填料吸收塔设计说明书

一、设计任务及操作条件
① 混合气体的处理量：2400m 3/h
② 混合气体SO 2含量（摩尔分率）：0.05；温度：25℃ ③ 吸收剂清水温度：20℃ ④ SO 2回收率：95% ⑤ 操作压力为常压
二、设计方案
1. 填料的类型与选择
对于水吸收SO 2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DN50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. 设计步骤
① 吸收塔的物料衡算；
② 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； ③ 设计液体分布器及附属设备的选型； ④ 绘制有关的操作图纸。

三、物料衡算
1. 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 = 2400（27327325+）×1
22.4
= 98.15kmol/h
混合气中SO 2量 = 98.15×0.05 = 4.91 kmol/h = 4.91×64.06 = 314.53kg/h 混合气中空气量V = 98.15×0.95 = 93.24kmol/h = 93.24×29 = 2703.96kg/h 2. 混合气进出塔物质的量的组成
1y = 0.05 2y =
4.91(10.95)
93.24 4.91(10.95)
⨯-+⨯- = 0.00263
3. 混合气进出塔摩尔比组成
将混合气中的空气为惰性气体，则
Y 1 = 4.91
93.24
= 0.053 Y 2 = 4.910.0593.24⨯ = 0.0026
4. 出塔混合气量
出塔混合气量 = 93.24 + 4.91×0.05 = 93.49kmol/h
= 2703.96 + 314.53×0.05 = 2719.69kg/h
四、吸收剂水的用量
查表得，常压下25℃时SO 2在水中的亨利系数为 E = 3.55×103 kPa 相平衡常数为 m = E ／P =
3
3.5510101.3
⨯ = 35.04
12min
12
0.0530.0026()93.24()0.053
035.04nL nG Y Y q q Y X m
--==⨯-- = 3106.855kmol/h
L = 1.5q nLmin = 1.5×3106.855 = 4660.28kmol/h = 4660.28×18 = 83885.04kg/h
五、塔底吸收液组成X 1
1212()()nL nG q Y Y q X X -=-
X 1 =
93.24(0.0530.0026)
4660.28
⨯- = 1.008×10-3
六、操作线方程
224660.28()0.002693.24nL nL nG nG q q Y X Y X X q q =+-=+
七、塔径的计算
1. 采用Eckert 通用关联图法计算泛点气速u F 塔底混合气流量W V = 2703.96＋314.53 = 3018.49kg/h 吸收液流量W L = 83885.04＋4.91×0.95×64.06 = 84183.85kg/h
进塔混合气密度V ρ= 4.2229×27327325
+ = 1.186kg/m 3 ( 混合气浓度低，可近似视为空气的密
度 )
吸收液密度ρL = 998.2kg/m 3 吸收液黏度μL = 1.005mPa ·s
选DG50mm 塑料阶梯环，查得其填料因子Φ=127m -1，比表面积A ＝114.2m 2/m 3
u ——空塔气速，m /s ； Ф——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； g ——重力加速度，m /s 2； ρV 、ρL ——分别为气体和液体的密度，kg /m 3； W V 、W L ——分别为气体和液体的质量流量，kg /s 。

关联图的横坐标为
0.50.5
w 84183.851.186()()w 3018.49998.2
V L V L ρρ= = 0.961 查图得纵坐标值为 0.023 =
20.2u ()g V F L L ρφμρ = 20.2u 1271.186
()(1.005)9.81998.2
F ⨯ 2. 操作气速
u F = 1.222m/s u = 0.6u F = 0.6×1.222 = 0.733m /s 3. 塔径 D =
4Vs
u
π = 42400
3.1436000.733
⨯⨯⨯ = 1.159m
圆整塔径，取D = 1.2m 4. 泛点率核算 u =
2
240036000.785 1.2
⨯⨯ = 0.59m/s < u F
0.59100%1.222
F u u =⨯ = 48.28%（在允许范围内）
5. 填料规格校核
径比 D ／d ＝1200／50＝24 > 8 满足塑料阶梯环的径比要求 6. 喷淋密度校核
d ＜75mm 散装填料的最小润湿速率取0.08m 3/(m ·h) 最小喷淋密度U 喷min = 0.08×114.2 = 9.136m 3/(m 2·h) U =
83885.042
998.20.785 1.2
⨯⨯＝74.34m 3／(m 2·h) > U 喷min
经以上校核可知，填料塔直径选用D=1200mm 合理
八、填料层高度计算
1. 传质单元数N OG
Y 1* = mX 1 = 35.04×1.008×10-3 = 0.0353 Y 2* = mX 2 = 0
S = mV
L
= 35.0493.244660.28⨯ = 0.701
12221
ln[(1)]110.0530
ln[(10.701)0.701] 6.409
10.7010.00260
OG Y Y N S S S Y Y **
-=-+---=
-+=--
2. 传质单元高度H OG 液体质量通量U L =
2
84183.850.785 1.2
⨯ = 74472.62kg/(m 2
·h) 气体质量通量U V =
23018.490.785 1.2
⨯ = 2670.285kg/(m 2
·h) 查表得 σc = 33 dyn/cm = 427680 kg/h 2 σL =940896 kg/h 2
μL =1.005×10-3Pa·s =3.618kg/(m·h) μV = 0.066kg/(m·h)
SO 2扩散系数 D L = 5.292×10-6m 2/s D V = 0.04896m 2/s
0.10.20.750.052221exp 1.45w C L t L L t L t L L L L t a U a U U a a g a σσμρρσ-⎧⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎪⎪
=--⎨⎬ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎪⎪⎩⎭
0.050.20.750.1222842768074472.6274472.62114.274472.621exp 1.45940896114.2 3.618998.2 1.2710998.2940896114.2-⎧⎫⎛⎫⎛⎫⨯⎪⎪⎛⎫⎛⎫=--⎨⎬ ⎪
⎪ ⎪ ⎪⨯⨯⨯⨯⨯⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎪⎪⎩
⎭=0.622
10.7
3
0.237V V t V G t V V V U a D k a D RT μμρ⎛⎫
⎛⎫⎛⎫= ⎪
⎪ ⎪⎝⎭
⎝⎭
⎝⎭ 10.7
3
2670.2850.066114.20.048960.237114.20.066 1.1860.048968.314298G k ⨯⎛⎫
⎛⎫⎛⎫= ⎪
⎪ ⎪⨯⨯⨯⎝⎭⎝⎭⎝⎭
=0.0332kmol/(m 2hkPa)
2113
2
3
1218
3
3
2
60.009574472.62 3.618 3.618 1.27100.00950.622114.2 3.618998.2 5.29210998.2L L L L w L L L L U g k a D μμμρρ---⎛⎫⎛⎫⎛⎫
= ⎪ ⎪ ⎪
⎝⎭⎝⎭
⎝⎭⎛⎫
⨯⨯⎛⎫⎛⎫= ⎪ ⎪ ⎪⨯⨯⨯⨯⎝⎭⎝⎭⎝⎭
=1.357m/h
本设计填料类型为开孔环 所以 ψ=1.45
()
1.1
1.1
3
0.0332114.20.622 1.45 3.5489kmol / m kPa G G w k a k a h ψ==⨯⨯⨯=
0.4
0.4
1.357114.20.622 1.45
111.87/L L w k a k a h
ψ==⨯⨯⨯=
H = ρ / ME = 998.2/(18×3.55×103) = 0.0156kmol/(m 3kPa)
因u/uF= 48.28% < 50% 校正()3'
'11
1.17kmol / m kPa 1111
3.54890.0156111.87
G G L K a h k a
Hk a
=
=
=+
+
⨯
2
93.24
0.6951.17101.30.785 1.2OG Y G V V H m K a K aP =
===ΩΩ⨯⨯⨯ 3. 填料层高度
由0.695 6.409 4.45OG OG Z H N m ==⨯= Z' = 1.2×4.45 = 5.34m
设计取填料层高度为 Z' = 5.4m
九、填料层压降计算
查表得，Φp =89 m -1
横坐标为: 0.5
0.961V L V L w w ρρ⎛⎫= ⎪⎝⎭
纵坐标为:
220.20.20.59891 1.186
1.0050.003799.81998.2V P L L u g ρψμρΦ⨯⨯=⨯⨯= 查通用关联图得： △P ／Z = 8 × 9.81 = 78.48Pa ／m 填料层压降为: △P = 78.48 × 5.4 = 423.792Pa
十、填料吸收塔的附属设备
1. 填料支承装置
填料支承结构用于支承塔内填料及其所持有的气体和液体的重量之装置。

对填料的基本要求是：有足够的强度以支承填料的重量；提供足够的自由截面以使气液两相流体顺利通过，防止在此产生液泛；有利于液体的再分布；耐腐蚀，易制造，易装卸等。

常用填料支承板有栅板式和气体喷射式。

这里选用栅板式，由于本塔径为1.2m ，栅板分为三块。

2. 除雾层
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，SO 2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。

3. 液体分布器
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。

因该塔液相负荷较大，设计取喷淋点密度为100点/m 2 ，按分布点几何均匀与流量均匀的原则，进行布点设计。

布液点数为n = 0.785×1.22×100 = 113.04≈114点
设计结果为：二级槽共设6道，在槽侧面开孔，槽宽度为80mm ，槽高度为210mm 液体分布器一般安装高于填料表面的150—300mm
十一、主要符号说明
E —亨利系数，atm OG H —气相总传质单元高度，m
m —相平衡常数 ψ—水的密度和液体的密度之比
g —重力加速度，2/m s ,G L ρρ—分别为气体和液体的密度，3/kg m ,G L W W —分别为气体和液体的质量流量，/kg s Ω—塔截面积，2
4
D π
Ω=
Y K a
—气相总体积传质系数，
()
3/kmol m s ⋅
OG
N —气相总传质单元数 G
G —气体通过
空塔截面的质量流速，
()
2/kg m s ⋅
G μ—气体的粘度，/Pa s
G K —以分压差表示推动力的总传质系数，()
2/kmol m s kPa ⋅⋅
W a —单位体积填料的润湿面积
G
D —溶质在气相中的扩散系数，2
/m s
G
k —以分压差表示推动力的气膜传质系数，
()
2/kmol m s kPa ⋅⋅
H —溶解度系数，
()
2/kmol m kPa ⋅ R —气体常数，()8.314/kN m kmol K ⋅⋅
L
k —以摩尔浓度差表示推动力的液摩尔传质系数，/m s Z —填料层高度，m。