中北大学化工学院2007-2008年度第一学期课程设计(水吸收二氧化硫填料塔设计)

（一） 设计方案简介 ……………………………………………6 1方案的的确定………………………………………………7 2填料的类型与选择 …………………………………………7 3设计步骤 …………………………………………………7 （二） 工艺计算 …………………………………………………7

1．基础物性数据……………………………………………7 （1）液相物性数据 ………………………………………7

( 2）气相物性数据 ……………………………………7 （3）气液相平衡数据 …………………………………8 （4）物料衡算 ……………………………………………8 2．填料塔的工艺尺寸的计算

（1）塔径的计算 …………………………………………9 （2）填料层高度计算……………………………………10 3．填料层压降计算 ………………………………………12

(三) 辅助设备的计算及选型 ……………………………………13 (四) 设计结果汇总 ……………………………………………15 （五）工艺流程图………………………………………………… 15 （六）对设计过程的评述和有关问题的讨论…………………… 16 （七）课程设计心得……………………………………………… 16 （八）参考文献 ……………………………………………………17 （九）主要符号说明 ………………………………………………17

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（一）设计方案简介 一． 方案的的确定 1.装置流程的确定：

用水吸收二氧化硫属高溶解度的吸收过程，为提高传质效率和分离效率，所以，本实验选用逆流吸收流程。

2.吸收剂的选择

吸收剂对溶质的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，且挥发度要低。根据本设计要求，选择用清水作吸收剂，且二氧化硫不作为产品，故采用纯溶剂。

3.操作温度与压力的确定 操作温度：35℃ 操作压力：常压

二、 填料的类型与选择 在化学工业中，经常需要将气体混合物中的各个组分加以分离，其主要目的是回收气体混合物中的有用物质，以制取产品，或除去工艺气体中的有害成分，使气体净化，以便进一步加工处理，或除去工业放空尾气中的有害成分，以免污染空气。吸收操作是气体混合物分离方法之一，它是根据混合物中各组分在某一种溶剂中溶解度不同而达到分离的目的。 二氧化硫有强烈的刺激性气味对于人体健康和大气环境都会造成破坏和污染，因此，为了避免化学工业产生的大量的含有二氧化硫的工业尾气直接排入大气而造成空气污染，需要采用一定方法对于工业尾气中的二氧化硫进行吸收，本次化工原理课程设计的目的是根据设计要求采用填料吸收塔吸收的方法来净化含有二氧化硫的工业尾气，使其达到排放标准。设计采用填料塔进行吸收操作是因为填料可以提供巨大的气液传质面积而且填料表面具有良好的湍流状况，从而使吸收过程易于进行，而且，填料塔还具有结构简单、压降低、填料易用耐腐蚀材料制造等优点，从而可以使吸收操作过程节省大量人力和物力。 本方案选用聚丙烯阶梯环作为填料设计填料塔 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。根据本设计的要求，选择用陶瓷散装填料。在陶瓷散装填料中，陶瓷阶梯环填料的综合性能较好，故选用DN50聚丙烯阶梯环填料。

填料类型 公称直径 外径×高比表面积 空隙率 个数堆积密度 干填料因DN/mm ×厚 a（m2/m3） /% n/m-3 /（kg/m3） 子 d×h× /m-1 陶瓷阶梯50 50×25108.8 78.7 9091 516 223 环 ×.5

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三、 设计步骤

a) 查询物性数据 b) 物料衡算和能量

c) 确定吸收剂最小用量

d) 操作气速u=nuF (n=0.5~0.85) e) 计算填料塔径D

f) 校核操作气速u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，35℃水的有关物性数据如下：

密度为 ρL=99567 kg/m3

粘度为 μL=0.7975 ×10—3Pa·S=2.87 kg/（m·h） 表面张力为 σL=72.6 dyn/cm=940896 kg/h2 SO2在水中的扩散系数为 DL=1.47×109 m2/s （2） 气相物性数据

混合气体的平均摩尔质量为 Mvm=0.05×64＋0.95×29=30.75 混合气体的平均密度为 ρvm=30.75=1.373 kg/m3

22.4

混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得35℃空气的粘度为 μv=1.9×10-5 Pa·S=0.065 kg/(m·h)

查手册得 NH3在空气中的扩散系数为 Dv=0.103 cm2/s=0.037 m2/h （3）气相平衡数据

35℃时SO2在水中的溶解度系数为 H=0.725 kmol/(m3·kPa) 常压下35℃时SO2在水中的亨利系数为 E=5.67MPa 相平衡常数为

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m=E=5.67MPa P101.3KPa=56

（4） 物料衡算

进入吸收塔气体流率 Vm= 24001.37330.75=107.2 Kmol／h

进口混合气SO2流率=107.2×0.05=5.36 Kmol／h 被吸收的SO2=5.36×0.96=5.15 Kmol／h 出口处SO2含量 5.36－5.15=0.21 Kmol／h

空气流量 107.2 Kmol／h－5.36 Kmol／h=101.84 Kmol／h

进塔气相摩尔比为 Y1=5.36=0.05

101.84 出塔气相摩尔比为 Y2= 0.21101.84=0.00206

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LYVmin

=Y12

Y

1mX2对纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为 X2=0 L0.00206

Vmin =

0.05 0.05560 =53.7

取操作液气比为

LV=1.2LVmin

=1.2×53.7=64.4

L=64.4×107.2=6903 kmol/h V(Y1-Y2)=L(X1-X2)

XVY1=

1Y2X2 = 0.00074

L

2．填料塔的工艺尺寸的计算 （1）塔径计算

气相质量流量为 wv=2400×1.373=3295.2 ㎏/h

8

液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即 WL=6903×18.02=124266 ㎏/h

用贝恩—霍根关联式计算泛点气速：

21418㏒ufa

10[G0.2L=AqmLGg3－1.75

LqmGL查附录得空隙率 =0.787 A=0.2943  L液体粘度计算得 uF=2.1m/s

取u =0.8 u F=0.8 ×2.1=1.68 m/s

由D=

4Vs=4107.230.72 1.6836001.373=1.17 m

3.14 圆整塔径，取 D=1.2 m 泛点率校核： u=

4VsD2=1.5 m/s

uu=1.52.1= 71.4% (在允许范围内)在50℅～80℅内 f 填料规格校核：

DD=120050=24>8 P 液体喷淋密度校核： Umin=at（LW）min 取最小润湿速度为

（Lw）min=2.2×10—5 m3/(m·s)=0.08 m3/(m·h) 查常用散装填料的特性参数表， 得 a2t=108.8 m/m3

Umin=（Lw）min at=108.8×2.2×10—5×3600=8.6 m3/m2·h

U=QVU D2=9.96＞min

4经以上校核可知，填料塔直径选用D=1200mm是合理的。

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（2）填料层高度计算

Y1*=mX1=56×0.00074=0.0351=0.04144

Y2*=mX2=0

脱吸因数为 S=0.669

气相总传质单元数为

NY1

OGdYY2YY* = 13.517

气相总传单元高度采用修正的思田关联式计算：

0.713k0.237WGaGaDG1.1 HuGLLGGDGRTkLaWK1G11H KL1

KGKLHK1GKL查表得

c =33dyn/cm=427680 kg/h2 液体质量通量为 U2L=

QLD2=9937.70 kg/(m·h)

4气膜吸收系数由下式计算

0.713 KWGG=0.237aD aGGGDGGRT1.1气体质量通量为

Uv=

QGD2

4k0.237WG0.7G13aDG1.1GaGGDGRT

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填料类型 值 球 形 0.72 常见填料的形状系数 棒 形 拉西环 弧 鞍 0.75 1 1.19 开孔环 1.45 液膜吸收系数有下式计算：

WL3LkL0.0095aDLLLWL3L0.0095aDLLL220.5Lg0.4 L0.5Lg0.4 L=.0553

由kGα=kGαwψ1.1 查表得 ψ=1.45

0.10.050.20.7522WWaWcLLL则kGα=0.147 1exp1.452aLLgLa

KLα= KLαwψ0.4=0.553

0.10.050.20.7522WLWLaWLc1exp1.452aLLgLa

由kˊGα=kGαw ，KˊLα=KLαw

0.10.050.20.752WL2cWLWLaˊ

则kGα= KG1exp1.452agaLLL0.10.050.20.7522WWaWcLLLKLα= KL1exp1.452aLLgLa





G由 HOGm

kya

由 Z= HoGNoG=0.342×13.517=4.623 m，得

Z`=1.25 ×4.623=5.779 m 设计取填料高度为 Z=8 m

常见材质的临界表面张力 材质

碳 瓷 玻 璃 聚丙烯 聚氯乙烯 钢 石 蜡 11

表面张力

56 61 73 33 40 75 20 查表，对于阶梯填料，h ／D=24

H= HoGNoG =6000mm

计算得填料层高度为6000 mm,故不需要分段。 3． 填料层压降计算

采用Eckert通用关联图计算填料层压降。

q横坐标为：XmLG

qmGL0.5u2G0.2纵坐标为：YL

gLG查图得， LGGG=98 ×9.81=961.38Pa/m L0.5填料层压降为

△P=961.38×6=5768.28 Pa 4．液体分布器简要设计 （1）液体分布器的选型

该吸收塔的塔径为1200mm，因此，根据各种液体分布器的适用范围选取槽式分布器。 （2）分布点密度计算

按Eckert建议值，D≥1200时，喷淋点密度为60点/m2，所以，塔径为1200mm时， 布液点数为： n=0.785×1.22×60=482.3≈383点 按分布点几何均匀与流量均匀原则进行布点设计，设计结果为：二级槽工设15道，在槽面开孔，槽宽为80mm，两槽中心距为160mm，分布点采用三角形排列，实际设计布点数为380点。 （3） 布液计算：

由 VL2.36tanH2.5

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取φ=0.6 H=160mm 取30。

（三）辅助设备的计算及选型 1．填料支撑结构

填料支承结构应满足3个基本条件：①使起液能顺利通过.设计时应取尽可能大的自由截面。②要有足够的强度承受填料的重量，并考虑填料孔隙中的持液重量。③要有一定的耐腐蚀性能。填料支承装置的作用是支承塔内的填料，常用的填料支承装置有如图片3-14所示的栅板型、孔管型、驼峰型等。支承装置的选择，主要的依据是塔径、填料种类及型号、塔体及填料的材质、气液流率等。 本设计根据需要，选择孔管型支承装置。 2．填料压紧装置

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，图片3-15中列出了几种常用的填料压紧装置。填料压板自由放置于填料层上端，靠自身重量将填料压紧。它适用于陶瓷、石墨等制成的易发生破碎的散装填料。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。 3. 液体再分布器装置 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1200mm，填料层高度为6000mm，为了提干塔效率，故将其填料分为三层，每层填料约为2000mm，根据再分布器各种规格的使用范围，最简单的液体再分布装置为截锥式再分布器。如图片3-17（a）所示。截锥式再分布器结构简单，安装方便。 4. 除沫装置 除沫装置安装在液体再分布器上方，用以除去出气口气流中的液滴。由于氨气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，根据除沫装置类型的使用范围，该填料塔选取丝网除沫器。 5．填料塔接管尺寸计算

为防止流速过大引起管道冲蚀，磨损，震动和噪音，液体流速一般不超过3m/s ，气体流速一般不超过100m/s。管径计算公式：

QD2V4m33600 h常用管道的公称通径、外径、壁厚

公称通径（mm） 管子外径(mm) 10 14 15 18 20 25 25 32

常用无缝钢管壁厚m 3 3 3 3.5 13

32 40 50 80 （1） 管径的计算Q38 45 57 89 3.5 3.5 3.5 4 D2V43 选 v=60m／s ， 则有 3600mhQD2V44Qm3 得 =29.3mm D3600hv根据管道的公称通径、外径、壁厚表得，公称通径=32mm，δ=2.5mm无缝钢管， 管子外径D=38mm 则 管子内径 d=D-2=38-2×2.5=33mm （2） 底液出口管径：QD2V4 选 v=2m／s 则 D4Q v根据管道的公称通径，外径，壁厚表，得公称通径=20mm，δ=2mm碳钢板 ， 管子外径D=25mm 则 管子内径 d=D-2=25-2×2=21mm

（3） 塔顶气体出口管径 QD2V43 选 v=90m/s 则

3600mhD4Q=73.7mm v，根据管道的公称通径，外径，壁厚表，得

公称通径=80mm，δ=3mm钢管， 管子外径D=89mm 则 管子内径 d=D-2=89-2×3=83mm （4）泵的选型

就计算的结果可以选用：50-32-125型的泵

（四）设计结果汇总

吸收塔类型：阶梯环吸收填料塔 混合气处理量：2400m3/h 工艺参数 管程 清水 101.3 35 名称 物料名称 操作压力，KPa 操作温度，℃

管壳 二氧化硫气 101.3 35 14

流速，m/s 液体密度，kg/m3 流量，kg/h 塔径，mm 填料层高度，mm 压差，KPa 操作液气比 分布点数 黏度，kg/(mh) 表面张力，kg/cm ———— 99567 3295.2 1200 6000 101.3 64.4 380 2.7 940896 2.5 1.373 124266 0.065 ————

（五） 工艺流程图及说明：

混合气出口 进液口 泵 吸收塔 SO2和空气混合气 冷凝器 吸收了SO2的水

在该填料塔中，SO2和空气混合后，经由填料塔的下侧进入填料塔中，从 填料塔顶流下的清水逆流接触，在填料的作用下进行吸收。经吸收后的 混合气体入口混合气体有塔顶排除，吸收了SO2的水 有填料塔的下端流出。（如上图所示）吸收SO2后的液体出口

（六）对设计过程的评述和有关问题的讨论

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经过了一周多时间的课程设计，现在终于完成了这次的课程设计要求， 在终于有了一点的心得。

本设计的任务是用水吸收SO2的填料吸收塔的设计。填料塔是以塔内装有大量的填料为相接触构件的气液传质设备。填料塔的结构较简单，压降低，填料易用耐腐蚀材料制造等优点。

本设计中，由于开始指导老师未给出处理量，我们就自己去摸索，在选择处理量当中发现了很多问题。首先，开始的时候我们是采用Eckert通用关联图计算泛点气速，但是我发现用查图的方法来计算出泛点气速之后进行液体喷淋密度校核时，无论取哪种规格的填料都很难使其符合要求，最后由液体喷淋密度校核这一步往回推导时，我发现差不多要把处理量提高到15000m3/h才有可能符合设计要求。后来我参考了其他的一些资料上的算法发现也有用贝恩（Bain）——霍根（Hougen）关联式计算泛点气速的，当我应用这个关联式计算时发现计算出的结果与查图算出的相差很大，这一步的计算我们认为查关联图不是很准确。后来老师建议我们用1500m3/h的处理量，但是经过我的计算，发现无论用哪种规格的填料都难以使计算符合要求，即使用公称直径为50mm的填料也只是勉强符合要求。最后决定还是用3500m3/h的处理量，从这里的计算我们总结出处理量不能太低，因为选择较低的处理量，首先不适合工业生产要求，其次是在进行液体喷淋密度校核时，计算所得的液体喷淋密度小于最小喷淋密度不适合要求。处理量也不能太大，因为处理量太大时，对设备造成较大磨损，吸收处理不完全。 在填料的选择中，我几乎是用排除法来选择的，就是一种一种规格的算，后来认为DN50计算得的结果比比较好。虽然在同类填料中，尺寸越小的，分离效率越高，但它的阻力将增加，通量减小，填料费用也增加很多。用DN50计算所得的D/d值也符合阶梯环的推荐值。

解决了上面的问题之后就是通过查找手册之类的书籍来确定辅助设备的选型，我们选择孔管型支承装置作为填料支撑，选压紧栅板作为填料压紧装置。

本设计我们所设计的填料塔产能大，分离效率高，持液量小，填料塔结构较为简单，造价适合。不过，它的操作范围小，填料润湿效果差，当液体负荷过重时，易产生液泛，不宜处理易聚合或含有固体悬浮物的物料等。

（七）课程设计心得

在上学年，我们学习了《化工原理》这一课程，《化工原理》是化学工程专业的一门重要的专业基础课，它的内容是讲述化工单元操作的基本原理、典型设备的结构原理、操作性能和设计计算。化工单元操作是组成各种化工生产过程、完成一定加工目的的基本过程，其特点是化工生产过程中以物理为主的操作过程，包括流体流动过程、传热过程和传质过程。在这里面，我们主要学习了流体输送、流体流动、机械分离、传热、传质过程导论、吸收、蒸馏、气-液传质设备，以及干燥等。

这次课程设计是对我们整个大学四年所学知识的一次检验，平时我们更多的学习的是理论上的抽象的知识，在动手能力和实践能力方面比较欠缺，这对我们走上社会后尽快适应工作很不好。因此，学校在本学期安排了 这次课程设计，它具有较强的实践操作性和很大的综合性，要求我们综合运用几年来所学的各门课程的知识，尤其是《流体力学》，《工程热力学》，《化工原理》，《过程设备设计》和《过程控制技术》等。

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这不仅仅让我们重新复习了前面所学的知识，更让我们在实际运用中找到了各门课程的内在联系，使我们把几年来所学课程用一根线联系了起来，使整个大学知识形成了一个网络和体系。以前不知道学习各们课程到底有甚摸作用，在本次课程设计中我深刻的的体会到了课本知识的作用和实际应用价值。

设计中所有的思路、步骤、方法、具体的实施和操作，都要由我们自己讨论和解决。这中间很多问题一个人解决不了，于是我们几个题目相似的同学在一起商量，集思广益，经过大家的努力，最终使问题得到了很好的解决。所以这次设计不但锻炼了我们的动手能力，让我们熟练掌握了填料吸收塔的设计过程和步骤，学会了使用化工方面相关工具书的查阅和使用，也锻炼了我们团结协作的精神，我想这对我们以后会很有好处。

（八）参考文献

[1]．贾绍义．柴诚敬．化工原理课程设计．天津：天津科技技术出版社，2002 [2]．大连理工大学等．化工容器与设计手册．北京：化学工业出版社，1989* [3]．匡国柱，史启才等．化工单元过程及设备课程设计．北京：化学工业出社，2002

[4]．陈敏恒等．化工原理．北京：化学工业出版社，2004

[5]．《化学工程手册》编辑委员会．化学工程手册——气液传质设备．北京：化学工业出版社，1989

[6]．魏姚灿等．塔设备设计．上海：上海科学技术出版社，1988 [7] 张洪流 化工原理 华东理工大学出版社 2006 [8] 大连理工大学 化工原理 高等教育出版社 2002

（九）主要符号说明：

a——填料的有效比表面积，㎡/m3 at——填料的总比表面积，㎡/m3 aw——填料的润湿比表面积，㎡/m3 d——填料直径，m d0——筛孔直径，m D——塔径，m

DL——液体扩散系数，m2/s DV——气体扩散系数，m2/s E——亨利系数，kPa

h——填料层分段高度，m HETP关联式常数

H——开孔上方的液位高度，m H——溶解度系数，kmol/（m3*kPa） HOG——气相总传质单元高度，m NOG——气相总传质单元数 kG——气膜吸收系数，

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kmol/（m2*h*kPa）

kL——液膜吸收系数，m/h

K——稳定系数，无因次 Mvm——混合气体的平均摩尔质量 Lh——液体体积流量，m3/h Ls——液体体积流量，m2/h Lw——润湿速率，m3/（m*h） m——相平衡常数，无因次 n——筛孔数目（分布点数目） P——操作压力，Pa P——压力降，Pa u——空塔气速，m/s

uF——泛点气速，m/s

U——液体喷淋密度，m3/（m2*h） UL——液体质量通量，㎏/（m2*h）

Umin——最小液体喷淋密度，m3/（m2*h） Uv——气体质量通量，㎏/（m2*h） Vh——气体体积流量，m3/h

wL——液体质量流量，㎏/h wV——气体质量流量，㎏/h x——液相摩尔分数， X——液相摩尔比

y——气相摩尔分数 Y——气体摩尔比

Z——填料层高度，m

V——惰性气相流量，kmol/h S——吸脱因数

R——通用气体常数，8.314（m3kPa）/（kmol*K） T——温度，K

Ω——塔的截面积，m2 ΦF——泛点填料因子，m-1 ΦP——压降填料因子，m-1

L——液体的粘度，kg/（m*h）

V——混合气体的粘度，kg/（m*h） vm——混合气体的平均密度，kg/m3L——液体的密度，kg/m3

——开孔率或空流系数，无因次L——液体的表面张力

c——填料材质的临界表面张力，㎏/h2（1dyn/cm=12960㎏/h2）——液体密度校正系数或填料形状系数，无因次 ——空隙率，无因次max——最大的 min——最小的 L——液相

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V——气相

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