水吸收二氧化硫过程填料吸收塔的.docx
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水吸收二氧化硫过程填料吸收塔的
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吉林@3学隧
化工原理课程设计
题目
教学院化学与制药工程学院
专业班级药剂0601
学生姓名
学生学号06240101
指导教师
2008年12月19H
设计任务书
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K设计题目：
年处理量为21720.96吨二氧化硫混合气的填料吸收塔设计;
矿石焙烧炉送出的气体冷却到20°C后送入填料塔中，用20°C清水洗涤洗涤除去其中的S0：
。
入塔的炉气流量为1000m3/h〜2000n?
/h,其中进塔SO：
的摩尔分率为0.02^0.03,要求S0：
的排放含量0.3%"0.5%o吸收塔为常压操作，因该过程液气比很大，吸收温度基本不变，可近似取为清水的温度。
吸收剂的用量为最小用量的1.3倍。
2.工艺操作条件:
（1）操作平均压力：
常压
（2）操作温度：
t二20°C
（3）每年生产时间:
7200ho
（4）填料类型及规格自选。
3.设计任务：
完成吸收塔的工艺设计与计算，有关附属设备的设计和选型，绘制吸收系统的工艺流程图和吸收塔的工艺条件图，编写设计说明书。
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摘要
第1章绪论2
1.1吸收技术概况2
1.2吸收设备的发展2
1・3吸收在工业生产中的应用3
第2章设计方案
2.1吸收剂的选择5
2.2吸收流程的选择6
2.2.1吸收工艺流程的确定.6
2.2.2吸收工艺流程图及工艺过程说明.7
2.3吸收塔设备及填料的选择7
2.3.1吸收塔的设备选择.7
2.3.2填料的选择.7
2.4吸收剂再生方法的选择8
2・5操作参数的选择9
2.5.1操作温度的选择.9
2.5.2操作压力的选择.9
2.5.3吸收因子的选择.9
11
第3章吸收塔的工艺计算
3.1基础物性数据11
3.1•1••・・•・•・•・•・・・•・•・・・•・•・•・•・・・•・•・・・•・•・•・•・・・•・•・・・•・•・•・•・・・•・•・・・•・•・•・•・・・•・•・・・•・•・•・•・・・•・•・・・•・•・•・•・・・•・•・・・•・・11
3.1.2气相物性数据.11
3.1.3气液平衡数据.11
3.2物料衡算12
3・3填料塔的工艺尺寸的计算13
3.3.1塔径的计算.13
3.3.2泛点率校核.13
3.3・3填料规格校核:
14
3.3.4液体喷淋密度校核.14
3.4填料塔填料高度计算14
3.4.1传质单元高度计算.14
342传质单元数的计算.16
343填料层高度计算.16
3.5填料塔附属高度计算16
3.6液体分布器计算17
3.6.1液体分布器17
3.6.2布液孔数、17
362塔底液体保持管高度.17
3.7其他附属塔内件的选择18
3.7.1液体分布器.18
3.7.2液体再分布器.18
3.7.3填料支撑板.18
3.7.4填料压板与床层限制板.19
3.7.5气体进出口装置与排液装置.19
3.8吸收塔的流体力学参数的计算19
3.8.1吸收塔的压力降.19
3.&2吸收塔的泛点率.20
3.8.3气体动能因子.20
3.9附属设备的计算与选择20
工艺设计计算结果汇总与主要符号说明21
主要符号说明22
设计过程的评述和有关问题的讨论24
主要参考文献25
附录26
结束语27
摘要
在化工工业中，经常需要将气体混合物的各个组分加以分离，其主要目的是回收气体混合物中的有用物质，以制取产品，或除去工艺气体中的有害成分，使气体净化，以便进一步加工处理，或除去工业放空尾气中的有害成分，以免污染空气。
吸收操作是气体混合物分离方法之一，它是根据混合物中各组分在某一种溶剂中溶解度不同而达到分离的目的。
二氧化硫是化工生产中的生产原料，但是其强烈的刺激性气味对于人体健康和大气环境都会造成破坏和污染，因此，为了避免化学工业生产的大量的含有二氧化硫的工业尾气直接排入大气而造成空气污染，需要采用一定方法对于工业尾气中的二氧化硫进行吸收，本次化工原理课程设计的U的是根据设计要求采用填料吸收塔吸收的方法来净化含有二氧化硫的工业尾气，使其达到排放标准。
设讣采用填料塔进行吸收操作是因为填料可以提供巨大的气液传质面积而且填料表面具有良好的湍流状况，从而使吸收过程易于进行，而且，填料塔还具有结构简单、压降低、填料易用乃腐蚀材料制造等优点，从而可以使吸收操作过程节省大量人力和物力。
设计中选择合适的液体分布器及再分布器，除沫装置以及填料支承装置，并对泛点率和液体喷淋密度进行了校核。
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第1章绪论
1.1吸收技术概况
气体吸收过程是化工生产中常用的气体混合物的分离操作，其基本原理是利用混合物中各组分在特定的液体吸收剂中的溶解度不同，实现各组分分离的单元操作。
实际生产中，吸收过程所用的吸收剂常需回收利用，故一般来说，完整的吸收过程应包括吸收和解吸两部分，因而在设计上应将两部分综合考虑，才能得到较为理想的设计结果。
作为吸收过程的工艺设计，其一般性问题是在给定混合气体处理量、混合气体组成、温度、压力以及分离要求的条件下，完成以下工作：
（1）根据给定的分离任务，确定吸收方案；
（2）根据流程进行过程的物料和热量衡算，确定工艺参数；
（3）依据物料及热量衡算进行过程的设备选型或设备设计；
（4）绘制工艺流程图及主要设备的工艺条件图；
（5）编写工艺设计说明书。
1.2吸收设备的发展
在吸收过程中，质量交换是在两相接触面上进行的。
因此，吸收设备应具有较大的气液接触面，按吸收表面的形成方式，吸收设备可分为下列儿类：
（1）表面吸收器
吸收器中两相间的接触面是静止液面（表面吸收器本身的液面）或流动的液膜表面（膜式吸收器）。
这类设备中的接触表面在相当大的程度上决定于吸收器构件的儿何表面。
这类设备还可分为以下儿种基本类型：
a水平液面的表面吸收器：
在这类吸收器中，气体在静止不动或缓慢流动的液面上通过，液面即为传质表面，由于传质表面不大，所以次种表面吸收器只适用于生产规模较小的场合。
通常将若干个气液逆流运动的吸收器串联起来使用。
为了能使液体自流，可将吸收器排列成阶梯式，即沿流体的流向，后一个吸收器低于前一个吸收器。
水平液面的表面吸收器的效率极低，现在应用已很有限。
只有从体积量不大的气体中吸收易溶组分，并同时需要散除热量的情况下才采用它们。
这类吸收器有时还用于吸收高浓度气体混合物中的某些组分。
h液膜吸收器：
在液膜吸收器中，气液两相在流动的液膜表面上接触。
液膜是沿着圆管或平板的纵向表面流动的。
已知有三种类型的液膜吸收器：
列管式吸收器：
液膜沿垂直圆管的内壁流动；
板状填料吸收器：
填料是一些平行的薄板，液膜沿垂直薄板的两测流动；
升膜式吸收器：
液膜向上（反向）流动。
U前，液膜吸收器应用比较少，其中最常见的是列管式吸收器，常用于从高浓度气体混合物同时取出热量的易溶气体（氯化氢，二氧化硫）的吸收。
填料吸收器填料吸收器是装有各种不同形状填料的塔。
喷淋液体沿填料表面流下，气液两相
主要在填料的润湿表面上接触。
设备单位体积内的填料表面积可以相当大，因此，能在较小的体积内得到很大的传质表面。
但在很多情况下，填料的活性接触表面小于其儿何表面。
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C填料吸收器：
填料吸收器一般作成塔状，塔内装有支撑板，板上堆放填料层。
喷淋的液体通过分布器洒向填料。
在吸收器内，填料在整个塔内堆成一个整体。
有时也将填料装成儿层，每层的下边都设有单独的支撑板。
当填料分层堆放时，层与层之间常装有液体再分布装置。
在填料吸收器中，气体和液体的运动经常是逆流的。
而很少采用并流操作。
但近年来对在高气速条件下操作的并流填料吸收器给予另外很大的关注。
在这样高的气速下，不但可以强化过程和缩小设备尺寸，而且并流的阻力降也要比逆流时显著降低。
这样高的气速在逆流时因为会造成液泛，是不可能达到的。
如果两相的运动方向对推动力没有明显的影响，就可以釆用这种并流吸收器。
填料吸收器的不足之处是难于除去吸收过程中的热量。
通常使用外接冷却器的办法循环排走热量。
通常使用外接冷却器的办法循环排走热量。
曾有人提出在填料层中间安装冷却元件从内部除热的设想，但这种结构的吸收器没有得到推广。
d机械液膜吸收器：
机械液膜吸收器可分为两类。
在第一类设备中，机械作用用来生成和保持液膜。
属于这一类的有圆盘式液膜吸收器。
当圆盘转到液面上方时，便被生成的液膜所覆盖,吸收过程就在这一层液膜表面上进行。
圆盘的圆周速度为0.2〜0.3米/秒。
这种吸收器的传质系数与填料吸收器相近。
笫一类设备没有什么明显的优点，并由于有转动部件的存在而使结构复杂化，同时还增加了能量消耗。
因此这类设备没有得到推广。
第二类设备的实用意义较大。
在这类设备中，转子的转动用来使两相混合，促使传质过程得到强化。
这种设备称之为“转子液膜塔”，常用于热稳定性较差物质的精懈。
显然，这种设备也可用于吸收操作。
（2）鼓泡吸收器
在这种吸收器中，接触表面是随气流而扩展。
在液体中呈小气泡和喷射状态分布。
这样的气体运动（鼓泡）是以其通过充满液体的设备（连续的鼓泡）或通过具有不同形式塔板的塔来实现。
在充填填料的吸收器中，也可看到气体和液体相互作用的特征。
这一类吸收器也包括以机械搅拌混合液体的鼓泡吸收器。
鼓泡吸收器中，接触表面是山流体动力状态（气体和液体的流量）所决定的。
（3）喷洒吸收器
喷洒吸收器中的接触表面是在气相介质中喷洒细小液滴的方法而形成的。
接触表面取决于流体动力学状态（液体流量）。
这一类的吸收器有：
吸收器中液体的喷洒是用喷雾器（喷洒或空心的吸收器）；用高速气体运动流的高速并流喷洒吸收器：
或用旋转机械装置的机械喷洒吸收器。
在这些不同形式的设备中，现在最通用的是填料及鼓泡塔板吸收器。
1.3吸收在工业生产中的应用
在化工生产中所处理的原料、中间产物、粗产品等儿乎都是混合物，而且大部分是均相混合物，为进一步加工和使用，常需将这些混合物分离为较纯净或儿乎纯态的物质。
对于均相物系,要想进行组分间的分离，必须要造成一两个物系，利用原物系中各组分间某种物性的差异，而使其中某个组分（或某些组分）从一相转移到另一相，以达到分离的U的。
物质在相间的转移过程称为物质传递过程。
吸收单元操作是化学工业中常见的传质过程。
气体的吸收在化工生产中主要用来达到以下儿种目的
（1）分离混合气体以获得一定的组分。
例如用硫酸处理焦炉气以回收其中的二氧化硫，用气油处理焦炉气以回收其中的芳绘，用液态绘处理裂解气以回收其中的乙烯、丙烯等。
（2）除去有害组分以净化气体。
例如用水和碱液脱除合成二氧化硫原料气中的二氧化碳，用丙酮脱除裂解气中的乙烘等。
（3）制备某种气体的溶液。
例如用水吸收二氧化氮以制造硝酸，用水吸收氯化氢以制备盐酸，用水吸收甲醛以制备福尔马林溶液等。
（4）保护环境。
例如：
电厂的锅炉尾气含二氧化硫。
硝酸生产尾气含一氧化氮等有害气体，均须用吸收方法除去。
（5）用液体吸收气体获得半成品或成品。
例如：
用水吸收氯化氢制取盐酸：
在硫酸生产中S03吸收；用水或碱溶液吸收氮氧化物生产硝酸或硝酸盐。
这类吸收，吸收后就不再进行解吸了。
（6）从气体混合物中回收有价值的组分。
为了防止有价值组分的损失并污染环境，例如：
易挥发性溶剂如醇、酮、離等的回收。
在吸收过程中，传质是在两相接触表面上进行的。
吸收设备应具有较大的气液接触表面，按吸收表面的形成方式，吸收设备有表面吸收器（如填料吸收塔）、鼓泡吸收器（如不同形式的板式塔）、以及喷洒吸收器（如喷洒或空心吸收器）等三类。
本设计中釆用填料吸收塔。
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第2章设计方案
吸收过程的设计方案主要包括吸收剂的选择、吸收流程的选择、解吸方法选择、设备类型选择、操作参数的选择等内容.
2.1吸收剂的选择
对于吸收操作，选择适宜的吸收剂，具有十分重要的意义•其对吸收操作过程的经济性有着十分重要的影响.一般情况下，选择吸收剂，要着重考虑如下问题.
（一）对溶质的溶解度大
所选的吸收剂多溶质的溶解度大，则单位量的吸收剂能够溶解较多的溶质，在一定的处理量和分离要求下，吸收剂的用量小，可以有效地减少吸收剂循环量，这对于减少过程功耗和再生能量消耗十分有利.另一方面，在同样的吸收剂用量下，液相的传质推动力大，则可以提高吸收效率,减小塔设备的尺寸.
（二）对溶质有较高的选择性
对溶质有较高的选择性，即要求选用的吸收剂应对溶质有较大的溶解度，而对其他组分则溶解度要小或基本不溶，这样，不但可以减小旳性气体组分的损失,而且可以提高解吸后溶质气体的纯度.
（三）不易挥发
吸收剂在操作条件下应具有较低的蒸气压，以避免吸收过程中吸收剂的损失，提高吸收过程的经济性.
（四）再生性能好
山于在吸收剂再生过程中，一般要对其进行升温或气提等处理，能量消耗较大，因而，吸收剂再生性能的好坏,对吸收过程能耗的影响极大，选用具有良好再生性能的吸收剂，往往能有效地降低过程的能量消耗.
以上四个方面是选择吸收剂时应考虑的主要问题，其次，还应注意所选择的吸收剂应具有良好的物理、化学性能和经济性.其良好的物理性能主要指吸收剂的粘要小，不易发泡，以保证吸收剂具有良好的流动性能和分布性能.良好的化学性能主要指其具有良好的化学稳定性和热稳定性，以防止在使用中发生变质，同时要求吸收剂尽可能无毒、无易燃易爆性，对相关设备无腐蚀性（或较小的腐蚀性）.吸收剂的经济性主要指应尽可能选用廉价易得的溶剂.
表2-1物理吸收剂和化学吸收剂的特性
物理吸收剂
化学吸收剂
（1）吸收容量（溶解度）正比于溶质分压
（1）吸收容量对溶质分压不太敏感
（2）吸收热效应很小（近于等温）
（2）吸收热效应显著
（3）常用降压闪蒸解吸
（3）用低压蒸汽气提解吸
（4）适于溶质含量高，而净化度要求不太髙的场合
（4）适于溶质含量不高，而净化度要求很髙的场合
（5）对设备腐蚀性小，不易变质
（5）对设备腐蚀性大，易变质
本次设计采用水作为吸收剂。
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2.2吸收流程的选择
2.2.1吸收工艺流程的确定
工业上使用的吸收流程多种多样，可以从不同角度进行分类，从所选用的吸收剂的种类看,有仅用一种吸收剂的一步吸收流程和使用两种吸收剂的两步吸收流程，从所用的塔设备数量看，可分为单塔吸收流程和多塔吸收流程，从塔内气液两相的流向可分为逆流吸收流程、并流吸收流程等基本流程，此外，还有用于特定条件下的部分洛剂循环流程。
（-）一步吸收流程和两步吸收流程
一步流程一般用于混合气体溶质浓度较低，同时过程的分离要求不高，选用一种吸收剂即可完成任务的情况。
若混合气体中溶质浓度较高且吸收要求也高，难以用一步吸收达到规定的吸收要求，但过程的操作费用较高，从经济性的角度分析不够适宜时，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，或釆用两步吸收流程时，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，山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，一般均釆用逆流吸收流程。
（四）部分溶剂循环吸收流程
山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，可以釆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。
本次设计流程采用逆流吸收流程。
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2.2.2吸收工艺流程图及工艺过程说明
过热蒸汽
吸收与解吸流程
2.3吸收塔设备及填料的选择
2.3.1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，吸收用塔设备与精憾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.
2.3.2填料的选择
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，应该考虑如下儿个问题：
（1）选择填料材质选择填料材质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，如陶瓷，塑料，玻璃，石墨，不锈钢等，对于温度较高的情况，应考虑材料的耐温性能。
（2）填料类型的选择填料类型的选择是一个比较复杂的问题。
一般来说，同一类填料塔中,
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比表面积大的填料虽然具有较高的分离效率，但是山于在同样的处理量下，所需要的塔径较大,塔体造价升高。
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（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/枷”
填料尺寸
DW300
20〜25
300WDW900
25〜38
DM900
50〜80
对于吸收SO?
的过程，操作温度及操作压力较低，工业上通选用塑料散装填料。
在塑料散
装填料中，塑料鲍尔环应用较广，故选用P“38聚丙烯鲍尔环填料。
2.4吸收剂再生方法的选择
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。
（-）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，若釆用减压再生，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。
山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釆用缉间接蒸汽加热。
（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。
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2.5操作参数的选择2.5.1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釆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.
2.5.2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，若过程山质量传递过程控制，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.
2.5.3吸收因子的选择
吸收因子A是一个关联了气体处理量G,吸收剂用量厶以及气液相平衡常数加的综合的过程参数.
niG
式中G气体处理量，kmol/h.
m气体相平衡常数.
吸收因子的值的大小对过程的经济性影响很大，选取较大的吸收因子，则过程的设备费用降低而操作费用升高，在设计上，两者的数值应以过程的总费用最低为IJ标函数进行优化设计后确定.从经验上看，吸收操作的口的不同，该值也有所不同.一般若以净化气体或提高溶质的回收率为tl的，则A值宜在1.2〜2.0之间，一般悄况可近似取A二1.4.而对于以制取液相产品为目的吸收操作，A值可以取小于1.工程上更常用的确定吸收剂用量（或气提气用量）的方法是利用求过程的最小液气比（对于再生过程求最小气液比），进而确定适宜的液气比，即
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对于低浓度气体吸收过程，山于吸收过程中气液相量变化较小，则有
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第3章吸收塔的工艺计算
3.1基础物性数据
3.1.1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20C°时水的有关物性数据如下：
密度pL=99S.2（kg/m3）
粘度"厶=0.001（Hz•s）=3.6kg/（m-h）
表面张力（7L=72.67（dyn/cm）=940896（kg/Ir）
SO2在水中的扩散系数Dl=1.47x10-5（cm2Is）=5.29x10"（亦/力）
3.1.2气相物性数据
混合气体的平均摩尔质量为
Mv,n=工=0.05x64.06+0.95x29=30.75
混合气体的平均密度为
101.3x30.75
8.314x（273+20）"
混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册的20C°空
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