水吸收二氧化硫过程填料塔设计说明

齐齐哈尔大学

化工原理课程设计说明书水吸收SO2填料塔(3200m3/h)

学院：食品与生物工程学院

专业班：生工112班

姓名：燕妮

学号： 2011053072

指导教师：国君

设计时间：—07.06

摘要

吸收是利用混合气体中各组分在液体中的溶解度的差异来别离气态均相混合物的

一种单元操作。在化工生产中主要用于原料气的净化，有用组分的回收等。

气液两相的别离是通过它们密切的接触进展的，在正常操作下，气相为连续相而液相为分散相，气相组成呈连续变化，气相中的成分逐渐被别离出来。填料塔是气液呈连续性接触的气液传质设备，属微分接触逆流操作过程。塔的底部有支撑板用来支撑填料，并允许气液通过。支撑板上的填料有整砌和乱堆两种方式。填料层的上方有液体分布装置，从而使液体均匀喷洒于填料层上。填料层的空隙率超过90%，一般液泛点较高，单位塔截面积上填料塔的生产能力较高，研究说明，在压力小于0.3MPa时，填料塔的别离效率明显优于板式塔。

这次课程设计的任务是用水吸收空气中的二氧化硫，然后再进展解吸处理得到二氧化硫。要求设计包括塔径、填料塔高度、塔管的尺寸等，需要通过物料衡算得到所需要的根底数据，然后进展所需尺寸的计算得到各种设计参数，为图的绘制打根底，提供数据参考。

关键词：水；二氧化硫；吸收；填料塔；物料衡算

Abstract

Absorption is an important unit operation in the differences in solubility using mixture gas in the liquid in the separation of gaseous homogeneous mixture. In the chemical production is mainly used for purifying raw gas, recovery of valuable components etc..

Separation of gas-liquid two-phase is close contact with them, in normal operation, the gas phase as the continuous phase and the liquid phase is dispersed phase, gas phase composition of a continuous change, the gas phase composition was gradually isolated. The tower is gas-liquid in gas-liquid mass transfer equipment of continuous contact, belonging to differential contact counter-current operation. At the bottom of the tower with a supporting plate for supporting the filler, and allow the liquid through the. The support plate and a whole masonry filler has two ways. The liquid distribution device above the filler layer, so that the liquid is uniformly sprayed on the filler layer. Void filler layer rate exceeds 90%, the general flooding points higher, the tower unit cross-sectional area of packing tower production capacity is higher,

research shows that, the pressure is less than 0.3MPa, the separation efficiency of packed tower is obviously better than that of the plate tower.

The curriculum design task is the absorption of sulfur dioxide in air with water, and then desorption with sulfur dioxide. Design requirements including the tower diameter, height of packed tower, tower tube size, need through the material balance to get basic data needed, and then calculate the required size of the various design parameters, for drawing foundation, to provide data for reference.

Keywords: water; sulfur dioxide; absorption; packed tower; material balance

目录

摘要...................................................................... I Abstract ................................................................. II 设计任务书. (1)

第1章绪论 (2)

1.1吸收技术概况 (2)

1.2吸收过程对设备的要求与设备的开展概况 (2)

1.3吸收在工业生产中的应用 (3)

3

4

第2章设计方案 (5)

2.1吸收方法与吸收剂的选择 (5)

5

5

2.2吸收工艺的流程 (7)

7

8

2.3操作参数的选择 (9)

9

9

9

2.4吸收塔设备与填料的选择 (10)

10

11

第3章吸收塔工艺的计算 (12)

3.1根底物性数据 (12)

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3.2物料衡算........................................... 错误!未定义书签。

3.3塔径的计算......................................... 错误!未定义书签。

3.4填料层高度计算..................................... 错误!未定义书签。

H计算........................................... 错误!未定义书签。

OG

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ΔP的计算: ........................................ 错误!未定义书签。

3.5液体分布器简要设计18

3.6填料塔附属高度计算 (24)

24

24

3.7其他附属塔件的选择 (25)

结论 (22)

参考文献 (24)

附录 (25)

致 (33)

化工原理课程设计任务书

一、设计题目

水吸收二氧化硫过程填料吸收塔设计

二、设计任务与操作条件

1、设计任务

①生产能力〔入塔炉气流量〕3200m3／h

②二氧化硫吸收率 95%

③入塔炉气组成(含二氧化硫) 0.07〔摩尔分率〕

2、操作条件

①入塔炉气温度25℃

②洗涤除去二氧化硫的清水温度20℃

③操作压强常压

④吸收温度根本不变,可近似取为清水的温度

3、填料类型阶梯环填料,填料规格自选

4、厂址地区

三、设计容

1、设计方案的选择与流程说明

2、吸收塔的物料衡算

3、吸收塔工艺尺寸计算

4、填料层压降的计算

5、液体分布器简要设计

6、填料吸收塔装配图(1号图纸)

7、设计评述

8、参考资料

指导教师：国君

2014年 06 月23日

第1章绪论

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，对其进展选择性溶解，从而将混合物各组分别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别离操作，其根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，实现各组分别离的单元操作。

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局部，因而在设计上应将两局部综合考虑，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、压力以与别离要求的条件下，完成以下工作：

〔1〕根据给定的别离任务，确定吸收方案；

〔2〕根据流程进展过程的物料和热量衡算，确定工艺参数；

〔3〕依据物料与热量衡算进展过程的设备选型或设备设计；

〔4〕绘制工艺流程图与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与设备的开展概况

近年来随着化工产业的开展，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，能够完成别离任务的塔设备有多种，如何从众多的塔设备中选择适宜类型是进展工艺设计的首要任务。而进展这一项工作那么需对吸收过程进展充分的研究后，并经多方面比照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

设备具有一样的原那么要求，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，具有适宜的操作弹性，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开展，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，以与在节能方面也日趋完善。填料塔的工艺设计容是在明确了装置的处理量，操作温度与操作压力与相应的相平衡关系的条件下，完成填料塔的工艺尺寸与其他塔件设计。在今后的化学工业的生产中，对吸收设备的要求与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

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，这一特点那么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别离过程中备受青睐，尤其近年高效填料塔的开发，使得填料塔在别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。

典型吸收过程

煤气脱苯为例:在炼焦与制取城市煤气的生产过程中，焦炉煤气含有少量的苯、甲

苯类低碳氢化合物的蒸汽〔约353/m g 〕应予以别离回收，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局部。含苯煤气在常温下由底部进入吸收塔，洗油从塔顶淋入，塔装有木栅等填充物。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(<3/2m g )，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展与吸收相反的操作----解吸。为此，可先将富油预热到170C 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.

第2章设计方案

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吸收方法与吸收剂的选择

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，假设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，假设以天然气为原料制H2和N2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，后者那么为化学吸收。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；假设溶质含量较高，而净化度又不很高时，宜采用物理吸收法。

吸收剂的选择

(一)对溶质的溶解度大

所选的吸收剂多溶质的溶解度大,那么单位量的吸收剂能够溶解较多的溶质,在一定的处理量和别离要求下,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,那么可以提高吸收效率,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,而对其他组分那么溶解度要小或根本不溶,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,以防止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,一般要对其进展升温或气提等处理,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2—1 物理吸收剂和化学吸收剂的特性

2.2吸收工艺的流程

吸收工艺流程确实定

工业上使用的吸收流程多种多样，可以从不同角度进展分类，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，从塔气液两相的流向可分为逆流吸收流程、并流吸收流程等根本流程，此外，还有用于特定条件下的局部溶剂循环流程。

〔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，同时过程的别离要求不高，选用一种吸收剂即可完成任务的情况。假设混合气体中溶质浓度较高且吸收要求也高，难以用一步吸收到达规定的吸收要求，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，那么一般采用单塔吸收流程。假设过程的别离要求较高，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，那么需要采用多塔流程〔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，别离效率高〔具有多个理论级的别离能力〕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〕局部溶剂循环吸收流程

由于填料塔的别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，将降低填料塔的别离效率，因此当塔的液相负荷过小而难以充分润湿填料外表时，可以采用局部溶剂循环吸收流程，以提高液相喷淋量，改善踏的操作条件。

吸收工艺流程图

2.3操作参数的选择

操作温度的选择

对于物理吸收而言,降低操作温度,对吸收有利.但低于环境温度的操作温度因其要消耗大量的制冷动力而一般是不可取的,所以一般情况下,取常温吸收较为有利.对于特殊条件的吸收操作必须采用低于环境的温度操作.

对于化学吸收,操作温度应根据化学反响的性质而定,既要考虑温度对化学反响速度常数的影响,也要考虑对化学平衡的影响,使吸收反响具有适宜的反响速度.

对于再生操作,较高的操作温度可以降低溶质的溶解度,因而有利于吸收剂的再生. 操作压力的选择

对于化学吸收,假设过程由质量传递过程控制,那么提高操作压力有利,假设为化学反响过程控制,那么操作压力对过程的影响不大,可以完全根据前后工序的压力参数确定吸收操作压力,但加大吸收压力依然可以减小气相的体积流率,对减小塔径仍然是有利的. 对于减压再生(闪蒸)操作,其操作压力应以吸收剂的再生要求而定,逐次或一次从吸收压力减至再生操作压力,逐次闪蒸的再生效果一般要优于一次闪蒸效果.

吸收因子的选择

吸收因子A 是一个关联了气体处理量G ,吸收剂用量L 以与气液相平衡常数m 的综合的过程参数.

A mG L /

式中 G --------气体处理量, h kmol /.

m---------气体相平衡常数.

吸收因子的值的大小对过程的经济性影响很大,选取较大的吸收因子,那么过程的设备费用降低而操作费用升高,在设计上,两者的数值应以过程的总费用最低为目标函数进展优化设计后确定.从经历上看,吸收操作的目的不同,该值也有所不同.一般假设以净化气体或提高溶质的回收率为目的,那么A 值宜在 1.2～2.0之间,一般情况可近似取A A 值可以取小于1.工程上更常用确实定吸收剂用量(或气提气用量)的方法是利用求过程的最小液气比(对于再生过程求最小气液比),进而确定适宜的液气比,即

)

()()(2121min X X Y Y G L e B S --= min ))(0.22.1(B

S B S G L G L ---= m

Y X e 11= 对于低浓度气体吸收过程,由于吸收过程中气液相量变化较小,那么有

)

()()(2121min x x y y G L e --= min ))(0.22.1(G

L G L ---= m

y x e 11= 2.4吸收塔设备与填料的选择

吸收塔的设备选择

对于吸收过程,能够完成其别离任务的塔设备有多种,如何从众多的塔设备中选出

适宜的类型是进展工艺设计的首要工作.而进展这一项工作那么需对吸收过程进展充分的研究后,并经多方案比照方能得到较满意的结果.一般而言,吸收用塔设备与精馏过程所需要的塔设备具有一样的原那么要求,即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,具有适宜的操作弹性,结构简单,造价低,易于制造、安装、操作和维修等.

但作为吸收过程,一般具有操作液起比大的特点,因而更适用于填料塔.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.但在液体流率很低难以充分润湿填料,或塔径过大,使用填料塔不经济的情况下,以采用板式塔为宜.

填料的选择

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不同的塔填料。在选择塔填料时，应该考虑如下几个问题：

(1) 选择填料材质选择填料材质应根据吸收系统的介质以与操作温度而定，一般情况下，可以选用塑料，金属，瓷等材料。对于腐蚀性介质应采用相应的抗腐蚀性材料，如瓷，塑料，玻璃，石墨，不锈钢等，对于温度较高的情况，应考虑材料的耐温性能。

(2)填料类型的选择填料类型的选择是一个比拟复杂的问题。一般来说，同一类填料塔中，比外表积大的填料虽然具有较高的别离效率，但是由于在同样的处理量下，所需要的塔径较大，塔体造价升高。

〔3〕对于水吸收S02的过程、操作、温度与操作压力较低，工业上通常选用所了散装填料。在所了散装填料中，塑料阶梯环填料的综合性能较好，故此选用DN38聚丙稀阶梯

环填料。

第3章 吸收塔工艺的计算

3 吸收塔的工艺计算

3.1根底物性数据

液体物料数据

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。由手册查的，20℃时水的有关物性数据如下：

密度：3L 998.2Kg/m =ρ

粘度：h)3.6Kg/(m s 0.001Pa L ⋅=⋅=μ

外表力：==72.6dyn/cm L δ940896kg/h 2

SO 2在水中扩散系数为/h m 105.29/s cm 101.47D 2-62-5L ⨯=⨯=

气相物性数据

混合气体的平均摩尔质量为

00764.060932931.45/Vm M yiMi ..kg kmol ==⨯+⨯=∑

混合气体的平均密度

()

3101.331.45 1.286/8.31427325Vm Vm PM Kg m RT ρ⨯===⨯+ 混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得25℃空气度为51.8110.0.065()Pa s kg m h νμ-=⨯=⋅

查手册得二氧化硫在空气中的扩散系数为

220.108/0.039/v D cm s m h ==

气液相平衡数据

由手册查得，常压下25℃时，二氧化硫在水中的亨利常数为

33.5510E kPa =⨯