化工原理課程設計報告-30℃時水吸收二氧化硫填料塔的設計

.z......資料...."化工原理"課程設計報告題目：處理量為1000m3/h清水吸收二氧化硫填料吸收塔設計系別：環(huán)境科學與工程學院專業(yè)班級：環(huán)境工程11〔2〕班姓名：陳新林學號：3111007481指導教師：*育英〔課程設計時間：2013年12月30日——2014年1月5日〕**工業(yè)大學目錄1．課程設計目的…………………12．課程設計題目描述和要求……………13．課程設計報告內(nèi)容……………43.1根底物性數(shù)據(jù)………………43.1.1液相物性數(shù)據(jù)…………43.1.2氣相物性數(shù)據(jù)…………5氣液相平衡數(shù)據(jù)………63.2物料衡算……………………63.3塔徑計算……………………73.3.1塔徑的計算……………83.3.2泛點率校核：…………83.3.3填料規(guī)格校核：…………93.3.4液體噴淋密度得校核：…………………93.4填料層高度的計算…………93.4.1傳質單元數(shù)的計算……………………93.4.2傳質單元高度的計算…………………103.4.3填料層高度的計算……………………113.5填料塔附屬高度的計算……………………113.6液體分布器計算……………12液體分布器的選型……………………123.6.2布液計算………………133.7其他附屬塔內(nèi)件的選擇……………………13填料支承裝置的選擇…………………13填料壓緊裝置…………16塔頂除霧器……………173.8吸收塔的流體力學參數(shù)計算………………173.8．1吸收塔的壓力降……………………173.8.2吸收塔的泛點率………183.8.3氣體動能因子…………183.9附屬設備的計算與選擇……………………183.9.1離心泵的選擇與計算…………………18吸收塔主要接收尺寸選擇與計算……22工藝設計計算結果匯總與主要符號說明…………244．總結……………26參考文獻…………271.課程設計目的化工原理課程設計是學生學過相關根底課程及化工原理理論與實驗后，進一步學習化工設計的根底知識，培養(yǎng)工程設計能力的重要教學環(huán)節(jié)。通過該環(huán)節(jié)的實踐，可使學生初步掌握單元操作設計的根本程序與方法，得到工程設計能力的根本鍛煉?；ぴ碚n程設計是以實際訓練為主的課程，學生應在過程中收集設計數(shù)據(jù)，在教師指導下完成一定的設備設計任務，以到達培養(yǎng)設計能力的目的。單元過程及單元設備設計是整個過程和裝備設計的核心和根底，并貫穿于設計過程的始終，從這個意義上說，作為相關專業(yè)的本科生能夠熟練地掌握典型的單元過程及裝備的設計過程和方法，無疑是十分重要的。2．課程設計題目描述和要求2.1設計題目描述(1)設計題目二氧化硫填料吸收塔及周邊動力設備與管線設計(2)設計內(nèi)容根據(jù)所給的設計題目完成以下內(nèi)容：(1)設計方案確定；(2)相關衡算；(3)主要設備工藝計算；(4)主要設備構造設計與算核；(5)輔助〔或周邊〕設備的計算或選擇；(6)制圖、編寫設計說明書及其它。(3)原始資料設計一座填料吸收塔，用于脫除廢氣中的SO2，廢氣的處理量為1000m3/h，其中進口含SO2為2%〔摩爾分率〕，采用清水進展逆流吸收。要求塔吸收效率達98%。吸收塔操作條件：常壓：101.3Kpa；恒溫，氣體與吸收劑溫度：303K清水取自1800米外的湖水。示意圖參見設計任務書。⒈設計滿足吸收要求的填料塔及附屬設備；⒉選擇適宜的流體輸送管路與動力設備〔求出揚程、選定型號等〕，并核算離心泵安裝高度。2.2設計要求設計時間為一周。設計成果要求如下：完成設計所需數(shù)據(jù)的收集與整理完成填料塔的各種計算完成動力設備及管線的設計計算完成填料塔的設備組裝圖5.完成設計說明書或計算書〔手書或電子版打印均可〕目錄、設計題目任務、氣液平衡數(shù)據(jù)、L/G、液泛速度、塔徑、KYa〔或K*a的計算、HOL、NOL的計算、動力設備計算過程〔包括管徑確定〕等。3．課程設計報告內(nèi)容吸收塔的工藝計算3.1根底物性數(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)可近似取水的物性數(shù)據(jù)。由手冊查得，30℃時水的有關物性數(shù)據(jù)如下：密度【1】黏度【1】外表*力為【1】SO2在水中的擴散系數(shù)為【1】3.1.2氣相物性數(shù)據(jù)混合氣體的平均摩爾質量為Kg/mol【1】Kg/mol【1】kg/kmol混合氣體的密度為混合氣體的黏度可近似取為空氣的黏度，查資料【1】得30℃空氣的黏度為【1】查得SO2在空氣中的擴散系數(shù)為【1】EMBEDUnknown3.1.3氣液相平衡數(shù)據(jù)查資料【5】：CA(kmol/m3)H(kmol/kpa*m3)y(kpa)5.010.74213.900.01230.42242.752.500.3796.980.01320.21221.481.500.2304.200.01380.12112.261.000.1542.800.01460.07767.860.700.1081.960.01560.05135.200.500.0771.400.01600.03423.460.300.0470.840.01790.01861.880.200.0310.560.01970.01121.130.150.0230.420.02130.0111.080.100.0160.280.02540.0060.63CA30度時二氧化硫在水中的平衡濃度，單位為kmol/m330度時二氧化硫在水中溶解平衡時的摩爾分數(shù)H30度時二氧化硫在水中到達平衡時的溶解度系數(shù)，單位為kmol/kpa*m3y30度時氣相中二氧化硫的摩爾分數(shù)30度時氣相中二氧化硫的平衡分壓，單位為kpa由以上的y和*，以*的值為橫坐標，y的值為縱坐標作平衡曲線，如圖1.1：3.2物料衡算進口氣體的體積流量G'=1000m3/h二氧化硫的摩爾分數(shù)為y1=0.09進塔氣相摩爾比為Y1=y1/1-y1=0.09/(1-0.09)=0.0989效率出塔氣相摩爾比Y2==0.00504進塔惰性氣相流量G=(G'/22.4)(1-y1)273/303=(1000/22.4)(1-0.09)273/303=36.603kmol/h空氣的體積流量VG=G'(1-y1)=10000.91=910m3/h出口液體中溶質與溶劑的摩爾比*2=0由圖1.1平衡曲線可以讀出y1=0.09所對應的溶質在液相中的摩爾分數(shù)=0.00252對應的液相中溶質與溶劑的摩爾比為最小液氣比【1】取液氣比【1】故L=G55.649=2036.920kmol/h操作線方程：【1】代入數(shù)據(jù)得：3.3塔徑計算該流程的操作壓力及溫度適中，防止二氧化硫腐蝕，故此選用型的塑料鮑爾環(huán)填料。其主要性能參數(shù)為：比外表積【4】空隙率【4】形狀修正系數(shù)=1.45【4】填料因子平均值=232m【4】A=0.0942【4】K=1.75【4】3.3.1塔徑的計算吸收液的密度近似看成30度水的密度：30度時空氣的密度【1】【1】采用Eckert關聯(lián)式計算泛點氣速：氣相質量流量為：液相質量流量為：選用型的塑料鮑爾環(huán)A=0.0942【4】K=1.75【4】【4】代入數(shù)值得：取空塔氣速：塔徑【1】圓整塔徑，取D=0.9m則算得3.3.2泛點率校核：3.3.3填料規(guī)格校核：【4】3.3.4液體噴淋密度校核：填料外表的潤濕狀況是傳質的根底，為保持良好的傳質性能，每種填料應維持一定的液體潤濕速率〔或噴淋密度〕。依Morris等推薦，d<75mm的環(huán)形及其它填料的最小潤濕速率〔〕min為最小噴淋密度噴淋密度經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用D=900mm合理。3.4填料層高度的計算3.4.1傳質單元數(shù)的計算由圖1.1曲線可以讀出以下9個點所對應的y和*：點數(shù)序號yY***89%0.098900.002450.0024560.0016871300.39378%0.086960.002220.0022200.0014721336.89867%0.075270.001970.0019700.0012621412.42956%0.063830.001720.0017230.0010561499.25045%0.052630.001460.0014620.0008891745.20134%0.041670.001230.0012320.0006581742.1623%0.030930.000970.0009710.0004651980.19812%0.020410.000730.0007300.0002762202.64300.457%0.005040.000240.00024104168.404由辛普森積分法有：m與y對應的平衡液相中的溶質的摩爾分數(shù)與Y對應的平衡液相中的溶質與溶劑的摩爾比傳質單元數(shù)，單位m3.4.2傳質單元高度的計算查資料【5】有：氣相總傳質單元高度采用修正的恩田關聯(lián)式計算：液體質量通量氣體質量通量氣膜吸收系數(shù)：液膜吸收系數(shù)：3.4.3填料層高度的計算由填料有效高度?。篫’=1.3Z=6.435m設計取填料層高度為3.5填料塔附屬高度的計算塔的附屬高度主要包括塔的上部空間高度，安裝液體分布器所需的空間高度，塔的底部空間高度等。塔的上部空間高度是為使隨氣流攜帶的液滴能夠從氣相中別離出來而留取的高度，可取1.2m〔包括除沫器高度〕。設塔定液相停留時間為10s，則塔釜液所占空間高度為考慮到氣相接收的空間高度，底部空間高度取為0.5米，則塔的附屬空間高度可以取為1.7m。吸收塔的總高度為3.6液體分布器計算液體分布器可分為初始分布器和再分布器，初始分布器設置于填料塔內(nèi)，用于將塔頂液體均勻的分布在填料外表上，初始分布器的好壞對填料塔效率影響很大，分布器的設計不當，液體預分布不均，填料層的有效濕面積減小而偏流現(xiàn)象和溝流現(xiàn)象增加，即使填料性能再好也很難得到滿意的別離效果。因而液體分布器的設計十分重要。特別對于大直徑低填料層的填料塔，特別需要性能良好的液體分布器。液體分布器的性能主要由分布器的布液點密度〔即單位面積上的布液點數(shù)〕，各布液點均勻性，各布液點上液相組成的均勻性決定，設計液體分布器主要是決定這些參數(shù)的構造尺寸。對液體分布器的選型和設計，一般要求：液體分布要均勻；自由截面率要大；操作彈性大；不易堵塞，不易引起霧沫夾帶及起泡等；可用多種材料制作，且操作安裝方便，容易調整水平。液體分布器的種類較多，有多種不同的分類方法，一般多以液體流動的推動力或按構造形式分。假設按流動推動力可分為重力式和壓力式，假設按構造形式可分為多孔型和溢流型。其中，多孔型液體分布器又可分為：蓮蓬式噴灑器、直管式多孔分布器、排管式多孔型分布器和雙排管式多孔型分布器等。溢流型液體分布器又可分為：溢流盤式液體分布器和溢流槽式液體分布器。根據(jù)本吸收的要求和物系的性質可選用重力型排管式液體分布器，布液孔數(shù)應應依所用填料所需的質量分布要求決定，噴淋點密度應遵循填料的效率越所需的噴淋點密度越大這一規(guī)律。3.6.1液體分布器的選型時，建議采用盤式分布器〔篩孔式〕液體分布器的選擇：按Eckert建議值，，按分布點幾何均勻與流量均勻的原則，進展布點設計。設計結果為：盤式分布器〔篩孔式〕：【5】分布盤直徑：600mm【5】分布盤厚度：4mm【5】3.6.3布液計算由取設計取3.7其他附屬塔內(nèi)件的選擇3.7.1填料支承裝置的選擇填料支承裝置的作用是支承填料以及填料層內(nèi)液體的重量，同時保證氣液兩相順利通過。支承假設設計不當，填料塔的液泛可能首先發(fā)生在支承板上。為使氣體能順利通過，對于普通填料塔，支承件上的流體通過的自由截面積為填料面的50%以上，且應大于填料的空隙率。此外，應考慮到裝上填料后要將支承板上的截面堵去一些，所以設計時應取盡可能大的自由截面。自由截面太小，在操作中會產(chǎn)生攔液現(xiàn)象。增加壓強降，降低效率，甚至形成液泛。由于填料支承裝置本身對塔內(nèi)氣液的流動狀態(tài)也會產(chǎn)生影響，因此作為填料支承裝置，除考慮其對流體流動的影響外，一般情況下填料支承裝置應滿足如下要求：〔1〕足夠的強度和剛度，以支持填料及所持液體的重量〔持液量〕，并考慮填料空隙中的持液量，以及可能加于系統(tǒng)的壓力波動，機械震動，溫度波動等因素。足夠的開孔率〔一般要大于填料的空隙率〕，以防止首先在支撐處發(fā)生液泛；為使氣體能順利通過，對于普通填料塔，支承件上的流體通過的自由截面積為填料面的50%以上，且應大于填料的空隙率。此外，應考慮到裝上填料后要將支承板上的截面堵去一些，所以設計時應取盡可能大的自由截面。自由截面太小，在操作中會產(chǎn)生攔液現(xiàn)象。增加壓強降，降低效率，甚至形成液泛[12]。構造上應有利于氣液相的均勻分布，同時不至于產(chǎn)生較大的阻力〔一般阻力不大于20Pa〕；構造簡單，便于加工制造安裝和維修。要有一定的耐腐蝕性。因柵板支承板構造簡單，制造方便，滿足題目各項要求，應選用柵板支承板。柵板兩塊查資料【5】(單位：mm)DRt88044025柵板1：〔單位：mm〕連接板長度270880102507270柵板2：〔單位：mm〕連接板長度303102509260如圖：支承板支撐圈兩塊查資料【5】厚度〔mm〕8947948升氣管式再分布器3.7.2填料壓緊裝置為保證填料塔在工作狀態(tài)下填料床能夠穩(wěn)定，防止高氣相負荷或負荷突然變動時填料層發(fā)生松動，破壞填料層構造，甚至造成填料損失，必須在填料層頂部設置填料限定裝置。填料限定可分為類：一類是將放置于填料上端，僅靠自身重力將填料壓緊的填料限定裝置，稱為填料壓板；一類是將填料限定在塔壁上，稱為床層限定板。填料壓板常用于陶瓷填料，以免陶瓷填料發(fā)生移動撞擊，造成填料破碎。床層限定板多用于金屬和塑料填料，以防止由于填料層膨脹，改變其開場堆積狀態(tài)而造成的流體分布不均勻的現(xiàn)象。一般要求壓板和限制板自由截面分率大于70%。本任務由于使用塑料填料，應選用床層限定板。3.7.3塔頂除霧器由于氣體在塔頂離開填料塔時，帶有大量的液沫和霧滴，為回收這局部液相，經(jīng)常需要在頂設置除沫器。根據(jù)本吸收塔的特點，此處用絲網(wǎng)除霧器：3.8吸收塔的流體力學參數(shù)計算3.8．1吸收塔的壓力降氣體通過填料塔的壓強降，對填料塔影響較大。如果氣體通過填料塔的壓強降大，則操作過程的消耗動力大，特別是負壓操作更是如此，這將增加塔的操作費用。氣體通過填料塔的壓力降主要包括氣體進入填料的進口及出口壓力降，液體分布器及再分布器的壓力降，填料支撐及壓緊裝置壓力降以及除沫器壓力降等。填料層壓降的計算可以利用Eckert通用關聯(lián)圖計算壓強降；橫坐標為又查散裝填料壓降填料因子平均值操作空塔氣速u=0.437m/s其它塔內(nèi)件的壓力降較小，在此可忽略3.8.2吸收塔的泛點率校核泛點率3.8.3氣體動能因子吸收塔內(nèi)氣體動能因子為氣體動能因子在常用的*圍內(nèi)。3.9附屬設備的計算與選擇3.9.1離心泵的選擇與計算取液體流速為u=2.0m/s原料泵的選擇對1--1和2--2截面列伯努力方程得：選用IS8065125型泵【1】汽蝕余量：3.0~~3.5m【1】30度時水的飽和蒸汽壓由于本設計中吸收劑使用的是水，因而，采用清水泵〔可用于輸送各種工業(yè)用水以及物理性質、化學性質類似于水的其他液體〕既簡單又使用。通過計算可知，吸收塔所要求的壓頭不是很高，所以采用普通的單級單吸式即可，本設計中選用的型號為IS125-100-200,其具體參數(shù)如下：轉速n/(r/min)流量/m3/h揚程H/m效率軸功率/kW電機功率/kW必須汽蝕余量質量〔泵/底座〕/kg145010012.5764.487.52.5100/66遠處泵和管路的設計及計算90度彎頭三個,進水管伸進水里，總管長l=1802.8+1.0=1803.8m鋼管絕對粗糙度:3.9.2吸收塔主要接收尺寸選擇與計算〔1〕進氣管(管的末端可制成向下的喇叭形擴大口〕取氣體流速u=15m/s=54000m/h〔2〕液體出口裝置對于直徑1.5以下的塔，管口末端可制成向下的喇叭形擴大口，防止淋下的液體進入管內(nèi)，同時還要使氣體分散均勻?！?〕氣體出口裝置氣體的出口裝置，要求既能保證氣體暢通又要盡量除去被夾帶的液沫，在氣體出口前加裝除液沫擋板。當氣體夾帶較多霧滴時，需另裝除沫器〔4〕液體管路直徑取液體流速據(jù)根管材規(guī)*，選擇熱軋無縫鋼管，取管徑為：其內(nèi)徑為81?！?〕液體進口裝置液體進口管應直接通向噴淋裝置，可選用直管。液體出口裝置為了便于塔內(nèi)液體排放，保證塔內(nèi)有一定液封裝置高度而設計，并能防止氣體短路。〔6〕封頭工藝設計計算結果匯總與主要符號說明吸收塔的吸收劑用量計算總表表-1工程符號數(shù)值與計量單位混合氣體處理量1000進塔氣相摩爾比0.0989出塔氣相摩爾比0.00504進塔液相摩爾分率0出塔液相摩爾分率0.00253最小液氣比55.649混合氣體的平均摩爾質量32.15混合氣體的平均密度1.293吸收劑用量氣相質量流量液相質量流量2036.9201297.5kg/h36664.56kg/h塔設備計算總表表-2工程符號數(shù)值與計量單位塔徑D0.09m填料層高度6.435填料塔上部空間高度1.2填料塔下部空間高度0.5塔附屬高度1.7塔高Z’8.135傳質單元高度1.25傳質單元數(shù)3.96總壓降838.99空塔氣速0.437泛點率填料計算總表表-3工程符號數(shù)值與計量單位填料直徑25泛點填料因子232填料臨界外表*力0.033N/m主要符號說明表-4符號意義數(shù)值與計量單位吸收因子或填料常數(shù)0.0942填料的比外表積20930℃S101.3Kpa水中擴散系數(shù)30℃S101.3Kpa空氣中擴散系數(shù)2.2重力加速度9.81氣體摩爾流速氣體膜吸收系數(shù)液膜吸收系數(shù)液相摩爾流速泛點氣速0.77氣體流速0.437液相體積流量氣相體積流量1003.48液體質量流量氣體質量流量液體密度995.7/混合氣體密度1.293/混合氣的粘度水的粘度空隙率90%填料材質的臨界外表*力水的外表*力填料的潤濕比外表積208.96氣體動能因子最小噴淋密度最小潤濕速率液體噴淋密度氣體的質量通量液體的質量通量4．總結剛開場看到這個設計題目時，教師給我們講了一下設計中的一些過程，但自己腦袋里幾乎是一片空白，不知道如何下手。向周圍的同學詢問她們的見解，大家的反響好似都一樣——茫然！同學們在一起討論，應該怎么做？我們先是反復閱讀設計任務，然后查看課本，去辦公室問教師，經(jīng)過這些步驟后，頭腦里漸漸有了設計過程的一個輪廓，盡管不是太清楚，但已經(jīng)知道具體應該做些什么。在以后的日子里，我的生活就是和同學就去圖書館查資料，去用電腦完成文字局部的輸入。但是在計算過程中，出現(xiàn)了不少問題。在選擇數(shù)據(jù)時，因為沒有經(jīng)歷，費了好多時間，計算完成后發(fā)現(xiàn)不合理，這時就得回到原點，再從新選擇，再計算。說實話，出現(xiàn)這種情況很氣人，懊悔選擇了原來不適宜的數(shù)據(jù)，有一種"走錯一步，全盤皆輸〞的感覺。這時候就用一句"人生豪邁，大不了從頭再來〞來鼓勵自己！當其他同學也有同樣的感覺時，用這句話也很管用。它幾乎成了鼓勵我們繼續(xù)走下去滅火劑。遇到問題時，我們不再煩躁，而是靜下心來，想出解決問題的方法。我是體會最深的一個，因為就在我計算問題完成后，接近大功告成時，我的U盤丟了！這事要是在放在以前，我肯定會抱怨，會煩躁不安，那是自己的多大心血?。〗?jīng)歷了則多后，我的心漸漸的平靜下來，連同學都疑心我為什么能則淡定。當我找完它所有可能純在的地方后，就決定再重新做一份，對我來說，這是最好的補救方法。在短短的兩周里，我真實的體會到理論與實踐結合的困難，也學到了用所學的有限的理論知識去解決實際過程中的問題的不易。在初步設計的時候，由于二氧化硫在30度的時候的溶解度曲線不是一條直線，而是一條曲線，而在計算相關參數(shù)的時候用亨利定律只能計算溶解度曲線是直線的情形，所以不能用亨利定律來計算相關參數(shù)。我們不得不通過查找文獻來尋找30度時候二氧化硫的溶解度時及在各個溶解