课程设计二氧化硫吸收塔

课程设计二氧化硫吸收塔CompanyDocumentnumber：WUUT-WUUY-WBBGB-BWYTT-1982GT一、课程设计任务书、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。、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、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、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）的显着优点而广泛应用。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。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%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≥90020～2525～3850～80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：基础物性数据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=kg/m3粘度为μL=Pa·s=(m·h)表面张力为σL=dyn/cm=932731kg/h2SO2在水中的扩散系数为DL依Wilke-Chang公式计算0.518r0.6()1.85910MTDV（1）其中：—溶剂的缔合参数，具体值为水。Mr—溶剂的摩尔质量，kg/kmol；T—溶液的温度，K；—溶剂的粘度，Pas；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=（2）Vc为物质的临界体积，SO2临界体积为mol。最终计算得SO2在水中的扩散系数为DL=×10-9m2/s=×10-6m2/h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=×10-5Pas=(mh)SO2在空气中的扩散系数DD0×(P0/P)×(T/T0)（5）其中273K时，×105Pa时SO2在空气中的扩散系数为×10m2/s最终计算得278K，×105Pa下SO2在空气中的扩散系数为DV=×10-5m2/s=m2/h气液相平衡数据常压下25℃时SO2在水中的亨利系数为E=×103kPa相平衡常数为m=E/P=×103/=（6）溶解度系数为H=ρ/EM=×103×=kPam3（7）物料衡算本设计中取回收率η=98%，液气比L/G=(L/G)min近似取塔平均操作压强为，故：混合气量V＝2000m3／h=kmol/h混合气SO2中量V1＝2000×＝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=kmol/h(1)SO2进塔体积分数y1=；出塔体积分数ηη（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)==(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()（9）(6)塔底吸收液组成X1（10）(7)操作线方程Y=(L/V)X+[Y2-(L/V)X2]（11）故操作线方程：Y=+填料塔的工艺尺寸的计算塔径的计算采用Eckert通用关联图计算泛点气速。气相质量流量为wG=2000×=kg/h液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即WL=×=h其中：ρL=kg/m3ρV=kg/m3g=m/s2=×108m/h2WV=kg/hWL=kg/hμL=Pa·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()查图一查得纵坐标值为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√√（12）对于散装填料，其泛点率的经验值为u/uF=~取u=故操作气速u=×=m/s气体的体积流量VS=2000/3600=m3/s(2)塔径√√=m（13）圆整塔径，取D=m。(3)泛点率校核：=(在允许的范围内)（4）填料规格校核：D/d=1000/38=8(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=×10-5)m3/(m·s)=(m·h)对于直径大于75mm的散装填料，可取最小润湿速率（Lw）min=(m·h)所以，取最小润湿速率为：（Lw）min=(m·h)查填料手册得塑料阶梯环比表面积at=m3流体的最小体积通量Umin=（Lw）minat=×=m2·h（13）m3/(m2·h)Umin经以上校核可知，填料塔直径选用D=1000mm合理。填料层高度计算(1)传质单元数NOGY1*=mX1=×=Y2*=mX2=0解吸因数为:（14）气相总传质单元数为:（）（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:()()()()气膜吸收系数由下式计算：10.730.237VVtVGtVVVUaDkaDRT（17）气体质量通量为：⁄液膜吸收系数由下式计算:()⁄⁄()⁄()⁄()()（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1本设计填料类型为开孔环所以Ψ=,则kGakGaw=（19）kLakLaw=（20）由于需要按下式进行校正，即[()]（21）[()]（22）得：则总传质系数：5984kmol/(m2hkPa)（）由（24）（3）填料层高度的计算ZHOGNOG=×=m（25）但根据设计经验，填料层的设计高度一般为Z′＝~Z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。Z′=Z=设计取填料层高度为Z′=查：表六散装填料分段高度推荐值填料类型h/DHmax/m拉西环≤4矩鞍5～8≤6鲍尔环5～10≤6阶梯环8～15≤6环矩鞍5～15≤6对于阶梯环填料，8~15mhD，max6hm取8hD，则h=8×1000=8000mm故需分为两段，每段高m。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:表七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-1387136金属阶梯环--11882-塑料鲍尔环34323211412562塑料阶梯环-17611689-瓷矩鞍环700215140160-瓷拉西环1050576450288-查表得，Φp=116m-1纵坐标()()查Eckert通用关联图得:△P/Z=m填料层压降为:△P=×=四、辅助设备的计算及选型4．1塔顶除雾沫器穿过填料层的气体有时会夹带液体和雾滴，因此，工艺上对吸收设备提出除雾的要求。被净化的气体在离开吸收塔之前要进行除雾。通常，除雾器多设在吸收塔的顶部。常用的形式有以下几种：(1)填料除雾器，即在塔顶气体出口前，再通过一层干填料，达到分离雾沫的目的。（2）折板式除雾器，它是利用惯性原理设计的最简单的除雾器。（3）丝网除雾器，其为一种分离效率高，阻力较小，重量较轻，所占空间不大的除雾器。根据除沫装置类型的使用范围，该填料塔选取丝网除沫器（如下图）。这是一种效率较高的除雾器，可除去大于5μm的液滴，效率可达98%—99%，但压强降较折流板式除雾器为大，约为，且不适用于气液中含有粘结物或固体物质（例如碱液或碳酸氢铵溶液等），因为液体蒸发后留下固体物质容易堵塞丝网孔，影响塔的正常操作。图2丝网除雾器装配图丝网除雾器：一般取丝网厚度H=100~150mm，气体通过除沫器的压降约为120~250Pa。通过丝网除沫器的最大速率997.11.32780.0852.3277/1.3278LGGukms（26）实际气速为最大气速的~倍所以实际气速u=×=s4．2液体分布器简要设计液体分布装置的种类多样，有喷头式、盘式、管式、槽式及槽盘式等。工业应用以管式、槽式及槽盘式为主。性能优良的液体分布器设计时必须满足以下几点：（1）、液体分布均匀评价液体分布的标准是：足够的分布点密度；分布点的几何均匀性；降液点间流动的均匀性。（2）操作弹性大。（3）自由截面积大。（4）液体分布器应结构紧凑、占用空间小、制造容易、调整和维修方便。该吸收塔液相负荷较大，而气相负荷相对较低，故选用槽式液体分布器。（2）分布点密度计算表八Eckert的散装填料塔分布点密度推荐值塔径,mm分布点密度,点/m2塔截面D=400330D=750170D≥120042因该塔液相负荷较大，设计取喷淋点密度为150点/m2。布液点数为n=××150=点设计结果为：二级槽共设五道，在槽侧面开孔，槽宽度为80mm，槽高度为210mm。两槽中心矩为160mm。分布点采用三角形排列，实际设计布点数为n=120点。（3）布液计算由重力型液体分布器布液能力计算由2024SLdngH（27）式中Ls——液体流量，m3/s；n——开孔数目(分布点数目)；φ——孔流系数，通常取φ＝～；d0——孔径，m；△H——开孔上方的液位高度，m。取=，H=160mm,则√√√√设计取014dmm液体分布器的安装一般高于填料层表面150~300mm(取决于操作弹性)，槽式分布器主槽分槽高度均取210