水吸收二氧化硫填料吸收塔的设计二.docx

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1、内蒙古科技大学本科生课程设计说明书题 目：处理量为2450m3/h炉气吸收过程填料吸收塔设计学生姓名：张俊学 号：专 业： 班 级： 指导教师： 目 录摘 要错误！未定义书签。第一章 绪论错误！未定义书签。1.1气体吸收的概述错误！未定义书签。1.2 化学工业中，吸收的意义错误！未定义书签。1.3 吸收在工业生产中的应用错误！未定义书签。1.4 影响吸收过程因素的分析错误！未定义书签。第二章 设计方案错误！未定义书签。2.1吸收剂的选择错误！未定义书签。2.2吸收流程的选择错误！未定义书签。2.3吸收塔设备及填料的选择错误！未定义书签。2.4操作参数的选择错误！未定义书签。第三章 吸收塔的工艺

2、计算63.1 基础物性数据63.1.1 液相物性数据63.1.2 气相物性数据63.1.3 气液相平衡数据63.2 物料衡算73.3 填料塔的工艺尺寸的计算83.3.1 塔径的计算错误！未定义书签。3.3.2 传质单元高度计算103.3.3 传质单元数的计算123.3.4 填料层高度133.4填料层压降的计算133.5塔附属高度的计算14参考文献15致 谢20 内蒙古科技大学课程设计任务书一、教学要求课程设计是对课程内容的应用性训练环节，是学生应用所学知识进行阶段性的单体设备或单元设计等方面的专业训练过程，也是对理论教学效果的检验。通过这一环节使学生在查阅资料、理论计算、工程制图、调查研究、数

3、据处理等方面得到基本训练，培养学生综合运用理论知识分析、解决实际问题的能力二、设计资料及参数本设计任务为用水吸收SO2常压填料塔。矿石焙烧炉送出的气体冷却到25后送至填料塔中，用20清水洗涤以除去其中的SO2。设计条件如下：进塔炉气流量： 2450m3/h；混合气： （空气、SO2气体）；SO2气体含量： 0.05（摩尔分率）；SO2气体回收率： 95%；操作压强： 常压操作；吸收过程可视为等温吸收过程。试根据上述工艺条件作出填料吸收塔的设计计算。三、设计要求及成果1. 进行填料吸收塔的工艺设计；2. 各主要管路管道的选取和泵的选取 ；3. 编制设计说明书。四、进度安排时 间设 计 内 容备

4、注10.24工艺过程设计方案的确定10.25-10.28工艺过程的设计计算10.29-10.30主要设备的设计11.01-11.02辅助设备的设计11.03-11.06设计说明书五、评分标准 化工原理课程设计考核主要依据平时学生设计过程的表现，包括出勤情况、独立完成设计的情况、设计进度是否按要求进行、设计质量、设计是否有创新、有关设计内容的小测试等多方位的考核方式。课程设计总评定依据如下：平时设计表现20%；设计说明书质量80%。成绩评定按五级记分制，分为优、良、中、及格、不及格六、 建议参考资料 1.化工原理（上、下册），夏清 ，天津大学出版社 2.化工原理课程设计 ，自编讲义 3.化工原理

5、课程设计，柴诚敬，天津科学技术出版社 4.化工设备机械基础，董大勤，化学工业出版社 5.化工设计，张颖，内蒙古大学出版社 6.塔设备，化学工业出版社摘 要吸收操作是气体混合物分离方法之一，它是根据混合物中各组分在某一种溶剂中溶解度不同而达到分离的目的。二氧化硫有强烈的刺激性气味对于人体健康和大气环境都会造成破坏和污染，本次化工原理课程设计的目的是根据设计要求采用填料吸收塔吸收的方法来净化含有二氧化硫的工业尾气，使其达到排放标准。塔设备是炼油、化工、石油化工等生产中广泛应用的气液传质设备。根据塔内气液接触部件的形式，可以分为填料塔和板式塔。用于吸收的设备类型很多，如填料塔、板式塔、鼓泡塔和喷洒塔

6、等。板式塔属于逐级接触逆流操作，填料塔属于微分接触操作。设计中采用填料塔进行吸收操作是因为填料可以提供巨大的气液传质面积而且填料表面具有良好的湍流状况，从而使吸收过程易于进行，而且，填料塔还具有结构简单、生产能力大、分离效率高、压力降小、操作弹性大、持液量、填料易用耐腐蚀材料制造等优点，从而可以使吸收操作过程节省大量人力和物力。本设计是利用填料塔来吸收SO关键词：塔设备 填料塔 吸收 SO第一章 绪论11吸收技术概况吸收塔设备是气液接触的传质设备，一般可分为级式接触和微分接触两类。一般级式接触采用气相分散，设计采用理论板数及板效率；而微分接触设备常采用液相分散，设计采用传质单元高度及传质单元数

7、。本设计采用后者。 吸收是气液传质的过程，应用填料塔较多。而塔填料是填料塔的核心构件，它提供了塔内气液两相接触而进行传质和传热的表面，与塔的结构一起决定了填料塔的性能1。12吸收设备的发展 吸收操作主要在填料塔和板式塔中进行，尤其以填料塔的应用较为广泛。塔填料的研究与应用已获得长足的发展，鲍尔环、阶梯环、莱佛厄派克环、金属环矩鞍等的出现标志着散装填料朝高通量、高效率、低阻力方向发展有新的突破。规整填料在工业装置大型化和要求高分离效率的情况下，倍受重视，已成为塔填料的重要品种。其中金属与塑料波纹板造价适中，抗污力强，操作性能好，并易于工业应用，可作为通用填料使用；栅格填料对液体负荷和允许压降要求

8、苛刻的过程十分有利，并具有自净机能，即使应用在污垢系统也能长期稳定运转；脉冲填料独特的结构使之在大流量、大塔径下也不会发生偏流，极易工业放大，从发展上看很有希望。 塔填料仍处于发展之中，今后的研究方向主要是提高传质效率，同时考虑填料的强度、操作性能及使用上的通用因素，并综合环型、鞍型及规整填料的优点，进而开发构型优越、堆积接触方式合理、流体在整个床层能均匀分布的新型填料。就目前看，填料的材质仍以陶瓷、金属和塑料为主，特别为满足化工生产中温度和耐腐蚀的要求，以开发并采用了氟塑料制成的填料。 填料塔原先被认为设备笨重，放大效应显著，所以常用于塔径较小的场合。近二三十年来，填料塔得到了较大的发展，特

9、别是气液分布装置上的改进及规整填料的开发，使塔的直径可超过15m，在加大通量，减少压力降，提高效率及降低能耗方面，取得了明显的经济效益。 填料塔的发展，与塔填料的开发与研究是分不开的，除了提高原有填料的流体力学与传质性能 外，还开发了不少效率高、放大效益小的新型填料，加上填料塔本身具有压降小、持液量小、耐腐蚀、操作稳定、弹性大等优点，使填料塔的开发研究达到了一个新的高度1。13吸收过程在工业生产中的应用 在化学工业中，气体吸收操作广泛应用于直接生产化工产品，分离气体混合物，原料气的精制及从废气中回收有用组分或除去有害物质等。尤其是从保护环境，防止大气污染角度出发，对废气中的H2S、S0X、及N

10、OX等有害物质吸收除去过程的开发研究，有关着方面已提出了不少新的方法，发表了不少论著与文献。除此之外，地球化学、生物物理和生物医药工程，也要应用气体吸收的理论及其研究成果。 工业上的气体吸收过程，由于所用的吸收剂、吸收剂浓度、操作温度与压力、再生方法等的不同，可能有各种不同的工艺流程。吸收过程可以在填料塔、板式塔、鼓泡塔、搅拌反应釜等设备中进行。从传质角度讲，吸收所用的是气液接触设备，应增加气液两相的接触界面，但在吸收过程中也可能发生化学反应，因此吸收设备与蒸馏设备及气液反应器都有许多共同之处。 化学工业中的吸收操作，应用于脱除CO2及脱除H2S等装置数目为最多，开发研究也最多。工业生产中的应

11、用主要有以下几个方面：A制取化工产品（1）应用98%硫酸吸收SO3制取98%硫酸，应用20%发烟硫酸吸收SO3制取20%的发烟硫酸。（2）应用93%硫酸脱除气体中的水蒸气以干燥气体。（3）用水吸收氯化氢制取31%的工业盐酸。（4）用水吸收NO2生产50%-60%的硝酸。（5）用水或37%甲醛水溶液吸收甲醛制取福尔马林溶液。（6）氨水吸收CO2生产碳酸氢铵。（7）纯碱生产中用氨盐水吸收CO2生成NaHCO3。（8）用水吸收异丙醇催化脱氢生产的丙酮。B分离气体混合物（1）油吸收法分离裂解气。（2）用水吸收乙醇氧化脱氢法制取的乙醛。（3）用水吸收丙烯氨氧化法生产的丙烯腈。（4）用醋酸亚铜氨液从C4馏

12、分中提取丁二烯。（5）用水吸收乙烯氧化制取的环氧乙烷。C从气体中回收有用组分（1）用硫酸从煤气中回收氨生成硫铵。（2）用洗油从煤气中回收粗笨（B.T.X）。（3）从烟道气或合成氨原料气中回收高纯度CO2。D气体净化（1）原料气的净化。其主要目的是清除后续加工时所不允许存在的杂质，它们或会使催化剂中毒，或会产生副反应而生成杂质。例如，合成氨原料气的脱CO2和脱H2S，天然气、石油气和焦炉气的脱H2S以及硫酸原料气的干燥脱水等。（2）尾气、废气的净化以保护环境。燃煤锅炉烟气、冶炼废气等脱SO2，硝酸尾气脱除NOX，磷酸生产中除去气态氟化物（HF）以及液氯生产时弛放气中脱除氯气等。E生化工程 生化技

13、术过程中采用好气性菌，发酵中需要大量的空气以维持微生物的正常吸收和代谢，要应用空气中的氧在水中的溶解（吸收）这一基本过程1。第二章 吸收方案21吸收剂的选择对于吸收操作,选择适宜的吸收剂,具有十分重要的意义。其对吸收操作过程的经济性有着十分重要的影响。一般情况下,选择吸收剂,要着重考虑如下问题。1.对溶质的溶解度大 所选的吸收剂多溶质的溶解度大,则单位量的吸收剂能够溶解较多的溶质,在一定的处理量和分离要求下,吸收剂的用量小,可以有效地减少吸收剂循环量,这对于减少过程功耗和再生能量消耗十分有利。另一方面,在同样的吸收剂用量下,液相的传质推动力大,则可以提高吸收效率,减小塔设备的尺寸。2.对溶质有

14、较高的选择性 对溶质有较高的选择性,即要求选用的吸收剂应对溶质有较大的溶解度,而对其他组分则溶解度要小或基本不溶,这样,不但可以减小惰性气体组分的损失,而且可以提高解吸后溶质气体的纯度。3.挥发度要低 吸收剂在操作条件下应具有较低的蒸气压,以避免吸收过程中吸收剂的损失,提高吸收过程的经济性。4.再生性能好 由于在吸收剂再生过程中,一般要对其进行升温或气提等处理,能量消耗较大,因而,吸收剂再生性能的好坏,对吸收过程能耗的影响极大,选用具有良好再生性能的吸收剂,往往能有效地降低过程的能量消耗。 以上四个方面是选择吸收剂时应考虑的主要问题,其次,还应注意所选择的吸收剂应具有良好的物理、化学性能和经济

15、性。其良好的物理性能主要指吸收剂的粘要小,不易发泡,以保证吸收剂具有良好的流动性能和分布性能。良好的化学性能主要指其具有良好的化学稳定性和热稳定性,以防止在使用中发生变质,同时要求吸收剂尽可能无毒、无易燃易爆性,对相关设备无腐蚀性(或较小的腐蚀性)。吸收剂的经济性主要指应尽可能选用廉价易得的溶剂。工业上常选用水做二氧化硫的吸收剂。除了物理吸收可能还会发生化学反应。22吸收流程的选择 用水吸收SO2属中等溶解度的吸收过程，为提高传质速率，选用逆流吸收过程。因用水作为吸收剂，且SO2不作为产品，故采用纯熔剂23吸收塔设备及填料各种填料的结构差异较大，具有不同的优缺点，因此在使用上应根据具体情况选择

16、不同的塔填料。在选择塔填料时，应该考虑如下几个问题：1面积大比表面积是指单位堆积体积填料所具有的表面积；2布性能要好主要有如下三个方面：A填料在塔内装填之后，整体结构均匀。B填料在塔内堆放形状应有利于液体向四周均匀分布。C减轻液体想避面偏流。3填料的选择 对于水吸收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，故此选用聚丙烯阶梯环填料。24操作参数的选择矿石焙烧炉送出的气体冷却到25后送至填料塔中，用20清水洗涤以除去其中的SO2。设计条件如下：进塔炉气流量：2450m3/h；混合气： （空气、SO2气体）；SO2气体含量：0

17、.05（摩尔分率）；SO2气体回收率：95%；操作压强：常压操作；吸收过程可视为等温吸收过程。第三章 吸收塔的工艺计算3.1 基础物性数据3.1.1 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：DL=1.4710-5cm2/s=5.2910-6m2/h3.1.2 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，查手册得20oC空气的黏度为：查手册得SO2在空气中的扩散系数为： D=0.108/s=0.039m2/h 3.1

18、.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： E=3相平衡常数为： m =溶解度系数为：3.2 物料衡算全塔物料衡算图212所示是一个定态操作逆流接触的吸收塔，图中各符号的意义如下：惰性气体的流量，；L纯吸收剂的流量，；Y1，Y2进出吸收塔气体的摩尔比；X1，X2出塔及进塔液体中溶质物质量的比。注意：本课程设计中塔底截面一律以下标“l”表示，塔顶截面一律以下标“2”表示。进塔气体摩尔比：出塔气体摩尔比：进塔惰性气体的流量： 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，最小液气比可按下式计算，即：对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为：取操作液气比为： L

19、=49.9495.19=4753.79 kmol/h 由，求得吸收液出塔浓度为：3.3 填料塔的工艺尺寸的计算331塔径的计算1 空塔气速的确定通常由泛点气速来确定空塔操作气速。泛点气速是填料塔操作气速的上限，填料塔的操作气速必须小于泛点气速，操作空塔气速与泛点气速之比称为泛点率。填料的泛点气速可由Eckert通用关联图查得， 气相质量流量为：液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即：Eckert通用关联图的横坐标为：查表得： 取 由 圆整塔径，取2. 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

20、范围内）填料规格校核 （在允许范围内）以上式中：泛点气速，； -空塔气速 ； 液体密度，； 气体密度，； ，气液相质量流量，； g重力加速度，9.81； 液体黏度，； -填料因子，1/ m；3. 液体喷淋密度校核：取最小润湿速率为:=0.08本次设计选用聚丙烯阶梯环填料，其=132.5，代入数值，得最小喷淋密度为：=0.08求得液体喷淋密度为：所以液体喷淋密度符合要求，即填料塔直径合理。332 传质单元高度计算干填料比表面积为 ，实际操作中润湿的填料比表面积为，由于只有在润湿的填料表面才可能发生气、液传质，故 值具有实际意义。下面介绍计算的恩田（ONDA）公式，该公式为： 式中：单位体积填料层

21、的润湿面积，； 填料的总比表面积，； 液体表面张力，； 填料上液体铺展开的最大表面张力，； 液体通过空塔截面的质量流速，； ， 液体的粘度，； 液体的密度，； g重力加速度，9.81。查表得：流体质量流量气膜吸收系数由下式计算：式中： 填料的总比表面积，； 气体通过空塔截面的质量流速，; 气体的粘度，； 气体的密度，；气体质量通量为：代入数值： =0.0311 kmol/(m2.h.KPa)液膜吸收系数由下式计算：式中：液体的密度，； 液相的黏度，； g重力加速度，9.81； 液体通过空塔截面的质量流速，； 单位体积填料层的润湿面积，； 溶质在液相中的扩散系数， 。代入数值得： =1.147m

22、/h由 ，查表得则 则 333传质单元数的计算脱吸因数为： 气相总传质单元数为：334 填料层高度采用上述方法计算出填料层高度后，还应留出一定的安全系数，根据设计经验，填料层的设计高度一般为Z=(1.21.5)Z设计取填料层高度为：取 ; 则 计算得填料层高度1200mm，故不需要分段。 3.4填料层压降的计算采用Eckert通用关联图计算填料层压降：横坐标：查表5-18得：纵坐标：查图得; 填料层压降为：3.5塔附属高度的计算1.塔的上部空间，可取为1.2m,2.液体分布器高度约为1m,若塔底夜相停留时间按1min考虑，则塔釜夜所占空间高度为：m考虑到气相接管所占空间高度，底部空间高度可取1

23、.0m，所以塔附属高度为 h=1.2+1.0+1.38+1.0=4.58塔的总高度为： H=6.0+4.58=10.58m 11m,塔的总高度为11m.，气液相质量流量，；液体密度，；v气体密度，；液体黏度，；填料因子， ； g重力加速度，9.81 。参考文献【1】、化工原理课程设计 贾绍仪 柴诚敬主编 天津大学出版社 2002年6月【2】、化工原理课程设计 吴俊 宋孝勇 韩粉女 丁建飞编著 华东理工大学出版社 2011年7月【3】、化工原理 何朝红 冯霄主编 科学出版社 2011年5月【4】、化工原理化工分离过程 蒋维钧 余立新主编 清华大学出版社 2005年10月【5】、化工原理课程设计（

24、第二版）马江权 冷一欣主编 中国石化出版社 2011年1月【6】、化工单元过程及设备课程设计（第二版）匡国柱 史启才主编 化学工业出版社 2007年9月【7】、食品工程原理 杨同舟主编 中国农业出版社 附录一 工艺设计计算结果汇总及主要符号说明工艺设计计算汇总表序号项目数值备注1混合气体处理量U（m3/h）24502进塔气相摩尔比Y10.05263出塔气相摩比Y20.002634进塔液相摩尔分率X2（）05出塔液相摩尔分率X1 （）0.0016混合气体平均摩尔质量（）30.757混合气体的平均密度（）1.2578混合气体的粘度（）0.0659吸收剂用量L（）4753.7910气相质量流量（）3

25、079.6511液相质量流量（）85663.312气相总传质单元数（m）6.36413气相总传质单元高度(m)0.66414空塔气速 (m/s)0.71915泛点气速u(m/s)0.6016泛点率f58.42%17圆整塔径D（m）1.218填料层高Z (m)619填料塔上部高度h (m)1.220填料塔下部高度h (m)1.021塔的附属高度h(m)4.5822塔总高度H11主要符号说明符号意义单位X 平衡时液相SO2摩尔比Y气相SO2摩尔比y气相SO2摩尔分率液体的质量流量气体的质量流量，气体密度Z填料层高度，MV惰性气相流量溶剂的摩尔流率Y气相中溶质的比摩尔分率；X液相中溶质的比摩尔分率。

26、最小喷淋密度润湿率D填料塔直径气体的体积流量空塔气速液泛气速重力加速度液相传质系数溶质在液相中的传质系数；气相传质系数T气体温度KDV溶质在气体中的扩散系数气体黏度气相质量流速u孔塔气速m/sUV，UL气体和液体的质量通量液体的密度溶质在气体和液体中的扩散系数R气体常数液体黏度填料的总比表面积填料的润湿比表面积填料因子g重力加速度液体的表面张力填料材质的临界表面张力液体的质量流速h填料层高度M附录二 Echert通用关联图附录三表3.1散装填料泛点填料因子平均值填料类型填料因子金属鲍尔环410117160金属环矩鞍170150135120金属阶梯环160140塑料鲍尔环552塑料阶梯环2601

27、70127瓷矩鞍11瓷拉西环10表3.2塑料阶梯环特性数据公称直径外径高厚比表面积空隙率%个数n堆积密度干填料因子252512.51.4228908150097.83123838191.0132.5912720057.51755050251.5114.292.71074054.8143762576383.09092.9342068.4112表3.3散装填料压降填料因子平均值填料类型填料因子金属鲍尔环30611498金属环矩鞍13893.47136金属阶梯环11882塑料鲍尔环34323211412562塑料阶梯环17611689瓷矩鞍7瓷拉西环18致 谢这次课程设计经过两周的时间得以完成，主要

28、包括目录、绪论、设计方案、吸收塔的工艺计算等内容，主要通过上网搜集资料、查找统计文献、数据的整合计算、文字的筛选以及上机调试等部分组成，在此基础上形成了该课程设计的基础框架，最后由本人加以总结整合，提出了相关设计方案，具体内容在课程设计各章节有所体现。 本次课程设计让我取得了很多收获。首先，通过课程设计资料的搜索以及对数据的计算中，让我对化工原理有了更加清晰、更加深刻的认识，课程设计本身的完成过程，其实也是自己对化工原理轮廓的理解，对内容的把握的过程，这样可以更加丰富的了解了化工原理的全貌，对自己的专业知识学习也更加深刻，不在流于表面.其次，通过本次课程设计提高了我的逻辑思维能力以及对材料的整

29、合和筛选能力，这对于我今后的研究和学习有很大的帮助，通过了整个课程设计方案的描述，让我更加全面的拓宽自己的思考能力。再次，课程设计让我更加重视实践，重视对实际工作的关注，有利于提高我理论联系实际的能力。通过这次学习，我知道了如何去自觉学习，如何去体验实践的成果，如何在实践中后享受胜利的喜悦。最后，对于我来说，独自完成课程设计是相当困难的，它的完成与老师和同学的合作是密不可分的，在共同的努力中我感受到了团队的合作力量，团队的温暖，工作的同时也增进了我们的友谊，我想我们每个人都会为我们共同努力的汗水所骄傲和自豪。但是，课程设计的完成并不代表我自身学习的终止，在完成过程中我发现自己有很多缺点不足。如：课程设计中的电脑AUTOCAD做图部分对自己来讲十分困难，另外，大量的内容也暴露出自己知识面窄，对实践活动的能力不强等诸多问题，我想困难和挑战才是激发自己前进的动力，自己也将会在今后的学习和生活中 ，劈荆斩浪，挑战自我。 化工原理课程设计的完成对我来说有深刻的意义，我衷心感谢刘放老师的指导以及与我合作共同学习的同学，是你们带给我收获，带给我快乐！