化工原理

《化工原理》课程设计

题 目 水吸收矿石焙烧炉尾气中SO2填料塔设计 院 （系） 药学院制药工程系 专 业 班 级 12级药剂本一班 学 生 姓 名 瞿文华 学 号 1245253120

设 计 地 点 3号教学楼211教室 __ 指 导 教 师 张 兴 法 _

起止时间：2014年4 月7 日至2014年 5月 4日

课程设计任务书

1.设计题目： 水吸收矿石焙烧炉尾气中SO2填料塔设计 2.操作条件

（1）原料气处理量2500+100n Nm/h ； （ n为学生成绩登记册上的序号:01-20）

（2）原料气组成：空气94％、SO2 6％(体积百分率）； （3）操作温度：25℃； （4）操作平均压力：常压； （5）SO2吸收率：96 ％； （6）吸收剂：清水；

（7）填料类型：鲍尔环（规格自选）。 (8)操作方式：单塔逆流。 3.设计任务

(1)完成填料塔的工艺计算（塔径、填料层高度及填料层压降）以及有关附属设备的选型； （2）绘制填料塔的工艺条件图； （3）编写设计说明书。

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目 录

1 前言....................................................................

1.1 吸收设备类型.................................................. 1.2 吸收装置的流程............................................... 1.3 吸收操作条件的选择.......................................... 2 填料塔概述......................................................... 2.1填料塔简介......................................................... 2.2 填料类型......................................................... 2.3 填料的性能特征............................................... 2.4 填料的选择......................................................... 3 填料塔工艺计算................................................. 3.1 基础物性数据...................................................

3.1.1 液相物性数据................................................. 3.1.2气相物性数据.................................................. 3.1.3 气液相平衡数据.............................................

3.2 物料衡算........................................................... 3.3 塔径计算.............................................................

3.4 填料层高度计算................................................... 3.5 填料层压降计算...................................................

4 填料塔附属结构选型................................................ 4.1 填料支承装置......................................................

4.2 液体喷淋装置......................................................

4.3 液体再分配装置.................................................. 4.4 气体、液体的进出口管径................................... 4.5 填料压板和除沫器............................................... 5 结束语....................................................................... 主要符号说明................................................................ 参考文献 ................................................................... 附图.............................................................................

1 前言

1.1 吸收设备类型

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.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。 本实验采用填料塔。

1.2 吸收装置的流程

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

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。 本实验采用单向逆流操作。

1.3 吸收操作条件的选择

吸收的操作条件是指吸收塔的操作温度和操作压力。 （1）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,其操作压力吸收剂的再生要求而定,逐次或一次从吸收减、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.

本实验采用常压。 （2）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。

本实验的操作温度是25℃。

2 填料塔概述

2.1填料塔简介

填料塔是一种应用很广泛的气液传质设备，它具有结构简单，压降低，填料易用耐腐蚀材料制造等优点。对于理想的填料应该为气液两相提供合适的通道，气体流动的压降低，通量大，且液流易于铺 展成 液 膜，液 膜 表 面 的 更新 迅 速，此外，还 应 兼 顾 便 于 制 造，价 格 低 廉 ，有 一 定 的 强 度 和 耐热、耐热、耐腐蚀性能，表面材质与液体的润湿性好的要求。

2.2填料类型

常用的填料有散装填料和规整填料两大类，前者可以在塔内乱堆，也可以整砌，常见的填料有以下几类：

1、拉西环，它是一段高度和外径相等的短管，可用陶瓷和金属制造，拉西环形状简单，制造容易，其流体力学和传质方面的特性比较清楚，曾得到广泛的应用，但是拉西环由于其高径比比较大，堆积时相邻环之间容易形成线接触、填料层的均匀性较差，因此，拉西环填料层中的液体存在着严重的壁流和沟流现象

2、鲍尔环，是在拉西环的基础上发展起来的，它是在拉西环的壁上沿周向冲出一层或两层长方形小孔，但是小孔的母材不脱离圆环，而是将其向内弯向环的中心，这种结构提高了环内空间和环内表面的有效利用程度，使气体流动阻力大为降低，因而对真空操作尤为适用，鲍尔环上的两层方孔是错开的，在堆积时即使在相邻填料形成线接触，也不会阻碍气液两相的流动，不致产生严重的偏流和沟流现象。 3、矩鞍形填料，这中填料的结构不对称，填料两面大小不等，堆积时不会重叠，填料层的均匀性大为提高，其气体流动阻力小，处理能力大，制造比较方便。

4、阶梯环填料，其构造与鲍尔环类似，环壁上开有长方形孔，环内有两层交错45度的十字形翅片，阶梯环高度通常只有直径的一半，其一端制成喇叭口形状，因此，在填料层中填料之间呈多点接触，床

层均匀且孔隙率大，气体流动阻力降低，生产能力较高

5、网体填料，此类填料是以金属网或多孔金属片为基本材料制成的填料，通称为网体填料，其特点是网材薄，填料尺寸小，比表面积和空隙率都大，液体均布能力强，因此，网体填料的气体阻力小，传质效率高，但是其制造价格比较高

6、规整填料，将金属丝网和多孔板压制成波纹状并叠成圆筒形整块放入塔内，对大直径的塔，可以分块拼成圆筒形砌入塔内，这种填料不但空隙率高，压降低，而且液体按预分布器设定的途径流下，只要液体的初始分布均匀，全塔填料层内的液体分布良好，克服了大塔的放大效应，传质性能高，但是填料的造价高，易被杂物堵塞且难以清洗。

本实验采用鲍尔环

2.3填料的性能特征

填料不仅提供了气液两相的接触表面，而且促使气液两相分散，膜不断更新。填料性能可以由以下三方面予以评价。

⑴ 比表面积a：填料应提供尽可能多的表面积，以单位填充体积所具有的填料表面来表示填料的这一特性，称为比表面积a，单位为m2/m3。

⑵ 空隙率ε：单位体积填料所具有的空隙体积，称为空隙率。气体是在填料间的空隙内流动的，为减少气体的流动阻力，提高填料塔的

允许气速，填料层应有尽可能大的空隙率。

⑶ 填料的几何形状：比表面积、空隙率大致相同而形状不同的两种填料，在流体力学和传质性能上可有显著的差别，但目前对填料的几何形状还没有定量的表达。

2.4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。

对于吸收SO2的过程，操作温度及操作压力较低，工业上通选用塑料散装填料。在塑料散装填料中，塑料鲍尔环应用较广，故选用ND50聚丙烯鲍尔环。

3 填料塔工艺计算

3.1 基础物性数据

3.1.1 液相物性数据

对于低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。由手册查得常压下20℃ 水的物性数据如下： 密度ρL:998.2(kg/m3)

粘度μL:0.001(Pas)=3.6kg/(m 3.6h)表面张力σ:77.8(N/m)

SO2在水中的扩散系数DL:1.47×10-9(m2/s)

3.1.2气相物性数据

1.对于低浓度吸收过程，气相的物性数据可近似取空气的物性数据。由手册查得常压下20℃空气的物性数据如下： 粘度μV:1.81×10-5Pa.s=0.065kg/(m h)

1.SO2在空气中的扩散系数DV:0.108cm2/s=0.039m2/h

2.混合气体的平均摩尔质量：M=0,06×64.06+0.96×29=31.68 3.混合气体的平均密度ρ31.68/8.314/298=1.295(kg/m3)

v =PM/RT=101.3×

3.1.3 气液相平衡数据

1.由手册查得常压下20℃时SO2在水中的亨利系数：E=3550kPa 2.相平衡常数为：m=E/P=3550/101.3=35.04

3.溶解度系数为：H=/EM=998.2/3550/18.02=0,0156[k mol/(k pa.m3)

3.2 物料衡算

进塔气相摩尔比：Y1=y1/(1-y1）=0.06/(1-0.06)=0.0638 出塔气相摩尔比：Y2=Y1/(1-φA)=0.0638×(1-0.96)=0.00255 进塔惰性气相流量为：V=4300/22.4×(273/(272+25))×(1-0.06)=165.31kmol/h

该吸收过程属低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算，即：（L/V)min=(0.0638-0.00255)/[0.0638/(35.04-0)]=33.64 取操作液气比为：L/V=1.4(L/V)min=1.4×33.64=47.096 L=47.096×165.31=7785.44kmol/h V (Y1-Y2) =L(X1-X2)

X1=165.31×(0.0638-0,00255)/7785.44=0.0013

3.3 塔径计算

1. 采用Eckert通用法关联图计算泛点气速。

气相质量流量为：w1=4300×1.295=5568.5kg/h

液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即:w2=7785.44×18.02=140293.63kg/h

2.Eckert通用法关联图的横坐标为：w2/w1*(ρv/ρL)0.5=0.907 查表得：uφFΨρv/ρL*(μL)0.2(μL)0.2=0.024 查表得：φF=140m-1

uf =√0.023gρL/φFΨρv(μL)0.2=1.115(m/s)

取u=0.7uf=0.7×1.115=0.781m/s

由D=√4Vs/πu=√4×4300/3600/(3.14×0.781)=1.396(m) 圆整塔径，取D=1.4m

泛点率校核:u=4300/3600/(0.785×1.42)=0.78（m/s） u/u F=0.78/1.115×100%=69.96% 填料规格校核：D/d=1400/38=36.84>8

液体喷淋密度校核，取最小润湿速率为：(Lw)min=0.08m3/(m.h) 查填料手册得：at=155m2/m3

U min=(Lw)min*at=0.08×155=12.4m3/(m2h)

U= 140293.63/998.2/(0.785×1.42)=91.35> U min

经以上校核可知，填料塔直径选用D=1400mm合理。

3.4 填料层高度计算

Y1*=mX1=35.04×0.0013=0.0456 Y2*=mX2=0

脱吸因数为：S=m V/L=35.04×165.31/7785.44=0.744

1.气相总传质单元数为：㏑

Nog=1/(1-S)[(1-0.744)

㏑×

[(1-S)(Y1-Y2*)/(Y2-Y2*)+S]=1/(1-0.744)(0.0638-0)/(0.00255-0)+0.744]=7.683

2.气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：

aw/at=1-exp{-1.45(σc/σL)0.75(UL/atμL)0.1(UL2 at/ρL2g)-0.05(UL2 /ρLσLat)0.2}

查表得：σc=33dyn/cm=427680(kg/h2)

液体质量通量为：UL=140293.63/0.785/1.42=91182.65[kg/(m2h)] aw/at=1-exp{-1.45(427680/940896)0.75(91182.65/155/3.6)0.1(91182.652×155/(998.22×1.27×108))-0.05×(91182.652/998.2×940896×155)0.2}=0.95

气膜吸收系数由下式计算：kg=0.237(UV/atμv)0.7(μv/ρv D v)1/3(at D v/RT)

UV=4300×1.295/0,785/1.42=3619.19kg/(m2 h) Kg=0.015

液膜吸收系数由下式计算：Kl=0.0095(UL/awμL)2/3(μL/ρL DL)-1/2(μLg/ρL)1/3=0.0095×(91182.65/0.95/155/3.6)2/3×(3.6/998.2/(5.29

×

10-6))-1/2

×

(3.6

×

1.27

×

108/998.2)1/3=0.867(m/h)

由kg a=kg awΨ1.1=0.0015×0.95×155×1.451.1=3.324kmol/(m3hkPa) kl a=kl awΨ0.4=0.867×0.95×155×1.450.4=148.12(L/h) u/u F=69.96%>50%

由k’g a=[1+9.5(u/u F-0.5)1.4]kg a 得k’g a=6.632kmol/(m3hkPa) k’la=[1+2.6(u/u F-0.5)2.2]Kl a得K’la=159.24(L/h) 则Kg a=1/(1/k’g a+1/H k’la)=1.807kmol/(m3hkPa)

Hog=V/Kg a P Ω=165.31/(1.807×101.3×0.785×1.42)=0.587m 3.由Z=Hog×Nog=0.587×7.683=4.510 （m） ,得 Z’=1.295×4.510=5.637（m) 设计取填料塔高度为Z’= 6（m)

查表得，对于鲍尔环填料，h/D=8-10,h max =< 6 mm 取h/D=8，则h = 8×1400=11200(m) 计算得填料层高度为6000mm

3.5 填料层压降计算

1.采用Eckert通用关联图计算填料层压降△P 横坐标为：w2/w1*(ρv/ρL)0.5=0.907 查表得，φP=125m-1

纵坐标为：uφPΨρv/g/ρLμL0.2=0.0101 查表得:ΔP/Z= 填料层为ΔP=

4 填料塔附属结构选型

4.1填料支承装置

填料支承装置的主要作用是支承床层中填料的重量，因此它应有足够的强度和刚度。在计算支承装置的强度和刚度时，要考虑填料的重和填料

持液量。而不应该把塔壁对填料的曳力及上升蒸气通过填料的压降考虑进去。此外，从过程的角度考虑，还要求其开孔率大能使气液顺利地通过支承装置不致过早发生液泛，气液分布要均匀、阻力小，同时还要求结构简单，易于安装，所用材料不受塔内物料的腐蚀。现有的填料支承装置有四种类型即孔板型、栅板邢、气液分流型、栅梁型。选择使用哪一种类型的支承装置，要根据所处理物料的物理性质、过程特点而定。主要根据塔径、使用的填料种类及型号、塔体及填料的材质、气液流率、塔的能力及效率等。

最早出现的填料支承装置为孔板型。它是在平板上开孔或开槽，使气液在孔或槽中逆流通过。开孔率仪为15-20%,而放置填料后，一部分的孔或槽被填料堵住，特别是实壁行散装填料（如拉西环）更易堵塞而发生液泛，限制了塔的生成能力;加之孔板型支承装置断面系数数小，机械强度和刚度都很差，除特殊需要(例如萃取塔)外建议不采用这种支承装置。而栅板型结构简单，气液分流型开孔率高，二者广泛应用于填料塔中。栅梁型主要用于直径2000mm以上的塔重，栅梁型文承装置为新开发的支承结构，它省去了阻挡气液流动的工宇形支承梁，因而将会推广应用于大塔中。

4.2 液体喷淋装置

液体喷淋装置的类型很多，国内常用的有下列几种 （一）管式喷淋器

几种结构简单的管式喷淋器有弯管式、缺口式、液体直接向下流出，为避免水冲击瓷环现像在流口下

面加有一块圆形挡板，这两种喷器一般只用于塔径300mm以下的情况。多孔直管式（适用于600mm以下的塔），多孔盘管式（适用于直径1.2mm以下的塔），在管底部钻2~4排直径3~6mm的小孔，孔的总截面积大致与进液管截面积相等。必须注意，饭开有小孔的喷淋器都要求料液不含沉淀或其他悬浮颗粒，否则易于堵塞。 （二）莲蓬式喷洒器

莲蓬式喷洒器是开有许多小孔的球面分布器。液体借助泵或高位槽的静压头，经分布器上的小孔喷出。喷洒半径的大小随液体压头和分布其高度不同而异，在探头稳定的场合，可达到较为而均匀的喷淋效果。莲蓬式喷洒器结构简单，应用较为广泛，缺点是小孔容易堵塞，它一般用于直径 600mm以下的塔中。通常安装在填料塔上方中央处，离开填料表面的距离为塔径的1/2—1。莲蓬头直径约为塔径的20%—30%。小孔直径为3—15mm。球面半径为（0.5—1.0）d。喷 洒 角α≦80o。喷洒外圈距塔壁 x=70—100mm。莲蓬高度y=（0.5—1.0）D。 （三）盘式分布器

盘式分布器是一种分布效果较好的结构。其作用原理是液体通过进液管加到淋洒盆内，然后由淋洒盆围板的上边缘溢流或通过喷洒盆上的小孔或管子，是液体淋洒到填料上。盆式喷淋器的结构简单，液体通过时的阻力较小，其分布比较均匀，这种分布器适用于直径大于0.8m的塔。

（四）冲击式淋洒器

冲击式淋洒器，其优点是喷洒半径大（最高时可达3m），液体流量大约为50—200m3/h, 结构简单，不会堵塞。缺点是改变液体流量或液体压头时会影响半径，因此应在操作比较恒定计较小直径下使用。

4.3 液体再分配装置

液体再分配器有截锥式和盘式。

最简单的液体再分配装置是截锥式再分配器。截锥式再分配器结构简单、安装方便，但它只起到将壁流向中心汇集的作用，无液体再分布的功能，一般直径小于0.6m的塔中。

在通常情况下，一般将液体收集器及液体分布器同时使用，构成液体收集及再分布装置。液体收集器的作用是将上层填料流下的液体收集，然后送至液体分布器进行液体再分布。

槽盘式液体分布器兼有集液和分液作用，故槽盘式液体分布器是优良的液体收集和再分布装置。

4.4 气体、液体的进出口管径

4.5填料压板和除沫器

5 结束语

主要符号说明

参考文献

水吸收NH3填料塔工艺条件图

1.工艺条件图的作用

工艺设计人员通过工艺设计确定设备的工艺尺寸和结构型式，然后提出附有工艺条件图的设备设计条件表。设备设计人员对设备进行机械设计，最后绘制设备装配图。

2.工艺条件图的内容

工艺条件图提供了设备的全部工艺要求。图面内容如下。

（1）设备图形，包括接管和人孔等，并标注主要工艺尺寸；

（2）技术特性表，指操作压强、操作温度和工作介质等；

（3）接管表；

（4）设备主要部件一览表； （5）标题栏。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/qf6a.html