二氧化硫吸收塔的設計計算

設計方案的確定用水吸收S02,為提高傳質效率，選用逆流吸收過程。因用水作為吸收劑，且S02不作為產品，故采用純溶劑。填料的選擇該系統(tǒng)不屬于難分離的系統(tǒng)，操作溫度及壓力較低，可采用散裝填料，系統(tǒng)中有S02,有一定的腐蝕性，故考慮選用塑料鮑爾環(huán)，由于系統(tǒng)壓降無特殊要求，考慮到不同尺寸鮑爾環(huán)的傳質性能選用D38塑料鮑爾填料。g（三）設計步驟本課程設計從以下幾個方面的內容來進行設計（1） 吸收塔的物料衡算；（2） 填料塔的工藝尺寸計算；主要包括：塔徑，填料層高度，填料層壓降；（3） 設計液體分布器及輔助設備的選型；（4） 繪制有關吸收操作圖紙。基礎數據液相的物性數據對于低濃度的吸收過程，溶液的物性數據可以近似取水的物性數據由手冊查得，20°C時水的有關物性數據如下：密度P厶=998.2kg/m3粘度巴=0.001Pa?s=3.6kg/（m?h）表面張力G厶=73dyn/cm=940896kg/h2

D=1.47X10-5cm2/s=5.29X10-6m2/hL氣相的物性數據混合氣體的平衡摩爾質量M=0.08X64.06+0.92X29=31.80g/mol混合氣體的平均密度=1.322kg/m31013x31.80=1.322kg/m3Pg=8.314x(273+20)混合氣體的粘度可以近似取空氣的粘度，查手冊20°C時空氣的粘度為卩=1.81X10-5Pa?s=0.065kg/(m?h)G查手冊得S02在空氣中的擴散系數為D=0.108cm2/s=0.039m2/hG氣液相平衡數據查手冊，常壓下20C時：S02在水中的亨利系數E=3.55X1O3kPa相平衡常數為m二P=3.55X103/101.3=35.04溶解度系數PH=——=998.2/3.55X103/60.06=0.00468kmol/hEMs相平衡關系為y二66.76676xi」53274、填料的填料因子及比表面積數據泛點填料因子e=184/mF壓降填料因子e=114/mP

a=151m2/m3t填料臨界表面張力bc=33dyn/cm=427680kg/h2物料衡算進塔氣相摩爾比=0.0869Y=y1=0.08=0.08691 1-y1-0.081出塔氣相摩爾比yn

21-y20.00141-0.0014=1.401X10-3進塔惰性氣相流量7285000 273G二 x x(1-0.08)/(300x24)二38.72kmol/h22.4 273+20吸收過程屬于低濃度吸收，最小液氣比可按下式計算（l）y-rGminX*-X12對于純溶劑的吸收過程，進塔液相組成為：X2=0由平衡關系解得 X*二1.798X10-31LY-Y 0.0869-1.401x10-3）二+ —二 二47.56GminX*-X 1.798x10-3-012取液氣操作比為1.9L=1.9(L)二1.9x47.56二90.36GGminL二Gx90.36二38.72x90.36二3498.89kom/h所以操作線方程L L3489.98 3489.98Y=X+(Y一X)= X+(1.401x10-3一 x0)=90.13X+1.401x10-3G2G2 38.72 38.72塔底吸收液組成X：1G(Y一Y)二L(X一X)1212=9.485x10-4“ G(Y―Y)38.72x(0.0869―1.401x10-3=9.485x10-4X= 1 2=—1 L 3498.89表1：氣相進出組成組成進口氣體出口氣體kg/h丿頁量分數%kmol/h摩爾分數%kg/h丿頁量分數%kmol/h摩爾分數%空氣1122.8883.8938.72921122.8838.7299.86S02215.0416.13.36813.450.0540.14表2：液相進出組成組成進口液體出口液體kg/h質量分數%kmol/h摩爾分數%kg/h質量分數%kmol/h摩爾分數%HO2629771003489.891006297799.723498.8999.87S02____351.050.285.480.13填料塔工藝尺寸的計算塔徑的計算采用Eckert通用關聯圖計算泛點氣速氣相的質量流量G'二1011.8x1.322二1337.6kg/h液相的質量流量（可以近似用純水的流量計算）L'二3489.98x18.02二62977kg/h參照Eckert通用關聯圖0006O.ODK0.004圖1：填料塔泛點和壓降的通用關聯圖（引自《化工原理》）圖中u0——空塔氣速，m/s；(P——濕填料因子，簡稱填料因子，1/m；屮——水的密度和液體的密度之比；g 重力加速度，m/s2；PV、PL——分別為氣體和液體的密度，kg/m3；wv、WL——分別為氣體和液體的質量流量，kg/s。此圖適用于亂堆的顆粒形填料，如拉西環(huán)、弧鞍形填料、矩鞍形填料、鮑爾環(huán)等，其上還繪制了整砌拉西環(huán)和弦柵填料兩種規(guī)整填料的泛點曲線。對于其他填料，尚無可靠的填料因子數據。橫坐標為629771.3221337.6)(998.2)0.5=1.71L629771.3221337.6)(998.2)0.5=1.71()(G)0.5=(G'oL查Eckert通用關聯圖，縱坐標為0.019即件媲巳卩0.2二0.014goLL表3：散裝填料泛點填料因子平均值填料類型填料因子，1/mDN16DN25DN38DN50DN76金屬鮑爾環(huán)410——117160——金屬環(huán)矩鞍——170150135120金屬階梯環(huán)————160140——塑料鮑爾環(huán)55028018414092塑料階梯環(huán)——260170127——瓷矩鞍1100550200226——瓷拉西環(huán)1300832600410——查得：0二184m-1FuF0.014gpL-uF0.014gpL-0PP0.2FGL.'0.014x9.81x998.2V184X1X1.322X10.2二0.75m/su二0.6u二0.6x0.75二0.45m/s0FD4xlOll.8D4xlOll.8兀x0.45x3600=0.89m圓整塔徑D=0.89m校核泛點率校核u=附83600=0.452m/s一兀x0.8924—=0452x100%=60.2%u0.75F填料規(guī)格校正D_D_890

~d~苗=21.8>8液體噴淋密度校核a=151m2/m3t取最小濕潤速率為(L) =0.08m3/m?hwminU=(L)a=151x0.08=12.08m3/m?hminwmintU=U==84.55>Umin62970/998.2兀x0.8924經以上校核，填料塔直徑選用D=890mm合理填料層高度的計算平衡關系為y=66.76676x1-15237y豐mx則用辛普森數值積分法求NAY%='丁(Y)dYP(孕+f匕)+4f仰+f5+f匕—￥2f?+fW+f(YJY1其中AY=礦 f(Y)=pY Y—Y*0(Y—Y)在固定積分區(qū)間［YY］取辛普森公式的步長為AY二'”o丿0,n 4'=0.021由平衡關系和操作線方程解得f(Y)=713.77f(Y)=54.35f(Y)=28.57f(Y)=20.16f(Y)=14.080 1 2 3 4N=7.93OG氣相總傳質單元高度采用修正的恩田關聯式計算液體的質量通量U二］629700二1012707.4kg/(m2?h)L-“x0.8924表4：常見材質的臨界表面張力值材質碳瓷玻璃聚丙烯聚氯乙烯鋼石蠟表面張力,mN/m56617333407520TOC\o"1-5"\h\za GUU2a U2w二1—exp{—1.45(c)0.75( —)0.1(lt)—0.05( l )0.2}a gayp2gpga1012707.421012707.42=1—exp{—1.45(33)0.75(1012707.4)0.1(1012707.42x151)—0.05( )073 151x3.6 998.22x1.27x108 998.2x946080x151二0.35a二0.18a二0.35x151二52.85wt氣膜吸收系數如下計算：匸0-237(刖)0-7(冷)13(備)tG GG二2151.18kg/m二2151.18kg/m2?hnx0.8924k二0.237x(2151-18)0.7( O'065 )13[ 151xO'039 ]G 151x0.065 1.322x0.039 8.314x(273+20)=0.024液膜吸收系數如下計算k=0.0095(-^)23(-^)-12(崇)13l aypDpwL LL L=0.0095x(1628674.5、/ 3.689.996x3.6"3(998.2x5.29x10-6)-12(3.6x1.27x108998.2)13=1.143m/h由ka二ka叨」G Gw表5：常見填料塔的形狀系數填料類型球形棒形拉西環(huán)弧鞍開孔環(huán)屮值0.720.7511.191.45查表申=1.45ka二kaqi.iG Gw二0.024x89.996x1.451.1=3.927kmol/((m3?h?kPa)ka二kap0.4L Lw二1.143x89.996x1.450.4二119.35 1/h—=60.2%>50%uF

kd=[1+9.5(上-0.5)i.4]kaG u GF二[1+9.5x(0.602-0.5)i.4]x3.927=5.34k'a=[1+2.6(上-0.5)2.2]kaL u LF二[1+2.6x(0.602-0.5)2.2]x115.485二121.88 1/h11+k'aHk'aGL111+5.340.0156x121.88=1.402kmol/m3?h?kPaHOGHOGKaA~KaPAYG_ 38.72二11.402x101.3x—兀x0.8324=0.504mZ二HN二0.504x7.15二3.60mOGOG取安全系數為1.25，則：Z'二1.25x4.346二4.50m所以，設計填料塔的高度為4.50m表6：散裝填料分段高度推薦值填料類型h/DHmax/m拉西環(huán)2.5W4矩鞍5?8W6鮑爾環(huán)5?10W6階梯環(huán)8?15W6環(huán)矩鞍5?15W6對于鮑爾環(huán)填料， —二5?10,h<6,Dmaxh=6x890=5340mm4500mm<5340mm計算填料層高度為4500mm,故不需分段填料層壓降的計算采用Eckert通用關聯圖計算填料層壓降L'p()(G)0.5=1.01G'pL表7：散裝填料壓降填料因子平均值填料類型填料因子,1/mDN16DN25DN38DN50DN76金屬鮑爾環(huán)306-11498-金屬環(huán)矩鞍-13893.47136金屬階梯環(huán)--11882-塑料鮑爾環(huán)34323211412562塑料階梯環(huán)-17611689-瓷矩鞍環(huán)700215140160-瓷拉西環(huán)1050576450288-查得：0=114/mPu2^pp 0.452x114x11.322-PGLI0.2= x x10.2gpl 9.81 998.2L=0.0031查圖

□P/Z二103.27□P二103.27x5.7=588.64Pa塔內件的選擇7.1除霧沫裝置的選擇穿過填料層的氣體有時會夾帶液體和霧滴，因此需在塔頂氣體排出口前設置除沫器，以盡量除去氣體中被夾帶的液體霧沫，SO2溶于水中易于產生泡沫為了防止泡沫隨出氣管排出，影響吸收效率，采用除沫裝置，根據除沫裝置類型的使用范圍，該填料塔選取絲網除沫器。絲網除霧沫器：一般取絲網厚度H=100?150mm,氣體通過除沫器的壓降約為120~250Pa。通過絲網除沫器的最大速二0.085x998二0.085x998.2—心2二2.33m/s1.322實際氣速為最大氣速的0.75~0.8倍所以實際氣速u=0.75X2.33=1.75m/s7.2液體分布器的選型（1） 、由于液量較大，氣體量相對較少，液相負荷相對較大，氣相負荷相對較低，故選用底孔式大液量槽式分布器。（2） 分布點密度計算表8：Eckert的散裝填料塔分布點密度推薦值塔徑,mm分布點密度，點/m2塔截面D=400330D=750170D三120042按Eckert建議值，因該塔液相負荷較大，設計取噴淋點密度為120點/m2。

n=0.785x0.892xl20=75點（3）布液計算由重力型液體分布器布液能力計算由L=晉d2n?$2gAH/p式中Ls 液體流量，m3/s；n——開孔數目（分布點數目）；3 孔流系數，通常取申=0.55?0.60；d0 孑L徑，m；△H——開孔上方的液位高度，m。0.5取?=0.60，AH=l60mm,0.54Ll兀n申J2gAH/p厶丿4x4x62977/998.2x36000.5(3.14x75x0.6xJ2x9.81x0.16一998.2丿=0.094m設計取d0=94mm液體分布器的安裝一般高于填料層表面150~300mm（取決于操作彈性），槽式分布器主槽分槽高度均取210mm,主槽寬度為塔徑的0.7?0.8,這里取塔徑的0.7,分槽寬度由液體量及停留時間確定，最低液位為50mm為宜，最高液位由操作彈性塔內允許高度及造價確定，一般為200mm左右。7.3填料支承裝置填料支承結構用于支承塔內填料及其所持有的氣體和液體的重量之裝置。對填料的基本要求是：有足夠的強度以支承填料的重量;提供足夠的自由截面以使氣液兩相流體順利通過，防止在此產生液泛；有利于液體的再分布；耐腐蝕，易制造，易裝卸等。常用填料支承板有柵板式和氣體噴射式。這里選用氣液分流型支承裝置，氣體在支承的上部噴射出，而液體在支承的下部流出，氣液各行其道，不必在同一孔中逆流通過。7.4填料床層定位器為防止在上升氣流的作用下填料床層發(fā)生松動或者跳動，需在填料層上方設置填料壓緊裝置。對于塑料散裝填料，本設計選用床層定位器。7.55、氣體和液體的進出口裝置管道的公稱通徑758(9()10012013014L0160185205:35:2601)氣體和液體的進出口直徑的計算Vs為流體的體積流量，m3/su為適宜的流體流速，m/s.常壓氣體進出口管氣速可取10?20m/s；液體進出口速度可取0.8?1.5m/s選氣體流速為15m/s由VS=62977/998.2/3600=0.02m3/sS代入上公式得d=41.2mm圓整之后，氣體進出口管徑為d=42mm選液體流速為2.0m/s，由VS=3498.89x18.02/(3600x998.2)=0.017m3/sS代入上公式得d=32.9mm圓整之后液體進出口管徑為d=33mm(2)底液出口管徑：選擇d=33mm泵的選型由計算結果可以選用：IS100-80-125型的泵塔附屬高的確定塔的附屬空間高度主要包括塔的上部空間高度，安裝液體分布器和液體再分度器所需的空間高度，塔的底部空間高度以及塔的群坐高度。塔的上部空間高度是指塔填料層以上，應有一足夠的空間高度，以使隨氣流攜帶的液滴能夠從氣相中分離出來，該高度一般取1.2-1.5。安裝液體再分布器所需的塔空間高度依據所用分布器的形式而定一般需要l-1.5m的高度。塔的底部空間高度是指塔底最下一塊塔板到塔底封頭之間的垂直距離該空間高度含釜液所占的高度及釜液面上方的氣液分離高度的兩部分。釜液所占空間高度的確定是依據塔的釜液流量以及釜液在塔內的停留時間確定出空間容積，然后根據該容積和塔徑計算出塔釜所占的空間高度。塔底液相液相停留時間按lmin考慮，則塔釜液所占空間為7 lx60x3498.89x18.02 4“h= =1.69ml0.785x3600x998.2x0.892考慮到氣相接管所占的空間咼度，底部空間咼度可取1.7m,所以總塔高取6.2m。5)人孔公稱壓力公稱直徑密封面型標準號常壓450mm平面(FS)HG21515-95設計結果匯總課程設計名稱：水吸收SO2填料吸收塔的設計操作條件：操作溫度20攝氏度操作壓力：常壓8.1物性數據液相氣相液體密度998.2kg/m3混合氣體平均摩爾質量30.4kg/kmol液體粘度3.6kg/(mh)混合氣體的平均密度1.222kg/m3液體表面張力940896混合氣體的粘度0.065kg/(m?h)SO2在水中的擴散系數5.29x10-6m2/hSO2在空氣中的擴散系數0.039m2/h重力加速度1.27x108m/h8.2氣相平衡數據SO2在水中的亨利系數E相平衡常數m溶解度系數H3.55xlO3kPa35.040.0156kmol/kPam38.3物料衡算數據YiY2X1X2氣相流量G液相流量L最小液氣比操作液氣比0.0421.5X10-38X10-40135.15kmol/h6850.08kmol/h33.7950.6858.4工藝數據氣相質量流量液相質量流量塔徑氣相總傳質單元數氣相總傳質單元高度填料層咼度填料層壓降4277123438.41.4m7.2320.601m5.7m588.64pa8.5填料塔附件除沫器液體分布器填料限定裝置填料支承板絲網式槽式床層限制版氣液分流型主要符號說明at 填料的總比表面積，m2/m3aw 填料的