化原课程设计二氧化硫吸收塔..

化工原理课程设计题目：SO2气体吸收塔的设计系别：化学与环境工程学院专业：过程装备与控制工程姓名：杨天赐学号：122209104136指导老师：刘红娇2015年6月22日目录一设计任务书二设计方案简介三工艺计算一设计任务书（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/h3000入塔混合气含SO2（体积分数）4%出塔混合气含SO2（体积分数）0.14%平衡线方程15237.176676.66.xy（二）操作条件（1）操作压力常压（2）操作温度20℃（三）设计内容（1）流程的选择：本流程选择逆流操作；（2）工艺计算：吸收剂量求取、操作线方程式、填料塔径求取、填料层高度、最小润湿速度求取及润湿速度的选取、单位填料层压降的求取、吸收塔高度等的计算；（3）附件选型：液体分布，分布器及再分布器、支座等的选型；（4）编写设计说明书和设计结果一览表，绘制填料塔的工艺条件图。二设计方案简介2.1方案的确定2.1.1装置流程的确定本流程选择逆流操作。2.1.2吸收剂的选择吸收剂为清水2.1.3操作温度与压力的确定（1）操作压力常压（2）操作温度20℃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。本流程选用N38塑料鲍尔环填料。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：（1）吸收塔的物料衡算；（2）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；（3）设计液体分布器及辅助设备的选型；（4）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20℃时水的有关物性数据如下：密度为ρL=998.2kg/m3粘度为µL=1.0050mPa·s表面张力为σL=72.6×103N/mSO2在水中的扩散系数为DL=147×10-9m2/s=5.29×10-6m2/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20℃，混合气体的平均摩尔质量为MVm=ΣyiMi=0.04×64+0.96×29=30.4g/mol混合气体的平均密度为ρVm=RTPM=293314.84.30325.101=1.2645kg/m3混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查化工原理得20℃空气的粘度为μV=1.81×105Pa·s查手册得SO2在空气中的扩散系数为DV=1.08×10-5m2/s=0.039m2/h3.1.3气液相平衡数据由手册查得，常压下20℃时SO2在水中的亨利系数为E=3.55×103kPa相平衡常数为m=E/P=3.55×103/101.3=35.04溶解度系数为H=ρ/EM=998.2/（3.55×103×18）=0.0156kmol/kN·m3.1.4物料衡算（1）进塔混合气中各组分的量塔平均操作压强为101.3kPa，故：混合气量＝3000×20273273×4.221=124.79kmol/h混合气SO2中量＝124.78×0.04＝4.99kmol/h＝4.99×64=319.44kg/h设混合气中惰性气体为空气，则混合气中空气量＝124.78-4.99＝119.79kmol/h＝119.79×29＝3473.88kg/h（2）混合气进出塔的摩尔组成y1=0.04y2=0.0014（3）混合气进出塔摩尔比组成进塔气相摩尔比为Y1=11y1y=04.0104.0=0.04167出塔气相摩尔比为Y2=22y1y=0014.010014.0=0.001401963（4）出塔混合气量出塔混合气量=119.79÷（1-0.0014）=119.96kmol/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=0（VL）min=004.3504167.0001401963.004167.0=33.86取操作液气比为min4.1）（VLVL404.4786.334.1VL53.567879.119404.47Lkmol/h(6)塔底吸收液组成X11212()()VYYLXX000848.0)(211LYYVX(7)操作线方程依操作线方程0014.0404.47)(22XXVLYXVLY3.2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=3000×1.264=3792kg/h液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即WL=5678.53×18=102213.45kg/h其中：ρL=992.2kg/m3ρV=1.264kg/m3g=9.81m/s2µL=1.0050mPa·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》）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959.0)2.998264.1(379245.102213)(5.05.0LVVLWW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：1m184F962.00050.1264.111842.99881.9022.0g022.0u2.02.0LVFLFm/s（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=0.7×0.962=0.674m/s（3）塔径由443000/36001.2553.140.674SVDmu圆整塔径，取D=l.2m。（4）泛点率校核：23000/36000.737/0.7851.2ums0.737100%76.63%0.962Fuu（在允许范围内）（5）填料规格校核：120031.581538Dd（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=130m2/m3Umin=（Lw）minat=0.08×130=10.4m3/m2·h32min2102213.45/998.290.585m/0.7851.2UmhU经以上校核可知，填料塔直径选用D=1200mm合理。3.2.2填料层高度计算(1)传质单元数NOG1135.040.0008480.02971YmX220YmX解吸因数为:35.04119.790.7395678.53mVSL气相总传质单元数为:12221ln[(1)]110.041620ln[(10.739)0.793]8.22310.7390.00140OGYYNSSSYY（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:22102213.4590422.37/()0.7851.2LUkgmh气膜吸收系数由下式计算：0.050.20.750.1222842768090422.3790422.3713090422.371exp1.459408961303.6998.21.2710998.29408961300.6339wtaa气体质量通量为:10.730.237VVtVGtVVVUaDkaDRT气体质量通量:2230001.2643354.565/()0.7851.2VUkgmh10.7323354.5650.0651300.0390.2371300.0651.2640.0398.3142930.0357/()GkkmolmhkPa液膜吸收系数由下式计算:211323121833260.009590422.373.63.61.27100.00950.63391303.6998.25.2910998.21.270/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1.11.130.03571300.63391.454.4273kmol/mkPaGGwkakah0.40.41.2701300.63391.45121.427/LLwkakalh又因u/uF=76.63﹪＞50﹪需要按下式进行校正，即1.4'2.2'19.50.512.60.5GGFLLFukakauukakau可得：1.4'32.2'19.50.76630.54.427311.02kmol/mkPa12.60.76630.5121.427138.61/GLkahkalh则3''111.8076kmol/mkPa111111.020.0156138.61GGLKahkaHka由2119.791.8076101.30.7851.20.579OGYGVVHKaKaPm（3）填料层高度的计算由0.5798.2234.76OGOGZHNm根据设计经验，填料层的设计高度一般为Z′＝(1.2~1.5)Z(4-19)式中Z′——设计时的填料高度，m；Z——工艺计算得到的填料层高度，m。得:'Z=1.25×4.76=5.95m设计取填料层高度为'6Zm查：表四散装填料分段高度推荐值填料类型h/DHmax/m拉西环2.5≤4矩鞍5～8≤6鲍尔环5～10≤6阶梯环8～15≤6环矩鞍5～15≤6对于鲍尔环填料，5~10mhD，max6hm600051200hD（符合要求）故不需分段，填料层高度为6m。3.2.3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:0.50.959VLVLww表五散装填料压降填料因子平均值填料类型填料因子,1/mDN16DN25DN38DN50DN76金属鲍尔环306-11498-金属环矩鞍-13893.47136金属阶