吸收塔的设计

课程设计任务书1. 设计题目：水吸收二氧化硫过程填料吸收塔的设计矿石焙烧炉送出的气体冷却到25°C后送入填料塔中，用20°C清水洗涤除去其中的SO2。 入塔的炉气流量为2250m3/h，其中进塔SO的摩尔分数为0.05，要求SO的吸收率为96以。 吸收塔为常压操作，因该过程液气比很大2吸收温度基本不变，可近似取为清水的温度。 吸收剂的用量为最小量的1. 4倍。2. 工艺操作条件：(1) 操作平均压力常压101.325kpa(2) 操作温度t=20C(4)所用填料为Dn38聚丙烯阶梯环形填料。3. 设计任务完成填料吸收塔的工艺设计与计算，有关附属设备的设计和选型，绘制吸收系统工艺流程 图和吸收塔工艺条件图，编写设计说明书。目录摘要11绪论21.1吸收技术概况21.2吸收过程对设备的要求及设备的发展概况21.3吸收在工业生产中的应用 21.3.1吸收的应用概况31.3.2典型吸收过程32设计方案42.1吸收方法及吸收剂的选择42.1.1吸收方法42.1.2吸收剂的选择：42.2吸收工艺的流程52.2.1吸收工艺流程的确定52.2.2吸收工艺流程图及工艺过程说明62.3操作参数的选择62.3.1操作温度的选择62.3.2操作压力的选择62.3.3吸收因子的选择72.4吸收塔设备及填料的选择82.4.1吸收塔的设备选择82.4.2填料的选择83吸收塔的工艺计算93.1基础物性数据93.1.1液相物性数据93.1.2气相物性数据93.1.3气液平衡数据93.2物料衡算103.3塔径的计算103.3.1塔径的计算103.3.2泛点率校核113.3.3填料规格校核：113.3.4液体喷淋密度校核113.4填料层高度计算113.4.1传质单元高度 Hog计算 113.4.2填料层高度Z的计算：123.5填料层压降AP的计算：123.6填料塔附属高度计算133.7离心泵的选择3.8进出液气接管管口的计管结论13参考文献14主要符号说明14摘要在化工生产中，气体吸收过程是利用气体混合物中，各组分在液体中溶解度或化学反应活 性的差异，在气液两相接触是发生传质，实现气液混合物的分离。在化学工业中，经常需将气体混 合物中的各个组分加以分离，其目的是： 回收或捕获气体混合物中的有用物质，以制取产品； 除去工艺气体中的有害成分，使气体净化，以便进一步加工处理；或除去工业放空尾气中 的有害物，以免污染大气。实际过程往往同时兼有净化和回收双重目的。气体混合物的分离，总是根据混合物中各组分间某种物理和化学性质的差异而进行的。根据 不同性质上的差异，可以开发出不同的分离方法。吸收操作仅为其中之一，它利用混合物中各 组分在液体中溶解度或化学反应活性的差异，在气液两相接触时发生传质，实现气液混合物的 分离。一般说来，完整的吸收过程应包括吸收和解吸两部分。在化工生产过程中，原料气的净化，气 体产品的精制，治理有害气体，保护环境等方面都要用到气体吸收过程。填料塔作为主要设备 之一，越来越受到青睐。二氧化硫填料吸收塔，以水为溶剂，经济合理，净化度高，污染小。 此外，由于水和二氧化硫反应生成硫酸，具有很大的利用。1绪论1.1吸收技术概况在化学工业中，利用不同气体组分在液体溶剂中的溶解度的差异，对其进行 选择性溶解，从而将混合物各组分分离的传质过程称为吸收。气体吸收过程是化 工生产中常用的气体混合物的分离操作，其基本原理是利用混合物中各组分在特 定的液体吸收剂中的溶解度不同，实现各组分分离的单元操作。实际生产中，吸收过程所用的吸收剂常需回收利用，故一般来说，完整的吸收过 程应包括吸收和解吸两部分，因而在设计上应将两部分综合考虑，才能得到较为 理想的设计结果。作为吸收过程的工艺设计，其一般性问题是在给定混合气体处 理量、混合气体组成、温度、压力以及分离要求的条件下，完成以下工作：（1）根据给定的分离任务，确定吸收方案；（2）根据流程进行过程的物料和热量衡算，确定工艺参数；（3）依据物料及热量衡算进行过程的设备选型或设备设计；（4）绘制工艺流程图及主要设备的工艺条件图；（5）编写工艺设计说明书。1.2吸收过程对设备的要求及设备的发展概况近年来随着化工产业的发展，大规模的吸收设备已经广泛用于实际生产过 程中。对于吸收过程，能够完成分离任务的塔设备有多种，如何从众多的塔设备 中选择合适类型是进行工艺设计的首要任务。而进行这一项工作则需对吸收过程 进行充分的研究后，并经多方面对比方能得到满意的结果。一般而言，吸收用塔 设备与精馏过程所需要的塔设备具有相同的原则要求，用较小直径的塔设备完成 规定的处理量，塔板或填料层阻力要小，具有良好的传质性能，具有合适的操作 弹性，结构简单，造价低，便于安装、操作和维修等。但是吸收过程，一般具有液气比大的特点，因而更适用填料塔。此外，填 料塔阻力小，效率高，有利于过程节能。所以对于吸收过程来说，以采用填料塔 居多。近年来随着化工产业的发展，大规模的吸收设备已经广泛用于实际生产当 中。具有了很高的吸收效率，以及在节能方面也日趋完善。填料塔的工艺设计内 容是在明确了装置的处理量，操作温度及操作压力及相应的相平衡关系的条件 下，完成填料塔的工艺尺寸及其他塔内件设计。在今后的化学工业的生产中，对 吸收设备的要求及效率将会有更高的要求，所以日益完善的吸收设备会逐渐应用 于实际的工业生产中。1.3吸收在工业生产中的应用1.3.1吸收的应用概况在化工生产中，原料气的净化，气体产品的精制，治理有害气体保护环境等 方面得到了广泛的应用，在研究和开发过程中，在方法上多从吸收过程的传质速 率着手，希望在整个设备中，气液两相为连续微分接触过程，这一特点则与填料 塔得到了良好的结合，由于填料塔的通量大，阻力小，使得其在某些处理量大要 求压降小的分离过程中备受青睐，尤其近年高效填料塔的开发，使得填料塔在分 离过程中占据了重要的位置。吸收在化工的应用大致有以下几种：（1）原料气的净化。（2）有用组分的回收。（3）某些产品的制取。（4）废气的处理。1.3.2典型吸收过程煤气脱苯为例:在炼焦及制取城市煤气的生产过程中，焦炉煤气内含有少量 的苯、甲苯类低碳氢化合物的蒸汽（约35 g /m3）应予以分离回收，所用的吸收 溶剂为该工业生产过程中的副产物，即焦煤油的精制品称为洗油。回收苯系物质的流程包括吸收和解吸两个大部分。含苯煤气在常温下由底 部进入吸收塔，洗油从塔顶淋入，塔内装有木栅等填充物。在煤气与洗油接触过 程中，煤气中的苯蒸汽溶解于洗油，使塔顶离去的煤气苯含量降至某允许值 （ 2g / m 3），而溶有较多苯系物质的洗油（称富油）由吸收塔底排出。为取出富油 中的苯并使洗油能够再次使用（称溶剂的再生），在另一个称为解吸塔的设备中进 行与吸收相反的操作一一解吸。为此，可先将富油预热到170 C左右由解吸塔 顶淋下，塔底通入过热水蒸气。洗油中的苯在高温下逸出而被水蒸气带走，经冷 凝分层将水除去，最终可得苯类液体（粗苯），而脱除溶质的洗油（称贫油）经 冷却后可作为吸收溶剂再次送入吸收塔循环使用.2设计方案吸收过程的设计方案主要包括吸收剂的选择、吸收流程的选择、解吸方法选择、 设备类型选择、操作参数的选择等内容.用水吸收S02属中等溶解度的吸收过程， 为提高传质效率，选用逆流吸收流程。因用水作为吸收剂，且S02不作为产品， 故采用纯溶剂。2.1吸收方法及吸收剂的选择2.1.1吸收方法完成同一吸收任务，可选用不同吸收剂，从而构成了不同的吸收方法，如以合成 氨厂变换器脱CO2的为例，若配合焦炉气为原料的制氢工艺，宜选用水，碳酸丙 烯酯，冷甲酸等作吸收剂，既能脱CO2，又能脱除有机杂质。后继配以碱洗和低 温液氨洗构成了一个完整的净化体系，若以天然气为原料制和*时，宜选用 催化热碳酸钾溶液作吸收剂，净化度高。后继再配以甲烷化法，经济合理。其中， 前者为物理吸收，后者则为化学吸收。一般而言，当溶剂含量较低，而要求净化 度又高时，宜采用化学吸收法；若溶质含量较高，而净化度又不很高时，宜采用 物理吸收法。2.1.2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.（一）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.（二）对溶质有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.（三）不易挥发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.（四）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.表21物理吸收剂和化学吸收剂的特性物理吸收剂化学吸收剂（1）吸收容量（溶解度）正比于溶质分压（1）吸收容量对溶质分压不太敏感（2）吸收热效应很小（近于等温）（2）吸收热效应显著（3）常用降压闪蒸解吸（3）用低压蒸汽气提解吸（4）适于溶质含量高，而净化度要求不太高的场合（4）适于溶质含量不高，而净化度要求很高的场合（5）对设备腐蚀性小，不易变质（5）对设备腐蚀性大，易变质2.2吸收工艺的流程2.2.1吸收工艺流程的确定工业上使用的吸收流程多种多样，可以从不同角度进行分类，从所选用的吸 收剂的种类看，有仅用一种吸收剂的一步吸收流程和使用两种吸收剂的两步吸收 流程，从所用的塔设备数量看，可分为单塔吸收流程和多塔吸收流程，从塔内气 液两相的流向可分为逆流吸收流程、并流吸收流程等基本流程，此外，还有用于 特定条件下的部分溶剂循环流程。（一）一步吸收流程和两步吸收流程一步流程一般用于混合气体溶质浓度较低，同时过程的分离要求不高，选用一种 吸收剂即可完成任务的情况。若混合气体中溶质浓度较高且吸收要求也高，难以 用一步吸收达到规定的吸收要求，但过程的操作费用较高，从经济性的角度分析 不够适宜时，可以考虑采用两步吸收流程。（二）单塔吸收流程和多塔吸收流程单塔吸收流程是吸收过程中最常用的流程，如过程无特别需要，则一般采用单塔 吸收流程。若过程的分离要求较高，使用单塔操作时，所需要的塔体过高，或采 用两步吸收流程时，则需要采用多塔流程（通常是双塔吸收流程）（三）逆流吸收与并流吸收吸收塔或再生塔内气液相可以逆流操作也可以并流操作，由于逆流操作具有传质 推动力大，分离效率高（具有多个理论级的分离能力）的显著优点而广泛应用。 工程上，如无特别需要，一般均采用逆流吸收流程。（四）部分溶剂循环吸收流程由于填料塔的分离效率受填料层上的液体喷淋量影响较大，当液相喷淋量过小 时，将降低填料塔的分离效率，因此当塔的液相负荷过小而难以充分润湿填料表 面时，可以采用部分溶剂循环吸收流程，以提高液相喷淋量，改善踏的操作条件。3吸收塔的工艺计算3.1基础物性数据3.1.1液相密度 P998.2kg/m3粘度 u°.°°1Pa.s=3.6kg/(m. h)表面张力 L。L=72.6dyn/cm=94°896kg/h2SO2在水中的扩散系数为 DL=1.47X1°-5cm2/s=5.29X1°-6m2/h3.1.2气相混合气体平均摩尔质量为M = EyiMi=°.°5X64.°6 + °.95X29=3°.75平均密度S vmpMvmRT101.325 x 30.758.314 x 298.15=1.257kg / m 3yi=°.°5所以近似取空气粘度 查表得当 T=2°oC 时r = 1.81 x 10-5 pa.s = 0.065kg /(m.h)sO2在空气中扩散系数为Dv = 0.108cm2 /S = 0.039m3 /h3.1.3相关平衡数据由表查得，当T = 200C时，SO2于水中的亨利系数为E = 3055x 103kPaE 3.55 x 103 kpa m =P=35.04 101.325kpaH =- EMS998.2=0.0156kmol /(kpa.m3)3.55 x 103 x 18.023.2物料计算Y = =竺=0.0526 11 - y10.95中=0.96,所以Y2=Y(1 -中)=0.0526(1 0.96)= 0.002104 12250273.15进塔惰性气体气体流量v =芸丁 xx(1-0.05)= 87.42kmol / L22.4 273.15 + 25L Y - Y 0.0526 - 0.002104(寻)=33.64 取操作液气比取小值的1.4倍V min Y / _ X0.0526,二八 1 01 m* 八得 L = 1.4(L)V V min-X20.052635.01=1.4x33.64 = 47.10 所以L = 47.10x87.42 = 4117.13kmol/由物料守恒得x 187.42 x (0.0526 - 0.005104)=0.00114117.133.3塔径的计算3.3.1塔径的计算气相质量流量为w, = 2250 x 1.257 = 2828.3kg / h 液相质量流量近似取纯水=4117.13x 18.02 = 74190.68kg/h p, = 998.2kg/m3 由贝思-霍夫泛点关联式w kW )V /Lg查表的 塑料阶梯环有a = 132.5m2 /m3 A = 0.204 K = 1.75 &= 0.91m3 /m3 t将已知数据带入得（竺1x（冬）U 29.81 xx 10.2=0.204 -1.75 x( 74190.681k 2828.3 )1998.2 )= -1.515=1.16m/ s对于散装材料0.5 < < 0.85（由经验得），uf所以 u = 0.7Uf = 0.7 x 1.16 = 0.812 m / s：4 x 2250/3600# = ； 3.14 x 0.812 = 0.990m 圆整塔径取 D = L°m 3.3.2泛点率校核u = 2400/3600 =0.849m / s 兀 4 x 12u 0 849k = 73.18%在允许范围内1.163.3.3填料规格校核:ss D D 1000填料规格由阶梯环规格万8而百=三史=26M8符合要求3.3.4液体喷淋密度校核液体喷琳密度校核 由直径不超过75mm的散装填料要求(L ) = 0.08m3 /(m.h)查附录表得塑料阶梯环特性数据其比表面积。t=132.5m2 /m3冬竺空=94.68 > u0.785 x 12mmu . =(L ) . a = 0.08x 132.5 = 10.6m3/m2.h经以上校核可知，直径选用D=1000mm合理。3.4填料层高度计算Y*= mX = 35.04 x 0.0011 = 0.03854117.13邓=竺=35.04 x 8"2 =0.744 LNOG1 - 0.744lnG - 0.744)°.0526 + 0.744 = 7.680.0021043.4.传质单元高度h #算OG由修正的恩田关联式得a = 1 exp -1.45atA 0.75 <、务' t l /-0.05 /0.2查表 5-13 得b = 33dyn / cm = 427680kg / h2液体的质量流量为气74190.68 0.785 x 1=94510.42kg代入公式计算得awat=1 exp-1.45(42768010.75 x "940896)(94510.42 J0.1 -132.5 x 3.6)(94510.42 x 132.5 ¥0-05 -998.22 x 1.27 x 108)94510.422、0.2-998.2 x 940896 x 132.5 )=0.835气膜系数KG口 2250 x 1.257U =v 0.785 x 1=0.2371-at 四v )=3602.86kg / m 2.h)Pvkp 9)由气体流量代入算得=0.237 xr 3602.86、0.7,0.0651132.5 x 0.039 1液膜吸吸系数-132.5 x 0.065 )-1.257 x 0.039 )-8.314 x 293.15 )= 0.0378公式k广0.095r =0.095由Ra94510.42123 r虬1 kp lDl)23r3.61-1'2r 3.6 x 1.27 x 1081-0.835 x 132.15 x 3.6 )-998.2 x 5.29 x 10-6)=k a w 1.1 K =k a w0.4G wla l w查表5-14得-998.2w = 1.45=0.0378 x 0.835 x 132.5 x 1.451.1 = 6.294kmol /(n3.h.kpa) K = 1.075 x 0.835 x 132.5 x 1.450.4 = 137.99&:.KGa又由兰=73.18% > 50% ufK'1 + 9.5Ga1.4Ga=1.075m / h+ 9.5 x(73.18% - 0.5)4 6.294 = 14.02kmol / (n 3 .h.kpa)"兰-0.5:2.21 + 2.6u)v f/Klala1K'+ 2.6 x(73.18% - 0.5>.2137.99 = 152.38；')GaGa14.02=2.03kmol.h.kpa )la0.0156 x 152.38HOG=0.541m87.42 寿=寸=101.325x2.03x- 4x123.4.2填料层高度Z的计算:.Z = NogHog = 7.68 x 0.541 = 4.155m由安全系数得Z' = (1.2 1.5)Z取Z' = 1.4Z = 1.4 x 4.155 = 5.817m 圆整后取填料层高度为Z '= 6 mh.h 查表5-16对于阶梯环材料 =8-15 hmax < 6m 不妨取万=9 则h = 9 x 1000 = 9000mm 由填料层高度为6m 所以无需分段3.5填料层压降AP的计算:利用埃克特关联图计算/2巧i p)v Y l 7(4117.13 x 18.02 ) xI 2828.3)(1.257 * 998.2)=0.931查表5-18 =116m-1则纵座标为查图得冬已旦 0.2 =庭492 x 116 x 1 x 1.257 x 1 = 0.0107 g p i l 9.81 x 998.2若=29 x 9.81 = 284.49pa / m所以真料层压降为Ap = 6 x 284.49 = 1706.94pa3.6填料塔附属高度及最终高度计算填料层最终高度为6+20%X6=7.2m3.6.1塔顶上部空间高度由经验值，在此可取1.4m由进气管安装要求，在此取高于塔底液面0.3m,且位于填料层下方一个塔径的距离1m 水体的液封高度的计算：3.6.2塔底液体保持高度取液体在塔底停留时间为t=1min由算的液体的流速为v = 0.0206m 3/ ss0.0206 x 1 x 60 = 3-144 x 1 x h n h = 1.57m则塔高为 H=7.2+1.4+1+1.57+0.3=11.47m 圆整后取塔高为H=12m37泵的选择由液体的通量为k74190.68998.2=74.32m 3/h由此查表选得泵型号为：IS100-80-1253.8进出液气接管管口的计管z'4v由管口直径有d J或w 74190.683.8.1对于液体有v = = 0.0206m3/s由查得一般情况下液本进出s p 998.2 x 3600管内速度一般为(0.81.5m/s)在这里不妨取u=1m/s代入公式得,.'4 x 0.0206 d = >= 0.1621m = 162mm3.14 x 122503.8.2对于气体有v = 0.625m3/s由查得一般情况下气体进出管内速度由经s 3600验值为(1020m/s)在这里不妨取u=15m/s代入公式算得：4 x 0.625 = 0.2303m = 230mm'3.14 x 15圆整对液体管Dg=175mm壁厚为10mm对气体管Dg=225mm 壁厚为5mm两种接管长度均取150mm 公称压力三1.6Mpa结论1 .吸收塔的吸收剂用量计算总表意义及符号结果混合气体处理量G2250m3/h气液相平衡常数m35.04进塔气相摩尔比丫10.0526出塔气相摩尔分率Y20.00263进塔液相摩尔比X10.0011出塔液相摩尔比X20最小液气比L/V33.64混合气体平均试量M30.75g/mol混合气体的密度P1.257kg/m3混合气体的粘度U1.81 x 10-5 Pa. s吸收剂用量L4117.13kmol/h2 .塔设备计算总表意义及符号结果塔径D1.0 m塔高H （理论值）圆整后塔高H填料层高Z填料塔上部理论高度h1填料塔下部问总理论高度h11.47m12m7.2 m1.4m2.87m气相总传质单元高度HOG0.541m气相总传质单元数NOG7.68空塔气速uf 泛点率f1.16m/s73.18%参考文献化工原理高等教育规划教材第四版.王志魁 刘丽英 刘伟编常用化工单元设备设计华南理工大学出版社第二版.李功样陈 兰英崔英德编画法几何与机械制图华南理工大学出版社第二版.冯开平 左宗 义编化工单元过程及设备课程设设计化学工业出版社第二版.匡国柱 史启才主编化工原理课程设计（化工传递与单元操作课程设计）天津大学出 版社.贾绍义柴诚敬主编主要符号说明1、英文字母a填料层的有效传质比表面积(m2 /m3);aw 填料层的润滑比表面积m2/m3；A 吸收因数;无因次；d填料当量直径，mm;d填料直径，mm；D 扩散系数，m2/s；塔径;E亨利系数，KPa;g重力加速度，kg/(m2.h);H 溶解度系数，kmol /(m3 .KPa);气相传质单元高度 ，m;Hl液相传质单元高度，m;HOG气相总传质单元高度，m;液相总传质单元高度，m;HOL3 .s.KPa);Lg吸收液质量流速kg/S.h);匕气膜吸收系数，kmol /(mL喷液体喷淋密度;m 相平衡常数，无因次;ng 气相传质单元数，无因次；Nl 液相传质单元数，无因次;次;NOG气相总传质系数，无因NOL液相总传质系数，无因次;P总压，KPa ;p分压，KPa ;R 气体通用常数，kJ/(kmol.K);S 解吸因子；U空塔速度，m/s ;T温度，oC;u亍液泛速度，m/s ;匕惰性气体流量，kmol/s ;匕混合气体体积流量，m3/s;k液膜吸收系数，kmol/(m2.s.kmol/m3);k气膜吸收系数，Lykmol/(m2.s);K气相总吸收系数kmol/(m2.s);kmol/(m2.s);k气相总吸收系数，kmol/(m2.s.kpa);Gkmol/(m2.s);Ls吸收剂用量 kmol/h; kmol/s;L吸收液质量流量kg/h；kx 液膜吸收系数，K液相总吸收系数 xl一吸收液量kmol/h；l -V吸收液流量，m3/s4填料因子，m-i ;P密度 kg/ m32、下标L 液相的G 气相的V混合气流量kmol/sV'混合气质量流量x溶质组分在液相中的摩尔分率无因次X溶质组分在气相中的摩尔比无因次y溶质组分在液相中的摩尔分率无因次Y溶质组分在气相中的摩尔比无因次Z 填料层高度 mZs填料层分段高度m3.希腊字母 粘度 Pa.sP密度kg/m3n表面张力N/mmin最小的m平均的，对数平均的max最大的