清水吸收二氧化硫化工原理课程设计毕业设计(论文)

摘要在化工生产中，气体吸收过程是利用气体混合物中，各组分在液体中溶解度或化学反应活性的差异，在气液两相接触是发生传质，实现气液混合物的分离。

在化学工业中，经常需将气体混合物中的各个组分加以分离，其目的是：①回收或捕获气体混合物中的有用物质，以制取产品；②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物，以免污染大气。

根据不同性质上的差异，可以开发出不同的分离方法。

吸收操作仅为其中之一，它利用混合物中各组分在液体中溶解度或化学反应活性的差异，在气液两相接触时发生传质，实现气液混合物的分离。

一般说来，完整的吸收过程应包括吸收和解吸两部分。

在化工生产过程中，原料气的净化，气体产品的精制，治理有害气体，保护环境等方面都要用到气体吸收过程。

填料塔作为主要设备之一，越来越受到青睐。

二氧化硫填料吸收塔，以水为溶剂，经济合理，净化度高，污染小。

此外，由于水和二氧化硫反应生成硫酸，具有很大的利用。

本次化工原理课程设计，我设计的题目是：炉气处理量为m34200炉气吸过程填料吸收塔设计。

本次任务为用水吸收二氧化硫常压填料塔。

具体设计条件如下：1、混合物成分：空气和二氧化硫；2、二氧化硫的含量：0.05（摩尔分率）3、操作压强；常压操作4、进塔炉气流量：h4200m35、二氧化硫气体回收率：95%吸收过程视为等温吸收过程。

目录摘要 (I)第一章 设计方案的确定 (1)1.1流程方案 (1)1.2设备方案 (1)1.3流程布置 (1)1.4吸收剂的选择 (1)第二章 填料的选择 (2)2.1对填料的要求 (2)2.2填料的种类和特性 (2)2.3填料尺寸 (3)2.4填料材质的选择 (3)第三章 工艺计算 (4)3.1气液平衡的关系 (4)3.2吸收剂用量及操作线的确定 (4)3.2.1吸收剂用量的确定 (4)3.2.2操作线的确定 (5)3.3塔径计算 (5)3.3.1采用Eckert 通用关联图法计算泛点速率f u ： (5)3.3.2操作气速 (7)3.3.3塔径计算 (7)3.3.4喷淋密度U 校核 (7)3.3.5单位高度填料层压降（Z P）的校核 (8)3.4填料层高度计算 (9)3.4.1传质系数的计算 (9)3.4.2填料高度的计算 (12)第四章 填料塔内件的类型与设计 (13)4.1 塔内件的类型 (13)第五章 辅助设备的选型 (16)5.1管径的选择 (16)5.2泵的选取： (17)5.3风机的选型： (17)第六章 填料塔附属高度计算 (17)第七章 分布器简要计算 (18)第八章 关于填料塔设计的选材 (18)参考文献 (19)附录 (20)附图 (21)致谢 (22)第一章设计方案的确定1.1流程方案指完成设计任务书所达的任务采用怎样的工艺路线，包括需要哪些装置设备，物料在个设备间的走向，哪些地方需要有观测仪表、调节装置，有哪些取样点以及是否需要有备用支线等。

1.2设备方案根据设备要求，确定选用什么形式的设备。

若选用填料塔，塔内填料的型式、尺寸和材质如何选定。

方案的确定需要加以论证，在技术上可行的基础上考虑经济性。

1.3流程布置吸收装置的流程布置是指气体和液体进出吸收塔的流向安排。

主要有逆流操作、并流操作、吸收剂部分再循环操作、单塔或多塔串联操作，根据生产任务、工艺特点，结合各种流程的优缺点，逆流操作时传质平均推动力大，分离程度高，吸收剂利用率高，所以此次设计采用常规逆流操作的流程。

1.4吸收剂的选择吸收剂性能的优劣是决定吸收操作效果的关键之一，选择应考虑以下几方面：(1)溶解度要大，以提高吸收速率并减少吸收剂的用量；(2)选择性要好，对溶质组分有良好的溶解能力，对其他组分不吸收或甚微；(3)挥发度要低，以减少吸收和再生过程中吸收剂的挥发损失；(4)吸收剂在操作温度下粘度要低，且不易产生泡沫，以实现吸收塔内良好的气液接触状况；(5)对设备腐蚀性小或基本无腐蚀性，尽可能无毒。

(6)价廉、易得、化学稳定性好，便于再生，不易燃烧等。

一般来说，任何一种吸收剂都难以满足以上所有要求，选用是要针对具体情况和主要因素，既考虑工艺要求又兼顾到经济合理性。

第二章 填料的选择2.1对填料的要求填料塔对填料的要求具体表现在以下几个方面：(1)比表面积a t 要大，比表面积a t 是指单位堆积体积填料所具有的表面积32m m ；(2)能提供大的流体流量，即所选用的结构填料要敞开，使于死角区域的空间小， 有效空隙率大；(3)液体的再分布性能要好；(4)填料要有足够的机械强度，尤其是非金属填料；(5)价格低廉；2.2填料的种类和特性工业填料按形状和结构分为颗粒填料和)规整填料：(一)颗粒填料一般为湿法乱堆或干法乱的散装填料。

主要有以下类型：拉西环填料，鲍尔环填料，阶梯环填料等环形填料；弧鞍形填料，环矩鞍填料等鞍形填料等。

(二)规整填料以一定的几何形状，整齐堆砌，工业用多为波纹填料，其优点是结构紧凑、传质效率高、处理量大，但不易处理粘度大或有悬浮物的物料，且造价高。

综合考虑上述因素，此次设计过程我选择阶梯环填料。

2.3填料尺寸填料尺寸直接影响塔底操作和设备投资。

实践证明，塔径（D）与填料外径（d）之比值有一个下限值，若径比低于此下限值时，塔壁附近的填料空隙率大而不均匀，气流易短路及液体壁流等现象剧增。

各种填料的径比的下限：拉西环 20—30 （最小不低于8—10）鲍尔环 10—15 （最小不低于8）阶梯环 15 （最小不低于8）对一定塔径，满足径比下限的填料可能有几种尺寸，应综合考虑填料性能及经济因素选定。

一般推荐:D≤300时，选25mm的填料；≤≤时，选25—38mm的填料。

300900mm D mm-的填料.≥时，选用5070mmD mm900但一般大塔中常用50mm的填料，但通量的提高不能补偿成本的降低。

2.4填料材质的选择填料材质根据物系的腐蚀性，操作温度，材质的耐腐蚀性并综合考虑填料性能及经济因素来选择。

(1)陶瓷具有耐腐性及耐热性，但质脆、易碎，价格便宜。

(2)金属金属材质主要有碳钢，不锈钢，铝和铝合金等。

(3)塑料主要包括聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯等，塑料耐腐蚀性、耐低热性好，但具有冷脆性，表面润湿性较差。

一般讲，操作温度较高但无显著腐蚀性时，选用金属填料；温度较低选用塑料填料；物系具有腐蚀性、操作温度高，宜采用陶瓷填料考虑到本设计是利用清水吸收SO 2吸收液显弱酸性，有一定的腐蚀性，同时考虑到经济的合理性及吸收的效率，故选用聚乙烯阶梯环。

第三章 工艺计算3.1气液平衡的关系3[1]220SO E 3.5510KPa =⨯由某些气体水溶液的亨利系数查得℃下在水中亨利系数相平衡常数 33.551035.03101.33E m p ⨯=== 溶解度系数为H=[2]33998.20.0156mol /()3.551018.02s K KPa m EM ρ==⋅⨯⨯ 3.2吸收剂用量及操作线的确定3.2.1吸收剂用量的确定（1）最小吸收剂用量 最小液气比：21212*121min X mY Y Y X X Y Y V L --=--=⎪⎭⎫ ⎝⎛ 111210.050.05263110.05(1)0.05263(10.95)0.00263y Y y Y Y ===--=-Φ=⨯-= 进塔惰性气体流量为V ：1119.163)05.01()25273(33.101314.84200)1(-⋅=-⨯+⨯=-⋅⋅=h kmol y T P R V V S 对于纯溶剂吸收，进塔液相组成为 20X =121212*11min 1220.9535.0333.279Y Y Y Y Y Y L m Y Y V X X X m mϕ---⎛⎫====⋅=⨯= ⎪-⎝⎭- 1min min 80.5430279.3319.163)(-⋅=⨯=⋅=∴L kmol VL V L （2）吸收剂用量：min(1.1 2.0)L L V V ⎛⎫⎛⎫=- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ 1min 1.5 1.55430.808146.20L L kmol h -==⨯=⋅1212()163.19(0.05260.00263)00.00108146.20V Y Y X X L -⨯-=+=+= 3.2.2操作线的确定对逆流操作吸收塔在任一截面m-n 与塔顶间列物料衡算：22VY LX VY LX +=+ 既：⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅-+⋅=22X V L Y X V L Y min2221.5 1.533.27949.9185,=0.00263,49.91850.00263L L V V L Y X Y VY X ⎛⎫==⨯= ⎪⎝⎭-=∴=+3.3塔径计算3.3.1采用Eckert 通用关联图法计算泛点速率f u ：查《化工原理（上）》附录水的物理性质中20C 0下水的黏度[]251050.100s mPa ⋅⨯=-水μ, 塔底混合气体的平均摩尔质量 ：10.0564.060.952930.753kg/kmol i i M y M ==⨯+⨯=∑塔内气体的平均摩尔质量近似等于塔底混合气的平均摩尔质量：M =130.753kg/kmol i i M y M ==∑ 故塔内气体平均密度为：3101.3330.75 1.2588.314298PV nRTm PV RT MP M kg m RT ρ-==⋅⨯==⋅⨯由得出：＝ 气相质量流量为： 16.5283258.14200-⋅=⨯==h kg V W S V ρ液相质量流量可近似按纯水的流量计算即 16.146631182.8146-⋅=⨯=⨯=h kg M L W S L 关联图的横坐标值为： 985.0)00126.0(752.27)2.998258.1(6.52836.146631)(5.02121=⨯=⋅=⋅L V V L W W ρρ在此设计中我选择的是d=50mm 的塑料阶梯环，查《化工原理》课程设计说明指导书表3-3 阶梯环特性，可知：12[3]80,121.8t m a m φ-==表3.1 阶梯环特性（乱堆）纵坐标为：20.20.0252f V L L u u g φψρρ⋅⋅⎛⎫⋅⋅= ⎪⎝⎭因为液相为清水，由==1=1Lρψψρ水，故液体校正系数0252.00050.1)2.998258.1(81.9180:0252.0)(2.022.02=⋅⨯⨯=⋅⋅⋅⋅f L L V f u u gu 即ρρψφ 11.56f u m s -∴=⋅3.3.2操作气速 填料塔塔径的大小是根据生产能力与空塔气速来计算。

空塔气速有下面经验公式：8.0~5.0=fu u 取 10.60.6 1.56=0.936f u u m s -==⨯⋅3.3.3塔径计算由公式：mmm D D m D m u V D S4.11400360.1100.0260.11260.136007849.0936.042004===+=>=⨯⨯=⋅=经圆整后，所以由于π3.3.4喷淋密度U 校核 单位时间内每立方米塔截面上的吸收剂用量： )(47.954.1785.02.9986.146631785.0785.023222h m m D M L D L U L Sn ⋅=⨯=⋅==ρ 最小喷淋密度：()t w L U αmin min =由于 5075d mm =<()()h m m L w ⋅=∴23min 08.0取328.121m m a t =)(744.923min h m mU ⋅=得min U U ∴>合适d ∴3.3.5单位高度填料层压降（Z P∆）的校核由以上可知横坐标为：985.0)00126.0(752.27)2.998258.1(6.52836.146631)(5.02121=⨯=⋅=⋅L V V L W W ρρ 查表3—9压降填料因子查的1[3]89p m φ-=220.20.20.936891 1.2581.00420.019.81998.2V P L L u gρϕψμρ⎛⎫⨯⨯∴⋅=⨯⨯= ⎪⎝⎭纵坐标图1. 埃克特通用关联图ker 309.81294.3Ppa E c t m Z∆-=⨯=由关联图查得mpa Z Pm pa 491145<∆<∴符合条件d ∴3.4填料层高度计算3.4.1传质系数的计算（1）有效面积（润湿面积）w α①查《化工原理》课程设计指导书表 3.2填料材质的临界表面张力聚乙烯C σ=33dyn/cm;表3.2 填料材质的临界表面张力C σ值②查《化工原理》上册（夏清 陈常贵）(天津大学出版社) 附录（331页）中水的物理性质中20℃水的表面张力L σ=72.67mN/m （《化工原理》附录1单位换算因子中知：51110N dyn -=⨯，所以1/1/m N m d y n c m =，所以272.6712960=941803.2k g /hL σ=⨯） ③查《化工原理》课程设计说明指导书表3-3 阶梯环特性，可知：2[3]121.8t a m =,水的粘度： s mPa ⋅=1.0050水μ④查《化工原理》下册（夏清 陈常贵）（95页）表2-4一些元素的原子体积与简单气体的分子体积中查A V =44.8cm/mol, B V =29.9cm/mol, 0V =8cm/mol ； 已知：82g 1.0710/m h =⨯.1exp wt αα=-0.10.20.750.052221.45C L t L L L t L L L L t U U U g σασαμρρσα-⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎢⎥- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎣⎦=1exp -[]1.450.553 1.707 1.260.5958-⨯⨯⨯⨯ = 1.0271e --0.643=32.788.121643.0=÷=∴w α)(96.953014.1785.06.146631785.0222h m kg D W U L L ⋅=⨯==)(618.33600100050.123h m kg L ⋅=⨯⨯=-μ（2）液相传质系数k L 20℃下SO 2在水中的扩散系数s m V V TD A L 293131315310311510471.1)88.44(100050.1298107.7)(107.7----⨯=-⨯⨯⨯⨯=-⨯=μh m m D L 262910296.5360010471.1--⨯=⨯⨯=所以：由L k =0.00952/31/21/3L L L w L L L L U g a D μμμρρ-⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎪⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭得： h m k L 35.1)2.9981007.1618.3()10296.52.998618.3()618.332.7896.95301(0095.031821632=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=--（3）气相传质系数10.730.237()()()V V t V G t V V V U a Dk a D RTμμρ=250.5311[4][4]233114.3610()()A BV ABT M M D P V V -⨯+=+250.5311233114.3610298()6429101.33(44.829.9)-⨯+=+521.1210/m s -=⨯5221.12103600/0.04032/V D m s m h -=⨯⨯=所以：)(03.34344.1785.0258.14200785.0222h m kg D W U V V ⋅=⨯⨯==10.730.237()()()V V t V G t V V V U a D k a D RTμμρ=由于空气中SO 2含量很低，所以气体粘度近似为空气粘度，查《化工原理》上册（夏清 陈常贵）(天津大学出版社) 附录6（330页）中:20℃下空气的粘度为18.1.Pa S μ=6218.1360010 6.51610/.Kg m h --⨯⨯=⨯)(0364.0)293314.804032.08.121()04032.0258.110516.6()10516.68.12103.3434(237.023127.02kpa h m kmol k G ⋅⋅=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=-- 由 1.1G G w k a k a =Ψ查表3.3常见填料的形状系数得ψ=1.45表3.3 常见填料的形状系数则)(29.445.132.780364.031.111kPa h m kmol a k k w G G ⋅⋅=⨯⨯==ψ )(67.12245.132.7835.134.04.0kPa h m kmol a k k w L L ⋅⋅=⨯⨯==ψ由于60%50%,Fuu =>所以需要校正。