清水吸收SO烟气的填料塔设计说明书.docx

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1、清水吸收SO2烟气的填料塔课程设计说明书专 业： 材料工程技术 班 级：姓 名： 班 级 学 号：指 导 老 师：日 期：任 务 书化工单元操作课程设计任务书一、题目清水吸收SO2烟气的填料塔设计二、设计任务及操作条件1、气体处理量1000m3/h（30，100kpa）2、进塔气体的组成：9%（体积分数）SO2，其余可视为空气3、回收其中所含SO2的95%4、吸收塔的操作温度为30，压力位100kpa5、液气比为最小液气比的倍6、空塔气速取泛点气速的倍7、填料自选三、设计内容1、填料塔的物料衡算2、塔的主要工艺尺寸确定塔高的确定塔径的确定3、辅助设备的类型及作用4、绘制填料塔的设备图（CAD）

2、5、编写设计说明书（电子版）目 录第一章 前言 1吸收的概况 2 吸收设备分类 第二章 设计方案 吸收剂的选择 对溶质的溶解度大 对溶质有较高的选择性 不易挥发 再生性能好 塔内气液流向的选择 吸收系统工艺流程 填料的选择操作参数的选择 操作压力的确定第三章 工艺计算 物料衡算 吸收剂用量 塔径计算 填料层高度计算第四章 辅助设备的类型及作用 液体分布器 除雾器 填料压紧装置 填料支撑装置第五章 结束语第六章 主要符号说明第七章 参考文献1 前言 吸收技术的概况 利用混合气体中各组分在同一种溶剂（吸收剂）中溶解度的不同分离气体混合物的单元操作称为吸收。吸收是分离气体混合物最常见的单元操作之一。

3、工业吸收操作是在吸收塔内进行的。在吸收操作中，通常将混合气体中能够溶解于溶剂中的组分称为溶质或吸收质，以A表示而不溶或微溶的组分称为载体或惰性气体，以B表示；吸收所用的溶剂称为吸收剂，以S表示；经吸收后得到的溶液称为吸收液;被吸收后排出吸收塔的气体称为吸收尾气。吸收就是吸收质从气相转入液相的过程。吸收过程通常在吸收塔中进行。根据气、液两相的流动方向，分为逆流操作和并流操作两类，工业生产中以逆流操作为主，吸收剂以塔顶加入自上向流动，与从下向上流动的气体接触，吸收了吸收质的液体从塔底排出，净化后的气体从塔顶排出。吸收流程 如图所示A+B混合气即吸收尾气S溶剂A+S叫吸收液A溶质B叫惰性气体（化工术

4、语，注意与初等化学中的概念区分）或叫惰性成分 吸收设备分类 吸收操作所用的设备。主体通常是各种吸收塔，最常用的是板式塔和填充塔。此外，在化工生产中还使用其他类型的吸收器，主要有：?喷洒式吸收器将液体喷散成液滴，分散于气体中，以扩大相际接触面积。喷洒液滴可用高速转动的转盘，也可用液体喷嘴。但用得最广的是通过高速气流分散液体的喷射塔。喷射塔的上部是喷射段，设有气液两相进口和喷杯。进入喷射段的吸收剂连续溢入喷杯内,气体以高达2026m/s的速度由喷杯喷出,将吸收剂分散成细小雾滴。塔的中部是吸收段,气液两相在此充分接触，进行吸收。塔的底部是气液分离段。喷射塔结构简单，生产强度高，压降小，适用于易溶气体

5、的吸收和伴有快速反应的化学吸收，一般用单级或双级。?表面吸收器这种吸收器内具有固定的相际接触表面，气体在吸收器内掠过静止或缓慢流动的液体表面，适用于易溶气体的吸收和伴有快速反应的化学吸收。表面吸收器形状简单，可采用耐腐蚀材料制造，具体类型有陶瓷吸收罐、石英管吸收器、石墨板吸收器、管壳式湿壁吸收器等，其中有的类型能及时移去吸收产生的热量。?搅拌吸收器用涡轮搅拌器分散从下方导入的气体，以增强相际接触。为增加气体在液体中的停留时间，在涡轮上面设置一个帽形环使气体返回容器下部。也有的在液面处设置另一叶轮，推动气相返入液体中。这种吸收器适用于气体流量小或液相中悬浮有固体颗粒的吸收。2 设计方案 吸收剂的

6、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有着十分重要影响。一般情况下，选择吸收剂，要着重考虑如下问题： 对溶质的溶解度大 所选的吸收剂对溶质的溶解度大，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条件下，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，则可以提高吸收速率，减小塔设备的尺寸。 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，而对其它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

7、可以提高解吸后溶质气体的纯度。 不易挥发 吸收剂在操作条件下应具有较低的蒸汽压，以避免吸收过程中吸收剂的损失，提高吸收过程的经济性。 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该考虑的主要问题，其次，还应该注意所选择地吸收剂应该具有良好的物理、化学性能和经济性。其良好的物理性能主要指吸收剂的粘度要小，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具有良好的化学稳定性和热稳定性，以防止在

8、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择用廉价易得的溶剂，两种吸收剂如下：表 物理吸收剂和化学吸收剂的选择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（2）吸收热效应很小（近于等温）（3）常用降压闪蒸解吸（4）适于溶质含量高，而净化度要求不太高的场合（5）对设备腐蚀性小，不易变质（1）吸收容量对溶质分压不太敏感（2）吸收热效应显着（3）用低压蒸汽气提解吸（4）适于溶质含量不高，而净化度要求很高的场合（5）对设备腐蚀性大，易变质本设计采用水作为吸收剂，二氧化硫为溶质。 用水作为吸收剂吸收二氧化硫的

9、原因：节约成本 ,可以减少过程使用的成本；水吸收SO2之后的产品还可以再次利用； SO2在水中的溶解度大；水的挥发度低。塔内气液流向的选择 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）的显着优点而 广泛应用。工程上，如无特别需要，一般均采用逆流吸收流程。吸收系统工艺流程 吸收二氧化硫流程包括吸收和解析两部分。混合气体在30下进入吸收塔底部，水从塔顶淋下，塔内装有填料以扩大气液接触面积。在气液接触中，气体中的二氧化硫溶解于水，使离开塔顶的气体二氧化硫含量降低至允许值，而溶有较多二氧化硫的液体由吸收塔底排出。为了回收二氧化硫

10、并再次利用水，需将水和二氧化硫分离开，称为溶剂的再生。解吸是溶剂再生的一种方法，含二氧化硫的水溶液经过加热后送入解吸塔，与上升的过热蒸汽接触，二氧化硫从液相中解吸至气相。二氧化硫被解吸后，水溶剂得到再生，经过冷却后再重新作为吸收剂送入吸收塔循环使用。 填料的选择 塔填料是填料塔中的气液相间传质组件，是填料塔的核心部分。其种类繁多，性能上各有差异。散堆填料 目前散堆填料主要有环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料。所用的材质有陶瓷、塑料、石墨、玻璃及金属等（1）拉西环填料于1914 年由拉西（F. Rashching）发明，为外径与高度相等的圆环，如图片拉西环所示。拉西环填料的气液分布较差，传

11、质效率低，阻力大，通量小，目前工业上已较少应用。（2） 鲍尔环填料是对拉西环的改进，在拉西环的侧壁上开出两排长方形的窗孔，被切开的环壁的一侧仍与壁面相连，另一侧向环内弯曲，形成内伸的舌叶，诸舌叶的侧边在环中心相搭。鲍尔环由于环壁开孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率，气流阻力小，液体分布均匀。与拉西环相比，鲍尔环的气体通量可增加50%以上，传质效率提高30%左右。鲍尔环是一种应用较广的填料。（3） 阶梯环(Stairs wreath)填料的阶梯环结构与鲍尔环填料相似，环壁上开有长方形小孔，环内有两层交错 45的十字形叶片，环的高度为直径的一半，环的一端成喇叭口形状的翻边。这样的结构使得阶梯

12、环填料的性能在鲍尔环的基础上又有提高，其生产能力可提高约10%，压降则可降低25%，且由于填料间呈多点接触，床层均匀，较好地避免了沟流现象。阶梯环一般由塑料和金属制成，由于其性能优于其它侧壁上开孔的填料，因此获得广泛的应用。（4） 矩鞍填料将弧鞍填料两端的弧形面改为矩形面，且两面大小不等，即成为矩鞍填料。矩鞍填料堆积时不会套叠，液体分布较均匀。矩鞍填料一般采用瓷质材料制成，其性能优于拉西环。目前，国内绝大多数应用瓷拉西环的场合，均已被瓷矩鞍填料所取代。（5） 金属环矩鞍填料如图片金属换环聚鞍填料所示，环矩鞍填料（国外称为Intalox）是兼顾环形和鞍形结构特点而设计出的一种新型填料，该填料一般

13、以金属材质制成，故又称为金属环矩鞍填料。环矩鞍填料将环形填料和鞍形填料两者的优点集于一体，其综合性能优于鲍尔环和阶梯环，在散装填料中应用较多。 规整填料 规整填料是由许多相同尺寸和形状的材料组成的填料单元，以整砌的方式装填在塔体中。规整填料主要包括板波纹填料、丝网波纹填料、格利希格栅、脉冲填料等，其中尤以板波纹填料和丝网波纹填料所用材料主要有金属丝网和塑料丝网。（1）格栅填料(Space grid filler)是以条状单元体经一定规则组合而成的，具有多种结构形式。工业上应用最早的格栅填料为木格栅填料。目前应用较为普遍的有格里奇格栅填料、网孔格栅填料、蜂窝格栅填料等，其中以格里奇格栅填料最具代

14、表性。格栅填料的比表面积较低，主要用于要求压降小、负荷大及防堵等场合。（2）波纹填料(Ripples filler)目前工业上应用的规整填料绝大部分为波纹填料，它是由许多波纹薄板组成的圆盘状填料，波纹与塔轴的倾角有30和45两种，组装时相邻两波纹板反向靠叠。各盘填料垂直装于塔内，相邻的两盘填料间交错90排列。波纹填料按结构可分为网波纹填料和板波纹填料两大类，其材质又有金属、塑料和陶瓷等之分。金属丝网波纹填料是网波纹填料的主要形式，它是由金属丝网制成的。金属丝网波纹填料的压降低，分离效率很高，特别适用于精密精馏及真空精馏装置，为难分离物系、热敏性物系的精馏提供了有效的手段。 尽管其造价高，但因其

15、性能优良仍得到了广泛的应用。金属板波纹填料是板波纹填料的一种主要形式。该填料的波纹板片上冲压有许多f5mm 左右的小孔，可起到粗分配板片上的液体、加强横向混合的作用。波纹板片上轧成细小沟纹，可起到细分配板片上的液体、增强表面润湿性能的作用。金属孔板波纹填料强度高，耐腐蚀性强，特别适用于大直径塔及气液负荷较大的场合。（3）金属压延孔板波纹填料(The metals presses to postpone the bore plank ripples filler)是另一种有代表性的板波纹填料。它与金属孔板波纹填料的主要区别在于板片表面不是冲压孔，而是刺孔，用辗轧方式在板片上辗出很密的孔径为 小刺

16、孔。其分离能力类似于网波纹填料，但抗堵能力比网波纹填料强，并且价格便宜，应用较为广泛。波纹填料的优点是结构紧凑，阻力小，传质效率高，处理能力大，比表面积大（常用的有125、150、250、350、500、700 等几种）。波纹填料的缺点是不适于处理粘度大、易聚合或有悬浮物的物料，且装卸、清理困难，造价高。（4）脉冲填料(Pulse filler)是由带缩颈的中空棱柱形个体，按一定方式拼装而成的一种规整填料。脉冲填料组装后，会形成带缩颈的多孔棱形通道，其纵面流道交替收缩和扩大，气液两相通过时产生强烈的湍动。在缩颈段，气速最高，湍动剧烈，从而强化传质。在扩大段，气速减到最小，实现两相的分离。流道收

17、缩、扩大的交替重复，实现了“脉冲”传质过程。脉冲填料的特点是处理量大，压降小，是真空精馏的理想填料。因其优良的液体分布性能使放大效应减少，故特别适用于大塔径的场合。本设计采用塑料阶梯环填料。操作参数的选择 操作温度为30 操作压力的确定 该过程的操作压力是100kpa3. 工艺计算 物料衡算查化工单元操作196页，据全塔物料衡算8-21得进口气体的体积流量SO2的体积比为进塔气相摩尔比为 Y1=y1/1-y1=效率 出塔气相摩尔比 Y2= =（1-96%）=进塔惰性气相流量V=(V/(1-y1)273/(273+30)100/=(1000/273/303100/=h 空气的体积流量 V空气=V

18、(1-y1)=910m3/h出口液体中溶质与溶剂的摩尔比 X2=0由已知条件可知P=100KN/m=1xPa=100KPa查由某些气体水溶液的亨利系数查课本191页表8-1得 则最小气液比为取液气比故 L=V.吸收剂用量的确定= 塔径计算 该流程的操作压力及温度适中，避免二氧化硫腐蚀，故此选用 型的塑料阶梯环填料。其主要性能参数为：液体密度校正系数 填料因子吸收液的密度看成是水密度30时空气密度 Kg/mol Kg/mol混合气体的平均摩尔质量为混合气体的密度为 计算泛点气速液体密度校正系数 30时水的粘度系数泛点率校核 查化工原理（下）天津科学技术出版社姚玉英主编的表3-24中的乱堆填料泛点

19、线 （50%85%为经验值，所以在允许范围内）填料规格校核 液体喷淋密度校核 填料表面的润湿状况是传质的基础，为保持良好的传质性能，每种填料应维持一定的液体润湿速率（或喷淋密度）。 据化工原理（下）天津科学技术出版社姚玉英主编的196页可知依Morris等推荐，d75mm的环形及其它填料的最小润湿速率为最小喷淋密度 则喷淋密度为 所以D=900mm合理填料层高度计算 对于吸收操作，用传质单元法计算填料层高度 塔截面积 托吸因数 清水吸收， 则气相总传质单元数 气相质量流量气相空塔质量速度 液相空塔质量速度 气膜体积吸收系数30时，则液膜体积吸收系数气相总传质单元高度 故填料层分两段，每段填料塔

20、附属高度的计算 塔的附属高度主要包括塔的上部空间高度，安装液体分布器所需的空间高度，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。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。 本设计取（包括除沫器高度）。设塔定液相停留

21、时间为50s，则塔釜液所占空间高度为 考虑到气相接管的空间高度，底部空间高度取为米，那么塔的附属空间高度可以取为+=。吸收塔的总高度为h=+=+=4 辅助设备的类型及作用 液体分布器 液体分布器可分为初始分布器和再分布器，初始分布器设置于填料塔内，用于将塔顶液体均匀的分布在填料表面上，初始分布器的好坏对填料塔效率影响很大，分布器的设计不当，液体预分布不均，填料层的有效湿面积减小而偏流现象和沟流现象增加，即使填料性能再好也很难得到满意的分离效果。因而液体分布器的设计十分重要。特别对于大直径低填料层的填料塔，特别需要性能良好的液体分布器。 液体分布器的性能主要由分布器的布液点密度（即单位面积上的布

22、液点数），各布液点均匀性，各布液点上液相组成的均匀性决定，设计液体分布器主要是决定这些参数的结构尺寸。对液体分布器的选型和设计，一般要求：液体分布要均匀；自由截面率要大；操作弹性大；不易堵塞，不易引起雾沫夹带及起泡等；可用多种材料制作，且操作安装方便，容易调整水平。 液体分布器的种类较多，有多种不同的分类方法，一般多以液体流动的推动 力或按结构形式分。若按流动推动力可分为重力式和压力式，若按结构形式可分为多孔型和溢流型。其中，多孔型液体分布器又可分为：莲蓬式喷洒器、直管式多孔分布器、排管式多孔型分布器和双排管式多孔型分布器等。溢流型液体分布器又可分为：溢流盘式液体分布器和溢流槽式液体分布器。

23、根据本吸收的要求和物系的性质可选用重力型排管式液体分布器，布液孔数应应依所用填料所需的质量分布要求决定，喷淋点密度应遵循填料的效率越所需的喷淋点密度越大这一规律。 液体分布器的选型时，建议采用盘式分布器（多孔盘式） 液体分布器的选择按Eckert建议值，按分布点几何均匀与流量均匀的原则，进行布点设计。与填料间距:210mm.设计取喷淋点密度为139点/,设计结果【3】为：盘式分布器（多孔盘式）； 分布盘直径630mm（为塔径的倍）； 分布盘厚度：8mm 布液计算由 ，取设计取液体再分布器-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

24、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900mm，因此可选用升气管式再分布器，高度估值：150mm。 塔底液体保持管高度的计算取分布液孔的直径为12mm，则液体保持管中的液位高度可由公式 除雾器 由于气体在塔顶离开填料塔时，带有大量的液沫和雾滴，为回收这部分液相，经常需要在顶设置除沫器。根据本吸收塔的特点，此处用折板除雾器。其结构简单有效，除雾板由的角钢组成，板间横向距离为25cm，垂直流过的气速可按下式计算：（K=,本设计中取 K=）所需除雾板组的横断面为 填料压紧装置 填料层顶部常需设置填料

25、压板或挡网，以避免操作中因气速波动而使填料被冲动，致使损坏。最常用的有填料压紧栅板、压紧网板、和905型金属压板等压紧装置。填料压板自由放在填料上，床层限制板要固定在塔壁上。本设计选用压紧网板。 填料支撑装置 支撑装置用来支撑塔内填料及其所持有的液体质量，故支撑装置有足够的力学强度。鉴于SO2溶于水后有一定的腐蚀性，该填料吸收塔选用陶瓷材料多孔板的升气管式支撑装置，并具有以下优点：在开孔板上装有一定数量的的升气管，气体由升气管上升，通过气道顶部的孔及侧面的齿缝进入填料层，而液体由支撑板上的小孔流下，气液分道二行,气体的流通面积很大。5 结束语 本次化工单元操作课程设计历时两周，是学习化工单元操

26、作以来第一次独立的工业设计。化工单元操作课程设计是培养学生化工设计能力的重要教学环节，通过课程设计使我们初步掌握化工设计的基础知识、设计原则及方法；学会各种手册的使用方法及物理性质、化学性质的查找方法和技巧；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程、塔板结构等图形；理解计算机辅助设计过程，利用编程使计算效率提高。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性，还要考虑生产上的安全性和经济合理性。 在短短的一周里，从开始的一头雾水，到同学讨论，再进行整个流程的计算，再到对工业材料上的选取论证和后期的程序的编写以及流程图的绘制等过程的培养，我真切感受到了理论与实践相结合中的种种困难，也体会到了利用所学的有限的理论

27、知识去解决实际中各种问题的不易。 通过本次课程设计的训练，让我们对自己的专业有了更加感性和理性的认识，这对我们的继续学习是一个很好的指导方向，我们了解了工程设计的基本内容，掌握了化工设计的主要程序和方法，增强了分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还使我们树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度负责的工作作风，加强工程设计能力的训练和培养严谨求实的科学作风更尤为重要。 作者：张军 张正刚 日期： 2014年7月5日 6主要符号说明 工艺设计计算结果汇总与主要符号说明项目符号数值与计量单位混合气体处理量1000进塔气相摩尔比 出塔气相摩尔比效率96%进塔液相摩尔分率0 出塔液

28、相摩尔分率相平衡常数m最小液气比液气比L/V吸收剂用量Lh混合气体的平均摩尔质量混合气体的密度吸收剂用量气相质量流量液相质量流量 hh塔设备计算总表 表-2项目符号数值与计量单位塔径D塔截面积吸脱因数S溶解度系数H填料层高度理论： 实际：填料塔上部空间高度填料塔下部空间高度理论： 实际：(包括裙座)塔附属高度理论： 实际：塔高Z理论： 实际：传质单元高度传质单元数总压降空塔气速 m/s泛点率%填料计算总表 表-3项目符号 数值与计量单位液体密度校正系数1填料直径25泛点填料因子260比表面积228主要符号说明 表-4符号意义数值与计量单位30S100Kpa水中扩散系数30S100Kpa空气中扩

29、散系数重力加速度气体膜吸收系数液膜吸收系数液相摩尔流速泛点气速空塔气速s气体流速1492液相体积流量气相体积流量液体质量流量h气体质量流量h液体密度30空气密度mol空气的摩尔质量29Kg/mol二氧化硫的摩尔质量64Kg/mol混合气体密度30时水的粘度系数气体动能因子最小喷淋密度最小润湿速率液体喷淋密度气体的质量通量液体的质量通量7 参考文献【1】 查化工原理（下）天津科学技术出版社姚玉英主编的192页表3-5可知【2】 查化工原理（下）天津科学技术出版社姚玉英主编的136页表2-8可知【3】 查化工单元操作第二版（张宏丽 刘兵）(化学工业出版社)（191页）表8-1：某些气体水溶液的亨利系数【4】 查化工原理（下）天津科学技术出版社姚玉英主编的表3-5可知，【5】 查化工原理（下）天津科学技术出版社姚玉英主编的196页可知对于直径不超过75mm的拉西环及其他填料可取最小润湿速率为【6】大部分上网可以查找。