剂再生方法的选择
依据所用的吸收剂不同可以采用不同的再生方案，工业上常用的吸收剂再生方法主要有减压再生、加热再生及气提再生等。
A.减压再生（闪蒸）吸收剂的减压再生是最简单的吸收剂再生方法之一。
在吸收塔内，吸收了大量溶质后的吸收剂进入再生塔并减压，使得融入吸收剂中的溶质得以再生。
该方法最适用于加压吸收，而且吸收后的后续工艺处于常压或较低压力的条件，如吸收操作处于常压条件下进行，若采用减压再生，那么解吸操作需要在真空条件下进行，则过程可能不够经济
B.加热再生加热再生也是吸收剂再生最常用的方法。
吸收了大量溶质后的吸收剂进入再生塔内并加热使其升温，溶入吸收剂中的溶质得以解吸。
由于再生温度必须高于吸收温度，因而，该方法最适用于常温吸收或在接近于常温的吸收操作，否则，若吸收温度较高，则再生温度必然更高，从而，需要消耗更高品位的能量。
一般采用水蒸气作为加热介质，加热方法可依据具体情况采用直接蒸汽加热或采用间接蒸汽加热。
5、操作参数的选择
5.1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30C。
5.2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lOOKPa
三、吸收塔工艺条件的计算
1、基础物性数据
1.1液相物性数据
对于低浓度的吸收过程，溶液的物性数据可以近似取纯水的物性数据查得30C时水的有关物性数据如下：
密度pL=995.7（kg/m3）
粘度卩L=0.8004（Pa.S）
表面张力SL=71.2（dyn/cm）=927067（kg/h2）
SO在水中的扩散系数D=2.2x10-9（m2/s）=7.92x10-6（m2/h）
1.2气相物性数据
混合气体的平均摩尔质量为
Mm=0.09x64.06+0.91x29=32.16g/mol
MP32.161003
混合气体的平均密度为V1.28kg/m
RT8.314（273.1530）
混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册的30C。
空气的粘度为
v1.8610（Pas）0.06696kg/（m/hh）
30C时SO在水中的扩散系数DG=2.2x10-9（m2/s）=7.92x10-6（m2/h）
1.3气液两相平衡时的数据
常压下30CSO2在水中的亨利系数为
E4.85103KPa
相平衡常数为
3
E4.8510m-
p100
48.5
溶解度系数为
EMs
4.8510318.020.011kmOl/kpam
2、物料衡算
因为公式V（Y1-Y2）=L（X1-X2）无论是低浓度吸收还是高浓度吸收均适用，故物料衡算利用此式。
进塔气相摩尔比为
Y1』乞0^0.0989
1y110.09
出塔气相摩尔比为
Y2Y1（1a）0.0989（10.95）0.00495
进塔惰性气相流量为
僭举耳0.09）
22.4303.15101.325
36.13kmol/h
该吸收过程属于低浓度吸收，平衡曲线可近似为直线，最小液气比可按下式
计算，即
min
¥
/mX2
L0.09890.00495
—46.07
Vmin0.0989/48.50
取操作液气比
L1.2（t）min1.2460755..28
L=55.28X36.13=1997.26（Kmol/h）
V（Y丫2）LyX2）
X!
^（丫__丫2+烬&
制啪点张-册陷籲加葩血+0=0.0017L5044.94
3、填料塔的工艺尺寸计算
3.1塔径的计算
考虑到填料塔内部的压力降，塔的操作压力为100KPa
33
混合气体的密度
PM1001032.1610,,3
1.28kg/m
RT8.315（273.1530）
液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即
Wl=LXM=1997.26X18.02=35990.6kg/h
气相质量流量为
WV=1000X1.28=1280kg/h
°
.50.5
Eckert
通用关联图的横坐标为：
WlV
35990.6
1.28
1.008
1280
995.7
Wvl
查图得:
UfFV0.2
UL
0.022
gl
u
Uf
本次设计选用塑料阶梯环类型填料。
对于散装填料，泛点率的经验值为
05〜085
，泛点率的选择，对于加压操作，选择较高的泛点率，减压操作
D
41000
\3.140.6553600
选择较低的泛点率，此处取u0.65uF0.651.0070.655m/s
0.735m
圆整后取D=0.8（m）=800（mm）
3.2泛点率校核和填料规格
泛点率校核
0.553m/s
Lwmin0.08m/mh
查《化工原理（表3.6常用散装填料的特性参数）》得
2,3
a132.5m/m
NOG
ln[（1
S）Y
S]
10.8774"
[（1
0.8774）
0.098900.8774]
0.004950
9.805
故满足最小喷淋密度的要求.
经以上校核可知，填料塔直径选用D=800mr合理
4、填料层高度计算
4.1传质单元数的计算
Y1*mX148.50.00170.08245
Y2*mX20
4.2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
22
awC、0.75,Ul、0.1,Ulat、0.05,Ul、0.2、
1exp{1.45（）（-）
（2）（-）}
atlatllgllat
0.6018
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