课程设计二氧化硫吸收塔

一、课程设计任务书、设计题目：
设计一座填料吸收塔，用于脱除混合气体中的SO2，其余为惰性组分，采用清水进行吸收。

、工艺操作条件：
(1)操作压力常压
(2)操作温度：25℃
表一工艺操作条件
、设计Array任务：
（1）
吸收方案和工艺流程的说明
（2）填料吸收塔的工艺计算；
（3）填料吸收塔设备设计;
（4）制备工艺流程图、设备图；
（5）编写设计说明书。

二、设计方案的确定
、吸收剂的选择
吸收塔或再生塔内气液相可以逆流操作也可以并流操作，由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）的显着优点而广泛应用。

用水吸收SO2属中等溶解度的吸收过程，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。

填料的选择
填料的选择包括确定填料的种类，规格及材料。

填料的种类主要从传质效率，通量，
填料层的压降来考虑，填料规格的选择常要符合填料的塔径与填料公称直径比值D/d。

填
料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。

对于水吸收S02的过程、操作、温度及操作压力较低，工业上通常选用所了散装填料。

本设计中采用散装填料，工业常用的主要有选用DN16、DN25、D N38、D N50 、DN76等几种规格。

同类填料，尺寸越小，分离效率越高，但阻力增加，通量减小，填料费用也增加很多。

塑料填料具有质轻、价廉、耐冲击、不易破碎等优点，多用于吸收、解吸、萃取等装置。

但其缺点是表面润湿性能差，在某些特殊场合，需要对其表面进行处理，以提高表面润湿性能。

综合各点因素，在所了散装填料中，塑料阶梯环填料的综合性能较好，故此选用塑料阶梯环填料。

表2 填料尺寸与塔径的对应关系
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、装置的工艺计算：
基础物性数据
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= kg/m3
粘度为μL= Pa·s=(m·h)
表面张力为σL= dyn/cm=932731 kg/h2
SO
2在水中的扩散系数为 D
L
依Wilke-Chang公式计算
0.518
r 0.6
()1.85910
M T D V φμ-=⨯ （1）
其中：
—溶剂的缔合参数，具体值为水。

M r —溶剂的摩尔质量，kg/kmol ； T —溶液的温度，K ； —溶剂的粘度，Pas ；
V —溶质在正常沸点下的分子体积，cm 3/mol ；由正常沸点下的液体密度来计算。

若缺乏此密度数据，则可采用Tyn-Calus 方法估算：
V = （2）
Vc 为物质的临界体积，SO 2临界体积为mol 。

最终计算得SO 2在水中的扩散系数为 D L =×10-9
m 2
/s=×10-6
m 2
/h 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
M Vm =Σy i M i （3）
混合气体的平均密度为
ρVm =PM/RT （4）
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 = ×10-5Pas=(mh)
SO 2在空气中的扩散系数
DD 0×(P 0/P )×(T /T 0) （5）
其中273K 时，×105Pa 时SO 2在空气中的扩散系数为×10m 2/s 最终计算得278K ，×105
Pa 下SO 2在空气中的扩散系数为
D V =×10-5m 2/s= m 2/h
气液相平衡数据
常压下25℃时SO 2在水中的亨利系数为 E = ×103
kPa 相平衡常数为
m =E /P =×103/= （6）
溶解度系数为
H =ρ/EM =×103×=kPam 3 （7）
物料衡算
本设计中取回收率η=98%，液气比L/G=(L/G)min 近似取塔平均操作压强为，故： 混合气量V ＝2000 m 3
／h= kmol/h 混合气SO 2中量V 1＝2000×＝200 m 3
／h
设混合气中惰性气体为空气，则混合气中空气量V 2＝1800 m 3
/h= kmol/h (1)
SO 2进塔体积分数y 1=；出塔体积分数
y 2=
V 1×(1−η)V−V 1×η
=
200×0.022000−200×0.98
=0.00222 （8）
(2) 进塔气相摩尔比为
111y 0.1
0.111y 10.1Y =
==--
出塔气相摩尔比为
Y 2=Y 1(1-η)==
(3)
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
(L
V )min =Y 1
−Y 2Y 1
m
−X 2
=
0.11−0.0022
0.1140.76
=39.94
（9）
L V =1.2(L
V
)min =47.93 L =73.62×47.93=3528.61kmol/h
(6)塔底吸收液组成X 1
V (Y 1−Y 2)=L (X 1−X 2)
X 1=
0.11−0.0022
47.93
=0.00225 （10）
(7)操作线方程
Y=(L/V)X+[Y2-(L/V)X2] （11）
故操作线方程：Y=+
填料塔的工艺尺寸的计算
塔径的计算
采用Eckert通用关联图计算泛点气速。

=2000×= kg/h
气相质量流量为w
G
液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即
W L=×=h
其中：
ρL = kg/m3
ρV = kg/m3
g = m/s2= ×108 m/h2
W V = kg/h
W L = kg/h
μL= Pa·s
通用填料塔泛点和压降的通用关联图（1）采用Ecekert通用关联图法计算泛点气速u
F。

如下：
图一填料塔泛点和压降的通用关联图
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；
g——重力加速度，m /s2；
ρ
、ρL——分别为气体和液体的密度，kg /m3；
G
w
、w L——分别为气体和液体的质量流量，kg /s。

V
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
W L W V ×(ρV
ρL
)0.5=63585.55
2657.4
×(1.3287
997.1
)
0.5
=0.8735
查图一查得纵坐标值为u F2Φ
g
(ρV
ρL
)μL0.2=0.025
表三散装填料泛点填料因子平均值
由于采用DN38聚丙烯阶梯环填料。

故由表一可得填料因子
1
170
F
m φ-
=
泛点气速u F=√0.025gρL
ΦFψρVμL0.2=√0.025×9.81×997.1
170×1×1.3287×0.89370.2
=1.052 m/s（12）
对于散装填料，其泛点率的经验值为u/u F =~
取u= 故操作气速 u=×= m/s 气体的体积流量 V S =2000/3600= m 3
/s
(2) 塔径
D =√
4V S πu
=√
4×0.556
3.14×0.736
= m （13）
圆整塔径，取D = m 。

(3) 泛点率校核：
u =4V S πD 2=4×0.5563.14×1
2=0.708 m/s u u F
=
0.7081.052
= (在允许的范围内)
（4）填料规格校核：
D/d=1000/38= >8
(5）液体喷淋密度校核：
对于直径不超过75mm 的散装填料，可取最小润湿速率
（L w ）min =×10-5 )m 3/(m ·s)=(m ·h)
对于直径大于75mm 的散装填料，可取最小润湿速率（L w ）min =(m ·h) 所以，取最小润湿速率为：（L w ）min =(m ·h) 查填料手册得
塑料阶梯环比表面积 a t =m 3
流体的最小体积通量
U min =（L w ）min a t = × = m 2·h （13）
U =
63585.55/997.1
π4
×12
=81.23 m 3/(m 2·h )>U min
经以上校核可知，填料塔直径选用D =1000mm 合理。

填料层高度计算 (1) 传质单元数N OG
Y 1* = m X 1 = × =
Y 2* = m X 2 = 0
解
吸
因
数
为
:
S =
mV L
=40.76×
73.623528.61
=0.850
（14）
气相总传质单元数为:
N OG
=11−S ln[(1−S)Y 1−Y 2∗ Y 2−Y 2∗
+S]=1ln[(1−0.850)×0.11−0
+0.850)]=14.15 （15）
（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
0.10.20.750.05
2221exp 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-⎧⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎪⎪
=--⎨⎬ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎪⎪⎩⎭
（16）
查表四
表四 常见材质的临界表面张力值
得 C σ= 33 dyn/cm = 427680 kg/h 2
液体质量通量为: U L =
63585.55
π4
×12
=81000.70 kg/(m 2ℎ)
a w a t
=1−exp?{−1.45×(
427680932731
)
0.75×(81000.70132.5×3.2173)
0.1
×
(81000.702×132.5
997.12×1.27×108)
−0.05
×(
81000.702
997.1×932731×132.5
)
0.2
}=0.6225
气膜吸收系数由下式计算：
10.7
3
0.237V V t V G t V V V U a D k a D RT μμρ⎛⎫⎛⎫⎛⎫
= ⎪ ⎪ ⎪
⎝⎭⎝⎭⎝⎭ （17）
气体质量通量为： U V =
2000×1.3287
π4
×12=3385.22kg/(m 2ℎ)
k G =0.237×(3385.22132.5×0.066)0.7×(0.0661.3287×0.051)13
⁄×
132.5×0.0518.314×298
=0.0415kmol/(m 2ℎkPa)
液膜吸收系数由下式计算:
k L =0.0095(
U L a w μL
)23
⁄(μL
ρL D L )−12⁄(μL g
ρL )13
⁄=0.0095×
(81000.70
0.6225×132.5×3.2173)
23
⁄×(
3.2173997.1×6.206×10−6
)−0.5
×(
3.2173×1.27×108997.1
)1
3
=
1.431m/ℎ （18）
表五 常见填料塔的形状系数
本设计填料类型为开孔环 所以 Ψ=,则
k G a k G a w =×132.5×0.6225×1.451.1=5.1512kmol/(m 2ℎkPa) （19）
k L ak L a w =×132.5×0.6225×1.450.4=136.94l/h （20）
由于
u u F
=0.67>0.5
需要按下式进行校正，即
k G ′
a
=[1+9.5(u u F
−0.5)1.4
]k G a （21） k L ′
a
=[1+2.6(
u
u F
−0.5)
2.2
]k L a
（22） 得：
k G ′
a =[1+9.5(0.67−0.5)1.4]×5.1512=9.2623kmol/(m 2ℎkPa)
k L ′
a =[1+2.6(0.67−0.5)2.2]136.94=144.16l/h
则总传质系数： K G a =1
1k G ′a +1Hk L ′a
=
1
19.2623+
1
0.0134×144.16
=1. 5984kmol/(m 2 hkPa) （23）
由
H OG =V K Y aΩ=
V K G aPΩ
=
73.62
1.5984×101.3×12
π4
=0.579m
（24）
（3）填料层高度的计算
Z H OG N OG = × = m （25）
但根据设计经验，填料层的设计高度一般为 Z′＝~Z 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 。

Z′= Z=
设计取填料层高度为 Z′= 查：
表六 散装填料分段高度推荐值
对于阶梯环填料， 8~15m h
D =， max 6h m ≤
取
8
h
D
，则h=8×1000=8000 mm
故需分为两段，每段高 m。

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: W L
W G
×(ρG
ρL
)0.5=0.8735
表七散装填料压降填料因子平均值
查表得，Φp =116 m-1
纵坐标u F2φ
g
(ρV
ρL
)μL0.2=0.7082×116×1
9.81
×(1.3287
997.1
)×0.89370.2=0.0078
查Eckert通用关联图得: △P/Z = m
填料层压降为:
△P=×=
四、辅助设备的计算及选型
4．1 塔顶除雾沫器
穿过填料层的气体有时会夹带液体和雾滴，因此，工艺上对吸收设备提出除雾的要求。

被净化的气体在离开吸收塔之前要进行除雾。

通常，除雾器多设在吸收塔的顶部。

常用的形式有以下几种：(1) 填料除雾器，即在塔顶气体出口前，再通过一层干填料，达到分离雾沫的目的。

（2）折板式除雾器，它是利用惯性原理设计的最简单的除雾器。

（3）丝网除雾器，其为一种分离效率高，阻力较小，重量较轻，所占空间不大的除雾器。

根据除沫装置类型的使用范围，该填料塔选取丝网除沫器（如下图）。

这是一种效率较高的除雾器，可除去大于5μm的液滴，效率可达98%—99%，但压强降较折流板式除雾器为大，约为，且不适用于气液中含有粘结物或固体物质（例如碱液或碳酸氢铵溶液等），因为液体蒸发后留下固体物质容易堵塞丝网孔，影响塔的正常操作。

图2 丝网除雾器装配图
丝网除雾器：一般取丝网厚度H=100~150 mm，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率
0.085 2.3277/
u m s
===
（26）实际气速为最大气速的~倍所以实际气速u=×=s
4．2 液体分布器简要设计
液体分布装置的种类多样，有喷头式、盘式、管式、槽式及槽盘式等。

工业应用以管式、槽式及槽盘式为主。

性能优良的液体分布器设计时必须满足以下几点：（1）、液体分布均匀评价液体分布的标准是：足够的分布点密度；分布点的几何均匀性；降液点间流动的均匀性。

（2）操作弹性大。

（3）自由截面积大。

（4）液体分布器应结构紧凑、占用空间小、制造容易、调整和维修方便。

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
表八 Eckert 的散装填料塔分布点密度推荐值
因该塔液相负荷较大，设计取喷淋点密度为150点/m 2。

布液点数为 n =××150=≈点 设计结果为：二级槽共设五道，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=120点。

（3）布液计算
由重力型液体分布器布液能力计算
由
204
S L d n π
=
（27）
式中 L s ——液体流量，m 3/s ；
n ——开孔数目(分布点数目)； φ——孔流系数，通常取φ＝～； d 0——孔径，m ；
△H ——开孔上方的液位高度，m 。

取φ=， H ∆=160mm,
则d 0=√
4L s nΦπ√2g?H
=√
120×3.14×0.60×√2×9.81×0.16
=0.0139mm
设计取
014d mm
=
液体分布器的安装一般高于填料层表面150~300 mm (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~，这里取塔径的，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200 mm 左右。

（4）.液体再分布器----截锥式再分布器
液体在乱堆填料层内向下流动时，有偏向塔壁流动的现象，偏流往往造成塔中心的填料不被润湿，降低表面利用率。

对于此填料塔而言，由于塔径为1000mm，，根据再分布器各种规格的使用范围，使用最简单的截锥式再分布器。

截锥式再分布器结构简单，安装方便。

如下图
图3 截锥式再分布器
4．3 填料支承装置
用以支承填料的部件。

它应具有： (1)足够的机械强度以承受设计载荷量，支承板的设计载荷主要包括填料的重量和液泛状态下持液的重量。

(2)足够的自由面积以确保气、液两相顺利通过。

总开孔面积应尽可能不小于填料层的自由截面积。

开孔率过小可导致液泛提前发生。

一般开孔率在40%以上。

常用的支承板有栅板、升气管式和气体喷射式等类型。

栅板：优点是结构简单，造价低；缺点是栅板间的开孔容易被散装填料挡住，使有效开孔面积减小。

升气管式：具有气、液两相分流而行和开孔面积大的特点。

气体由升气管侧面的狭缝进入填料层。

气体喷射式支撑板具有气、液两相分流而行和开孔面积大的特点，并有利于液体的均匀再分配。

气体由波形的侧面开孔射入填料层。

本设计中选
用气体喷射式支撑板。

图4 梁式气体喷射支撑板
4．4.填料限定装置
填料上方安装压紧装置可防止在气流的作用下填料床层发生松动和跳动。

填料压紧装置分为填料压板和床层限制板两大类，每类又有不同的型式。

床层限制板用于金属、塑料等制成的不易发生破碎的散装填料及所有规整填料。

床层限制板要固定在塔壁上，为不影响液体分布器的安装和使用，不能采用连续的塔圈固定，对于小塔可用螺钉固定于
塔壁，而大塔则用支耳固定。

本设计中填料塔在填料装填后于其上方安装了填料压紧栅板。

4．5气体和液体的进出口装置
气体进口装置
气体进口装置的设计，应能防止淋下的液体进入管内，同时还要使气体分散均匀。

因此不宜使气流直接由管接口或水平管冲入塔内，而应使气体的出口朝下，使气流折转向上。

管得末端可制成向下的喇叭形扩大口。

气体出口装置
气体出口装置，要求即能保证气体通畅，又能尽量出去被夹带的雾沫，当气体夹带
雾滴较多时，需另装除雾器。

如
图5 气体出口装置
液体进口管
液体的进口管直接指向喷淋装置。

如下图所示：
图6 弯管式液体进口装置
液体出口管
液体出口装置应便于塔内液体的排放，并保证塔内有一定的液封高度。

图7 液体出口装置
(1)气体和液体的进出口直径计算
由公式 d√4V s
πu
Vs为流体的体积流量，m3/s
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~ m/s（必要时可加大）。

选气体流速为12 m/s 由V
S
=2000/3600= m3/s 代入上公式得d=243mm圆整之后，气体进出口管径为φ250×6。

选液体流速为 m/s，由V
S
=×／（3600×）=s 代入上公式得 d=150 mm,圆整之后液体进出口管径为φ160×9。

（2）底液出口管径：选择89mm4mm
φ⨯
管径材料均选择选择热轧无缝钢管
（3）泵的选型由计算结果可以选用：P296型号IS100-80-125型转速2900r/min的泵合适。

填料塔附属高度的计算
塔的附属高度主要包括塔的上部空间高度，安装液体分布器所需的空间高度，塔的底部空间高度等。

塔的上部空间高度是为使随气流携带的液滴能够从气相中分离出来而留取的高度，可取（包括除沫器高度）。

塔的底部空间高度是指塔底最下一块塔板到塔底封头之间的垂直距离。

该空间高度含釜液所占的高度及釜液面上方的气液分离高度的两部分。

釜液所占空间高度的确定是依据塔的釜液流量以及釜液在塔内的停留时间确定出空间容积，然后根据该容积和塔径计算出塔釜所占的空间高度。

设塔定液相停留时间为30s，则塔釜液所占空间高度为
10W L/ρL
π4D2
=30×63585.55/(3600×997.1)
0.785×12
=0.677m
考虑到气相接管的空间高度，底部空间高度取为米，那么塔的附属空间高度可以取为。

吸收塔的总高度为h=+=
7、人孔
表九人孔选择
五、设计结果汇总
表十设计结果
六、课程设计总结
通过本次课程设计，使我对从填料塔设计方案到填料塔设计的基本过程的设计方法、步骤、思路、有一定的了解与认识。

它相当于实际填料塔设计工作的模拟。

在课程设计过程中，基本能按照规定的程序进行，先针对填料塔的特点和收集、调查有关资料，然后进入草案阶段，最后定案。

设计方案确定后，计算物料守衡，传质系数，填料层高度，塔高等；最后进行塔附件设计。

此次课程设计基本能按照设计任务书、指导书、技术条件的要求进行。

同学之间相互联系，讨论，整体设计基本满足使用要求，但是在设计指导过程中也发现一些问题。

理论的数据计算不难，困难就在于实际选材，附件选择等实际问题。

这些方面都应在以后的学习中得以加强与改进。

七、参考资料和文献
[1]贾绍义，柴诚敬．《化工原理课程设计》[M]. 天津：天津大学出版社，2003,149.
[2]柴诚敬，天津大学化工学院.《化工原理》（下册）[M]. 北京：高等教育出版
社，2009.
[3]陈敏恒．《化工原理》[M]．北京：化学工业出版社[M].2004 .
[4]李功样，陈兰英，崔英德. 《常用化工单元设备设计》[M].广州：华南理工
大学出版社.2006.
[5]张前程, 简丽.填料吸收塔中适宜液气比的确定[M]. 内蒙古工业大学学报，
第20卷.
八、主要符号说明
η—-回收率无因次
g——重力加速度， m/s2；
m——相平衡常数，无因次；
——填料的总比表面积，m2/m3
a
t
——填料的润湿比表面积，m2/m3
a
W
d——填料直径，m；
D——塔径，m；
D
——液体扩散系数，m2/s；
L
——气体扩散系数，m2/s ；
D
v
——液沫夹带量,kg(液)/kg(气)；
e
v
h——填料层分段高度，m；
HETP关联式常数；
——允许的最大填料层高度，m；
h
max
H
——塔底空间高度，m；
B
——塔顶空间高度，m；
H
D
——气相总传质单元高度，m；
H
OG
k
——气膜吸收系数，kmol/(m2·s·kPa)；G
——液膜吸收系数，m/s；
k
L
——气相总吸收系数，kmol/(m2·s·kPa)；K
G
L
——液体体积流量，m3/h；
b
——液体体积流量，m3/s；
L
S
——润湿速率，m3/(m·s)；
L
W
n——筛孔数目；
——气相总传质单元数；
N
OG
P——操作压力，Pa；
△P——压力降，Pa；
u——空塔气速，m/s；
u
——泛点气速，m/s
F
——漏液点气速，m/s；
u
——液体通过降液管底隙的速度，m/s；
U——液体喷淋密度，m3/(m2·h)——液体质量通量，kg/(m2·h)
U
L
——最小液体喷淋密度，m3/(m2·h) U
min
——气体质量通量，kg/(m2·h)
U
v
——气体体积流量，m3/h；
V
h
——气体体积流量，kg/s；
V
S
w
——液体质量流量，kg/s；
L
——气体质量流量，kg/s；
w
V
x——液相摩尔分数；
X——液相摩尔比Z
y——气相摩尔分数；
Y——气相摩尔比；
Z——板式塔的有效高度，m；
H--填料层高度，m。

ε——空隙率，无因次；
μ——粘度，Pa·s；
ρ——密度，kg/m3；
σ——表面张力，N/m；
φ——开孔率或孔流系数，无因次；Φ——填料因子，l/m；
ψ——液体密度校正系数，无因次。

下标
max——最大的；
min——最小的；
L——液相的；
V——气相的。