吸收塔化工原理课程设计.pdf

化工原理课程设计 -水吸收二氧化硫过程填料吸收塔设计说明书 学 院：班 级：姓 名：学 号：指导教师：设计时间:化工原理课程设计任务书(2)一、设计题目 水吸收二氧化硫过程填料吸收塔设计 二、设计任务及操作条件 1、设计任务 生产能力（入塔炉气流量）2500 m3h 二氧化硫吸收率 96%入塔炉气组成(含二氧化硫)（摩尔分率）2、操作条件 入塔炉气温度 25 洗涤除去二氧化硫的清水温度 20 操作压强 常压 吸收温度 基本不变,可近似取为清水的温度 3、填料类型 阶梯环填料,填料规格自选 4、厂 址 齐齐哈尔地区 三、设计内容 1、设计方案的选择及流程说明 2、吸收塔的物料衡算 3、吸收塔工艺尺寸计算 4、填料层压降的计算 5、液体分布器简要设计 6、填料吸收塔装配图(1 号图纸)7、设计评述 8、参考资料 目录 1 绪论 1 吸收技术概况 1 吸收设备的发展 1 2 设计方案的确定 2 方案的确定 2 流程的确定2 3 填料选择 2 4 吸收塔的工艺计算 2 基础物性数据2 4.1.1 液相物性数据 2 4.1.2 气相物性数据 2 4.1.3 气液相平衡数据 3 物料衡算 3 填料塔的工艺尺寸计算4 4.3.1塔径的计算4 4.3.2传质单元高设计 7 4.3.3传质单元数的计算 7 4.3.4填料层高度9 填料层压降10 5 填料塔的附属结构11 液体分布器简要置11 液体再分配置11 填料支撑结构12 5.3.1 填料支撑结构应满足三个基本条件12 5.3.2 较常用的支撑结构12 6 结果汇表12 7符号说明 14 8参考文献 17 9设计心得 18 1 绪论 吸收技术概况 吸收操作利用气体混合物各组分在某种溶剂中溶解度不同而达到分离的目的。化工生产中，经常需将气体混合物中的各个组分加以分离。气体的吸收是用适当的液体吸收剂与气体混合物接触，吸收气体混合物中一个或几个组分，使其中的各组分得以分离的一种操作。在化工生产中它主要用于原料气的净化、有用组分的回收、制取气体的溶液作为成品以及废气的治理等方面，因此吸收操作是一种重要的分离方法，在化学工业中应用相当普遍。气体吸收是物质自气相到液相的转移，这是一种传质过程。混合气体中某一组分能否进入液相，既取决于气体中该组分的分压，也取决于溶液里该组分的平衡蒸汽压。如果混合气体中该气体的分压大于溶液中该组分的平衡蒸汽压，这个组分便可自气相转移到液相，即被吸收。转移的结果，溶液里这个组分的浓度便升高，它的平衡蒸汽压也随着升高，到最后，可以升高到等于它的气相中的分压，传质过程于是停止，这时称为气液两相达到平衡。反之，如果溶液中某一组分的平衡蒸汽压大于混合气体中该组分的分压，这个组分便要从溶液中释放出来。即从液相转移到气相，这种情况称为解吸。所以，根据两相的平衡关系可以判断传质过程的方向与极限。另外，传质速率与推动力成正比，与阻力成反比，两相的浓度距离平衡浓度越大，则传质的推动力越大，传质速率也越大。吸收操作的分析，应该从气液两相的平衡关系与传质速率关系着手，本章的许多公式和结论，正是在这个基础上得到的。吸收设备的发展 可用作吸收的设备种类很多，如填料塔、板式塔、喷洒塔和鼓泡塔等，工业上较多地使用填料塔。填料吸收塔的设计，在保证实现工艺指标的前提下，要求结构尺寸合理，价格低廉，动力消耗低，操作故障少，维修管理方便等，在整个设计过程中这些因素都要加以考虑。2 设计方案的确定 方案的确定 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。流程的确定 在吸收操作中，除了制取溶液产品等少数情况只需单独进行吸收之外，一般都需对吸收后的溶液予以解吸，使溶剂再生，以便循环使用，同时也得到有价值的溶质。这样，除了吸收塔之外，还需要与其他设备一起组成一个完整的流程。3.填料的选择 对于水吸收二氧化硫的过程,操作温度及压力较低，工业上通常采用塑料散装填料。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。4 吸收塔的工艺计算 基础物性数据 4.1.1 液体物料数据 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。由手册查的，20时水的有关物性数据如下：密度：3L998.2Kg/m=粘度：h)3.6Kg/(ms0.001PaL 表面张力：72.6dyn/cmL940896kg/h2 SO2在水中扩散系数为/hm105.29/scm101.47D2-62-5L 4.1.2气相物性数据 混合气体的平均摩尔质量为 10.312994.006.6406.0yiMiMVm 混合气体的平均密度 3/272.1298314.810.313.101mKgRTPMVmVm 混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得 20空气度为)(065.0.1081.15hmkgsPa 查手册得SO2在空气中的扩散系数为 220.108/0.039/vDcmsmh 4.气液相平衡数据 由手册差得，常压下 20时，SO2在水中的亨利常数为 kPaE31055.3 相平衡常数为 04.353.1011055.33PEm 溶解度系数为 ).(0156.002.181055.32.99833mkpakmolEHSL 物料衡算 进塔气相摩尔比为 Y10638.006.0106.0111yy 出塔气相摩尔比为 00255.0)96.01(0638.0)1(12AYY 进塔惰性气相流量为 hkmol11.96)06.01(252732734.222500V 该吸收过程属低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气量比可按下式计算，即 12min12()/YYLVYmX 对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为 20X 64.33004.35/6380.025500.06380.0)(minVL 取操作液气比为：min)(4.1VLVL 7.10464.334.1VL hkmolL/526.7846.1197.104 1212()()V YYL XX 0.00134526.780.00255)-3896.11(0.06L-VXYYX2211 填料塔的工艺尺寸计算 4.3.1 塔径计算 采用 Eckert 通过关联图计算泛点气速 气相质量流量为 3180kg/h1.2722500wV 液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即/h81572.58kg18.024526.78wL Eckert 通过关联图的横坐标为 169.0)2.998722.1(31801572.588)(5.05.0LVVLww 查图 823 得 023.02.02LLVFFg 查表 511 填料类型 填料因子,1/m DN16 DN25 DN38 DN50 DN76 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 瓷距鞍 1100 550 200 226 瓷拉西环 1300 832 600 410 得：-1F170m smgULVFLF/210.11722.111702.99881.9023.0023.02.02.0 取0.715m/s1.0210.70.7u uF 由112.1157.014.33600/250044uVDs 圆整塔径，取1.2mD 泛点率校核：smDVuS/61.02.114.33600/25004422%.7559%100210.161.0Fuu(在允许的范围内)附录五 填料规格校核：858.31381200dD 液体喷淋密度校核：取最小润湿速率为 h/m0.08m)(L3minW 查附录五 得：32t/m132.5ma h/m10.6m132.50.08)(23minmintwaLU 填料类型 公称直径mm 外径高厚/mm 比表面积m2/m3 空隙率 个数m-2 堆积密度kg/m3 干填料因子m-1 塑料阶梯环 25 25 228 90%81500 312 38 381910 91%27200 175 50 5025%10740 143 76 7638 90%3420 112 min229.2722.1785.02.998/8.5815724UUDwLL 经以上校核可知，填料塔直径选用1200mmD 合理。4.3.2 填料层高度计算 0.0456=0.001335.04=mX=Y1*1 0=mX=Y2*2 脱吸因数为 744.078.452611.9604.35LmVS 4.3.3 气相总传质单元数为 )1(11*22*21SYYYYSnSNOG 744.0000255.000638.0)744.01ln(744.011 =气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算 )()()()(45.1exp12.0205.0221.075.0tLLLLtLLtLLctwaUgUaUaa 查表 513 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，dyn/cm 56 61 73 33 40 75 20 得：2/427680/33hkgcmdync 液体质量通量为 )/(58.721622.1785.058.8157222hmkgUL 1.075.0)6.35.13258.72162()940896427680(45.1exp1twaa598.0)5.1329408962.99858.72162()1027.12.9985.13258.72162(2.0205.0822 气膜吸收系数由下式计算：)()()(237.0317.0RTDaDaUkVtVVVVtVG 气体质量通量为：)/(99.27792.1785.0257.1250022hmkgUV )293314.8039.05.132()039.0272.1065.0()065.05.13299.2779(237.0317.0Gk )/(0314.02kPahmkmol 液膜吸收系数由下式计算：312132)()()(0095.0lLLLLLWLLgDaUk 31821632)2.9981027.16.3()1029.52.9986.3()6.35.132598.058.72162(0095.0 hm/122.1 由 1.1WGGakak，表 514 常见填料的形状系数 填料类型 球形 棒形 拉西环 弧鞍 开孔换 值 1 得：45.1 则 1.1WGGakak )/(01.9245.15.132598.00314.031.1kPahmkmol 4.0LWLakak hl/103.1545.15.132985.0221.14.0%50%75.59Fuu 由 akuuakGFG)5.0(5.91 4.1,akuuakLFL)5.0(6.21 2.2,得)(3.9602.901)5.09755.0(5.91 34.1kPahmkmolakG hlakL/104.75103.15)5.09755.0(6.21 2.2 则 aHkakaKLGG111 )/(751.1104.750156.013.960113kPahmkmol 由 aPKVaKVHGYOG m725.02.1785.03.101571.16.1192 由 5.5687.68725.0OGOGNHZ mZ6.965.56825.1 4.3.4 设计取填料层高度为 mZ7 由于mh6maxZ，故填料层分两段。其中一段为3000mm,另一段为4000mm。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 916.0)(5.0LVVL 查表 817 得，1116mP 纵坐标为 0052.012.99872.2181.9111659.02.022.02LLVPgu 查表 518 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 得：mPaZP/91.107 填料层压降为 PaP7.3755791.107 5 填料塔的附属结构 填料塔的设计中，除了正确的进行填料层本身的计算外，一些附属结构的设计也很重要，如果设计不良，容易造成气液分布不均，严重影响效率，或者由于附属构件（例如支撑板）阻力过大，影响塔的生产能力。液体分布器简要设置 多孔盘官式喷淋器适用于直径较大的的塔，盘管中心线的直径为塔径的倍.液体再分配装置 液体填料层向下流时往往有逐渐靠塔壁方向集中的趋势，使总的传质效率大为降低，因此每个一段距离必须设置液体再分配装置，以避免此现象发生。根据我组数据，我们选择截锥式再分配器，只需将截锥体焊（或搁置）在塔体中，用这种简单的结构，截锥上下任能全部放满填料，不占空间。截锥式再分配器如图（右上）填料支撑结构 5.3.1 填料支撑结构应满足三个基本条件 使气液能顺利通过，对于普通填料塔，支撑件上的流体通过的自由截面，应为塔截面的 50%以上，且应大于填料空隙率；此外，应考虑到装上调料后会将支撑板的自由截面堵去一些，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，增加压降，降低效率，甚至形成液泛；要有足够的强度承受填料重量，并考虑填料空隙中的持液重量，以及可能加于系统的压力波动、机械振动、温度波动等因素；要有一定的耐腐蚀性能。5.3.2 较常用的支撑结构 栅板，其由竖立扁钢条构成，结构简单，制造方便。栅板可以制成整块的或是分块的，由于我们计算的直径在900mm1200mm 之间，所以分成三块，是每块宽度在 300mm400mm 之间，以便通过塔的人孔装卸。6 结果汇总表 水(25)密度 998.2kg/3m 黏度 Pa s 表面张力 cm=9408962hkg S在水中的扩散系数 scm2510=hm2610 混合气体的平均摩尔质量 混合气体的平均密度 3mkg 空气粘度(25)(065.01084.15hmkgsPa SO2(25水中)亨利系数 kpa31055.3 相平衡常数 溶解度系数)(0156.03mkpakmol 进塔气相摩尔比 出塔气相摩尔比 进塔惰性气相流量 hkmol 最小液气比 出塔液相组成 进塔液相组成 0 进塔气相组成 出塔气相组成 0 气相质量流量为 3180Kg/h 液相质量流量 81572.58 Kg/h 液体密度校正系数 1 泛点填料因子 170m1 泛点气速 1.021 m/s 空塔气速 0.715 m/s 塔径 1.2m 最小润湿速率 hmm3 填料的比表面积 32mm 最小喷淋密度 hmm23 液体喷淋密度 hmm23 脱吸因数 气相总传质单元数 气相总传质单元高度 0.725m 聚丙稀表面张力 33dyncm=427680kgh2 液体质量通量(h)气体质量通量(h)气膜吸收系数(hkPa)液膜吸收系数 0.916 mh 总体积传质系数 kmol/(m3kpah)塔高 7m 填料层压降 Pa 7 主要符号说明 符号 意义 单位 X 平衡时液相 SO2摩尔比 Y 气相 SO2摩尔比 y 气相 SO2摩尔分率 Lw 液体的质量流量 hkg Vw 气体的质量流量，hkg V 气体密度 3/kg m Z 填料层高度，m V 惰性气相流量 hkmol/SL 溶剂的摩尔流率 12smkmol Y 气相中溶质的比摩尔分率；X 液相中溶质的比摩尔分率。minU 最小喷淋密度 123hmm wL 润湿率 113hmm D 填料塔直径 m sV 气体的体积流量 13sm u 空塔气速 1sm fu 液泛气速 1sm g 重力加速度 281.9mNg Lk 液相传质系数 123/kmolms kmol m LD 溶质在液相中的传质系数 2/ms；符号 意义 单位 Gk 气相传质系数 12kmolms kPa T 气体温度 K DV 溶质在气体中的扩散系数 2/ms V 气体黏度 VG 气相质量流速 2/()kgms u 孔塔气速 m/s UV，UL 气体和液体的质量通量)(2hmkg,VL 气体和液体的密度 3/kg m LVDD,溶质在气体和液体中的扩散系数 sm/2 R 气体常数 8.314/()kJkmol K L 液体黏度 mPa s at 填料的总比表面积 32mm Wa 填料的润湿比表面积 32mm 填料因子 1m g 重力加速度 hmg81027.1 L 液体的表面张力 2hkg c 填料材质的临界表面张力 2hkg L 液体的质量流速 2/kg ms V 气体密度 3/kg m h 填料层高度 m 8 参考文献【1】杨长龙 编 化工原理课程设计【2】朱有庭 曲文海 于浦义编，化工设备设计手册下卷，化学工业出版社【3】方利国 董新法编著 化工制图 Auto CAD 实战教程与开发，化学工业出版社，2005【4】文艳 成斌编著 中文 Auto CAD 绘图基础，清华大学出版社，2006【5】涂晋林,吴志泉编.化学工艺中的吸收操作.华东理工大学出版社【6】匡国柱，史启才主编.化工单元过程及设备课程设计.化学工业出版社，2002 【7】陈敏恒，丛德滋，方图南,齐鸣斋编.化工原理(上下册).上海：化学工业出版社,2006【8】李功祥,陈兰英,崔英德编.常用化工单元设备设计.华南理工大学出版社，2003【9】化工设计全书 编辑委员会，金国淼等编，吸收设备，化学工 业 出版社【10】姚玉英主编:化工原理（下）M,天津：天津大学出版社【11】大连理工大学教研室编，化工原理课程设计M,大连：大连理工大学出版社，1994.【12】夏清主编化工原理（下）M,天津：天津大学出版社 2005.【13】齐齐哈尔大学化工原理教研室编，化工原理课程设计M【14】贾绍义，柴诚敬.化工原理课程设计M.天津：天津大学出版社，2002.9 设计心得 经过了两周的化工原理课程设计，我们终于完成了这次课程设计的要求，通过这次课程设计使我充分理解到化工原理课程的重要性和实用性，更特别是对填料原理及其操作各方面的了解和设计，对实际单元操作设计中所涉及的各方面要注意问题都有所了解。本次课程设计我们组设计的是填料塔，主要包括目录、绪论、设计方案、吸收塔的工艺计算等内容，主要通过上网搜集资料、查找统计文献、数据的整合计算、文字的筛选等部分组成，在此基础上形成了该课程设计的基础框架，最后加以总结整合，提出了相关设计方案，具体内容在课程设计各章节均有所体现。在课程设计中我学到了很多，通过这次对填料塔的设计，不仅让我将所学的知识应用到实际中，而且对知识也是一种巩固和提升充实。在老师和同学的帮助下，及时的按要求完成了设计任务，通过这次课程设计，使我获得了很多重要的知识，同时也提高了自己的实际动手和知识的灵活运用能力。尤其在团队合作中我们的互相交流和资源共享让我充分意识到团队合作的力量，对我今后的学习和生活有很大帮助。在这次的设计中，我还复习巩固了其他学科尤其是计算机方面如公式编辑器，CAD 电脑制图等,为将来的毕业设计打下了坚实基础。此次课程设计取得圆满成功让也令我信心增加了不少，在今后的学习和生活中我会加倍的努力，相信一定会有一个美好的未来！