水吸收SO2过程填料吸收塔的设计.docx
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水吸收SO2过程填料吸收塔的设计.docx
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水吸收SO2过程填料吸收塔的设计
一设计任务书
(一)设计题目
水吸收SO过程填料吸收塔的设计:
试设计一座填料吸收塔,用于脱除焙烧2炉送出的混合气体(先冷却)中的SO2,其余为惰性组分,采用清水进行吸收。
混合气体的处理量m3/h金属鲍尔—410117160环环塑料阶梯—260170—127环—瓷矩鞍5502001100226
—瓷拉西环410
832
1300
600,1/m填料因子填料类型---82118金属阶梯环62114343232125塑料鲍尔环-116-89176塑料阶梯环-215700160140瓷矩鞍环-5761050288450瓷拉西环平均摩尔2-62/h
在水中0.051
mSO6.206×10在空气m/hSO22中的扩散的扩散系数系数8重力加速度1.27×10m/h
气相平衡数据SO在水中的亨利系数m
相平衡常数E
溶解度系数H230.0134kmol/kPam3
4.13×10kpa40.76
物料蘅算数据Y1Y2X1气相流量G
X2最小液气操作液气液相流量L
比比51.4
0
0.110.00330.00208
39.5480.982kmol/h4162.4748kmol/h
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元高度元数1.1m
941.76pa9.8570.636m8.0m2923.1475007.7094
填料塔附件液体分布器液体再分除沫器填料限定装置填料支承板布器二级槽式丝网式升气管式分块梁式床层限制版
2200—
混合气体SO含量(体积分数)2金属环矩150135—170弧鞍拉西环填料类型球形棒形DDN16N25DN38D质量3.22kg/(m混合气体液体粘度
10%120开孔环N76N50D1.3287
SO的回收率不低于2鞍金属阶梯-114306金属鲍尔环的平均密h)
97%-98
吸收剂的用量与最小用量之比140—160—环塑料鲍尔280184550140-93.4138金属环矩鞍度液体表面张混合气体932731力的粘度
1.3—9236710.066kg/(mh)
(二)操作条件
(1)操作压力常压
(2)操作温度25℃
(三)设计内容
(1)吸收塔的物料衡算;
(2)吸收塔的工艺尺寸计算;
(3)填料层压降的计算;
(4)液体分布器简要设计;
(5)吸收塔接管尺寸计算;
(6)绘制吸收塔设计条件图;
(7)对设计过程的评述和有关问题的讨论。
二设计方案简介
2.1方案的确定
用水吸收SO属中等溶解度的吸收过程,为提高传质效率,选用逆流吸收流2程。
因用水作为吸收剂,且SO不作为产品,故采用纯溶剂。
22.2填料的类型与选择
对于水吸收SO的过程,操作温度及操作压力较低,工业上通常选用塑料散2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
阶梯环是对鲍尔环的改进。
与鲍尔环相比,阶梯环高度减少了一半,并在一端增加了一个锥形翻边。
由于高径比减少,使得气体绕填料外壁的平均路径大为缩短,减少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空隙,同时成为液体沿填料表面流动的汇集分散点,可以促进液膜的表面更新,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)吸收塔的物料衡算;
(二)填料塔的工艺尺寸计算;主要包括:
塔径,填料层高度,填料层压降;(三)设计液体分布器及辅助设备的选型;(四)绘制有关吸收操作图纸。
三、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,25℃时水的有关物性数据如下:
3=997.1kg/m密度为ρL粘度为μ=0.0008937Pa·s=3.2173kg/(m·h)L2
=71.97dyn/cm=932731kg/hσ表面张力为L-92-62/hm/s=6.206×1.724×SO在水中的扩散系数为D=1010mL20.5?
T)M(18?
r101.859D?
?
计算,查《化学工程基础》)Wilke-Chang(依
0.6?
V3.1.2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
=ΣyM=0.1×M64.06+0.9×29=32.506g/moliVmi混合气体的平均密度为
2
3)=1.3287kg/m2.506/(8.314×298.15ρ=PM/RT=101.325×3Vm混合气体的粘度可近似取为空气的粘度,查手册得25℃空气的粘度为
-5Pa?
s=0.066kg/(m?
h)10μ=1.83×V查手册得SO在空气中的扩散系数为2-522/s=0.051mh1.422×10m/D=VPT-5时Pa1.750)(D?
DSO在空气中的扩273K时,1.013×10计算,其中(依2
0TP0-52散系数为1.22×10m/s,查《化学工程基础》)
3.1.3气液相平衡数据
由手册查得,常压下25℃时SO在水中的亨利系数为23×10kPaE=4.13
相平衡常数为3/101.3=40.76
10m=E/P=4.13×溶解度系数为
3m3kmol/kPaH=18.02=0.0134ρ/EM=997.2/4.13×10×3.1.4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101.3kPa,故:
混合气量=2200×[273.15/(273.15+25)]×1/4=89.98kmol/h
混合气SO中量=89.98×0.1=8.998kmol/h
2=8.998×64.06=596.211kg/h
设混合气中惰性气体为空气,则混合气中空气量=89.98-8.998=80.982kmol/h
=80.982×29=2348.478kg/h
(2).混合气进出塔的摩尔组成
y?
0.118.998(1?
0.97)?
?
y0.00332
280.982?
8.998(1?
0.97)3
(3)混合气进出塔摩尔比组成
进塔气相摩尔比为
y0.11?
?
?
0.11Y
11?
y1?
0.11出塔气相摩尔比为
?
)?
0.11(1?
0.97)?
Y(1?
?
0.0033YA21
(4)出塔混合气量
出塔混合气量=80.982+8.998×0.03=83.6814kmol/h
=2348.478+596.211×0.03=2366.36433kg/h
(5)吸收剂(水)的用量L
该吸收过程属低浓度吸收,平衡关系为直线,最小液气比可按下式计算
Y?
YL12?
)(
minYV?
X1
2m对于纯溶剂吸收过程,进塔液相组成为X=0
2L0.11?
0.003339.54?
?
()
minV0.11/40.76?
0取操作液气比为
LL)1.3(?
minVVL51.40?
1.3?
39.54?
VL=51.4×80.982=4162.4748kmol/h
(6)塔底吸收液组成X1V(Y?
Y)?
L(X?
X)221180.982?
(0.11?
0.0033)?
?
X0.00208
14162.4748(7)操作线方程
4162.4748LLY0.0033?
XX(X?
Y?
)?
?
依操作线方程
2280.982VV0.0033?
51.4Y?
X4
3.2填料塔的工艺尺寸的计算
3.2.1塔径的计算
采用Eckert通用关联图计算泛点气速。
气相质量流量为w=2200×kg/h1.3287=2923.14v液相质量流量可近似按纯水的流量计算,即
W=4162.47×18.02=75007.7094kg/hL其中:
3ρ=997.1kg/mL3kg/mρ=1.3287V
282=1.27×10g=9.81m/sm/hW=kg/h2923.14VW=75007.7094kg/hLμ=0.0008937Pa·sLu通用关联图法计算泛点气速)采用Ecekert(1F。
:
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
空塔气速,m/s;——u图中0湿填料因子,简称填料因子,1/m;φ————水的密度和液体的密度之比;ψ2;g——重力加速度,m/s3kg/m分别为气体和液体的密度,、ρL——Vρ;
分别为气体和液体的质量流量,kg/s。
——wV、wL鲍尔环等,矩鞍形填料、此图适用于乱堆的颗粒形填料,如拉西环、弧鞍形填料、其上还绘制了整砌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,尚无可靠的填料因子数据。
通用关联图的横坐标为Eckert
?
w1.328775007.70940.50.5VL0.9366?
)()?
(?
2923.14w997.1LV6
查图一查得纵坐标值为
2?
?
u0.2?
VF0.022()?
L?
gL表一散装填料泛点填料因子平均值
填料因子,1/m填料类型DDDDDN76N16N25N38N50
(《化工原理课程设计》附录十一)
查得:
?
1?
m170?
F
?
g0.0220.022?
9.81?
997.1L?
?
0.987mu?
/sF0.20.2?
?
?
?
0.8937?
?
1?
1.3287170LVF
(2)操作气速
由以下公式计算塔径:
(《化工原理课程设计》)
4VS?
D对于散装填料,其泛点率的经验值为u/u=0.5~0.85F?
u取u=0.7u=0.7×0.987=0.691m/sF(3)塔径
由
4V4?
2200/3600S?
1.061?
Dm?
?
3.14u?
0.6917
圆整塔径,取D=1.1m。
(4)泛点率校核:
2200/3600s/u?
?
0.643m
20.785?
1.1u0.643?
?
100%?
65.15%(在允许范围内)
u0.987F
(5)填料规格校核:
D11008?
?
28.94?
d38(6)液体喷淋密度校核:
取最小润湿速率为
3/m·min=0.08mh(Lw)查填料手册得
a23比表面积/m=132.5m塑料阶梯环ta32·132.5=10.6mh
Lw)min/m=0.08×Umin=(t75007.7094/997.232U?
U?
mh?
79.18m/
min20.785?
1.1经以上校核可知,填料塔直径选用D=1100mm合理。
3.2.2填料层高度计算
(1)传质单元数NOG?
?
mX?
40.76?
Y0.00208?
0.0847811?
?
mX?
Y022解吸因数为:
mV40.76?
80.9820.793?
?
S?
L4162.4748气相总传质单元数为:
8
?
Y?
Y121?
ln[(1?
S)N?
S]OG?
YSY?
1?
2200.11?
19.8570.793]?
?
ln[(1?
0.793)?
01?
0.7930.0033?
(2)传质单元高度的计算气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算0.20.10.050.75?
?
?
22?
?
?
?
?
?
?
?
?
aUaUU?
?
tCwLLL1.45?
?
exp?
1?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
2?
?
?
?
?
agaa?
?
?
?
?
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?
?
?
?
?
?
tLLLtLLt:
查表二常见材质的临界表面张力值石蜡聚丙烯玻璃聚氯乙烯钢材质碳瓷
表面张20
40
73
61
56
75
33
mN/m
力
2?
得=33dyn/cm=427680kg/hC:
液体质量通量为75007.7092)78967.95mhkg/U?
(?
L21.10.785?
气膜吸收系数由下式0.2?
0.05?
?
0.10.7522?
?
?
?
a78967.9578967.9578967.95?
132.5427680?
?
?
?
?
?
w1.451?
?
exp?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
82132.5932731?
997.1?
1.27?
10997.1?
a932731132.5?
3.2173?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
t1.528?
计算气体质量通
1.3287?
22002)U?
h(m?
3077.47kg/V21.1?
0.785
10.70.051?
132.50.0663077.47?
?
?
?
?
?
30.237?
k?
?
?
?
?
?
G2980.0511.3287132.5?
0.066?
8.314?
?
?
?
?
?
?
2)(kmol?
0.0386/mhkPa:
液膜吸收系数由下式计算9
2?
11?
?
?
?
?
?
?
?
gU332LLL0.0095k?
?
?
?
?
?
?
L?
?
?
Da?
?
?
?
?
?
LLwLL11?
28
?
?
10?
1.2778967.953.2173?
3.2173?
?
?
?
3
230.0095?
?
?
?
?
?
?
6?
100.6047997.1?
132.5?
3.2173997.1?
6.206?
?
?
?
?
?
?
h/1.327m?
:
查表三常见填料塔的形状系数
1.45
值0.75
1
0.72
1.19
Ψ
则Ψ=1.45,本设计填料类型为开孔环所以
1.1?
aak?
kwGG?
?
31.1kPa4.6542kmol/h1.45?
132.5?
0.6047?
m?
?
0.03860.4?
akka?
wLL0.4h123.36?
l?
132.5?
0.6047?
1.45/?
1.327又因﹪>50﹪=65.15u/uF需要按下式进行校正,即1.4?
?
?
?
u'?
?
ak1?
9.5ka?
?
0.5?
?
GGu?
?
?
?
?
?
F2.2?
?
?
?
u'?
?
a0.5k2.61?
?
ka?
?
?
LLu?
?
?
?
?
?
F可得:
?
?
1.4?
?
?
?
3'kPa4.6542?
?
6.22kmol/k?
a9.51?
0.50.5927?
hm?
?
G2.2?
?
?
?
'h?
123.36l0.5/?
125.371?
ka?
12.60.5927?
?
?
L则11?
?
3kPa1.3227kmol?
/mhaK?
?
G1111?
?
''125.371Hk0.0134aak6.22?
LG10
由
VV?
H?
OGKa?
KaP?
GY80.982?
21.3227?
101.3?
0.785?
1.1?
0.636m(3)填料层高度的计算
由m6.269.857?
N?
0.636?
Z?
HOGOG根据设计经验,填料层的设计高度一般为
ZZ(4-19)
′=(1.2~1.5)Z′——设计时的填料高度,m;式中
Z——工艺计算得到的填料层高度,m。
得:
'=1.25×6.26=7.825mZ设计取填料层高度为
'm8.0Z?
查:
表四散装填料分段高度推荐值
hDHmax/m/填料类型
≤4拉西环2.5
≤矩鞍6~85≤~5106鲍尔环≤阶梯环6158~≤6
~15
环矩鞍5
hh?
6m对于阶梯环填料,,15m~?
8
maxDh,则h=8×1取100=8800mm8?
Dmm8800?
7300mm故需分为两段,每段高4.0m。
3.2.3填料层压降计算
11
采用Eckert通用关联图计算填料层压降。
0.5?
?
?
wVL0.937?
:
横坐标为?
?
?
w?
?
LV表五散装填料压降填料因子平均值
-1mp=116查表得,Φ:
纵坐标为22?
?
?
u?
116?
11.32870.6430.20.2?
VP0.00640.8937?
?
?
?
L?
9.81g997.1L查Eckert通用关联图得:
△P/Z=117.72Pa/m
填料层压降为:
△P=117.72×8.0=941.76Pa
四、辅助设备的计算及选型
1.除雾沫器
穿过填料层的气体有时会夹带液体和雾滴,因此需在塔顶气体排出口前设置除沫器,以尽量除去气体中被夹带的液体雾沫,SO溶于水中易于产生泡沫为了2防止泡沫随出气管排出,影响吸收效率,采用除沫装置,根据除沫装置类型的使用范围,该填料塔选取丝网除沫器。
12
丝网除雾沫器:
一般取丝网厚度H=100~150mm,气体通过除沫器的压降约为120~250pa。
通过丝网除沫器的最大速
?
?
?
997.1?
1.3278GLsm/?
?
2.3277u?
k?
0.085?
1.3278G实际气速为最大气速的0.75~0.8倍所以实际气速u=0.75×2.3277=1.75m/s
2.液体分布器简要设计
(1)液体分布器的选型
该吸收塔液相负荷较大,而气相负荷相对较低,故选用槽式液体分布器。
(2)分布点密度计算
表六Eckert的散装填料塔分布点密度推荐值
2塔截面/m分布点密度,点,mm塔径330D=400170D=750421200D≥
2。
/m按Eckert建议值,因该塔液相负荷较大,设计取喷淋点密度为140点2点3×140=132.9≈131布液点数为n=0.785×1.按分布点几何均匀与流量均匀的原则,进行布点设计。
。
槽高度为210mm槽宽度为设计结果为:
二级槽共设七道,在槽侧面开孔,80mm,。
两槽中心矩为160mm
.
点分布点采用三角形排列,实际设计布点数为n=13213
槽式液体分布器二级槽的布液点示意图图二
)布液计算(3由重力型液体分布器布液能力计算?
2?
由Hn?
2L?
gd
0S43L/ss——液体流量,m式中;n);——开孔数目(分布点数目0.60;=0.55~φ——孔流系数,通常取φd;——孔径,m0H△。
——开孔上方的液位高度,m
?
=160mm,
=0.60,取H?
0.5?
?
L4S?
d?
?
?
?
0?
?
Hgn?
2?
?
0.53600/997.1?
?
475007.709?
?
?
则?
?
0.16?
?
2?
9.81?
3.14?
1320.6?
?
m?
0.0137mm?
d14设计取0,槽)液体分布器的安装一般高于填料层表面150~300mm(取决于操作弹性,这里取塔径的0.7~0.8210mm式分布器主槽分槽高度均取,主槽宽度为塔径的14
0.7,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允许高度及造价确定,一般为200mm左右。
2.液体再分布器----------升气管式液体再分布器
在离填料顶面一定距离处,喷淋的液体便开始向塔壁偏流,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,减少了气液两相的有效接触面积。
因此每隔一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,分布外径1180mm,升气管数8。
3填料支承装置
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;提供足够的自由截面以使气液两相流体顺利通过,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。
4.填料限定装置
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。
3.气体和液体的进出口装置
管道的公758090100120130140160185205235260315
称通径
(1)气体和液体的进出口直径的计算
4VS?
d由公式?
u3/s为流体的体积流量,mVs
u为适宜的流体流速,m/s.
常压气体进出口管气速可取10~20m/s;液体进出口速度可取0.8~1.5m/s(必要时可加大)。
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3/s=2200/3600=0.611m代入上公式得由选气体流速为15m/sVSd=236.313mm圆整之后,气体进出口管径为d=245mm
3/s)=0.019m×18.02/(3600×997.1=3784.07选液体流速为2.0m/s,由VS代入上公式得d=110mm,圆整之后液体进出口管径为d=120mm
(2)底液出口管径:
选择d=75mm
(3)泵的选型由计算结果可以选用:
IS100-80-125型的泵
(4)塔附属高的确定
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分离出来,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分离高度的两部分。
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,然后根据该容积和塔径计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,则塔釜液所占空间为
1?
60?
4162.4748?
18.02m1.1?
h?
121.1?
3600?
997.10.785?
考虑到气相接管所占的空间高度,底部空间高度可取1.5米,所以塔的附属空间高度可以取4.0米。
(5)人孔
公称压力公称直径密封面型标准号
HG21515-95
平面450mm
常压(FS)
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五、设计结果汇总
课程设计水吸收SO填料吸收塔的设计2名称操作温度25摄氏度操作压力:
常压操作条件物性数据气相液相
333.505
混合气体液体密度kg/kmol
997.1kg/kg/m
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六、工艺流程图
下图是本设计的工艺流程简图
图二工艺流程简图
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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选择的一个深层次的锻炼,也是对实际操作的一个加深理解。
在设计过程中遇到的问题
- 配套讲稿:
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- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 吸收 SO2 过程 填料 吸收塔 设计