30℃时水吸收二氧化硫填料塔的设计.docx

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1、1 .课程设计目的12 .课程设计题目描述和要求13 .课程设计报告内容43.1 基础物性数据43.1 .1液相物性数据43.2 .2气相物性数据-5气液相平衡数据63.2物料衡算63.3塔径计算73.3.1塔径的计算83.3.2泛点率校核：83.3.3填料规格校核：93.3.4液体喷淋密度得校核：93. 4填料层高度的计算93.4. I传质单元数的计算93.4.2传质单元高度的计算103.4.3填料层高度的计算H3. 5填料塔附属高度的计算113.6液体分布器计算12液体分布器的选型123.6.2布液计算133.7其他附属塔内件的选择13填料支承装置的选择13填料压紧装置16塔顶除雾器173

2、.8汲取塔的流体力学参数计算173.8.1汲取塔的压力降173.8.2汲取塔的泛点率183.8.3气体动能因子183.9附属设备的计算与选择183.9.1离心泵的选择与计算18汲取塔主要接管尺寸选择与计算20工艺设计计算结果汇总与主要符号说明244.总结26参考文献271 .课程设计目的化工原理课程设计是学生学过相关基础课程及化工原理理论与试验后,进一步学习化工设计的基础学问，培育工程设计实力的重要教学环节。通过该环节的实践，可使学生初步驾驭单元操作设计的基本程序与方法，得到工程设计实力的基本熬炼。化工原理课程设计是以实际训练为主的课程，学生应在过程中收集设计数据，在老师指导下完成肯定的设备设

3、计任务，以达到培育设计实力的目的。单元过程及单元设备设计是整个过程和装备设计的核心和基础，并贯穿于设计过程的始终，从这个意义上说，作为相关专业的本科生能够娴熟地驾驭典型的单元过程及装备的设计过程和方法，无疑是非常重要的。2 .课程设计题目描述和要求2.1设计题目描述(1)设计题目二氧化硫填料汲取塔及周边动力设备与管线设计(2)设计内容依据所给的设计题目完成以下内容：设计方案确定；相关衡算；主要设备工艺计算；(4)主要设备结构设计与算核；(5)协助(或周边)设备的计算或选择；制图、编写设计说明书及其它。(3)原始资料设计一座填料汲取塔，用于脱除废气中的SOz,废气的处理量为1OOOmVh,其中进

4、口含SO2为9%（摩尔分率），采纳清水进行逆流汲取。要求塔汲取效率达94.9%o汲取塔操作条件：常压101.3INo1.的计算、动力设备计算过程（包括管径确定）等。3 .课程设计报告内容汲取塔的工艺计算3.1 基础物性数据3.1.1 液相物性数据对低浓度汲取过程，溶液的物性数据可近似取水的物性数据。由手册查得，30时水的有关物性数据如下：密度0=995.7K1黏度水=801.5XK)W尸4s【1】表面张力为=0.07122Nm1S02在水中的扩散系数为2=2.2x10-9z112s”3.1.2 气相物性数据混合气体的平均摩尔质量为M空气=29Kg/mol1用.氧化硫=64Kgmol1M=M空气

5、(l-y1)+M氧化硫y=290.91+640.()9=32.15kg/kmol混合气体的密度为Pv=f=1.293Kgne混合气体的黏度可近似取为空气的黏度，查资料1】得30空气的黏度为/7G=0.(XXX)186pas1查得SO2在空气中的扩散系数为Dg=1.4691(5w2513.1.3 气液相平衡数据查资料5：KgSOoow2oCa(kmolm3)x103H(kmolkpa*11P)y片(kpa)5.010.74213.900.01230.59560.272.500.3796.980.01320.28428.771.500.2304.200.01380.16416.611.000.15

6、42.800.01460.10410.540.700.1081.960.01560.0686.930.500.0771.400.01600.0474.800.300.0470.840.01790.0262.620.200.0310.560.01970.0161.570.150.0230.420.02130.0111.080.100.0160.280.02540.0060.63平均溶解度系物/=0.01698Ca30度时二氧化硫在水中的平衡浓度，单位为kmolm3Ca30度时二氧化硫在水中的平衡浓度，单位为kmolm3X30度时二氧化硫在水中溶解平衡时的摩尔分数H30度时二氧化硫在水中达到平衡时

7、的溶解度系数，单位为kmolkpa*m3y30度时气相中二氧化硫的摩尔分数P30度时气相中二氧化硫的平衡分压，单位为kpa由以上的y和X,以X的值为横坐标，y的值为纵坐标作平衡曲线，如图1.1：3.2物料衡算进口气体的体积流量G1=100Om3Zh二氧化硫的摩尔分数为y=0.09进塔气相摩尔比为Y=yl-y=0.09(l-0.09)=0.0989效率=-Y2/Y1=94.9%出塔气相摩尔比Y2=(1-7/)=0.00504进塔惰性气相流量G=(G722.4)(l-y)273/303=(1000/22.4)(1-0.09)X273303=36.603kmolh空气的体积流量Vg=G,(1-y1)

8、=10000.91=91Om3Zh出口液体中溶质与溶剂的摩尔比X2=O由图1.1平衡曲线可以读出y=0.09所对应的溶质在液相中的摩尔分数X：=0.00252对应的液相中溶质与溶剂的摩尔比为X；=J=-=o.oo253,1-x；1-0.00252最小液气比=37.0991取液气比=1.5min=55,6491故1.=G55.649=2036.920kmoih操作线方程：Y=-X+Y,1代入数据得：r=55.649X+0.00504G3.3塔径计算该流程的操作压力及温度适中，避开二氧化硫腐蚀，故此选用。=25机小型的塑料鲍尔环填料。其主要性能参数为：比表面积al=209nrn/4空隙率-0.90

9、机3/4形态修正系数”=1.45【4】填料因子平均值p=232m-，4A=0.09424K=1.7543.3.1塔径的计算汲取液的密度近似看成30度水的密度：P1.=PK30度时空气的密度PKK=1.1651PV=1.293Kg/w3M水=18/kmolRT采纳Eckert关联式计算泛点气速：气相质量流量为：Wv=GXp空气+(G-G)x9-氧化硫x273303=9101.165+902.927X273/303=1297.5/h液相质量流量为：W/=1.M水=2036.92x18=3666456KgIh选用=25加加型的塑料鲍尔环A=0.0942【4at=209m2/1=O.9Oz3/nv,=

10、995.77w3夕二辄化硫=2927心/机31K=1.754吟铃食A一唠严铲塔径O=1圆整塔径，取D=0.9m则算得=G0.785D2_1000/36000.7850.92=0.437wj3.3.2泛点率校核:G0.7851000/36000.7850.92=0A37ms代入数值得：UF=OEmis取空塔气速：u=0.6mf=0.462wj巴=丝卫X100%=56.75%（50%85%为经验值，所以在允许范围之内）uf0773.3.3填料规格校核：=*-=3615（合格）4d0.0253.3.4液体喷淋密度校核：填料表面的润湿状况是传质的基础，为保持良好的传质性能，每种填料应维持肯定的液体润湿

11、速率（或喷淋密度）。依Morris等举荐，dUmin0.924经以上校核可知，填料塔直径选用D=900mm合理。3. 4填料层高度的计算3.1.1 传质单元数的计算由图1.1曲线可以读出以下9个点所对应的y和x：点数序号yYXX*X/v.v89%0.098900.002450.0024560.0016871300.39378%0.086960.002220.0022200.0014721336.89867%0.075270.001970.0019700.0012621412.42956%0.063830.001720.0017230.0010561499.25045%0.052630.0014

12、60.0014620.0008891745.20134%0.041670.001230.0012320.0006581742.1623%0.030930.000970.0009710.0004651980.19812%0.020410.000730.0007300.0002762202.64300.457%0.005040.000240.00024104168.404-X；-X；_0.002456-0.000241由辛普森积分法有：O=F-=8=UW7.=-(+4Z+2+4+.)=0.0000923x42868.254=3.96m与y对应的平衡液相中的溶质的摩尔分数X*与Y对应的平衡液相中的溶

13、质与溶剂的摩尔比NO1.传质单元数，单位m3.1.2 传质单元高度的计算c=3310-3w,/=7.122102N/w查资料15有：Dg=1.469105w2/5,D=2.210-9n2/5c=1.86105PaS气相总传质单元高度采纳修正的恩田关联式计算：也=1-exp-l.45()075(-),(-)-o5(-5-)024444Pl8P2串I液体质量通量W136664.56_o.2fxW;=方=57662.28心/(tnh)a。气体质量通量W12975CWg=-=2040.58/(府A)-0.924代入数值得：%=20896z气膜汲取系数：kG=0.237(陛严严(噜)a串GdgPgRT=

14、0.23732.7X15.22X0.000122=0.0001439ko/(spa)液膜汲取系数：4=0.0095(-严(4l)0.5ur故继续修正：kGa=1+9.5(-0.5),4=00552sHFkla1+2.6(-0.5)22aM=O.0129s,ufK1.a=IJ1=0.01284$一H1+kGaklaHoi=1.25mlK,a,3.1.3 填料层高度的计算由Z=HolXNa=I.25X3.96=4.95m填料有效高度取：Z,=1.3Z=6.435m设计取填料层高度为Z=6.435m3.5填料塔附属高度的计算塔的附属高度主要包括塔的上部空间高度，安装液体分布器所需的空间高度，塔的底部

15、空间高度等。点的上部空间高度是为使随气流携带的液滴能够从气相中分别出来而留取的高度，可取1.2m（包括除沫器高度）。设塔定液相停留时间为IOs,则塔釜液所占空间高度为IoXWj。水0.785D2=0.16m1036664.56/(36(X)995.7)0.7850.92考虑到气相接管的空间高度，底部空间高度取为0.5米，那么塔的附属空间高度可以取为l7m0汲取塔的总高度为h=1.7+6.435=8.135m3.6液体分布器计算液体分布器可分为初始分布器和再分布器，初始分布器设置于填料塔内，用于将塔顶液体匀称的分布在填料表面上，初始分布器的好坏对填料塔效率影响很大，分布器的设计不当，液体预分布不

16、均，填料层的有效湿面积减小而偏流现象和沟流现象增加，即使填料性能再好也很难得到满足的分别效果。因而液体分布器的设计非常重要。特殊对于大直径低填料层的填料塔，特殊须要性能良好的液体分布器。液体分布器的性能主要由分布器的布液点密度（即单位面积上的布液点数）,各布液点匀称性，各布液点上液相组成的匀称性确定，设计液体分布器主要是确定这些参数的结构尺寸。对液体分布器的选型和设计，一般要求：液体分布要匀称；自由截面率要大；操作弹性大；不易堵塞，不易引起雾沫夹带及起泡等；可用多种材料制作，且操作安装便利，简洁调整水平。液体分布器的种类较多，有多种不同的分类方法，一般多以液体流淌的推动力或按结构形式分。若按流

17、淌推动力可分为重力式和压力式，若按结构形式可分为多孔型和溢流型。其中，多孔型液体分布器又可分为：莲蓬式喷洒器、直管式多孔分布器、排管式多孔型分布器和双排管式多孔型分布器等。溢流型液体分布器又可分为：溢流盘式液体分布器和溢流槽式液体分布器。依据本汲取的要求和物系的性质可选用重力型排管式液体分布器，布液孔数应应依所用填料所需的质量分布要求确定，喷淋点密度应遵循填料的效率越所需的喷淋点密度越大这一规律。3.6.1液体分布器的选型O800帆帆时，建议采纳盘式分布器（筛孔式）液体分布器的选择：按Eckert建议值，D=750?时，每60Cm?塔截面设一个喷淋点,按分布点几何匀称与流量匀称的原则，进行布点

18、设计。设计结果为：盘式分布器（筛孔式）：51分布盘直径：600mm5分布盘厚度：4mm53. 6.3布液计算=0.58,A”=160%1.S=7-donJ2gH2=0.015由1=44以=(4x85348.31/(998.2x3600)、H、Tm(l)12gbH)3.141360.58V29.810.16;设计取d。=15“3.7其他附属塔内件的选择3.7.1填料支承装置的选择填料支承装置的作用是支承填料以及填料层内液体的重量，同时保证气液两相顺当通过。支承若设计不当，填料塔的液泛可能首先发生在支承板上。为使气体能顺当通过，对于一般填料塔，支承件上的流体通过的自由截面积为填料面的50%以上，且

19、应大于填料的空隙率。此外，应考虑到装上填料后要将支承板上的截面堵去一些，所以设计时应取尽可能大的自由截面。自由截面太小，在操作中会产生拦液现象。增加压强降，降低效率，甚至形成液泛。由于填料支承装置本身对塔内气液的流淌状态也会产生影响，因此作为填料支承装置，除考虑其对流体流淌的影响外，一般状况下填料支承装置应满足如下要求：（1）足够的强度和刚度，以支持填料及所持液体的重量（持液量），并考虑填料空隙中的持液量，以及可能加于系统的压力波动，机械振动，温度波动等因素。足够的开孔率（一般要大于填料的空隙率），以防止首先在支撑处发生液泛；为使气体能顺当通过，对于一般填料塔，支承件上的流体通过的自由截面积为

20、填料面的50%以上，且应大于填料的空隙率。此外，应考虑到装上填料后要将支承板上的截面堵去一些，所以设计时应取尽可能大的自由截面。自由截面太小，在操作中会产生拦液现象。增加压强降，降低效率，甚至形成液泛。结构上应有利于气液相的匀称分布，同时不至于产生较大的阻力（一般阻力不大于20Pa）；结构简洁，便于加工制造安装和修理。要有肯定的耐腐蚀性。因栅板支承板结构简洁，制造便利，满足题目各项要求，故选用栅板支承板。栅板两块查资料【5】（单位：mm）DRhst88044050625栅板1：（单位：mm）h1.“I2h连接板长度270880102507270栅板2：（单位：mm）I1I2连接板长度30310

21、2509260如图:支撑圈两块查资料【5】D2(nvn)厚度（mm）8947948升气管式再分布器3.7.2填料压紧装置为保证填料塔在工作状态下填料床能够稳定，防止高气相负荷或负荷突然变动时填料层发生松动，破坏填料层结构，甚至造成填料损失，必需在填料层顶部设置填料限定装置。填料限定可分为类：一类是将放置于填料上端，仅靠自身重力将填料压紧的填料限定装置，称为填料压板；一类是将填料限定在塔壁上，称为床层限定板。填料压板常用于陶瓷填料，以免陶瓷填料发生移动撞击，造成填料破裂。床层限定板多用于金属和塑料填料，以防止由于填料层膨胀，变更其起先积累状态而造成的流体分布不匀称的现象。一般要求压板和限制板自由

22、截面分率大于70%。本任务由于运用塑料填料，故选用床层限定板。u=0.09h53. 7.3塔顶除雾器由于气体在塔顶离开填料塔时，带有大量的液沫和雾滴，为回收这部分液相，常常须要在顶设置除沫器。依据本汲取塔的特点，此处用丝网除雾器：Dl=234利川53.8 汲取塔的流体力学参数计算3.9 .1汲取塔的压力降气体通过填料塔的压强降,对填料塔影响较大。假如气体通过填料塔的压强降大,则操作过程的消耗动力大，特殊是负压操作更是如此，这将增加塔的操作费用。气体通过填料塔的压力降主要包括气体进入填料的进口及出口压力降，液体分布器及再分布器的压力降，填料支撑及压紧装置压力降以及除沫器压力降等。填料层压降的计算

23、可以利用ECkert通用关联图计算压强降；横坐标为区（生产防Pl)05=1.01836664,5636(X)1,2931297.5/3600995.7又查散装填料压降填料因子平均值0=232尸【4】操作空塔气速U=O.437ms纵坐标Y=乃（包）/=0.0056gPl液体密度校正系数，=丝=1Pl其它塔内件的压力降ZAP较小，在此可忽视查资料4PZ=159.81=147.15P0m总压降AP=147.156.435=946.91OPa3.8.2汲取塔的泛点率校核泛点率以=空卫100%=56.75%（50%85%为经验值，所以在允许范围之内）uf0.773.8.3气体动能因子汲取塔内气体动能因子

24、为F=U展=0.4371.165=0.4717ns（kgm3气体动能因子在常用的范围内。3.9附属设备的计算与选择3.9.1离心泵的选择与计算取液体流速为u=2.0msz%36664.56_Q.V1=l=36.82m/hPl995.74=801.5x10-6PGS取管内液体流速=2nzs估算管内径为/=1.=F畤一=0.08ZnV3600(XuV3600y2选用988.5机ZX4加冰煤气管1,内径d=80.5管内实际流速=-=2.0/s3600-J24%=0.0805x2.。叱95.7=2(HoO9.66l801.5106钢管粗糙度=O.35wnl,相对粗糙度/d=0.35/80.5=0.00

25、43查得摩擦系数l=0.028m,截止阀（全开）：4=300【1】，a两个90度弯头区=35X2=7O【1】d带滤水器的底阀（全开）：4=42Oma吸入管伸进水里r=0.2z总管长/=8.34+3+0.2=11.54n管路的压头损失Ht=0.028（111+300+70+420）2,01：d2g0.080529.81=5.38皿水柱）原料泵的选择对1-1和2-2截面列伯努力方程得：Z+H=Z,+J/pg2g一q2g2H=AZ+tHf+也-=8.34+5.32+0.21=13.72m2g选用IS8065-125型泵1汽蚀余量：3.035m130度时水的饱和蒸汽压Pv=4.2412Pa【1】P=1

26、01.3Pal取吸入管长/=4.2加吸入管压头损失IzIii2422Ol2H=（-+二）一=0.028X（+420+35）X=2.92mfdd2g0.080529.81泵的最大允许安装高度：P-Py,v.（IO1.34.241）x103H“公=-Ah工Hf=3.5-2.92=3.52m8允Pgf995.79.81泵的实际安装高度应小于3.52丸这里取1.8肛即安装在离地面而处由于本设计中汲取剂运用的是水，因而，采纳清水泵（可用于输送各种工业用水以及物理性质、化学性质类似于水的其他液体）既简洁又运用。通过计算可知，汲取塔所要求的压头不是很高，所以采纳一般的单级单吸式即可，本设计中选用的型号为IS

27、125-100200,其详细参数如下:转速n(rmin)流量/m3/h扬程H/m效率%轴功率ZkW电机功率kW必需汽蚀余量(NUSH)rZm质量(泵/底座)kg145010012.5764.487.52.5100/66远处泵和管路的设计及计算90度弯头三个,进水管伸进水里/=1.Om,总管长l=1802.8+1.0=1803.8m=1.2Vl=1.236.82=44.18n3去管内流速Wl=1.5初5,估算管内径为Z=0.102?选用直径为14皿WX5加的焊接钢管Dl内经d=1Mmm管内流速W=-=-2=1.45msjr314。3600-d23600x二X0.1042440.1041.4599

28、5.7801.5106=187338.19钢管肯定粗糙度:=0.35团加【1】,相对粗糙度/d=0.35/104=0.0034查得摩擦系数丸=0.02711】截止阀（全开）：=300【1】,d三个90度弯头人=35x3=10511】d带滤水器的底阀（全开）：=420【1】d关出口突然扩大。=1【1】，管进口突然缩小$=0.5【1】管路的压头损失%=上祖+。+$）日d2g1QAQQ1452=0.027（-5+300+105+420+1+0.5）X,=54.9m0.10429.81以大河面为-T截面，出管口截面为-2截面列伯努利方程：Zaa+g+=z2+A4+z%PlS2gp1.g2gw1=u2=

29、Oms,q=P2l0.3kPaZ=1.2n,外加压头H=Z+Hy=1.254.9=56.Im选用/S805016瞰泵，汽蚀余懿力=2.53.0m30度时水的饱和蒸汽压为；=4.24MPaP=101.3ZPa吸入管长/=3.4/?吸入管的压头损失+口)土=0.027+420+35)Xdd2g0.10429.81=IAlm泵的最大允许安装高度：-3-1.41=5.53w(101.3-4.241)XIO3995.79.81这里取2叫即直接安装在地面上。Ie当量长度，单僚nZ两截面的高度差，单位113.9.2汲取塔主要接管尺寸选择与计算（1）进气管（管的末端可制成向下的喇叭形扩大口）取气体流速u=15

30、ms=5400011h管径：d=阵IJ000=0.1536/71怜当x54000查资料I取0165.0x4.5卿J焊接钢管，内径/=0.156加气体流速，G1000=52345.716m/=14.54m/s11j2d-0.156244(2)液体出口装对于直径1.5切以下的塔，管口末端可制成向下的喇叭形扩大口，防止淋下的液体进入管内，同时还要使气体分散匀称。(3)气体出口装置气体的出口装置，要求既能保证气体畅通又要尽量除去被夹带的液沫，在气体出口前加装除液沫挡板。当气体夹带较多雾滴时，需另装除沫器(4)液体管路直径取液体流速=2zs&=0.0188l5u025=.0188136664.56052

31、05995.75=0.0807w据根管材规范，选择热轧无缝钢管，取管径为：089mm4加其内径为81加。(5)液体进口装置液体进口管应干脆通向喷淋装置，可选用直管。液体出口装置为了便于塔内液体排放，保证塔内有肯定液封装置高度而设计，并能防止气体短路。(6)封头工艺设计计算结果汇总与主要符号说明汲取塔的汲取剂用量计算总表表-1项目符号数值与计量单位混合气体处理量V100om3进塔气相摩尔比Y10.0989出塔气相摩尔比Y20.00504进塔液相摩尔分率X?0出塔液相摩尔分率Xl0.00253最小液气比1./G55.649混合气体的平均摩尔质量M%.32.15混合气体的平均密度Pvm1.293kg

32、汲取剂用量1.2036.92。W气相质量流量v1297.5kgh液相质量流量.,36664.56kgh塔设备计算总表表-2项目符号数值与计量单位塔径D0.09m填料层高度h6.435小填料塔上部空间高度h1.2团填料塔下部空间高度h20”塔附属高度力31.7w塔高Z,8.135ZM传质单元高度HOG1.25次传质单元数NoG3.96总压降AP/838.99Pa空塔气速U0.437ms泛点率uuf56.75%填料计算总表表-3项目符号数值与计量单位填料直径d25M泛点填料因子叫232m1填料临界表面张力O.O33Nm主要符号说明表-4符号意义数值与计量单位A汲取因子或填料常数0.0942g填料的

33、比表面积209m2n3D1.30oCSO2101.3Kpa水中扩散系数2.210-9m25DG30oCSO2101.3Kpa空气中扩散系数g重力加速度9.81ms2G气体摩尔流速kmolhtkghk%气体膜汲取系数0.0001439knol(m2SPa)K液膜汲取系数0.(XXX)527n?/(wrsPa)1.液相摩尔流速kmolhUF泛点气速0.77T/sU气体流速0.437$匕液相体积流量36.82w3A匕气相体积流量1003.48m3/s%液体质量流量36664.56Wy气体质量流量1297.5Pl液体密度995.7版/苏Pv混合气体密度1.293网NG混合气的粘度1.86105P5水水

34、的粘度801.5106P5空隙率90%c填料材质的临界表面张力33QyNtnO1.水的表面张力7.12210-27Vw填料的润湿比表面积208.96zn2m3F气体动能因子0.4717，/Ag/;Umin最小喷淋密度16.72q/.(7)0.08m7(r)7(1.K)min最小润湿速率U液体喷淋密度57.91m3/(m2)WG气体的质量通量2040.58(m2)%液体的质量通量57662.28(zw2?)参考文献:主要参考文献【1】化工原理第三版王志魁编化学工业出版社2004【2】化工原理课程设计申迎华郝晓刚主编化学工业出版社2009【3】化工原理课程设计指导任晓光主编化学工业出版社20094化工原理课程设计付家新王为国主编化学工业出版社2010【5】化工过程及设备设计涂伟萍陈佩珍编化学工业出版社2000