2022年水吸收SO过程填料吸收塔的设计...docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 一 设计任务书一设计题目水吸取 SO2 过程填料吸取塔的设计：试设计一座填料吸取塔,用于脱除焙烧 炉送出的混合气体 先冷却 中的 SO2,其余为惰性组分,采纳清水进行吸取；混合气体的处理量m3/h 2200 混合气体 SO2 含量体积分数10% SO2的回收率不低于 97% 吸取剂的用量与最小用量之比 1.3 二操作条件1操作压力 常压2操作温度 25三设计内容1吸取塔的物料衡算；2吸取塔的工艺尺寸运算；3填料层压降的运算；4液体分布器简要设计；5吸取塔接管尺寸运算；6绘制吸取塔设计条件图；7对设计过程的评述和有关问题的争论；二 设计方案简介

2、2.1 方案的确定用水吸取 SO2属中等溶解度的吸取过程,为提高传质效率,选用逆流吸取流程；因用水作为吸取剂,且 2.2 填料的类型与挑选SO2不作为产品,故采纳纯溶剂；对于水吸取 SO2 的过程,操作温度及操作压力较低,工业上通常选用塑料散 装填料；在塑料散装填料中,塑料阶梯环填料的综合性能较好,故此选用 DN38 聚丙烯阶梯环填料；1 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 阶梯环是对鲍尔环的改良； 与鲍尔环相比, 阶梯环高度削减了一半, 并在一端增加了一个锥形翻边； 由于高径比削减, 使得气体绕填料外壁的平均路径大

3、为缩短,削减了气体通过填料层的阻力；锥形翻边不仅增加了填料的机械强度,而且使填料之间由线接触为主变成以点接触为主,这样不但增加了填料间的间隙,同时成为液体沿填料外表流淌的集合分散点,可以促进液膜的外表更新, 有利于传质效率的提高； 阶梯环的综合性能优于鲍尔环, 成为目前所使用的环形填料中 最为优良的一种；2.3 设计步骤本课程设计从以下几个方面的内容来进行设计一吸取塔的物料衡算；二填料塔的工艺尺寸运算；主要包括：塔径,填料层高度,填料层压降； 三型；四绘制有关吸取操作图纸；三 、工艺运算3.1 基础物性数据 3.1.1 液相物性数据设计液体分布器及帮助设备的选对低浓度吸取过程,溶液的物性数据可

4、近似取纯水的物性数据；由手册查得,25时水的有关物性数据如下：密度为 L=997.1 kg/m32 粘度为 L=0.0008937 Pa s=kg/m h外表张力为L=71.97 dyn/cm=932731 kg/hSO2在水中的扩散系数为 DL=10-9m 2/s 10-6m 2/h 依 Wilke-ChangD1.859 1018Mr0.5T运算,查化学工程基础 V0.6气相物性数据设进塔混合气体温度为 25,混合气体的平均摩尔质量为M Vm= yiM i=0.1 64.06+0.9 29=g/mol 混合气体的平均密度为2 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 22 页

5、精选学习资料 - - - - - - - - - Vm=25 3/ 8.314 298.15 87kg/ m3混合气体的粘度可近似取为空气的粘度,查手册得 V=1.83 10-5Pa.s=0.066kg/m.h 查手册得 SO2在空气中的扩散系数为-5 DV=1.422 10m 2/s m2/ h25空气的粘度为依DD0P 0T1.75 10-5Pa时 SO2 10-5 m 2/s ,查化学工程基础 PT 0气液相平稳数据 由手册查得,常压下 25时 SO2在水中的亨利系数为 E=4.13 10 3 kPa 相平稳常数为 m=E/P= 103/101.3= 溶解度系数为 3 H= /EM=99

6、7.2/ 10334kmol/kPam 物料衡算 l. 进塔混合气中各组分的量 近似取塔平均操作压强为,故：混合气量 2200 273.15+25 1 kmolh 混合气 SO2中量 8.998 kmolh 64.06=k gh 设混合气中惰性气体为空气,就混合气中空气量kmolh 29kgh 2混合气进出塔的摩尔组成y 10.10.00332y 28.9981 0.9780.982 8.9981 0.973 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3混合气进出塔摩尔比组成进塔气相摩尔比为Y 11y1110.10.11y

7、0.1出塔气相摩尔比为Y 2Y 11A0.1110.97 0.00334出塔混合气量出塔混合气量 =+ 0.03=kmol/h =+ 0.03=kg/h 5吸取剂水的用量 L该吸取过程属低浓度吸取,平稳关系为直线,最小液气比可按下式运算 LVminY 1Y 2X2=0 Y 1X2m对于纯溶剂吸取过程,进塔液相组成为Lmin0.110.003339.54V0.11/ 40.760取操作液气比为L1.3Lmin51.40VVL1.339.54V kmol/h6 塔底吸取液组成 X1V Y 1Y 2L X1X20.00208X180.9820.110.00334162.47487 操作线方程依操作线

8、方程YLX Y 2L VX24162.4748X0.0033V80.982Y51.4X0.00334 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3.2 填料塔的工艺尺寸的运算 3.2.1 塔径的运算 采纳 Eckert 通用关联图运算泛点气速；气相质量流量为 wv=2200 87=kg/h 液相质量流量可近似按纯水的流量运算,即 WL= 18.02= kg/h 其中：L =997.1 kg/m38 m/h2V =87 kg/m3g = 9.81 m/s2 = 1.27 10WV = kg/h WL = kg/h L =0.

9、0008937 Pa s1采纳 Ecekert 通用关联图法运算泛点气速 uF；通用填料塔泛点和压降的通用关联图如下：图一填料塔泛点和压降的通用关联图引自化工原理5 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图中 u0空塔气速, m /s； 湿填料因子,简称填料因子,1 /m； 水的密度和液体的密度之比；g 重力加速度, m /s 2；V、L分别为气体和液体的密度,kg /m3；wV、wL 分别为气体和液体的质量流量,kg /s；此图适用于乱堆的颗粒形填料, 如拉西环、 弧鞍形填料、矩鞍形填料、 鲍尔环等,其上仍绘制了整砌

10、拉西环和弦栅填料两种规整填料的泛点曲线；对于其他填料,尚无牢靠的填料因子数据；Eckert 通用关联图的横坐标为wLV0.575007.7094 1.3287 2923.14 997.10.50.9366wVL6 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 查图一查得纵坐标值为u F2VL0.20.022gL表一 散装填料泛点填料因子平均值填料类型DN16DN25填料因子, 1/m DN76DN38DN50金属鲍尔410 117 160 环金属环矩170 150 135 120 鞍金属阶梯160 140 环塑料鲍尔550 2

11、80 184 140 92 环塑料阶梯260 170 127 环瓷矩鞍1100 550 200 226 瓷拉西环1300 832 600 410 化工原理课程设计附录十一查得：F170 m1LL0.022 9.81 997.10.987 m su F0.022 gFV0.20.2 170 1 1.3287 0.89372操作气速 由以下公式运算塔径： 化工原理课程设计 D4 V S对于散装填料,其泛点率的体会值为u/uFu取 u=0. 7uF=0.7 =m/s 3塔径 由D4 V S42200/ 36001.061 mu3.14 0.6917 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页

12、,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 圆整塔径,取 D=m；4泛点率校核：u2200 / 36000.643m s在答应范畴内）2 0.785 1.1u0.643100%65.15%uF0.9875填料规格校核：D110028.948d386液体喷淋密度校核：取最小润湿速率为Lwmin=0.08 m3/mh 查填料手册得塑料阶梯环 比外表积 at2/m 32 m hUminUmin=Lwminat3/ m 2h U75007.709 4/ 997.23 79.18m /0.7851 .2 1经以上校核可知,填料塔直径选用D=1100mm 合理； 3.2.2填料层高度运

13、算1 传质单元数 NOGY 1mX 140.76 0.002080.08478Y 2mX20解吸因数为 : SmV40.7680.9820.793L4162.4748气相总传质单元数为 : 8 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - N OG11Sln1S Y 1Y 2S Y 2Y 211ln10.7930.11 00.7939.8570.7930.0033 02传质单元高度的运算气相总传质单元高度采纳修正的恩田关联式运算a w1exp1.45C0.75UL0.1UL2a t0.05UL20.2a tLa tLL2gLL

14、a t查表二 : 常见材质的临界外表张力值材质碳瓷玻璃聚丙烯聚氯乙烯钢石蜡外表张56 61 73 33 40 75 20 力, mN /m 得C= 33 dyn/cm = 427680 kg/h2液体质量通量为 : UL75007.70978967.95kg/ 2 m h 0.785 1.12气膜吸取系数由下式a w1exp1.454276800.7578967.950.12 78967.95132.50.052 78967.950.2a t932731132.5 3.21732 997.18 1.27 10997.1 932731 132.51.528运算气体质量通UV22001.32873

15、077.47kg/ m h 20.785 1.1 2k G0.2373077.470.70.0661132.5 0.0513132.5 0.066: 1.3287 0.0518.314 2980.0386 kmol/ 2 m hkPa 液膜吸取系数由下式运算9 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 211kL0.0095ULL3LL2Lg3613.2173 1.27 10 81awD LL3.217320.009578967.95 0.6047 132.5 3.2173323997.1 6.206 10997.11.3

16、27 m h查表三 : 常见填料塔的外形系数填料类型球形棒形拉西环弧鞍开孔环 值1 本设计填料类型为开孔环, 就k ak a w1.11.1 0.0386 132.5 0.6047 1.45k ak a w0.43 4.6542kmol/ m kPa0.4 1.327 132.5 0.6047 1.45123.36 /h又因u/u F= 50需要按下式进行校正,即 k a19.5u0.51.4k au F k a12.6u0.52.2k auF可得： k a19.5 0.59270.51.44.65423 6.22kmol / mh kPa k a12.6 0.59270.52.2123.36

17、 125.371 /h就K a1111111.3227kmol / m3h kPa k a Hk a6.220.0134125.37110 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 由HOGVVK aK aP80.9821.3227101.30.7852 1.10.636m3填料层高度的运算由ZHOGN OG0.636 9.8576.26 m依据设计体会,填料层的设计高度一般为Z 1.21.5 Z 4-19 式中 Z 设计时的填料高度,m；Z 工艺运算得到的填料层高度,m；得: Z= 1.25 = m 设计取填料层高度为

18、Z8.0m查：表四 散装填料分段高度举荐值填料类型h/ D 6mHmax/m拉西环4 矩鞍58 6 鲍尔环510 6 阶梯环815 6 环矩鞍515 6 对于阶梯环填料,h8 15m,h maxD取h8,就 h=8 1100=8800 mm D7300mm8800mm故需分为两段,每段高m；3 填料层压降运算11 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 采纳 Eckert 通用关联图运算填料层压降；横坐标为 :wLV0.50.937w VL表五 散装填料压降填料因子平均值填料类型DN16DN25填料因子 , 1/mDN

19、50DN76DN38金属鲍尔环306-11498-金属环矩鞍-1381187136金属阶梯环-82-塑料鲍尔环34323211412562塑料阶梯环-17611689-瓷矩鞍环700215140160-瓷拉西环1050576450288-1 查表得, p =116 m纵坐标为 : 2 ugPVL0.22 0.643116 11.32870.2 0.89370.0064L9.81997.1查 Eckert 通用关联图 得: P/Z = Pa/m 填料层压降为 : P=117.72 = Pa 四、帮助设备的运算及选型1. 除雾沫器穿过填料层的气体有时会夹带液体和雾滴,除沫器,以尽量除去气体中被夹带

20、的液体雾沫,因此需在塔顶气体排出口前设置 SO2溶于水中易于产生泡沫为了防止泡沫随出气管排出, 影响吸取效率, 采纳除沫装置, 依据除沫装置类型的使 用范畴,该填料塔选取丝网除沫器；12 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 丝网除雾沫器：一般取丝网厚度 为 120250pa；通过丝网除沫器的最大速H=100150 mm,气体通过除沫器的压降约ukLGG0.085997.1 1.32782.3277 m s1.3278实际气速为最大气速的0.750.8 倍 所以实际气速 u=0.75 2. 3277=m/s 2. 液

21、体分布器简要设计1 液体分布器的选型 该吸取塔液相负荷较大,而气相负荷相对较低,应选用槽式液体分布器；2分布点密度运算表六 Eckert 的散装填料塔分布点密度举荐值塔径 ,mm 分布点密度 ,点 / m2塔截面D=400 330D=750170140 点/m 2 ；D120042按 Eckert 建议值,因该塔液相负荷较大,设计取喷淋点密度为 2 布液点数为 n=0.785 1. 1 140=13133 点按分布点几何匀称与流量匀称的原就,进行布点设计；设计结果为：二级槽共设七道,在槽侧面开孔,槽宽度为 80mm ,槽高度为 210mm ；两槽中心矩为 160mm ；分布点采纳三角形排列,实

22、际设计布点数为 n=132 点. 13 名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 图二 槽式液体分布器二级槽的布液点示意图3布液运算由重力型液体分布器布液才能运算由 L S d n 2 2 g H 4 式中 Ls液体流量, m 3/s ；n开孔数目 分布点数目 ； 孔流系数,通常取 0.55 0.60 ；d0孔径, m ； H开孔上方的液位高度,m；取 =0.60,H =160mm, 就d04LS0.50.5n2g H4 75007.709/ 997.1 36003.14 132 0.62 9.81 0.160.0137

23、 m设计取d014 mm液体分布器的安装一般高于填料层外表150300 mm 取决于操作弹性 ,槽式分布器主槽分槽高度均取210mm,主槽宽度为塔径的0.70.8 ,这里取塔径的,14 名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 分槽宽度由液体量及停留时间确定,最低液位为50mm为宜,最高液位由操作弹性塔内答应高度及造价确定,一般为 200 mm 左右；-升气管式液体再分布器 在离填料顶面肯定距离处, 喷淋的液体便开头向塔壁偏流, 然后沿塔壁下流,塔中心处填料的不到好的润湿,形成所谓的“ 干锥体” 的不正常现象,削减了气

24、液两相的有效接触面积； 因此每隔肯定的距离设置液体再分布装置,以克服此现 象；由于塔径为 1100mm,因此可选用升气管式再分布器,管数 8；3 填料支承装置分布外径 1180mm,升气填料支承结构用于支承塔内填料及其所持有的气体和液体的重量之装置；对填料的基本要求是：有足够的强度以支承填料的重量; 供应足够的自由截面以使气液两相流体顺当通过,防止在此产生液泛；有利于液体的再分布；耐腐蚀,易 制造,易装卸等； 常用填料支承板有栅板式和气体喷射式；这里选用分块梁式支 承板；为防止在上升气流的作用下填料床层发生松动或者跳动,需在填料层上方设 置填料压紧装置；对于塑料散装填料,本设计选用创层限制板；

25、3气体和液体的进出口装置管道的公75 80 90 100 120 130 140 160 185 205 235 260 315 称通径1气体和液体的进出口直径的运算由公式 d 4 V S uVs 为流体的体积流量, m 3/s u 为相宜的流体流速, m/s . 常压气体进出口管气速可取1020m/s；液体进出口速度可取0.81.5 m/s必要时可加大；15 名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 选气体流速为 15 m/s 由 VS=2200/3600= m 3/s 代入上公式得 d=mm圆整之后,气体进出口管径为

26、 d=245mm 选液体流速为 2.0 m/s ,由 VS=7 18.02 3600 =m 3/s 代入上公式得 d=110 mm,圆整之后液体进出口管径为 d=120 mm 2底液出口管径：挑选 d= 75 mm 3泵的选型由运算结果可以选用：4塔附属高的确定IS100-80-125 型的泵塔的附属空间高度主要包括塔的上部空间高度,安装液体分布器和液体再分度器所需的空间高度, 塔的底部空间高度以及塔的群坐高度；塔的上部空间高度是指塔填料层以上, 应有一足够的空间高度, 以使随气流携带的液滴能够从气相中别离出来,该高度一般取1.2-1.5 ；安装液体再分布器所需的塔空间高度依据所用分布器的形式

27、而定一般需要 1-1.5m 的高度；塔的底部空间高度是指塔底最下一块塔板到塔底封头之间的垂直距离；该空间高度含釜液所占的高度及釜液面上方的气液别离高度的两部分；釜液所占空间高度的确定是依据塔的釜液流量以及釜液在塔内的停留时间确定出空间容积,然后依据该容积和塔径运算出塔釜所占的空间高度；塔底液相液相停留时间按1min 考虑,就塔釜液所占空间为h 11 604162.474818.021.1 m0.7853600997.1 1.12考虑到气相接管所占的空间高度,高度可以取米；5人孔底部空间高度可取米, 所以塔的附属空间公称压力公称直径密封面型标准号常压450 mm 平面 FS HG21515-95

28、 16 名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 五、设计结果汇总课程设计水吸取 SO2填料吸取塔的设计操作压力：常压名称操作温度 25 摄氏度操作条件物性数据液体密度液相3 kg/m混合气体气相kg/kmol 平均摩尔 质量液体粘度kg/m 混合气体3 kg/mh 的平均密度液体外表张932731 m 2/h 混合气体kg/mh 力-6 6.206 10的粘度m 2/h SO2 在水中SO2 在空气的扩散系数中的扩散系数重力加速度8 1.27 10m/h 气相平稳数据SO2 在水中的亨利系数E 相平稳常数 m 溶解度系

29、数 H 4.13 10 3 kpa 物料蘅算数据Y1 Y2 X1 X2 气相流量 G 液相流量 L 最小液气操作液气0 kmol/ h kmol/ h 比比工艺数据气相质量液相质量流量塔径气相总气相总填料层填料层压降流量传质单传质单高度pa 元数元高度m 0.636m 填料塔附件除沫器液体分布器填料限定装置填料支承板液体再分布器丝网式二级槽式床层限制版分块梁式升气管式17 名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 六、工艺流程图以下图是本设计的工艺流程简图图二 工艺流程简图18 名师归纳总结 - - - - - - -第

30、 18 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 七、课程设计总结本次课程设计是在生产实习后进行的,是对化学工程的过程设计及设备的挑选的一个深层次的锤炼,也是对实际操作的一个加深懂得；在设计过程中遇到的问题主要有： 1未知条件的选取； 2 文献检索的能力；3对吸取过程的懂得和运算理论的运用； 4对实际操作过程中设备的选择和条件的最优化；5对工艺流程图的懂得以及绘制简洁的流程图和设备结构；6仍有一些其他的问题,例如运算的精确度等等；当然,在本次设计中也为自己再次重新的复习化工这门学科供应了一个动力,对化工设计过程中所遇到的问题也有了一个更深的懂得；理论和实际的结合也是本次

31、设计的重点,为日后从事相关工作打下了肯定的基础；最终,深感要完成一个设计是相当艰难的一个任务,如何细节的出错都有可能造成实际操作中的经济缺失甚至生命安全；八、主要符号说明at填料的总比外表积, m 2/m 3aW填料的润湿比外表积,m 2/m 3d填料直径, m；D塔径, m；DL液体扩散系数, m 2/s ；Dv气体扩散系数, m 2/s ；ev液沫夹带量 ,kg 液/kg 气 ；g重力加速度, 9.81 m/s 2 ；h填料层分段高度, m；HETP关联式常数；hmax答应的最大填料层高度,m；HB塔底空间高度, m；HD塔顶空间高度, m；HOG气相总传质单元高度,m；kG气膜吸取系数,

32、 kmol/m 2 s kPa；19 名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - kL液膜吸取系数, m/s；KG气相总吸取系数, kmol/m 2 s kPa；Lb液体体积流量, m 3/h ；LS液体体积流量, m 3/s ；3/m s ；LW润湿速率, m m相平稳常数,无因次；n筛孔数目；NOG气相总传质单元数；P操作压力, Pa； P压力降, Pa；u空塔气速, m/s；uF泛点气速, m/s u0. min漏液点气速, m/s；u0液体通过降液管底隙的速度,m/s；U液体喷淋密度, m 3/m 2 h 2 h

33、UL液体质量通量, kg/m Umin最小液体喷淋密度, m 3/m 2 h Uv气体质量通量, kg/m 2 h Vh气体体积流量, m 3/h ；VS气体体积流量, kg/s ；wL液体质量流量, kg/s ；wV气体质量流量, kg/s ；x液相摩尔分数；X液相摩尔比 Z y气相摩尔分数；Y气相摩尔比；Z板式塔的有效高度, m；填料层高度, m；希腊字母20 名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 间隙率,无因次； 粘度, Pa s； 密度, kg/m 3； 外表张力, N/m； 开孔率或孔流系数,无因次； 填料

34、因子, l/m ； 液体密度校正系数,无因次；下标 max最大的；min最小的；L液相的；V气相的；九、参考文献1. 武汉高校 , 化学工程基础,高等训练出版社 ,2001. 2. 马江权,化工原理课程设计 其次版, 江苏工业学院, 2007. 3. 眶国柱 , 史启才 , 化工单元过程及设备课程设计 ,北京：化学工业出版社,2002. 4. 贾绍义,柴诚敬 , 化工原理课程设计 , 天津高校出版社 , 2002. 5. 涂伟萍,陈佩珍,程达芳 出版社 ,2000. , 化工过程及设备设计 , 北京：化学工业6. 杨祖荣,刘丽英,刘伟 , 化工原理 , 北京： 化学工业出版社 , 2004. 7. 管国峰,化工原理,北京：化学工业出版,2003. 21 名师归纳总结 - - - - - - -第 21 页,共 22 页精选学习资料 - - - - - - - - - 十 附图附图： SO2 吸取塔条件图22 名师归纳总结 - - - - - - -第 22 页,共 22 页