畢業(yè)論文水吸收二氧化硫填料塔設(shè)計(jì)

水吸收二氧化硫填料塔設(shè)計(jì)作者陳福茂單位港口航道與近海工程學(xué)院專業(yè)港口航道與每岸工程學(xué)號(hào)1303010317摘要：本設(shè)計(jì)的目的在于除去工業(yè)放空尾氣中的有害物質(zhì)。尾氣的初始條件為：20°C,常壓下，體積流量為2500m3/h混合氣(空氣+SO2),其中SO2體積分?jǐn)?shù)5%,出塔SO2含量為0.25%。設(shè)計(jì)方案：用水吸收SO2屬中等溶解度的吸收過程，為提高傳質(zhì)效率，選用逆流吸收流程。因用水作為吸收劑，且SO2不作為產(chǎn)品，故屬用純?nèi)軇┪者^程。對(duì)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。根據(jù)以上條件本設(shè)計(jì)的結(jié)果如下：塔徑D=1.2m；填料層高度h=5000mm；填料設(shè)計(jì)層壓降△P=107?91x5=539?55Pa。關(guān)鍵詞：水，二氧化硫，填料塔吸收塔WaterAbsorptionofSulfurDioxideinaPackedTowerAbstract：Theabsorptionofthedesignaimstoremoveharmfulsubstancesintheexhaustofindustrialventing.Thesulfurdioxideabsorptionwater,designandoperatingconditionsforthetaskis:Atthetemperatureof20andundertheatmosphericpressure,thegasmixture(air+SO2)intheamountofprocesing:2500m3/h,volumefractionofsulfuedioxideintheinletgasmixture:5%,emissions(sulfurdioxidebyvolume):0.25%.Designscheme:Thesulfurdioxideabsorptionwater,tobelongtomediumsolubilityabsorptionprocess,inordertoimprovethemasstransferefficiency,choosecounter-currentabsorptionprocess,becausewaterabsorbentdo,andsulfurdioxide,notasproducts,sothepuresolvents.Choiceoffiller:theprocessofwaterabsorptionofSO2,theoperatingtemperatureandoperatingpressureislow,theindustryusuallyuseplasticbulkpacking.Intheplasticbulkpacking,plasticladderringpackingperformanceisbetter,thereforetheDN38polypropyleneladderringpackingisbeingchoiced.Thedesignofthetowerdiameteris1.2m,packinglayerheightis5000mm,packingdesignpressuredropis539.55Pa.KeyWords:H2O;SO2；PackedTower、弓I言填料塔70年代以前，在大型塔器中，板式塔占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，出現(xiàn)過許多新型塔板。70年代初能源危機(jī)的出現(xiàn)，突出了節(jié)能問題。隨著石油化工的發(fā)展，填料塔日益受到人們的重視，此后的20多年間，填料塔技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，涌現(xiàn)出不少高效填料與新型塔內(nèi)件，特別是新型高效規(guī)整填料的不斷開發(fā)與應(yīng)用，沖擊了蒸餾設(shè)備以板式塔為主的局面，且大有取代板式塔的趨勢(shì)。最大直徑規(guī)整填料塔已達(dá)14?20m，結(jié)束了填料塔只適用于小直徑塔的歷史。這標(biāo)志著填料塔的塔填料、塔內(nèi)件及填料塔本身的綜合設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新階段?？v觀填料塔的發(fā)展，可以看出，直至80年代末，新型填料的研究始終十分活躍，尤其是新型規(guī)整填料不斷涌現(xiàn)，所以當(dāng)時(shí)有人說是規(guī)整填料的世界。但就其整體來說，塔填料結(jié)構(gòu)的研究又始終是沿著兩個(gè)方面進(jìn)行的，即同步開發(fā)散堆填料與規(guī)整填料［1，2］。另一個(gè)研究方向是進(jìn)行填料材質(zhì)的更換，以適應(yīng)不同工藝要求，提高塔內(nèi)氣液兩相間的傳質(zhì)效果，以及對(duì)填料表面進(jìn)行適當(dāng)處理(包括在板片上碾壓細(xì)紋或麻點(diǎn)，在板片上粘接石英砂，表面化學(xué)改性等)，以改變液相在填料表面的潤(rùn)濕性［3-5］。填料塔從ACHEMA‘94和ACHEMA’97兩屆展覽會(huì)展出情況來看，進(jìn)入90年代后，填料的發(fā)展較慢，仿佛進(jìn)入一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定期，或者說是處于鞏固階段。如1994年展出的最具代表性的產(chǎn)品仍是Sulzer公司1991年展出的Optiflow規(guī)整填料，而1997年也只展出了一種新型填料的幾何形狀，即Raschig公司的Supekpak300型板式規(guī)整填料，其余都是一些老填料的新改進(jìn)(如Rombopak改進(jìn)型填料)。填料領(lǐng)域最多的發(fā)展還是在氣液分布器方面。國外大公司對(duì)液體分布裝置的研究較成熟，但對(duì)氣體分布器的研究是幾年前才起步的。與此相反的是，近五六年來，塔器中板式塔技術(shù)卻又有了明顯的進(jìn)步。盡管如此，新型填料的開發(fā)與應(yīng)用仍將會(huì)有發(fā)展，其重點(diǎn)亦仍是規(guī)整填料。預(yù)計(jì)今后填料塔的發(fā)展仍應(yīng)歸結(jié)到以下三個(gè)方面：①新型填料及塔內(nèi)件的開發(fā)。②填料塔的性能研究。③填料塔的工業(yè)應(yīng)用。塔設(shè)備是煉油、化工、石油化工等生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的氣液傳質(zhì)設(shè)備。根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸部件的形式，可以分為填料塔和板式塔［6,7］。板式塔屬于逐級(jí)接觸逆流操作，填料塔屬于微分接觸操作［8-10］。工業(yè)上對(duì)塔設(shè)備的主要要求：(1)生產(chǎn)能力大(2)分離效率高(3)操作彈性大(4)氣體阻力小結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備取材面廣等［11-13］。塔型的合理選擇是做好塔設(shè)備設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)，選擇時(shí)應(yīng)考慮物料的性質(zhì)、操作的條件、塔設(shè)備的性能以及塔設(shè)備的制造、安裝、運(yùn)轉(zhuǎn)和維修等方面的因素［15-18］。板式塔的研究起步較早，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低、適應(yīng)性強(qiáng)、易于放大等特點(diǎn)。填料塔由填料、塔內(nèi)件及筒體構(gòu)成。填料分規(guī)整填料和散裝填料兩大類U9,20］。塔內(nèi)件有不同形式的液體分布裝置、填料固定裝置或填料壓緊裝置、填料支承裝置、液體收集再分布裝置及氣體分布裝置等。與板式塔相比，新型的填料塔性能具有如下特點(diǎn)：生產(chǎn)能力大、分離效率高、壓力降小、操作彈性大、持液量小等優(yōu)點(diǎn)。二、實(shí)驗(yàn)過程1任務(wù)及操作條件1.1設(shè)計(jì)任務(wù)SO2氣體填料吸收塔設(shè)計(jì)。1.2操作條件混合氣(空氣+SO2)處理量：2500m3/h；進(jìn)塔混合氣中二氧化硫體積分?jǐn)?shù)：5%；進(jìn)塔吸收劑(清水)溫度：20°C；排放量(二氧化硫體積分?jǐn)?shù))：0.25%；操作壓力：常壓。2設(shè)計(jì)方案的確定2.1吸收劑的選擇用水吸收SO2屬中等溶解度的吸收過程，為提高傳質(zhì)效率，選用逆流吸收流程。因用水作為吸收劑，且SO2不作為產(chǎn)品，故采用純?nèi)軇?.2填料的選擇對(duì)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。圖1水吸收二氧化硫的吸收和解析過程3基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)3.1液相物性數(shù)據(jù)對(duì)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(cè)查得，20°C時(shí)水的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度為p=998.2kg/m3粘度為r￡=0.001Pa.s=3.6kg/(m.h)；中=1表面張力為a=72.7x10-3N/m=940896kg/h2LSO2在水中的擴(kuò)散系數(shù)為D廣1.47x10-9m2/s=5.29x10-6m2/h3.2氣相物性數(shù)據(jù)混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為MV=Zy.M,=0.05x64.06+0.95x29=30.75混合氣體的平均密度為p=1pMv=1.257kg/m3vRT混合氣體的粘度可近似取為空氣的粘度，查手冊(cè)得20°C空氣的粘度為旦=1.81x10-5Pa?s=0.065kg/(m.h)V查手冊(cè)得SO2在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為Dv=0.039m2/h3.3氣液相平衡數(shù)據(jù)由手冊(cè)查得，常壓下20C時(shí)SO2在水中的亨利系數(shù)為E=3.55x103kPa相平衡常數(shù)為心勺35.04P101.3溶解度系數(shù)為x_025=0.142%b35.04X*0.14%=0.0014b1-0.14%5填料塔的工藝尺寸的計(jì)算采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算泛點(diǎn)氣速。塔底混合氣相質(zhì)量流量為:V'=2500x1.257=3142.5Kmol/h

液相質(zhì)量流量可近似按純水的流量計(jì)算，即L'=4950.37xl8.02=89205.6674Kg/h纖Pg)°.5_89205.6674』1.257]°5_i007V\pJ3142.5"998.2J經(jīng)比較選用DN38塑料階梯環(huán)查《化工原理》附錄知：填料因子o=170m-io從0.080.06?KV00.010.0080.0066810下圖查得：儀FPT.007垂線與散堆填料液泛總線相交可讀出疽.0210.0020.1/3L'fP0.080.06?KV00.010.0080.0066810下圖查得：儀FPT.007垂線與散堆填料液泛總線相交可讀出疽.0210.0020.1/3L'fP，

V'IpJ圖2填料塔液泛、壓力降通用關(guān)聯(lián)圖橫坐標(biāo):L'V0.5V橫坐標(biāo):L'V0.5V―trV/pA0-5—W(pp31

T——G—l^-

gp

LW(pp31

T——G—l^-

gp

L各物理量的意義如下：V\Lf--氣體與液體的質(zhì)量流速Kg/M2S；

V、VLV、VL——?dú)怏w與液體的體積流量M3/S；Pg、p——?dú)怏w與液體的密度Kg/M3。中――填料因子I/M；查表4=170mtF=0.021:0.021gPL\,'4VP32:0.021gPL\,'4VP32=0.981m/s\T70x1x1.257x100.2取u=0.7〃尸=0.7x0.981=0.687m/s2500Vs==0.694m3/s36004V4x2500/3600D=S=■=1.135mHu3.14x0.687圓整塔徑，取D=1.2m泛點(diǎn)率校核：=0.614m/s2500/3600u==0.614m/s—=0614x100%=62.6%(在允許的范圍內(nèi))uF0.981填料規(guī)格校核:=31.58>8液體噴淋密度校核:取最小潤(rùn)濕速率為(L).=0.08m3/m-h查填料手冊(cè)得a=132.5m2/m3tU.=(L).a=0.08x132.5=10.6m3/m2-hU=89205.6674/998.2=79.06>u0.785x1.22min經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用D=1200mm合理實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

1.液體分布器簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)1.1液體分布器的選型該吸收塔液相負(fù)荷較大，而氣相負(fù)荷相對(duì)較低，故選用槽式液體分布器。2.2分布點(diǎn)密度計(jì)算按Eckert建議值，D〉1200mm時(shí)，噴淋點(diǎn)密度為42點(diǎn)/m2,因該塔液相負(fù)荷較大，設(shè)計(jì)取噴淋點(diǎn)密度為120點(diǎn)/m2。布液點(diǎn)數(shù)為仃0.785x1.22x120=135.6=136點(diǎn)八、、按分布點(diǎn)幾何均勻與流量均勻的原則，進(jìn)行布點(diǎn)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)結(jié)果為：二級(jí)槽共設(shè)七道，在槽側(cè)面開孔，槽寬度為80mm，槽高度為210mm，兩槽中心矩為160mm。分布點(diǎn)采用三角形排列，實(shí)際設(shè)計(jì)布點(diǎn)數(shù)為n=132點(diǎn)，布液點(diǎn)示意圖所示。由L^=旦由L^=旦d2沖j2gAH得取中0.60，d=0gW=0.015(4x89205.37/(998.2x=0.015，"3.14x132x0.6J2x9.81x0.16)設(shè)計(jì)取do=15mm。2.填料吸收塔的附屬設(shè)備2.1填料支承板分為兩類：氣液逆流通過平板型支承板，板上有篩孔或柵板式;氣體噴射型，分為圓柱升氣管式的氣體噴射型支承板和梁式氣體噴射型支承板。2.2填料壓板和床層限制板在填料頂部設(shè)置壓板和床層限制板。有柵條式和絲網(wǎng)式。2.3氣體進(jìn)出口裝置和排液裝置填料塔的氣體進(jìn)口既要防止液體倒灌，更要有利于氣體的均勻分布。對(duì)500mm直徑以下的小塔，可使進(jìn)氣管伸到塔中心位置，管端切成45度向下斜口或切成向下切口，使氣流折轉(zhuǎn)向上。對(duì)1.5m以下直徑的塔，管的末端可制成下彎的錐形擴(kuò)大器。氣體出口既要保證氣流暢通，又要盡量除去夾帶的液沫。最簡(jiǎn)單的裝置是除沫擋板（折板），或填料式、絲網(wǎng)式除霧器。2.4除霧沫器穿過填料層的氣體有時(shí)會(huì)夾帶液體和霧滴，因此需在塔頂氣體排出口前設(shè)置除沫器，以盡量除去氣體中被夾帶的液體霧沫，SO2溶于水中易于產(chǎn)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(wǎng)除沫器。絲網(wǎng)除霧沫器：一般取絲網(wǎng)厚度H=100?150mm，氣體通過除沫器的壓降約為120?250Pa，通過絲網(wǎng)除沫器的最大氣速umax=k=0.085=2.3875m/s，實(shí)際氣速為最大氣速的0.75?0.8倍所以實(shí)際氣速u=0.75x2.3875=1.7906m/s。所以絲網(wǎng)除沫器直徑D=0.6984m液體出口裝置既要使塔底液體順利排出，又能防止塔內(nèi)與塔外氣體串通，常壓吸收塔可采用液封裝置。注：（1）本設(shè)計(jì)任務(wù)液相負(fù)荷不大，可選用排管式液體分布器；且填料層不高，可不設(shè)液體再分布器。（2）塔徑及液體負(fù)荷不大，可采用較簡(jiǎn)單的柵板型支承板及壓板。其它塔附件及氣液出口裝置計(jì)算與選擇此處從略。四、設(shè)計(jì)總結(jié)對(duì)于設(shè)計(jì)過程我們通過查閱各種文獻(xiàn)得到數(shù)據(jù)，公式最后匯總，通過給出的任務(wù)進(jìn)行計(jì)算，使我們的自學(xué)能力，匯總能力都得到了提高。對(duì)于最后部分塔附屬高度的計(jì)算還不甚了解，很不熟練，有待提高。通過本次課程設(shè)計(jì)不僅增強(qiáng)了自己的自學(xué)能力更促進(jìn)了對(duì)化工原理知識(shí)的進(jìn)一步了解，同時(shí)通過同學(xué)之間，同學(xué)和老師之間的相互交流使我的設(shè)計(jì)更加完善。在良好的互動(dòng)環(huán)境下我們大家都很努力認(rèn)真，不僅是為了取得成績(jī)，更是為了能在知識(shí)上，在能力上都有所提高。特別使對(duì)一些參考文獻(xiàn)的使用，和對(duì)圖表的查詢都有了實(shí)質(zhì)性的操作。動(dòng)手能力也有了顯著提高，使我們大家都很高興。雖然我們做設(shè)計(jì)的時(shí)間較以前的學(xué)哥學(xué)姐時(shí)間短，但我們相信我們的收獲不比他們少。當(dāng)然我知道自己的設(shè)計(jì)也許還存在這樣或那樣的不足，但我知道這是我努力的結(jié)果。我感謝能有這次讓我努力并增長(zhǎng)知識(shí)的機(jī)會(huì)，缺點(diǎn)和不足一定回盡力改正。也真心的希望這樣可以促進(jìn)我們學(xué)習(xí)和進(jìn)步的機(jī)會(huì)以后還：1、通過本次課程設(shè)計(jì)，使我對(duì)從填料塔設(shè)計(jì)方案到填料塔設(shè)計(jì)的基本過程的設(shè)計(jì)方法、步驟、思路、有一定的了解與認(rèn)識(shí)。它相當(dāng)于實(shí)際填料塔設(shè)計(jì)工作的模擬。在課程設(shè)計(jì)過程中，基本能按照規(guī)定的程序進(jìn)行，先針對(duì)填料塔的特點(diǎn)和收集、調(diào)查有關(guān)資料，然后進(jìn)入草案階段，其間與指導(dǎo)教師進(jìn)行幾次方案的討論、修改，再討論、逐步了解設(shè)計(jì)填料塔的基本順序，最后定案。設(shè)計(jì)方案確定后，又在老師指導(dǎo)下進(jìn)行擴(kuò)初詳細(xì)設(shè)計(jì)，并計(jì)算物料守衡，傳質(zhì)系數(shù)，填料層高度，塔高等；最后進(jìn)行塔附件設(shè)計(jì)。2、此次課程設(shè)計(jì)基本能按照設(shè)計(jì)任務(wù)書、指導(dǎo)書、技術(shù)條件的要求進(jìn)行。同學(xué)之間相互聯(lián)系，討論，整體設(shè)計(jì)基本滿足使用要求，但是在設(shè)計(jì)指導(dǎo)過程中也發(fā)現(xiàn)一些問題。理論的數(shù)據(jù)計(jì)算不難，困難就在于實(shí)際選材，附件選擇等實(shí)際問題。這些方面都應(yīng)在以后的學(xué)習(xí)中得以加強(qiáng)與改進(jìn)。以上足本次課程設(shè)計(jì)的指