课程设计填料吸收塔工艺设计

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1、工单元过程课程设计 填料吸收塔工艺设计Xuzhou College of Industrial Technology 填料吸收塔课程设计说明书专 业 化 学 制 药 班 级 制药112 姓 名 陈珊 班 级 学 号 1132104204 指 导 老 师 刘 郁 日 期 2013-04-10 成 绩 目 录3摘要1第一章 前言21.1填料塔的结构原理及其应用2（1）结构原理2（2）填料塔的应用31.2吸收操作原理31.3吸收技术的应用41.4工业吸收塔应具备以下基本要求5第二章 用清水吸收炉气中的二氧化硫62.1任务及操作条件62.2吸收工艺流程的确定6第三章 设计方案的选定7一、布置工艺流程7

2、1.1 气体吸收的分类71.2吸收操作的选择7二、吸收剂的选择82.1选择的依据82.2工业上常用的吸收剂8三、填料的选择93.1填料的类型10散装填料10拉西环10鲍尔环10阶梯环11金属环矩鞍填料11瓷矩鞍填料11规整填料12格栅填料13波纹填料13四、填料选用准则13五、填料规格的选择13第四章 吸收塔的工艺计算154.1 基础物性数据154.1.1 液相物性数据154.1.2 气相物性数据154.1.3 气液相平衡数据154.2 物料衡算164.2.1操作线方程174.3 填料塔的工艺尺寸的计算174.3.1空塔气速的确定174.3.2液体喷淋密度的求法194.3.3传质单元高度计算2

3、04.3.4传质单元数的计算234.3.5填料层高度234.4 填料层压降的计算244.5液体分布器计算264.5.1液体分布器264.5.2液体分布器简要设计264.5.2.1 液体分布器的选型264.5.2.2 分布点密度计算264.5.2.3布液计算274.6其他附属塔内件的选择284.6.1多孔型液体分布器284.6.2直管式多孔分布器284.6.3排管式多孔分布器284.6.4填料支撑板294.6.5填料压板与床层限制板294.6.6气体进出口装置与排液装置29五、设计结果汇总31六、主要符号说明32七、总结34参考文献35摘要吸收是分离气体混合物的单元操作。吸收过程是利用气体混合物

4、中各个组分在液体（吸收剂）中的溶解度不同，来分离气体混合物的操作。吸收塔是实现吸收操作的设备。按气液相接触形态分为三类。第一类是气体以气泡形态分散在液相中的板式塔、鼓泡吸收塔、搅拌鼓泡吸收塔；第二类是液体以液滴状分散在气相中的喷射器、文氏管、喷雾塔；第三类为液体以膜状运动与气相进行接触的填料吸收塔和降膜吸收塔。但由于填料塔具有结构简单、生产能力大、分离效率高、压降小、持液量小、操作弹性大、阻力小、加工容易、吸收效果好等优点，因此在各个领域中应用广泛。填料塔是塔设备的一种。塔内填充适当高度的填料，以增加两种流体间的接触表面。例如应用于气体吸收时，液体由塔的上部通过分布器进入，沿填料表面下降。气体

5、则由塔的下部通过填料孔隙逆流而上，与液体密切接触而相互作用。结构较简单，检修较方便。广泛应用于气体吸收、蒸馏、萃取等操作。为了强化生产，提高气流速度，使在乳化状态下操作时，称乳化填料塔或乳化塔(emulsifyingtower)。本设计任务是25清水吸收其中的二氧化硫。对于气体的吸收应该采用气液传质设备的填料塔，因为它具有较高的比表面积。用水吸收其中的二氧化硫属中等溶解度的吸收过程，为提高传质效率，选用逆流吸收流程。陶瓷填料（瓷环）具有优异的耐酸耐热性能、能耐除氟氧酸以外的各种酸、碱的腐蚀。陶瓷填料可用于化工、冶金、制酸、煤气、制氧、钢铁、制药、精细化工等行业的洗涤塔、冷却塔、回收再生塔、脱硫

6、塔、干燥塔、吸收塔及反应器的内衬。瓷环包括三Y 环、拉西环、十字隔板环、鲍尔环、矩鞍环、异鞍环、共轭环等等。其中陶瓷矩鞍环属于采用连续挤出的工艺进行加工，具有通量大、压降低、效率高等优点。矩鞍环填料床层具有较大的空隙率，床层内多为圆弧形液体通道，减少了气体通过床层的阻力，也使液体向下流动时的径向扩散系数减小。所以选用DN38的瓷矩鞍。关键词：吸收二氧化硫填料塔逆流第一章 前言1.1填料塔的结构原理及其应用（1）结构原理填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料塔的塔身 是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气

7、流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁收近的液流量逐渐增大，这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质效率下降。因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的液体经液体收

8、集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大等优点。1填料塔也有一些不足之处，如填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面，使传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。填料塔结构示意图（2）填料塔的应用聚炳烯槽填料塔随着新型塔填料的相继开发和应用，填料塔的优点更显突出，应用范围日益扩大。在炼油、石油化工、精细化工、化肥、制药和原子能工业部门，以及环保领域的应用已趋于成熟。填料塔尤其适用于真空蒸馏、常压及中压下的蒸馏，当然还有大气量的两相接触过程(如气体的吸收、冷

9、却等)，但在高压精馏塔中应用时要特别谨慎。人们正在对高压精馏填料塔进行研究，企图从填料塔的结构和操作方法上予以解决，例如有人提出填料层分段乳化操作或采用超重力场分离等。在突破高压精馏塔应用填料的局限性方面已取得了一些进展，其关键是彻底弄清高压(高液相负荷)对塔的处理能力和效率的影响，可利用浅床层和高性能塔构件(如气体分布器、液体分布器及再分布器)。也有人建议开发适用于高压蒸馏的组合式填料。填料塔应用的另一个新领域是空气分离装置。30年代以前的空分设备，主要是满足焊接、切割用氧及化工用氮。由于现代钢铁、氮肥、化工及火箭等技术的发展，氧、氮及稀有气体的用量迅速增加。国外一些大公司，如德国的Lind

10、e公司，美国的APCI公司(空气制品与化学品公司)、英国的BOC公司(氧气公司)和法国的空气液化公司等，均已开始把填料塔应用于空分方面的研究，瑞士Sulzer公司作为填料生产厂商与上述公司积极合作，已取得可喜成绩。21.2吸收操作原理气体吸收是典型的化工单元操作过程。气体吸收的原理是，根据混合气体中各组分在某液体溶剂中的溶解度不同而将气体混合物进行分离。吸收操作所用的液体溶剂称为吸收剂，以S表示；混合气体中，能够显著溶解于吸收剂的组分称为吸收物质或溶质，以A表示；而几乎不被溶解的组分统称为惰性组分或载体，以B表示；吸收操作所得到的溶液称为吸收液或溶液，它是溶质A在溶剂S中的溶液；被吸收后排出的

11、气体称为吸收尾气，其主要成分为惰性气体B，但仍含有少量未被吸收的溶质A。3吸收过程通常在吸收塔中进行。根据气、液两相的流动方向，分为逆流操作和并流操作两类，工业生产中以逆流操作为主。吸收塔操作示意图如图片2-1所示.1.3吸收技术的应用吸收操作时分离气体混合物的一种重要方法，是传质过程的一种形式，在化工生产中已被广泛应用。归纳起来主要用于以下几个方面。原料气的净化。化工生产中，常遇到混合气体中含有对后工序有害的气体，应设法将其出去，已达到净化气体的目的。如氨合成原料气中的CO2用水或碱液吸收，以防止氨合成催化剂中毒。回收混合气体中的有用组分。如用洗油处理焦炉气以回收其中的芳烃。制备气体的溶液作

12、为产品。如用水吸收氯化氢气体制取盐酸；用水吸收甲醛蒸汽制取福尔马林等。环境保护，综合利用。如烟道气中的CO2和SO2的脱除，既达到了回收其中有用组分的目的，又解决了SO2等有害气体对空气的污染问题。所以，吸收操作在环境保护中是常用的方法之一。4下面举一个火电厂烟气湿法脱硫的例子烟气湿法脱硫是当今国际上85%左右大型火电厂采用的工艺流程, 而我国火电厂的烟气脱硫尚处于技术开发阶段。吸收塔是火电厂湿法脱硫(FGD ) 的核心设备。其作用是将除尘后的烟气中SO2被石灰浆液吸收,经除雾器除雾后进入烟道。吸收SO2后的浆液在塔体下部浆池内逐步氧化反应生成石膏作为商品外销。该塔操作压力不高(3kPa 左右

13、) , 温度不高(进气温度一般在140左右, 出口温度小于50) , 但直径较大(一般配30万kW机组, 其直径约为13m 14 m )。属大型薄壁容器。其特点: 一是开孔大, 考虑为使入口烟气在塔内分布均匀, 矩形入口管宽/高比较大, 入口开孔之宽达塔径的80% 以上, 加上开孔的上部有喷浆管及除雾器等较重部件沿轴向压下, 故该设备的大开孔加强计算较复杂。二是塔体及各零部件所用材料要求既耐腐蚀, 有些还要求耐浆液的冲刷及磨蚀。本塔为气液逆向反应的立式塔, 其大致结构如图1 所示。5图1吸收塔示意图1.4工业吸收塔应具备以下基本要求：6 塔内气体与液体应有足够的接触面积和接触时间。 气液两相应

14、具有强烈扰动，减少传质阻力，提高吸收效率。 操作范围宽，运行稳定。设备阻力小，能耗低。具有足够的机械强度和耐腐蚀能力。结构简单、便于制造和检修。第二章 用清水吸收炉气中的二氧化硫2.1任务及操作条件1. 操作方式：连续操作；2. 生产能力：处理气量：2604；3. 操作温度：25；4. 操作压力：常压101.3kPa；5. 进塔混合气含量；二氧化硫的体积分数为5.04；温度25；其余为空气；6. 进塔吸收剂：清水；7. 二氧化硫回收率：95；2.2吸收工艺流程的确定采用常规逆流操作流程流程如下。第三章 设计方案的选定一、布置工艺流程1.1 气体吸收的分类 气体吸收过程通常按以下方法分类。 (1

15、) 单组分吸收与多组分吸收吸收过程按被吸收组分数目的不同，可分为单组分吸收和多组分吸收。若混合气体中只有一个组分进入液相，其余组分不溶（或微溶）于吸收剂，这种吸收过程称为单组分吸收。反之，若在吸收过程中，混合气中进入液相的气体溶质不止一个，这样的吸收称为多组分吸收。 (2) 物理吸收与化学吸收 在吸收过程中，如果溶质与溶剂之间不发生显著的化学反应，可以把吸收过程看成是气体溶质单纯地溶解于液相溶剂的物理过程，则称为物理吸收。相反，如果在吸收过程中气体溶质与溶剂(或其中的活泼组分)发生显著的化学反应，则称为化学吸收。 (3) 低浓度吸收与高浓度吸收 在吸收过程中，若溶质在气液两相中的摩尔分率均较低

16、（通常不超过0.1），这种吸收称为低浓度吸收；反之，则称为高浓度吸收。对于低浓度吸收过程，由于气相中溶质浓度较低，传递到液相中的溶质量相对于气、液相流率也较小，因此流经吸收塔的气、液相流率均可视为常数。 (4) 等温吸收与非等温吸收 气体溶质溶解于液体时，常由于溶解热或化学反应热，而产生热效应，热效应使液相的温度逐渐升高，这种吸收称为非等温吸收。若吸收过程的热效应很小，或虽然热效应较大，但吸收设备的散热效果很好，能及时移出吸收过程所产生的热量，此时液相的温度变化并不显著，这种吸收称为等温吸收。7工业生产中的吸收过程以低浓度吸收为主。1.2吸收操作的选择塔内气液两相的流动方式可以逆流也可并流。通

17、常采用逆流操作，吸收剂以塔顶加入自上而下流动，与从下向上流动的气体接触，吸收了吸收质的液体从塔底排出，净化后的气体从塔顶排出。二、吸收剂的选择 2.1选择的依据吸收是气体溶质在吸收剂中溶解的过程。因此，吸收剂性能的优劣往往是决定吸收效果的关键。选择吸收剂应注意以下几点。 (1) 溶解度 吸收剂对溶质组分的溶解度越大，则传质推动力越大，吸收速率越快，且吸收剂的耗用量越少。 (2) 选择性 吸收剂应对溶质组分有较大的溶解度，而对混合气体中的其它组分溶解度甚微，否则不能实现有效的分离。 (3) 挥发度 在吸收过程中，吸收尾气往往为吸收剂蒸汽所饱和。故在操作温度下，吸收剂的蒸汽压要低，即挥发度要小，以

18、减少吸收剂的损失量。 (4) 粘度 吸收剂在操作温度下的粘度越低，其在塔内的流动阻力越小，扩散系数越大，这有助于传质速率的提高。 (5) 其它 所选用的吸收剂应尽可能无毒性、无腐蚀性、不易燃易爆、不发泡、冰点低、价廉易得，且化学性质稳定。82.2工业上常用的吸收剂 工业上常用的吸收剂有：硅胶、活性氧化铝、活性炭、分子筛等，另外还有针对某种组分选择性吸收而研制的吸收材料。气体吸收分离成功与否，极大程度上依赖于吸收剂的性能，因此选择吸收剂是确定吸收操作的首要问题。6 n: z: C N7 S& V2 ?* b常用吸收剂的性能简介如下+ B* B* j+ & M. d& m, D U3 l1.硅胶-

19、 W. v) I, w% 4 Z是一种坚硬、无定形链状和网状结构的硅酸聚合物颗粒，分子式为SiO2.nH2O，为一种亲水性的极性吸收剂。它是用硫酸处理硅酸钠的水溶液，生成凝胶，并将其水洗除去硫酸钠后经干燥，便得到玻璃状的硅胶，它主要用于干燥、气体混合物及石油组分的分离等。工业上用的硅胶分成粗孔和细孔两种。粗孔硅胶在相对湿度饱和的条件下，吸收量可达吸收剂重量的以上，而在低湿度条件下，吸收量大大低于细孔硅胶。1 D+ m; A- X; Z9 h% p活性氧化铝是由铝的水合物加热脱水制成，它的性质取决于最初氢氧化物的结构状态，一般都不是纯粹的Al2O3,而是部分水合无定形的多孔结构物质，其中不仅有无

20、定形的凝胶，还有氢氧化物的晶体。由于它的毛细孔通道表面具有较高的活性，故又称活性氧化铝。它对水有较强的亲和力，是一种对微量水深度干燥用的吸收剂。在一定操作条件下，它的干燥深度可达露点-以下。+ p6 D4 z1 2.活性炭. t0 l) D4 o/ R) Z& r2 J是将木炭、果壳、煤等含碳原料经炭化、活化后制成的。活化方法可分为两大类，即药剂活化法和气体活化法。药剂活化法就是在原料里加入氯化锌、硫化钾等化学药品，在非活性气氛中加热进行炭化和活化。气体活化法是把活性炭原料在非活性气氛中加热，通常在700以下除去挥发组分以后，通入水蒸气、二氧化碳、烟道气、空气等，并在7001200温度范围内进

21、行反应使其活化。活性炭含有很多毛细孔构造所以具有优异的吸收能力。因而它用途遍及水处理、脱色、气体吸收等各个方面。Y4 z- y1 Y9 z% f- 3 L4 n3.沸石分子筛! G9 / p9 M- X; g: . 又称合成沸石或分子筛，其化学组成通式为：/ D; D9 mc3 N7 2 S& IM2()M()O.Al2O3.nSiO2.mH2O7 ! pm% z5 t7 h# u( ?- X式中M2()和M()分别为为一价和二价金属离子，多半是钠和钙，n称为沸石的硅铝比，硅主要来自于硅酸钠和硅胶，铝则来自于铝酸钠和Al(HO)3等，它们与氢氧化钠水溶液反应制得的胶体物，经干燥后便成沸石，一般

22、n=210,m=09。沸石的特点是具有分子筛的作用，它有均匀的孔径，如3A0、4A0、5A0、10A0细孔。有4A0孔径的4A0沸石可吸收甲烷、乙烷，而不吸收三个碳以上的正烷烃。它已广泛用于气体吸收分离、气体和液体干燥以及正异烷烃的分离。5 z$ n# m: |8 i! # 4 I# O k, e+ v6 D6 c0 p& V& ?; 0 4.其它* X/ q- X; B( J5 c6 B 吸收剂也称吸附剂.这种物质可使活性成分收着在其颗粒表面,使液态微量化合物添加剂变为固态化合物,有利于实施均匀混合.其特性是吸收性强,化学性质稳定. e- m8 ( X( B m A7 m吸收剂一般也分为有机

23、物和无机物两类,有机物类如小麦胚粉,脱脂的玉米胚粉,玉米芯碎片,粗麸皮,大豆细粉以及吸水性强的谷物类等.无机物类则包括二氧化硅,蛭石,硅酸钙等. % X% _# |) 1 i0 # E2 X: g- # g9 P最具代表性的吸收剂是活性炭，吸收性能相当好，但是成本比较高，曾应用在松花江事件中用来吸收水体中的甲苯。其次还有分子筛、硅胶、活性铝、聚合物吸收剂和生物吸收剂等等。9三、填料的选择填料是填料塔中气液接触的基本构件，其性能的优劣是决定填料塔操作性能的主要元素，因此，填料的选择是填料塔设计的重要环节。3.1填料的类型填料有以下几种：根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料。散装填料散装填

24、料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积在塔内，又称为乱堆填料或颗粒填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。现介绍几种较为典型的散装填料:拉西环、鲍尔环、阶梯环、弧鞍填料 、矩鞍填料、 金属环矩鞍 、填料球形填料拉西环（1）拉西环填料于1914年由拉西（F. Rashching）发明，为外径与高度相等的圆环。拉西环填料的气液分布较差，传质效率低，阻力大，通量小，目前工业上已较少应用。鲍尔环（2）鲍尔环填料是对拉西环的改进，在拉西环的侧壁上开出两排长方形的窗孔，被切开的环壁的一侧仍与壁面相连，另一侧向环内弯曲，形成内伸的舌叶，诸舌

25、叶的侧边在环中心相搭。鲍尔环由于环壁开孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率，气流阻力小，液体分布均匀。与拉西环相比，鲍尔环的气体通量可增加50%以上，传质效率提高30%左右。鲍尔环是一种应用较广的填料。 阶梯环（3） 阶梯环填料是对鲍尔环的改进，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

26、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。 金属环矩鞍填料（4） 金属环矩鞍填料 环矩鞍填料（国外称为Intalox）是兼顾环形和鞍形结构特点而设计出的一种新型填料，该填料一般以金属材质制成，故又称为金属环矩鞍填料。环矩鞍填料将环形填料和鞍形填料两者的优点集于一体，其综合性能优于鲍尔环和阶梯环，在散装填料中应用较多。瓷矩鞍填料（5）陶瓷矩鞍环属于采用连续挤出的工艺进行加工，具有通量大、压降低、效率高等优点。矩鞍环填料床层具有较大的空隙率，床层内多为圆弧形液体通道，减少了气体通过床层的阻力，也使液体向下流动时的径向扩散系数减小。国内拉西环特性数据mm比表面积m/m空隙率m/m个数n

27、/ m堆积重量kg/ m干填料因子m15*15*0.53500.9224800066046025*25*0.82200.925500064029035*35*1.01500.931900057019050*50*1.01100.95700043013076*76*1.6680.95187040080国内鲍尔环特性数据型号规格mm比表面积m/m空隙率m/m个数n/ m堆积重量kg/ m干填料因子mDg1616*16*0.52390.928192500346299Dg2625*25*0.52190.93449000414.2269Dg3838*38*0.71760.94513400312253Dg

28、5050*50*0.81340.9496800311131Dg7676*76*1.0960.96198021672规格mm比表面积m/m空隙率m/m个数n/ m堆积重量kg/ m干填料因子m25*12.5*0.52540.9397160383.527338*19*0.8154.30.9431890465.6185.850*28*1132.50.9511600323.9127.4填料尺寸mm比表面积m/m空隙率m/m个数n/ m堆积重量kg/ mDg25*20*0.61850.96101160119Dg38*30*0.81120.9636600365Dg50*40*174.90.96104002

29、91Dg76*60*1.257.60.973320244.7国内阶梯环特性数据国内金属环矩鞍填料特性数据规整填料规整填料是按一定的几何构形排列，整齐堆砌的填料。规整填料种类很多，根据其几何结构可分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料等。格栅填料（1）格栅填料是以条状单元体经一定规则组合而成的，具有多种结构形式。工业上应用最早的格栅填料为木格栅填料。目前应用较为普遍的有格里奇格栅填料、网孔格栅填料、蜂窝格栅填料等，其中以格里奇格栅填料最具代表性。格栅填料的比表面积较低，主要用于要求压降小、负荷大及防堵等场合。波纹填料（2）波纹填料目前工业上应用的规整填料绝大部分为波纹填料，它是由许多波纹薄板组成的圆盘

30、状填料，波纹与塔轴的倾角有30和45两种，组装时相邻两波纹板反向靠叠。各盘填料垂直装于塔内，相邻的两盘填料间交错90排列。波纹填料按结构可分为网波纹填料和板波纹填料两大类，其材质又有金属、塑料和陶瓷等之分。10四、填料选用准则对于某种特殊应用，填料填料的最佳标准是根据复合材料所期望达到的性能而定，但必须考虑到下述基本原则。1、填料在加工过程中必须保持其原有结构，并保持惰性、不溶性、热稳定性、不挥发性、无催化活性和低的吸附性。2、填料必须与基材能够相容，无腐蚀性。3、容易处理，堆积密度高，水分含量低，低尘，无毒性。4、必须易得，货源充足，价格适中，质量稳定。10五、填料规格的选择填料规格是指填料

31、的公称尺寸或比表面积。（1） 散装填料规格的选择 工业塔常用的散装填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、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，通量减少，填料费用也增加很多。而大尺寸的填料应用于小直径塔中，又会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率降低。因此，对塔径与填料尺寸的比值要有一规定，一般塔径与填料公称直径的比值D/d应大于8。（2） 规整填料规格的选择 工业上常用规整填料的型号和规格的表示方法很多，国内习惯用比表面积表示，主要有125、150、250、350、500、700等几种规格，同种类型的规整填料，其比表面积越大，传质效率越高，但阻力

32、增加，通量减少，填料费用也明显增加。选用时应从分离要求、通量要求、场地条件、物料性质及设备投资、操作费用等方面综合考虑，使所选填料既能满足技术要求，又具有经济合理性。应予指出，一座填料塔可以选用同种类型，同一规格的填料，也可选用同种类型不同规格的填料；可以选用同种类型的填料，也可以选用不同类型的填料；有的塔段可选用规整填料，而有的塔段可选用散装填料。设计时应灵活掌握，根据技术经济统一的原则来选择填料的规格。第四章 吸收塔的工艺计算4.1 基础物性数据4.1.1 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。11由手册查得，25oC时水的有关物性数据如下：密度为：L=997

33、.1kg/m3黏度 ： L=0.894910-3pas=3.2kg/(mh)表面张力为：L=71.9dyn/cm=931824kg/h2SO2在水中的扩散系数为：DL=1.72410-5cm2/s=6.20610-6m2/h4.1.2 气相物性数据混合气体的平均摩尔质量为：Mvm=yiMi=0.050464.06+0.93429=30.31kg/kmol混合气体的平均密度为：vm= =1.260kg/m3混合气体的黏度可近似取为空气的黏度，查手册得25oC空气的黏度为： v=1.8310-5pas=0.066kg/(mh)查手册得SO2在空气中的扩散系数为: Dv=1.42210-5m2/s=

34、0.051m2/h(依D=D0(P0/P)(T/T0)1.75计算，其中273k时，1.01310-5Pa时SO2在空气中的扩散系数为1.2210-5m2/s,查化学工程基础4.1.3 气液相平衡数据由手册查得。常压下25oC时，SO2在水中的亨利系数为：E=4.13103kpa相平衡常数为:m=E/P=(4.13103)/101.340.76溶解度系数为：H=L/EMS=997.1/(4.1310318.02)0.0134kmol/(kpam3)4.2 物料衡算全塔物料衡算图212所示是一个定态操作逆流接触的吸收塔，图中各符号的意义如下:V惰性气体的流量，kmol/h;L纯吸收剂的流量；km

35、ol/h;Y1,Y2进出吸收塔气体的摩尔比；X1,X2出塔及进塔液体中溶质物质量的比。注意：本课程设计中塔底截面一律以下标“l”表示，塔顶截面一律以下标“2”表示。进塔气体摩尔比：Y1=0.0531出塔气体摩尔比：Y2=Y1(1-A)=0.0531(1-0.95)=0.00266进塔惰性气体的流量：V=(1-0.0504)=101.13kmol/h由设计任务知该吸收过程属于低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算，即:()min=对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为：X2=0代入数值，得：()min=38.72取实际液气比为最小液气比的1.4倍，即=1.4()min所以=1.438.7

36、2=54.21又因为V=101.13kmol/h所以L=54.21101.13=5482.26kmol/h由V(Y1-Y2)=L(X1-X2)， 求得吸收液出塔浓度为：X1=0.00094.2.1操作线方程依操作线方程Y=X+(Y2- X2)因为=54.21 Y2=0.00266 X2=0所以：Y=54.21X+0.002664.3 填料塔的工艺尺寸的计算4.3.1空塔气速的确定通常由泛点气速来确定空塔操作气速。泛点气速是填料塔操作气速的上限，填料塔的操作气速必须小于泛点气速，操作空塔气速与泛点气速之比称为泛点率。12填料的泛点气速可由Eckert通用关联图查得， 气相质量流量为：WG=qvv

37、m=26041.260=3281.04kmol/h液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即：WL=5482.2618.2=99777.13kmol/h采用Ecekert通用关联图法计算泛点气速UF。通用填料塔泛点和压降的通用关联图如下：图一填料塔泛点和压降的通用关联图（引自化工原理）图中u0空塔气速，m/s；湿填料因子，简称填料因子，1/m；水的密度和液体的密度之比；g重力加速度，m/s2G、L分别为气体和液体的密度，kg/m3;WG、WL分别为气体和液体的质量流量，kg/s。此图适用于散装填料，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。

38、对于其他填料，尚无可靠的填料因子数据。使用该图时首先根据塔的气液相负荷和气液密度计算横坐标参数X，然后在图中散堆填料泛点线上确定与其对应的纵坐标参数Y。12Eckert通用关联图的横坐标为：X=()0.5=()0.5=1.081查图得纵坐标值为Y=0.2L=0.021式中：WL液体的质量流速，kg/h； WG气体的质量流速，kg/h； G气体密度，kg/m3； L液体密度，kg/m3； 实验填料因子，m-1； 液体的黏度，mPas； uF泛点气速，m/s；水密度与液体之比。常用散装填料的泛点填料因子填料尺寸/mm填料名称DN16DN25DN38DN50DN76瓷拉西环1300832600410

39、瓷矩鞍1100550200226塑料鲍尔环55028018414092金属鲍尔环410117160塑料阶梯环260170127金属阶梯环260160140金属环矩鞍170150135120（化工单元过程及设备课程设计表6-8）查表地F=200m-1uF= =0.903m/s取u=uF0.7=0.9030.7=0.6321m/s因为D=所以D=1.207m圆整塔径,取D=1.4m泛点率校核：由于泛点附近流体力学性能的不稳定性，一般较难稳定操作，故一般要求泛点率在50%-85%之间，而对于易起泡的物系可低于40%；13u=0.470m=100=52(在允许范围50%-85%内)填料规格校核=36.

40、88(在允许范围内)以上式中：uF泛点气速，m/s； u-空塔气速,m/s；L液体密度，kg/m3；G气体密度，kg/m3；WG，WL气液相质量流量，kg/h；g重力加速度，9.81m/s2；L液体黏度，mp/s； -填料因子，1/ m；4.3.2液体喷淋密度的求法：填料塔的液体喷淋密度是指单位时间、单位塔截面上液体的喷淋量，其计算式为：U=式中：U液体喷淋密度，m3/(mh)； Lh液体喷淋量，m3/h； D填料塔直径，m。为使填料能获得良好的润湿，塔内液体喷淋量应不低于某一极限值，此极限值称为最小喷淋密度，以Umin表示。对于散装填料，其最小喷淋密度通常采用下式计算：Umin=(Lw)mi

41、nt式中：Umin最小喷淋密度,m3/(m2h)；（Lw）min最小润湿速率,m3/(mh)；t填料的总比表面积,m2/m3。最小润湿速率是指在塔的截面上，单位长度的填料周边的最小液体体积流量。对于直径不超过75mm的散装填料，可取最小润湿速率:14(Lw)min=0.08m3/(mh)本次设计选用瓷矩鞍填料，其t=138m2/m3，代入数值，得最小喷淋密度为：Umin=(Lw)mint=0.08138=11.04m3/(m2h)最小喷淋密度的校核：求得液体喷淋密度为：U=65.04Umin所以液体喷淋密度符合要求，即填料塔直径D=1400mm合理。4.3.3传质单元高度计算干填料比表面积为t

42、，实际操作中润湿的填料比表面积为w，由于只有在润湿的填料表面才可能发生气、液传质，故w具有实际意义。下面介绍计算的恩田（ONDA）公式，该公式为： =1-exp-1.45（）0.75()0.1()0.05（）0.2式中：w单位体积填料层的润湿面积，m2/m3；t填料的总比表面积，m2/m3；L液体表面张力，N/m；C填料上液体铺展开的最大表面张力，N/m； UL液体通过空塔截面的质量流速，kg/(m2s)； ， L液体的粘度，Pas；L液体的密度,kg/m3；g重力加速度,9.81m/s2。不同填料材质的临界表面张力C材质C/(dyn/cm)材质C/(dyn/cm)材质C/(dyn/cm)表面

43、涂石蜡20石墨56钢75聚四氟乙烯18.5陶瓷61聚乙烯75聚苯乙烯31玻璃73聚丙烯54（化工单元过程及设备课程设计表6-11）得C=61dyn/cm=790560kg/h2UL=64849.3kg/(m2h)代入数值,得：0.840气膜吸收系数由下式计算：KG=0.237()0.7()1/3（）式中：t填料的总比表面积,m2/m3； UV气体通过空塔截面的质量流速,kg/(m2s)； V气体的粘度,Pas； V气体的密度,kg/m3； g重力加速度,9.81m/s2。气体质量通量为：UV=2132.48kg/（m2h）得：kG=0.237()0.7（）1/3（）=0.0310液膜传质系数由

44、下式计算：kL=0.0095()2/3()-0.5（）1/3式中：L液体的密度，kg/m3； UL液体的质量流速kg/ms L液相的黏度，Pas； g重力加速度，9.81m/s2； UL液体通过空塔截面的质量流速，kg/(m2s)； w单位体积填料层的润湿面积，m2/m3； DL溶质在液相中的扩散系数，m2/s 。代入数值得：KL=0.0095（）2/3()-1/2()1/3=0.928(m/s)由kG=kGw1.1常见填料塔的形状系数填料类型球形棒形拉西环弧鞍开孔环值0.720.7511.191.45本设计填料类型为开孔环 所以 =1.45；得kG=kGw1.1=0.03100.840138

45、1.451.1=5.408kmol/(m3hkpa)由KL=kLw0.4得kL=0.9280.8401381.450.4=124.81L/h=100=5250因为：kG,=1+9.5(-0.5)1.4kG kL,=1+2.6（-0.5）2.2kL所以：kG,=1+9.5(0.52-0.5)1.45.408=5.623kmol/（m3hkpa）kL,=1+2.6(0.52-0.5)2.2124.81=124.87(L/h)因为=+所以kG=1.19因为：HoG=式中：HOG气相传质单元高度，m；kG气膜传质系数，kmol/（m2skPa）；P所选用的压强，kPa；塔截面积，m。所以：HOG=0.

46、545m4.3.4传质单元数的计算因为：Y*=mX所以：Y1*=mX1=40.760.0009=0.0367 Y2*=mX2=40.760=0气相总传质单元数为：NOG= Ym=式中：Y1，Y2进出吸收塔气体的摩尔比；其中Y1=0.0531 Y2=0.00266 Y1*=0.0367 Y2*=0则：NOG=6.68m4.3.5填料层高度Z=HOGNOG=0.5456.68=3.64m式中：Z填料层高度，m；HOG气相传质单元高度，m；NOG气相传质单元数。设计取填料层高度为:因为：Z,=(1.21.5)Z所以：Z,=1.53.64=5.5m圆整后，取Z,=6m。散装填料分段高度推荐值填料类型h

47、/DHmax/m拉西环2.534矩鞍586鲍尔环5106阶梯环8156环矩鞍5156（化工原理及设备课程设计表3-17）查上述表得散装填料分段高度推荐值13h/D=58, hmax6 取h/D=8则h=81400=11200mm计算填料层高度为6000mm,小于11200mm,故不需分段。4.4 填料层压降的计算在逆流操作的填料塔中，从塔顶喷淋下来的液体，依靠重力在填料表面成膜状向下流动，上升气体与下降液膜的摩擦阻力形成了填料层的压降。填料层压降与液体喷淋量及气速有关，在一定的气速下，液体喷淋量越大，压降越大；在一定的液体喷淋量下，气速越大，压降也越大。15散装填料的压降可采用Eckert通用

48、关联图计算。计算时，先根据气液负荷及有关物性数据，求出横坐标()1/2值，再根据操作空塔系数u及有关物性数据，求出纵坐标（)L0.2值，通过作图得出交点，读出过焦点的等压线数值，即得出每米填料层压降值。式中：u空塔气速，即按空塔截面积计算的混合气体线速度，m/s；WV，WL气液相质量流量，kg/h；L液体密度，kg/m3；v气体密度，kg/m3；L液体黏度，mps；填料因子，1/m ；g重力加速度，9.81m/s。散装填料压降填料因子平均值填料类型填料因子, 1/mDN16DN25DN38DN50DN76金属鲍尔环306-11498-金属环矩鞍-13893.47136金属阶梯环-11882-塑

49、料鲍尔环34323211412562塑料阶梯环-17611689-瓷矩鞍环700215140160-瓷拉西环1050576450288-经上表查得， =140 1/m横坐标：()1/2=()1/2=1.081纵坐标：（)L0.2=（）3.20.2=0.0073式中：WL液体的质量流速，kg/h； WG气体的质量流速，kg/h； G气体密度，kg/m3； L液体密度，kg/m3； 实验填料因子，m-1； 液体的黏度，mPas； u泛点气速，m/s。水密度与液体之比。查化工过程及设备设计手册得从Eckert通用关联图中可查得:P/Z=159.8=147Pa/m式中：P分布器压力降，Pa；Z填料层高

50、度，m。填料塔压降为：P=1473=441Pa其他塔内件的压力降很小可以忽略，所以填料层压降为441Pa。4.5液体分布器计算4.5.1液体分布器液体分布器的性能主要由分布器的布液点密度（即单位面积上的布液点数），各布液点的布液布液均匀性，各布液点上的液相组成的均匀性决定设计液体分布器主要是确定决定这些参数的结构尺寸。为使液体分布器具有较好的分布性能，必须合理确定布液孔数，布液孔数应依所用填料所需的质量要求决定。在通常情况下，满足各种填料质量分布要求的适宜喷淋点见下表，在选择填料的喷淋点密度时应该遵循填料的效率越高，所需的喷淋点密度越大这一规律，依所选用的填料，确定单位面积的喷淋点后，在根据塔

51、的截面积即可求得分布器的布液孔数。Eckert的散装填料塔分布点密度推荐值：塔径/mm分布点密度/点m-2塔截面D=400330D=750170D120042（化工原理及设备课程设计表3-20）4.5.2液体分布器简要设计4.5.2.1 液体分布器的选型该吸收塔液相负荷较大，而气相负荷相对较低，故选用槽式孔流型液体分布器。其靠重力分布液体，因而属重力型液体分布器。其中，二级槽式分布器具有良好的布液性能，结构简单，气相阻力小，应用较为广泛，而单级槽式液体分布器空间占位低，常在塔内空间高度受到阻制时使用。134.5.2.2 分布点密度计算按 Eckert建议值，D1200时，喷淋点密度为42点/m

52、2，因该塔液相负荷较大，设计取喷淋点密度为100点/m2。布液点数为n=0.7851.42100=153.86点154点液体保持管高度。取布液孔直径为5mm，则液位保持管中的液位高度可由式得出:h=()2/2g=2/（29.81）=10.20m式中：Vs液体流量，m3/s；d布液孔直径，m；n开孔数目：k孔流系数，通常取0.55065；h液体高度，m；g重力加速度，m/s。液体高度的确定应和布液孔的直径协调设计，使各项参数均在适宜的范围内。最高液位的范围通常在200500mm，而布液孔的直径宜在3mm以上。13则液位保持管高度为：h,=1.151020=1173mm4.5.2.3布液计算由Ls

53、=d20n取取=0.60，H=160mm则：d0=()1/2=()1/2 = 0.0147m=14.7mm液体分布器的安装一般高于填料层表面150300 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0.70.8，这里取塔径的0.7，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。4.6其他附属塔内件的选择本装置的直径较小可采用简单的进气分布装置,同时排放的净化气体中的液相夹带要求严格,应设除液沫装置,为防止填料由于气流过大而是翻,应在填料上放置一个筛网装置,防止填料上浮.4.6.1多

54、孔型液体分布器多孔型液体分布器系借助孔口以上的液层静压或泵送压力使液体通过小孔注入塔内。4.6.2直管式多孔分布器根据直管液量的大小，在直管下方开24排对称小孔，孔径与孔数依液体的流量范围确定，通常取孔径26，孔的总面积与及进液管截面积大致相等，喷雾角根据塔径采用30或45，直管安装在填料层顶部以上约300。此形分布器用于塔径600800，对液体的均布要求不高的场合。根据要求，也可以采用环形管式多孔分布器。4.6.3排管式多孔分布器支管上孔径一般为35，孔数依喷淋点要求决定。支管排数、管心距及孔心距依塔径和液体负荷调整。一般每根支管上可开13排小孔，孔中心线与垂直线的夹角可取15、22.5、3

55、0或45等，取决于液流达到填料表面时的均布状况。主管与支管直径由送液推动力决定，如用液柱静压送液，中间垂直管和水平主管内的流速为0.20.3m/s，支管流速取为0.150.2m/s；采用泵送液则流速可提高。164.6.4填料支撑板填料支撑板用于支撑塔填料及其所特有的气体、液体的质量，同时起着气液流道及其体均布作用。故要求支撑板上气液流动阻力太大，将影响塔的稳定操作甚至引起塔的液泛。支撑板大体分为两类，一类为气液逆流通过的平板支撑板，板上有筛孔或为栅板式；另一类斯气体喷射型，可分为圆柱升气管式的气体喷射型支撑板和梁式气体喷射型支撑板。平板型支撑板结构简单，但自由截面分率小，且因气液流同时通过板上

56、筛孔或栅缝，故板上存在液位头。气体喷射性支撑板气液分道，即有利于气体的均匀分配，又避免了液体在板上聚集。梁式结构强度好，装卸方便，可提高大于塔截面的自由截面，且允许气液负荷较大，其应用日益受到重视。当塔内气液负荷较大或负荷波动较大时，塔内填料将发生浮动或相互撞击，破坏塔的正常操作甚至损坏填料，为此，一般在填料层顶部设压板或床层限制板。4.6.5填料压板与床层限制板填料压板系藉自身质量压住填料但不致压坏填料；限制板的质量轻，需固定于塔壁上。一般要求压板或限制板自由截面分率大于70。4.6.6气体进出口装置与排液装置填料塔的气体进口既要防止液体倒灌，更要有利于气体的均匀分布。对500mm直径以下的

57、小塔，可使进气管伸到塔中心位置，管端切成45向下斜口或切成向下切口，使气流折转向上。对1.5m以下直径的塔，管的末端可制成下弯的锥形扩大器，或采用其它均布气流的装置。气体出口装置既要保证气流畅通，又要尽量除去被夹带的液沫。最简单的装置是在气体出口处装一除沫挡板，或填料式、丝网式除雾器，对除沫要求高时可采用旋流板除雾器。液体出口装置既要使塔底液体顺利排出，又能防止塔内与塔外气体串通，常压吸收塔可采用液封装置。常压塔气体进出口管气速可取1020m/s（高压塔气速低于此值）；液体进出口气速可取0.81.5m/s（必要时可加大些）管径依气速决定后，应按标准管规定进行圆整。五、设计结果汇总课程设计名称清水吸收SO2填料吸收塔的设计操作条件操作温度 25摄氏度操作压力：101.3kPa物性数据液相气相液体密度997.1kg/m3混合气体平均摩尔质量30.31kg/kmol液体粘度3.2kg/(m h)混合气体的平均密度1.260kg/m3液体表面张力931824混合气体的粘度0.066kg/(mh)SO2在水中的扩散系数6.20610-6m2/hSO2在空气中的扩散系数0.051m2/h重力加速度9.81m/s2气相平衡数据SO2在水中的亨利系数E相平衡常数m溶解度系数H4.13103 kpa40.760.0134kmol/kPam3物料衡算数据Y1Y2X1X2气相流量G液相流量L最小液