化原課程設計--so2氣體吸收塔的設計

1、<p><b>　　化工原理課程設計</b></p><p>　　題目：SO2氣體吸收塔的設計 </p><p>　　系別：化學與環(huán)境工程學院 </p><p>　　專業(yè)：過程裝備與控制工程 </p><p>　　2015年 6 月 22 日

2、</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　一 設計任務書</b></p><p><b>　　二 設計方案簡介</b></p><p><b>　　三 工藝計算</b></p><p><b>

3、;　　一 設計任務書</b></p><p><b>　?。ㄒ唬┰O計題目</b></p><p>　　水吸收SO2過程填料吸收塔的設計：試設計一座填料吸收塔，用于脫除混合氣體(先冷卻)中的SO2，其余為惰性組分，采用清水進行吸收。</p><p><b>　?。ǘ┎僮鳁l件</b></p><

4、;p>　　（1）操作壓力 常壓 </p><p>　?。?）操作溫度 20℃</p><p><b>　　（三）設計內(nèi)容</b></p><p>　?。?）流程的選擇：本流程選擇逆流操作；</p><p>　?。?）工藝計算： 吸收劑量求取、 操作線方程式、 填料塔徑求取、填料層高度、 最小潤濕速度求取及潤濕速度的

5、選取、單位填料層壓降的求取、吸收塔高度等的計算；</p><p>　　（3）附件選型：液體分布，分布器及再分布器、支座等的選型；</p><p>　?。?）編寫設計說明書和設計結果一覽表，繪制填料塔的工藝條件圖。</p><p><b>　　二 設計方案簡介</b></p><p><b>　　2.1方案的確定

6、</b></p><p>　　2.1.1裝置流程的確定</p><p>　　本流程選擇逆流操作。</p><p>　　2.1.2吸收劑的選擇</p><p><b>　　吸收劑為清水</b></p><p>　　2.1.3操作溫度與壓力的確定</p><p>　

7、　（1）操作壓力 常壓 </p><p>　?。?）操作溫度 20℃</p><p>　　2.2填料的類型與選擇</p><p>　　對于水吸收SO2的過程，操作溫度及操作壓力較低，工業(yè)上通常選用塑料散裝填料。本流程選用N38塑料鮑爾環(huán)填料。</p><p><b>　　2.3設計步驟</b></p>&l

8、t;p>　　本課程設計從以下幾個方面的內(nèi)容來進行設計：</p><p>　?。?）吸收塔的物料衡算；</p><p>　?。?）填料塔的工藝尺寸計算；主要包括：塔徑，填料層高度，填料層壓降；</p><p>　?。?）設計液體分布器及輔助設備的選型；</p><p>　?。?）繪制有關吸收操作圖紙。</p><p&g

9、t;<b>　　三 工藝計算</b></p><p><b>　　3.1基礎物性數(shù)據(jù)</b></p><p>　　3.1.1 液相物性數(shù)據(jù) </p><p>　　20℃時水的有關物性數(shù)據(jù)如下： </p><p>　　密度為 ρL=998.2 kg/m3</p><p>　　粘

10、度為 µL=1.0050mPa·s</p><p>　　表面張力為σL=72.6×103 N/m</p><p>　　SO2在水中的擴散系數(shù)為 DL=147×10-9m2/s=5.29×10-6m2/h</p><p>　?。ㄒ繵ilke-Chang計算，查《化學工程基礎》）</p><p>

11、　　3.1.2 氣相物性數(shù)據(jù)</p><p>　　設進塔混合氣體溫度為20℃，</p><p>　　混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為 </p><p>　　MVm=ΣyiMi=0.04×64+0.96×29=30.4g/mol</p><p>　　混合氣體的平均密度為</p><p>　　ρVm===1.2

12、645kg/ m3</p><p>　　混合氣體的粘度可近似取為空氣的粘度，查化工原理得20℃空氣的粘度為 μV=1.81×105Pa·s</p><p>　　查手冊得SO2在空氣中的擴散系數(shù)為 DV=1.08×10-5m2/s=0.039 m2/h</p><p>　　3.1.3 氣液相平衡數(shù)據(jù)</p><p&g

13、t;　　由手冊查得，常壓下20℃時SO2在水中的亨利系數(shù)為 </p><p>　　E=3.55×103 kPa</p><p><b>　　相平衡常數(shù)為 </b></p><p>　　m=E/P=3.55×103/101.3=35.04</p><p><b>　　溶解度系數(shù)為</b&

14、gt;</p><p>　　H=ρ/EM=998.2/（3.55×103×18）=0.0156kmol/kN·m</p><p>　　3.1.4 物料衡算</p><p>　　（1）進塔混合氣中各組分的量</p><p>　　塔平均操作壓強為101.3kPa，故：</p><p>　　混合

15、氣量＝3000××=124.79 kmol/h </p><p>　　混合氣SO2中量＝124.78×0.04＝4.99 kmol/h＝4.99×64=319.44kg/h</p><p>　　設混合氣中惰性氣體為空氣，則混合氣中空氣量＝124.78-4.99＝119.79kmol/h＝119.79×29＝3473.88kg/h</p

16、><p>　?。?）混合氣進出塔的摩爾組成</p><p><b>　　y1=0.04</b></p><p><b>　　y2=0.0014</b></p><p>　?。?）混合氣進出塔摩爾比組成</p><p>　　進塔氣相摩爾比為Y1===0.04167</p&

17、gt;<p><b>　　出塔氣相摩爾比為</b></p><p>　　Y2===0.001401963</p><p><b>　　（4）出塔混合氣量</b></p><p>　　出塔混合氣量=119.79÷（1-0.0014）=119.96kmol/h</p><p>　

18、?。?）吸收劑（水）的用量L</p><p>　　該吸收過程屬低濃度吸收，平衡關系為直線，最小液氣比可按下式計算</p><p>　　對于純?nèi)軇┪者^程，進塔液相組成為X2=0</p><p>　　（）min==33.86</p><p><b>　　取操作液氣比為</b></p><p>&

19、lt;b>　　kmol/h</b></p><p>　　(6)塔底吸收液組成X1</p><p><b>　　(7)操作線方程</b></p><p><b>　　依操作線方程</b></p><p>　　3.2填料塔的工藝尺寸的計算</p><p>　　3

20、.2.1塔徑的計算</p><p>　　采用Eckert通用關聯(lián)圖計算泛點氣速。</p><p>　　氣相質(zhì)量流量為WV=3000×1.264=3792 kg/h</p><p>　　液相質(zhì)量流量可近似按純水的流量計算，即</p><p>　　WL=5678.53×18=102213.45 kg/h</p>

21、<p><b>　　其中：</b></p><p>　　ρL =992.2 kg/m3 </p><p>　　ρV =1.264 kg/m3</p><p>　　g = 9.81 m/s2 </p><p>　　µL=1.0050mPa·s</p><p>　?。?）

22、采用Ecekert通用關聯(lián)圖法計算泛點氣速uF。</p><p>　　通用填料塔泛點和壓降的通用關聯(lián)圖如下：</p><p>　　圖一填料塔泛點和壓降的通用關聯(lián)圖（引自《化工原理》）</p><p>　　圖中 u0——空塔氣速，m /s； φ——濕填料因子，簡稱填料因子，1 /m； ψ——水的密度和液體的密度之比； g——重力加速度，m /s2； ρV、ρL

23、——分別為氣體和液體的密度，kg /m3； WV、WL——分別為氣體和液體的質(zhì)量流量，kg /s。 此圖適用于亂堆的顆粒形填料，如拉西環(huán)、弧鞍形填料、矩鞍形填料、鮑爾環(huán)等，其上還繪制了整砌拉西環(huán)和弦柵填料兩種規(guī)整填料的泛點曲線。對于其他填料，尚無可靠的填料因子數(shù)據(jù)。</p><p>　　Eckert通用關聯(lián)圖的橫坐標為</p><p>　　查圖一查得縱坐標值為 </p>

24、<p>　　表一 散裝填料泛點填料因子平均值</p><p>　　（ 《化工原理課程設計》附錄十一）</p><p><b>　　查得：</b></p><p><b>　　m/s</b></p><p><b>　?。?）操作氣速</b></p>&

25、lt;p>　　由以下公式計算塔徑：（《化工原理課程設計》）</p><p>　　對于散裝填料，其泛點率的經(jīng)驗值為u/uF=0.5~0.85</p><p>　　取 u=0. 7uF=0.7×0.962=0.674m/s（3）塔徑</p><p>　　由圓整塔徑，取D=l.2m。 （4）泛點率校核： </p><p>　

26、?。ㄔ谠试S范圍內(nèi)）（5）填料規(guī)格校核： （6）液體噴淋密度校核： 取最小潤濕速率為 （Lw）min=0.08 m3/m·h查填料手冊得 塑料階梯環(huán)比表面積at=130m2/m3Umin=（Lw）minat=0.08×130=10.4m3/ m2·h經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用D=1200mm合理。</p><p>　　3.2.2填料層高度計算</p>

27、<p>　　(1)傳質(zhì)單元數(shù)NOG</p><p><b>　　解吸因數(shù)為:</b></p><p>　　氣相總傳質(zhì)單元數(shù)為:</p><p>　?。?）傳質(zhì)單元高度的計算</p><p>　　氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關聯(lián)式計算</p><p><b>　　查表二:

28、</b></p><p>　　常見材質(zhì)的臨界表面張力值</p><p>　　得 = 33 dyn/cm = 427680 kg/h2</p><p><b>　　液體質(zhì)量通量為:</b></p><p>　　氣膜吸收系數(shù)由下式計算：</p><p><b>　　氣體質(zhì)量通量為

29、:</b></p><p><b>　　氣體質(zhì)量通量:</b></p><p>　　液膜吸收系數(shù)由下式計算:</p><p><b>　　查表三:</b></p><p>　　常見填料塔的形狀系數(shù)</p><p>　　本設計填料類型為開孔環(huán) 所以 Ψ=1.45,則

30、</p><p><b>　　又因</b></p><p>　　u/uF=76.63﹪＞50﹪</p><p>　　需要按下式進行校正，即</p><p><b>　　可得：</b></p><p><b>　　則</b></p><

31、p><b>　　由</b></p><p>　　（3）填料層高度的計算</p><p><b>　　由</b></p><p>　　根據(jù)設計經(jīng)驗，填料層的設計高度一般為 Z′＝(1.2~1.5)Z (4-19)式中 Z′——設計時的填料高度，m； Z ——工藝計算得到的填料層高度，m。</

32、p><p><b>　　得:</b></p><p>　　= 1.25×4.76= 5.95 m </p><p>　　設計取填料層高度為 </p><p><b>　　查：</b></p><p>　　表四 散裝填料分段高度推薦值</p&g

33、t;<p>　　對于鮑爾環(huán)填料， ， </p><p><b>　?。ǚ弦螅?lt;/b></p><p>　　故不需分段，填料層高度為6m。</p><p>　　3.2.3填料層壓降計算</p><p>　　采用Eckert通用關聯(lián)圖計算填料層壓降。</p><p><b>

34、;　　橫坐標為: </b></p><p>　　表五 散裝填料壓降填料因子平均值</p><p>　　查表得，Φp =114 m-1</p><p><b>　　縱坐標為:</b></p><p>　　查Eckert通用關聯(lián)圖得: △P/Z = 90.55Pa/m</p><p>　　

35、填料層壓降為: △P=90.55×6=543.3Pa</p><p>　　四、輔助設備的計算及選型</p><p><b>　　1. 除霧沫器</b></p><p>　　穿過填料層的氣體有時會夾帶液體和霧滴，因此需在塔頂氣體排出口前設置除沫器，以盡量除去氣體中被夾帶的液體霧沫，SO2溶于水中易于產(chǎn)生泡沫為了防止泡沫隨出氣管排出，影響

36、吸收效率，采用除沫裝置，根據(jù)除沫裝置類型的使用范圍，該填料塔選取絲網(wǎng)除沫器。</p><p>　　絲網(wǎng)除霧沫器：一般取絲網(wǎng)厚度H=100~150 mm，氣體通過除沫器的壓降約為120~250pa。</p><p>　　通過絲網(wǎng)除沫器的最大速 </p><p>　　實際氣速為最大氣速的0.75~0.8倍 所以實際氣速u=0.75×2.3277=1.

37、75m/s</p><p>　　2.液體分布器簡要設計</p><p>　?。?） 液體分布器的選型</p><p>　　該吸收塔液相負荷較大，而氣相負荷相對較低，故選用槽式液體分布器。</p><p>　?。?）分布點密度計算</p><p>　　表六 Eckert的散裝填料塔分布點密度推薦值</p>

38、<p>　　按Eckert建議值，因該塔液相負荷較大，設計取噴淋點密度為120點/m2 。</p><p>　　布液點數(shù)為n=0.785×1.22×120=135.6≈136點</p><p>　　按分布點幾何均勻與流量均勻的原則，進行布點設計。</p><p>　　設計結果為：二級槽共設七道，在槽側面開孔，槽寬度為80mm ，槽高度為

39、210mm 。兩槽中心矩為 160mm 。</p><p>　　分布點采用三角形排列，實際設計布點數(shù)為 n=132點.</p><p>　　圖二 槽式液體分布器二級槽的布液點示意圖</p><p><b>　　（3）布液計算</b></p><p>　　由重力型液體分布器布液能力計算</p><p&g

40、t;<b>　　由</b></p><p>　　式中 Ls——液體流量，m3/s； n——開孔數(shù)目(分布點數(shù)目)； φ——孔流系數(shù)，通常取φ＝0.55～0.60； d0——孔徑，m ； △H——開孔上方的液位高度，m。 </p><p>　　取=0.60， =160mm,</p><p><

41、;b>　　則</b></p><p><b>　　設計取</b></p><p>　　液體分布器的安裝一般高于填料層表面150~300 mm (取決于操作彈性)，槽式分布器主槽分槽高度均取210mm，主槽寬度為塔徑的0.7~0.8，這里取塔徑的0.7，分槽寬度由液體量及停留時間確定，最低液位為50mm為宜，最高液位由操作彈性塔內(nèi)允許高度及造價確定，一

42、般為200 mm 左右。</p><p>　　2.液體再分布器----------升氣管式液體再分布器</p><p>　　在離填料頂面一定距離處，噴淋的液體便開始向塔壁偏流，然后沿塔壁下流，塔中心處填料的不到好的潤濕，形成所謂的“干錐體”的不正?，F(xiàn)象，減少了氣液兩相的有效接觸面積。因此每隔一定的距離設置液體再分布裝置，以克服此現(xiàn)象。</p><p>　　由于塔徑為

43、1100mm，因此可選用升氣管式再分布器，分布外徑1180mm，升氣管數(shù)8。</p><p><b>　　3 填料支承裝置</b></p><p>　　填料支承結構用于支承塔內(nèi)填料及其所持有的氣體和液體的重量之裝置。對填料的基本要求是：有足夠的強度以支承填料的重量;提供足夠的自由截面以使氣液兩相流體順利通過，防止在此產(chǎn)生液泛；有利于液體的再分布；耐腐蝕，易制造，易裝卸

44、等。常用填料支承板有柵板式和氣體噴射式。這里選用分塊梁式支承板。</p><p><b>　　4.填料限定裝置</b></p><p>　　為防止在上升氣流的作用下填料床層發(fā)生松動或者跳動，需在填料層上方設置填料壓緊裝置。</p><p>　　對于塑料散裝填料，本設計選用創(chuàng)層限制板。</p><p>　　3．氣體和液體的

45、進出口裝置</p><p>　?。?）氣體和液體的進出口直徑的計算</p><p><b>　　由公式 </b></p><p>　　Vs 為流體的體積流量，m3/s</p><p>　　u 為適宜的流體流速，m/s .</p><p>　　常壓氣體進出口管氣速可取10~20m/s；液體進出口速

46、度可取0.8~1.5 m/s（必要時可加大）。</p><p>　　選氣體流速為15 m/s 由VS=2000/3600=0.556 m3/s 代入上公式得d=217mm圓整之后，氣體進出口管徑為d=235mm</p><p>　　選液體流速為2.0 m/s，由VS=3784.07×18.02／（3600×997.1）=0.019m3/s 代入上公式得 d=110 mm

47、,圓整之后液體進出口管徑為d=120 mm</p><p>　?。?）底液出口管徑：選擇 d= 75 mm</p><p>　　（3）泵的選型由計算結果可以選用：IS100-80-125型的泵</p><p>　　（4）塔附屬高的確定</p><p>　　塔的附屬空間高度主要包括塔的上部空間高度，安裝液體分布器和液體再分度器所需的空間高度，塔

48、的底部空間高度以及塔的群坐高度。塔的上部空間高度是指塔填料層以上，應有一足夠的空間高度，以使隨氣流攜帶的液滴能夠從氣相中分離出來，該高度一般取1.2-1.5。安裝液體再分布器所需的塔空間高度依據(jù)所用分布器的形式而定一般需要1-1.5m的高度。</p><p>　　塔的底部空間高度是指塔底最下一塊塔板到塔底封頭之間的垂直距離。該空間高度含釜液所占的高度及釜液面上方的氣液分離高度的兩部分。釜液所占空間高度的確定是依據(jù)

49、塔的釜液流量以及釜液在塔內(nèi)的停留時間確定出空間容積，然后根據(jù)該容積和塔徑計算出塔釜所占的空間高度。</p><p>　　塔底液相液相停留時間按1min考慮，則塔釜液所占空間為</p><p>　　考慮到氣相接管所占的空間高度，底部空間高度可取1.5米，所以塔的附屬空間高度可以取3.7米。</p><p><b>　?。?）人孔</b></

50、p><p><b>　　五、設計結果匯總</b></p><p><b>　　六、工藝流程圖</b></p><p>　　下圖是本設計的工藝流程簡圖</p><p><b>　　圖二 工藝流程簡圖</b></p><p><b>　　七、課程設計總

51、結</b></p><p>　　本次課程設計是在生產(chǎn)實習后進行的，是對化學工程的過程設計及設備的選擇的一個深層次的鍛煉，也是對實際操作的一個加深理解。</p><p>　　在設計過程中遇到的問題主要有：（1）未知條件的選??；(2)文獻檢索的能力；（3）對吸收過程的理解和計算理論的運用；（4）對實際操作過程中設備的選擇和條件的最優(yōu)化；（5）對工藝流程圖的理解以及繪制簡單的流程圖和

52、設備結構；（6）還有一些其他的問題，例如計算的準確度等等。</p><p>　　當然，在本次設計中也為自己再次重新的復習化工這門學科提供了一個動力，對化工設計過程中所遇到的問題也有了一個更深的理解。理論和實際的結合也是本次設計的重點，為日后從事相關工作打下了一定的基礎。</p><p>　　最后，深感要完成一個設計是相當艱巨的一個任務，如何細節(jié)的出錯都有可能造成實際操作中的經(jīng)濟損失甚至生命

53、安全。</p><p><b>　　八、主要符號說明</b></p><p>　　at——填料的總比表面積，m2/m3</p><p>　　aW——填料的潤濕比表面積，m2/m3</p><p>　　d——填料直徑，m；</p><p><b>　　D——塔徑，m；</b>&

54、lt;/p><p>　　DL——液體擴散系數(shù)，m2/s；</p><p>　　Dv——氣體擴散系數(shù)，m2/s ； </p><p>　　ev——液沫夾帶量,kg(液)/kg(氣)； </p><p>　　g——重力加速度，9.81 m/s2 ； </p><p>　　h——填料層分段高度，m； </p>&l

55、t;p>　　HETP關聯(lián)式常數(shù)； </p><p>　　hmax——允許的最大填料層高度，m； </p><p>　　HB——塔底空間高度，m； </p><p>　　HD——塔頂空間高度，m； </p><p>　　HOG——氣相總傳質(zhì)單元高度，m； </p><p>　　kG——氣膜吸收系數(shù)，kmol/(m2

56、·s·kPa)； </p><p>　　kL——液膜吸收系數(shù)，m/s； </p><p>　　KG——氣相總吸收系數(shù)，kmol/(m2·s·kPa)； </p><p>　　Lb——液體體積流量，m3/h； </p><p>　　LS——液體體積流量，m3/s； </p><p>

57、;　　LW——潤濕速率，m3/(m·s)； </p><p>　　m——相平衡常數(shù)，無因次； </p><p><b>　　n——篩孔數(shù)目； </b></p><p>　　NOG——氣相總傳質(zhì)單元數(shù)； </p><p>　　P——操作壓力，Pa； </p><p>　　△P——壓力降，P

58、a； </p><p>　　u——空塔氣速，m/s； </p><p>　　uF——泛點氣速，m/s</p><p>　　u0.min——漏液點氣速，m/s； </p><p>　　u′0——液體通過降液管底隙的速度，m/s； </p><p>　　U——液體噴淋密度，m3/(m2·h)</p>

59、<p>　　UL——液體質(zhì)量通量，kg/(m2·h)</p><p>　　Umin——最小液體噴淋密度，m3/(m2·h)</p><p>　　Uv——氣體質(zhì)量通量，kg/(m2·h)</p><p>　　Vh——氣體體積流量，m3/h； </p><p>　　VS——氣體體積流量，kg/s； <

60、;/p><p>　　wL——液體質(zhì)量流量，kg/s； </p><p>　　wV——氣體質(zhì)量流量，kg/s； </p><p>　　x——液相摩爾分數(shù)； </p><p><b>　　X——液相摩爾比Z</b></p><p>　　y——氣相摩爾分數(shù)； </p><p>　　Y

61、——氣相摩爾比； </p><p>　　Z——板式塔的有效高度，m； </p><p><b>　　填料層高度，m。 </b></p><p><b>　　希臘字母</b></p><p>　　ε——空隙率，無因次； </p><p>　　μ——粘度，Pa·s；

62、</p><p>　　ρ——密度，kg/m3； </p><p>　　σ——表面張力，N/m； </p><p>　　φ——開孔率或孔流系數(shù)，無因次； </p><p>　　Φ——填料因子，l/m； </p><p>　　ψ——液體密度校正系數(shù)，無因次。 </p><p><b>　　

63、下標 </b></p><p>　　max——最大的； </p><p>　　min——最小的； </p><p><b>　　L——液相的； </b></p><p><b>　　V——氣相的。 </b></p><p><b>　　九、參考文獻&l

64、t;/b></p><p>　　1. 武漢大學,《化學工程基礎》，高等教育出版社,2001.</p><p>　　2. 馬江權，《化工原理課程設計》（第二版）， 江蘇工業(yè)學院，2007.</p><p>　　3. 眶國柱,史啟才,《化工單元過程及設備課程設計》，北京：化學工業(yè)出版社，2002.</p><p>　　4. 賈紹義

65、，柴誠敬,《化工原理課程設計》,天津大學出版社, 2002.</p><p>　　5. 涂偉萍，陳佩珍，程達芳, 《化工過程及設備設計》, 北京：化學工業(yè)</p><p><b>　　出版社,2000.</b></p><p>　　6. 楊祖榮，劉麗英，劉偉,《化工原理》,北京： 化學工業(yè)出版社, 2004.</p><p&