填料吸收doc.docx
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填料吸收doc
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/h
2000
混合气体SO2含量（体积分数）
10%
SO的回收率不低于
97%
2
吸收剂的用量与最小用量之比
1.3
（二）操作条件
（1）操作压力常压
（2）操作温度25℃
（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填料的类型与选择
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。
与鲍尔环相比，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ρL=997.1kg/m3
粘度为μL=0.Pa·s=3.2173kg/（m·h）
表面张力为σL=71.97dyn/cm=932731kg/h2
SO2在水中的扩散系数为DL=1.724×10-9m2/s=6.20610×-6m2/h
0.5
（依Wilke-ChangD1.8591018（Mr）0.6T计算，查《化学工程基础》）
V
3.1.2气相物性数据
设进塔混合气体温度为25℃，
混合气体的平均摩尔质量为
MVm=ΣyiMi=0.1×64.06+0.929=32×.506g/mol
混合气体的平均密度为
ρVm=PM/RT=101.325×32.506/（8.314×298.15）=1.3287kg/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
μV=1.8310×-5Pa?
s=0.066kg/（m?
h）
查手册得SO2在空气中的扩散系数为
-5
2
2
DV=1.422×10
m/s=0.051m
/h
（依DD0P0（T）1.75计算，其中273K时，1.013×10-5Pa时SO2在空气中的扩PT0
-52
散系数为1.22×10m/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
3
E=4.13×10kPa
相平衡常数为
m=E/P=4.13×103/101.3=40.76
溶解度系数为
3
H=ρ/EM=997.2/4.13×103×18.02=0.0134kmol/kPam
3.1.4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＝
273.15
）
1
2000（
81.80kmol／h
273.15
25
22.4
混合气SO2中量＝81.80×0.1＝8.18kmol／h
＝8.18×64.06=542.01kg／h
设混合气中惰性气体为空气，则混合气中空气量＝81.8-8.18＝73.62kmol／h
＝73.62×29＝2135kg／h
（2）．混合气进出塔的摩尔组成
y1
0.1
y2
8.18（1
0.97）
73.62
8.18（1
0.00332
0.97）
（3）混合气进出塔摩尔比组成进塔气相摩尔比为
y1
0.1
Y1
0.11
1y1
10.1
出塔气相摩尔比为
YY
（1）0.11（10.97）0.0033
21A
（4）出塔混合气量
出塔混合气量=73.62+8.18×0.03=73.7836kmol/h
=2135+542.01×0.03=2151.26kg/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
L
）min
Y1Y2
（
Y1
V
X2
m
对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为X2=0
（L）min
0.11
0.0033
39.54
V
0.11/40.760
取操作液气比为
L
1.3（L）min
V
V
L
1.3
39.54
51.40
L51.473.623784.07kmol/h
（6）塔底吸收液组成X1
V（Y1Y2）L（X1X2）
X
73.62
（0.11
0.0033）
0.00208
1
3784.07
（7）操作线方程
依操作线方程Y
L
（Y2
L
3784.07
X
X2）
X0.0033
V
V
73.62
Y
51.4X
0.0033
3.2填料塔的工艺尺寸的计算
3.2.1塔径的计算
采用Eckert通用关联图计算泛点气速。
气相质量流量为wv=2000×1.3287=2657.4kg/h
液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即
WL=3784.07×18.02=68188.94kg/h
其中：
ρL=997.1kg/m3
ρV=1.3287kg/m3
g=9.81m/s2=1.27×108m/h2
WV=2657.4kg/h
WL=68188.94kg/h
μL=0.Pa·s
（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；
φ——湿填料因子，简称填料因子，1/m；
ψ——水的密度和液体的密度之比；
2
ρV、ρL——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
wL（
V
）0.5
68188.94（1.3287）0.5
0.937
wV
L
2657.4997.1
查图一查得纵坐标值为
uF
2
（
V）
L
0.2
0.022
g
L
表一散装填料泛点填料因子平均值
填料类型
填料因子，1/m
D
D
D
D
D
N16
N25
N38
N50
N76
金属鲍尔
410
—
117
160
—
环
金属环矩
—
170
150
135
120
鞍
金属阶梯
—
—
160
140
—
环
塑料鲍尔
550
280
184
140
92
环
塑料阶梯
—
260
170
127
—
环
瓷矩鞍
1100
550
200
226
—
瓷拉西环
1300
832
600
410
—
（《化工原理课程设计》附录十一）
查得：
F
170m1
uF
0.022g
L
0.0229.81
997.1
0.987m/s
0.2
17011.3287
0.89370.2
FV
L
（2）操作气速
由以下公式计算塔径：
（《化工原理课程设计》）
D
4VS
对于散装填料，其泛点率的经验值为u/uF=0.5~0.85
u
取u=0.7uF=0.7×0.987=0.691m/s
（3）塔径
4VS
42000/3600
由D
1.012m
u
3.140.691
圆整塔径，取D=l.1m。
（4）泛点率校核：
2000/3600
0.585m/s
u
1.12
0.785
u0.585100%59.27%（在允许范围内）uF0.987
（5）填料规格校核：
D1100
d38
28.948
（6）液体喷淋密度校核：
取最小润湿速率为
（Lw）min=0.08m3/m·h
查填料手册得
塑料阶梯环比表面积at=132.5m2/m3
Umin=（Lw）minat=0.08×132.5=10.6m3/m2·h
U
68188.94/997.2
71.99m3/m2hUmin
0.785
1.12
经以上校核可知，填料塔直径选用D=1100mm合理。
3.2.2填料层高度计算
（1）传质单元数NOG
Y1
mX1
40.760.002080.08478
Y2
mX2
0
解吸因数为:
mV40.7673.62
S0.793
L3784.07
气相总传质单元数为:
NOG
1
ln[（1
S）Y1
Y2
S]
1
S
Y2
Y2
1
ln[（1
0.793）
0.11
0
0.793]
9.857
1
0.0033
0.793
0
（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
a
0.75
U
0.1
U
0.05
U
0.2
C
L
L
2a
2
w
1exp
1.45
t
L
at
atL
L2g
Lat
L
L
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
56
61
73
33
40
75
20
力,mN/m
得
C=33dyn/cm=427680kg/h
2
液体质量通量为:
UL
68188.94
71789.17kg/（m2h）
0.785
1.12
气膜吸收系数由下式计算：
aw
0.75
0.1
71789.172
0.05
71789.172
0.2
1exp
1.45
427680
71789.17
132.5
at
932731
132.53.2173
997.121.27108
997.1932731132.5
0.6047
气体质量通量为:
0.7
1
U
3aD
V
V
kG
0.237
tV
VDV
RT
at
V
气体质量通量:
UV
20001.3287
2797.70kg/（m2h）
0.785
1.12
0.7
0.066
1
132.5
0.051
kG
0.237
2797.70
3
0.066
1.3287
0.051
8.314
298
132.5
0.0363kmol/（m2hkPa）
液膜吸收系数由下式计算:
2
1
1
UL
3
L
2
Lg
3
kL0.0095
LDL
aw
L
L
2
1
108
1
71789.17
3.2173
3.2173
1.27
3
0.0095
3
2
132.5
3.2173
997.1
6.206
106
997.1
0.6047
1.320m/h
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
Ψ值
0.72
0.75
1
1.19
1.45
本设计填料类型为开孔环
所以Ψ=1.45,则
1.1
kGakGaw
0.0363132.50.60471.451.1
4.3769kmol/
m3hkPa
0.4
kLakLaw
1.320132.5
0.6047
1.450.4
122.71l/h
又因
u/uF=59.27﹪＞50﹪
需要按下式进行校正，即
u
1.4
kG'a
1
9.5
0.5
kGa
uF
u
2.2
kL'a
1
2.6
0.5
kLa
uF
可得：
kG'a
1
9.50.5927
0.5
1.4
5.85kmol/m3hkPa
4.3769
kL'a
1
2.60.5927
0.5
2.2
124.41l/h
122.71
则
KGa
1
1
1
1.297kmol/m3hkPa
1
1
1
kG'a
HkL'a
5.85
0.0134
124.41
由
VV
HOG
KYaKGaP
73.62
1.297101.30.7851.12
0.590m
（3）填料层高度的计算
由ZHOGNOG0.599.8575.82m
根据设计经验，填料层的设计高度一般为
Z′＝（1.2~1.5）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:
Z'=1.25×5.82=7.27m
设计取填料层高度为
Z'7.4m
查：
表四散装填料分段高度推荐值
填料类型
hD
H
/
max/m
拉西环
2.5
≤4
矩鞍
5～8
≤6
鲍尔环
5～10
≤6
阶梯环
8～15
≤6
环矩鞍
5～15
≤6
对于阶梯环填料，
h
8~15m，hmax6m
取h
D
8，则h=8×1100=8800mm
D
7300mm8800mm
故需分为两段，每段高3.7m。
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:
wL
0.5
V
0.937
wV
L
表五散装填料压降填料因子平均值
填料类型
填料因子,1/m
DN16
DN25
DN38
DN50
DN76
金属鲍尔环
306
-
114
98
-
金属环矩鞍
-
138
93.4
71
36
金属阶梯环
-
-
118
82
-
塑料鲍尔环
343
232
114
125
62
塑料阶梯环
-
176
116
89
-
瓷矩鞍环
700
215
140
160
-
瓷拉西环
1050
576
450
288
-
-1
查表得，Φp=116m
纵坐标为:
u2
P
V
L
0.2
0.58521161
1.3287
0.89370.2
0.0053
g
L
9.81
997.1
查Eckert通用关联图得:
△P/Z=117.72Pa/m
填料层压降为:
△P=117.72×7.4=871.128Pa
四、辅助设备的计算及选型
1.除雾沫器
穿过填料层的气体有时会夹带液体和雾滴，因此需在塔顶气体排出口前设置除沫器，以尽量除去气体中被夹带的液体雾沫，SO2溶于水中易于产生泡沫为了
防止泡沫随出气管排出，影响吸收效率，采用除沫装置，根据除沫装置类型的使
用范围，该填料塔选取丝网除沫器。
丝网除雾沫器：
一般取丝网厚度H=100~150mm，气体通过除沫器的压降约
为120~250pa。
通过丝网除沫器的最大速
uk
L
G
0.085
997.11.3278
2.3277m/s
G
1.3278
实际气速为最大气速的0.75~0.8倍所以实际气速u=0.75×2.3277=1.75m/s
2.液体分布器简要设计
（1）液体分布器的选型
该吸收塔液相负荷较大，而气相负荷相对较低，故选用槽式液体分布器。
（2）分布点密度计算
表六Eckert的散装填料塔分布点密度推荐值
塔径,mm分布点密度,点/m2塔截面
D=400
330
D=750
170
D≥1200
42
按
Eckert
建议值，因该塔液相负荷较大，设计取喷淋点密度为
140点/m2
。
2
布液点数为n=0.785×1.1×140=132.9≈133点
按分布点几何均匀与流量均匀的原则，进行布点设计。
设计结果为：
二级槽共设七道，在槽侧面开孔，槽宽度为80mm，槽高度为210mm。
两槽中心矩为160mm。
分布点采用三角形排列，实际设计布点数为n=132点.
图二槽式液体分布器二级槽的布液点示意图
（3）布液计算
由重力型液体分布器布液能力计算
由LS
d0
2n2gH
4
；
式中
L
——液体流量，
3
s
m/s
n——开孔数目（分布点数目）；
φ——孔流系数，通常取φ＝0.55～0.60；
d0——孔径，m；
△H——开孔上方的液位高度，m。
取=0.60，H=160mm,
0.5
4LS
d0
则
n2gH
0.5
468188.94/997.13600
3.141320.629.810.16
0.0131m
设计取d014mm
液体分布器的安装一般高于填料层表面150~300mm（取决于操作弹性），槽
式分布器主槽分槽高度均取210mm，主槽宽度为塔径的0.7~0.8，这里取塔径的
0.7，分槽宽度由液体量及停留时间确定，最低液位为50mm为宜，最高液位由操作弹性塔内允许高度及造价确定，一般为200mm左右。
2.液体再分布器----------升气管式液体再分布器
在离填料顶面一定距离处，喷淋的液体便开始向塔壁偏流，然后沿塔壁下流，塔中心处填料的不到好的润湿，形成所
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