SO2填料吸收设计完全版
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
∴L=64.4×GB=64.4×105.87=6818.03kmol/h
对全塔进行物料衡算，GB(Yb-Ya)=L(Xb-Xa)
Xb=GBS(Yb-Ya)/L+Xa=105.87×(0.0638-0.002506)/6818.03+0=0.00095
操作线方程：Y=(LS/GB)X+(Yb-(LS/GB)Xb)=64.4X+0.0026
数据，求出横坐标(ωL/ωV)(ρV/ρL)0.5值，再根据操作空塔气速u及有
关物性数据，求出纵坐标(u2φpψ/g)(ρV/ρL)μL0.2值。通过作图得出交点，
读出过交点的等压线数值，即得出每米填料层压压降值。）
横坐标(ωL/ωV)(ρV/ρL)0.5 =122860.9×（1.250/995.7）0.5/3500=1.244
四、填料塔的工艺尺寸计算
1.塔径的计算
气相质量流量：ωV=2800×1.250=3500kg/h
液相质量流量可近似按纯水计算：ωL=6818.03×18.02=122860.9kg/h
则，Eckert通用关联图横坐标为：
(ωL/ωV) (ρV/ρL)0.5=1.244,
查Eckert通用关联图得，从横坐标1.244处引垂线与乱堆填料泛点
混合气体的平均密度为 ρ= PM/RT=101.325×31.10/(8.314×303.15)=1.250kg/m3
混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得30℃空气的粘度为:
μv=1.86×10-5 Pa·S=0.067 kg/(m·h)
3.气液相平衡数据
30℃时SO2在水中的溶解度系数为 H=0.0114 kmol/(m3·kPa),
一、设计方案的确定
吸收是根据气体混合物各组分在选定的液体吸收剂中溶解度的差异
或化学反应的不同而实现气体组分分离的传质单元操作。通常采用逆流操
作，本次设计所采用的吸收剂是清水，吸收空气中的二氧化硫，属于物理
吸收过程，再根据既定的方案设计填料塔及其附属结构。
1．装置流程的确定
吸收装置的流程主要有逆流、并流、吸收剂部分再循环、多塔并联、
性能的优劣，是决定吸收操作效果的关键之一，选择吸收剂时应着重考虑
以下几方面。
(1)溶解度 吸收剂对溶质组分的溶解度要大，以提高吸收速率并减少
吸收剂的需用量。
(2)选择性 吸收剂对溶质组分要有良好地吸收能力，而对混合气体中
的其他组分不吸收或吸收甚微，否则不能直接实现有效的分离。
(3)挥发度要低 操作温度下吸收剂的蒸气压要低，以减少吸收和再生
线相交，由该点的纵坐标得
2π=4×2800/(3600×22×3.14)=0.2477m/s
u/uf=0.2477/0.3877=0.6389 (在允许范围0.5—0.8内）
填料规格校核：
D/d=2000/25=80>8 (在允许范围内)
液体喷淋密度的校核：
根据一些经验值，d＜75mm散装填料的最小润湿速率(MWR)
HOG=0.00965
m
取Z'=1.3Z
=1.0m
参考文献[5]
h/D=8~15 hmax≤6m 取h/D=8， 则h=8×2.0=16.0m
计算得填料层高度为1.0m，所以不需要分段。
五、填料层压降计算：
采用Eckert通用 计算填料层压降。（计算时，先根据气液负荷及有关物性
串联—并联混合操作等方式。
逆流操作是指气相自塔底进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排
出。逆流操作的特点是，传质平均推动力大，传质速率快，分离效率高，
吸收剂利用率高。工业生产中多采用逆流操作。从传质的效率等因素综合
考虑，本吸收操作选择单塔逆流吸收。
2．吸收剂的选择
吸收过程是依靠气体溶质在吸收剂中的溶解来实现的，因此，吸收剂
为此，分布器设计中应注意以下几点：
①为保证液体在塔截面上均布，颗粒型填料的喷淋点数为40～80个／
m2(环形
填料自分布性能差应取高值)，此外，为减少壁流效应，喷淋孔的分布
应使近
塔壁5～20％区域内的液体流量不超过总液量的10％。规整填料般为
100～200
个／m2 喷淋点。
②喷淋孔径不宜小于2mm，以免引起堵塞，孔径也不宜过大，否则液
本次吸收已经规定吸收操作在常温常压下进行。
4．填料的选择
塔填料的选择是填料塔设计中重要一环，一般要求塔填料具有较大的
通量，较低的压降，较高的传质效率，同时操作弹性大，性能稳定，能满
足物系的腐蚀性、污堵性、热敏性等特殊要求，填料的强度要高，便于塔
的拆装、检修、并且价格要低廉。为此填料应具有较大的比表面积，较高
位高度难
维持稳定。
2填料支承装置
填料支承结构是用于支承塔内填料及其所持有的气体阳液体的重量之
装置。对填料的基本要求是：
① 有足够的强度以支承填料的重量；
② 提供足够的自由截面以使气、液两相流体顺利通过；
③ 防止在此产生液泛；
④ 有利于液体的再分布：
参考文献[6]
圆整塔径D=2.0m
泛点率的校核：
u=4Vs/DS/GB)min=(Yb-Ya)/(Xb*-Xa)=(Yb-Ya)/(Yb/m-Xa)
=（0.0638-0.002506）/（0.0638/47.88-0）
=46.00
假设先取操作液气比为1.4，则：
(LS/GB)=1.6(LS/GB)min=1.4×46.00=64.4
塑料乱堆填料。综合考虑采用瓷质拉西环Dg25聚丙烯拉西环填料。
二、基础物性数据
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，30℃水的有关物性：
密度 ρL =995.7 kg/m3
粘度 μL2L=0.0008 Pa·S=2.88 kg/（m·h）
拉西环
参考文献[1]
参考文献[2]
ρ=1.250kg/m3
GB=105.87
kmol/h
(L
值大约为0.016
为计算方便，采用与液体喷淋密度无关的泛点填料因子平均值，查表
（散装填料泛点填料因子平均值），得 φf=832m-1 (Dg25)
取u=0.7uf=0.7×0.3877=0.2714m/s 则
常压下30℃时SO2在水中亨利系数为 E=4.85×103kPa
相平衡常数为 m=E/P=47.88
三、物料衡算
进塔气相摩尔比：Yb=yb/(1-yb)=0.06/(1-0.06)=0.0638
SO2吸收率（体积分数）：η=(yb-ya)/yb=(6-0.25)/6=95.8%
SO2排放含量（体积分数）：ya=0.0025(已知量)
具体情况和主要矛盾，既考虑工艺要求又兼顾到经济合理性。
本次吸收操作已经规定选择清水作为吸收剂。
3．操作温度与压力的确定
(1)操作温度的确定 由吸收过程的气液平衡关系可知．温度降低可增
加溶质组分的溶解度，即低温有利于吸收，但操作温度的低限应由吸收系
统的具体情况决定；例如水吸收CO2的操作中用水量极大，吸收温度主要
1.液体分布器简要设计
液体在填料塔顶喷淋的均匀状况是提供塔内气液均匀分布的先决条
件，也是使填料塔达到预期分离效果的保证。对液体分布器设计，一般要
求：
①液体分布要均匀；
②自由截面率要大；
③操作弹性要大；
④不易堵塞、不易引起雾沫夹带及起泡等：
⑤可用多种材料制作，且制造安装方便，容易调整水平。
出塔气相摩尔比：Ya=ya/(1-ya)=0.0025/(1-0.0025)=0.002506
进塔惰性气体流量：GB=2800×273.15×（1-0.06）÷303.15÷22.4=105.87kmol/h,
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，
即
对于清水作吸收剂，Xa=0
出水温决定，而水温又取决于大气温度，故应考虑夏季循环水温高时补充
—定量地下水以维持适宜温度。
(2)操作压力的确定 由吸收过程的气液平衡关系可知，压力升高可增
加溶质组分的溶解度，即加压有利于吸收。但随着操作压力的升高，对设
备的加工制造要求提高，且能耗增加，因此需结台具体工艺条件综合考虑，
以确定操作压力。
kg/h
Dg25
参考文献[3]
uf=0.3877m/s
取u=0.7uf
D=2.0m
D/d=>8 (在
允许范围内)
U=L
传质单元高度H
k
k
Z=Hb/(0.785D2)=122860.9/(995.7×0.785×2.02)=39.30m3/(m3·h) >Umin
表面张力 σL=71.2 dyn/cm=922752 kg/h
SO在水中的扩散系数为
D=1.77×10-9 m2/s=1.77×10-9×3600 m2/h=6.372×10-6m2/h
2、气相物性数据
混合气体的平均摩尔质量为 M平均
平均
=ΣMi=0.06×64.06+0.94×29=31.10kg/mol
的空隙率，结构要敞开，死角小， 液体的再分布性能好，填料的类型、尺
寸、材质选择适当。
塑料填料的材质主要包括聚丙烯（PP），聚乙烯（PE）及聚氯乙烯（PVC）
等，国内一般多采用聚丙烯材质。塑料填料的耐腐蚀性能较好，可耐一般
的无机酸、碱和有机溶剂的腐蚀。其耐温性良好，可长期在100℃以下使
用。对于水吸收二氧化硫过程，在常温常压下进行，所以采用工艺上采用
经以上校核可知，填料塔直径选用2.0m合理。因此前文假设的Dg25及
u=0.7uf也是合理的。
2.填料层高度计算
脱吸因数S=mG/L=47.88×105.87÷6818.03=0.7435
气相总传质单元数
OG的计算
利用水吸收SO2的经验公式计算：
用水吸收SO2属于中等溶解度的吸收过程，气膜阻力和液膜阻力都应考虑，
计算体积吸收系数的经验公式如下：
Ga——气膜体积吸收分系数，kmol／(m3·h．Pa)
kLa——液膜体积吸收分系数，1/h；
G——气相空塔质量流速．kg／(m2·h)；
WL——液相空塔质量流速，kg／(m2·h)。
式中各常数列于下表：
Ga=9.81×10-4 ×35000.7×122860.90.95=20298.3 kmol／(m3·h．Pa)
过程中吸收剂的挥发损失。
(4)粘度 吸收剂在操作温度下的粘度越低，其在塔内的流动性越好，
有助于传质速率传热速率的提高。
(5)其他 所选用的吸收剂应尽可能满足无毒性、无腐蚀性、不易燃易
爆、不发泡、冰点低、价廉易得以及化学性质稳定等要求。
一般说来，任何一种吸收剂都难以满足以上所有要求，选用时应针对
查散装填料压降填料因子平均值表得
φp=832/m
纵坐标(u2φpψ/g)(ρVρL)μL0.2=(0.24772×832×1/9.81)×(1.25/995.7)×10.2 =0.0065
查图得ΔP/Z=20×9.81=196.2Pa
填料层压降ΔP=196.2Pa
六．填料吸收塔的附属设备
可取最小润湿速率(LW)min=0.08m3/m·h
查常用填料的特性数据表得
DN25 （25×25×0.8）的比表面积at=220m2/m3
UminWmint=(L)a=0.08×220=17.60m3/(m3·h)
L=6818.03
kmol/h
ωV=3500kg/h
ωL=122860.9
kLa=0.0143×122860.90.85=302.9 h -1
OG·NOG=0.0965×7.736=0.747m
Z'=1.2~1.5Z,取Z'=1.3Z=1.3×0.747m=0.971≈1.0m
查散装填料分段高度值推荐表，对于拉西环填料
假设都合理
S=0.7435
NOG=7.736
ΔP=196.2Pa
⑤ 耐腐蚀，易制造．易装卸等。
填料支承装置分为两类：气液逆流通过平板型支承板，板上有筛孔或
栅板式;气体喷射型，分为圆柱升气管式的气体喷射型支承板和梁式气体喷
对全塔进行物料衡算，GB(Yb-Ya)=L(Xb-Xa)
Xb=GBS(Yb-Ya)/L+Xa=105.87×(0.0638-0.002506)/6818.03+0=0.00095
操作线方程：Y=(LS/GB)X+(Yb-(LS/GB)Xb)=64.4X+0.0026
数据，求出横坐标(ωL/ωV)(ρV/ρL)0.5值，再根据操作空塔气速u及有
关物性数据，求出纵坐标(u2φpψ/g)(ρV/ρL)μL0.2值。通过作图得出交点，
读出过交点的等压线数值，即得出每米填料层压压降值。）
横坐标(ωL/ωV)(ρV/ρL)0.5 =122860.9×（1.250/995.7）0.5/3500=1.244
四、填料塔的工艺尺寸计算
1.塔径的计算
气相质量流量：ωV=2800×1.250=3500kg/h
液相质量流量可近似按纯水计算：ωL=6818.03×18.02=122860.9kg/h
则，Eckert通用关联图横坐标为：
(ωL/ωV) (ρV/ρL)0.5=1.244,
查Eckert通用关联图得，从横坐标1.244处引垂线与乱堆填料泛点
混合气体的平均密度为 ρ= PM/RT=101.325×31.10/(8.314×303.15)=1.250kg/m3
混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得30℃空气的粘度为:
μv=1.86×10-5 Pa·S=0.067 kg/(m·h)
3.气液相平衡数据
30℃时SO2在水中的溶解度系数为 H=0.0114 kmol/(m3·kPa),
一、设计方案的确定
吸收是根据气体混合物各组分在选定的液体吸收剂中溶解度的差异
或化学反应的不同而实现气体组分分离的传质单元操作。通常采用逆流操
作，本次设计所采用的吸收剂是清水，吸收空气中的二氧化硫，属于物理
吸收过程，再根据既定的方案设计填料塔及其附属结构。
1．装置流程的确定
吸收装置的流程主要有逆流、并流、吸收剂部分再循环、多塔并联、
性能的优劣，是决定吸收操作效果的关键之一，选择吸收剂时应着重考虑
以下几方面。
(1)溶解度 吸收剂对溶质组分的溶解度要大，以提高吸收速率并减少
吸收剂的需用量。
(2)选择性 吸收剂对溶质组分要有良好地吸收能力，而对混合气体中
的其他组分不吸收或吸收甚微，否则不能直接实现有效的分离。
(3)挥发度要低 操作温度下吸收剂的蒸气压要低，以减少吸收和再生
线相交，由该点的纵坐标得
2π=4×2800/(3600×22×3.14)=0.2477m/s
u/uf=0.2477/0.3877=0.6389 (在允许范围0.5—0.8内）
填料规格校核：
D/d=2000/25=80>8 (在允许范围内)
液体喷淋密度的校核：
根据一些经验值，d＜75mm散装填料的最小润湿速率(MWR)
HOG=0.00965
m
取Z'=1.3Z
=1.0m
参考文献[5]
h/D=8~15 hmax≤6m 取h/D=8， 则h=8×2.0=16.0m
计算得填料层高度为1.0m，所以不需要分段。
五、填料层压降计算：
采用Eckert通用 计算填料层压降。（计算时，先根据气液负荷及有关物性
串联—并联混合操作等方式。
逆流操作是指气相自塔底进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排
出。逆流操作的特点是，传质平均推动力大，传质速率快，分离效率高，
吸收剂利用率高。工业生产中多采用逆流操作。从传质的效率等因素综合
考虑，本吸收操作选择单塔逆流吸收。
2．吸收剂的选择
吸收过程是依靠气体溶质在吸收剂中的溶解来实现的，因此，吸收剂
为此，分布器设计中应注意以下几点：
①为保证液体在塔截面上均布，颗粒型填料的喷淋点数为40～80个／
m2(环形
填料自分布性能差应取高值)，此外，为减少壁流效应，喷淋孔的分布
应使近
塔壁5～20％区域内的液体流量不超过总液量的10％。规整填料般为
100～200
个／m2 喷淋点。
②喷淋孔径不宜小于2mm，以免引起堵塞，孔径也不宜过大，否则液
本次吸收已经规定吸收操作在常温常压下进行。
4．填料的选择
塔填料的选择是填料塔设计中重要一环，一般要求塔填料具有较大的
通量，较低的压降，较高的传质效率，同时操作弹性大，性能稳定，能满
足物系的腐蚀性、污堵性、热敏性等特殊要求，填料的强度要高，便于塔
的拆装、检修、并且价格要低廉。为此填料应具有较大的比表面积，较高
位高度难
维持稳定。
2填料支承装置
填料支承结构是用于支承塔内填料及其所持有的气体阳液体的重量之
装置。对填料的基本要求是：
① 有足够的强度以支承填料的重量；
② 提供足够的自由截面以使气、液两相流体顺利通过；
③ 防止在此产生液泛；
④ 有利于液体的再分布：
参考文献[6]
圆整塔径D=2.0m
泛点率的校核：
u=4Vs/DS/GB)min=(Yb-Ya)/(Xb*-Xa)=(Yb-Ya)/(Yb/m-Xa)
=（0.0638-0.002506）/（0.0638/47.88-0）
=46.00
假设先取操作液气比为1.4，则：
(LS/GB)=1.6(LS/GB)min=1.4×46.00=64.4
塑料乱堆填料。综合考虑采用瓷质拉西环Dg25聚丙烯拉西环填料。
二、基础物性数据
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，30℃水的有关物性：
密度 ρL =995.7 kg/m3
粘度 μL2L=0.0008 Pa·S=2.88 kg/（m·h）
拉西环
参考文献[1]
参考文献[2]
ρ=1.250kg/m3
GB=105.87
kmol/h
(L
值大约为0.016
为计算方便，采用与液体喷淋密度无关的泛点填料因子平均值，查表
（散装填料泛点填料因子平均值），得 φf=832m-1 (Dg25)
取u=0.7uf=0.7×0.3877=0.2714m/s 则
常压下30℃时SO2在水中亨利系数为 E=4.85×103kPa
相平衡常数为 m=E/P=47.88
三、物料衡算
进塔气相摩尔比：Yb=yb/(1-yb)=0.06/(1-0.06)=0.0638
SO2吸收率（体积分数）：η=(yb-ya)/yb=(6-0.25)/6=95.8%
SO2排放含量（体积分数）：ya=0.0025(已知量)
具体情况和主要矛盾，既考虑工艺要求又兼顾到经济合理性。
本次吸收操作已经规定选择清水作为吸收剂。
3．操作温度与压力的确定
(1)操作温度的确定 由吸收过程的气液平衡关系可知．温度降低可增
加溶质组分的溶解度，即低温有利于吸收，但操作温度的低限应由吸收系
统的具体情况决定；例如水吸收CO2的操作中用水量极大，吸收温度主要
1.液体分布器简要设计
液体在填料塔顶喷淋的均匀状况是提供塔内气液均匀分布的先决条
件，也是使填料塔达到预期分离效果的保证。对液体分布器设计，一般要
求：
①液体分布要均匀；
②自由截面率要大；
③操作弹性要大；
④不易堵塞、不易引起雾沫夹带及起泡等：
⑤可用多种材料制作，且制造安装方便，容易调整水平。
出塔气相摩尔比：Ya=ya/(1-ya)=0.0025/(1-0.0025)=0.002506
进塔惰性气体流量：GB=2800×273.15×（1-0.06）÷303.15÷22.4=105.87kmol/h,
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，
即
对于清水作吸收剂，Xa=0
出水温决定，而水温又取决于大气温度，故应考虑夏季循环水温高时补充
—定量地下水以维持适宜温度。
(2)操作压力的确定 由吸收过程的气液平衡关系可知，压力升高可增
加溶质组分的溶解度，即加压有利于吸收。但随着操作压力的升高，对设
备的加工制造要求提高，且能耗增加，因此需结台具体工艺条件综合考虑，
以确定操作压力。
kg/h
Dg25
参考文献[3]
uf=0.3877m/s
取u=0.7uf
D=2.0m
D/d=>8 (在
允许范围内)
U=L
传质单元高度H
k
k
Z=Hb/(0.785D2)=122860.9/(995.7×0.785×2.02)=39.30m3/(m3·h) >Umin
表面张力 σL=71.2 dyn/cm=922752 kg/h
SO在水中的扩散系数为
D=1.77×10-9 m2/s=1.77×10-9×3600 m2/h=6.372×10-6m2/h
2、气相物性数据
混合气体的平均摩尔质量为 M平均
平均
=ΣMi=0.06×64.06+0.94×29=31.10kg/mol
的空隙率，结构要敞开，死角小， 液体的再分布性能好，填料的类型、尺
寸、材质选择适当。
塑料填料的材质主要包括聚丙烯（PP），聚乙烯（PE）及聚氯乙烯（PVC）
等，国内一般多采用聚丙烯材质。塑料填料的耐腐蚀性能较好，可耐一般
的无机酸、碱和有机溶剂的腐蚀。其耐温性良好，可长期在100℃以下使
用。对于水吸收二氧化硫过程，在常温常压下进行，所以采用工艺上采用
经以上校核可知，填料塔直径选用2.0m合理。因此前文假设的Dg25及
u=0.7uf也是合理的。
2.填料层高度计算
脱吸因数S=mG/L=47.88×105.87÷6818.03=0.7435
气相总传质单元数
OG的计算
利用水吸收SO2的经验公式计算：
用水吸收SO2属于中等溶解度的吸收过程，气膜阻力和液膜阻力都应考虑，
计算体积吸收系数的经验公式如下：
Ga——气膜体积吸收分系数，kmol／(m3·h．Pa)
kLa——液膜体积吸收分系数，1/h；
G——气相空塔质量流速．kg／(m2·h)；
WL——液相空塔质量流速，kg／(m2·h)。
式中各常数列于下表：
Ga=9.81×10-4 ×35000.7×122860.90.95=20298.3 kmol／(m3·h．Pa)
过程中吸收剂的挥发损失。
(4)粘度 吸收剂在操作温度下的粘度越低，其在塔内的流动性越好，
有助于传质速率传热速率的提高。
(5)其他 所选用的吸收剂应尽可能满足无毒性、无腐蚀性、不易燃易
爆、不发泡、冰点低、价廉易得以及化学性质稳定等要求。
一般说来，任何一种吸收剂都难以满足以上所有要求，选用时应针对
查散装填料压降填料因子平均值表得
φp=832/m
纵坐标(u2φpψ/g)(ρVρL)μL0.2=(0.24772×832×1/9.81)×(1.25/995.7)×10.2 =0.0065
查图得ΔP/Z=20×9.81=196.2Pa
填料层压降ΔP=196.2Pa
六．填料吸收塔的附属设备
可取最小润湿速率(LW)min=0.08m3/m·h
查常用填料的特性数据表得
DN25 （25×25×0.8）的比表面积at=220m2/m3
UminWmint=(L)a=0.08×220=17.60m3/(m3·h)
L=6818.03
kmol/h
ωV=3500kg/h
ωL=122860.9
kLa=0.0143×122860.90.85=302.9 h -1
OG·NOG=0.0965×7.736=0.747m
Z'=1.2~1.5Z,取Z'=1.3Z=1.3×0.747m=0.971≈1.0m
查散装填料分段高度值推荐表，对于拉西环填料
假设都合理
S=0.7435
NOG=7.736
ΔP=196.2Pa
⑤ 耐腐蚀，易制造．易装卸等。
填料支承装置分为两类：气液逆流通过平板型支承板，板上有筛孔或
栅板式;气体喷射型，分为圆柱升气管式的气体喷射型支承板和梁式气体喷