水吸收二氧化硫填料吸收塔的设计(1).doc

《化工原理》
化工原理课程设计

设计题目：水吸收二氧化硫填料吸收塔设计
指导老师： 姚瑞清
姓名：高彩霞【2010115034 】
专业：化学工程与工艺
组别：第四组
说明书20页 图纸2张
设计时间: 2012.12.30—2013.1.7

目录
1. 任务书
2. 摘要
3. 绪论
3.1 气体吸收的概述
3.2 吸收设备发展
3.3吸收在工业生产中的应用
4.吸收塔的工艺设计
4.1 填料选择
4.2 基础物性参数
4.2.1 液相物性数据
4.2.2 气相物性数据
4.2.3 气液相平衡数据
4.3 物料衡算
4.4 填料塔的工艺尺寸计算
4.4.1 吸收剂用量的计算
4.4.2 填料塔塔径的计算
4.4.3 传质系数的计算
4.4.4 塔高（填料层高度）的计算
4.4.5 塔压降的计算
4.4.6 塔附属高度的计算

化工原理课程设计任务书

设计题目：水吸收二氧化硫填料吸收塔的设计

1、设计题目：水吸收二氧化硫过程填料吸收塔的设计；
焚烧炉烟气经冷却后送入填料吸收塔，用20℃清水洗涤脱除其中的SO2。入塔气体流量为2000m3/h，其中，SO2的摩尔分率为0.05，要求SO2的吸收率为94%。吸收塔常压操作，填料为PP塑料阶梯环。采用大液气比，可视为等温操作。设计该填料吸收塔。

2、工艺操作条件：
（1） 操作压力： 常压；
（2） 操作温度： t=20℃，过程视为等温过程；
（3） 填料类型： PP塑料阶梯坏。

3、设计任务：
(1) 完成吸收过程的工艺设计与计算（包括塔高，塔径，塔内件，塔接管尺寸，填料的选取）；
(2) 绘制吸收系统的工艺流程图，吸收塔的设备图。
(3) 编写该吸收塔的设计说明书；

摘要

吸收是利用混合气体中各组分在液体中的溶解度的差异来分离气态均相混合物的一种单元操作。在化工生产中主要用于原料气的净化，有用组分的回收等。
气液两相的分离是通过它们密切的接触进行的，在正常操作下，气相为连续相而液相为分散相，气相组成呈连续变化，气相中的成分逐渐被分离出来。填料塔是气液呈连续性接触的气液传质设备，属微分接触逆流操作过程。塔的底部有支撑板用来支撑填料，并允许气液通过。支撑板上的填料有整砌和乱堆两种方式。填料层的上方有液体分布装置，从而使液体均匀喷洒于填料层上。填料层的空隙率超过90%，一般液泛点较高，单位塔截面积上填料塔的生产能力较高，研究表明，在压力小于0.3MPa 时，填料塔的分离效率明显优于板式塔。
这次课程设计的任务是用水吸收空气中的二氧化硫。要求设计包括塔径、填料塔高度、塔管的尺寸等，需要通过物料衡算得到所需要的基础数据，然后进行所需尺寸的计算得到各种设计参数，为图的绘制打基础，提供数据参考。

绪论
3.1 气体吸收技术概况
当气体混合物与适当的液体接触，气体中的一个或者几个组分溶解与液体中，而不能溶解的组分仍留在气体中，使气体得以分离。吸收过程是化工生产中常用的气体混合物的分离操作，其基本原理是利用混合物中各组分在特定的液体吸收剂中的溶解度不同，实现各组分分离的单元操作。
实际生产中，吸收过程所用的吸收剂常需回收利用，故一般来说，完整的吸收过程应包括吸收和解吸两部分，因而在设计上应将两部分综合考虑，才能得到较为理想的设计结果。作为吸收过程的工艺设计，其一般性问题是在给定混合气体处理量、混合气体组成、温度、压力以及分离要求的条件下，完成以下工作：
（1）根据给定的分离任务，确定吸收方案；
（2）根据流程进行过程的物料和热量衡算，确定工艺参数；
（3）依据物料及热量衡算进行过程的设备选型或设备设计；
（4）绘制工艺流程图及主要设备的工艺条件图；
（5）编写工艺设计说明书[1]。
3.2 吸收设备的发展
在吸收过程中，质量交换是在两相接触面上进行的。因此，吸收设备应具有较大的气液接触面，按吸收表面的形成方式，吸收设备可分为下列几类：
（1）表面吸收器
吸收器中两相间的接触面是静止液面（表面吸收器本身的液面）或流动的液膜表面（膜式吸收器）。这类设备中的接触表面在相当大的程度上决定于吸收器构件的几何表面。
这类设备还可分为以下几种基本类型：
a. 水平液面的表面吸收器：
在这类吸收器中，气体在静止不动或缓慢流动的液面上通过，液面即为传质表面，由于传质表面不大，所以此种表面吸收器只适用于生产规模较小的场合。通常将若干个气液逆流运动的吸收器串联起来使用。为了能使液体自流，可将吸收器排列成阶梯式，即沿流体的流向，后一个吸收器低于前一个吸收器。
水平液面的表面吸收器的效率极低，现在应用已很有限。只有从体积量不大的气体中吸收易溶组分，并同时需要散除热量的情况下才采用它们。这类吸收器有时还用于吸收高浓度气体混合物中的某些组分。
b. 液膜吸收器：
在液膜吸收器中，气液两相在流动的液膜表面上接触。液膜是沿着圆管或平板的纵向表面流动的。已知有三种类型的液膜吸收器：
列管式吸收器：液膜沿垂直圆管的内壁流动；
板状填料吸收器：填料是一些平行的薄板，液膜沿垂直薄板的两测流动；
升膜式吸收器：液膜向上（反向）流动。目前，液膜吸收器应用比较少，其中最常见的是列管式吸收器，常用于从高浓度气体混合 物同时取出热量的易溶气体（氯化氢，二氧化硫）的吸收。
填料吸收器 填料吸收器是装有各种不同形状填料的塔。喷淋液体沿填料表面流下，气液两相主要在填料的润湿表面上接触。设备单位体积内的填料表面积可以相当大，因此，能在较小的体积内得到很大的传质表面。但在很多情况下，填料的活性接触表面小于其几何表面。
c 填料吸收器：
填料吸收器一般作成塔状，塔内装有支撑板，板上堆放填料层。喷淋的液体通过分布器洒向填料。在吸收器内，填料在整个塔内堆成一个整体。有时也将填料装成几层，每层的下边都设有单独的支撑板。当填料分层堆放时，层与层之间常装有液体再分布装置。
在填料吸收器中，气体和液体的运动经常是逆流的。而很少采用并流操作。但近年来对在高气速条件下操作的并流填料吸收器给予另外很大的关注。在这样高的气速下，不但可以强化过程和缩小设备尺寸，而且并流的阻力降也要比逆流时显着降低。这样高的气速在逆流时因为会造成液泛，是不可能达到的。如果两相的运动方向对推动力没有明显的影响，就可以采用这种并流吸收器。
填料吸收器的不足之处是难于除去吸收过程中的热量。通常使用外接冷却器的办法循环排走热量。曾有人提出在填料层中间安装冷却组件从内部除热的设想，但这种结构的吸收器没有得到推广。
d 机械液膜吸收器：机械液膜吸收器可分为两类。在第一类设备中，机械作用用来生成和保持液膜。属于这一类的有圆盘式液膜吸收器。当圆盘转到液面上方时，便被生成的液膜所覆盖，吸收过程就在这一层液膜表面上进行。圆盘的圆周速度为0.2～0.3 米/秒。这种吸收器的传质系数与填料吸收器相近。
第一类设备没有什么明显的优点，并由于有转动部件的存在而使结构复杂化，同时还增加了能量消耗。因此这类设备没有得到推广。
第二类设备的实用意义较大。在这类设备中，转子的转动用来使两相混合，促使传质过程得到强化。这种设备称之为“转子液膜塔”，常用于热稳定性较差物质的精馏。显然，这种设备也可用于吸收操作。
（2）鼓泡吸收器
在这种吸收器中，接触表面是随气流而扩展。在液体中呈小气泡和喷射状态分布。这样的气体运动（鼓泡）是以其通过充满液体的设备（连续的鼓泡）或通过具有不同形式塔板的塔来实现。在充填填料的吸收器中，也可看到气体和液体相互作用的特征。这一类吸收器也包括以机械搅拌混合液体的鼓泡吸收器。鼓泡吸收器中，接触表面是由流体动力状态（气体和液体的流量）所决定的。
（3）喷洒吸收器
喷洒吸收器中的接触表面是在气相介质中喷洒细小液滴的方法而形成的。接触表面取决于流体动力学状态（液体流量）。这一类的吸收器有：吸收器中液体的喷洒是用喷雾器（喷洒或空心的吸收器）；用高速气体运动流的高速并流喷洒吸收器；或用旋转机械装置的机械喷洒吸收器。
在这些不同形式的设备中，现在最通用的是填料及鼓泡塔板吸收器。
1.3 吸收在工业生产中的应用
在化工生产中所处理的原料﹑中间产物﹑粗产品等几乎都是混合物，而且大部分是均相混合物，为进一步加工和使用，常需将这些混合物分离为较纯净或几乎纯态的物质。对于均相物系，要想进行组分间的分离，必须要造成一两个物系，利用原物系中各组分间某种物性的差异，而使其中某个组分（或某些组分）从一相转移到另一相，以达到分离的目的。物质在相间的转移过程称为物质传递过程。吸收单元操作是化学工业中常见的传质过程。气体的吸收在化工生产中主要用来达到以下几种目的 ：
(1)有用组分的回收:
例如用硫酸处理焦炉气以回收其中的二氧化硫，用气油处理焦炉气以回收其中的芳烃，用液态烃处理裂解气以回收其中的乙烯、丙烯等。
(2)原料气的净化:
例如用水和碱液脱除合成二氧化硫原料气中的二氧化碳，用丙酮脱除裂解气中的乙炔等。
(3)某些产品的制取:
例如用水吸收二氧化氮以制造硝酸，用水吸收氯化氢以制备盐酸，用水吸收甲醛以制备福尔马林溶液等。
(4)废气的治理:
例如：电厂的锅炉尾气含二氧化硫。硝酸生产尾气含一氧化氮等有害气体，均须用吸收方法除去。

4.吸收塔的工艺计算
4.1 填料选择
该系统采用散装填料，系统中含SO2有一定腐蚀性，故考虑选用Ф25mm聚丙烯阶梯环。由于系统对压降无特殊要求，考虑到不同尺寸阶梯环的性能，采用乱堆Ф25mm聚丙烯阶梯环。
阶梯环填料的构造与鲍尔环相似，环壁上开有长方形孔，环内有两层交错45度的十字形翘片。阶梯环比鲍尔环短，高度通常只有直径的一半。阶梯环的一端制成喇叭口形状，因此，在填料层中填料之间呈多点接触，床层均匀且孔隙率大。与鲍尔环相比，气体流动阻力可降低25%左右，生产能力可提高10%。

其基本特性见下表：
比表面积a/(m²/m³)
空隙率 ε/（m³/m³）
每m³填料个数
堆积密度ρp/(Kg/m)
干填料因子 (a/ε)/m-1
平均填料因子
Φ/m-1
临界表面张力σc (mN/m)
223
0.90
81.510³
97.8
313
172
33

4.2 基础物性参数
4.2.1 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，20oC时水的有关物性数据如下：
密度为：
黏度 ：
表面张力为：
SO2在水中的扩散系数为：
对于该体系修正因子可以近似曲1，即：
4.2.2 气相物性数据
混合气体的平均摩尔质量为：

混合气体的平均密度为：

混合气体的黏度可近似取为空气的黏度，查化工原理上册得20oC空气的黏度为：

由化工原理下册表8-1查的273.15K时SO2在空气中的扩散系数为：
所以293.15时,
4.2.3 气液相平衡数据
由手册查得。常压下20oC时，SO2在水中的亨利系数为：

相平衡常数为：

溶解度系数为：

4.3 物料衡算

气相的摩尔流率为：

由设计任务知该吸收过程属于低浓度吸收，平衡关系为直线，取实际液气比为最小液气比的1.5倍，则可以得到以下计算：

由，求得吸收液出塔浓度为：

4.4 填料塔的工艺尺寸计算
4.4.1 吸收剂用量的计算

4.4.2 填料塔塔径的计算
对T=20℃的空气：
对T=20℃的清水：
则：
由填料塔泛点与压降通用关联图可知：
计算得：
操作空塔气速：
取泛点气速的70%
则

塔径：
圆整后取:
校核：
(1).泛点率校核：由于泛点附近流体力学性能的不稳定性，一般较难稳定操作，故一般要求泛点率在50%-80%之间，而对于易起泡的物系可低于40%；

（在允许范围内）
(2).填料规格校核 （在允许范围内）
(3).核算喷淋密度：
对于散装填料 ： (最小润湿率)为 0.08 m3/(m.h) at=223m2/m3

符合要求
4.4.3 传质系数的计算
(1）.物性数据：
20℃ 液相:DL=D0Tµ0/T0µ=1.47x10-9m²/s, ρL=998.2Kg/m³,
μL=1.00410-3PaS, σ=72.67mN/m
修正因子ψ=1.45
20℃ 气相:ρG=1.2781kg/m³,
µG=1.8110-5 PaS, σc=33mN/m,
DG=D0(T/T0)1.81(P0/P)=1.386510-5 m²/s
(2）.求的值

(3）.求传质系数 (按照修正的恩田公式计算）
液相传质系数kLa

以此可以计算液相传质系数：

气相传质系数：
4.4.4 塔高（填料层高度）的计算
物料进出塔情况：（均为摩尔含量）
查附表5，对于阶梯形填料，
取h/D=8, h=8x1200=9600mm
计算得填料层高度为6000mm,故不需要分段。
4.4.5 塔压降的计算
取通用压降关联图横坐标1.0374，将操作气速代替纵坐标中的,查表5-16（化工原理课程设计），塑料阶梯环的压降填料因子

4.4.6 塔附属高度的计算