中北大学化工学院2007-2008年度第一学期课程设计(水吸收二氧化硫填料塔设计)

5目录（一）设计方案简介……………………………………………61方案的的确定………………………………………………72填料的类型与选择…………………………………………73设计步骤…………………………………………………7（二）工艺计算…………………………………………………71．基础物性数据……………………………………………7（1）液相物性数据………………………………………7(2）气相物性数据……………………………………7（3）气液相平衡数据…………………………………8（4）物料衡算……………………………………………82．填料塔的工艺尺寸的计算（1）塔径的计算…………………………………………9（2）填料层高度计算……………………………………103．填料层压降计算………………………………………12(三)辅助设备的计算及选型……………………………………13(四)设计结果汇总……………………………………………15（五）工艺流程图…………………………………………………15（六）对设计过程的评述和有关问题的讨论……………………16（七）课程设计心得………………………………………………16（八）参考文献……………………………………………………17（九）主要符号说明………………………………………………176（一）设计方案简介一．方案的的确定1.装置流程的确定：用水吸收二氧化硫属高溶解度的吸收过程，为提高传质效率和分离效率，所以，本实验选用逆流吸收流程。2.吸收剂的选择吸收剂对溶质的组分要有良好地吸收能力，而对混合气体中的其他组分不吸收，且挥发度要低。根据本设计要求，选择用清水作吸收剂，且二氧化硫不作为产品，故采用纯溶剂。3.操作温度与压力的确定操作温度：35℃操作压力：常压二、填料的类型与选择在化学工业中，经常需要将气体混合物中的各个组分加以分离，其主要目的是回收气体混合物中的有用物质，以制取产品，或除去工艺气体中的有害成分，使气体净化，以便进一步加工处理，或除去工业放空尾气中的有害成分，以免污染空气。吸收操作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。二氧化硫有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，因此，为了避免化学工业产生的大量的含有二氧化硫的工业尾气直接排入大气而造成空气污染，需要采用一定方法对于工业尾气中的二氧化硫进行吸收，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吸收的方法来净化含有二氧化硫的工业尾气，使其达到排放标准。设计采用填料塔进行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，从而使吸收过程易于进行，而且，填料塔还具有结构简单、压降低、填料易用耐腐蚀材料制造等优点，从而可以使吸收操作过程节省大量人力和物力。本方案选用聚丙烯阶梯环作为填料设计填料塔填料的选择包括确定填料的种类，规格及材料。填料的种类主要从传质效率，通量，填料层的压降来考虑，填料规格的选择常要符合填料的塔径与填料公称直径比值D/d。填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。根据本设计的要求，选择用陶瓷散装填料。在陶瓷散装填料中，陶瓷阶梯环填料的综合性能较好，故选用DN50聚丙烯阶梯环填料。填料类型公称直径DN/mm外径×高×厚d×h×比表面积a（m2/m3）空隙率/%个数n/m-3堆积密度/（kg/m3）干填料因子/m-1陶瓷阶梯环5050×25×.5108.878.790915162237三、设计步骤a)查询物性数据b)物料衡算和能量c)确定吸收剂最小用量d)操作气速u=nuF(n=0.5~0.85)e)计算填料塔径Df)校核操作气速unuF，反之调整n值重复第四步操作g)校核Umin吸收剂用量，反之则调整塔径Dh)确定填料层高度Zi)填料层压降的计算j)辅助设备设计（二）工艺计算1．基础物性数据（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，35℃水的有关物性数据如下：密度为ρL=99567kg/m3粘度为μL=0.7975×10—3Pa·S=2.87kg/（m·h）表面张力为σL=72.6dyn/cm=940896kg/h2SO2在水中的扩散系数为DL=1.47×109m2/s（2）气相物性数据混合气体的平均摩尔质量为Mvm=0.05×64＋0.95×29=30.75混合气体的平均密度为ρvm=30.7522.4=1.373kg/m3混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得35℃空气的粘度为μv=1.9×10-5Pa·S=0.065kg/(m·h)查手册得NH3在空气中的扩散系数为Dv=0.103cm2/s=0.037m2/h（3）气相平衡数据35℃时SO2在水中的溶解度系数为H=0.725kmol/(m3·kPa)常压下35℃时SO2在水中的亨利系数为E=5.67MPa相平衡常数为8m=EP=5.67a101.3MPKPa=56（4）物料衡算进入吸收塔气体流率Vm=24001.37330.75=107.2Kmol／h进口混合气SO2流率=107.2×0.05=5.36Kmol／h被吸收的SO2=5.36×0.96=5.15Kmol／h出口处SO2含量5.36－5.15=0.21Kmol／h空气流量107.2Kmol／h－5.36Kmol／h=101.84Kmol／h进塔气相摩尔比为Y1=5.36101.84=0.05出塔气相摩尔比为Y2=0.21101.84=0.00206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，即LVmin=1212YYYXm对纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为X2=0LVmin=0.050.002060.05056=53.7取操作液气比为LV=1.2LVmin=1.2×53.7=64.4L=64.4×107.2=6903kmol/hV(Y1-Y2)=L(X1-X2)X1=122VYYXL=0.000742．填料塔的工艺尺寸的计算（1）塔径计算气相质量流量为wv=2400×1.373=3295.2㎏/h9液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即WL=6903×18.02=124266㎏/h用贝恩—霍根关联式计算泛点气速：㏒10[20.23fGLLuag=A－1.751148mLmGqqGL查附录得空隙率=0.787A=0.2943L液体粘度计算得uF=2.1m/s取u=0.8uF=0.8×2.1=1.68m/s由D=4sV=4107.230.723.141.6836001.373=1.17m圆整塔径，取D=1.2m泛点率校核：u=24sVD=1.5m/sfuu=1.52.1=71.4%(在允许范围内)在50℅～80℅内填料规格校核：PDD=120050=248液体喷淋密度校核：Umin=at（LW）min取最小润湿速度为（Lw）min=2.2×10—5m3/(m·s)=0.08m3/(m·h)查常用散装填料的特性参数表，得at=108.8m2/m3Umin=（Lw）minat=108.8×2.2×10—5×3600=8.6m3/m2·hU=24VQD=9.96＞Umin经以上校核可知，填料塔直径选用D=1200mm是合理的。10（2）填料层高度计算Y1*=mX1=56×0.00074=0.0351=0.04144Y2*=mX2=0脱吸因数为S=0.669气相总传质单元数为12*YYOGYYdYN=13.517气相总传单元高度采用修正的思田关联式计算：0.7131.10.237GGGGGGGWaDkaDRTLLLWuHka11GGLKHKK111LGLKHKK查表得c=33dyn/cm=427680kg/h2液体质量通量为UL=24LQD=9937.70kg/(m2·h)气膜吸收系数由下式计算KG=0.2370.7131.1GGGGGGWaDaDRT气体质量通量为Uv=24GQD0.7131.10.237GGGGGGGWaDkaDRT11常见填料的形状系数填料类型球形棒形拉西环弧鞍开孔环值0.720.7511.191.45液膜吸收系数有下式计算：20.530.40.0095LLLLLLLLWgkaD20.530.40.0095LLLLLLLWgaD=.0553由kGα=kGαwψ1.1查表得ψ=1.45则kGα=0.1470.10.050.20.752221exp1.45cLLLLLLWWaWagaKLα=KLαwψ0.4=0.5530.10.050.20.752221exp1.45cLLLLLLWWaWaga由kˊGα=kGαw，KˊLα=KLαw则kˊGα=0.10.050.20.752221exp1.45cLLLGLLLWWaWKagaKLα=0.10.050.20.752221exp1.45cLLLLLLLWWaWKaga由OGyGHkam由Z=HoGNoG=0.342×13.517=4.623m，得Z`=1.25×4.623=5.779m设计取填料高度为Z=8m常见材质的临界表面张力材质碳瓷玻璃聚丙烯聚氯乙烯钢石蜡12表面张力56617333407520查表，对于阶梯填料，h／D=24H=HoGNoG=6000mm计算得填料层高度为6000mm,故不需要分段。3．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：0.5mLGmGLqXq纵坐标为：20.2GLLuYg查图得，0.5GLGLGG=98×9.81=961.38Pa/m填料层压降为△P=961.38×6=5768.28Pa4．液体分布器简要设计（1）液体分布器的选型该吸收塔的塔径为1200mm，因此，根据各种液体分布器的适用范围选取槽式分布器。（2）分布点密度计算按Eckert建议值，D≥1200时，喷淋点密度为60点/m2，所以，塔径为1200mm时，布液点数为：n=0.785×1.22×60=482.3≈383点按分布点几何均匀与流量均匀原则进行布点设计，设计结果为：二级槽工设15道，在槽面开孔，槽宽为80mm，两槽中心距为160mm，分布点采用三角形排列，实际设计布点数为380点。（3）布液计算：由2.52.36tanLVH13取φ=0.6H=160mm取30。（三）辅助设备的计算及选型1．填料支撑结构填料支承结构应满足3个基本条件：①使起液能顺利通过.设计时应取尽可能大的自由截面。②要有足够的强度承受填料的重量，并考虑填料孔隙中的持液重量。③要有一定的耐腐蚀性能。填料支承装置的作用是支承塔内的填料，常用的填料支承装置有如图片3-14所示的栅板型、孔管型、驼峰型等。支承装置的选择，主要的依据是塔径、填料种类及型号、塔体及填料的材质、气液流率等。本设计根据需要，选择孔管型支承装置。2．填料压紧装置填料上方安装压紧装置可防止在气流的作用下填料床层发生松动和跳动。填料压紧装置分为填料压板和床层限制板两大类，每类又有不同的型式，图片3-15中列出了几种常用的填料压紧装置。填料压板自由放置于填料层上端，靠自身重量将填料压紧。它适用于陶瓷、石墨等制成的易发生破碎的散装填料。床层限制板用于金属、塑料等制成的不易发生破