水吸收二氧化硫填料塔的设计

化工原理课程设计题目水吸收二氧化硫填料塔的设计

教学院化工与材料工程学院

专业班级材化0901

学生姓名

学生学号

指导教师

2011年 7月5 日

课程设计任务书

1、设计题目：处理量为2750m3/h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20℃后送入填料塔中，用20℃清水洗涤洗涤除去其中的SO

2

。

入塔的炉气流量为2750m3/h，其中进塔SO

2的摩尔分率为0.05，要求SO

2

的吸收率为95％。吸

收塔为常压操作，因该过程液气比很大，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用量的1.5倍。

2、工艺操作条件：

（1）操作平均压力常压

（2）操作温度t=20℃

（3）选用填料类型及规格自选。

3、设计任务：

完成干燥器的工艺设计与计算，有关附属设备的设计和选型，绘制吸收系统的工艺流程图和吸收塔的工艺条件图，编写设计说明书。

化工原理教研室 2011年5月

目录

第1章设计方案 ............................................................ 错误!未定义书签。

1.1吸收剂的选择 (4)

1.2吸收流程的选择 ......................................................................................................... V

1.3吸收塔设备及填料的选择 ....................................................................................... V

1.4吸收剂再生方法的选择....................................................................................... VII

1.5操作参数的选择 .................................................................................................... VII 第2章吸收塔的工艺计算................................................................................ IX

2.1基础物性数据........................................................................................................... IX

2.2物料衡算 .................................................................................................................... IX

2.3填料塔的工艺尺寸的计算 .................................................................................... XI

2.4填料塔填料高度计算 ........................................................................................... XII

2.5填料塔附属高度计算 ........................................................................................... XIV

2.6液体分布器计算........................................................................................................... X V

2.7其他附属塔内件的选择..................................................................................... X VII

2.8吸收塔的流体力学参数的计算 ......................................................................... XIX 2.9附属设备的计算与选择......................................................................................... XX

工艺设计主要符号说明 ...................................................................................... X XII 设计总结 ........................................................................................ 错误!未定义书签。参考文献 .. (26)

第1章设计方案

1.1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，则可以提高吸收速率，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=

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.

工业常用吸收剂

1.2吸收流程的选择

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。典型的是双塔吸收流程。

（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。

1.3吸收塔设备及填料的选择

1.3.1吸收塔的设备选择

塔型的合理选择是做好塔设备设计的首要环节，选择时应考虑的因素有：物料性质、操作条件、塔设备性能、以及塔设备的制造、安装、运转和维修等。

（一）与物性有关的因素：如易起泡的物系，处理量不大时，选填料塔为宜。具有腐蚀性的介质，也可选用填料塔。具有热敏性的物料须减压操作，可采用装填规

整的散堆填料。粘性较大的物系，可以选用大尺寸填料。

（二）与操作条件有关的因素：气相传质阻力大，宜采用填料塔。大的液体负荷，可选用填料塔。低的液体负荷，不宜采用填料塔。液气比波动的适应性，板式塔

优于填料塔。

（三）其它因素

对于吸收过程,能够完成其分离任务的塔设备有多种,如何从众多的塔设备中选出合适的类型是进行工艺设计的首要工作.而进行这一项工作则需对吸收过程进行充分的研究后,并经多方案对比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相同的原则要求,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,具有合适的操作弹性,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.

1.3.2填料的选择

填料是填料塔中传质元件，它可以有各种不同的分类：如按性能分为通用填料和高效填料；按形状分为颗粒型填料和规整填料。填料品种很多，最古老的填料是拉西环；在国外被认为较为理想的是鲍尔环，矩鞍填料和波纹填料等工业填料，现经测试验证，已被推荐为我国今后推广使用的通用型填料，填料的材质可为金属、陶瓷或塑料。

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及操作温度而定，一般情况下，可以选用塑料，金属，陶瓷等材料。对于腐蚀性介质应采用相应的抗腐蚀性材料，如陶瓷，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较复杂的问题。一般来说，同一类填料塔中，比表面积大的填料虽然具有较高的分离效率，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) 填料尺寸的选择实践表明，填料塔的塔径与填料直径的比值应保持不低于某一下限值，以防止产生较大的壁效应，造成塔的分离效率下降。一般来说，填料尺寸大，成本低，处理量大，但是效率低，使用大于50mm的填料，其成本的降低往往难以抵偿其效率降低所造成的成本增加。所以，一般大塔经常使用50mm的填料。但在大塔中使用小于20——25mm填料时，效率并没有较明显的提高，一般情况下，可以按表选择填料尺寸。

的过程、操作、温度及操作压力较低，工业上通常选用所了散装填料。

因此对于水吸收S0

2

在所了散装填料中，塑料阶梯环填料的综合性能较好，故此选用塑料阶梯环填料。

表1 填料尺寸与塔径的对应关系

1.4吸收剂再生方法的选择

依据所用的吸收剂不同可以采用不同的再生方法，工业上常用的吸收剂再生方法主要有减压再生，加热再生及气提再生等。

（一）减压再生（闪蒸）

吸收剂的减压再生是最简单的吸收剂再生方法之一。在吸收塔内，吸收了大量溶质后的吸收剂进入再生塔并减压，使得溶如吸收剂中的溶质得以再生。该方法最适用于加压吸收，而且吸收后的后续工艺处于常压或较低压力的条件，如吸收操作处于常压条件下进行，若采用减压再生，那么解吸操作需在真空条件下进行，则过程可能不够经济。

（二）加热再生

加热再生也是吸收剂再生最常用的方法。吸收了大量溶质后的吸收剂进入再生塔内并加热使其升温，溶入吸收剂中的溶质得以解吸。由于再生温度必须高于解吸温度，因而，该方法最适用于常温吸收或在接近于常温的吸收操作，否则，若吸收温度较高，则再生温度必然更高，从而，需要消耗更高品位的能量。一般采用水蒸汽作为加热介质，加热方法可以依据具体情况采用直接蒸汽加热或采用缉间接蒸汽加热。

（三）气提再生

气提再生是在再生塔的底部通入惰性气体，使吸收剂表面溶质的分压降低，使吸收剂得以再生。常用气提气体是空气和水蒸气。

1.5操作参数的选择

吸收过程的操作参数主要包括吸收（或再生）压力、吸收（或再生）温度以及吸收因子（或解析因子），这些条件的选择应充分考虑前后工序的工艺参数，从整个过程的安全性、可靠性、经济性出发，利用过程的模拟计算，经过多方案对比优化得出过程参数。

（一）操作压力的选择

对于物理吸收,加压操作一方面有利于提高吸收过程的传质推动力而提高过程的传质速率,另一方面,也可以减小气体的体积流率,减小吸收塔径。所以操作十分有利.但工程上,专门为吸收操作而为气体加压,从过程的经济性角度看是不合理的,因而若在前一道工序的压力参数下可以进行吸收操作的情况下,一般是以前道工序的压力作为吸收单元的操作压力。

对于化学吸收,若过程由质量传递过程控制,则提高操作压力有利,若为化学反应过程控制,则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。 （二）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应的性质而定,既要考虑温度对化学反应速度常数的影响,也要考虑对化学平衡的影响,使吸收反应具有适宜的反应速度。

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。 （三）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 以及气液相平衡常数m 的综合的过程参数.

A mG L /

式中 G --------气体处理量, h kmol /；

L---------吸收剂用量，h kmol /；

m---------气体相平衡常数。

+第2章吸收塔的工艺计算

2.1基础物性数据

2.1.1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：

密度为ρ

L

=997.1 kg/m3

粘度为μ

L

=0. Pa·s=3.2173kg/(m·h)

表面张力为σ

L

=71.97 dyn/cm=932731 kg/h2

SO

2在水中的扩散系数为 D

L

=1.724×10-9m2/s=6.206×10-6m2/h

2.1.2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

M Vm=Σy i M i=0.1×64.06+0.9×29=32.506g/mol

混合气体的平均密度为

ρVm=PM/RT=101.325×32.506/（8.314×298.15）=1.3287kg/ m3

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μV=1.83 ×10-5Pa?s=0.066kg/(m?h)

查手册得SO2在空气中的扩散系数为

D V=1.422×10-5m2/s=0.051 m2/h

2.1.3气液相平衡数据

由手册查得，常压下25℃时SO

2

在水中的亨利系数为

E=4.13 ×103 kPa

相平衡常数为

m=E/P=4.13×103/101.3=40.76

溶解度系数为

H=ρ/EM=997.2/4.13×103×18.02=0.0134kmol/kPa m 3

2.2物料衡算

进塔气相摩尔比为

出塔气相摩尔比比为

21(1)0.0526(10.95)0.00263

A Y Y φ=-=-=

进塔惰性气相流量为

()275027310.05108.67/22.427320

V kmol h =?-=+

该吸收过程属于低浓度吸收，平衡曲线可近似为直线，最小液气比可按下式计算，即

2

121min /X m Y Y Y V L --=?

??

?? 对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为

02=X

29.330

04.35/0526.000263.00526.0min =--=

???

??V L 取操作液气比为

935.4929.335.15.1min

=?=???

??=V L V L 49.935108.675426.44/L kmol h =?= ()()

()()1212121108.670.05260.002630.0010

5426.44V Y Y L X X V Y Y X L -=--?-===

1110.050.0526110.05y Y y ===--