课程设计二氧化硫吸收塔

1一、课程设计任务书1.1、设计题目：设计一座填料吸收塔，用于脱除混合气体中的SO2，其余为惰性组分，采用清水进行吸收。1.2、工艺操作条件：(1)操作压力常压(2)操作温度：25℃表一工艺操作条件1.3、设计任务：（1）吸收方案和工艺流程的说明（2）填料吸收塔的工艺计算；（3）填料吸收塔设备设计;（4）制备工艺流程图、设备图；（5）编写设计说明书。二、设计方案的确定2.1、吸收剂的选择吸收塔或再生塔内气液相可以逆流操作也可以并流操作，由于逆流操作具有传质推动力大，分离效率高（具有多个理论级的分离能力）的显著优点而广泛应用。用水吸收SO2属中等溶解度的吸收过程，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填料的选择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，填料混合气体处理量m3/h2000混合气体SO2含量(体积分数)10%SO2的回收率不低于97%2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。对于水吸收S02的过程、操作、温度及操作压力较低，工业上通常选用所了散装填料。本设计中采用散装填料，工业常用的主要有选用DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等几种规格。同类填料，尺寸越小，分离效率越高，但阻力增加，通量减小，填料费用也增加很多。塑料填料具有质轻、价廉、耐冲击、不易破碎等优点，多用于吸收、解吸、萃取等装置。但其缺点是表面润湿性能差，在某些特殊场合，需要对其表面进行处理，以提高表面润湿性能。综合各点因素，在所了散装填料中，塑料阶梯环填料的综合性能较好，故此选用塑料阶梯环填料。表2填料尺寸与塔径的对应关系塔径/mm填料尺寸/mmD≤300300≤D≤900D≥90020～2525～3850～802.3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、装置的工艺计算：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依Wilke-Chang公式计算30.518r0.6()1.85910MTDV（1）其中：—溶剂的缔合参数，具体值为水2.6。Mr—溶剂的摩尔质量，kg/kmol；T—溶液的温度，K；—溶剂的粘度，Pa•s；V—溶质在正常沸点下的分子体积，cm3/mol；由正常沸点下的液体密度来计算。若缺乏此密度数据，则可采用Tyn-Calus方法估算：V=0.285Vc1.048（2）Vc为物质的临界体积，SO2临界体积为122.2cm3/mol。最终计算得SO2在水中的扩散系数为DL=1.724×10-9m2/s=6.206×10-6m2/h3.1.2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（3）混合气体的平均密度为ρVm=PM/RT（4）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)SO2在空气中的扩散系数DD0×(P0/P)×(T/T0)1.75（5）其中273K时，1.013×105Pa时SO2在空气中的扩散系数为1.22×10m2/s最终计算得278K，1.013×105Pa下SO2在空气中的扩散系数为DV=1.422×10-5m2/s=0.051m2/h3.1.3气液相平衡数据常压下25℃时SO2在水中的亨利系数为E=4.13×103kPa相平衡常数为4m=E/P=4.13×103/101.3=40.76（6）溶解度系数为H=ρ/EM=997.1/4.13×103×18.02=0.0134kmol/kPam3（7）3.1.4物料衡算本设计中取回收率η=98%，液气比L/G=1.2(L/G)min近似取塔平均操作压强为101.3kPa，故：混合气量V＝2000m3／h=81.80kmol/h混合气SO2中量V1＝2000×0.1＝200m3／h设混合气中惰性气体为空气，则混合气中空气量V2＝1800m3/h=73.62kmol/h(1)SO2进塔体积分数y1=0.1；出塔体积分数𝑦2=V1×(1−η)V−V1×η=200×0.022000−200×0.98=0.00222（8）(2)进塔气相摩尔比为111y0.10.111y10.1Y出塔气相摩尔比为Y2=Y1(1-η)=0.11(1-0.98)=0.0022(3)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(𝐿𝑉)min=𝑌1−𝑌2𝑌1𝑚−𝑋2=0.11−0.00220.1140.76=39.94（9）𝐿𝑉=1.2(𝐿𝑉)min=47.93𝐿=73.62×47.93=3528.61𝑘𝑚𝑜𝑙/h(6)塔底吸收液组成X1𝑉(𝑌1−𝑌2)=𝐿(𝑋1−𝑋2)5𝑋1=0.11−0.002247.93=0.00225（10）(7)操作线方程Y=(L/V)X+[Y2-(L/V)X2]（11）故操作线方程：Y=47.93X+0.00223.2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wG=2000×1.3287=2657.4kg/h液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即WL=3528.61×18.02=63585.55kg/h其中：ρL=997.1kg/m3ρV=1.3287kg/m3g=9.81m/s2=1.27×108m/h2WV=2657.4kg/hWL=63585.55kg/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；ρG、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𝑊𝐿𝑊𝑉×(𝜌𝑉𝜌𝐿)0.5=63585.552657.4×(1.3287997.1)0.5=0.8735查图一查得纵坐标值为𝑢𝐹2𝛷𝑔(𝜌𝑉𝜌𝐿)𝜇𝐿0.2=0.0257表三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—由于采用DN38聚丙烯阶梯环填料。故由表一可得填料因子1170Fm泛点气速𝑢𝐹=√0.025𝑔𝜌𝐿𝛷𝐹𝜓𝜌𝑉𝜇𝐿0.2=√0.025×9.81×997.1170×1×1.3287×0.89370.2=1.052𝑚/𝑠（12）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故操作气速u=0.7×1.052=0.736m/s气体的体积流量VS=2000/3600=0.556m3/s(2)塔径𝐷=√4𝑉𝑆𝜋𝑢=√4×0.5563.14×0.736=0.962m（13）圆整塔径，取D=l.0m。8(3)泛点率校核：𝑢=4𝑉𝑆𝜋𝐷2=4×0.5563.14×12=0.708𝑚/𝑠𝑢𝑢𝐹=0.7081.052=0.67(在允许的范围内)（4）填料规格校核：D/d=1000/38=26.328(5）液体喷淋密度校核：对于直径不超过75mm的散装填料，可取最小润湿速率（Lw）min=(2.2×10-5)m3/(m·s)=0.08m3/(m·h)对于直径大于75mm的散装填料，可取最小润湿速率（Lw）min=0.12m3/(m·h)所以，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/m3流体的最小体积通量Umin=（Lw）minat=0.08×132.5=10.6m3/m2·h（13）𝑈=63585.55/997.1𝜋4×12=81.23m3/(m2·h)Umin经以上校核可知，填料塔直径选用D=1000mm合理。3.2.2填料层高度计算(1)传质单元数NOGY1*=mX1=40.76×0.00225=0.09171Y2*=mX2=0解吸因数为:𝑆=𝑚𝑉𝐿=40.76×73.623528.61=0.850（14）气相总传质单元数为:9𝑁𝑂𝐺=11−𝑆ln[(1−𝑆)𝑌1−𝑌2∗𝑌2−𝑌2∗+𝑆]=11−0.850ln[(1−0.850)×0.11−00.0022−0+0.850)]=14.15（𝟏𝟓）（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（16）查表四表四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:𝑈𝐿=63585.55𝜋4×12=81000.70𝑘𝑔/(𝑚2ℎ)𝑎𝑤𝑎𝑡=1−exp{−1.45×(427680932731)0.75×(81000.70132.5×3.2173)0.1×(81000.702×132.5997.12×1.27×108)−0.05×(81000.702997.1×932731×132.5)0.2}=0.6225气膜吸收系数由下式计算：10.730.237VVtVGtVVVUaDkaDRT（17）气体质量通量为：𝑈𝑉=2000×1.3287𝜋4×12=3385.22𝑘𝑔/(𝑚2ℎ)𝑘𝐺=0.237×(3385.22132.5×0.066)0.7×(0.0661.3287×0.051)13⁄×132.5×0.0518.314×298=0.0415kmol/(𝑚2ℎ𝑘𝑃𝑎)10液膜吸收系数由下式计算:𝑘𝐿=0.0095(𝑈𝐿𝑎𝑤𝜇𝐿)23⁄(𝜇𝐿𝜌𝐿𝐷𝐿)−12⁄(𝜇𝐿𝑔𝜌𝐿)13⁄=0.0095×(81000.700.6225×132.5×3.2173)23⁄×(3.2173997.1×6.206×10−6)−0.5×(3.2173×1.27×108997.1)13=1.431𝑚/ℎ（18）表五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kGakGaw1.1=0.0415×𝟏𝟑𝟐.𝟓×𝟎.𝟔𝟐𝟐𝟓×𝟏.𝟒𝟓𝟏.𝟏=𝟓.𝟏𝟓𝟏𝟐𝒌𝒎𝒐𝒍/(𝑚2ℎ𝑘𝑃𝑎)（19）kLakLaw0.4=1.431×𝟏𝟑𝟐.𝟓×𝟎.𝟔𝟐𝟐𝟓×𝟏.𝟒𝟓𝟎.𝟒=