水吸收SO2过程填料吸收塔的设计

1一设计任务书（一）设计题目水吸收SO2过程填料吸收塔的设计：试设计一座填料吸收塔，用于脱除焙烧炉送出的混合气体(先冷却)中的SO2，其余为惰性组分，采用清水进行吸收。混合气体的处理量m3/h2200混合气体SO2含量（体积分数）10%SO2的回收率不低于97%吸收剂的用量与最小用量之比1.3（二）操作条件（1）操作压力常压（2）操作温度25℃（三）设计内容（1）吸收塔的物料衡算；（2）吸收塔的工艺尺寸计算；（3）填料层压降的计算；（4）液体分布器简要设计；（5）吸收塔接管尺寸计算；（6）绘制吸收塔设计条件图；（7）对设计过程的评述和有关问题的讨论。二设计方案简介2.1方案的确定用水吸收SO2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SO2不作为产品，故采用纯溶剂。2.2填料的类型与选择对于水吸收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。2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。锥形翻边不仅增加了填料的机械强度，而且使填料之间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。2.3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，填料层压降；（三）设计液体分布器及辅助设备的选型；（四）绘制有关吸收操作图纸。三、工艺计算3.1基础物性数据3.1.1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，25℃时水的有关物性数据如下：密度为ρL=997.1kg/m3粘度为μL=0.0008937Pa·s=3.2173kg/(m·h)表面张力为σL=71.97dyn/cm=932731kg/h2SO2在水中的扩散系数为DL=1.724×10-9m2/s=6.206×10-6m2/h（依Wilke-Chang0.518r0.6()1.85910MTDV计算，查《化学工程基础》）3.1.2气相物性数据设进塔混合气体温度为25℃，混合气体的平均摩尔质量为MVm=ΣyiMi=0.1×64.06+0.9×29=32.506g/mol混合气体的平均密度为3ρVm=PM/RT=101.325×32.506/（8.314×298.15）=1.3287kg/m3混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得25℃空气的粘度为μV=1.83×10-5Pa•s=0.066kg/(m•h)查手册得SO2在空气中的扩散系数为DV=1.422×10-5m2/s=0.051m2/h（依1.75000()PTDDPT计算，其中273K时，1.013×10-5Pa时SO2在空气中的扩散系数为1.22×10-5m2/s，查《化学工程基础》）3.1.3气液相平衡数据由手册查得，常压下25℃时SO2在水中的亨利系数为E=4.13×103kPa相平衡常数为m=E/P=4.13×103/101.3=40.76溶解度系数为H=ρ/EM=997.2/4.13×103×18.02=0.0134kmol/kPam33.1.4物料衡算(l).进塔混合气中各组分的量近似取塔平均操作压强为101.3kPa，故：混合气量＝2200×[273.15／(273.15+25)]×1／4=89.98kmol／h混合气SO2中量＝89.98×0.1＝8.998kmol／h＝8.998×64.06=596.211kg／h设混合气中惰性气体为空气，则混合气中空气量＝89.98-8.998＝80.982kmol／h＝80.982×29＝2348.478kg／h(2)．混合气进出塔的摩尔组成120.18.998(10.97)0.0033280.9828.998(10.97)yy4（3）混合气进出塔摩尔比组成进塔气相摩尔比为111y0.10.111y10.1Y出塔气相摩尔比为21(1)0.11(10.97)0.0033AYY（4）出塔混合气量出塔混合气量=80.982+8.998×0.03=83.6814kmol/h=2348.478+596.211×0.03=2366.36433kg/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12min12()YYLYVXm对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为X2=0min0.110.0033()39.540.11/40.760LV取操作液气比为min1.3()LLVV1.339.5451.40LVL=51.4×80.982=4162.4748kmol/h(6)塔底吸收液组成X11212()()VYYLXX180.982(0.110.0033)0.002084162.4748X(7)操作线方程依操作线方程224162.4748()0.003380.982LLYXYXXVV51.40.0033YX53.2填料塔的工艺尺寸的计算3.2.1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=2200×1.3287=2923.14kg/h液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即WL=4162.47×18.02=75007.7094kg/h其中：ρL=997.1kg/m3ρV=1.3287kg/m3g=9.81m/s2=1.27×108m/h2WV=2923.14kg/hWL=75007.7094kg/hμL=0.0008937Pa·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：图一填料塔泛点和压降的通用关联图（引自《化工原理》）6图中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0.50.5w75007.70941.3287()()0.9366w2923.14997.1VLVL7查图一查得纵坐标值为20.2u()0.022gVFLL表一散装填料泛点填料因子平均值填料类型填料因子，1/mDN16DN25DN38DN50DN76金属鲍尔环410—117160—金属环矩鞍—170150135120金属阶梯环——160140—塑料鲍尔环55028018414092塑料阶梯环—260170127—瓷矩鞍1100550200226—瓷拉西环1300832600410—（《化工原理课程设计》附录十一）查得：1170Fm0.20.20.0220.0229.81997.10.987/17011.32870.8937LFFVLgums（2）操作气速由以下公式计算塔径：（《化工原理课程设计》）4SVDu对于散装填料，其泛点率的经验值为u/uF=0.5~0.85取u=0.7uF=0.7×0.987=0.691m/s（3）塔径由442200/36001.0613.140.691SVDmu8圆整塔径，取D=1.1m。（4）泛点率校核：22200/36000.643/0.7851.1ums0.643100%65.15%(0.987Fuu在允许范围内）（5）填料规格校核：110028.94838Dd（6）液体喷淋密度校核：取最小润湿速率为（Lw）min=0.08m3/m·h查填料手册得塑料阶梯环比表面积at=132.5m2/m3Umin=（Lw）minat=0.08×132.5=10.6m3/m2·h32min2/997.279.18m/0.78575007.170914.UmhU经以上校核可知，填料塔直径选用D=1100mm合理。3.2.2填料层高度计算(1)传质单元数NOG1140.760.002080.08478YmX220YmX解吸因数为:40.7680.9820.7934162.4748mVSL气相总传质单元数为:912221ln[(1)]110.110ln[(10.793)0.793]9.85710.7930.00330OGYYNSSSYY（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0.10.20.750.052221exp1.45wCLtLLtLtLLLLtaUaUUaaga查表二: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/m56617333407520得C=33dyn/cm=427680kg/h2液体质量通量为:2275007.70978967.95/()0.7851.1LUkgmh气膜吸收系数由下式0.050.20.750.1222842768078967.9578967.95132.578967.951exp1.45932731132.53.2173997.11.2710997.1932731132.51.528wtaa计算气体质量通10.7323077.470.066132.50.0510.237132.50.0661.32870.0518.3142980.0386/()GkkmolmhkPa液膜吸收系数由下式计算:2222001.32873077.47/()0.7851.1VUkgmh10211323121833260.009578967.953.21733.21731.27100.00950.6047132.53.2173997.16.20610997.11.327/LLLLwLLLLUgkaDmh查表三: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0.720.7511.191.45本设计填料类型为开孔环所以Ψ=1.45,则1.11.130.0386132.50.60471.454.6542kmol/mkPaGGwkakah0.40.41.327132.50.60471.45123.36/LLwkakalh又因u/uF=65.15﹪＞50﹪需要按下式进行校正，即1.4'2.2'19.50.512.60.5GGFLLFukakauukakau可得：1.4'32.2'19.50.59270.54.65426.22kmol/mkPa12.60.59270.5123.36125.371/GLkahkalh则3''111.3227kmol/mkPa11116.220.0134125.371GGLKahkaHka11由280.9821.3227101.30.7851.10.636OGYGVVHKaKaPm（3）填料层高度的计算由0.6369.8576.26O