化工原理课程设计SO2填料吸收塔课程设计说明书

化工原理课程设计任务书
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目录
一·目的和要求
二·设计任务
三·设计方案
1.吸收剂的选择
2.塔内气液流向的选择
3.吸收系统工艺流程（工艺流程图及说明）
4.填料的选择
四·工艺计算
1.物料衡算，吸收剂用量，塔底吸收液浓度
2.塔径计算
3.填料层高度计算
4.填料层压降计算
5.填料吸收塔的主要附属构件简要设计
6.动力消耗的计算与运输机械的选择（对吸收剂）五·设备零部件管口的设计计算及选型
六·填料塔工艺数据表
填料塔结构数据表
物性数据表
七·对本设计的讨论
八·主要符号说明
九·参考文献
一·目的和要求
1．进行查阅专业资料、筛选整理数据及化工设计的基本训练；
2．进行过程计算及主要设备的工艺设计计算，独立完成吸收单元的设计；用简洁的文字和图表清晰地表达自己的设计思想和计算结果；
3.建立和培养工程技术观点；
4.初步具备从事化工工程设计的能力,掌握化工设计的基本程序和方法。

5.独立完成课程设计任务。

二·设计任务
1.题目：SO2填料吸收塔
2 生产能力：SO2炉气的处理能力为1500 m³/h（1atm,30℃时的体积）
3 炉气组成：原料气中含SO2为9%（v）,其余为空气
4 操作条件：
P=1atm(绝压）
t=30 ℃
5 操作方式：连续操作
6 炉气中SO2的回收率为95％
三·设计方案
1.吸收剂的选择
用水做吸收剂。

水对SO2有较大的溶解度，有较好的化学稳定性，有较低的粘度，廉价、易得、无毒、不易燃烧
2.塔内气液流向的选择
在填料塔中，SO2从填料塔塔底进入，清水从塔顶由液体喷淋装置均匀淋下。

3.吸收系统工艺流程（工艺流程图及说明）
二氧化硫炉气经由风机从塔底鼓入填料塔中，与由离心泵送至塔顶的清水逆流接触，在填料的作用下进行吸收。

经吸收后的尾气由塔顶排除，吸收了SO2的废水由填料塔的下端流出。

4.填料的选择
可选择（直径）25mm塑料鲍尔环填料(乱堆)。

特性数据如下：
比表面积α:209 m²/m³
空隙率 ε：0.90 m ³/m ³ 填料因子 φ：170 1
-m
四·工艺计算
1.物料衡算，吸收剂用量，塔底吸收液浓度
30C ，二氧化硫溶于水的亨利系数MPa E 85.4=
对稀溶液，有S
S
M H E ρ≈
)3/(4548.1118
85.41000s
m MPa kmol EM H S
*=⨯=
=
∴ρ
相平衡常数776.847013
.105.84==
=
P
E m
进塔气相二氧化硫含量：9.00y 1=
出塔气相二氧化硫含量：045.000.9510.09y 2=-⨯=）（
用清水吸收，进塔液相二氧化硫含量：0x 2=
二氧化硫炉气流量：)/k (182.360303
14.38.3
10115001500h mol RT P G =⨯⨯=⨯=
最小液气比：837
.4450776.84709.0045.009.00x y y y x x y y min )(2
1
212e 121=--=--=--=m
G L
取实际液气比为最小液气比的1.5倍，则可得吸收剂用量为：
)/(2424.41155.1182.360837.445h kmol L =⨯⨯=
3102532.12424
.4115)
0045.009.0(3182.60)y (x x 2121-⨯=-⨯=-+
=y L G 2.塔径计算
炉气的平均摩尔质量为：
)/(5.132291.90649.00kmol kg M =⨯+⨯=
混合气体的密度 329281303
31485
.1323101m kg RT M P V /...=⨯⨯==ρ 气相质量流量：
h
kg v W /..21939292811500=⨯=
液相质量流量：
h
kg W L /363.74074182424.4115=⨯=
734.311000
928.21.2193963.3740745
.05.0==)()(L V V L W W ρρ 从“填料塔泛点和压降的通用关联图”的横坐标1.3734处引垂直线与乱堆填料泛点线相交，由此交点的纵坐标读得
0140202..=⋅L
F
L
V
g u μρρφϕ
30℃水的粘度s Pa L
⋅=⨯=-m 8.01084μ，对于水1=ϕ
25mm 的瓷质鲍尔环，填料因子φ=1843【】
s m u L
V L F
/.......083.808
02928111701000
8190140g
01402
02
0=⨯⨯⨯⨯⨯=
=
μφϕρρ
设计气速取泛点气速的70%，则设计气速 s /m 658.508083.0.70u =⨯= 气体的体积流量s W V V V /3m 167.40928
.213600.2
19393600s =⨯==
ρ
所需塔径684.90658
.50167
.404u 4=⨯⨯==
ππS V D m 圆整D=1m
泛点率校核：
306.501
167.4044u 2
2
=⨯⨯==
ππD V S %%%.70.665100083
.8053060≈=⨯=F
u u 填料规格校核：
84025
1000
>==d D
故填料塔直径选用m D 1=合理。

3.填料层高度计算
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。

混合气体的黏度可近似取为空气的黏度。

30℃时，空气和水的物性常数如下： 空气：
s
107.41D 1081255/.m s
Pa G G --⨯=⋅⨯=散系数：二氧化硫在空气中的扩粘度：μ
水：
s
m m
a v s Pa m kg L
L
L /././293
431022D N 1070KP 2193P 1081000---⨯=⨯==⋅⨯==：：：：：系数二氧化硫在水中的扩散表面张力饱和蒸汽压粘度密度σ
μρ
传质单元数OG N 计算：
传质单元数⎰-=12y y y y d N e
y
OG ，将相平衡关系与操作线方程式2
2y y x x G L
+-=)(代入上式然后直接积分。

积分结果可整理为
]1
mx )11[(l 111
2221A mx Y Y A n A
N OG
+--⋅--=，式中L G A m 1=称为解吸因数。

3598.6]424
.24115182
.360776.847045
.009.00)424
.24115182
.360776.8471[(l 424
.24115182
.360776.84711
=⨯+
⋅
⨯-
⨯-
=
∴n N O G
传质单元高度OG H 计算：
关于填料的润湿表面，恩田等人提出如下关联式，
}.)(.)(.)(.)(.exp{20205022107504511a L L G g L a L G L a L G c a w a σρρμσσ⋅-⋅⋅⋅⋅--= 查表得，聚乙烯临界表面张力N/m 10333-c ⨯=σ。

填料的比表面积32/m m 209a =，表面张力m /N 10703-⨯=σ。

液体通过空塔截面的质量流速)/(S m kg D G L ⋅=⨯⨯=
22
984.1263600
4
63
.374074π
59990209
1070100019842681
9100020919842610820919842670334511203
050104
7502
2
2.}).()..().()(.exp{....=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯--=∴---a a w
32/m m 791.3125209999.50=⨯=w a
恩田等关联了大量液相和气相传质数据，分别提出液、气两相传质系数的经验关联式如下：
（1）液相传质系数
4021
323
100510g k .)()()(.p L
L L L w L L L L ad D a G ⋅⋅⋅⋅⋅=-ρμμμρ）（
m d /s m p 232填料的名义尺寸，溶质在液相中的扩散，液相传质系数，--⋅⋅-L L D m kmol s m kmol k )//(
求a k L :
.3207501.891081000g 31
4
31=⨯⨯=-）（）（L L μρ 608.84010
8791.3125984.12632432=⨯⨯=⋅-）（)(L w L a G μ 5244.0010
.221000108219
4
2
1
=⨯⨯⨯=⋅----
）（)
(
L
L L D ρμ 375.9125.00209.4
040=⨯=）（.)(p ad
)//(324L kmol 10076.2450.3207
1.9375
0.0524440.86080.0051k m kmol s m ⋅⋅⨯=⨯⨯⨯=
-
)//(334L km ol 5276.00791.312510076.24a k m kmol s m ⋅⋅=⨯⨯=-
（2）气相传质系数
2p 3170ad a k -⋅⋅=)()()(.G
G G G V G G D a G C D RT ρμμ
）
（气相的质量流速，数，溶质在气体中的扩散系气相传质系数，的环形和鞍形填料为系数，大于s m kg m kmol k 3.25mm 15222G ⋅--⋅⋅--//)/(V G G s D kPa s m C
)/(S m kg D G V ⋅=⨯⨯=
22
859.603600
4
.2
1939π,329281m kg G /.=ρ 求a k G ：
3.25=C
463.23810
.81209859.60.70570=⨯⨯=-）（.)(G V a G μ 821.9010
7.41928.2110.81315531=⨯⨯⨯=--）（)(G G G D ρμ 3663.0025.00209ad 22p =⨯=--)()(
）
（kPa kmol 10760.78303
14.38107.412093663.000.982138.24635.23k 265G s m ⋅⋅⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=--/ kPa kmol 101003.1125.379110760.78a k 336G ⋅⋅⨯=⨯⨯=--s m /
又s
m K M ⋅=∴+=
==3y x
y y L
x G y kmol 3952.00a k m
k 11
K k c k pk k /
)/()/(22
kmol 2133.003600
4
182.360k 182.360m s D h mol G ⋅=⨯⨯=
=π
m K G H OG 5397003952
0021330a y ...===
m 4324.33598.6397.50=⨯==OG OG N H H
4.填料层压降计算
在塔径计算中设计气速s /m 658.508083.0.70u =⨯=
设计气速下
310.85896.801000
1.89928.211170658.502
02
2
02
-⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=⋅..L
F
L V
g u μρρφϕ 在“填料塔泛点和压降的通用关联图”中，纵坐标为0.0068589，横坐标为
734.311000
928.21.2193963.3740745
.05.0==)()(L V V L W W ρρ的点落在a 270P P =∆的等压线上，即此时每米填料层压降为270Pa 。

填料层压降为：pa 748.9264324.3270=⨯=∆P
5.填料吸收塔的主要附属构件简要设计
① 液体分布器:由于液体负荷较大，故考虑采用溢流槽式分布器，三角形堰口。

分布点密度计算：
为了使液体初始分布均匀，原则上应增加单位面积上的喷淋点数。

但是，由于结构的限制，不可能将喷淋点设计得很多。

根据Eckert 建议，当mm D 1200≥时，喷淋密度为2
/42m 点，因该塔液相负荷较大，设计取喷淋点密度为2
/100m 点。

则布液点数为：
7954.7810014
2==⨯⨯=
π
n
布液计算：
由三角形堰溢流式分布器的送液能力计算公式：
V L =2.36·Ф·tan αh
2.5
【化工原理课程设计，大连理工出版社，1994.】
V L 为液体流量，s m /3
; Ф流量系数，取0.6； α三角形堰夹角之半，度，h 为堰液头高度，m 。

此处取α=30°， 则m V h L 2293.03600
30tan 6.036.20744
.74tan 6.036.25.25
.2=⨯⨯⨯=⨯⨯=α
②液体再分布器
塔高度没有远远大于塔径，可不选用液体在分布器。

③填料支撑装置
常用的支撑板有栅板和各种具有升气管结构的支撑板。

这里可选用栅板。

塔径较大时，宜用分块式栅板。

塔径D=900--1200mm 时，栅板由三块组成。

④除沫装置
常见的有折板除沫器，丝网除沫器，旋流板除沫器。

可选用丝网除沫器。

6.动力消耗的计算与运输机械的选择（对吸收剂）
1. 管路总长度估计：估计管路长度l=70m ，局部阻力损失当量长度le=10m ；
2. 输送吸收剂管路所需压头H 估算
H=（Z 2-Z 1）+ +
+∑Hf
由于塔总体高度约6.5m ，故取ΔZ=6.5m ；
操作压力为大气压，故ΔP=0； 由于4000Re >>=
μ
ρ
du ,进入阻力平方区。

按新的无缝钢管计算，取表面粗
糙度ε=0.15，d=150mm ；ε/d=0.001，查得摩擦系数λ=0.0195
7633
.081.922.1150.0800195.022
2=⨯⨯⨯=+=∑g u d le l Hf λ
则H=6.5+0.763=7.3m ；
吸收剂为清水，可选用清水泵，
有h m V L
/30744.74=，H=7.3m
五·设备零部件管口的设计计算及选型
气体和液体的进出口装置 （1）气体和液体的进出口直径的计算
由公式 d =
Vs 为流体的体积流量，s m /3 u 为适宜的流体流速，m/s .
常压气体进出口管气速可取10~20m/s ；液体进出口速度可取0.8~1.5m/s （必要时可加大）。

选气体流速为15m/s,由Vs=1500/3600=0.4167s m /3代入上公式得d=0.188m ，圆整到d=200mm 。

此时气体流速为13.27m/s 。

选液体流速为1.2m/s ，由Vs=74074.363/(3600×1000）=0.02058s m /3代入上公式得 d=0.148m,圆整之后液体进出口管径为d=150mm 。

此时液体流速为1.165m/s 。

（2）塔附属高度：
塔上部空间，考虑到让气流携带的液滴从气相分离及液体分布器的安装，塔上部空间取1.5m 。

塔下部空间，考虑一个合适的液相停留时间及进气接管的安装，塔底所需高度可取为1.5m 。

六·对本设计的讨论
通过做此次课程设计，对填料塔的设计过程有了基本的了解，同时对
填料塔的内部结构有了更深入的了解。

使得知识更加贴切实际，能够学以致用，实际的运用我们所学的知识把它们变为实物，对我们的能力也有的很大的提高。

不过对于更细节的设计，例如法兰连接及管口的设计仍不是很清楚，这些仍是需要进一步学习的地方。

七·主要符号说明
符号意义单位
解吸因数
填料比表面积m2/m3
填料润湿面积m2/m3
C M溶液的总浓度Kmol/ m3
D 填料塔直径m
气相扩散系数m2·s
液相扩散系数m2·s
液体分布器主管直径m
液体分布器直列排管直径m
气相进出口管径m
液相进出口管径m
填料直径m
G 气相摩尔流速kmol/ m2·s
G m气相摩尔流量kmol/s
G L液相质量流速kg/m2·s
G v气相质量流速kg/m2·s
重力加速度m/s2
H 塔身高度m
He 理论填料层高度m
H e‘填料层实际高度m
H OG传质单元高度m
以分压表示推动力的气相传质系数kmol/( m2·s·kPa)
以浓度差表示推动力的液相传质系数m/s
以摩尔分数差表示推动力的液相传质系数kmol/ m2·s
以摩尔分数差表示推动力的气相传质系数kmol/ m2·s
容积总传质系数kmol/ m3·s L 液相摩尔流率kmol/ m2·s
L m液相摩尔流量kmol/ s
m 相平衡常数
吸收剂摩尔质量kg/kmol N OG传质单元数
p 大气压kPa
△P总压降kPa
△P m单位压降kPa
理想气体常数kJ/kmol·K
绝对温度K
液体分布器液体分布器直列排管间距t m
流体流速m/s
泛点气速m/s V L液相体积流量m3/s
V G气相体积流量m3/s
W G气相质量流量kg/s
W L液相质量流量kg/s
x 液相中溶质摩尔分数
y 气相中溶质摩尔分数
η回收率
ε填料空隙率m3/m3
表面张力N/m
填料材质的临界表面张力N/m
液相密度kg/m3
填料堆积密度kg/m3
吸收剂密度kg/m3
气相密度kg/m3
水的密度与液体密度之比
填料因子1/m
气体粘度Pa·s
液体粘度Pa·s
八·参考文献
陈敏恒等《化工原理第二版》.化学工业出版社，2000年魏兆灿李宽宏《化工设备设计全书+塔设备设计》
上海科学技术出版社 1988年。