课程设计二氧化硫吸收塔

SO2 在水中的扩散系数为 DL 依 Wilke-Chang 公式计算
D
1.859 1018
( M r )0.5T V 0.6
（1）
其中： —溶剂的缔合参数，具体值为水 2.6。
Mr—溶剂的摩尔质量，kg/kmol； T—溶液的温度，K； —溶剂的粘度，Pa•s； V—溶质在正常沸点下的分子体积，cm3/mol；由正常沸点下的液体密度来计算。若缺乏此密 度数据，则可采用 Tyn-Calus 方法估算：
ρVm=PM/RT 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
（3） （4）
μV=1.83 ×10-5Pa•s=0.066kg/(m•h)
SO2 在空气中的扩散系数
DD0×(P0/P)×(T/T0)1.75
其中 273K 时，1.013×105Pa 时 SO2 在空气中的扩散系数为 1.22×10m2/s 最终计算得 278K，1.013×105Pa 下 SO2 在空气中的扩散系数为
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
C L
0.75
UL at L
0.1
U
2 L
at
L2g
0.05
UL2 L Lat
0.2
查表四
表四 常见材质的临界表面张力值
材质
碳
瓷
玻璃 聚丙烯 聚氯乙烯 钢
表面张
56
61
73
33
40
75
力, mN /m
(1) SO2 进塔体积分数 y1=0.1；出塔体积分数
(2) 进塔气相摩尔比为
(3)
Y1
y1 1 y1
0.1 1 0.1
0.11
出塔气相摩尔比为
Y2=Y1(1-η)=0.11(1-0.98)=0.0022
(4) 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
（8）
（9）
4
(6)塔底吸收液组成 X1
DN38、DN50 、DN76 等几种规格。同类填料，尺寸越小，分离效率越高，但阻力增加， 通量减小，填料费用也增加很多。塑料填料具有质轻、价廉、耐冲击、不易破碎等优点，多用 于吸收、解吸、萃取等装置。但其缺点是表面润湿性能差，在某些特殊场合，需要对其表面进 行处理，以提高表面润湿性能。
综合各点因素，在所了散装填料中，塑料阶梯环填料的综合性能较好，故此选用塑料阶梯 环填料。
140
160
-
瓷拉西环 1050
576
450
288
-
查表得，Φp =116 m-1
纵坐标
查 Eckert 通用关联图得: △P/Z = 186.39Pa/m
填料层压降为:
△P=186.39×10.5=1957.095Pa
四、辅助设备的计算及选型
13
4．1 塔顶除雾沫器 穿过填料层的气体有时会夹带液体和雾滴，因此，工艺上对吸收设备提出除雾的要求。被
表 2 填料尺寸与塔径的对应关系
塔径/ mm
填料尺寸/ mm
D≤300
20～25
300≤D≤900
25～38
D≥900
50～80
2.3 设计步骤
本课程设计从以下几个方面的内容来进行设计
（一） 吸收塔的物料衡算；（二） 填料塔的工艺尺寸计算；主要包括：塔径，填料层高
度，填料层压降；（三） 设计液体分布器及辅助设备的选型；（四） 绘制有关吸收操作图纸。
（13）
m3/(m2·h)>Umin
经以上校核可知，填料塔直径选用 D=1000mm 合理。 3.2.2 填料层高度计算
8
(1) 传质单元数 NOG
Y* 1
=
m
X1 =
40.76×0.00225
=
0.09171
Y* 2
=
m
X2 =
0
解吸因数为: 气相总传质单元数为:
（14）
（2）传质单元高度的计算
查图一查得纵坐标值为
6
表三 散装填料泛点填料因子平均值
填料类型 DN16
金属鲍尔 410
环
填料因子，1/m DN25 DN38 DN50
—
117
160
金属环矩 —
鞍
170
150
135
金属阶梯 —
环
—
160
140
塑料鲍尔
550
280
184
140
环
塑料阶梯 —
环
260
170
127
瓷矩鞍 1100
550
5
图中 u0——空塔气速，m /s； φ——湿填料因子，简称填料因子，1 /m； ψ——水的密度和液体的密度之比； g——重力加速度，m /s2； ρG、ρL——分别为气体和液体的密度，kg /m3； wV、wL——分别为气体和液体的质量流量，kg /s。
此图适用于乱堆的颗粒形填料，如拉西环、弧鞍形填料、矩鞍形填料、鲍尔环等，其上还绘 制了整砌拉西环和弦栅填料两种规整填料的泛点曲线。对于其他填料，尚无可靠的填料因子数 据。 Eckert 通用关联图的横坐标为
1
2.2 填料的选择 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。对于水吸收 S02 的过程、操作、温度及操作压力较低，工业上 通常选用所了散装填料。本设计中采用散装填料，工业常用的主要有选用 DN16、 DN25 、
（10）
(7)操作线方程
Y=(L/V)X+[Y2-(L/V)X2]
（11）
故操作线方程：Y=47.93X+0.0022
3.2 填料塔的工艺尺寸的计算 3.2.1 塔径的计算 采用 Eckert 通用关联图计算泛点气速。 气相质量流量为 wG=2000×1.3287=2657.4 kg/h 液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即
（16）
石蜡 20
得 C = 33 dyn/cm = 427680 kg/h2
液体质量通量为:
9
气膜吸收系数由下式计算：
0.7
1
kG
0.237
UV at V
V V DV
3
at DV RT
气体质量通量为：
（17）
液膜吸收系数由下式计算:
（18）
表五 常见填料塔的形状系数
填料类型 球形 棒形 拉西环 弧鞍
根据除沫装置类型的使用范围，该填料塔选取丝网除沫器（如下图）。这是一种效率较高 的除雾器，可除去大于 5µm 的液滴，效率可达 98%—99%，但压强降较折流板式除雾器为大，约 为 0.245kpa，且不适用于气液中含有粘结物或固体物质（例如碱液或碳酸氢铵溶液等），因为 液体蒸发后留下固体物质容易堵塞丝网孔，影响塔的正常操作。
对于直径大于 75mm 的散装填料，可取最小润湿速率（Lw）min=0.12m3/(m·h)
所以，取最小润湿速率为：（Lw）min=0.08m3/(m·h)
查填料手册得
塑料阶梯环比表面积 at=132.5m2/m3
流体的最小体积通量
Umin=（Lw）min at= 0.08×132.5 =10.6m3/ m2·h
DV=1.422×10-5m2/s=0.051 m2/h
（5）
3.1.3 气液相平衡数据
3
常压下 25℃时 SO2 在水中的亨利系数为 E=4.13 ×103 kPa
相平衡常数为
m=E/P=4.13×103/101.3=40.76
（6）
溶解度系数为
H=ρ/EM =997.1/4.13×103×18.02=0.0134kmol/kPam3
三、装置的工艺计算：
3.1 基础物性数据 3.1.1 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℃时水的 有关物性数据如下：
密度为 ρL=997.1 kg/m3
粘度为 μL=0.0008937 Pa·s=3.2173kg/(m·h)
2
表面张力为σL=71.97 dyn/cm=932731 kg/h2
净化的气体在离开吸收塔之前要进行除雾。通常，除雾器多设在吸收塔的顶部。常用的形式有 以下几种：(1) 填料除雾器，即在塔顶气体出口前，再通过一层干填料，达到分离雾沫的目的。 （2）折板式除雾器，它是利用惯性原理设计的最简单的除雾器。（3）丝网除雾器，其为一种 分离效率高，阻力较小，重量较轻，所占空间不大的除雾器。
一、课程设计任务书
1.1、设计题目：
设计一座填料吸收塔，用于脱除混合气体中的 SO2，其余为惰性组分，采用清水进行吸收。 1.2、工艺操作条件：
(1)操作压力 常压 (2)操作温度：25℃
表一
工艺操作条件
混合气体处理量 m3/h 混合气体 SO2 含量(体积分数) SO2 的回收率不低于
1.3、设计任务：
（1） 吸收方案和工艺流程的说明 （2） 填料吸收塔的工艺计算； （3） 填料吸收塔设备设计; （4） 制备工艺流程图、设备图； （5） 编写设计说明书。
2000 10% 97%
二、 设计方案的确定
2.1、 吸收剂的选择 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。用水吸收 SO2 属中 等溶解度的吸收过程，选用逆流吸收流程。因用水作为吸收剂，且 SO2 不作为产品，故采用纯 溶剂。
圆整塔径，取 D=l.0 m。 (3) 泛点率校核：
=0.962 m
（13）
=0.67 (在允许的范围内)
（4）填料规格校核：
D/d=1000/38=26.32 >8
(5）液体喷淋密度校核： 对于直径不超过 75mm 的散装填料，可取最小润湿速率
（Lw）min=(2.2×10-5 )m3/(m·s)=0.08m3/(m·h)
横坐标为:
表七 散装填料压降填料因子平均值
12
填料类型 DN16
填料因子, 1/m DN25 DN38 DN50
DN76
金属鲍尔
306
-
114
98
-
环
金属环矩
-
138
93.4
71
36
鞍
金属阶梯 -
环
-
118
82
-
塑料鲍尔
343
232
114
125
62
环
塑料阶梯
-
176
116
89
-
环
瓷矩鞍环 700
215
但根据设计经验，填料层的设计高度一般为 Z′＝(1.2~1.5)Z 式中 Z′—设计时的填料高度，m； Z —工艺计算得到的填料层高度，m。
11
5984kmol/(m2
（24） （25）
Z′=1.25 Z=10.241m
设计取填料层高度为 Z′=10.5m
查：
表六 散装填料分段高度推荐值
填料类型
h/D
WL=3528.61×18.02=63585.55kg/h
其中：
ρL =997.1 kg/m3 ρV =1.3287 kg/m3 g = 9.81 m/s2 = 1.27×108 m/h2
WV = 2657.4 kg/h
WL = 63585.55 kg/h
μL =0.0008937 Pa·s
（1）采用 Ecekert 通用关联图法计算泛点气速 uF。通用填料塔泛点和压降的通用关联图如下： 图一填料塔泛点和压降的通用关联图
（7）
3.1.4 物料衡算
本设计中取回收率η=98%，液气比 L/G=1.2(L/G)min
近似取塔平均操作压强为 101.3kPa，故：
混合气量 V＝2000 m3／h=81.80 kmol/h
混合气 SO2 中量 V1＝2000×0.1＝200 m3／h
设混合气中惰性气体为空气，则混合气中空气量 V2＝1800 m3/h=73.62 kmol/h
Hmax/m
拉西环
2.5
≤4
矩鞍
5～8
≤6
鲍尔环
5～10
≤6
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
阶梯环
8～15
≤6
环矩鞍
5～15
≤6
对于阶梯环填料，
h 8 ~ 15m
D
，
hmax 6m
h 8 取 D ，则 h=8×1000=8000 mm
故需分为两段，每段高 5.25 m。 3.2.3 填料层压降计算
采用 Eckert 通用关联图计算填料层压降。
V=0.285Vc1.048
（2）
Vc 为物质的临界体积，SO2 临界体积为 122.2cm3/mol。
最终计算得 SO2 在水中的扩散系数为 DL=1.724×10-9m2/s=6.206×10-6m2/h
3.1.2 气相物性数据 设进塔混合气体温度为 25℃，混合气体的平均摩尔质量为
MVm=ΣyiMi 混合气体的平均密度为
200
226
瓷拉西环 1300
832
600
410
DN76 — 120 — 92 — — —
由于采用 DN38 聚丙烯阶梯环填料。 故由表一可得填料因子 F 170m1
泛点气速 对于散装填料，其泛点率的经验值为 u/uF =0.5~0.85
7
（12）
取 u=0.7uF 故操作气速 u=0.7×1.052=0.736 m/s 气体的体积流量 VS=2000/3600=0.556 m3/s (2) 塔径
Ψ值
0.72 0.75 1
1.19
开孔环 1.45
本设计填料类型为开孔环 所以 Ψ=1.45,则
10
kGa kGaw1.1 =0.0415 kLakLaw0.4=1.431 由于 需要按下式进行校正，即
得：
（19） （20）
（21） （22）
则总传质系数： hkPa) 由
（3）填料层高度的计算
Z H NOG OG = 0.579×14.15 = 8.193 m