.PAGE.一設計任務書〔一〕設計題目水吸收SO2過程填料吸收塔的設計：試設計一座填料吸收塔，用于脫除焙燒爐送出的混合氣體(先冷卻)中的SO2，其余為惰性組分，采用清水進展吸收。混合氣體的處理量m3/h2200混合氣體SO2含量〔體積分數〕10%SO2的回收率不低于97%吸收劑的用量與最小用量之比1.3〔二〕操作條件〔1〕操作壓力常壓〔2〕操作溫度25℃〔三〕設計容〔1〕吸收塔的物料衡算；〔2〕吸收塔的工藝尺寸計算；〔3〕填料層壓降的計算；〔4〕液體分布器簡要設計；〔5〕吸收塔接收尺寸計算；〔6〕繪制吸收塔設計條件圖；〔7〕對設計過程的評述和有關問題的討論。二設計方案簡介2.1方案確實定用水吸收SO2屬中等溶解度的吸收過程，為提高傳質效率，選用逆流吸收流程。因用水作為吸收劑，且SO2不作為產品，故采用純溶劑。2.2填料的類型與選擇對于水吸收SO2的過程，操作溫度及操作壓力較低，工業上通常選用塑料散裝填料。在塑料散裝填料中，塑料階梯環填料的綜合性能較好，故此選用DN38聚丙烯階梯環填料。階梯環是對鮑爾環的改良。與鮑爾環相比，階梯環高度減少了一半，并在一端增加了一個錐形翻邊。由于高徑比減少，使得氣體繞填料外壁的平均路徑大為縮短，減少了氣體通過填料層的阻力。錐形翻邊不僅增加了填料的機械強度，而且使填料之間由線接觸為主變成以點接觸為主，這樣不但增加了填料間的空隙，同時成為液體沿填料外表流動的聚集分散點，可以促進液膜的外表更新，有利于傳質效率的提高。階梯環的綜合性能優于鮑爾環，成為目前所使用的環形填料中最為優良的一種。2.3設計步驟本課程設計從以下幾個方面的容來進展設計〔一〕吸收塔的物料衡算；〔二〕填料塔的工藝尺寸計算；主要包括：塔徑，填料層高度，填料層壓降；〔三〕設計液體分布器及輔助設備的選型；〔四〕繪制有關吸收操作圖紙。三、工藝計算

3.1根底物性數據3.1對低濃度吸收過程，溶液的物性數據可近似取純水的物性數據。由手冊查得，25℃時水的有關物性數據如下：密度為ρL=997.1kg/m3粘度為μL=0.0008937Pa·s=3.2173kg/(m·h)外表力為σL=71.97dyn/cm=932731kg/h2SO2在水中的擴散系數為DL=1.724×10-9m2/s=6.206×10-6m2/h〔依Wilke-Chang計算，查"化學工程根底"〕3.1.2氣相物性數據設進塔混合氣體溫度為25℃，混合氣體的平均摩爾質量為MVm=ΣyiMi=0.1×64.06+0.9×29=32.506g/mol混合氣體的平均密度為ρVm=PM/RT=101.325×32.506/〔8.314×298.15〕=1.3287kg/m3混合氣體的粘度可近似取為空氣的粘度，查手冊得25℃空氣的粘度為μV=1.83×10-5Pa?s=0.066kg/(m?h)查手冊得SO2在空氣中的擴散系數為DV=1.422×10-5m2/s=0.051m2/h〔依計算，其中273K時，1.013×10-5Pa時SO2在空氣中的擴散系數為1.22×10-5m2/s，查"化學工程根底"〕3.1.3氣液相平衡數據由手冊查得，常壓下25℃時SO2在水中的亨利系數為E=4.13×103kPa相平衡常數為m=E/P=4.13×103/101.3=40.76溶解度系數為H=ρ/EM=997.2/4.13×103×18.02=0.0134kmol/kPam33.1.4物料衡算(l).進塔混合氣中各組分的量近似取塔平均操作壓強為101.3kPa，故：混合氣量＝2200×[273.15／(273.15+25)]×1／4=89.98kmol／h混合氣SO2中量＝89.98×0.1＝8.998kmol／h＝8.998×64.06=596.211kg／h設混合氣中惰性氣體為空氣，那么混合氣中空氣量＝89.98-8.998＝80.982kmol／h＝80.982×29＝2348.478kg／h(2)．混合氣進出塔的摩爾組成〔3〕混合氣進出塔摩爾比組成進塔氣相摩爾比為

出塔氣相摩爾比為〔4〕出塔混合氣量出塔混合氣量=80.982+8.998×0.03=83.6814kmol/h=2348.478+596.211×0.03=2366.36433kg/h〔5〕吸收劑〔水〕的用量L該吸收過程屬低濃度吸收，平衡關系為直線，最小液氣比可按下式計算對于純溶劑吸收過程，進塔液相組成為X2=0取操作液氣比為

L=51.4×80.982=4162.4748kmol/h(6)塔底吸收液組成X1(7)操作線方程依操作線方程3.2填料塔的工藝尺寸的計算3.2.1采用Eckert通用關聯圖計算泛點氣速。氣相質量流量為wv=2200×1.3287=2923.14kg/h液相質量流量可近似按純水的流量計算，即WL=4162.47×18.02=75007.7094kg/h其中：ρL=997.1kg/m3ρV=1.3287kg/m3g=9.81m/s2=1.27×108m/h2WV=2923.14kg/hWL=75007.7094kg/hμL=0.0008937Pa·s〔1〕采用Ecekert通用關聯圖法計算泛點氣速uF。通用填料塔泛點和壓降的通用關聯圖如下：圖一填料塔泛點和壓降的通用關聯圖〔引自"化工原理"〕圖中u0——空塔氣速，m/s；φ——濕填料因子，簡稱填料因子，1/m；

ψ——水的密度和液體的密度之比；

g——重力加速度，m/s2；

ρV、ρL——分別為氣體和液體的密度，kg/m3；

wV、wL——分別為氣體和液體的質量流量，kg/s。

此圖適用于亂堆的顆粒形填料，如拉西環、弧鞍形填料、矩鞍形填料、鮑爾環等，其上還繪制了整砌拉西環和弦柵填料兩種規整填料的泛點曲線。對于其他填料，尚無可靠的填料因子數據。Eckert通用關聯圖的橫坐標為

查圖一查得縱坐標值為表一散裝填料泛點填料因子平均值填料類型填料因子，1/mDN16DN25DN38DN50DN76金屬鮑爾環410—117160—金屬環矩鞍—170150135120金屬階梯環——160140—塑料鮑爾環55028018414092塑料階梯環—260170127—瓷矩鞍1100550200226—瓷拉西環1300832600410—〔"化工原理課程設計"附錄十一〕查得：〔2〕操作氣速由以下公式計算塔徑：〔"化工原理課程設計"〕對于散裝填料，其泛點率的經歷值為u/uF=0.5~0.85取u=0.7uF=0.7×0.987=0.691m/s

〔3〕塔徑由

圓整塔徑，取D=1.1m。

〔4〕泛點率校核：

〔5〕填料規格校核：

〔6〕液體噴淋密度校核：

取最小潤濕速率為

〔Lw〕min=0.08m3/m·h

查填料手冊得

塑料階梯環比外表積at=132.5m2/m3Umin=〔Lw〕minat=0.08×132.5=10.6m3/m2·h

經以上校核可知，填料塔直徑選用D=1100mm合理。3.2.2(1)傳質單元數NOG解吸因數為:氣相總傳質單元數為:〔2〕傳質單元高度的計算氣相總傳質單元高度采用修正的恩田關聯式計算查表二:常見材質的臨界外表力值材質碳瓷玻璃聚丙烯聚氯乙烯鋼石蠟外表力,mN/m56617333407520得=33dyn/cm=427680kg/h2液體質量通量為:氣膜吸收系數由下式計算氣體質量通液膜吸收系數由下式計算:查表三:常見填料塔的形狀系數填料類型球形棒形拉西環弧鞍開孔環Ψ值0.720.7511.191.45本設計填料類型為開孔環所以Ψ=1.45,那么又因u/uF=65.15﹪＞50﹪需要按下式進展校正，即可得：那么由〔3〕填料層高度的計算由根據設計經歷，填料層的設計高度一般為

Z′＝(1.2~1.5)Z(4-19)

式中Z′——設計時的填料高度，m；

Z——工藝計算得到的填料層高度，m。得:=1.25×6.26=7.825m設計取填料層高度為

查：表四散裝填料分段高度推薦值填料類型h/DHmax/m拉西環2.5≤4矩鞍5～8≤6鮑爾環5～10≤6階梯環8～15≤6環矩鞍5～15≤6對于階梯環填料，，取，那么h=8×1100=8800mm故需分為兩段，每段高4.0m。3.2.3采用Eckert通用關聯圖計算填料層壓降。橫坐標為:表五散裝填料壓降填料因子平均值填料類型填料因子,1/mDN16DN25DN38DN50DN76金屬鮑爾環306-11498-金屬環矩鞍-13893.47136金屬階梯環--11882-塑料鮑爾環34323211412562塑料階梯環-17611689-瓷矩鞍環700215140160-瓷拉西環1050576450288-查表得，Φp=116m-1縱坐標為:查Eckert通用關聯圖得:△P/Z=117.72Pa/m填料層壓降為:△P=117.72×8.0=941.76Pa四、輔助設備的計算及選型1.除霧沫器穿過填料層的氣體有時會夾帶液體和霧滴，因此需在塔頂氣體排出口前設置除沫器，以盡量除去氣體中被夾帶的液體霧沫，SO2溶于水中易于產生泡沫為了防止泡沫隨出氣管排出，影響吸收效率，采用除沫裝置，根據除沫裝置類型的使用圍，該填料塔選取絲網除沫器。絲網除霧沫器：一般取絲網厚度H=100~150mm，氣體通過除沫器的壓降約為120~250pa。通過絲網除沫器的最大速

實際氣速為最大氣速的0.75~0.8倍所以實際氣速u=0.75×2.3277=1.75m/s2.液體分布器簡要設計〔1〕液體分布器的選型該吸收塔液相負荷較大，而氣相負荷相對較低，應選用槽式液體分布器。〔2〕分布點密度計算表六Eckert的散裝填料塔分布點密度推薦值塔徑,mm分布點密度,點/m2塔截面D=400330D=750170D≥120042按Eckert建議值，因該塔液相負荷較大，設計取噴淋點密度為140點/m2。布液點數為n=0.785×1.12×140=132.9≈133點按分布點幾何均勻與流量均勻的原那么，進展布點設計。設計結果為：二級槽共設七道，在槽側面開孔，槽寬度為80mm，槽高度為210mm。兩槽中心矩為160mm。分布點采用三角形排列，實際設計布點數為n=132點.圖二槽式液體分布器二級槽的布液點示意圖〔3〕布液計算由重力型液體分布器布液能力計算由式中Ls——液體流量，m3/s；

n——開孔數目(分布點數目)；

φ——孔流系數，通常取φ＝0.55～0.60；

d0——孔徑，m；

△H——開孔上方的液位高度，m。

取=0.60，=160mm,那么設計取液體分布器的安裝一般高于填料層外表150~300mm(取決于操作彈性)，槽式分布器主槽分槽高度均取210mm，主槽寬度為塔徑的0.7~0.8，這里取塔徑的0.7，分槽寬度由液體量及停留時間確定，最低液位為50mm為宜，最高液位由操作彈性塔允許高度及造價確定，一般為200mm左右。2.液體再分布器升氣管式液體再分布器在離填料頂面一定距離處，噴淋的液體便開場向塔壁偏流，然后沿塔壁下流，塔中心處填料的不到好的潤濕，形成所謂的"干錐體〞的不正常現象，減少了氣液兩相的有效接觸面積。因此每隔一定的距離設置液體再分布裝置，以克制此現象。由于塔徑為1100mm，因此可選用升氣管式再分布器，分布外徑1180mm，升氣管數8。3填料支承裝置填料支承構造用于支承塔填料及其所持有的氣體和液體的重量之裝置。對填料的根本要：有足夠的強度以支承填料的重量;提供足夠的自由截面以使氣液兩相流體順利通過，防止在此產生液泛；有利于液體的再分布；耐腐蝕，易制造，易裝卸等。常用填料支承板有柵板式和氣體噴射式。這里選用分塊梁式支承板。4.填料限定裝置為防止在上升氣流的作用下填料床層發生松動或者跳動，需在填料層上方設置填料壓緊裝置。對于塑料散裝填料，本設計選用創層限制板。3．氣體和液體的進出口裝置管道的公稱通徑758090100120130140160185205235260315〔1〕氣體和液體的進出口直徑的計算由公式Vs為流體的體積流量，m3/su為適宜的流體流速，m/s.常壓氣體進出口管氣速可取10~20m/s；液體進出口速度可取0.8~1.5m/s〔必要時可加大〕。選氣體流速為15m/s由VS=2200/3600=0.611m3/s代入上公式得d=236.313mm圓整之后，氣體進出口管徑為d=245mm選液體流速為2.0m/s，由VS=3784.07×18.02／〔3600×997.1〕=0.019m3/s代入上公式得d=110mm,圓整之后液體進出口管徑為d=120mm〔2〕底液出口管徑：選擇d=75mm〔3〕泵的選型由計算結果可以選用：IS100-80-125型的泵〔4〕塔附屬高確實定塔的附屬空間高度主要包括塔的上部空間高度，安裝液體分布器和液體再分度器所需的空間高度，塔的底部空間高度以及塔的群坐高度。塔的上部空間高度是指塔填料層以上，應有一足夠的空間高度，以使隨氣流攜帶的液滴能夠從氣相中別離出來，該高度一般取1.2-1.5。安裝液體再分布器所需的塔空間高度依據所用分布器的形式而定一般需要1-1.5m的高度。塔的底部空間高度是指塔底最下一塊塔板到塔底封頭之間的垂直距離。該空間高度含釜液所占的高度及釜液面上方的氣液別離高度的兩局部。釜液所占空間高度確實定是依據塔的釜液流量以及釜液在塔的停留時間確定出空間容積，然后根據該容積和塔徑計算出塔釜所占的空間高度。塔底液相液相停留時間按1min考慮，那么塔釜液所占空間為考慮到氣相接收所占的空間高度，底部空間高度可取1.5米，所以塔的附屬空間高度可以取4.0米。〔5〕人孔公稱壓力公稱直徑密封面型標準號常壓450mm平面(FS)HG21515-95五、設計結果匯總課程設計名稱水吸收SO2填料吸收塔的設計操作條件操作溫度25攝氏度操作壓力：常壓物性數據液相氣相液體密度997.1kg/m3混合氣體平均摩爾質量33.505kg/kmol液體粘度3.22kg/(mh)混合氣體的平均密度1.3287kg/m3液體外表力932731混合氣體的粘度0.066kg/(mh)SO2在水中的擴散系數6.206×10-6m2/hSO2在空氣中的擴散系數0.051m2/h重力加速度1.27×108m/h氣相平衡數據SO2在水中的亨利系數E相平衡常數m溶解度系數H4.13×103kpa40.760.0134kmol/kPam3物料蘅算數據Y1Y2X1X2氣相流量G液相流量L最小液氣比操作液氣比0.110.00330.00208080.982kmol/h4162.4748kmol/h39.5451.4工藝數據氣相質量流量液相質量流量塔徑氣相總傳質單元數氣相總傳質單元高度填料層高度填料層壓降2923.1475007.70941.1m9.8570.636m8.0m941.76pa填料塔附件除沫器液體分布器填料限定裝置填料支承板液體再分布器絲網式二級槽式床層限制版分塊梁式升氣管式六、工藝流程圖下列圖是本設計的工藝流程簡圖圖二工藝流程簡圖七、課程設計總結本次課程設計是在生產實習后進展的，是對化學工程的過程設計及設備的選擇的一個深層次的鍛煉，也是對實際操作的一個加深理解。在設計過程中遇到的問題主要有：〔1〕未知條件的選取；(2)文獻檢索的能力；〔3〕對吸收過程的理解和計算理論的運用；〔4〕對實際操作過程中設備的選擇和條件的最優化；〔5〕對工藝流程圖的理解以及繪制簡單的流程圖和設備構造；〔6〕還有一些其他的問題，例如計算的準確度等等。當然，在本次設計中也為自己再次重新的復習化工這門學科提供了一個動力，對化工設計過程中所遇到的問題也有了一個更深的理解。理論和實際的結合也是本次設計的重點，為日后從事相關工作打下了一定的根底。最后，深感要完成一個設計是相當艱巨的一個任務，如何細節的出錯都有可能造成實際操作中的經濟損失甚至生命平安。八、主要符號說明at——填料的總比外表積，m2/m3aW——填料的潤濕比外表積，m2/m3d——填料直徑，m；D——塔徑，m；DL——液體擴散系數，m2/s；Dv——氣體擴散系數，m2/s；ev——液沫夾帶量,kg(液)/kg(氣)；g——重力加速度，9.81m/s2；h——填料層分段高度，m；HETP關聯式常數；hmax——允許的最大填料層高度，m；HB——塔底空間高度，m；HD——塔頂空間高度，m；HOG——氣相總傳質單元高度，m；kG——氣膜吸收系數，kmol/(m2·s·kPa)；kL——液膜吸收系數，m/s；KG——氣相總吸收系數，kmol/(m2·s·kPa)；Lb——