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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date水吸收二氧化硫填料塔设计-(1)222222（一） 设计方案简介 6 化工原理课程设计水吸收二氧化硫填料塔设计学 院 药科学院 专 业 制药工程 班 级 制药工程09(2)班 姓 名 林泽健 学 号 0903509261 指导教师 朱继芳 _2012年1月11日设计任务书水吸收SO2填料塔的设计（一） 设计题目试设计一座填料吸收塔，用于脱除空气中的SO2蒸汽。混合气体
2、处理量为2600m3/h。进口混合气中含SO2蒸汽9%（体积百分数）；混合气进料温度为35。采用清水进行吸收。要求：出塔气体中SO2气流量为入塔SO2流量的1/80。（二） 操作条件（1）操作压力 常压（2）操作温度 25（3）吸收剂用量为最小用量的倍数自己确定（三） 填料类型填料类型与规格自选。（四） 设计内容（1）设计方案的确定和说明（2）吸收塔的物料衡算； （3）吸收塔的工艺尺寸计算； （4）填料层压降的计算； （5）液体分布器简要设计； （6）绘制液体分布器施工图（7）吸收塔接管尺寸计算； （8）设计参数一览表；（9）绘制生产工艺流程图（A3号图纸）； （10）绘制吸收塔设计条件图（A
3、3号图纸）； （11）对设计过程的评述和有关问题的讨论。 目录一.设计方案简介11.方案的的确定12.填料的类型与选择13.设计步骤2二.工艺计算21.基础物性数据22.填料塔的工艺尺寸的计算33.填料层压降计算54.液体分布器简要设计6三.辅助设备的计算及选型61.填料支撑结构62.填料压紧装置63.液体再分布器装置74.除沫装置75.填料塔接管尺寸计算7五.工艺流程图9六.设计过程的评述及讨论10七.参考文献11八.主要符号说明11一.设计方案简介1.方案的的确定(1)装置流程的确定：用水吸收二氧化硫属高溶解度的吸收过程，为提高传质效率和分离效率，所以，本实验选用逆流吸收流程。(2)吸收剂
4、的选择吸收剂对溶质的组分要有良好地吸收能力，而对混合气体中的其他组分不吸收，且挥发度要低。根据本设计要求，选择用清水作吸收剂，且二氧化硫不作为产品，故采用纯溶剂。(3)操作温度与压力的确定操作温度：25 操作压力：常压2.填料的类型与选择在化学工业中，经常需要将气体混合物中的各个组分加以分离，其主要目的是回收气体混合物中的有用物质，以制取产品，或除去工艺气体中的有害成分，使气体净化，以便进一步加工处理，或除去工业放空尾气中的有害成分，以免污染空气。吸收操作是气体混合物分离方法之一，它是根据混合物中各组分在某一种溶剂中溶解度不同而达到分离的目的。二氧化硫有强烈的刺激性气味对于人体健康和大气环境都
5、会造成破坏和污染，因此，为了避免化学工业产生的大量的含有二氧化硫的工业尾气直接排入大气而造成空气污染，需要采用一定方法对于工业尾气中的二氧化硫进行吸收，本次化工原理课程设计的目的是根据设计要求采用填料吸收塔吸收的方法来净化含有二氧化硫的工业尾气，使其达到排放标准。设计采用填料塔进行吸收操作是因为填料可以提供巨大的气液传质面积而且填料表面具有良好的湍流状况，从而使吸收过程易于进行，而且，填料塔还具有结构简单、压降低、填料易用耐腐蚀材料制造等优点，从而可以使吸收操作过程节省大量人力和物力。本方案选用聚丙烯阶梯环作为填料设计填料塔填料的选择包括确定填料的种类，规格及材料。填料的种类主要从传质效率，通
6、量，填料层的压降来考虑，填料规格的选择常要符合填料的塔径与填料公称直径比值D/d。填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。根据本设计的要求，选择用陶瓷散装填料。在陶瓷散装填料中，陶瓷阶梯环填料的综合性能较好，故选用DN50聚丙烯阶梯环填料。填料类型公称直径DN/mm外径高厚dhb比表面积a（m2/m3）空隙率/%个数n/m-3堆积密度 /（kg/m3）干填料因子/m-1陶瓷阶梯环505025.5108.878.790915162233.设计步骤(1)查询物性数据(2)物料衡算和能量(3)确定吸收剂最小用量 (4)计算填料塔径D(5)确定填料层高度Z(6)填料层压降的计算(7)辅助设备设计二.工艺
7、计算1.基础物性数据（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水的有关物性数据如下：密度为 L=997043 kg/m3粘度为 L=0.8937 103 PaS=3.22 kg/（mh）表面张力为 L=71.9 dyn/cm=940896 kg/h2SO2在水中的扩散系数为 DL=1.47109 m2/s（2） 气相物性数据 混合气体的平均摩尔质量为 Mvm= 0.05640.9529=33.31 混合气体的平均密度为 vm= 33.31/22.4=1.487 kg/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 v=1.84
8、10-5 PaS=0.062 kg/(mh) 查手册得 SO2在空气中的扩散系数为 Dv=0.103 cm2/s=0.037 m2/h（3）气相平衡数据25时SO2在水中的溶解度系数为 H=0.725 kmol/(m3kPa)常压下25时SO2在水中的亨利系数为 E=5.67MPa相平衡常数为m= = =56（4） 物料衡算进入吸收塔气体流率 Vm= 2600*1.487/33.31=116.1 Kmolh进口混合气SO2流率=116.10.09=10.45 Kmolh被吸收的SO2=10.4579/80=10.32 Kmolh出口处SO2含量 10.4510.32=0.13 Kmolh空气流
9、量 116.1 Kmolh10.45 Kmolh=105.65 Kmolh进塔气相摩尔比为 Y1=10.45/105.65=0.0989出塔气相摩尔比为 Y2=0.13/105.65=0.00123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min= ，对纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为X2=0，min =(0.0989-0.00123)*56/0.0989=55.3，取操作液气比为=1.2 min=1.255.3=66.36，L=66.36116.1=7704 kmol/h，V(Y1-Y2)=L(X1-X2)X1= = 0.001472.填料塔的工艺尺寸的计算（1）塔径计
10、算气相质量流量为 wv=26001.487=3866.2 /h液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即WL=770418.02=138826 /h用贝恩霍根关联式计算泛点气速：10 =A1.75 查附录得空隙率e =0.787 A=0.2943 液体粘度计算得 uF=2.1m/s取u =0.8 u F=0.8 2.1=1.68 m/s由D= = =1.17 m 圆整塔径，取 D=1.2 m泛点率校核： u= =1.5 m/s= = 71.4% (在允许范围内)在5080内填料规格校核： = =248液体喷淋密度校核： Umin=at（LW）min取最小润湿速度为（Lw）min=2.2105 m3
11、/(ms)=0.08 m3/(mh)查常用散装填料的特性参数表， 得 at=108.8 m2/m3Umin=（Lw）min at=108.82.21053600=8.6 m3/m2hU= =9.96Umin经以上校核可知，填料塔直径选用D=1200mm是合理的。（2）填料层高度计算Y1*=mX1=560.00074=0.0351=0.04144Y2*=mX2=0 脱吸因数为 S= 0.669 气相总传质单元数为 = 13.517气相总传单元高度采用修正的思田关联式计算： 查表得c =33dyn/cm=427680 kg/h2液体质量通量为UL= =9937.70 kg/(m2h)气膜吸收系数由
12、下式计算KG=0.237 气体质量通量为Uv= 常见填料的形状系数填料类型球 形棒 形拉西环弧 鞍开孔环值0.720.7511.191.45液膜吸收系数有下式计算： =.0553由kG=kGw1.1 查表得 =1.45 则kG=0.147 KL= KLw0.4=0.553 由kG= kGw ，KL= KLw则kG= KL= 由 m由 Z= HoGNoG=0.34213.517=4.623 m，得Z=1.25 4.623=5.779 m设计取填料高度为 Z=8 m常见材质的临界表面张力材质碳瓷玻 璃聚丙烯聚氯乙烯钢石 蜡表面张力56617333407520查表，对于阶梯填料， h D=24H=
13、HoGNoG =6000mm计算得填料层高度为6000 mm,故不需要分段。3.填料层压降计算采用Eckert通用关联图计算填料层压降。横坐标为：纵坐标为：查图得， =98 9.81=961.38Pa/m填料层压降为P=961.386=5768.28 Pa4.液体分布器简要设计（1）液体分布器的选型 该吸收塔的塔径为1200mm，因此，根据各种液体分布器的适用范围选取槽式分布器。（2）分布点密度计算按Eckert建议值，D1200时，喷淋点密度为60点/m2，所以，塔径为1200mm时，布液点数为： n=0.7851.2260=482.3383点，按分布点几何均匀与流量均匀原则进行布点设计，设
14、计结果为：二级槽工设15道，在槽面开孔，槽宽为80mm，两槽中心距为160mm，分布点采用三角形排列，实际设计布点数为380点。（3） 布液计算：由 取=0.6 H=160mm 取30。三.辅助设备的计算及选型1.填料支撑结构填料支承结构应满足3个基本条件：使起液能顺利通过.设计时应取尽可能大的自由截面。要有足够的强度承受填料的重量，并考虑填料孔隙中的持液重量。要有一定的耐腐蚀性能。填料支承装置的作用是支承塔内的填料，常用的填料支承装置有如图片3-14所示的栅板型、孔管型、驼峰型等。支承装置的选择，主要的依据是塔径、填料种类及型号、塔体及填料的材质、气液流率等。 本设计根据需要，选择孔管型支承
15、装置。2.填料压紧装置填料上方安装压紧装置可防止在气流的作用下填料床层发生松动和跳动。填料压紧装置分为填料压板和床层限制板两大类，每类又有不同的型式，图片3-15中列出了几种常用的填料压紧装置。填料压板自由放置于填料层上端，靠自身重量将填料压紧。它适用于陶瓷、石墨等制成的易发生破碎的散装填料。床层限制板用于金属、塑料等制成的不易发生破碎的散装填料及所有规整填料。床层限制板要固定在塔壁上，为不影响液体分布器的安装和使用，不能采用连续的塔圈固定，对于小塔可用螺钉固定于塔壁，而大塔则用支耳固定。本设计中填料塔在填料装填后于其上方安装了填料压紧栅板。3.液体再分布器装置液体在乱堆填料层内向下流动时，有
16、偏向塔壁流动的现象，偏流往往造成塔中心的填料不被润湿，降低表面利用率。对于此填料塔而言，由于塔径为1200mm，填料层高度为6000mm，为了提干塔效率，故将其填料分为三层，每层填料约为2000mm，根据再分布器各种规格的使用范围，最简单的液体再分布装置为截锥式再分布器。如图片3-17（a）所示。截锥式再分布器结构简单，安装方便。4.除沫装置除沫装置安装在液体再分布器上方，用以除去出气口气流中的液滴。由于氨气溶于水中易于产生泡沫为了防止泡沫随出气管排出，影响吸收效率，采用除沫装置，根据除沫装置类型的使用范围，该填料塔选取丝网除沫器。5.填料塔接管尺寸计算为防止流速过大引起管道冲蚀，磨损，震动和
17、噪音，液体流速一般不超过3m/s ，气体流速一般不超过100m/s。管径计算公式：常用管道的公称通径、外径、壁厚公称通径（mm）管子外径(mm)常用无缝钢管壁厚m10143151832025325323.532383.540453.550573.580894（1）管径的计算： 选 v=60ms ， 则有 得 =29.3mm根据管道的公称通径、外径、壁厚表得，公称通径=32mm，=2.5mm无缝钢管， 管子外径D=38mm 则 管子内径 d=D-2=38-22.5=33mm（2）底液出口管径： 选 v=2ms 则 根据管道的公称通径，外径，壁厚表，得公称通径=20mm，=2mm碳钢板 ， 管子外
18、径D=25mm 则 管子内径 d=D-2=25-22=21mm（3）塔顶气体出口管径： 选 v=90m/s 则=73.7mm，根据管道的公称通径，外径，壁厚表，得公称通径=80mm，=3mm钢管， 管子外径D=89mm则 管子内径 d=D-2=89-23=83mm。（4）泵的选型就计算的结果可以选用：50-32-125型的泵四.设计一览表设计结果汇总吸收塔类型：阶梯环吸收填料塔混合气处理量：2400m3/h工艺参数名称管程管壳物料名称清水二氧化硫气操作压力，KPa101.3101.3操作温度，3535流速，m/s2.5液体密度，kg/m3995671.373流量，kg/h3295.212426
19、6塔径，mm1200填料层高度，mm6000压差，KPa101.3操作液气比64.4分布点数380黏度，kg/(mh)2.70.065表面张力，kg/cm940896进液口混合气出口 SO2和空气混合气吸收了SO2的水吸收塔冷凝器泵五.工艺流程图生产工艺流程图吸收塔设计条件图六.设计过程的评述及讨论在上学年，我们学习了化工原理这一课程，化工原理是化学工程专业的一门重要的专业基础课，它的内容是讲述化工单元操作的基本原理、典型设备的结构原理、操作性能和设计计算。化工单元操作是组成各种化工生产过程、完成一定加工目的的基本过程，其特点是化工生产过程中以物理为主的操作过程，包括流体流动过程、传热过程和传
20、质过程。在这里面，我们主要学习了流体输送、流体流动、机械分离、传热、传质过程导论、吸收、蒸馏、气-液传质设备，以及干燥等。这次课程设计是对我们整个大学四年所学知识的一次检验，平时我们更多的学习的是理论上的抽象的知识，在动手能力和实践能力方面比较欠缺，这对我们走上社会后尽快适应工作很不好。因此，学校在本学期安排了 这次课程设计，它具有较强的实践操作性和很大的综合性，要求我们综合运用几年来所学的各门课程的知识，尤其是流体力学，工程热力学，化工原理，过程设备设计和过程控制技术等。这不仅仅让我们重新复习了前面所学的知识，更让我们在实际运用中找到了各门课程的内在联系，使我们把几年来所学课程用一根线联系了
21、起来，使整个大学知识形成了一个网络和体系。以前不知道学习各们课程到底有甚摸作用，在本次课程设计中我深刻的的体会到了课本知识的作用和实际应用价值。设计中所有的思路、步骤、方法、具体的实施和操作，都要由我们自己讨论和解决。这中间很多问题一个人解决不了，于是我们几个题目相似的同学在一起商量，集思广益，经过大家的努力，最终使问题得到了很好的解决。所以这次设计不但锻炼了我们的动手能力，让我们熟练掌握了填料吸收塔的设计过程和步骤，学会了使用化工方面相关工具书的查阅和使用，也锻炼了我们团结协作的精神，我想这对我们以后会很有好处。七.参考文献1贾绍义柴诚敬化工原理课程设计天津：天津科技技术出版社，20022大
22、连理工大学等化工容器与设计手册北京：化学工业出版社，1989*3匡国柱，史启才等化工单元过程及设备课程设计北京：化学工业出社，20024陈敏恒等化工原理北京：化学工业出版社，2004 5化学工程手册编辑委员会化学工程手册气液传质设备北京：化学工业出版社，19896魏姚灿等塔设备设计上海：上海科学技术出版社，19887 张洪流 化工原理 华东理工大学出版社 20068 大连理工大学 化工原理 高等教育出版社 2002八.主要符号说明a填料的有效比表面积，/m3at填料的总比表面积，/m3 aw填料的润湿比表面积，/m3d填料直径，md0筛孔直径，mD塔径，mDL液体扩散系数，m2/sDV气体扩散
23、系数，m2/sE亨利系数，kPah填料层分段高度，mHETP关联式常数H开孔上方的液位高度，m H溶解度系数，kmol/（m3*kPa）HOG气相总传质单元高度，m NOG气相总传质单元数 kG气膜吸收系数，kmol/（m2*h*kPa）kL液膜吸收系数，m/h K稳定系数，无因次 Mvm混合气体的平均摩尔质量Lh液体体积流量，m3/h Ls液体体积流量，m2/h Lw润湿速率，m3/（m*h）m相平衡常数，无因次 n筛孔数目（分布点数目） P操作压力，Pa P压力降，Pa u空塔气速，m/suF泛点气速，m/s U液体喷淋密度，m3/（m2*h） UL液体质量通量，/（m2*h）Umin最小
24、液体喷淋密度，m3/（m2*h） Uv气体质量通量，/（m2*h） Vh气体体积流量，m3/hwL液体质量流量，/h wV气体质量流量，/h x液相摩尔分数， X液相摩尔比y气相摩尔分数 Y气体摩尔比 Z填料层高度，m V惰性气相流量，kmol/h S吸脱因数R通用气体常数，8.314（m3kPa）/（kmol*K） T温度，K 塔的截面积，m2 F泛点填料因子，m-1P压降填料因子，m-1L液体的粘度，kg/（m*h）V混合气体的粘度，kg/（m*h）vm混合气体的平均密度，kg/m3L液体的密度，kg/m3 开孔率或空流系数，无因次L液体的表面张力c填料材质的临界表面张力，/h2（1dyn/cm=12960/h2） 液体密度校正系数或填料形状系数，无因次 空隙率，无因次max最大的min最小的L液相V气相-