環(huán)境工程原理課程設計清水吸收二氧化硫過程填料吸收塔設計

1、環(huán)境工程原理課程設計清水吸收SO2過程填料吸收塔設計學生學院：土建與環(huán)境學院 專業(yè)班級：14資環(huán)1班 學生學號：1410400230 學生姓名：蔡雨菲 目錄 HYPERLINK l _Toc469258252 一、前言1 HYPERLINK l _Toc469258253 二、設計任務1 HYPERLINK l _Toc469258254 1、設計題目：清水吸收SO2過程填料吸收塔的設計1 HYPERLINK l _Toc469258255 2、設計條件1 HYPERLINK l _Toc469258256 3、設計內(nèi)容1 HYPERLINK l _Toc469258257 三、設計方案2 H

2、YPERLINK l _Toc469258258 1、吸收劑的選擇2 HYPERLINK l _Toc469258259 2、流程圖及流程說明2 HYPERLINK l _Toc469258260 3、塔填料選擇2 HYPERLINK l _Toc469258261 四、基本參數(shù)3 HYPERLINK l _Toc469258262 1、液相物性數(shù)據(jù)3 HYPERLINK l _Toc469258263 2、氣相物性數(shù)據(jù)3 HYPERLINK l _Toc469258264 3、氣相平衡數(shù)據(jù)3 HYPERLINK l _Toc469258265 4、填料的主要參數(shù)4 HYPERLINK l _

3、Toc469258266 五、工藝計算4 HYPERLINK l _Toc469258267 1、物料衡算4 HYPERLINK l _Toc469258268 2、塔徑計算6 HYPERLINK l _Toc469258269 3、填料層高度計算9 HYPERLINK l _Toc469258270 4、填料層壓降計算12 HYPERLINK l _Toc469258272 六、塔內(nèi)件12 HYPERLINK l _Toc469258273 1、液體分布裝置12 HYPERLINK l _Toc469258274 2、液體再分布器-升氣管式液體再分布器14 HYPERLINK l _Toc4

4、69258275 3、填料限定裝置14 HYPERLINK l _Toc469258276 4、氣體和液體的進出口裝置15 HYPERLINK l _Toc469258277 5、液體再分布裝置17 HYPERLINK l _Toc469258278 6、填料支撐裝置17 HYPERLINK l _Toc469258279 七、設計結(jié)果表17 HYPERLINK l _Toc469258280 八、對設計成果的評價及討論19 HYPERLINK l _Toc469258281 九、參考文獻19一、前言填料塔是化工、石油化工和煉油等生產(chǎn)中最重要的設備之一。它可以使氣液兩相之間進行緊密接觸，達到氣

5、液傳質(zhì)的目的。填料塔不但結(jié)構(gòu)簡單。且流體通過填料層的壓降較小，易于用耐腐蝕的材料制造，所以它特別適用于處理量小，有腐蝕性的物料及要求壓降小的場合。液體自塔頂經(jīng)液體分布器噴灑于填料頂部，并在填料的表面呈膜狀流下，氣體從塔底的氣體口送入，流過填料的空隙，在填料層中與液體逆流接觸進行傳質(zhì)。因氣液兩相組成沿塔高連續(xù)變化，所以填料塔屬連續(xù)接觸式的氣液傳質(zhì)設備。二、設計任務1、設計題目：清水吸收SO2過程填料吸收塔的設計試設計一座填料吸收塔，用于脫除焙燒爐送出的混合氣體（先冷卻）中的SO2，其余為惰性組分，采用清水進行吸收。設計條件（1）氣體混合物成分：空氣和SO2；（2）SO2的含量：10%（體積分數(shù)）

6、；（3）混合氣體流量：1230m3/h；（4）操作溫度：20（293K）；KPa）；（6）回收率：97%；（7）吸收劑的用量與最小用量之比：1.5（根據(jù)處理量來定吸收劑用量）。（8）工作日：每年300天，連續(xù)運行每天24h。3、設計內(nèi)容（1）吸收塔的物料衡算，確定塔頂、塔底的氣液流量和組成；（2）吸收塔的工藝尺寸計算：選擇填料、計算塔徑、填料層高度、填料的分層、塔高的確定；（3）（氣體通過）填料層壓降P的計算；（4）吸收塔接管尺寸計算；（5）吸收塔附屬裝置的選擇與確定：液體分布器簡要設計（流體力學特性的校核：液氣速度的求取，噴淋密度的校核）、液體噴淋裝置、液體再分布器、氣體進出口及液體進出口裝

7、置、柵板。（6）附屬設備選型：泵（通過計算選型）、風機（選型計算）（7）繪制生產(chǎn)工藝流程圖；（8）繪制填料塔裝配圖；（9）對設計過程的評述和有關(guān)問題的討論。三、設計方案1、吸收劑的選擇采用清水進行吸收流程圖及流程說明圖1 逆流吸收塔的流程圖該設計采用逆流方式。該填料塔中，氨氣和空氣混合后，經(jīng)由填料塔的下側(cè)進入填料塔中，與從填料塔頂流下的清水逆流接觸，在填料的作用下進行吸收。經(jīng)吸收后的混合氣體由塔頂排除，吸收了氨氣的水由填料塔的下端流出。（如右圖）塔填料選擇選擇填料：選用散裝填料，DN38mm聚丙烯階梯環(huán)塔填料。 圖2 填料選擇原因：在用清水吸收SO2的過程中，操作、溫度及操作壓力較低，所以選用

8、散裝填料，其中塑料階梯環(huán)填料的綜合性較好。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減，減少了氣體通過填料層的阻力。錐形翻邊不僅增強了填料的機械強度，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之間的空隙，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(zhì)效率的提高。塔徑/mm填料尺寸/mmD3002025300D9002538D9005080表1 填料尺寸與塔徑的對應關(guān)系四、基本參數(shù)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水的有關(guān)物性數(shù)

9、據(jù)如下：密度為 QUOTE L=998.2 kg/m3粘度為L=1.005mPaS=3.6 kg/（mh）表面張力為L=72.6 /cm=940896 kg/h2SO2在水中的擴散系數(shù)為 DL=1.4710-5m2/s=5.2910-6m2/h 氣相物性數(shù)據(jù)混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為g/混合氣體的平均密度為kg/ 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: =1.810-5 Pas=0.065 kg/(mh)20，101.3kpa下，SO2在空氣中的擴散系數(shù)DV=1.38110-5m22/h（由計算，其中273K，101.3kPa下，SO2在空氣中的擴散系數(shù)為1.2210

10、-5m2/s，查化學工程基礎。）3、氣相平衡數(shù)據(jù)混合氣體的平衡摩爾質(zhì)量常壓下20時SO2在水中的亨利系數(shù)為E=3550kPa 相平衡常數(shù)為20時SO2在水中的溶解度系數(shù)為：H=1041156kmol/(m3)4、填料的主要參數(shù)本方案選用塑料階梯環(huán)DN38mm, 其主要性能參數(shù)如下：比表面積a：1 空隙率干填料因子：五、工藝計算對低濃度吸收過程，溶液的物性數(shù)據(jù)可近似取純水的物性數(shù)據(jù)。混合氣體的黏度可近似取為空氣的黏度。空氣和水的物性常數(shù)如下：空氣：水：物料衡算進塔混合氣中各組分的量混合氣量混合氣中SO2量51.160.15.116kmol/h5.11設混合氣中惰性氣體為空氣，則混合氣中空氣量51

11、.165.11 46.044291混合氣進出塔的摩爾組成 y2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出塔混合氣量出塔混合氣量 吸收劑（水）的用量L該吸收過程屬低濃度吸收，平衡關(guān)系為直線，最小液氣比可按下式計算對于純?nèi)軇┪者^程，進塔液相組成為X20取操作液氣比為（6）塔底吸收液組成XV(YY2）L（XX2）X操作線方程依操作線方程塔徑計算采用通用關(guān)聯(lián)圖計算泛點氣速。氣相質(zhì)量流量為WV=12301.353=1液相質(zhì)量流量可近似按純水的流量計算，即WL=2347.4718.02=42301.4kg/h其中：=998.2kg/m3 =1.353kgm3 2 =1 .2708m/h2

12、WV = kg/h WL =kg/h =100.510-5Pas（1）采用通用關(guān)聯(lián)圖法計算泛點氣速通用填料塔泛點和壓降的通用關(guān)聯(lián)圖如下：圖3 埃克特通用關(guān)聯(lián)圖圖中 u0空塔氣速，m /s； 濕填料因子，簡稱填料因子， /m；水的密度和液體的密度之比； g重力加速度，m /s2； 、分別為氣體和液體的密度，kg /m3； 、分別為氣體和液體的質(zhì)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)。通用關(guān)聯(lián)圖的橫坐標為 查圖二查得縱坐標值為表 2 填料表填料類型填料

13、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(jīng)驗值為u/取 uuF塔徑由圓整塔徑，取D=泛點率校核填料規(guī)格校核：液體噴淋密度校核最小潤濕速率是指在塔的截面上，單位長度的填料周邊的最小液體體積流量。其值可由經(jīng)驗公式計算(見有關(guān)填料手冊)，也可采用一些經(jīng)驗值。對于直徑不超過75 mm的散裝填料，

14、可取最小潤濕速率(LW) min為0.08 m3/(mh)；對于直徑大于75 mm的散裝填料，取(LW) min=0.12 m3/(mh)。取最小潤濕速率為 （）3/mh查填料手冊得 塑料階梯環(huán)比表面積at=12/m3=32.5=13/ m2h經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用D=合理。填料層高度計算(1)傳質(zhì)單元數(shù)NOG解吸因數(shù)為:氣相總傳質(zhì)單元數(shù)為:（2）傳質(zhì)單元高度的計算氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計算查表三:表 3 常見材質(zhì)的臨界表面張力值材質(zhì)碳瓷玻璃聚丙烯聚氯乙烯鋼石蠟表面張力, mN /m5667333407520得kg/h2液體質(zhì)量通量為:氣體質(zhì)量通量為：氣相總傳質(zhì)單元高度

15、采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計算：氣膜吸收系數(shù)由下式計算：液膜吸收系數(shù)由下式計算：由于本設計填料類型為開孔環(huán)表4 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1查表四可得：又因u/=55.4850需要按下式進行校正，即可得：（3）填料層高度的計算根據(jù)設計經(jīng)驗，填料層的設計高度一般為 Z(1.21.5)Z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: =1.25=設計取填料層高度為表5 散裝填料分段高度推薦值查表：填料類型h/D拉西環(huán)4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，將填料層分為兩段設置，每段，兩段間設置一個液體再分布器。4、填料層壓降計

16、算采用通用關(guān)聯(lián)圖計算填料層壓降橫坐標為：已知：查圖得，六、塔內(nèi)件1、液體分布裝置（1）液體分布器的選型：圖4 液體分布器多孔環(huán)管式分布器:由多孔圓形盤管、聯(lián)接管及中央進料管組成。這種分布器氣體阻力小，特別使用于液量小而氣量大的填料吸收塔。液體在塔頂?shù)某跏季鶆驀娏埽潜ＷC填料塔達到預期分離效果的重要條件。近年來的實踐表明，大直徑填料塔的放大問題主要是保證液體初始分布均勻，若能保證單位塔截面的噴淋點數(shù)目與小塔相同，大型填料塔的傳質(zhì)效率將不會低于小型塔。液體分布裝置的安裝位置，須高于填料層表面200mm,以提供足夠的自由空間，讓上升氣流不受約束地穿過分布器。根據(jù)氨氣易溶解的性質(zhì)，可選用目前應用較為廣

17、泛的多孔型布液裝置中的排管式噴淋器。多孔型布液裝置能提供足夠均勻的液體分布和空出足夠大的氣體通道（自由截面一般在70%以上），也便于制成分段可拆結(jié)構(gòu)。液體引入排管噴淋器的方式采用液體由水平主管一側(cè)引入，通過支管上的小孔向填料層噴淋。排管式噴淋器采用塑料制造。（2）分布點數(shù)量計算：為了使液體初始分布均勻，原則上應增加單位面積上的噴淋點數(shù)。但是，由于結(jié)構(gòu)的限制，不可能將噴淋點設計得很多。根據(jù)建議，當時，設計取噴淋點密度為140點/m2。則總布液孔數(shù)為：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(jié)果為：二級槽共設七道，在槽側(cè)面開孔，槽寬度為80mm ，槽高度為20mm 。兩槽中心矩為 60

18、mm 。分布點采用三角形排列，實際設計布點數(shù)為n=90點。圖5 槽式液體分布器二級槽的布液點示意圖?。?）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； d0孔徑，m ； H開孔上方的液位高度，m。 取=0.60， =60mm,液體分布器的安裝一般高于填料層表面150300mm (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，這里取塔徑的，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(nèi)允許高度及造價確定，一般為200mm 左右。2、液體再分布器-升氣管式液體再分布

19、器在離填料頂面一定距離處，噴淋的液體便開始向塔壁偏流，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900mm，因此可選用升氣管式再分布器，分布外徑980mm，升氣管數(shù)8。3、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。圖6 填料壓緊網(wǎng)板對于塑料散裝填料，本設計選用創(chuàng)層限制板。4、氣體和液體的進出口裝置表 6 管道的公稱通徑管道的公稱通徑75809000203040608520523526035（1）氣體和液體的進出口直徑

20、的計算由公式圖7 上裝式絲網(wǎng)除沫器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0.81.5m/s（必要時可加大）。選氣體流速為15m/s 由VS=117m3/s 代入上公式得d=171mm圓整之后，氣體進出口管徑為d=180mm選液體流速為，由VS=1118m3/s 代入上公式得 d=87mm,圓整之后液體進出口管徑為d=90mm（2）底液出口管徑：選擇 d= 75 mm（3）泵的選型由計算結(jié)果可以選用：IS00-80-125型的泵圖8 IS00-80-125型 風機的選型：4-72-118C型離心通風機圖9 離心式

21、風機 （5）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(nèi)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

22、高度。塔底液相液相停留時間按min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.5米，所以塔的附屬空間高度可以取米。（6）人孔公稱壓力公稱直徑密封面型標準號常壓450mm平面(FS)HG21515-955、液體再分布裝置圖10 升氣管式液體再分布器實踐表明，當噴淋液體沿填料層向下流動時，不能保持噴淋裝置所提供的原始均勻分布狀態(tài)，液體有向塔壁流動的趨勢。因而導致壁流增加、填料主體的流量減小，影響了流體沿塔橫截面分布的均勻性，降低傳質(zhì)效率。為減小壁流現(xiàn)象，當填料層較高時需進行分段，故需設置液體收集及再分布裝置。最簡單的液體再分布裝置為截錐式再分布器。截錐式再分布器結(jié)構(gòu)簡單

23、，安裝方便，但它只起到將壁流向中心匯集的作用，無液體再分布的功能，一般用于直徑小于的塔中。在通常情況下，一般將液體收集器及液體分布器同時使用，構(gòu)成液體收集及再分布裝置。液體收集器的作用是將上層填料流下的液體收集，然后送至液體分布器進行液體再分布?？蛇x用多孔盤式再分布器。分布盤上的孔數(shù)按噴淋點數(shù)確定，孔徑為。為了防止上一填料層來的液體直接流入升氣管，應在升氣管上設帽蓋。它的設計數(shù)據(jù)如下：分布盤外徑-785mm，升氣管數(shù)量-6.6、填料支撐裝置圖11 柵板型填料支撐裝置填料支撐裝置對于保證填料塔的操作性能具有重大作用。采用結(jié)構(gòu)簡單、自由截面較大、金屬耗用量較小的柵板作為支撐板。為了改善邊界狀況，可采用大間距的柵條，然后整砌一、二層按正方形排列的瓷質(zhì)十字環(huán)，作為過渡支撐，以取得較大的孔隙率。由于采用的是的填料，所以可用的十字環(huán)。塔徑，設計柵板由兩塊組成。且需要將其擱置在焊接于塔壁的支持圈或支持塊上。分塊式柵板，每塊寬度為450mm。設計結(jié)果表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：