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1、化工原理课程设计均相物系分离系统的设计-水吸收SO2 姓名：黄鸿林班级：10211501小组成员：黄鸿林 梁中原 邓玉玺指导教师：谭瑾时间：2017年9月化工原理课程设计任务书一、课程设计任务题目：水吸收SO2常压二、承担设计任务人员：黄鸿林、梁中原、邓玉玺。三、设计任务实施时间：第 2 周 第 3周四、设计任务分离物系：水吸收SO2 原料状态：20 oC yb=0.12分离要求：吸收率99%设计能力：72000吨/年。（按 300天/年 计）操作压力：1atm小组分工黄鸿林：资料搜集与整理、工艺流程整理、工艺与设备设计、报告撰写；梁中原：排版、资料搜集与整理、部分工艺与设备设计；邓玉玺：资料
2、搜集与整理、工艺流程整理、部分工艺与设备设计；第1章 绪论1.1 SO2 的来源二氧化硫的来源包括微生物活动，火山活动，森林火灾以及海水飞沫。主要有自然来源和人为来源两大类：自然来源主要是火山活动，喷出的火山气体中含有大量的二氧化硫气体，地质深处的天然硫元素在火山喷发过程中燃烧氧化为二氧化硫，随火山灰一起喷射到大气中。地球上57%的二氧化硫来自自然界，沼泽、洼地、大陆架等处所排放的硫化氢，进入大气，被空气中的氧氧化为二氧化硫。自然排放大约占大气中全部二氧化硫的一半，通过自然循环过程，自然排放的硫基本上是平衡的。人为来源则指在人类进行生产、生活活动中，使用含硫及其化合物的矿石进行燃烧，以及硫矿石
3、的冶炼和硫酸、磷肥纸浆的生产等产生的工业废气，从而使其中一部分或全部的硫以二氧化硫的形式排放到大气中，形成二氧化硫污染。这部分二氧化硫占地球上二氧化硫来源的43%。随着化石燃料消费量的不断增加，全世界认为排放的二氧化硫在不断在增加，其中北半球排放的二氧化硫占人为排放总量的90%。我国的能源主要依靠煤炭和石油，而我国的煤炭、石油一般含硫量较高，因此，火力发电厂、钢铁厂、冶炼厂、化工厂和炼油厂排放出的大量二氧化硫和二氧化碳是造成我国大气污染的主要原因。由于我国部分地区燃用高硫煤，燃煤设备未能采取脱硫措施，致使二氧化硫排放量不断增加，造成严重的环境污染。1.2 SO2 的性质（1）物理性质二氧化硫又
4、名亚硫酸酐，英文名称：sulfurdioxide。无色气体，有强烈刺激性气味。分子量64.07密度为1.4337kg/m3（标准状况下），密度比空气大。溶解度：9.4g/mL（25）熔点76.1（200.75K）沸点10（263K）蒸汽压338.32kPa(2538mmHg，21.11)易溶于水，在338.32kPa水中溶解度为8.5%（25）；易容于甲醇和乙醇；容于硫酸、乙酸、氯仿和乙醚等。易液化（mp：10）。（2） 化学性质二氧化硫是一种酸性氧化物，它极易溶于水，其水溶液呈酸性，为亚硫酸水溶液。实际上，二氧化硫水溶液中成分为SO27H2O，仅含有微量的亚硫酸，但是亚硫酸盐含有亚硫酸根离子
5、。所谓的亚硫酸水溶液能被空气逐渐氧化成硫酸，其浓度越低氧化越快，而且一经加热就会有自行氧化。二氧化硫在完全燃烧干燥时几乎不与氧气发生反应，当在有初生态氧的燃烧环境下，或者对二氧化硫与氧气的混合物进行放电，则有氧化反应发生。氧化性：SO2+2H2S=3S+2H2O；还原性：能被Cl2、Br2、I2、Fe3+、KMnO4、HNO3等强氧化剂氧化成高价态硫元素。SO2+X2+2H2O=H2SO4+2HX。第2章 方案设计2.1塔型选择在进行工艺设计、设备设计之前，需要确定塔型以选择工艺设计模型，因此，先讨论吸收塔的选型。以便工艺设计和其他辅助设备选型的正常进行。工业上常用的塔型主要为填料塔和板式塔中
6、的筛板塔、浮阀塔三种。通过比对填料塔和板式塔的特性我们发现以下几点：（1）填料塔的压降比板式塔的压降要小，阻力小；（2）填料塔空塔气速因子（生产能力）更大，塔效率高3；（3）两种塔的液气比范围都比较大；（4）板式塔因为采用塔板结构，与多孔的填料相比，持液量较大（大于填料塔1%-6%）4；（5）采用规整填料的填料塔维修难度、造价以及质量都适中；同样因为规整填料的使用，设备的设计与生产更加简洁方便，塔径与塔高已经不再成为设备选型的重要考虑因素5；（6）填料塔适应各种材质，板式塔要求用一般金属材质制作，而本设计任务中SO2物料具有腐蚀性，故填料塔具有优势。通过以上分析，我们得出结论：在当前情况下，规
7、整填料已经大大发展，采用填料塔更有优势，除了在工艺设计方面模型更加简洁外，填料的塔的阻力更小，效率高，因而节省了操作过程中的费用，同时设备的耐腐蚀、易维修、运行稳定性、性价比等性质都优于板式塔，这也是近年来填料塔得到迅速发展的原因。2.2填料的选择以波纹填料为主的规整填料自20世纪60年代即发展起来。波纹填料材料细，孔隙率大，排列规整，因而气流通过能力强，压降小，湿润率提高，液泛现象不明显，持液量也大大减小。故，在此我们选择规整的波纹填料作为填料式吸收塔的塔内填料。考虑到防腐蚀、塔身质量和环境温度（塔内吸收温度为20，厂房内部温度也不会超过40度），我们选择塑料丝网波纹填料BX6。第3章 工艺
8、设计3.1吸收过程的计算3.1.1吸收模型的选择虽然本次设计中，原料气中SO2摩尔分数yb=0.120.1，需要采用高浓度气体的吸收模型。但是惰性气体和溶剂的摩尔流率可以视为不变，因此，还可以使用恒摩尔流假设。3.1.2工艺参数计算过程1.溶剂溶液参数计算任务书中规定，年处理原料气72000t，吸收率99%；塔内气压为P=100kpa；在保证生产连续、稳定的前提下，我们可以得出原料气流率：G1=72000/（30024）=10t/h2777.78g/s此时的空气摩尔质量：m=0.88280.1264=32.32g/mol则原料气的流率也可以表示为：G2=G1/m=0.086kmol/s=309
9、.6kmol/h 因为yb=0.12，故惰性气体流率为：Gb=G1m0.88=0.0756kmol/s=272.4mol/h由高浓度气体情况下，惰性气体和溶剂的摩尔流率可以视为不变的假设进行物料衡算：Gb（Yb-Ya）=Lsmin（Xb-Xa） （1）其中Yb、Ya、Xb、Xa为摩尔比（1）入塔气体中SO2摩尔分数：yb=0.12（2）出塔气体中SO2摩尔分数：ya=yb（1-99%）=0.120.01=0.0012（3）入塔溶剂中SO2摩尔分数： xa=0（4）出塔溶剂中SO2摩尔分数xb*的计算：利用SO2水溶液的气液平衡关系，由yb计算出xb*，由于高浓度吸收中相平衡关系曲线不是直线，亨
10、利系数m变化，因此，我们通过下面的图3-1得出xb*：图3-1 293K下几种气体在水中的溶解曲线cAyb=0.12，故SO2在水中的分压应为pA=12kpa，按照图中所做的图线得出：10ca=2.5kmol/m3 故 ca（SO2）=0.25kmol/m3则 xb*=0.25/（1000/18）=4.510-3将以上yb、ya、xa、xb*四个数据带入到公式（1）中，可得：0.075（0.12/（1-0.12）0.0012/（1-0.0012）=Lsmin（0.00 45/（1-0.0045）-0）则：Lsmin=2.24kmol/s=8073kmol/h因为水溶液比较稀，故此时溶液的摩尔质
11、量可以用水的摩尔质量来近似代替，则Ls还可以表示为：Lsmin=2.2418=40.32kg/s=145.152m3/h=145.152t/h至此，所需溶剂的量我们已经得出。但是，此时的流量为最小液气比下得出的最小溶剂量，我们考虑到塔内喷淋的不均匀性、溶剂可能吸附于塔壁和填料、溶剂蒸发等等因素，为了确保达到吸收率大于99%的工艺设计要求，我们选择实际的液气比为1.257。从任务书中我们知道，气体流量已经固定，因此，合适的溶剂流量应为：Ls=1.25Lsmin=1.25145.152=181.44t/h2.传质单元数和传质单元高度（1）传质单元数用NOG表示，采用对数平均推动力法进行计算从图3-
12、1可以看出，在本次的设计条件下，在SO2水溶液浓度为0-0.4kmol/m3时，相平衡关系可以近似为直线关系：y=mx其中亨利系数m可近似为：m=yb/xb*27ya=yb-yb*=0.12-（0.0045/1.25）27=0.0228ya=ya-ya*=0.0012-027=0.0012ym=(ya -yb)/ln(ya/ya)=0.0216/ln(0.0228/0.0012)=0.0073NOG=（yb-ya）/ym=(0.12-0.0012)/0.0073=16.27（2）查询到传质系数8为：KGa=0.056kmol/（m3s） HOG=GKGa （2）（3）G的单位为kmol/（m2
13、s），上面计算的G2单位为kmol/s，需要我们算出塔的横截面积。我们在第二章的第1.2.2小节中已经提到，使用规整波纹填料，因此，在这里可以很容易得到以下相关数据：泛点：丝网波纹填料泛点不明显，故可以用下式进行计算9：uF=ueF1.2g g为气体密度 ，单位为kg/m3：由PV=nRT=mMRT则 g=mV=PMRT=（10000032.32）/（8.314293）=1.33kg/m3ueF=2.9m/suF=2.9(1.2/1.33)=2.75m/s对于波纹填料塔，空塔气速一般取为泛点气速的75%10，故空塔气速为：u=uF75%=2.06m/s按照下面公式初估塔径，初估塔径后，按照国内
14、公称直径标准（JB 115373）进行圆整11。直径1m以下，间隔为100mm；直径1m以上，间隔为200mm。 D=Vs/（0.875u） Vs为气体体积流量，m3/s；u为空塔气速；D为初估塔径，m；D=(2.1/(0.875*2.06)=1.08m=1080mm按照国家标准，同时考虑到塔高的因素，此时塔径应该圆整到1300。吸收塔的横截面面积A为：A=（D/2）2=3.14（1.3/2）2=1.33m2G=G2/A=0.086/1.33=0.065kmol/（m2s）将G代入到（2）式中，得到：HOG=0.065/0.056=1.16m所以：填料层高度为：h=HOGNOG=1.1616.27=18.9m3.2解析塔概述3.2.1解吸方法将吸收液中溶质分离的过程叫做解吸过程，是吸收的逆过程。解吸的方法主要有加热解吸、惰性气体解吸、减压解吸和化学解吸四种。 （1）减压解吸适用于吸收过程为加压吸收的流程中，化学解吸则会带来一定的杂质，影响溶剂的回收。同时，考虑到减压解吸要用到更多的设备和能源，化学解吸需要购置更多的原料，这都将使得生产成本升高。故，我们多采用加热解吸和惰性气体解吸的方法。（2
