吸收塔的設計

1、課程設計任務書課程設計任務書1.設計題目設計題目：水吸收二氧化硫過程填料吸收塔的設計礦石焙燒爐送出的氣體冷卻到 25后送入填料塔中，用 20清水洗滌除去其中的SO2。入塔的爐氣流量為 2250m3/h，其中進塔 SO2的摩爾分數為 005，要求 SO2的吸收率為 96。吸收塔為常壓操作，因該過程液氣比很大，吸收溫度基本不變，可近似取為清水的溫度。吸收劑的用量為最小量的 14 倍。2.2.工藝操作條件工藝操作條件：(1) 操作平均壓力常壓 101.325kpa(2) 操作溫度t=20 (4) 所用填料為 DN38聚丙烯階梯環(huán)形填料。3.3.設計任務設計任務完成填料吸收塔的工藝設計與計算，有關附屬

2、設備的設計和選型，繪制吸收系統(tǒng)工藝流程圖和吸收塔工藝條件圖，編寫設計說明書。目錄目錄摘要摘要.1 11 1 緒論緒論.2 21.1 吸收技術概況 .21.2 吸收過程對設備的要求及設備的發(fā)展概況 .21.3 吸收在工業(yè)生產中的應用 .21.3.1 吸收的應用概況 .31.3.2 典型吸收過程 .32 2 設計方案設計方案.4 42.1 吸收方法及吸收劑的選擇 .42.1.1 吸收方法 .42.1.2 吸收劑的選擇: .42.2 吸收工藝的流程 .52.2.1 吸收工藝流程的確定 .52.2.2 吸收工藝流程圖及工藝過程說明 .62.3 操作參數的選擇 .62.3.1 操作溫度的選擇 .62.3

3、.2 操作壓力的選擇 .62.3.3 吸收因子的選擇 .72.4 吸收塔設備及填料的選擇 .82.4.1 吸收塔的設備選擇 .82.4.2 填料的選擇 .83 3 吸收塔的工藝計算吸收塔的工藝計算.93.1 基礎物性數據 .93.1.1 液相物性數據 .93.1.2 氣相物性數據 .93.1.3 氣液平衡數據 .93.2 物料衡算 .103.3 塔徑的計算 .103.3.1 塔徑的計算 .103.3.2 泛點率校核 .113.3.3 填料規(guī)格校核: .113.3.4 液體噴淋密度校核 .113.4 填料層高度計算 .113.4.1 傳質單元高度計算 .11OGH3.4.2 填料層高度 Z 的計

4、算: .123.5 填料層壓降 P 的計算: .123.6 填料塔附屬高度計算 .133.7 離心泵的選擇 3.8 進出液氣接管管口的計管 結論結論.13參考文獻參考文獻.14主要符號說明主要符號說明.14摘要摘要在化工生產中，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，在氣液兩相接觸是發(fā)生傳質，實現(xiàn)氣液混合物的分離。在化學工業(yè)中，經常需將氣體混合物中的各個組分加以分離，其目的是： 回收或捕獲氣體混合物中的有用物質，以制取產品； 除去工藝氣體中的有害成分，使氣體凈化，以便進一步加工處理；或除去工業(yè)放空尾氣中的有害物，以免污染大氣。 實際過程往往同時兼有凈化和回收雙

5、重目的。 氣體混合物的分離，總是根據混合物中各組分間某種物理和化學性質的差異而進行的。根據不同性質上的差異，可以開發(fā)出不同的分離方法。吸收操作僅為其中之一，它利用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。一般說來，完整的吸收過程應包括吸收和解吸兩部分。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)境等方面都要用到氣體吸收過程。填料塔作為主要設備之一，越來越受到青睞。二氧化硫填料吸收塔，以水為溶劑，經濟合理，凈化度高，污染小。此外，由于水和二氧化硫反應生成硫酸，具有很大的利用。1 1 緒論緒論1.11.1 吸收技術概況

6、吸收技術概況在化學工業(yè)中，利用不同氣體組分在液體溶劑中的溶解度的差異，對其進行選擇性溶解，從而將混合物各組分分離的傳質過程稱為吸收。氣體吸收過程是化工生產中常用的氣體混合物的分離操作，其基本原理是利用混合物中各組分在特定的液體吸收劑中的溶解度不同，實現(xiàn)各組分分離的單元操作。實際生產中，吸收過程所用的吸收劑常需回收利用，故一般來說，完整的吸收過程應包括吸收和解吸兩部分，因而在設計上應將兩部分綜合考慮，才能得到較為理想的設計結果。作為吸收過程的工藝設計，其一般性問題是在給定混合氣體處理量、混合氣體組成、溫度、壓力以及分離要求的條件下，完成以下工作：（1）根據給定的分離任務，確定吸收方案；（2）根據

7、流程進行過程的物料和熱量衡算，確定工藝參數；（3）依據物料及熱量衡算進行過程的設備選型或設備設計；（4）繪制工藝流程圖及主要設備的工藝條件圖；（5）編寫工藝設計說明書。1.21.2 吸收過程對設備的要求及設備的發(fā)展概況吸收過程對設備的要求及設備的發(fā)展概況近年來隨著化工產業(yè)的發(fā)展，大規(guī)模的吸收設備已經廣泛用于實際生產過程中。對于吸收過程，能夠完成分離任務的塔設備有多種，如何從眾多的塔設備中選擇合適類型是進行工藝設計的首要任務。而進行這一項工作則需對吸收過程進行充分的研究后，并經多方面對比方能得到滿意的結果。一般而言，吸收用塔設備與精餾過程所需要的塔設備具有相同的原則要求，用較小直徑的塔設備完成規(guī)

8、定的處理量，塔板或填料層阻力要小，具有良好的傳質性能，具有合適的操作彈性，結構簡單，造價低，便于安裝、操作和維修等。但是吸收過程，一般具有液氣比大的特點，因而更適用填料塔。此外，填料塔阻力小，效率高，有利于過程節(jié)能。所以對于吸收過程來說，以采用填料塔居多。近年來隨著化工產業(yè)的發(fā)展，大規(guī)模的吸收設備已經廣泛用于實際生產當中。具有了很高的吸收效率，以及在節(jié)能方面也日趨完善。填料塔的工藝設計內容是在明確了裝置的處理量，操作溫度及操作壓力及相應的相平衡關系的條件下，完成填料塔的工藝尺寸及其他塔內件設計。在今后的化學工業(yè)的生產中，對吸收設備的要求及效率將會有更高的要求，所以日益完善的吸收設備會逐漸應用于

9、實際的工業(yè)生產中。1.31.3 吸收在工業(yè)生產中的應用吸收在工業(yè)生產中的應用1.3.1 吸收的應用概況吸收的應用概況在化工生產中，原料氣的凈化，氣體產品的精制，治理有害氣體保護環(huán)境等方面得到了廣泛的應用，在研究和開發(fā)過程中，在方法上多從吸收過程的傳質速率著手，希望在整個設備中，氣液兩相為連續(xù)微分接觸過程，這一特點則與填料塔得到了良好的結合，由于填料塔的通量大，阻力小，使得其在某些處理量大要求壓降小的分離過程中備受青睞，尤其近年高效填料塔的開發(fā)，使得填料塔在分離過程中占據了重要的位置。吸收在化工的應用大致有以下幾種：（1）原料氣的凈化。（2）有用組分的回收。（3）某些產品的制取。（4）廢氣的處理

10、。1.3.2 典型吸收過程典型吸收過程煤氣脫苯為例:在煉焦及制取城市煤氣的生產過程中，焦爐煤氣內含有少量的苯、甲苯類低碳氫化合物的蒸汽（約 35）應予以分離回收，所用的吸3/mg收溶劑為該工業(yè)生產過程中的副產物，即焦煤油的精制品稱為洗油?；厥毡较滴镔|的流程包括吸收和解吸兩個大部分。含苯煤氣在常溫下由底部進入吸收塔，洗油從塔頂淋入，塔內裝有木柵等填充物。在煤氣與洗油接觸過程中，煤氣中的苯蒸汽溶解于洗油，使塔頂離去的煤氣苯含量降至某允許值()，而溶有較多苯系物質的洗油(稱富油)由吸收塔底排出。為取出富油3/2mg中的苯并使洗油能夠再次使用(稱溶劑的再生)，在另一個稱為解吸塔的設備中進行與吸收相反的

11、操作-解吸。為此，可先將富油預熱到 170左右由解吸C塔頂淋下，塔底通入過熱水蒸氣。洗油中的苯在高溫下逸出而被水蒸氣帶走，經冷凝分層將水除去，最終可得苯類液體（粗苯） ，而脫除溶質的洗油（稱貧油）經冷卻后可作為吸收溶劑再次送入吸收塔循環(huán)使用. 2 2 設計方案設計方案吸收過程的設計方案主要包括吸收劑的選擇、吸收流程的選擇、解吸方法選擇、設備類型選擇、操作參數的選擇等內容.用水吸收 S02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 S02不作為產品，故采用純溶劑。2.12.1 吸收方法及吸收劑的選擇吸收方法及吸收劑的選擇2.1.1 吸收方法吸收方法完成同一吸收

12、任務，可選用不同吸收劑，從而構成了不同的吸收方法，如以合成氨廠變換器脫 CO2的為例，若配合焦爐氣為原料的制氫工藝，宜選用水，碳酸丙烯酯，冷甲酸等作吸收劑，既能脫 CO2，又能脫除有機雜質。后繼配以堿洗和低溫液氨洗構成了一個完整的凈化體系，若以天然氣為原料制 H2和 N2時，宜選用催化熱碳酸鉀溶液作吸收劑，凈化度高。后繼再配以甲烷化法，經濟合理。其中，前者為物理吸收，后者則為化學吸收。一般而言，當溶劑含量較低，而要求凈化度又高時，宜采用化學吸收法；若溶質含量較高，而凈化度又不很高時，宜采用物理吸收法。2.1.2 吸收劑的選擇吸收劑的選擇:對于吸收操作,選擇適宜的吸收劑,具有十分重要的意義.其對

13、吸收操作過程的經濟性有著十分重要的影響.一般情況下,選擇吸收劑,要著重考慮如下問題.(一)對溶質的溶解度大所選的吸收劑多溶質的溶解度大,則單位量的吸收劑能夠溶解較多的溶質,在一定的處理量和分離要求下,吸收劑的用量小,可以有效地減少吸收劑循環(huán)量,這對于減少過程功耗和再生能量消耗十分有利.另一方面,在同樣的吸收劑用量下,液相的傳質推動力大,則可以提高吸收效率,減小塔設備的尺寸.(二)對溶質有較高的選擇性對溶質有較高的選擇性,即要求選用的吸收劑應對溶質有較大的溶解度,而對其他組分則溶解度要小或基本不溶,這樣,不但可以減小惰性氣體組分的損失,而且可以提高解吸后溶質氣體的純度.(三)不易揮發(fā)吸收劑在操作

14、條件下應具有較低的蒸氣壓,以避免吸收過程中吸收劑的損失,提高吸收過程的經濟性.(四)再生性能好由于在吸收劑再生過程中,一般要對其進行升溫或氣提等處理,能量消耗較大,因而,吸收劑再生性能的好壞,對吸收過程能耗的影響極大,選用具有良好再生性能的吸收劑,往往能有效地降低過程的能量消耗.以上四個方面是選擇吸收劑時應考慮的主要問題,其次,還應注意所選擇的吸收劑應具有良好的物理、化學性能和經濟性.其良好的物理性能主要指吸收劑的粘要小,不易發(fā)泡,以保證吸收劑具有良好的流動性能和分布性能.良好的化學性能主要指其具有良好的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性,以防止在使用中發(fā)生變質,同時要求吸收劑盡可能無毒、無易燃易爆性,對相

15、關設備無腐蝕性(或較小的腐蝕性).吸收劑的經濟性主要指應盡可能選用廉價易得的溶劑.表表 2 21 1 物理吸收劑和化學吸收劑的特性物理吸收劑和化學吸收劑的特性物理吸收劑化學吸收劑（1）吸收容量（溶解度）正比于溶質分壓（2）吸收熱效應很小（近于等溫）（3）常用降壓閃蒸解吸（4）適于溶質含量高，而凈化度要求不太高的場合（5）對設備腐蝕性小，不易變質（1）吸收容量對溶質分壓不太敏感（2）吸收熱效應顯著（3）用低壓蒸汽氣提解吸（4）適于溶質含量不高，而凈化度要求很高的場合（5）對設備腐蝕性大，易變質2.22.2 吸收工藝的流程吸收工藝的流程2.2.1 吸收工藝流程的確定吸收工藝流程的確定工業(yè)上使用的吸

16、收流程多種多樣，可以從不同角度進行分類，從所選用的吸收劑的種類看，有僅用一種吸收劑的一步吸收流程和使用兩種吸收劑的兩步吸收流程，從所用的塔設備數量看，可分為單塔吸收流程和多塔吸收流程，從塔內氣液兩相的流向可分為逆流吸收流程、并流吸收流程等基本流程，此外，還有用于特定條件下的部分溶劑循環(huán)流程。（一）一步吸收流程和兩步吸收流程一步流程一般用于混合氣體溶質濃度較低，同時過程的分離要求不高，選用一種吸收劑即可完成任務的情況。若混合氣體中溶質濃度較高且吸收要求也高，難以用一步吸收達到規(guī)定的吸收要求，但過程的操作費用較高，從經濟性的角度分析不夠適宜時，可以考慮采用兩步吸收流程。（二）單塔吸收流程和多塔吸收

17、流程單塔吸收流程是吸收過程中最常用的流程，如過程無特別需要，則一般采用單塔吸收流程。若過程的分離要求較高，使用單塔操作時，所需要的塔體過高，或采用兩步吸收流程時，則需要采用多塔流程（通常是雙塔吸收流程）（三）逆流吸收與并流吸收吸收塔或再生塔內氣液相可以逆流操作也可以并流操作，由于逆流操作具有傳質推動力大，分離效率高（具有多個理論級的分離能力）的顯著優(yōu)點而 廣泛應用。工程上，如無特別需要，一般均采用逆流吸收流程。（四）部分溶劑循環(huán)吸收流程由于填料塔的分離效率受填料層上的液體噴淋量影響較大，當液相噴淋量過小時，將降低填料塔的分離效率，因此當塔的液相負荷過小而難以充分潤濕填料表面時，可以采用部分溶劑

18、循環(huán)吸收流程，以提高液相噴淋量，改善踏的操作條件。3 3 吸收塔的工藝計算吸收塔的工藝計算。3.1基礎物性數據3.1.1 液相液相密度 L=998.2kg/m3粘度 L=0.001Pa.s=3.6kg/(m. h)表面張力 L=72.6dyn/cm=940896kg/h2SO2在水中的擴散系數為 DL=1.4710-5cm2/s=5.2910-6m2/h3.1.2氣相氣相混合氣體平均摩爾質量為ii=0.0564.060.9529=30.75vmM平均密度= vmRTMpvm3/257. 115.298314. 875.30325.101mkgy1=0.05 所以近似取空氣粘度 查表得當 T=2

19、0OC 時，hmScmSOhmkgspav/039. 0/108. 0D)./(065. 0.1081. 132V25在空氣中擴散系數為3.1.3相關平衡數據相關平衡數據04.35325.1011055. 3kP103055EC20T3320kpakpaPEmaSO 于水中的亨利系數為時，由表查得，當)./(0156. 002.181055. 32 .99833mkpakmolEMHSl3.2 物料計算物料計算 又0526. 095. 005. 01111yyY002104. 096. 010526. 01YY96. 012）（）（，所以進塔惰性氣體氣體流量 Lkmol/42.8705. 01

20、2515.27315.2734 .222250）（ 取操作液氣比最小值的 1.4 倍64.33001.350526. 0002104. 00526. 0)(2121minXmYYYVL得 所以 10.4764.334 . 1)(4 . 1minVLVL/13.411742.8710.47Lkmol由物料守恒得 0011. 013.4117)005104. 00526. 0(42.871X3.33.3 塔徑的計算塔徑的計算3.3.1 塔徑的計算塔徑的計算氣相質量流量為 液相質量流量近似取純水hkgWv/3 .2828257. 12250 由貝思-霍夫泛點關聯(lián)式hkgWl/68.7419002.1

21、813.41173/2 .998mkgl得Lg81412 . 032lvvlllvtfwwKAagu查表的 塑料階梯環(huán)有 32/5 .132mmat204. 0A75. 1K33/91. 0mm將已知數據帶入得515. 12 .998257. 13 .282868.7419075. 1204. 012 .998257. 191. 05 .13281. 981412 . 032fu 對于散裝材料 smuf/16. 17 . 0(85. 05 . 0ffuuuu由經驗得），取所以 smuuf/812. 016. 17 . 07 . 0 圓整塔徑取muVDs990. 0812. 014. 33600

22、/225044mD0 . 13.3.2 泛點率校核泛點率校核 smu/849. 0143600/24002 在允許范圍內 %18.7316. 1849. 0fuu3.3.3 填料規(guī)格校核填料規(guī)格校核:填料規(guī)格 由階梯環(huán)規(guī)格 而 符合要求8dD832.26381000dD3.3.4 液體噴淋密度校核液體噴淋密度校核液體噴啉密度校核 由直徑不超過 75mm 的散裝填料要求 hmmLw./08. 03min查附錄表得 塑料階梯環(huán)特性數據其比表面積 32/5 .132mmat hmmaLutw./6 .105 .13208. 023minminmin268.941785. 02 .99868.7419

23、0uu經以上校核可知，直徑選用 D=1000mm 合理。3.43.4 填料層高度計算填料層高度計算 0385. 00011. 004.3511mXY02Y 則744. 013.411742.8704.35LmvS68. 7744. 0002104. 00526. 0744. 01ln744. 0111ln112221SYYYYSSNOG3.4.1 傳質單元高度傳質單元高度計算計算OGH由修正的恩田關聯(lián)式得2 . 005. 021 . 075. 045. 1exp1tlllltlltllctwaUgaUaUaa查表 5-13 得 2/427680/33hkgcmdync液體的質量流量為 代入公式

24、計算得hmkgUl./42.945101785. 068.741902835. 05 .1329408962 .99842.945101027. 12 .9985 .13242.945106 . 35 .13242.9451094089642768045. 1exp12 . 0205. 0821 . 075. 0twaa=0.835氣膜系數 由氣體流量RTDaDaUvtvvvvtvG317 . 0237. 0 代入算得hmkgUv./86.36021785. 0257. 1225020378. 015.293314. 8039. 05 .132039. 0257. 1065. 0065. 05

25、 .13286.3602237. 0317 . 0G液膜吸吸系數由 公式 得322132095. 0llllllwllgDaUhml/075. 12 .9981027. 16 . 31029. 52 .9986 . 36 . 315.132835. 042.94510095. 031821632由 查表 5-14 得 1 . 1wGGaaK4 . 0wllaaK45. 1kpahmkmolKGa./294. 645. 15 .132835. 00378. 031 . 1 hKla199.13745. 15 .132835. 0075. 14 . 0又由 %50%18.73fuu校正 kpahm

26、kmolKuuKGafGa./02.14294. 65 . 0%18.735 . 915 . 05 . 913414 . 1 huuKlafla138.15299.1375 . 0%18.736 . 215 . 06 . 212 . 22 . 2kpahmkmolKHKlaGa./03. 238.1520156. 0102.1411111K3GampKvKvHGaYaOG541. 01403. 2325.10142.8723.4.2 填料層高度填料層高度 Z 的計算的計算: 由安全系數得 mHNZOGOG155. 4541. 068. 7ZZ)5 . 12 . 1 (取 圓整后取填料層高度為m

27、ZZ817. 5155. 44 . 14 . 1mZ6查表 5-16 對于階梯環(huán)材料 不妨取 158Dhmh6max9Dh則 由填料層高度為 6m 所以無需分段mmh9000100093.53.5 填料層壓降填料層壓降 PP 的計算的計算: :利用?？颂仃P聯(lián)圖計算 931. 02 .998257. 13 .282802.1813.41172121lvvlww查表 5-18 則縱座標為1116mp 查圖得 0107. 01257. 12 .99881. 91116849. 022 . 02llvpgumpaZp/49.28481. 929所以真料層壓降為pap94.170649.28463.63

28、.6 填料塔附屬高度及最終高度計算填料塔附屬高度及最終高度計算填料層最終高度為 6+20%6=7.2m3.6.1塔頂上部空間高度由經驗值，在此可取 1.4m由進氣管安裝要求，在此取高于塔底液面 0.3m, 且位于填料層下方一個塔徑的距離 1m水體的液封高度的計算：3.6.2 塔底液體保持高度取液體在塔底停留時間為 t=1min 由算的液體的流速為smvs/0206. 03 hDtvs24mhh57. 11414. 36010206. 0則塔高為 H=7.2+1.4+1+1.57+0.3=11.47m圓整后取塔高為 H=12m3.73.7泵的選擇泵的選擇 由液體的通量為hmV/32.742 .9

29、9868.741903由此查表選得泵型號為：IS100-80-1253.83.8 進出液氣接管管口的計管進出液氣接管管口的計管由管口直徑有 uvds43.8.1 對于液體有 由查得一般情況下液本進出smwvls/0206. 036002 .99868.741903管內速度一般為（0.81.5m/s） 在這里不妨取 u=1m/s 代入公式得mmmd1621621. 0114. 30206. 043.8.2 對于氣體有 由查得一般情況下氣體進出管內速度由smvs/625. 0360022503經驗值為（1020m/s） 在這里不妨取 u=15m/s 代入公式算得d= mmm2302303. 015

30、14. 3625. 04 圓整對液體管 Dg=175mm 壁厚為 10mm對氣體管 Dg=225mm 壁厚為 5mm 兩種接管長度均取 150mm 公稱壓力1.6Mpa結論結論吸收塔的吸收劑用量計算總表吸收塔的吸收劑用量計算總表意義及符號結果混合氣體處理量 G2250m3/h氣液相平衡常數 m35.04進塔氣相摩爾比 Y10.0526出塔氣相摩爾分率 Y20.00263進塔液相摩爾比 X10.0011出塔液相摩爾比 X20最小液氣比 L/V33.64混合氣體平均試量M 30.75g/mol混合氣體的密度 1.257kg/m3混合氣體的粘度 1.81Pa. s510吸收劑用量 L4117.13kmol/h塔設備計算總表塔設備計算總表意義及符號結果塔徑 D1.0 m塔高 H（理論值）圓整后塔高 H11.47m12m填料層高 Z7.2 m填料塔上部理論高度 h11.4m填料塔下部問總理論高度 h 2.87m氣相總傳質單元高度OGH 0.541m氣相總傳質單元數OGN7.68空塔氣速fu 1.16m/s泛點率 f73.18%參考文獻參考文獻化工原理 高等教育規(guī)劃教材第四版. 王志魁 劉麗英 劉偉 編常用化工單元設