張曉燕，歐陽欣，郭立影，王春波，馬紅丹，韓方外

（赤峰學(xué)院　化學(xué)化工學(xué)院，內(nèi)蒙古　赤峰　024000）

二氧化硫填料吸收塔的設(shè)計(jì)計(jì)算

張曉燕，歐陽欣，郭立影，王春波，馬紅丹，韓方外

（赤峰學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，內(nèi)蒙古赤峰024000）

本次課程設(shè)計(jì)中最主要的任務(wù)是充分利用水來吸收空氣中所含的二氧化硫氣體的原理，再進(jìn)一步進(jìn)行解析提純和處理得到二氧化硫.最重要的要求是設(shè)計(jì)包含塔徑、填料塔高度，通過物料衡獲得到所需基礎(chǔ)數(shù)值，最后進(jìn)行所需要尺寸的計(jì)算獲得多種設(shè)計(jì)參數(shù)，為下一步繪圖打基礎(chǔ)，并且提供數(shù)值參考.

水；SO2；吸收；填料吸收塔

設(shè)計(jì)題目：

設(shè)計(jì)處理量為2250m3/h水吸收二氧化硫過程填料吸收塔

原始數(shù)據(jù)及條件：

廢氣處理量：2250（每年生產(chǎn)2000小時(shí)）

廢氣中二氧化硫含量：11%

二氧化硫回收率不低于：96%

吸收劑用量為最小用量的：1.2倍

操作壓力：常壓

操作溫度：25℃

1　緒論

1.1吸收的簡(jiǎn)介

當(dāng)液體與氣體的混合物充分接觸時(shí)，液體可將氣體中的部分組分溶解，且不溶的組分還保留在原氣體中，這樣可把氣體中的各組分分離.在化工生產(chǎn)中吸收過程常用來分離氣體混合物，其主要原理是根據(jù)溶解度的差異來分離在同一吸收劑中不同的組分.［1］

1.2吸收的應(yīng)用

吸收單元操作是化工中常用的傳質(zhì)過程，主要用于以下兩種情況：

（1）獲得產(chǎn)品.將氣體中的有效成分用吸收劑吸收下來得到產(chǎn)品.如硫酸吸收三氧化硫制濃硫酸.

（2）回收有價(jià)值成分.為防止有價(jià)值成分從氣相中失去，用吸收劑將其吸收達(dá)到目的.例如一些揮發(fā)溶劑的回收［2］.

2　設(shè)計(jì)吸收塔的方案

2.1選擇吸收劑

在吸收操作中，選擇適當(dāng)?shù)奈談?，是比較重要的.同時(shí)經(jīng)濟(jì)性對(duì)吸收操作有著重要的影響.通常情況下，吸收劑的選擇，應(yīng)考慮下面幾點(diǎn)：

（1）不易揮發(fā)，以便吸收劑在再生或吸收過程中的揮發(fā)［3］損失；

（2）操作溫度下，吸收劑粘度要小、泡沫少，使吸收塔內(nèi)氣相和液相充分接觸［4］狀況；

（3）不易燃、穩(wěn)定性好、價(jià)格便宜等［5］.

總的說來，選擇用應(yīng)考慮具體情況或主要因素，既要考慮到工業(yè)要求又要考慮經(jīng)濟(jì)是否合理［6］.

本設(shè)計(jì)采取二氧化硫作為溶質(zhì)，水作為吸收劑［3、4］.

2.2吸收塔設(shè)備的選擇

吸收塔設(shè)備主要有填料塔和板式塔.

精餾過程塔和吸收塔的設(shè)備一致，因此可用直徑小的塔來完成實(shí)驗(yàn)，不僅填料層與中塔板的阻力減小、傳質(zhì)特性較好、成本低和彈性低等［10］.

此外，填料塔效率高、阻力小、節(jié)能，因此填料塔的使用較多.此次實(shí)驗(yàn)的吸收塔設(shè)計(jì)處理量不是很大，因此選用填料吸收塔［11］.

2.3選擇填料

2.3.1填料及要求

對(duì)填料要求表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）要有較大的比表面積at，是指單位體積填料的表面積m2/m3；

（2）液體要有較好的在分布性能；

（3）填料是非金屬填料的要有較大的強(qiáng)度；

（4）價(jià)格一定要低廉；

2.3.2介紹填料種類及特性

工業(yè)填料按其形狀和它的結(jié)構(gòu)可分為散裝的顆粒填料和規(guī)整的填料：

（1）顆粒填料通常為濕法亂堆或者干法亂堆.主要填料類別有：拉西環(huán)填料

鮑爾環(huán)填料，階梯環(huán)填料等環(huán)形填料.

（2）對(duì)于規(guī)整的填料是有整齊堆砌的幾何形狀，在工業(yè)上通常會(huì)用到波紋填料，優(yōu)點(diǎn)為傳質(zhì)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、處理量微大，但也有其不足，不易處理懸浮物、粘度大的物料，并且物料的價(jià)格較為貴.

綜合上述因素考慮，此次設(shè)計(jì)的過程我采用階梯環(huán)填料.［12］

2.3.3填料尺寸

填料尺寸的大小會(huì)直接的影響并作用于塔底操作以及設(shè)備的投資.從實(shí)驗(yàn)當(dāng)中可以看出，塔徑（D）與填料外徑（d）之比，其比值有一個(gè)下限值，如果徑比值小于最小值時(shí)，在塔壁周圍的填料空隙率就會(huì)不均勻而且較大，氣流容易出現(xiàn)短路，已出現(xiàn)顯著的液體壁流等諸多現(xiàn)象［15］劇增.

各種填料徑比下限：

拉西環(huán)～20—30（8-10）

鮑爾環(huán)～10—15（〉=8）

階梯環(huán)15（〉=8）

綜合考慮，選擇階梯環(huán)填料.

2.4.4填料材質(zhì)的選擇

綜合考慮填料性能和經(jīng)濟(jì)因素.

（1）陶瓷有耐腐性、有良好的耐熱性，且價(jià)格便宜，但其質(zhì)脆、而且易碎；

（2）金屬材質(zhì)的主要有碳、不銹鋼、鋁和鋁合金等；

因?yàn)樵谡麄€(gè)過程中的處理量不是很大，因此用到的塔直徑也不會(huì)較大，就采用DN38聚丙烯塑料階梯環(huán)填料.它的主要性能參數(shù)有：

比表面積：at=132.5m2

填料因子：?F=170m-1

臨界張力：σc=33dyn/cm

2.4確定操作的溫度

對(duì)于本次設(shè)計(jì)，通過整個(gè)吸收過程的氣相和液相關(guān)系可以知道，若想使溶質(zhì)組分的溶解度增加就需要降低溫度，所以溫度較低有助于吸收，吸收系統(tǒng)的情況決定著整個(gè)過程的操作溫度的最低限.根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求，操作溫度定為25℃.［13］

2.5操作壓力的確定

增加壓力可提高傳質(zhì)動(dòng)力，從而提高吸收效果.但不宜太高，如果壓力過高，對(duì)設(shè)備的要求就會(huì)過高，經(jīng)濟(jì)就不合理.

在本次設(shè)計(jì)中，從吸收過程的氣液平衡可知，壓力升高，溶質(zhì)組分的溶解度也升高，因此可得出加壓有助于吸收.在整個(gè)過程中，隨著操作壓力不斷加大，實(shí)驗(yàn)要求設(shè)備加工的制造也會(huì)提升，同時(shí)其耗能隨之加大.綜上所述，實(shí)驗(yàn)采取常壓101.325kPa.［14］

3　計(jì)算吸收塔工藝的條件

3.1液相的物性數(shù)據(jù)

在實(shí)驗(yàn)采取濃度較低的吸收的過程中，溶液的物性數(shù)據(jù)、純水的物性數(shù)據(jù)相似.［8］25℃條件下，水的所有物性數(shù)值如下［17］：

密度ρL=997.08（kg/m3）

粘度μL=8.90×10-4（Pa·s）=3.20kg/（m·h）

表面張力δL=71.97（dyn/cm）=9.41×105（kg/h）

SO2在水中的擴(kuò)散系數(shù)DL=1.47×10-5（cm2/s）=5.29×10-6（m2/h）.

3.2氣相物性數(shù)據(jù)

混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為：

混合氣體的平均密度為：

混合氣體的粘度與空氣的粘度的數(shù)值類似，查手冊(cè)［9］的25C°空氣的粘度為：

SO2在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為：

3.3氣液兩相平衡時(shí)的數(shù)據(jù)

常壓下25℃SO2在水中的亨利系數(shù)為：［15］

相平衡常數(shù)為：

溶解度系數(shù)為：

3.4物料的衡算

物料的衡算用此式：GB（Y1-Y2）=Ls（X1-X2），在低濃度與高濃度的吸收都是比較合適的，物料衡算需要用到此式［16］.（以下計(jì)算過程分別以G和L表示和）.

進(jìn)塔氣相摩爾比為：

出塔的氣相摩爾比是：

進(jìn)塔惰性氣相的流量是：

此次屬于低濃度吸收，因此平衡曲線可看成直線，為

計(jì)算最小的液氣比是：

吸收的過程是純?nèi)軇┑倪^程，其塔的液相組成是：

取操作液相與氣相的比為最小的氣相液相比的1.2倍，

3.5計(jì)算填料塔的尺寸

3.5.1計(jì)算塔徑

用Checker通過圖來計(jì)算泛點(diǎn)的氣速［17］.其液相質(zhì)量的流量按純水的計(jì)算，即：

氣相質(zhì)量流量為：

Checker通用關(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)為：

查Checker通用關(guān)聯(lián)圖得（附錄三圖1）：

此次實(shí)驗(yàn)選用的塑料階梯為環(huán)類填料

并查表4，填料因子BF=170m-1，

泛點(diǎn)氣速：

在散裝填料，其泛點(diǎn)率值為0.5～0.85，其選取時(shí)，進(jìn)行加壓的操作，應(yīng)選取泛點(diǎn)率較大的泛點(diǎn)率，在減壓時(shí)，應(yīng)選泛點(diǎn)率小的，取u=0.7uF=0.8×1.0516=0.8413m/s較高的泛點(diǎn)率，減壓操作選擇較低的泛點(diǎn)率，此處取u=0.7×較高的泛點(diǎn)率，減壓操作選擇較低的泛點(diǎn)率，此處取=0.7=0.7× 0.90=0.63m/s.

圓整塔徑取1150000mm.

3.5.2泛點(diǎn)率校核和填料規(guī)格校核

填料的規(guī)格：

要求階梯環(huán)徑比為D/d＞8，

即才符合要求

3.5.3校核液體的噴淋密度

其最小潤(rùn)濕率為（LW）min=0.08m3/（m·h）

查閱《化工原理課程設(shè)計(jì)（化工傳遞與單元操作課程設(shè)計(jì)）》得：

最小噴淋密度為：

故滿足最小的噴淋密度.

經(jīng)校核知其填料塔的直徑大小合理.

3.6計(jì)算填料層的高度

3.6.1計(jì)算傳質(zhì)的單元數(shù)

其解吸的因數(shù)是Y1*=mX1=40.76×2.5×10-3=0.10

其解吸因數(shù)為

其氣相總傳質(zhì)的單元數(shù)為：

3.6.2計(jì)算傳質(zhì)單元的高度

其氣相總傳質(zhì)的單元高度應(yīng)采用其修正的恩田的關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計(jì)算［18］:

查表4（常見材質(zhì)的臨界表面張力值）

δc=33dyn/cm=427680kg/h

δL=72.67dyn/cm=941803kg/h

液體的質(zhì)量通量是：

氣體的質(zhì)量通量是：

氣膜的吸收系數(shù)計(jì)算：

液膜的吸收系數(shù)計(jì)算：

3.6.3填料層高度的計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，填料層的高度一般是：

因此取Z'=1.4×2.60=3.64m

所以取4m.

h=8×1150=9200mm計(jì)算填料層的高度是413000mm，所以不需分段.

3.7計(jì)算填料塔的附屬高度

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，塔上部的空間高度，可通過資料查取1，通常液相在塔底大約停留15分鐘，塔釜液占的空間高度是：

顧及到氣相接管的高度，其底部高度取2.5m，所以塔的附屬高度取1.53+2.5=3.580m

因此塔實(shí)際高度為H=4+3.5=7.5m.

3.8填料層的壓力降的計(jì)算

氣體通過其填料層壓力降采用Checker的圖來計(jì)算，可知橫坐標(biāo)為：

查表4《散裝填料壓降填料因子平均值》得

所以填料層壓力降ΔP=49.05×7.5=367.88Pa

3.9計(jì)算液體的分布器

3.9.1注意液體分布器的選型

液體分布裝置包括槽盤式、盤式、槽式及有管式等.

對(duì)于液體的分布裝置有很多種，其種類有，有管式、、盤式、槽式及槽盤式等很多種類.主要以管式和槽式為主，管式的極少用到［19］.

表1　列出了散裝填料塔的分布點(diǎn)密度推薦值

如果塔徑和填料層高度的比大于一定數(shù)值時(shí)，次填料層需分段.裝液體分布器在填料層中，主要為了收集上層的液體，方便了為下一層給予均勻液體的分布［19］.

3.9.2分布點(diǎn)密度的計(jì)算

按照Checker建議值，D≥1200mm時(shí)，噴淋點(diǎn)密度為42點(diǎn)，在整個(gè)過程中塔的液相負(fù)荷是特別大的，噴淋點(diǎn)密度為10420點(diǎn)/m2.分布點(diǎn)數(shù)n=0.785×1.152×104=108.

由于分布點(diǎn)幾何、流量都均勻的原則，對(duì)分布點(diǎn)開始設(shè)計(jì).其結(jié)果是為：設(shè)七道二級(jí)槽，在槽側(cè)面開一個(gè)孔，讓槽寬為80毫米，高為210毫米，其兩槽的中心矩是160毫米，使分布點(diǎn)呈正三角形.設(shè)計(jì)布液點(diǎn)數(shù)為n=112點(diǎn).

3.9.3布液計(jì)算

?為0.55～0.60

取?=0.60，ΔH=160mm

〔1〕丁忠浩，翁達(dá)打．固體和氣體廢棄物再生與利用［M］．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006．

〔2〕李文彬，周洪才．流體輸送與熱工基礎(chǔ)［M］．云南：云南科技出版社，1996．

〔3〕杜曉杰．丁醚及其復(fù)合吸收劑中CO2溶解度的測(cè)定和模型化［D］．北京化工大學(xué)．

〔4〕潘文群，何灝彥．傳質(zhì)分離技術(shù)［M］．天津：化學(xué)工業(yè)出版社，2008．

〔5〕郭仁惠．環(huán)境工程原理［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009．

〔6〕魏姚燦，等．塔設(shè)備設(shè)計(jì)［M］．上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1988．

〔7〕譚天恩，麥本熙，丁惠華．化工原理（上、下冊(cè)）第二版［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001．

〔8〕匡國(guó)柱，史啟才，等．化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出社，2002.

〔9〕大連理工大學(xué)，等．化工容器與設(shè)計(jì)手冊(cè)．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1989.

〔10〕《化學(xué)工程手冊(cè)》編輯委員會(huì)．化學(xué)工程手冊(cè)——?dú)庖簜髻|(zhì)設(shè)備．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1989.

〔11〕張洪流.化工原理［M］.上海：華東理工大學(xué)出版社，2006.

〔12〕張佑紅，吳高安，王志魁.液體并流塔板汽體不混合時(shí)霧沫夾帶和漏液對(duì)塔板效率的影響.

〔13〕陳敏恒．化工原理［M］．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

〔14〕張前程，簡(jiǎn)麗.填料吸收塔中適宜液氣比的確定［J］.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，第20卷.

〔15〕姚玉英.化工原理（新版）上、下冊(cè)［M］.天津：天津大學(xué)出版社，1999.

〔16〕王志魁.化工原理（第二版）［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

〔17〕華磊．鍋爐排煙中二氧化硫吸收裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究［D］．河南農(nóng)業(yè)大學(xué)．

〔18〕吉林化學(xué)工業(yè)公司設(shè)計(jì)院，化學(xué)工業(yè)部化工設(shè)計(jì)公司．化工工藝算圖（第一冊(cè)）．常用物料物性數(shù)據(jù)．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1982.10．

〔19〕張素香，袁忠澤，孫鐵．板式空冷器入口管箱液體分布器結(jié)構(gòu)分析［J］．遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，17（2）．

O69

A

1673-260X（2016）07-0001-04

2016-03-23