水吸收二氧化硫过程填料吸收塔的设计_化工原理课程设计(编辑修改稿)

水吸收二氧化硫过程填料吸收塔的设计_化工原理课程设计(编辑修改稿)内容摘要：

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。 吸收工艺流程图及工艺过程说 明 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 . 填料的选择 填料的选择尤为重要，所选填料既要满足生产工艺的要求 ,又要使设备投资和操作费用较低但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，应该主要考虑如下几个问题： (1)填料的性 能 （一） 比表面积：单位体积填料所具有的表面积称为填料的比表面积，常以 a表示，其单位为 32 mm . （二） 空隙率：单位体积填料所具有的空隙体积，称为填料的空隙率，以  表示，其单位是 33 mm . （三） 填料因子：由以上两个填料特性组合成的 a 形式，成为干填料因子，其单位 m1。 但填料经喷淋后表面覆盖了液层，其值发生了变化，故把实验获 得的有液体喷淋条件下的 a 相应数值，成为湿填料因子，简称填料因子，以  表示。 （四） 单位体积填料层的填料个数，以 n表示。 （ 2） 填料的类型与选择 （一）填料的类型 填料的种类很多，可分为实体填料和网体填料两大类。 实体填料用陶瓷、金属、塑料制成，主要有拉西环及其衍生型、鞍型、波纹填料等。 网型填料用金属丝网或多孔金属片制成，主要有鞍型、压延孔环、波纹网填料等。 填料也可按装料方法分为乱堆填料和整砌填料，乱堆填料 指各种颗粒型填料，如拉西环、鞍型、  网环等。 整砌填料主要是指各种组合填料，如实体波纹板、波纹网、大尺寸的十字环等。 常见的填料如下： （ a） 拉西环：拉西环是最早使用的一种人工填料，为一外径与高相等的圆环。 其构造简单、制造容易，但由于其存在较严重的塔壁偏流和沟流现象，目前在工业上应用减少。 （ b） 鲍尔环：鲍尔环是在 20 世纪 50 年代初期从拉西环的基础上发展起来的，其结构是在拉西环的环壁上开两排长方形窗孔，被切开的环壁形成叶片，一边与壁相连，另一端向环内弯曲，并在中心处与其他的叶片相连。 鲍尔环 的这种结构提高了环内空间和环内表面的有效利用程度，使气体阻力降低，液体分布有所改善，因而在实际应用中受到重视。 （ c） 阶梯环：阶梯环是对鲍尔环加以改进的产品。 环壁上开有窗口，环内有两层互相交存的十字型翅片。 环壁部分的高度仅为直径的一半，其轴向的一端为向外翻卷的喇叭口，高度为全高的 51 ，由于轴向两端不对称，在填料层中各环相互呈点接触。 （ d） 鞍型填料：鞍型填料是一种敞开式的、没有内表面的填料，包括弧鞍型和矩鞍型两种。 弧鞍型的结构简单，用陶瓷制成，由于其两面的对称结构在 填料层中易相互重叠，故使填料表面不能被充分利用，影响了传质效果。 矩鞍型在填料层中不相互重叠，因此填料表面利用率好，传质效果比相同尺寸的拉西 环好。 （ e） 颗粒型网体填料：颗粒型网体填料是由金属丝网或多孔金属片制成。 因丝网材料很薄，填料可以做得很小，所以其比表面积都很大，而且孔隙率大，液体分布均匀，液膜薄，传质效果好，属于高效填料。 （ f） 波纹填料：波纹填料是一种整砌结构的新型填料。 它有由许多波纹型薄板垂直方向叠在一起，组成盘状。 可有网体和实体两种结构。 由于其结构紧凑，故具有很大的比表面积。 （二）填料种类的选 择 填料种类的选择要考虑分离工艺的要求，通常考虑以下几个问题： （ a）传质效率 传质效率即分离效率，它有两种表示方法：一是以理论级计算的表示方式，以每个理论级当量的填料层高度表示，即 HETP；另一是以传质效率进行计算的表示方式，以每个传质单元相当的填料层高度表示，即 HTU。 （ b）通量 在相同的液体负荷下，填料的泛点气速越高或气象动能因子越大，则通量越大，塔的处理能力就越大。 因此，在选择填料种类时，在保证具有较高传质效率的前提下，应选择具有较高泛点气速或气象动能因子的填料。 （ c）填料层的压降 填料 层的压降是填料的主要性能，填料层的压降越低，动力消耗越低，操作费用越少。 选择低压降的填料对热敏性物质尤为重要。 比较填料的压降有两种方法：一是比较填料层单位高度的压降 ZP ；另一是比较填料层单位传质效率的比压降 TNP。 （ d）填料的操作性能 填料的操作性能主要指操作弹性、抗污堵性及抗热敏性等。 所选填料应具有较大的操作弹性，以保证塔内气液负荷发生波动时维持稳定操作。 同时，还因 =应具有一定的抗污堵、康热敏能力，以适应物料的变化及塔 内温度的变化。 此外，所选的填料要便于安装、拆卸和检修。 (3) 填料尺寸的选择 实践表明，填料塔的塔径与填料直径的比值应保持不低于某一下限值，以防止产生较大的壁效应，造成塔的分离效率下降。 一般来说，填料尺寸大，成本低，处理量大，但是效率低，使用大于 50mm 的填料，其成本的降低往往难以抵偿其效率降低所造成的成本增加。 所以，一般大塔经常使用50mm 的填料。 表 2— 2 填料尺寸与塔径的对应关系 塔径 /mm 填料尺寸 /mm D≤ 300 300≤ D≤ 900 D≥ 900 20～ 25 25～ 38 50～ 80 (4).填料材质的选择 对于填料材质的原则，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，温度高的应采用材料的耐温性能好的，温度低的应从考虑节省能源的角度选择。 本设计考虑以上因素，采用了 DN38 聚丙稀所料阶梯环填料， 相关数据如下 公称直径DN mm 外径高厚 d h δ ,mm 比表面积α m2/m3 空隙率 ε % 个数n m3 堆积密度 ρ p kg/m3 干填料因子φ m1 38 38 19 91 27200 175． 8 依据所用的吸收剂不同可以采用不同的再生方法，工业上常用的吸收剂再生方法主要有减压再生，加热再生及气提再生等。 （一）减压再生（闪蒸） 吸收剂的减压再生是最简单的吸收剂再生方法之一。 在吸收塔内，吸收了大量溶质后的吸收剂进入再生塔并减压，使得溶如吸收剂中的溶质得以再生。 该方法最适用于加压吸收，而且吸收后的后续工艺 处于常压或较低压力的条件，如吸收操作处于常压条件下进行，若采用减压再生，那么解吸操作需在真空条件下进行，则过程可能不够经济。 （二）加热再生 加热再生也是吸收剂再生最常用的方法。 吸收了大量溶质后的吸收剂进入再生塔内并加热使其升温，溶入吸收剂中的溶质得以解吸。 由于再生温度必须高于解吸温度，因而，该方法最适用于常温吸收或在接近于于常温的吸收操作，否则，若吸收温度较高，则再生温度必然更高，从而，需要消耗更高品位的能量。 一般采用水蒸汽作为加热介质，加热方法可以依据具体情况采用直接蒸汽加热或采用缉间接蒸汽加热。 （三）气提再生 气提再生是在再生塔的底部通入惰性气体，使吸收剂表面溶质的分压降低，使吸收剂得以再生。 常用气提气体是空气和水蒸气。 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 . 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 ,则操作压力对过程的影响不大 ,可以完全根据前后工序的压力参数确定吸收操作压力 ,但加大吸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 . 液气比的选择 在吸收塔内 吸收剂的用量 L（ hkmol ）和被处理气体的流量 G（ hkmol ）的比值称为液气比 GL .吸收剂的用量或液气比的确定是吸收装置设计计算中的重要内容，它的大小影响到吸收操作的推动力、塔径、填料层高度和吸收剂的再生费用。 在设计时必须是操作液气比大于最小液气比。 它的大小与相平衡关系、吸收剂入塔浓度、溶质吸收率等因素有关。 实际所采用的液气比 GL 常为最小液气比的 — 倍，其最佳值应有经济核算决定。 若液气比取较小值，则所排出的液体浓度就较高，溶质回收的操作费用较便宜，但吸收塔变高，因此设备成本费提高。 相反液气比去较大值，则吸收塔高度变低，但塔径 变大，且解析费用会提高。 在确定吸收剂用量时还必须考虑填料表面充分润湿，一般要求在单位塔截面上液体的喷淋量即喷淋密度不小于512 ).( 23 mhm。 如果液体吸收剂的用量不可能增加很多，则可采用使排除液的一部分在循环的吸收操作流程。 第 3 章 吸收塔的工艺计算 液相物性数据 对于 低 浓度的吸收过程，溶液的物性数据可以近似取纯水的物性数据 由手册查得 20 C176。 时水的有关物性数据如下： 密度 )/( 3mkgL  粘度 )( sPaL  = )/( hmkg  表面张力 )/( cmdynL  = )/(940896 2hkg 2SO 在水中的扩散系数 )/( 25 scmD L  = )/( 26 hm 气相物性数据 混合气体的平均摩尔质量为 mMv =  ii My 混合气体的平均密度为   )/(2 5 7 33 1 0 1 3mkgVm   混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册的 25 C176。 空气的粘度为  hmkgsPaV //)( 5   查手册 2SO 在空气中的扩散系数为 hmsmD v 225 0 5 2   气液平衡数据 由手册 4 查得常压下 20 C176。 2SO 在水中的亨利系数为 aKPE  相平衡常数为 3  pEm 溶解度系数为  33 /01 8 mk pak m olEMHsL   进塔气相摩尔比为 05 2 211  yyY 出塔气相摩尔比比为     0 0 2 6 5 2  AYY  出塔惰性气相流 量为   hk mo lV /  该吸收过程属于低浓度吸收，平衡曲线可近似为直线，最小液气比可按下式计算，即 2121m in / XmYYYVL  对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为 02X  VL 由 93 m i n  VLVL hk m o lL /        。