水吸收二氧化硫填料吸收塔设计说明书.docx
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水吸收二氧化硫填料吸收塔设计说明书
化工原理课程设计
3
题目处理量为1200m/h水吸收二氧化硫过程填料吸收塔的
设计
专
业
化学工程与工艺
班
级
化工2102
姓
名
柯来烽
学
号3102109230
指导教师
胡章文
化工原理设计任务书
专业:
化学工程与工艺班级:
化工2102设计人:
柯来烽
一.设计题目
3
处理量为1200m/h水吸收二氧化硫过程填料吸收塔的设计
二.原始数据及条件
进塔二氧化硫含量为8%(摩尔分率,下同),温度25℃。
塔顶易挥发组分回收率94%。
进塔吸收剂温度20℃,由于气液比比较大,温度基本不变,吸收温度可近似取清水温度。
二氧化硫回收率为
操作压强为常压
三.设计要求
1.标题页;
2.设计任务书;
3.目录;
4.确定设计方案;
5.填料塔吸收的塔径,填料层高度,塔高和填料层压降的计算;
6.塔及主要附属构件结构尺寸设计;
7.设计一览表;
8.对本设计的评述;
9.绘制填料塔装备图;
10.参考文献。
四.设计日期:
2013年6月10日至2013年6月20日
摘要1
1绪论2
1.1吸收技术概况
1.2吸收设备发展
.......2
.......2
1.3吸收在工业生产中的应用...........3
2设计方案.....................................................................
4
2.1
吸收方法及吸收剂的选择....................................................
4
2.1.1
吸收方法...............................................................
4
2.1.2
吸收剂的选择:
..........................................................
4
2.2
吸收工艺的流程............................................................
5
2.2.1
吸收工艺流程的确定.....................................................
5
2.2.2
吸收工艺流程图及工艺过程说明...........................................
6
2.3
操作参数选择
.............
7
2.3.1操作温度的选择
2.3.2操作压力的选择
2.3.3吸收因子的选择
....7
.7
7
2.4吸收塔设备及填料的选8
2.4.1吸收塔设备的选择8
2.4.2填料的选择8
3吸收塔工艺的算
3.1基础性物性数据
10
10
3.1.1液相物性数据
3.1.2气相物性数据
3.1.3气液平衡数据
10
.10
.10
3.2物料衡算.....................11
3.3塔径的计算及校核11
3.3.1塔径的计算.11
3.3.2泛点率的计算
3.3.3气体能动因子
3.3.4填料规格校核
.13
13
13
3.3.5液体喷淋密度校核.13
3.4填料层高度计算14
3.4.1传质单元数计算14
3.4.2传质单元高度计算....14
3.4.3填料层高度的计算..15
3.5填料塔附属高度的计算..16
3.6液体分布器的简要设计.16
3.6.1分布点密度及布液孔数的计算16
3.6.2布液计算17
3.6.3塔底液体保持管高度的计算17
3.7其他附属塔内件的选择18
3.7.1液体再分布器18
3.7.2填料支撑板.18
3.7.3填料压紧装置与床层限制板...18
3.7.4气体进出口装置与排液装置...18
3.8吸收塔主要接管尺寸算...19
3.9填料层压力降的计
算......................19
工艺设计计算结果汇总与主要符号说明
...................................21
结束语
..........24
主要符号说明
..........25
参考文献
.........27
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。
实际过程往往同时兼有净化和回收双重目的。
气体混合物的分离,总是根据混合物中各组分间某种物理和化学性质的差异而进行的。
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。
1绪论
1.1吸收技术概况
在化学工业中,利用不同气体组分在液体溶剂中的溶解度的差异,对其进行选择性溶解,从而将混合物各组分分离的传质过程称为吸收。
气体吸收过程是化工生产中常用的气体混合
物的分离操作,其基本原理是利用混合物中各组分在特定的液体吸收剂中的溶解度不同,实现各组分分离的单元操作。
实际生产中,吸收过程所用的吸收剂常需回收利用,故一般来说,完整的吸收过程应包括吸收和解吸两部分,因而在设计上应将两部分综合考虑,才能得到较为理想的设计结果。
作为吸收过程的工艺设计,其一般性问题是在给定混合气体处理量、混合气体组成、温度、压力以及分离要求的条件下,完成以下工作:
(1)根据给定的分离任务,确定吸收方案;
(2)根据流程进行过程的物料和热量衡算,确定工艺参数;
(3)依据物料及热量衡算进行过程的设备选型或设备设计;
(4)绘制工艺流程图及主要设备的工艺条件图;
(5)编写工艺设计说明书。
1.2吸收过程对设备的要求及设备的发展概况
近年来随着化工产业的发展,大规模的吸收设备已经广泛用于实际生产过程中。
对于吸收过程,能够完成分离任务的塔设备有多种,如何从众多的塔设备中选择合适类型是进行工艺设计的首要任务。
而进行这一项工作则需对吸收过程进行充分的研究后,并经多方面对比方能得到满意的结果。
一般而言,吸收用塔设备与精馏过程所需要的塔设备具有相同的原则要求,用较小直径的塔设备完成规定的处理量,塔板或填料层阻力要小,具有良好的传质性能,具有合适的操作弹性,结构简单,造价低,便于安装、操作和维修等。
但是吸收过程,一般具有液气比大的特点,因而更适用填料塔。
此外,填料塔阻力小,效率高,有利于过程节能。
所以对于吸收过程来说,以采用填料塔居多。
近年来随着化工产业的发展,大规模的吸收设备已经广泛用于实际生产当中。
具有了很高的吸收效率,以及在节能方面也日趋完善。
填料塔的工艺设计内容是在明确了装置的处理量,操作温度及操作压力及相应的相平衡关系的条件下,完成填料塔的工艺尺寸及其他塔内件设计。
在今后的化学工业的生产中,对吸收设备的要求及效率将会有更高的要求,所以日益完善的吸收设备会逐渐应用于实际的工业生产中。
1.3吸收在工业生产中的应用
1.3.1吸收的应用概况
在化工生产中,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得到了
广泛的应用,在研究和开发过程中,在方法上多从吸收过程的传质速率着手,希望在整个设
备中,气液两相为连续微分接触过程,这一特点则与填料塔得到了良好的结合,由于填料塔
的通量大,阻力小,使得其在某些处理量大要求压降小的分离过程中备受青睐,尤其近年高
效填料塔的开发,使得填料塔在分离过程中占据了重要的位置。
吸收在化工的应用大致有以
下几种:
(1)原料气的净化。
(2)有用组分的回收。
(3)某些产品的制取。
(4)废气的处理。
1.3.2典型吸收过程
煤气脱苯为例:
在炼焦及制取城市煤气的生产过程中,焦炉煤气内含有少量的苯、甲苯类
低碳氢化合物的蒸汽(约35g/m3)应予以分离回收,所用的吸收溶剂为该工业生产过程中
的副产物,即焦煤油的精制品称为洗油。
回收苯系物质的流程包括吸收和解吸两个大部分。
含苯煤气在常温下由底部进入吸收
塔,洗油从塔顶淋入,塔内装有木栅等填充物。
在煤气与洗油接触过程中,煤气中的苯蒸汽
溶解于洗油,使塔顶离去的煤气苯含量降至某允许值(<2g/m3),而溶有较多苯系物质的洗油
(称富油)由吸收塔底排出。
为取出富油中的苯并使洗油能够再次使用(称溶剂的再生),在另
一个称为解吸塔的设备中进行与吸收相反的操作----解吸。
为此,可先将富油预热到170C
左右由解吸塔顶淋下,塔底通入过热水蒸气。
洗油中的苯在高温下逸出而被水蒸气带走,经
冷凝分层将水除去,最终可得苯类液体(粗苯),而脱除溶质的洗油(称贫油)经冷却后可作
为吸收溶剂再次送入吸收塔循环使用.
2设计方案
吸收过程的设计方案主要包括吸收剂的选择、吸收流程的选择、解吸方法选择、设备类
型选择、操作参数的选择等内容.用水吸收S02属中等溶解度的吸收过程,为提高传质效率,
选用逆流吸收流程。
因用水作为吸收剂,且S02不作为产品,故采用纯溶剂。
2.1吸收方法及吸收剂的选择
2.1.1吸收方法
完成同一吸收任务,可选用不同吸收剂,从而构成了不同的吸收方法,如以合成氨厂变
换器脱CO2的为例,若配合焦炉气为原料的制氢工艺,宜选用水,碳酸丙烯酯,冷甲酸等作吸
收剂,既能脱CO2,又能脱除有机杂质。
后继配以碱洗和低温液氨洗构成了一个完整的净化体
系,若以天然气为原料制H2和N2时,宜选用催化热碳酸钾溶液作吸收剂,净化度高。
后继再
配以甲烷化法,经济合理。
其中,前者为物理吸收,后者则为化学吸收。
一般而言,当溶剂
含量较低,而要求净化度又高时,宜采用化学吸收法;若溶质含量较高,而净化度又不很高
时,宜采用物理吸收法。
2.1.2吸收剂的选择
对于吸收操作,选择适宜的吸收剂,具有十分重要的意义.其对吸收操作过程的经济性有
着十分重要的影响.一般情况下,选择吸收剂,要着重考虑如下问题.
(一)对溶质的溶解度大
所选的吸收剂多溶质的溶解度大,则单位量的吸收剂能够溶解较多的溶质,在一定的处理量和分离要求下,吸收剂的用量小,可以有效地减少吸收剂循环量,这对于减少过程功耗和再生能量消耗十分有利.另一方面,在同样的吸收剂用量下,液相的传质推动力大,则可以提高吸
收效率,减小塔设备的尺寸.
(二)对溶质有较高的选择性
对溶质有较高的选择性,即要求选用的吸收剂应对溶质有较大的溶解度,而对其他组分则溶解度要小或基本不溶,这样,不但可以减小惰性气体组分的损失,而且可以提高解吸后溶质气体的纯度.
(三)不易挥发
吸收剂在操作条件下应具有较低的蒸气压,以避免吸收过程中吸收剂的损失,提高吸收过
程的经济性。
(四)再生性能好
由于在吸收剂再生过程中,一般要对其进行升温或气提等处理,能量消耗较大,因而,吸收
剂再生性能的好坏,对吸收过程能耗的影响极大,选用具有良好再生性能的吸收剂,往往能有
效地降低过程的能量消耗。
以上四个方面是选择吸收剂时应考虑的主要问题,其次,还应注意所选择的吸收剂应具有
良好的物理、化学性能和经济性。
其良好的物理性能主要指吸收剂的粘要小,不易发泡,以保
证吸收剂具有良好的流动性能和分布性能.良好的化学性能主要指其具有良好的化学稳定性
和热稳定性,以防止在使用中发生变质,同时要求吸收剂尽可能无毒、无易燃易爆性,对相关设
备无腐蚀性(或较小的腐蚀性).吸收剂的经济性主要指应尽可能选用廉价易得的溶剂。
表2—1物理吸收剂和化学吸收剂的特性
物理吸收剂
化学吸收剂
(1)吸收容量(溶解度)正比于溶质分压
(2)吸收热效应很小(近于等温)
(3)常用降压闪蒸解吸
(4)适于溶质含量高,而净化度要求不太高的场合
(5)对设备腐蚀性小,不易变质
(1)吸收容量对溶质分压不太敏感
(2)吸收热效应显著
(3)用低压蒸汽气提解吸
(4)适于溶质含量不高,而净化度要求很高的场合
(5)对设备腐蚀性大,易变质
2.2吸收工艺的流程
2.2.1吸收工艺流程的确定
工业上使用的吸收流程多种多样,可以从不同角度进行分类,从所选用的吸收剂的种类看,有仅用一种吸收剂的一步吸收流程和使用两种吸收剂的两步吸收流程,从所用的塔设备
数量看,可分为单塔吸收流程和多塔吸收流程,从塔内气液两相的流向可分为逆流吸收流程、并流吸收流程等基本流程,此外,还有用于特定条件下的部分溶剂循环流程。
(一)一步吸收流程和两步吸收流程
一步流程一般用于混合气体溶质浓度较低,同时过程的分离要求不高,选用一种吸收剂即可完成任务的情况。
若混合气体中溶质浓度较高且吸收要求也高,难以用一步吸收达到规定的吸收要求,但过程的操作费用较高,从经济性的角度分析不够适宜时,可以考虑采用两步吸收流程。
(二)单塔吸收流程和多塔吸收流程
单塔吸收流程是吸收过程中最常用的流程,如过程无特别需要,则一般采用单塔吸收流程。
若过程的分离要求较高,使用单塔操作时,所需要的塔体过高,或采用两步吸收流程时,则需要采用多塔流程(通常是双塔吸收流程)
(三)逆流吸收与并流吸收
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。
工程上,如无特别
需要,一般均采用逆流吸收流程。
(四)部分溶剂循环吸收流程
由于填料塔的分离效率受填料层上的液体喷淋量影响较大,当液相喷淋量过小时,将降
低填料塔的分离效率,因此当塔的液相负荷过小而难以充分润湿填料表面时,可以采用部分
溶剂循环吸收流程,以提高液相喷淋量,改善踏的操作条件。
2.2.2吸收工艺流程图及工艺过程说明
2.3操作参数的选择
2.3.1操作温度的选择
对于物理吸收而言,降低操作温度,对吸收有利。
但低于环境温度的操作温度因其要消耗
大量的制冷动力而一般是不可取的,所以一般情况下,取常温吸收较为有利。
对于特殊条件的
吸收操作必须采用低于环境的温度操作。
对于化学吸收,操作温度应根据化学反应的性质而定,既要考虑温度对化学反应速度常数的影
响,也要考虑对化学平衡的影响,使吸收反应具有适宜的反应速度。
对于再生操作,较高的操作温度可以降低溶质的溶解度,因而有利于吸收剂的再生。
2.3.2操作压力的选择
对于物理吸收,加压操作一方面有利于提高吸收过程的传质推动力而提高过程的传质速
率,另一方面,也可以减小气体的体积流率,减小吸收塔径。
所以操作十分有利.但工程上,专门为吸收操作而为气体加压,从过程的经济性角度看是不合理的,因而若在前一道工序的压力参数下可以进行吸收操作的情况下,一般是以前道工序的压力作为吸收单元的操作压力。
对于化学吸收,若过程由质量传递过程控制,则提高操作压力有利,若为化学反应过程控制,则
q收压力依然可以减小气相的体积流率,对减小塔径仍然是有利的。
对于减压再生(闪蒸)操作,其操作压力应以吸收剂的再生要求而定,逐次或一次从吸收压力减至再生操作压力,逐次闪蒸的再生效果一般要优于一次闪蒸效果。
2.3.3吸收因子的选择
吸收因子A是一个关联了气体处理量qn,V,吸收剂用量qn,L以及气液相平衡常数m的综合的过程参数.
Aqn,L/qn,V
式中qn,V--------
通过吸收塔的惰性气体处理量,kmol/h.
m---------
气体相平衡常数.
吸收因子的值的大小对过程的经济性影响很大,选取较大的吸收因子,则过程的设备费用降低而操作费用升高,在设计上,两者的数值应以过程的总费用最低为目标函数进行优化设计后确
定.从经验上看,吸收操作的目的不同,该值也有所不同。
一般若以净化气体或提高溶质的回收率为目的,则A值宜在1.2~2.0之间,一般情况可近似取A=1.4。
而对于以制取液相产品为目的吸收操作,A值可以取小于1.工程上更常用的确定吸收剂用量(或气提气用量)的方法是利用求过程的最小液气比(对于再生过程求最小气液比),进而确定适宜的液气比,即
(qn,L
)min
(Y1
Y2)
qn,V
(X*
X2)
qn,L
(1.2~2.0)(qn,L)min
qn,V
qn,V
X*
Y1
m
对于低浓度气体吸收过程,由于吸收过程中气液相量变化较小
则有
qn,L
(y1y2)
(
)min
qn,V
(x*x2)
qn,L
(1.2~2.0)(qn,L)min
qn,V
qn,V
x*
y1
m
2.4吸收塔设备及填料的选择
2.4.1吸收塔的设备选择
对于吸收过程,能够完成其分离任务的塔设备有多种,如何从众多的塔设备中选出合适的类型是进行工艺设计的首要工作.而进行这一项工作则需对吸收过程进行充分的研究后,并经多方案对比方能得到较满意的结果.一般而言,吸收用塔设备与精馏过程所需要的塔设备具有相同的原则要求,即用较小直径的塔设备完成规定的处理量,塔板或填料层阻力要小,具有良好的传质性能,具有合适的操作弹性,结构简单,造价低,易于制造、安装、操作和维修等.
但作为吸收过程,一般具有操作液起比大的特点,因而更适用于填料塔.此外,填料塔阻力
小,效率高,有利于过程节能,所以对于吸收过程来说,以采用填料塔居多.但在液体流率很低难以充分润湿填料,或塔径过大,使用填料塔不经济的情况下,以采用板式塔为宜.
2.4.2填料的选择
各种填料的结构差异较大,具有不同的优缺点,因此在使用上应根据具体情况选择不同的塔填料。
在选择塔填料时,应该考虑如下几个问题:
(1)选择填料材质选择填料材质应根据吸收系统的介质以及操作温度而定,一般情况下,可以选用塑料,金属,陶瓷等材料。
对于腐蚀性介质应采用相应的抗腐蚀性材料,如陶瓷,塑料,玻璃,石墨,不锈钢等,对于温度较高的情况,应考虑材料的耐温性能。
(2)填料类型的选择填料类型的选择是一个比较复杂的问题。
一般来说,同一类填料塔中,比表面积大的填料虽然具有较高的分离效率,但是由于在同样的处理量下,所需要的塔径较
大,塔体造价升高。
(3)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。
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DN38聚丙稀阶梯环填料。
其主要性能参数为
[2]:
比表面积
at=132.5m2
孔隙率
=0.91
形状修正系数
=1.45
填料因子
F=170m1
A
0.204
临界张力
C33dyn/cm
3塔的工艺计算
3.1基础物性数据
3.1.1液相物性数据
20℃时水的有关物性数据:
密度
L
998.2(kg
/m3)
粘度
L
0.01(Pas)
3.6kg/(mh)
表面张力
L
75103(N
/m)
SO2在水中的扩散系数
DL
1.47109(m2
/s)
3.1.2气相物性数据
混合气体的平均摩尔质量为:
Mvm
yiMi
0.0864.060.92
2931.805
PMvm
101.3
31.805
3
混合气体的平均密度为:
Vm
8.314
298
1.301kg/m
RT
混合气体粘度近似于空气粘度,直接查得
摄氏度空气的粘度为:
20
v1.8110-5PaS0.065kg/(mh)
SO2在空气中的扩散系数为:
Dv0.108cm2/s
0.039m2/h
3.1.3气液平衡数据
查得常压下20摄氏度时SO2在水中的亨利系数为:
E3.55103KPa
相平衡常数为:
E
3.55
103
35.04
m
101.325
p
溶解系数为:
H
l
3.55
998.2
0.0156kmol/(kPam3)
EMs
103
18.02
3.2物料衡算
进塔气相摩尔比为:
Y1
y1
0.08
0.0870
1y1
1
0.08
出塔气相摩尔比为:
Y2
(
)
0.0870
(1
0.94)
0.00522
Y11-
A
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