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1、. . .一 设计任务书（一）设计题目水吸收SO2过程填料吸收塔的设计：试设计一座填料吸收塔，用于脱除焙烧炉送出的混合气体(先冷却)中的SO2，其余为惰性组分，采用清水进行吸收。混合气体的处理量m3/h1800混合气体SO2含量（体积分数）5%SO2的回收率不低于97%（二）操作条件（1）操作压力 常压 混合气体的温度23（2）操作温度 20（三）设计内容（1）吸收塔的物料衡算； （2）吸收塔的工艺尺寸计算； （3）填料层压降的计算； （4）液体分布器简要设计； （5）吸收塔接管尺寸计算； （6）绘制吸收塔设计条件图；（7）对设计过程的评述和有关问题的讨论。二 设计方案简介2.1方案的确定用水
2、吸收SO2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SO2不作为产品，故采用纯溶剂。2.2填料的类型和选择对于水吸收SO2的过程，操作温度及操作压力较低，工业上通常选用塑料散装填料。在塑料散装填料中，塑料阶梯环填料的综合性能较好，故此选用DN38聚丙烯阶梯环填料。阶梯环是对鲍尔环的改进。和鲍尔环相比，阶梯环高度减少了一半，并在一端增加了一个锥形翻边。由于高径比减少，使得气体绕填料外壁的平均路径大为缩短，减少了气体通过填料层的阻力。锥形翻边不仅增加了填料的机械强度，而且使填料之间由线接触为主变成以点接触为主，这样不但增加了填料间的空隙，同时成为液体沿填料表面流
3、动的汇集分散点，可以促进液膜的表面更新，有利于传质效率的提高。阶梯环的综合性能优于鲍尔环，成为目前所使用的环形填料中最为优良的一种。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。三 、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 L=998.2 kg/m3粘度为 L=0.001Pas=3.6kg/(mh)表面张力
4、为L=72.6N/m=940896kg/h2SO2在水中的扩散系数为 DL=1.4710-9m2/s=5.2910-6m2/h（依Wilke-Chang计算，查化学工程基础）3.1.2 气相物性数据设进塔混合气体温度为23，混合气体的平均摩尔质量为 MVm=yiMi=0.0564.06+0.9529=30.75g/mol混合气体的平均密度为Vm=PM/RT=101.32530.75/（8.314298.15）=1.257kg/ m3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 V=1.83 10-5Pas=0.066kg/(mh)查手册得SO2在空气中的扩散系数为 DV=1.4
5、2210-5m2/s=0.051 m2/h（依计算，其中273K时，1.01310-5Pa时SO2在空气中的扩散系数为1.2210-5m2/s，查化学工程基础）3.1.3 气液相平衡数据由手册查得，常压下25时SO2在水中的亨利系数为 E=3.55103 kPa相平衡常数为 m=E/P=3.55103/101.3=35.04溶解度系数为H=/EM=998.2/3.5510318.02=0.0156kmol/kPam33.1.4 物料衡算(l). 进塔混合气中各组分的量近似取塔平均操作压强为101.3kPa，故：混合气量 kmolh混合气SO2中量72.930.053.65kmolh3.6564
6、.06=233.82kgh设混合气中惰性气体为空气，则混合气中空气量72.93-3.6569.28kmolh69.28292009kgh(2)混合气进出塔的摩尔组成（3）混合气进出塔摩尔比组成进塔气相摩尔比为出塔气相摩尔比为（4）出塔混合气量出塔混合气量=69.28+3.650.03=69.3895kmol/h（5）吸收剂（水）的用量L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计算对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为X2=0取操作液气比为 kmol/h(6)塔底吸收液组成X1(7)操作线方程依操作线方程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
7、泛点气速。气相质量流量为wv=18001.257=2262.6kg/h液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即WL=3063.37718.02=55202.05kg/h其中：L =998.2kg/m3 V =1.257kg/m3g = 9.81 m/s2 = 1.27108 m/h2WV =2262.6 kg/h WL = 55202.05 kg/hL =0.001 Pas（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（引自化工原理）图中 u0空塔气速，m /s； 湿填料因子，简称填料因子，1 /m； 水的密度和液体的
8、密度之比； g重力加速度，m /s2； V、L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 查图一查得纵坐标值为 表一 散装填料泛点填料因子平均值填料类型填料因子，1/mDN16DN25DN38DN50DN76金属鲍尔环410117160金属环矩鞍170150135120金属阶梯环160140塑料鲍尔环55028018414092塑料阶梯环260170
9、127瓷矩鞍1100550200226瓷拉西环1300832600410（ 化工原理课程设计附录十一）查得：（2）操作气速由以下公式计算塔径：（化工原理课程设计） 对于散装填料，其泛点率的经验值为u/uF=0.50.85取 u=0. 6uF=0.60.987=0.58m/s（3）塔径由圆整塔径，取D=l.1m。 （4）泛点率校核： （5）填料规格校核： （6）液体喷淋密度校核： 取最小润湿速率为 （Lw）min=0.08 m3/mh查填料手册得 塑料阶梯环比表面积at=132.5m2/m3Umin=（Lw）minat=0.08132.5=10.6m3/ m2h经以上校核可知，填料塔直径选用D=
10、1100mm合理。 3.2.2填料层高度计算(1)传质单元数NOG解吸因数为:气相总传质单元数为:（2）传质单元高度的计算气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算查表二: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石蜡表面张力, mN /m56617333407520得 = 33 dyn/cm = 427680 kg/h2液体质量通量为:气膜吸收系数由下式计算：气体质量通量为:气体质量通量:液膜吸收系数由下式计算:查表三:常见填料塔的形状系数填料类型球形棒形拉西环弧鞍开孔环值0.720.7511.191.45本设计填料类型为开孔环 所以 =1.47,则又因u/uF=55.2150需要
11、按下式进行校正，即可得：则由（3）填料层高度的计算由根据设计经验，填料层的设计高度一般为 Z(1.21.5)Z (4-19)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。得: = 1.256.69=8.36 m 设计取填料层高度为 查：表四 散装填料分段高度推荐值填料类型h/DHmax/m拉西环2.54矩鞍586鲍尔环5106阶梯环8156环矩鞍5156对于阶梯环填料， ， 取 ，则h=81100=8800 mm故需分为两段，每段高4.2m。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。横坐标为: 表五 散装填料压降填料因子平均值填料类型填料因子, 1/
12、mDN16DN25DN38DN50DN76金属鲍尔环306-11498-金属环矩鞍-13893.47136金属阶梯环-11882-塑料鲍尔环34323211412562塑料阶梯环-17611689-瓷矩鞍环700215140160-瓷拉西环1050576450288-查表得，p =116 m-1纵坐标为:查Eckert通用关联图得: P/Z = 98.25Pa/m填料层压降为: P=98.258.4=825.3Pa四、筒体的厚度计算及封头的选取4.1 筒体的选材本设计的温度小于30，常压操作SO2对容器的腐蚀性较小，腐蚀性可以忽略不计，根据设计条件可以选用Q345R，该材料强度为345MPa，
13、它具有良好的综合力学性能和制造工艺性能。4.2 筒体厚度的计算取设计压力为0.11MPa，采用双面焊，全焊透形式焊接，焊接系数为=0.85,在设计温度条件下，材料的许用应力为=189MPa。由此可知，Pc0.4=0.4X189X0.85=64.26MPa所以厚度可按=PcDi/2-Pc计算即=PcDi/2-Pc=0.11X1100/2X189X0.85-0.11=0.39设计厚度d=0.37+=0.37+2=2.37对于Q345R，钢板的负偏差=0.3mm因而可取名义厚度为n=3mm，规定不包括腐蚀裕量的最小厚度不小于3mm，若加上2mm腐蚀裕量，名义厚度为5mm，由于钢材的标准规格，名义厚度取为6mm。当n=6mm时没有变化，故取6mm的名义厚度。4.3封头的选取已知D=1100mm，=6mm。选用标准椭圆形封头，材料为Q345R，有=PcDi/2-0.5Pc=0.11X1100/2X189X0.85-0.5X0.11=0.37去设计厚度为d=0.37+=2.37Q345R的负偏差为0.3mm，因而取名义厚度为3mm。考虑裕量，取封头厚度为6mm
