水吸收二氧化硫填料吸收塔

《化工原理》 课程设计报告

题目名称： 水吸收SO2过程填料吸收塔设计 学生学院： 轻工化工学院 专业班级： 11 食品科学与工程2班 学 号： 27

学生姓名： *** 指导老师： 魏关峰

设计任务书

一．设计题目

设计一座填料吸收塔，用于脱除混于空气中的SO2。混合气体的处理量：为2400m/h。 混合气体中含SO25%（体积分数，下同），要求塔顶排放气体中SO2含量低于%， 采用清水进行吸收，吸收剂用量自定。 二．操作条件 操作压力：常压 操作温度：20℃ 三．填料类型

选用聚丙烯阶梯环填料，填料规格自选 四．工作日

每年300天，每天24小时连续运行。 五．设计内容

0、首先请大家自学下册第三章塔设备填料塔一节的知识。

1、吸收塔的物料衡算（由于是低浓度、物理吸收，溶解热可忽略，所以不必做热量衡算）； 2、吸收塔工艺尺寸的计算（塔径、填料层高度以及分段、塔高） ； 3、（气体通过）填料层压降的计算；

4、吸收塔接管尺寸计算（参见上册p17某些流体在管道中的常用流速范围表）；

5、附属装置的选型（一般不需要自己设计、加工、制造。现在很多部件都已经标准化，只要选用合适的标准件即可）：液体分布器、再分布器、气体分布装置、填料支承板等； 6、附属设备选型： 泵（通过计算选型）、风机（选型计算可免去） 7、绘制生产工艺流程图； 8、绘制填料塔装配图；

9、对设计过程的评述和有关问题的讨论。

3

摘 要

在化工生产中，气体吸收过程是利用气体混合物中，各组分在液体中的溶解度或化学反应活性的差异，在气液两相接触时发生传质，实现气液混合物的分离。在化学工业中，经常将气体混合物中的各个组分加以分离，其目的是：回收或捕获气体混合物中的有用物质，以制取产品；除去工艺气体中的有害成分，是气体净化，一边进一步加工处理；或出去工业排放尾气中的有害物，以免污染大气。本论文主要研究设计了填料塔方案的确定和填料的选择，在工艺计算中，本论文主要涉及相关物性的确定，塔径，塔高以及填料高度的计算和压降的计算。

关键词：吸收，填料塔，物料平衡，填料高度，填料层压降

目录

1设计方案的确定 ............................................................. 6 2填料塔的工艺计算 ........................................................... 7

物料恒算 ................................................................. 7 吸收剂用量： ............................................................. 7 3填料塔结构设计 ............................................................. 8

塔径计算： ............................................................... 8

核算径比D/d ........................................................ 8 核算气速 ............................................................ 9 核算喷淋密度 ........................................................ 9 填料层高度计算 ........................................................... 9 填料塔总高度 ............................................................ 11

塔顶空间高度的选定： ................................................ 11 塔底空间高度的选定： ................................................ 12 填料塔附属部件的高度 ................................................ 12 塔底部空间高度取 .................................................... 12 气体通过填料层压降△p的确定 ............................................ 12 4填料塔附属装置选择 ........................................................ 13

填料支承装置 ............................................................ 13 液体分布器计算 .......................................................... 13 液体再分布器的选型 ...................................................... 13 塔顶除雾沫器 ............................................................ 14

设计气速的计算 ...................................................... 14 丝网盘的直径D1 ..................................................... 14

5其他附属塔内件的选择 ...................................................... 14

管口结构 ................................................................ 14

气体进出口管道 ...................................................... 14 液体进出口管道 ...................................................... 15 填料卸出口 .............................................................. 16 仪表接口 ................................................................ 16 接管长度 ................................................................ 16 离心泵的计算及选型 ...................................................... 16

离心泵的流量 ........................................................ 16 离心泵的量程 ........................................................ 17 风机的选型 .............................................................. 18 布液孔数计算 ............................................................ 18 6结果汇总图 ................................................................ 19 7生产工艺流程图 ............................................................ 20 8填料塔装配图 .............................................................. 21 9参考文献 .................................................................. 21 10结束语 ................................................................... 22

1设计方案的确定

利用混合气体中各组分在同一种溶剂（吸收剂）中溶解度的不同分离气体混合物的单元操作称为吸收。吸收是分离气体混合物最常见的单元操作之一。

工业吸收操作是在吸收塔内进行的。在吸收操作中，通常将混合气体中能够溶解于溶剂中的组分称为溶质或吸收质，以A表示;而不溶或微溶的组分称为载体或惰性气体，以B表示；吸收所用的溶剂称为吸收剂，以S表示；经吸收后得到的溶液称为吸收液;被吸收后排出吸收塔的气体称为吸收尾气。吸收就是吸收质从气相转入液相的过程。

[1]

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。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。填料塔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。

与板式塔相比，在填料塔中进行的传质过程，其特点是气液连续接触，而传质的好坏与填料密切相关。填料提供了塔内的气液两相接触面积。填料塔的流体力学性能，传质速率等与填料的材质，几何形状密切相关，所以长期以来人们十分注中填料的性能和新型填料的开发，使得填料塔在化工生产中应用更加广泛。

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。填料塔还有以下特点：

1.当塔径不是很大时，填料塔因为结构简单而造价便宜。

2.对于易起泡物系，填料塔更适合，因填料对气泡有限制和破碎作用。 3.对于腐蚀性物系，填料塔更适合，因为可以采用瓷质填料。

4.对于热敏性物系宜采用填料塔，因为填料塔的持液量比板式塔少，物料在塔内的停留时间短。填料塔的压强降比板式塔小，因而对真空操作更有利。

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等。

[2]

2填料塔的工艺计算

物料恒算

由工艺要求y1=5%，0混合气体处理量为2400m/h，由清水吸收SO2，即x2=0，取y2=% 进塔惰性气体量：V3

o

2400273(10.05)94.84koml/h 22.427320Y1y1y0.050.00150.0526 Y220.0015 1y110.051y210.0015o

查表可知，20C下常压下SO2在水中的亨利系数 E=3550 kpa

相平衡常数m

吸收剂用量：

E3550Y0.052635.04 X1*10.0015 P101.325m35.04因为：最小液气比 Y1Y20.05260.0015L34.07 *0.00150VminX1X2根据生产经验，一般情况下取适宜操作液气比为最小液气比的倍，可使设备费用之和为最小，本报告取倍，即：LL1.51.534.0751.11 VVmin即：L51.1194.844846.79koml/h 由V(Y1Y2)L(X1X2) X1V(Y1Y2)94.84(0.05260.0015)X20.001 L4846.79

3填料塔结构设计

塔径计算：

进塔混合气体的平均摩尔质量 MVm 密度 VmyMii0.0564.070.9528.9530.71

PMVm101.32530.711.277kg/m3 RT8.314293查表可知，吸收液密度l998.2kg/m3 气相质量流量：WG24001.2773064.8kg/h 液相质量流量：WL4846.7918.0287339.16kg/h 采用Eckert关联图计算泛点气速:

[3]

WLVm87339.161.277关联图横坐标为：1.02 由关联图可知，纵坐标为

WGL3064.8998.2查表可知20C常压下吸收液粘度L0.001Pas

[3]

o

1212由要求可选用50251.5mm的聚丙烯阶梯环，查表可知填料因子F143m1 1

0.0249.81998.2uF2FV1.134m/s 纵坐标：L0.20.024 代入数据：F0.214311.2771gL取u0.6uF0.61.1340.6804m/s 由塔径公式D4Vs424001.117m1117mm u36003.140.6804 核算径比D/d

为保证填料湿润均匀，还应注意实际采用的塔径与填料直径之比在10以上。此值过小，液体沿塔料下流时常会出现“壁流”现象。 圆整塔径为，塔径与填料直径比值

D12002410 满足阶梯环要求。 d50 核算气速

Vs2400m3/h u

4Vs240040.58 符合要求。 22d36001.23.14 核算喷淋密度

在吸收剂用量以及塔径确定以后，还要校核喷淋密度。为了使填料能够获得良好的湿润，应保证塔内液体喷淋密度高于某一下限值。所以算出塔径后还要验算喷淋密度是否大于最小喷淋密度Umin。

查表可知，由Morris<75mm环形及其他填料的最小润湿速率为0.08m3/m2h，比表面积为

at114.2m2/m3，所以最小喷淋密度：UminLwminat

Umin0.08114.29.136m3/m2h 操作喷淋密度为U87339.16477.4m3/m2hUmin 满足要求。 2998.23.141.2因此，选用塔径D= 满足要求。

填料层高度计算

*因为题设为低浓度吸收 Y1mX135.040.0010.03504 Y2*mX20

传质单元数计算：由脱吸因系数法求，脱吸系数s气相总传质单元数：NOGmV35.0410.686 L51.11Y1Y2*1ln1SS 1SY2Y2*代入数据：NOG10.035040ln10.6860.6866.631

10.6860.00150传质单元高度计算：

聚丙烯阶梯环特性:dp50mm0.05m at114.2m2/m3 1.45 混合气体黏度可近似取为空气黏度：G1.81105Pas

题设温度，常压下SO2在空气中扩散系数：DG1.08105m2/s

SO2在水中扩散系数：DL1.47109m2/s

3聚丙烯表面张力：c33dyn/cm3310N/m 3水的表面张力：L72.6dyn/cm72.610N/m

气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算有：

0.10.20.750.05LG2cLGLGaw1exp1.452 atLatLLgLat87339.16液相质量流量：LG21.46kg/m2s 236000.7851.23064.82气相质量流量：VG0.753kg/ms 236000.7851.2因此代入数据：

0.750.20.10.053310321.4621.46114.2aW21.4621exp1.453323at72.610114.2109.81998.2998.272.610114.2 = 故aWaWat0.6833114.278.02m2/m3 at所以液膜吸收系数：kL0.0095

LGLLg0.4 aDWLLLL23121321.460.0010.0019.810.440.00951.453.79410m/s978.030.001998.21.4710998.2气膜吸收系数：kG0.237代入数据得：

231213UGGatDG1.1 aDDRTtGGG0.713114.21.081050.7531.81101.1kG0.2371.45 55114.21.81101.2771.81108.314293.15

0.75131.255105kmol/m3skpa

因此：kGakGaW1.22510578.039.56104kmol/m3skpa

51 kLakLaW3.7941078.030.0296s

L998.21113H0.0156kmol/mskpa 3'EM3.551018KGakGaHkLasKGa111kGaHk'Ga1119.561040.01560.0296因为：4.62104kmol/m3skpa

41.221.13m2

HOGVV94.84代入数据有：HOG0.498 4KLaKLaP36004.62101.13101.325填料层高度计算：

ZHOGNOG 即Z0.4986.6313.302m

为了保证工程的可靠性，计算出的填料层高度还应留出一定的安全系数。根据经验，填料层的设计高度一般为Z'(1.2~1.5)Z，取25%富余量，代入数据：

[3]

Z1.253.3024.128m 取

查表可知，对阶梯环填料的h/D=8~15 hmax6m 取h/D=10 则h=10*1200=12000mm

计算得填料层高度为420mm，分为两层，第一层高为220mm，第二层高为200mm。

填料塔总高度

塔的总高度为填料层高度加上各附属部件的高度以及塔顶、塔底的空间高度。

塔顶空间高度的选定：

塔顶空间高度是填料层上方到塔顶封头之间的垂直距离，一般取到 本设计取塔顶空间高度为。

塔底空间高度的选定：

塔底空间高度是指填料层最底部到塔底封头之间的垂直距离。塔底液面到填料层底部之间应该留有空间以满足安装进气管的要求，进气管的位置应该在填料层以下约一个塔径的距离，因此本设计中为。

[2]

填料塔附属部件的高度

塔底液相停留时间一般为停留时间3~5min，本设计取液体停留时间为3min，则塔釜液所占空间高度为：h136087339.163.8m

3600998.20.7851.22 塔底部空间高度取

因此塔的实际高度取H

4.21.21.53.810.7m

气体通过填料层压降△p的确定

气体通过填料塔的压强降，对填料塔影响较大。如果气体通过填料塔的压强降大，则操作过程的消耗动力大，特别是负压操作更是如此，这将增加塔的操作费用。气体通过填料塔的压力降主要包括气体进入填料的进口及出口压力降，液体分布器及再分布器的压力降，填料支撑及压紧装置压力降以及除沫器压力降等。 可以利用Eckert通用关联图计算压强降；

横坐标为：

WLVm87339.161.2771.02 纵坐标为：

WGL3064.8998.21212由图可看出，填料层压强降为：

P2009.811962Pa/m 即：P4.219628240.4Pa Z

4填料塔附属装置选择

填料支承装置

支承装置选择基本要求：

（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，防止在此产生液泛； （3）有利于液体的再分布； （4）耐腐蚀、易制造、易装卸。

因梁型气体喷射式支承板可提供超过90%的自由截面，保证气体通量大，阻力小，故选用梁型喷射式支承板。

支持板外径1160mm，分块数4，支承圈宽度50，支承圈厚度10，近似重量400N.

液体分布器计算

液体分布装置的安装位置，通常要高于填料层表面150~300mm，以提供足够的自由空间，让上升的气流不受约束地穿过喷淋器。

液体分布器种类多样，按其结构特征分，主要有管式、盘式、喷头式、槽式及槽盘式等，对于各种类型的塔，应根据塔的液体负荷或塔径的不用，选择不同的分布器结构。

本设计采用的盘式分布器的结构简单，液体通过时的阻力小，其分布比较均匀，一般适用与直径800mm以上的塔。

由于本设计中塔的直径是1200mm，直径1200mm的盘式分布器适合，因此本设计选用盘式分布器。

液体再分布器的选型

该吸收塔液相负荷较大，而气相负荷相对较小，故选用槽式液体分布器。

塔顶除雾沫器

穿过填料层的气体有时会夹带液体和雾滴，因此有时需要在塔顶气体排出口前设计除雾沫器，以尽量除去气体中的液体雾滴。

丝网除雾器是一种分离效率高，阻力较小，重量较轻，所占空间不大的除雾器。它由金属或塑料丝编织成网，卷成盘状而成。 故设计中选用丝网除雾器。

设计气速的计算

ukLG k为系数，可取~，本设计取。 G998.21.2772.79m/s

998.2故代入数据有：u0.1 丝网盘的直径D1

丝网盘的直径取决于气体的处理量，可按下式计算：D14Vs u代入数据有：直径D1

40.7530.58m58mm

3.142.795其他附属塔内件的选择

管口结构

气体进出口管道

（1）气体进口装置：

常压塔气体进出管气速可取10～20m/s，本次设计气流速度取18m/s，则管口直径为：

d4Vs42400==0.217m=217mm u气36003.1418查接管尺寸表，经圆整后，按无缝钢管标准选择d2196mm的进口管道 即实际d21926207mm 核算气速

u气4Vs42400因此选用d2196mm管道19.8m/s 符合经济气速，22d36003.140.207符合要求。

（2）气体出口装置：

气体的的出口装置，要求既能保证气体畅通，又应能尽量除去被夹带的雾沫，可在气体出口前加装除沫挡板。

液体进出口管道

（1）液体进口装置：

液体进出口速度可取，本次设计液体进出口速度取s。 液体进口体积流量： VS液=87339.16=0.0243m3/s

3600998.24Vsu40.02430.161m161mm

3.141.2d查管道尺寸表，经圆整后，选择d1594.5mm,实际d1594.52150mm 核算流速

u液求。

4Vs40.0243因此选用d1594.5mm管道符合要1.37m/s 符合经济流速，

d23.140.152（2）液体出口装置：

液体的出口装置的设计应便于塔内液体的排放，防止破碎的瓷环堵塞出口，并且哟保证塔内有一定的液封高度，防止气体短路。

填料卸出口

需要卸出口以便检修时将填料卸出。填料卸出口的结构与人孔或手孔相似，大直径的塔可按标准人孔，小直径的塔可选标准手孔。

查《化工设备常用零部件》可知，当容器的公称直径大于等于1 000 mm且筒体与封头为焊接连接时，容器应至少设置一个人孔。公称直径小于1 000 mm且筒体与封头为焊接连接时，容器应单独设置人孔或手孔。 因此，本设计选用标准人孔。

仪表接口

填料塔上主要的仪器接口有压力计接口、分析取样口、温度计接口和液位计接口等，压力计接口及分样口可采用DN15~25带法兰的接口，并附法兰盖：温度计接口可采用DN32或40带法兰的接管，并附带法兰盖。

接管长度

填料塔上各股物料的进出口管留在设备外边的长度h，参照下表-1可知：

表-1 接管长度h

公称直径Dg/mm

≤15 80 ≤

20~50 100 ≤

70~350 150 ≤

70~500 150 ≤

接管长度/mm 公称压力/MPa

由表可知，吸收液和混合气体的接管长度为150mm。

离心泵的计算及选型

离心泵的流量

QWLL87339.1687.50m3/h

998.2 离心泵的量程

离心泵的选型

吸收剂储槽液面到吸收塔吸收液入口两截面间的机械衡算方程

u2p HZHf

2gg 式中

Z——两截面处水位之差；（因为塔高，因此此处可假设为11m）

p——两截面处静压头之差； gu2——两截面处动压头之差； g操作条件下，ΔP=0. Δu≈0，已取实际内径d=150mm,且相应实际流速u=s,则

2

Redu0.151.2998.21.79671054000 ，为湍流。并查表得无缝钢管的绝对粗

0.001糙度ε为，本设计取ε为，那么相对粗糙度

d0.251.67103。 150根据顾毓珍公式 0.00560.500036（适用范围：Re310~310） 0.32Re有0.00560.50000.50000.00560.016

Re0.321796760.32 对吸收剂储槽液面与泵之间的管路进行估算：泵的吸入管估计采用一个标准弯头，一个全开截止阀，泵的输出管采用三个标准弯头，两个全开的截止阀。查管件与阀门的当量长度共线图，得到各管件、阀门的当量长度。

根据填料塔及泵的大体位置，管路长取23m，3个标准弯头（34.2m），2个全开的截止阀（45.3m）。

吸入管道的进口阻力系数c0.5，出管路上的出口阻力系数e1；则

u2pHZHf2gg

lleu21400(ce)d2g

23243.534.21.220.51) 14(0.015

0.1529.81 =

考虑到安全系数，则Q1.1Q1.187.5096.25m/h

'3H'1.05H1.0514.8915.63m

根据已知流量Q=h和扬程H=，综合离心泵的流量，扬程以及效率，因此选用IS125—100-400的单级单吸离心泵，其性能参数如下

表二 IS型单级单吸离心泵性能表

转速n （r/min） 1450

流量 m/h 100

3

扬程H m 50

效率η % 65

轴功率

功率/kw

电机功率

30

必须汽蚀余量 （NPSH）r/m

风机的选型

选用离心泵通风机来输送气体。

风机性能表示的风压是在20℃，条件下用空气作为介质测定的。

13.45201.277115.60Pa 可以表示为：HTp2p122其中，μ为安全系数，其值为，因此可以选用附录十四中的4-72-11型、规格是6C的离心通风机。

布液孔数计算

按Eckert建议值，D1200时，喷淋点密度为42点/m，因该塔液相负荷较大，设计取喷淋点密度为120点/m 布液点数为

222n0.7851.22120135.6136点

按分布点几何均匀与流量均匀的原则，进行布点设计。设计结果为：二级槽共七道，在槽侧面开孔，槽宽度为80mm，槽高度为210mm，两槽中心距为160mm。分布点采用三角形排列，实际设计布点数n132点。

6结果汇总图

项目 吸收剂用量 填料层规格 X1 X2 Y1 Y2 相平衡方程 最小液气比 进塔惰性气体流量 进塔气体质量流量 出塔液体质量流量 项目 吸收液密度 混合气体密度 空塔气速 塔径 填料塔高度 填料层压强降 气体进口管道规格 吸收液进口管道规格 泵功率 离心泵 风机 填料卸出口

设计结果 h

Dg50聚丙烯塑料阶梯环填料 0 Y= h h h 设计结果 m m s 219X6mm 45kw

IS125—100-400的单级单吸离心泵 4-72-11型6C规格 标准人孔

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液体分布器 液体再分布器 填料支承装置

盘式分布器 槽形分布器 板式支承板

7生产工艺流程图

本次设计采用单塔吸收逆流操作，本塔分两段，下面一段米，上面一段2米。吸收装置水经流量计后送入填料塔塔顶，经喷淋头喷淋杂填料顶层。风机把混合气体从填料塔底送入填料塔，在塔内与水接触，进行质量与热量的交换。混合气体中的SO2溶解于水中，使从塔顶离去的SO2含量降低至%，而溶有较多SO2的水从吸收塔底排出。由于本设计属于低浓度气体吸收，所有热量交换可忽略，整个过程看成等温操作。

清水被泵抽取上去，与混合气体传质1min后被排出来。混合气体由于风机供给，用阀门调节混合气体流量，出口用尾气调压阀维持不同流量下的尾气压力。为了测量塔内压力和填料层压强降则安装表压计及压差计，大气压则由大气压力计测量。传质之后的的气体收集起来以备再用，排出来的水回收利用或者用在生产上。

8填料塔装配图

见附图。

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9参考文献

【1】《化工单元操作及设备》，冷士良 陆清 宋志轩主编，化学工业出版社 【2】《化工设计全书》编辑委员会.金国淼等编.《吸收设备》化学工业出版社

【3】化工单元操作过程与设备（下册），李功样，陈兰英，余林，华南理工大学出版社。 【4】化工单元过程及设备课程设计，匡国柱，史启才。北京：化学工业出版社，2002 【5】Auto CAD机械设备图绘制技巧，刘善淑编 ，化学工业出版社

10结束语

这次的课程设计，让我更加了解了填料塔的运行与设备选型方面的知识，也令我更加熟悉填料吸收塔的计算，同时也让我学会了CAD，尽管开始使用的时候，的确很难弄懂，有些使用的方法要一边查书或者百度才会使用，但是随着一步步的探究以及与同学的讨论，终于把填料塔的装配图给画出来了。这次过程中，我觉得我变的更有耐心去做一份报告，也领略到了经过努力后的一股成就感。 从气体处理量可以看出来，本次设计我是针对比较大型的气体吸收塔而进行设计的，具有处理量大，效率高，成本低等优势。特别适用于大型企业以及中上企业，不过在设计的时候，那么大的塔径资料实在是比较难找，因此本报告本人花了不少时间找一些资料，不幸的是，不是想找都能找得到的，因此可能会存在一些错误的地方。

在本次报告中，让我学会了很多很多，例如让我知道了设计一个吸收塔是要考虑很多因素的，而不是简简单单的拼凑。也同时让我感觉到了在真正生产过程中，很多零件都已经标准化。同时在这次设计之后，让我对吸收有了更深层的认识，巩固了我对化工原理的一些理论知识，也同时教会了我如何把理论用到实际中去。工程设计需要的是细心有耐力的人。非常感谢老师把我们带到这个领域！感谢同学的帮助和鼓励！对我来说，这不仅是理论和实践的结合，也是一种心理的磨炼！