吸收塔的设计示例

吸收塔的设计示例
一、吸收的基本理论 (2)
1、吸收的定义 (2)
2、吸收过程对吸收剂的要求 (2)
3、影响吸收效果的主要因素 (3)
二、吸收设备 (4)
1、吸收过程对吸收设备的一般要求 (4)
2、填料塔的组成及各个部分的作用 (4)
3、吸收塔中填料的作用种类及选型 (4)
三、吸收过程中的气液流动方向 (5)
四、基础性数据的计算 (6)
1、液相物性数据 (6)
2﹑气相物性数据 (6)
3﹑气液相平衡数据 (6)
五、吸收塔的物料衡算 (7)
六、吸收塔的工艺尺寸的计算 (8)
1、塔径计算 (8)
2、填料层高度的计算 (9)
七、填料层压降计算 (12)
八、液体分布器简要设计 (12)
2、分布点密度计算 (12)
3、布液计算 (14)
九、吸收剂输送泵的选型 (15)
1、填料塔高度的计算 (15)
2、泵的扬程计算 (15)
3、泵的选择 (15)
十、设计数据汇总 (16)
十一、毕业设计心得体会 (17)
我国化工产品种类繁多已达45000个品种。

生产企业多为中小型，
加之采用高消耗低效益粗放型生产模式对环境构成了压力。

所以近几年来国家提出了清洁生产这个概念。

它的定义是：清洁生产是将综合预防的环境保护策略持续应用于生产过程和产品中以期减少对人类和环境的风险。

其目的在于提高资源利用效率减少和避免污染物的产生，保护和改善生态环境保障人体的健康，促进持续发展。

对于企业来说应改善生产管理提高生产效率，减少资源和能源的浪费，限制污染排放。

推行原材料和能源的循环利用，替换和更新导致严重污染的落后的生产流程技术和设备开发清洁产品鼓励绿色消费。

众所周知化工行业是个耗能大户。

由一般组数据显示1994年我国一次能源消费为12.3亿吨标准煤，而化工行业就占1.05亿吨标准煤。

在煤的燃烧和化工生产过程中会产生大量的SO?气体，目前SO2已成为大气污染中的重要原凶之一。

SO2在常温下为无色气体，密度为1.4337 kg/ m3，熔点-72.4℃、沸点-10℃，在25℃下溶解度为9.4g/ml。

SO2存在于大气中，可形成酸雨。

而酸雨会腐蚀金属石材表面对纸制品皮革制品等造成损伤，更有甚者会给生态系统以及农业森林水产资源带来毁灭性打击。

在工业生产中人如果接触了SO2对眼及呼吸系统粘膜有强烈的刺激作用大量的吸入可引起肺水肿、声带痉挛而导致窒息。

长期低浓度接触会有头痛头昏乏力等全身症状以及慢性咽喉炎支气管炎嗅觉及味觉减退的现象。

因此为了减少SO2排放对人类的危害，在工业生产我们应对含有SO2的废气进行吸收处理而在化工行业更应该如此。

这次我做的毕业设计课题是矿石焙烧炉尾气中SO2的清水吸收，处理量为3200m3/h尾气中SO2的含量为4﹪要求SO2的吸收率为95﹪。

一、吸收的基本理论
1、吸收的定义
吸收是根据气体混合物中各组分在液体溶剂中物理溶解度或化学反应活性不同而将混合物分离的一种方法。

在化工原理中对吸收的定义是：当混合气体与一定量的液体相接触时气体中的一个或几个组分溶解于该液体中，不能溶解的组分仍然保留在气相中借助于这种方法可以使原气体中混合物得以分离。

吸收操作的本质是溶质分子由气相
穿过气液界面进入液相的单向传质。

在吸收过程中，如果溶质与溶剂间不发生显著的化学反应，溶质只是单纯溶解于液相中，该吸收过程称为物理吸收；如果溶质溶解于液相的同时溶质中的某组分与溶剂发生显著的化学反应，则称为化学吸收过程。

2、吸收过程对吸收剂的要求
吸收操作是气液两相之间的接触传质过程，吸收操作的成功与否在很大程序上决定于溶剂的性质，特别是溶剂与气体混合物之间的相平衡关系。

因此吸收过程中对吸收剂的要求有：
①溶解度。

吸收剂对于溶质组分应具有较大的溶解度这样可以提高吸收速率并减少吸收剂的消耗量。

当吸收剂与溶质组分之间有化学反应时溶解度可大大提高，但若要循环使用吸收剂则化学反应必须是可逆的。

对于物理吸收也应该选择溶解度随着操作条件改变而有显著差异的吸收剂以便回收重新利用。

②选择性。

吸收剂要在对溶质组分有良好吸收能力的同时，对混合气体中的其它组分却基本上不吸收或吸收甚微否则不能实现有效的分离。

③挥发度。

操作温度下吸收剂的蒸气压要低。

因为离开吸收设备的气体往往为吸收剂蒸气所饱和，吸收剂的挥发度越高其损失量便越大。

④粘性。

操作温度下吸收剂的粘度要低，这样可以改善吸收塔内的流动状况从而提高吸收速率且有助于降低泵的功耗还能减少传热阻力。

⑤毒性应尽量小不易燃对设备腐蚀要小，既可以节省设备费用和维修费用，又有利于安全生产。

⑥来源充足廉价易得。

3、影响吸收效果的主要因素
为了保证吸收过程的正常进行，吸收操作过程中的操作条件也非常重要，主要的条件包括温度和压力。

①压力。

当压力升高时能提高吸收过程的推动力，减少了气体的
体积流量这样可以减小吸收塔的塔径但是压力升高使得吸收剂的选择性降低同时也使吸收塔的造价提高。

压力降低时则与上述相反。

所以在化工生产中应该从过程的经济性角度出发必须兼顾吸收以及整个工艺的操作条件选择合适的操作压力。

②吸收温度的选择。

对于物理吸收，吸收温度低可使溶质的溶解度增大，减少溶剂用量使吸收过程的推动力增大，降低吸收塔的高度。

缺点是低于常温的操作会增加操作的费用。

对于化学吸收，吸收温度升高可使化学反应速度加快。

但不足之处在于会使传质的推动力降低。

所以根据上述影响吸收效果的因素在这次的毕业设计过程中我选择的操作压力是常压操作温度是在25℃下。

③液气比。

根据操作线方程Y=L/V﹙X-X?﹚+Y?，式中L/Y为塔内液气比其值反映的
是单位气体处理量的吸收剂用量。

在气体处理量V相同的前提下若吸收剂用量增大表明吸收过程进行的推动力增大，对传质过程有利，但出塔液体中溶质的含量降低，若吸收剂需再循环使用由于液体处理量大而使操作费用增大。

若吸收剂用量L减小则吸收操作的推动力减小，但液体出塔含量增大，若要在单位时间内吸收同量的溶质吸收设备也要大一些。

二、吸收设备
吸收设备按气—液相接触形态可分为：①气体以气泡形态分散在液相中的鼓泡反应器、搅拌鼓泡反应器和板式反应器；②液体以液滴状分散在气相中的喷雾、喷射和文氏反应器(它们主要用于含尘气流的除尘，但在某些特定场合，也可用于处理气态污染物)；③液体以膜状运动与气相进行接触的填料反应器和降膜反应器等。

在工业生产中用于净化气态污染物的吸收设备主要是板式塔和填料塔。

1、吸收过程对吸收设备的一般要求
对用于处理气态污染物的吸收设备，一般要求气液有效接触面积大，气液湍动程度高(以利于提高吸收效率)，设备的压力降损失小，结构简单，易于操作和维修，从而减少投资及操作费用。

在这次毕业设计过程中我选择的吸收设备是填料塔。

2、填料塔的组成及各个部分的作用
填料塔由液体分布器、液体再分布器、填料、填料支撑板、裙座、塔体这些部分组成。

液体分布器是填料塔中重要组成部分。

它能将液体平均分布于填料层顶部。

而液体再分布器的作用是减少填料层中液体壁流，使液体在填料层中分布均匀。

对分段装设的填料它对下段填料将液体再分布。

对于填料支撑板它能支撑填料及填料上的持液量。

3、吸收塔中填料的作用种类及选型
填料在填料塔中是必不可少的部分。

它能增加气液两相的接触面积，并提高液体的湍动程度以利于传质传热的进行。

因此填料应能使气液接触面积增大传质系数提高。

填料种类很多通常可分为两大类：一类是实体填料、包括拉西环鲍尔环阶梯环等环形填料，矩鞍形弧鞍形等鞍形填料，栅形填料及波纹填料等。

另一类是网体填料、包括鞍形网填料θ网环填料等。

在这次毕业设计中我选择的是聚丙烯阶梯环填料。

这是20世纪70年代在鲍尔环填料的基础上发展起来的新型填料。

阶梯环填料由于形状不对称的特点，在填料床层内减少了填料环的相互重叠增大了空隙率同时使填料的表面得以充分利用，使压降降低传质效率提高。

而且塑料填料质轻价廉、具有良好的韧性耐冲击不易碎、耐酸碱等介质的腐蚀。

它可制成薄壁结构多用于吸收解吸萃取除尘装置中。

填料用于工业生产以来填料的结构型式有了重大的改进，特别是近三十来发展更快，到目前为止各种型式各种规格填料已有数百种之多。

而且填料也在不断的改进以期更加适应工业生产比如近些年才出现的多角螺旋填料、半环填料、高流环填料等。

但总的来看填料的发展方向为：增加填料的通过能力，以适应工业生产的需要，改善流体的分布与接触以提高分离效率并解决由实验室向工厂生产的放大问题。

三、吸收过程中的气液流动方向
吸收过程还可按气液流动的方向分为并流和逆流操作。

在相同的进出口组成条件下,逆流吸收流程具有较大的平均传质推动力,可以实现多个理论级操作,气体净化的程度较高,工业上常用的较多，而并流吸收
流程只有一个理论级操作,气体净化程度不是很高,但可以避免塔的液泛现象，一般用于快速化学反应的吸收操作。

而我这次毕业设计使用水吸收SO2，属于中等溶解度的吸收过程，所以为提高传质效率选用逆流吸收过程。

四、基础性数据的计算
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《实用化学手册》查得，25℃时有关物性数据如下：密度为L ρ= 997.083kg/m
粘度为L μ= 0．8937cp = 3.2 ㎏/（m ·h ）表面张力为L σ= 71.97dyn/㎝ = 932731.22kg/h
SO ?在水中的扩散系数为h /m 106.37s /cm 1077.1D 2625L --?=?=
2﹑气相物性数据
混合气体的平均摩尔质量为
∑
=
yi
VM Mi
M =0.04×64＋0.96×29=30.4
混合气体的平均密度为
VM ρ=
3
VM
kg/m
243.1298
8.31430.43.101RT
PM
=??=
混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查《实用化学手册》得
25℃ 空气的粘度为V D = h)m (kg/ 066.0S Pa 1083.15?=??- 查《实用化学手册》SO ?在空气中的扩散系数为
h /m 0.039s /cm 108.02
2
V ==μ
3﹑气液相平衡数据
由《化工手册》查得，常压下25℃时SO ?在水中的亨利系数为：E= 0.408×10?KPa 相平衡常数为
m=
P
E =
28.403
.10110408.04
=?
溶解度系数为 H=
S
L EM
ρ=
)m kmol/(kpa
0136.018
10408.008.9973
4
=??
五、吸收塔的物料衡算
进塔气相摩尔比为
0417.004
.0104.0y 1y Y 1
11=-=
-=
出塔气相摩尔比为
001668.0)96.01(0417.0)1(Y Y A 12=-?=-?=?
进塔惰性气相流量为
kmol/h
64.125)04.01(25
27327322.4
3200V =-+?
=
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
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
0X 2=
67.38028.40/0417.0001668.00417.0V L min
=--=?
取操作液气比为
min
V L 4.1V L
= 14
.5467.384.1V
L
=?=
l/L
6802.15kmo 125.6454.14L =?=
)X L(X
)Y V(Y 21
21-=-
00074
.015
.6802)
001668.00417.0(64.125X 1=-?=
六、吸收塔的工艺尺寸的计算
1、塔径计算
采用埃克特通用关联图计算泛点气速气相质量流量为
kg/h 6.3977243.13200W V =?= 液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即 kg/h 7.1224381815.6802W L =?= 埃克特通用关联图的横坐标为
087
.108.997243.16.39777.122438W W 5
.05
.0L
V
V L =?
=
ρρ
查《化工原理课程设计》第140页图5-21得
02
.0g
2
.0L
L
V
F F =2
μρρψφμ
查《化工原理课程设计》第140页图5-11得
1
F m 170-=φ 液相为水其液体密度校正系数1=?，25℃时水的粘度s mPa 8937.0?=
m/s 973.08937
.0243.1117008.99781.902.0g 02.0u 2
.02.0L
V F L
F ==
=
μ
ψρφρ
取m/s 681.0973.07.00.7u u F
=?==
由m 289.1681
.014.33600/32004u
4V D S
=??=
=
π
圆整塔径取m 1.4D = 泛点率校核
m/s
58.01.4
0.7853200/3600u 2
=?=
100
973
.058.0u u F
=
﹪61.59=﹪
填料规格校核
84
.3638
1400d D ==＞8
液体喷淋密度校核取最小润湿速率为
h
m /m 08.0)(L 3
min W ?=
查《化工原理课程设计》第219页附录五得
3
2
t m
/m 5.132=a
h
m /m 6.105.13208.0)L (U 2
3
t min w min ?=?==a
min
2
U 81.791.4
0.78597.08122438.7/9U >=?=
经以上校核可知，填料塔直径选用mm 140D =合理。

2、填料层高度的计算
0298.000074.028.40mX Y 1
1=?==*
mX
Y 2
2==*
吸脱因数为：
744
.015
.680264
.12528.40L
mv S =?=
=
气相总传质单元数为：
+----=*
*
S Y Y Y Y S)(1ln S 11
N 2
22
1OG
681
.7744.00001668.000417.0)744.0(1ln 744.011 =??
+----=
气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：
--=-2
.0t
L L 2
L
05
.02L t 2L 1
.0L t L 75
.0L C
t
w U g a U a U 45.1exp 1a a a σρρμσ
σ 查《化工原理课程设计》第143页表5—13得2
c kg/h
427680 dyn/cm 33==σ
液体质量流量为：
h)
kg/(m
99.795774
.1785.07.122438U 2
2
L ?=?=
--=-2
.02
05
.08221
.075
.0L w 5.1322.93273108.99799
.79577 1027.108.9975
.13299.795772.35.13299.795772.93273142768045.1exp 1a a 620.0=
气膜吸收系数由下式计算
=RT D D U 237.0k V t 3
1
V
V V 3
.0V
t V
G
a a ρμμ
气体质量通量为：
h)
kg/(m
21.25854
.1785.0243.13200U 2
2
V ?=??=
=298314.8039.05.132039.0243.1066
.0066.05.13221
.2585237.0k 3
17
.0G
kpa)
h m (kmol/ 0294.02
=
液膜吸收系数由下式计算
m/h
1.415 08.9971027.1
2.31037.608.9972.32.35.132620.099.795770095.0 g D U 0095.0k 3
1
8
2
1
63
2
3
1
L
L 2
1
L L L 3
2
L w L L
=
=
=---ρμρμμa 由
1.1
=ψ
k k G G a a 查《化工原理课程设计》第143页表5—14得45.1=ψ
则kpa)
h kmol/(m
635.345.15.132620.00294.0 k k 3
1.1G G ??===1.1ψa a
l/h
87.13445
.15.132620.0415.1 k k 4
.04
.0L L ===ψ
a a
%
50%61.59u u F
>=
由得和 k 5.0u u 6.21k k 5.0u u 5.91k L 2
.2F '
L G 4.1F 'G a a a a
-+=???????????? ??-+=
[
][]l/h
90.13687.134)5.05961
.0(6.21k
kpa)
h kmol/(m 935.4635.3)5.05961.0(5.91k 2 .2'
L
3
4.1'
G =?-+=??=?-+=a a
则kpa)h kmol/(m
352.190
.1360136.01
395
.411k H 1k 11k 3
'L
'G
G ??=?+
=
+
=
a
a
a
由m
596.04
.1785.03.101352.164
.125p k V
k V H 2
G Y OG ==
Ω
=
Ω
=
a a
由m 578.4681.7596.0N H Z OG OG =?== 得
m
723.5578.425.1Z '
=?=
设计取填料层高度为： m 6Z '=
查《化工原理课程设计》第145页表5—16得对于阶梯环填料m
6，h
15~8D
h max
≤=
取mm
1120014008h 8D
h
=?==则
计算得填料层高度为mm
6000,故不需分段
七、填料层压降计算
采用埃克特通用关联图计算填料层压降
横坐标为
087
.0L
V
V L =
ρρ
查《化工原理课程设计》第146页图5—21得
pa/m
72.117Z
P
=?
填料层压降为
pa 706.326117.72P =?=?
八、液体分布器简要设计
1、液体分布器的选型
该吸收塔液相负荷较大，而气相负荷相对较低，故选用槽式液体分布器
2、分布点密度计算
按埃克特建议值，D ≥1200时，喷淋点密度为2
m /42点，因该塔液相负荷较大，设计取
喷淋点密度为2m /120点。

布液点数为
点点1856.1841201.40.785n 2≈=??=
按分布点几何均匀与流量均匀的原则，进行布点设计。

设计结果为：二级槽共设十一道，在槽侧面开孔，槽宽度为80mm ，槽高度为210mm ，两槽中心矩为120mm 。

分布点采用三角形排列，实际设计布点数为n=176点，布液点示意图如下所示：
3、布液计算
由H
g 2n d 4L 2
φ
π
取160mm H 60.0=?=φ
015
.016.081.926.017614.3360008.997/122438.74 H 2g n L 4d 2 1
2
1
S 0
=
=
=φπ
设计取mm 14d 0=
九、吸收剂输送泵的选型
1、填料塔高度的计算
经计算得填料塔填料层高度为6m 且对于阶梯环填料最小分段高度 m 2.11h max =
大于填料层高度故填料层不需要分段。

根据经验公式塔高'Z )3.1~2.1(H = 取 '1.2Z H = 则 7.2m 61.2H =?=
设计取填料塔高度H=8m
2、泵的扬程计算
经计算得填料塔高度为8m 根据伯努力方程式S
2
d 2Z 2g V
g P Z 2V g P H ???? ??++-???? ??++=ρρg 扬程
可以得到泵的扬程。

为简便计算根据经验公式H )3.1~2.1(H =扬程取H 2.1H =扬程则
m
6.982.1H =?=扬程
3、泵的选择
因为设计中液相的流量为121172.22即121.53 m 3/h 输送流量大且是以清水为吸收剂，
流体黏度小所以工业上通常选用离心泵中的清水泵。

设计中要求液相流量为121.53 m 3/h 扬程为9.6m 。

查《化工原理》第388页附录22得知需选择4B15A 型离心泵。

该泵性能参数为：流量72m 3/h ，扬程11m ，功率2.87KW ，效率0.75。

因一台泵不能满足输送任务要求，所以需用两台相同的泵并联操作以满足要求。

十、设计数据汇总
十一、毕业设计心得体会
通过这次毕业设计锻炼了我综合运用在大学期间学习到的知识的能力，使我充分的体会到了书本上学到的知识在生产当中的用途。

在毕业设计的过程中也使我对以前学到的知识进行了温习加深了对这些知识在我脑海中的印象。

也增添了我对于将知识运用在将来的工作的信心。

当然人无完人没有十全十美的事在这次毕业设计中难免会有些错误望各位老师给予指正以便我能完善我的毕业设计。