氣體填料吸收塔設計化工原理課程設計

1、目錄一設計任務總概31.1.吸收的定義31.2吸收的目的31.3填料吸收塔簡介3二設計方案簡介32.1方案的確定.42.2填料的類型與選擇42.3設計步驟. .4三、工藝計算43.1基礎物性數(shù)據(jù).43.1.1 液相物性數(shù)據(jù)53.1.2 氣相物性數(shù)據(jù)53.1.3 氣液相平衡數(shù)據(jù)53.1.4 物料衡算63.2填料塔的工藝尺寸的計算7塔徑的計算7填料層高度計算10填料層壓降計算14四、輔助設備的計算及選型151. 除霧沫器152.液體分布器簡要設計163.液體再分布器-升氣管式液體再分布器174.填料支承裝置175.填料限定裝置186氣體和液體的進出口裝置18五、設計結果匯總19六、主要符號說明21

2、七、參考文獻23八、結語24化工原理課程設計任務書一、設計任務：設計一臺SO2氣體填料吸收塔二、設計條件：生產能力：2000Nm3/h空氣和SO2混合氣混合氣中SO2組成（體積分數(shù)）：10% 排放含量： 0.16% 操作方式：連續(xù)操作操作溫度：20操作壓力：常壓吸收劑：清水平衡線方程：三、設計內容1.設計方案和流程的選擇；2.填料的選擇；3.填料塔塔徑、塔高及壓降的計算；4.附屬裝置的選型和設計。四、設計基礎數(shù)據(jù)：參考教材及參考資料。五、設計成果：1.設計說明書一份；2.調料吸收塔工藝條件圖（2#圖幅）六、設計時間安排：1.查閱資料、設計方案：一天2.設計計算：三天3.圖紙繪制：一天4.設計整

3、理：半天一 設計任務總概1.1.吸收的定義吸收是分離氣體混合物的單元操作，其分離原理是利用氣體混合物中各組分在液體溶劑中溶解度的差異來實現(xiàn)不同氣體的分離。一個完整的吸收過程應包括吸收和解吸兩部分。氣體吸收過程是利用氣體混合物中，各組分在液體中溶解度或化學反應活性的差異，在氣液兩相接觸時發(fā)生傳質，實現(xiàn)氣液混合物的分離。1.2吸收的目的在化工生產過程中，原料氣的凈化，氣體產品的精制，治理有害氣體，保護環(huán)境等方面都廣泛應用到氣體吸收過程。本次化工原理課程設計的目的是根據(jù)設計要求采用填料吸收塔的方法處理含有二氧化硫的混合物，使其達到排放標準，采用填料吸收塔吸收操作是因為填料可以提供巨大的氣液傳質面積而

4、且填料表面具有良好的湍流狀況，從而使吸收易于進行，填料塔有通量大，阻力小，壓降低，操作彈性大，塔內持液量小，耐腐蝕，結構簡單，分離效率高等優(yōu)點，從而使吸收操作過程節(jié)省大量人力和物力。在設計中,以水吸收混合氣中的二氧化硫，在給定的操作條件下對填料吸收塔進行物料衡算。本次設計包括設計方案的選取、主要設備的工藝設計計算-物料衡算、設備的結構設計和工藝尺寸的設計計算、工藝流程圖、主要設備的工藝條件圖等內容。1.3填料吸收塔簡介在化學工業(yè)中，吸收操作廣泛應用于石油煉制，石油化工中分離氣體混合物，原料氣的精制及從廢氣回收有用組分或去除有害組分等。吸收操作中以填料吸收塔生產能力大，分離效率高，壓力降小，操作

5、彈性大和持液量小等優(yōu)點而被廣泛應用。二 設計方案簡介2.1方案的確定用水吸收SO2屬中等溶解度的吸收過程，為提高傳質效率，選用逆流吸收流程。因用水作為吸收劑，且SO2不作為產品，故采用純溶劑。2.2填料的類型與選擇填料是填料塔中氣液接觸的基本構件，其性能的優(yōu)劣是決定填料塔操作性能的主要元素，因此，填料的選擇是填料塔設計的重要環(huán)節(jié)。散裝填料是一個個具有一定幾何形狀和尺寸的顆粒體，一般以隨機的方式堆積在塔內，又稱為亂堆填料或顆粒填料。散裝填料根據(jù)結構特點的不同，又可分為環(huán)形填料，鞍形填料，環(huán)鞍形填料及球形填料等。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。在塑料散裝

6、填料中，塑料階梯環(huán)填料的綜合性能較好，故此選用DN38聚丙烯階梯環(huán)填料。階梯環(huán)是對鮑爾環(huán)的改進。與鮑爾環(huán)相比，階梯環(huán)高度減少了一半，并在一端增加了一個錐形翻邊。由于高徑比減少，使得氣體繞填料外壁的平均路徑大為縮短，減少了氣體通過填料層的阻力。錐形翻邊不僅增加了填料的機械強度，而且使填料之間由線接觸為主變成以點接觸為主，這樣不但增加了填料間的空隙，同時成為液體沿填料表面流動的匯集分散點，可以促進液膜的表面更新，有利于傳質效率的提高。階梯環(huán)的綜合性能優(yōu)于鮑爾環(huán)，成為目前所使用的環(huán)形填料中最為優(yōu)良的一種。2.3設計步驟本課程設計從以下幾個方面的內容來進行設計（一）吸收塔的物料衡算；（二）填料塔的工藝

7、尺寸計算；主要包括：塔徑，填料層高度及壓降；（三） 輔助設備的選型；（四） 繪制有關吸收操作圖紙。三 、工藝計算3.1基礎物性數(shù)據(jù)3.1.1液相物性數(shù)據(jù)對低濃度吸收過程，溶液的物性數(shù)據(jù)可近似取純水的物性數(shù)據(jù)。由手冊查得，20時水的有關物性數(shù)據(jù)如下： 密度為 L=998.2 kg/m3粘度為 L=0.001 Pas=3.6kg/(mh)表面張力為L=72.6 dyn/cm=940896 kg/h2SO2在水中的擴散系數(shù)為 DL=1.4710-5m2/s=5.2910-6m2/h（依Wilke-Chang計算，查化學工程基礎）氣相物性數(shù)據(jù)設進塔混合氣體溫度為25，混合氣體的平均摩爾質量為MVm=y

8、iMi=0.164.06+0.929=32.506g/mol混合氣體的平均密度為Vm=PM/RT=101.32532.506/（8.314293.15）=1.3138kg/ m3混合氣體的粘度可近似取為空氣的粘度，查手冊得20空氣的粘度為 V=1.81 10-5Pas=0.065kg/(mh)查手冊得SO2在空氣中的擴散系數(shù)為 DV=0.018cm2/s=0.039m2/h（依計算，其中273K時，1.01310-5Pa時SO2在空氣中的擴散系數(shù)為1.2210-5m2/s，查化學工程基礎）氣液相平衡數(shù)據(jù)由手冊查得，常壓下20時SO2在水中的亨利系數(shù)為 E=3.55 103 kPa溶解度系數(shù)為H

9、=/EM=998.2/4.1310318.02=0.0156kmol/（kPam3）物料衡算(l). 進塔混合氣中各組分的量近似取塔平均操作壓強為101.3kPa，故：混合氣量kmolh混合氣SO2中量83.190.18.319 kmolh8.31964.06=532.921kgh設混合氣中惰性氣體為空氣，則混合氣中空氣量74.87kmolh74.87292171.26kgh(2)混合氣進出塔的摩爾組成（3）混合氣進出塔摩爾比組成進塔氣相摩爾比為出塔氣相摩爾比為（4）出塔混合氣量出塔混合氣量=74.87+8.3190.0016=74.8833kmol/h=2171.26+532.920.001

10、6=2172.11kg/h（5）吸收劑（水）的用量L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對于純溶劑吸收過程，進塔液相組成為X2=0取操作液氣比為 kmol/h(6)塔底吸收液組成X13.2填料塔的工藝尺寸的計算3.2.1塔徑的計算采用Eckert通用關聯(lián)圖計算泛點氣速。氣相質量流量為wv=20001.3514=2702.8 kg/h液相質量流量可近似按純水的流量計算，即WL=3194.1018.02=57557.68kg/h其中：L =998.2kg/m3V =1.3287 kg/m3g = 9.81 m/s2 = 1.27108 m/h2WV = 2702.8kg/

11、h WL = 57557.68kg/hL =0.00100 Pas（1）采用Ecekert通用關聯(lián)圖法計算泛點氣速uF。通用填料塔泛點和壓降的通用關聯(lián)圖如下：填料塔泛點和壓降的通用關聯(lián)圖（引自化工原理）上圖中 u0空塔氣速，m /s； 濕填料因子，簡稱填料因子，1 /m； 水的密度和液體的密度之比； g重力加速度，m /s2； V、L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)。Eck

12、ert通用關聯(lián)圖的橫坐標為 查圖一查得縱坐標值為表一 散裝填料泛點填料因子平均值填料類型填料因子，1/mDN16DN25DN38DN50DN76金屬鮑爾環(huán)410117160金屬環(huán)矩鞍170150135120金屬階梯環(huán)160140塑料鮑爾環(huán)55028018414092塑料階梯環(huán)260170127瓷矩鞍1100550200226瓷拉西環(huán)1300832600410（化工原理課程設計附錄十一）查得：（2）操作氣速由以下公式計算塔徑：（化工原理課程設計）對于散裝填料，其泛點率的經驗值為u/uF=0.50.85取 u=0. 7uF=0.71.1679=0.8175m/s（3）塔徑由圓整塔徑，取D=l.0m

13、。 （4）泛點率校核： （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/mh查填料手冊得 塑料階梯環(huán)比表面積at=132.5m2/m3Umin=（Lw）minat=0.08132.5=10.6m3/ m2h經以上校核可知，填料塔直徑選用D=1000mm合理。3.2.2填料層高度計算(1)傳質單元數(shù)NOG由平衡關系式可知平衡線為曲線，故采用數(shù)值積分法YXY*1/Y-Y*0.0017600568.180.012580.0002540.00480128.530.023400.0005070.0106578.380.034230.0007610.017

14、0158.070.045050.0010140.0244048.410.058800.0012690.0306639.650.066700.0015220.0378134.610.077580.0017760.0451830.910.088350.0020970.0547029.720.099170.0022830.0603325.750.011000.0025370.0681323.88Y2=Y0Y1=Ynn=10用辛普森公式（2）傳質單元高度的計算氣相總傳質單元高度采用修正的恩田關聯(lián)式計算查表二:常見材質的臨界表面張力值材質碳瓷玻璃聚丙烯聚氯乙烯鋼石蠟表面張力, mN /m56617333

15、407520得= 33 dyn/cm = 427680 kg/h2液體質量通量為:氣膜吸收系數(shù)由下式計算：氣體質量通量為:氣體質量通量:液膜吸收系數(shù)由下式計算:查表三:常見填料塔的形狀系數(shù)填料類型球形棒形拉西環(huán)弧鞍開孔環(huán)值0.720.7511.191.45本設計填料類型為開孔環(huán) 所以 =1.45,則又因u/uF=60.6050需要按下式進行校正，即可得：則由（3）填料層高度的計算由根據(jù)設計經驗，填料層的設計高度一般為 Z(1.21.5)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。得: = 1.255.25= 6.56 m設計取填料層高度為 查：表四散裝填料

16、分段高度推薦值填料類型h/DHmax/m拉西環(huán)2.54矩鞍586鮑爾環(huán)5106階梯環(huán)8156環(huán)矩鞍5156對于階梯環(huán)填料， 取 ，則h=81000=8000 mm故需分為兩段，每段高3.4m。3.2.3填料層壓降計算采用Eckert通用關聯(lián)圖計算填料層壓降。橫坐標為:表五散裝填料壓降填料因子平均值填料類型填料因子, 1/mDN16DN25DN38DN50DN76金屬鮑爾環(huán)306-11498-金屬環(huán)矩鞍-13893.47136金屬階梯環(huán)-11882-塑料鮑爾環(huán)34323211412562塑料階梯環(huán)-17611689-瓷矩鞍環(huán)700215140160-瓷拉西環(huán)1050576450288-查表得，p

17、 =116 m-1縱坐標為:查Eckert通用關聯(lián)圖得: P/Z = 132Pa/m填料層壓降為: P=1327.0=924Pa四、輔助設備的計算及選型1. 除霧沫器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，常用的型式有填料除霧器、折流板式除霧器、絲網除霧器這幾類，SO2溶于水中易于產生泡沫為了防止泡沫隨出氣管排出，影響吸收效率，采用除沫裝置，根據(jù)除沫裝置類型的使用范圍，該填料塔選取絲網除沫器。絲網除霧沫器：一般取絲網厚度H=100150 mm，氣體通過除沫器的壓降約為120250pa。2.液體分布器簡要設計（1） 液體分布器的

18、選型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。（2）分布點密度計算表六Eckert的散裝填料塔分布點密度推薦值塔徑,mm分布點密度,點/ m2塔截面D=400330D=750170D120042按Eckert建議值，因該塔液相負荷較大，設計取噴淋點密度為140點/m2 。布液點數(shù)為n=0.7851.02140=110112點按分布點幾何均勻與流量均勻的原則，進行布點設計。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210mm 。兩槽中心矩為 160mm 。分布點采用三角形排列，實際設計布點數(shù)為 n=112點.圖二 槽式液體分布器二級槽的布液點示意

19、圖（3）布液計算由重力型液體分布器布液能力計算由式中 Ls液體流量，m3/s； n開孔數(shù)目(分布點數(shù)目)； 孔流系數(shù)，通常取0.550.60； d0孔徑，m ； H開孔上方的液位高度，m。 取=0.60， =160mm,則設計取液體分布器的安裝一般高于填料層表面150300 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0.70.8，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允許高度及造價確定，一般為200 mm 左右。3.液體再分布器-升氣管式液體再分布器在離填料頂面一定距離處，噴淋的液體便開始向塔壁偏

20、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”的不正常現(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。由于塔徑為1000mm，因此可選用升氣管式再分布器，分布外徑1080mm，升氣管數(shù)8。4.填料支承裝置填料支撐結構是用于支承塔內填料及其所特有的氣體和液體的重量之裝置。對填料支承結構的基本要求是：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，防止產生液泛；有利于液體的再分布；耐腐蝕，易制造，易裝卸等。常用的填料支承板主要有柵板式和氣體噴射式等結構。1）柵板式支承板柵板式的支承結構較為常見，由豎立的扁鋼制

21、成。柵板可以制成整塊式或分塊式的。一般直徑小于500mm的塔可以采用整塊式柵板；直徑為大于600mm的塔，可以根據(jù)情況將柵板分成若干塊，每塊寬度在300400mm之間，以便于裝卸。柵條間距為填料外徑的0.60.8倍。在直徑較大的塔中，當填料環(huán)尺寸較小時，也可采用間距較大的柵板、2）氣體噴射式支承板氣體噴射式支承板的結構特點是：為氣體和液體提供了不同的通道，氣體易于進入填料層，液體也可自由排出，避免了因液體積聚而發(fā)生液泛的可能性，并有利于液體的均勻再分配。氣體噴射式支承板有圓柱升氣管式和梁式，而以梁式較為優(yōu)越，梁式支承板用于小塔可制成整體式，用于大塔則分塊制作或塔內組裝。它可提供超過90%的自由

22、截面（有時甚至達到100%），保證氣體通量大，阻力小。因此，在新型填料塔中廣泛采用了這種結構。這里選用分塊梁式支承板。5.填料限定裝置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。對于塑料散裝填料，本設計選用創(chuàng)層限制板。6氣體和液體的進出口裝置管道的公稱通徑758090100120130140160185205235260315（1）氣體和液體的進出口直徑的計算由公式Vs 為流體的體積流量，m3/su 為適宜的流體流速，m/s .常壓氣體進出口管氣速可取1020m/s；液體進出口速度可取0.81.5 m/s（必要時可加大）。選氣體流速為15 m/s 由VS=

23、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=369mm選液體流速為2.0 m/s，由VS=3194.1018.02（3600998.2）=0.016m3/s 代入上公式得 d=100 mm,圓整之后液體進出口管徑為d=110 mm（2）底液出口管徑：選擇 d= 75 mm（3）泵的選型由計算結果可以選用：IS100-80-125型的泵（4）塔附屬高的確定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

24、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。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)塔的釜液流量以及釜液在塔內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。塔底液相液相停留時間按1min考慮，則塔釜液所占空間為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。（5）人孔公稱壓力公稱直徑密封面型標準號常壓450 mm平面(F

25、S)HG21515-95五、設計結果匯總課程設計名稱水吸收SO2填料吸收塔的設計操作條件操作溫度20攝氏度操作壓力：常壓物性數(shù)據(jù)液相氣相液體密度998.2kg/m3混合氣體平均摩爾質量33.505kg/kmol液體粘度3.6kg/(m h)混合氣體的平均密度1.3514kg/m3液體表面張力940896混合氣體的粘度0.065kg/(mh)SO2在水中的擴散系數(shù)5.9210-6m2/hSO2在空氣中的擴散系數(shù)0.039m2/h重力加速度1.27108m/h氣相平衡數(shù)據(jù)SO2在水中的亨利系數(shù)E相平衡常數(shù)m溶解度系數(shù)H3.55103 kpa35.50.0156kmol/kPam3物料衡算數(shù)據(jù)Y1Y

26、2X1X2氣相流量G液相流量L最小液氣比操作液氣比0.110.001760.00254074.87 kmol/ h3194.10 kmol/ h30.4742.66工藝數(shù)據(jù)氣相質量流量液相質量流量塔徑氣相總傳質單元數(shù)氣相總傳質單元高度填料層高度填料層壓降2762.857557.681.0m9.8570.590m6.8m924pa填料塔附件除沫器液體分布器填料限定裝置填料支承板液體再分布器絲網式二級槽式床層限制版分塊梁式升氣管式六、主要符號說明at填料的總比表面積，m2/m3aW填料的潤濕比表面積，m2/m3d填料直徑，m；D塔徑，m；DL液體擴散系數(shù)，m2/s；Dv氣體擴散系數(shù)，m2/s ；

27、ev液沫夾帶量,kg(液)/kg(氣)； g重力加速度，9.81 m/s2 ； h填料層分段高度，m； HETP關聯(lián)式常數(shù)； hmax允許的最大填料層高度，m； HB塔底空間高度，m； HD塔頂空間高度，m； HOG氣相總傳質單元高度，m； kG氣膜吸收系數(shù)，kmol/(m2skPa)； kL液膜吸收系數(shù)，m/s； KG氣相總吸收系數(shù)，kmol/(m2skPa)； Lb液體體積流量，m3/h； LS液體體積流量，m3/s； LW潤濕速率，m3/(ms)； m相平衡常數(shù)，無因次； n篩孔數(shù)目； NOG氣相總傳質單元數(shù)； P操作壓力，Pa； P壓力降，Pa； u空塔氣速，m/s； uF泛點氣速，m/su0.min漏液點氣速，m/s； u0液體通過降液管底隙的速度，m/s； U液體噴淋密度，m3/(m2h)UL液體質量通量，kg/(m2h)Umin最小液體噴淋密度，m3/(m2h)Uv氣體質量通量，kg/(m2