1、化工原理課程設計報告題目名稱： 水吸收SO2過程填料吸收塔設計學生學院： 輕工化工學院 專業(yè)班級： 09 制藥工程2班 學 號： 3109002301 學生姓名： 梁奮芬 課程設計時間：2012年 06月2日-2012年06月18日設計任務書設計題目：水吸收SO2過程填料吸收塔設計。試設計一座填料吸收塔，用于脫除混于空氣中的SO2。混合氣體的處理量自定，但各人不能相同，混合氣體中含SO25%（體積分數(shù)，下同），要求塔頂排放氣體中SO2含量低于0.2%， 采用清水進行吸收，吸收劑用量自定。 （低濃度、物理吸收，溶解熱可忽略，所以只需做物料衡算，而不必做熱量衡算）操作條件：操作壓力：常壓 ，操作溫

2、度：20填料類型：選用聚丙烯階梯環(huán)填料，填料規(guī)格自選。工作日：每年300天，每天24小時連續(xù)運行。廠址 ：肇慶高新區(qū) 自定義的量：假設混合氣體的處理量為 4000L/h; 聚丙烯階梯環(huán)填料規(guī)格為Dg38；設計內(nèi)容1、吸收塔的物料衡算；2、吸收塔工藝尺寸的計算（塔徑、塔高，包括填料的分段）；3、（氣體通過）填料層壓降的計算；4、吸收塔接管尺寸的計算；5、吸收塔附屬裝置的選型；液體分布器、再分布器、支承器等；6、附屬設備選型；泵（通過計算選型）、風機（選型計算）；7、繪制生產(chǎn)工藝流程圖；8、繪制填料塔裝配圖；9、對設計過程的評述和有關(guān)問題的討論目錄摘要31 緒論32填料吸收塔的設計42.1填料塔的

3、物料衡算4最少液氣比的計算4吸收劑用量的確定52.2吸收塔工藝尺寸的計算5塔徑的計算5核算氣速7核算噴淋密度7核算徑比D/d7塔高的計算7填料塔高度的計算102.2.7 氣體通過填料層壓降p的確定102.3附屬設備的計算與選擇11吸收塔主要接管的尺寸計算11氣體進出口管道12液體進出口管道132.3.4 填料卸出口142.3.5 儀表接口142.3.6 接管長度142.3.7 填料支承裝置142.3.8 液體噴淋裝置152.3.8 塔頂除霧沫器152.3.9 氣體入塔分布器162.3.10 填料壓板162.4 離心泵的計算及選型162.5 風機的選型182.6結(jié)果匯總圖182.7生產(chǎn)工藝流程圖

4、203填料塔裝配圖214結(jié)束語215參考文獻22摘要：在化工生產(chǎn)中，氣體吸收過程是利用氣體混合物中，各組分在液體中的溶解度或化學反應活性的差異，在氣液兩相接觸時發(fā)生傳質(zhì)，實現(xiàn)氣液混合物的分離。在化學工業(yè)中，經(jīng)常將氣體混合物中的各個組分加以分離，其目的是：回收或捕獲氣體混合物中的有用物質(zhì)，以制取產(chǎn)品；除去工藝氣體中的有害成分，是氣體凈化，一邊進一步加工處理；或出去工業(yè)排放尾氣中的有害物，以免污染大氣。本論文主要研究設計了填料塔方案的確定和填料的選擇，在工藝計算中，本論文主要涉及相關(guān)物性的確定，塔徑，塔高以及填料高度的計算和壓降的計算。關(guān)鍵詞：吸收，填料塔，物料平衡，填料高度，填料層壓降1 緒論【

5、4】 填料塔是塔設備的一種。塔內(nèi)填充適當高度的填料，以增加兩種流體間的接觸表面。填料塔屬于連續(xù)接觸式氣液傳質(zhì)設備，兩相組成沿塔高連續(xù)變化，在正常操作狀態(tài)下，氣相為連續(xù)相，液相為分散相。填料塔以塔內(nèi)的填料作為氣液兩相間接觸構(gòu)件的傳質(zhì)設備。填料塔的塔身是一直立式圓筒，底部裝有填料支承板，填料以亂堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安裝填料壓板，以防被上升氣流吹動。液體從塔頂經(jīng)液體分布器噴淋到填料上，并沿填料表面流下。氣體從塔底送入，經(jīng)氣體分布裝置分布后，與液體呈逆流連續(xù)通過填料層的空隙，在填料表面上，氣液兩相密切接觸進行傳質(zhì)。 與板式塔相比，在填料塔中進行的傳質(zhì)過程，其特點是氣液連續(xù)接觸，而傳

6、質(zhì)的好壞與填料密切相關(guān)。填料提供了塔內(nèi)的氣液兩相接觸面積。填料塔的流體力學性能，傳質(zhì)速率等與填料的材質(zhì)，幾何形狀密切相關(guān)，所以長期以來人們十分注中填料的性能和新型填料的開發(fā)，使得填料塔在化工生產(chǎn)中應用更加廣泛。 填料塔具有生產(chǎn)能力大，分離效率高，壓降小，持液量小，操作彈性大等優(yōu)點。填料塔還有以下特點： 1.當塔徑不是很大時，填料塔因為結(jié)構(gòu)簡單而造價便宜。 2.對于易起泡物系，填料塔更適合，因填料對氣泡有限制和破碎作用。 3.對于腐蝕性物系，填料塔更適合，因為可以采用瓷質(zhì)填料。 4.對于熱敏性物系宜采用填料塔，因為填料塔的持液量比板式塔少，物料在塔內(nèi)的停留時間短。填料塔的壓強降比板式塔小，因而對

7、真空操作更有利。 填料塔也有一些不足之處，如填料造價高；當液體負荷較小時不能有效地潤濕填料表面，使傳質(zhì)效率降低；不能直接用于有懸浮物或容易聚合的物料；對側(cè)線進料和出料等復雜2填料吸收塔的設計2.1填料塔的物料衡算2.1.1最少液氣比的計算從任務書得知，y1=5%，0<y2<0.2%,取y2=0.15%，t=20oC ，p=101.325kpa由假設混合氣體的處理量為 4000L/h,V=400022.4×273293×(1-0.05)=158.06kmol/hY1=y1/(1-y1)=0.05/0.95=0.0526 ,Y2=y2/(1-y2)=0.0015/0

8、.99850.0015查表可知，亨利系數(shù)E=3550 kpa （t=20oC）【1】 所以，相平衡常數(shù)：m=E/P=3550/101.325=35.036 且X1*=Y1/m=0.0526/35.036=0.0015因此，最小液氣比(L/V)min=（Y1-Y2）/(X1*-X2)=(0.0526-0.0015)/(0.0015-0)=34.0672.1.2吸收劑用量的確定根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，一般情況下取適宜操作液氣比為最小液氣比的1.1-2.0倍，可使設備費用之和為最小，即L/V=(1.1 -2.0)(L/V)min 【1】 本報告取1.5倍，即L/V=1.5(L/V)min=1.5×3

9、4.067=51.1005 因為V=158.06kmol/h，所以L=51.1005×158.06 =8076.95kmol/h根據(jù)物料衡算，吸收液的出塔組成X1可算出，V(Y1-Y2)=L(X1-X2)所以，X1= V(Y1-Y2)/L=158.06×0.0511/8076.95=0.0012.2吸收塔工藝尺寸的計算2.2.1塔徑的計算塔徑的計算公式：D=4Vsu采用Eckert關(guān)聯(lián)圖計算泛點氣速混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為MVm=yiMi=0.05×64.070.95×28.95=30.706混合氣體密度v=PMvm/(RT)=101.325×

10、30.706/（8.314×293）=1.277kg/m3氣相質(zhì)量流量為Wv=2000×1.277=2554kg/hWL=L×M水=8076.95×18=145385.1kg/h20水的密度L=998kg/m3 Eckert關(guān)聯(lián)圖得橫坐標為WLWVvL0.5=145385.12554×(1.277998)0.5=2.036查埃克特通用關(guān)聯(lián)圖1，得 埃克特通用關(guān)聯(lián)圖3-12 uF2gFvLL0.2=0.011 其中，g=9.81m/s2, 查表3-8【2】F=170m-1，所以，uF=(0.011×9.81×998170

11、15;1×1.277×10.2)=0.704一般地，取空塔氣速為泛點氣速uF 的50%-85%，即u=（0.5-0.85）uF 本報告取0.8，所以u=0.8×0.704=0.5632m/s由塔徑的計算公式：D=4Vsu=4×4000/36003.14×0.5632)1/2 =1.585圓整塔徑D=1.6m2.2.2核算氣速【2】u=4VS/(D2)=(4×4000/3600)1.62×3.14=0.553=0.785uF 其值符合u=（0.5-0.85）uF2.2.3核算噴淋密度【2】在吸收劑用量以及塔徑確定以后，還要校核

12、噴淋密度。為了使填料能夠獲得良好的濕潤，應保證塔內(nèi)液體噴淋密度高于某一下限值。所以算出塔徑后還要驗算噴淋密度是否大于最小噴淋密度UminUmin=(LW)mint查表3-2(b)可得，填料外徑為38mm時填料比表面積t=132.5m2/m3根據(jù)Morris等推薦，環(huán)形填料直徑<75mm的時候取(LW)min=0.08m3/(m·h)所以，最小噴淋密度Umin=(LW)mint=0.08×132.5=10.6 m3/(m2·h)噴淋密度U=WL/998/4×D2=72.49 m3/(m2·h)>Umin=10.6 m3/(m2

13、3;h)2.2.4核算徑比D/d【2】為保證填料濕潤均勻，還應注意實際采用的塔徑與填料直徑之比在10以上。此值過小，液體沿塔料下流時常會出現(xiàn)“壁流”現(xiàn)象。Dd=1600/38=42.1>8從以上條件看出，塔徑D=1.6m符合要求2.2.5塔高的計算【3】（1）氣相總傳質(zhì)單元數(shù)的計算Y2*=m·X2=0脫吸因數(shù)為 S=m =35.036×=0.6856氣相總傳質(zhì)單元數(shù)為 = =7.826氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計算查表3-3【2】 =33dyn/cm=33×10-3N/m3 20時水的表面張力為72.8×10-3N/m3【1】 液體質(zhì)量

14、通量 LG=145385.1/（0.785×1.62 ×3600）=20.1kg/(m2.s)Dg38mm塑料階梯環(huán)（亂堆）特性：at=132.5m2/m3 , 形狀修正系數(shù)=1.45液體性質(zhì)（以20水為準）L=998kg/m3 , L=0.001Pa·s=0.653所以aW=aW·at/ at=0.653×132.5=86.54 m2/m3氣膜吸收系數(shù)為 kG=0.237×1.1×氣體質(zhì)量通量 VG=2541.8 kg/(m2.h)=0.706 查手冊的，SO2在空氣中擴散系數(shù)DG=0.039m2/h=則 ×1.

15、451.1 =1.44×10-5 kmol/(m2·s·Kpa)液膜吸收系數(shù)為 ×0.4LG=72345.3 kg/(m2.h)=20.1 kg/(m2.s)，×0.4=3.417×10-4m/s式中，氣膜吸收系數(shù)，；液膜吸收系數(shù)，；氣體常數(shù)，；液相、氣相的質(zhì)量流率，；溶質(zhì)在液相和氣相中的擴散系數(shù)，；液相、氣相的粘度，；填料的形狀系數(shù)由 =1.44×10-5×86.54=1.246×10-3 kmol/(m2·s·Kpa)kL.=kLw=3.417×10-4×86.

16、54=2.957×10-2 s-1（2）計算HOG1/(KGa)=1/(kGa)+1/（HkLa）,H=L/(EMS) m=35.036(以上已求)E=mp=35.036×101.325=3550.02kpa所以，H=L/(EMS)=998/(3550.02×18)=0.01562kmol/(m3·kpa)所以， 由 Z=HOGNOG=0.64×7.826=5.01 m 查化工單元操作過程與設備p186，為了保證工程的可靠性，計算出的填料層高度還應留出一定的安全系數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗，填料層的設計高度一般為：取25%富余量，則完成設計任務需要Dg38塑

17、料階梯環(huán)的填料高度為Z=1.25·Z=1.25×5.01=6.26 m因此完成本設計需要的填料層高度為： 6.3m查化工單元操作過程與設備p186頁表3-7, 階梯環(huán)填料的h/D=815, 因為 =6.3m > 6m，故填料層分兩段，下面段取3.3m，上面段取3m.2.2.6填料塔高度的計算塔的總高度為填料層高度加上各附屬部件的高度以及塔頂、塔底的空間高度（1）塔頂空間高度的選定：塔頂空間高度是填料層上方到塔頂封頭之間的垂直距離，一般取1.2m到1.5m本設計取塔頂空間高度為1.3m（2）塔底空間高度的選定：塔底空間高度是指填料層最底部到塔底封頭之間的垂直距離。塔底液

18、面到填料層底部之間應該留有空間以滿足安裝進氣管的要求，進氣管的位置應該在填料層以下約一個塔徑的距離，因此本設計中為1.5m。（3）填料塔附屬部件的高度查化工單元操作過程與設備p115,一般可取液體停留時間35min。這里塔底液相停留時間按3min考慮，則塔釜液所占空間高度為： 塔底部空間高度取0.5m因此塔的實際高度取H=6.3+1.3+1.5+3.6+0.5=13.2m2.2.7 氣體通過填料層壓降p的確定 氣體通過填料層的壓降采用Eckert關(guān)聯(lián)圖計算,其中:查得常用化工單元設備設計p113頁表3-8，當填料類型是塑料階梯環(huán)、填料規(guī)格為時，.,縱坐標中填料因子常采用壓降因子代入計算已知，

19、，可計算出關(guān)聯(lián)圖中的橫坐標和縱坐標：在埃克特通用關(guān)聯(lián)圖上找出對應點：X=2.036 ，Y=0.0048，交點對應的，即每米填料的壓降為196.2，所以填料層的總壓降為：2.3附屬設備的計算與選擇【2】2.3.1吸收塔主要接管的尺寸計算本設計中填料塔有多處接管，但主要的是氣體和液體的進料口和出料口接管。氣體和液體在管道中流速的選擇原則為：常壓塔氣體進出口管氣速可取1020m/s（高壓塔氣速低于此值）；液體進出口流速可取0.81.5m/s（必要時可加大些）。表1 接管尺寸 mm內(nèi)管d2×S2外管d1×S1H125×345×3.512032×3.55

20、7×3.512038×3.557×3.512045×3.576×412057×3.576×412076×4108×412089×4108×4120108×4133×4120133×4159×4.5120159×4.5219×6120219×6273×8120245×7273×8120273×8325×8120進料管的結(jié)構(gòu)類型很多，有直管進料管、彎管進料管、T型進料管。

21、本設計采用直管進料管，管徑d計算如下：2.3.2氣體進出口管道【2】（1） 常壓塔氣體進出管氣速可取1020m/s，本次設計氣流速度取17m/s，則管口直徑為：根據(jù)表1接管尺寸，經(jīng)圓整后，按無縫鋼管標準選擇，則實際（2）按實際管徑重新核算流速：，符合經(jīng)濟流速。（3）管口的具體結(jié)構(gòu)設計如下：氣體進口裝置的設計應能防止淋下的液體進入管內(nèi)，同時還要使氣體分散均勻。因此，不宜使氣體直接由管道接口或水平管沖入塔內(nèi)，而應使氣流的出口朝向下方，使氣流折轉(zhuǎn)向上。因此本設計裝配了除沫器。由于本設計的塔徑為1.6m，大于800mm，氣體進口分布裝置可以使用盤式分布器氣體出口裝置，要求既能保證氣體通暢，又應能盡量除

22、去被夾帶的霧沫，防止液滴的帶出和積累2.3.3液體進出口管道（1）液體進出口速度可取0.8-1.5m/s，本次設計，液體進出口速度取1.2m/s，則管口直徑為：液體的進口體積流量管口直徑計算：根據(jù)表1接管尺寸，經(jīng)圓整后，按無縫鋼管標準選擇，則實際（2）按實際管徑重新核算流速：，符合經(jīng)濟流速。（3）管口的具體結(jié)構(gòu)設計如下：液體進口管直接通向噴淋裝置，本設計為直管式液體進口裝置；液體出口裝置的設計應該便于塔內(nèi)液體的排放，并且要保證塔內(nèi)有一定的液封高度，防止氣體短路。2.3.4 填料卸出口需要卸出口以便檢修時將填料卸出。填料卸出口的結(jié)構(gòu)與人孔或手孔相似，大直徑的塔可按標準人孔，小直徑的塔可選標準手孔

23、。查化工設備常用零部件可知，當容器的公稱直徑大于等于1 000 mm且筒體與封頭為焊接連接時，容器應至少設置一個人孔。公稱直徑小于1 000 mm且筒體與封頭為焊接連接時，容器應單獨設置人孔或手孔。 因此，本設計選用標準人孔。2.3.5 儀表接口填料塔上主要的儀器接口有壓力計接口、分析取樣口、溫度計接口和液位計接口等，壓力計接口及分樣口可采用DN1525帶法蘭的接口，并附法蘭蓋：溫度計接口可采用DN32或40帶法蘭的接管，并附帶法蘭蓋。2.3.6 接管長度填料塔上各股物料的進出口管留在設備外邊的長度h，可參照表2確定：表2公稱直徑Dg/mm1520507035070500接管長度/mm8010

24、0150150公稱壓力/MPa4.01.61.61.02.3.7 填料支承裝置2.3.7.1填料支承板選擇的基本要求（1）有足夠的強度以支承填料的重量；（2）提供足夠的自由截面以使氣、液兩相流體順利通過，防止在此產(chǎn)生液泛；（3）有利于液體的再分布；（4）耐腐蝕、易制造、易裝卸。2.3.7.2 設計中填料支承板的選擇常用的填料支撐板主要有柵板式和氣體噴射式等結(jié)構(gòu)，其中柵板式的支承結(jié)構(gòu)較為常用，由豎立的扁鋼制成。刪板可以制成整塊式或分塊式。一般直徑小于500mm的塔，可以采用整塊式刪板；直徑為600800mm的塔，可以將刪板分為兩塊；直徑為9001200mm的塔，分為三塊。直徑為12001600，

25、分為四塊板，每塊寬度在300400mm之間，以便于裝卸。本設計選用柵板式支承板，由于填料塔直徑為1600mm，因此可以將柵板分為四塊。2.3.8 液體噴淋裝置【2】2.3.8.1 液體分布裝置的作用以及選擇的基本原則液體分布裝置的作用就是為了使液體在塔頂能進行均勻的初始分布，從而提高填料表面的有效利用率。選擇液體分布裝置的原則是：液體分布均勻，自由截面大，操作彈性寬，不易堵塞，裝置的部件可通過人孔進行安裝拆卸。2.3.8.2 本設計中液體分布裝置的選擇液體分布裝置的安裝位置，通常要高于填料層表面150300mm，以提供足夠的自由空間，讓上升的氣流不受約束地穿過噴淋器。液體分布器種類多樣，按其結(jié)

26、構(gòu)特征分，主要有管式、盤式、噴頭式、槽式及槽盤式等，對于各種類型的塔，應根據(jù)塔的液體負荷或塔徑的不用，選擇不同的分布器結(jié)構(gòu)。本設計采用的盤式分布器的結(jié)構(gòu)簡單，液體通過時的阻力小，其分布比較均勻，一般適用與直徑800mm以上的塔。由于本設計中塔的直徑是1600mm，直徑1200mm的盤式分布器適合，因此本設計選用盤式分布器。2.3.8 塔頂除霧沫器穿過填料層的氣體有時會夾帶液體和霧滴，因此有時需要在塔頂氣體排出口前設計除霧沫器，以盡量除去氣體中的液體霧滴。絲網(wǎng)除霧器是一種分離效率高，阻力較小，重量較輕，所占空間不大的除霧器。它由金屬或塑料絲編織成網(wǎng)，卷成盤狀而成。故設計中選用絲網(wǎng)除霧器。2.3.

27、9 氣體入塔分布器設計選用柵條形分布器。2.3.10 填料壓板設計選用柵板型壓板。2.4 離心泵的計算及選型離心泵的流量 2.4.2離心泵的量程離心泵的選型【1】吸收劑儲槽液面到吸收塔吸收液入口兩截面間的機械衡算方程 式中 兩截面處水位之差；（因為塔高13.2m，因此此處可假設為14m）兩截面處靜壓頭之差；兩截面處動壓頭之差；操作條件下，P=0. u20，已取實際內(nèi)徑d=207mm,且相應實際流速u=1.2m/s,則 ，為湍流。并查表得無縫鋼管的絕對粗糙度為，本設計取為0.25mm，那么相對粗糙度。根據(jù)顧毓珍公式 （適用范圍：）有 對吸收劑儲槽液面與泵之間的管路進行估算：泵的吸入管估計采用一個

28、標準彎頭，一個全開截止閥，泵的輸出管采用三個標準彎頭，兩個全開的截止閥。查管件與閥門的當量長度共線圖，得到各管件、閥門的當量長度。根據(jù)填料塔及泵的大體位置，管路長取23m，3個標準彎頭（），2個全開的截止閥（）。吸入管道的進口阻力系數(shù)c=0.5, 出管路上的出口阻力系數(shù)e=1；則 考慮到安全系數(shù)，則 根據(jù)已知流量Q=145.68m3/h和揚程H=15.5m，綜合離心泵的流量，揚程以及效率，因此選用IS10080200的單級單吸離心泵，其性能參數(shù)如下表5 IS型單級單吸離心泵性能表轉(zhuǎn)速n（r/min）流量m3/h揚程Hm效率%功率/kw必須汽蝕余量（NPSH）r/m軸功率電機功率29002005

29、08033.6454.52.5 風機的選型【1】選用離心泵通風機來輸送氣體。風機性能表示的風壓是在20，101.3kPa條件下用空氣作為介質(zhì)測定的。可以表示為：其中，為安全系數(shù)，其值為13.45，因此可以選用附錄十四中的4-72-11型、規(guī)格是6C的離心通風機。2.6結(jié)果匯總圖項目設計結(jié)果吸收劑用量8076.95 kmol/h填料的選擇DN38聚丙烯塑料階梯環(huán)填料X10.001X20Y10.0526Y20.0015相平衡方程Y=35.036X最小汽液比34.067惰性氣體流量158.06kmol/h進塔氣體質(zhì)量流量2554kg/h出塔液體質(zhì)量流量145385.1kg/h進塔液體密度998kg/m3混合氣體密度1.277kg/m3空塔氣速0.5632 m/s塔徑D1.6 m塔高度13.2m填料層壓降1236.06 Pa吸收劑入塔輸送管徑219X6mm氣體入塔輸送管徑325X8mm泵功率45kw泵IS10080200的單級單吸離心泵風機4-72-11型6C規(guī)格填料卸出口選標準人孔初始液體分布器盤式分布器液體分布器槽型再分布器填料支承裝置柵板式支承板2.7生產(chǎn)工藝流程圖本