摘要
在化工生产中，气体吸收过程是利用气体混合物中，各组分在液体中溶解度或化学反应活性的差异，在气液两相接触是发生传质，实现气液混合物的分离。在化学工业中，经常需将气体混合物中的各个组分加以分离，其目的是：
① 回收或捕获气体混合物中的有用物质，以制取产品；
② 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物，以免污染大气。
实际过程往往同时兼有净化和回收双重目的。
吸收是利用混合气体中各组分在液体中的溶解度的差异来分离气态均相混合物的一种单元操作。在化工生产中主要用于原料气的净化，有用组分的回收等。
气液两相的分离是通过它们密切的接触进行的，在正常操作下，气相为连续相而液相为分散相，气相组成呈连续变化，气相中的成分逐渐被分离出来。填料塔是气液呈连续性接触的气液传质设备，属微分接触逆流操作过程。塔的底部有支撑板用来支撑填料，并允许气液通过。支撑板上的填料有整砌和乱堆两种方式。填料层的上方有液体分布装置，从而使液体均匀喷洒于填料层上。填料层的空隙率超过90%，一般液泛点较高，单位塔截面积上填料塔的生产能力较高，研究表明，在压力小于0.3MPa 时，填料塔的分离效率明显优于板式塔。
这次课程设计的任务是用水吸收空气中的二氧化硫，然后再进行解吸处理得到二氧化硫。要求设计包括塔径、填料塔高度、塔管的尺寸等，需要通过物料衡算得到所需要的基础数据，然后进行所需尺寸的计算得到各种设计参数，为图的绘制打基础，提供数据参考。
目录
摘要 .............................................................. I 目录 ............................................................. II
第一章 设计方案的内容 .......................................... 1
1.1流程方案 . ................................................... 1
1.2设备方案 . ................................................... 1
第二章 设计方案的确定 ........................................... 2
2.1吸收流程选择 . ............................................... 2
2.1.1吸收工艺流程的确定 .................................... 2
2.1.2流程装置的确定 ........................................ 3
2.2吸收剂的选择 . ............................................... 3
2.3吸收剂再生方法的选择 . ....................................... 4
2.4操作温度和压力的确定 . ....................................... 4
2.4.1操作温度的确定 ........................................ 4
2.4.2操作压力的确定 ........................................ 5
第三章 吸收塔设备及填料类型与选择 ............................... 6
3.1吸收塔设备的选择 . ........................................... 6
3.2填料类型的选择 . ............................................. 6
3.3填料规格的选择 . ............................................. 7
3.4填料材质的选择 . ............................................. 7
第四章 吸收塔工艺条件的计算 ...................................... 8
4.1基础物性数据 . ............................................... 8
4.1.1液相物性数据 .......................................... 8
4.1.2气相物性数据 .......................................... 8
4.2确定气液平衡的关系 . ......................................... 9
4.3吸收剂及操作线的确定 . ....................................... 9
4.3.1吸收剂用量的确定 ...................................... 9
4.3.2操作线方程的确定 ..................................... 10
4.4塔径计算 . .................................................. 11
4.4.1采用Eckert 通用关联图法计算泛点速率 .................. 11
4.4.2操作气速： ........................................... 13
4.4.3塔径计算： ........................................... 13
4.4.4单位高度填料层压降的校核 ............................. 14
4.5填料层高度计算 . ............................................ 14
4.5.1传质系数的计算 ....................................... 14
4.5.2 填料层高度 . .......................................... 17
4.6填料塔附属高度的计算 . ...................................... 18
第五章 填料吸收塔附属装置的选型 ................................. 19
5.1液体分布器的简要设计 . ...................................... 19
5.1.1液体分布器的选型 ..................................... 19
5.1.2分布点密度及布液孔数的计算 ........................... 20
5.2. 塔底液体保持管高度的计算 .................................. 21
5.3其它附属塔内件的选择 . ...................................... 22
5.3.1 填料支撑板 . .......................................... 22
5.3.2 填料压紧装置与床层限制板 . ............................ 22
第六章 辅助设备的选型 ......................................... 23
6.1管径的选择 . ................................................ 23
6.1.1进液管管径 ........................................... 23
6.1.2出液管管径 ........................................... 23
6.1.3进气管管径 ........................................... 24
6.1.4出气管管径 ........................................... 24
6.2泵的选取： . ................................................ 24
6.3风机的选型： . .............................................. 26
第七章 关于填料塔设计的选材 .................................... 27
参考文献 ......................................................... 28
附录 ............................................................. 29
致谢 ............................................................. 34
第一章 设计方案的内容
1.1流程方案
指完成设计任务书所达的任务采用怎样的工艺路线，包括需要哪些装置设备，物料在个设备间的走向，哪些地方需要有观测仪表、调节装置，那些取样点以及是否需要有备用设备等，按上述内容绘制流程图。
1.2设备方案
根据设备要求，确定选用什么形式的设备。如吸收塔选用板式塔还是填料塔，为什么选用填料塔。若选用填料塔，塔内填料的形式、尺寸和材质如何选定。方案的确定需要加以论证在技术上可行的基础上考虑经济性。
第二章 设计方案的确定
2.1吸收流程选择
2.1.1吸收工艺流程的确定
工业上使用的吸收流程多种多样，可以从不同的角度进行分类，从所用的吸收剂的种类看，有仅用一种吸收剂的一步吸收流程和使用两种吸收剂的两部吸收流程，从所用的塔设备数量看，可分为单塔吸收流程很多塔吸收流程，从塔内气液两相得流向可分为逆流吸收流程、并流吸收流程等基本流程，此外，还有用于特定条件下的部分溶剂循环流程。
（一）一步吸收流程和两部吸收流程
一步流程一般用于混合气体溶质浓度较低，同时过程的分离要求不高，选用一种吸收剂即可完成任务的情况。若混合气体中溶质浓度较高且吸收要求也高，难以用一步吸收达到规定的吸收要求，但过 程的操作费用较高，从经济性的角度分析不够适宜时，可以考虑采用两步吸收流程。
（二）单塔吸收流程和多塔吸收流程
单塔吸收流程是吸收过程中最常用的流程，如过程无特别需要，则一般采用单塔吸收流程。若过程的分离要求较高，使用单塔操作时，所需要的塔体过高，或采用两步吸收流程时，则需要采用多塔流程（通常是双塔吸收流程）
（三）逆流吸收与并流吸收
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。工程上，如无特别需要，一般均采用逆流吸收流程。
（四）部分溶剂循环吸收流程
由于填料塔的分离效率受填料层上的液体喷淋量影响较大，当液相喷淋量过小时，将降低填料塔的分离效率，因此当塔的液相负荷过小而难以充分润湿填料表面时，可以采用部分溶剂循环吸收流程，以提高液相喷淋量，改善塔的操作条件。
本设计采用单塔逆流操作。
2.1.2流程装置的确定
常用的吸收装置流程主要有逆流操作、并流操作、吸收及部分再循环操作、多塔串联操作、串联—并联操作，根据设计任务、工艺特点，结合各种流程的优缺点，采用常规逆流操作的流程，传质平均推动力大，传质速率快，分离效率高，吸收及利用率高。流程如下图：
图2.1工艺流程图
2.2吸收剂的选择
吸收剂的选择应考虑以下几方面：
(1)溶解度: 吸收剂对溶质的溶解度要大，以提高吸收速率并减少吸收剂的用量。
(2)选择性: 吸收剂对溶质组分有良好的溶解能力，对其他组分不吸收或甚微。
(3)挥发度：操作温度下吸收剂的蒸汽压要低，以减少吸收和再生过程的挥损失。
(4)粘度: 吸收剂在操作温度下粘度要低，流动性要好，以提高传质和传热速率。
(5)其他： 所选用的吸收剂尽量要无毒性、无腐蚀性、不易爆易燃、不发泡、点低、廉价易得及化学性质稳定
一般来说，任何一种吸收剂都难以满足以上所有要求，选用是要针对具体情况和主要因素，既考虑工艺要求又兼顾到经济合理性。
本设计采用水作为吸收剂，二氧化硫作为溶质。
2.3吸收剂再生方法的选择
依据所用的吸收剂不同可以采用不同的再生方案，工业上常用的吸收剂再生方法主要有减压再生、加热再生及气提再生等。
A. 减压再生（闪蒸）
吸收剂的减压再生是最简单的吸收剂再生方法之一。在吸收塔内，吸收了大量溶质后的吸收剂进入再生塔并减压，使得融入吸收剂中的溶质得以再生。该方法最适用于加压吸收，而且吸收后的后续工艺处于常压或较低压力的条件，如吸收操作处于常压条件下进行，若采用减压再生，那么解吸操作需要在真空条件下进行，则过程可能不够经济
B. 加热再生
加热再生也是吸收剂再生最常用的方法。吸收了大量溶质后的吸收剂进入再生塔内并加热使其升温，溶入吸收剂中的溶质得以解吸。由于再生温度必须高于吸收温度，因而，该方法最适用于常温吸收或在接近于常温的吸收操作，否则，若吸收温度较高，则再生温度必然更高，从而，需要消耗更高品位的能量。一般采用水蒸气作为加热介质，加热方法可依据具体情况采用直接蒸汽加热或采用间接蒸汽加热。
2.4操作温度和压力的确定
2.4.1操作温度的确定
对于物理吸收而言, 降低操作温度, 对吸收有利. 但低于环境温度的操作温度因其要消耗大量的制冷动力而一般是不可取的, 所以一般情况下, 取常温吸收较为有利. 对于特殊条件的吸收操作方可采用低于或高于环境的温度操作.
对于化学吸收, 操作温度应根据化学反应的性质而定, 既要考虑温度对化学反应速度常数的影响, 也要考虑对化学平衡的影响, 使吸收反应具有适宜的反应速度.
对于再生操作, 较高的操作温度可以降低溶质的溶解度, 因而有利于吸收剂的再生. 而对本设计而言，由吸收过程的气液关系可知，温度降低可增加溶质组分的溶解度，即低温有利于吸收，但操作温度的低限应有吸收系统的具体情况决定。依据本次设计要求，操作温度定为20℃。
2.4.2操作压力的确定
操作压力的选择根据具体情况的不同分为三种：
对于物理吸收, 加压操作一方面有利于提高吸收过程的传质推动力而提高过程的传质速率, 另一方面, 也可以减小气体的体积流率, 减小吸收塔径. 所以操作十分有利. 但工程上, 专门为吸收操作而为气体加压, 从过程的经济性角度看是不合理的, 因而若在前一道工序的压力参数下可以进行吸收操作的情况下, 一般是以前道工序的压力作为吸收单元的操作压力.
对于化学吸收, 若过程由质量传递过程控制, 则提高操作压力有利, 若为化学反应过程控制, 则操作压力对过程的影响不大, 可以完全根据前后工序的压力参数确定吸收操作压力, 但加大吸收压力依然可以减小气相的体积流率, 对减小塔径仍然是有利的.
对于减压再生(闪蒸) 操作, 其操作压力应以吸收剂的再生要求而定, 逐次或一次从吸收压力减至再生操作压力, 逐次闪蒸的再生效果一般要优于一次闪蒸效果.
本设计中由吸收过程的气液平衡可知，压力升高可增加溶质组分的溶解度，即加压有利于吸收。但随着操作压力的升高，对设备的加工制造要求提高，且能耗增加，综合考虑，采用常压101.325kPa 。
第三章 吸收塔设备及填料类型与选择
3.1吸收塔设备的选择
对于吸收过程，能够完成其分离任务的塔设备有多种，如何从众多的塔设备中选择合适的类型是进行工艺设计得首要工作。而进行这一项工作则需对吸收过程进行充分的研究后，并经多方案对比方能得到较满意的结果。一般而言，吸收用塔设备与精馏过程所需要的塔设备具有相同的原则要求，即用较小直径的塔设备完成规定的处理量，塔板或填料层阻力要小，具有良好的传质性能，具有合适的操作弹性，结构简单，造价低，易于制造、安装、操作和维修等。
在液体流率很低难以充分润湿填料，或塔径过大，使用填料塔不很经济的情况下，以采用板式塔为宜。但作为吸收过程，一般具有操作液气比大的特点，因而更适用于填料塔。此外，填料塔阻力小，效率高，有利于过程节能，所以对于吸收过程来说，以采用填料塔居多。
本次吸收塔设计选择填料吸收塔。
3.2填料类型的选择
工业上填料按形状和结构可分为散装填料和规整填料两类【2】（65-67页）：
(1) 散装填料 以随机的方式堆积在塔内，以下是几种典型的散装填料：
拉西环填料 最早的工业填料，但因性能较差，目前工业上已经很少使用
鲍尔环填料 是在拉西环基础上的改进，利用率有了很大提高
阶梯环填料 对鲍尔环的改进，为目前所使用的环形填料最为优良的一种
弧鞍 填料 一般采用瓷质材料，易碎，工业中不常用
环矩鞍填料 集环型与鞍型优点，是工业应用最广的一种金属散装填料
(2) 规整填料 以一定的几何形状，整齐堆砌，工业用多为波纹填料，其优点是结构紧
凑、传质效率高、处理量大，但不易处理粘度大或有悬浮物的物料，且造价高。
根据分离工艺的要求，考虑以下因素：
(1)传质效率 在满足工艺条件的前提下，选用传质效率高，即HETP(或HTU) 低的填料。
(2)通量 保证较高的传质效率前提下，选用有较高泛点或气相动能因子的填料。
(3)填料层压降 压降越小，动力耗费越少，操作费用越小。
(4)操作性能 填料具有较大操作弹性，且具有一定的抗污堵、抗热敏能力等。
3.3填料规格的选择
(1)散装填料 常用主要有DN 16、DN 25、DN 38、DN 50、DN 76等几种规格。 一般推荐： D ≤300时，选25mm 的填料；300mm ≤D ≤900mm 时，选25—38mm 的填料; D ≥900mm 时，选用50-70mm 的填料，但一般大塔中常用50mm 的填料。
(2)规整填料 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，既考虑工艺要求又兼顾到经济合理性【2】（67-68页）。
3.4填料材质的选择
(1)陶瓷 具有耐腐性及耐热性，但质脆、易碎，不宜高冲击强度下使用。
(2)金属 碳钢对低腐蚀无腐蚀物系优先考虑，不锈钢耐Cl -以外物系腐蚀，特种合金钢价格高，只在特殊条件下使用
(3)塑料 主要包括PP(聚丙烯) 、PE(聚乙烯) 、 PVC(聚氯乙烯) 等，一般采用PP(聚丙烯) 材质。塑料耐腐蚀性、耐低热性好，但具有冷脆性，表面润湿性较差。
一般讲，操作温度较高但无显著腐蚀性时，选用金属填料；温度较低选用塑料填料；物系具有腐蚀性、操作温度高，宜采用陶瓷填料
综上所述考虑到本设计是利用清水吸收SO 2，吸收液显弱酸性，有一定的腐蚀性，同时考虑到经济的合理性及吸收的效率，故先选用DN =50mm 聚乙烯阶梯环，是否合理在下面的计算中进行核算校验
【2】（68页）。
第四章 吸收塔工艺条件的计算
4.1基础物性数据
4.1.1液相物性数据
对于低浓度的吸收过程，溶液的物性数据可以近似取纯水的物性数据 20℃时水的有关物性数据如下密度ρL =998.2(kg /m 3)
粘度μL =0.001004(Pa.S )=3.6kg /(m.h ) 表面张力δL =72.6(dyn /cm )=940896(kg /h 2)
SO 2在水中的扩散系数D L =1.47⨯10-5(㎝2/s) =5.29⨯10-6(m 2/h ) 4.1.2气相物性数据 混合气体的平均摩尔质量为
【1】
（上册附录332页）：
M vm =0.05⨯64.06+0.95⨯29=30.75混合气体的平均密度为
ρG =
101.3⨯30.75
=1.257(kg /m 3)
8.314⨯273.15+20【1】
混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册粘度为
（上册附录330页）的20℃空气的
μG =1.81⨯10-5(Pa ⋅s ) =0.065kg /(m ⋅h )
SO 2在空气中的扩散系数为
D G =0.108⨯10-4(m 2/s ) =0.039(m 2/h )
4.2确定气液平衡的关系
有表4.1若干气体水溶液的亨利系数查的20℃下SO 2亨利系数为
表4.1SO 2气体水溶液的亨利系数
气体 10℃ 20℃ 30℃
【1】
（下册80页表2-1）：
SO 2 0.245 0.355 0.485
E =3.55⨯103kPa
设计为常压：P =101.3kPa
E 3. 55⨯103
＝35. 04 相平衡常数：m ==
P 101. 33查《化工原理（上）》附录密度：ρl =998.2kg /m 3
摩尔质量：M S =18.02mol /kg
【1】
（附录332页）得20℃时水的有关物理数据如下：
溶解度系数为： H =
ρl
EM s
=
998.23
=0.0156kmol /(kpa ⋅m ) 3
3.55⨯10⨯18.02
该系统的相平衡关系可以表示为y*＝mX=35.04X
4.3吸收剂及操作线的确定
4.3.1吸收剂用量的确定
进塔气相摩尔比为：Y 1=
y 10. 05
==0. 0526； 1-y 11-0. 05
出塔气相摩尔比为：Y 2=Y 1(1-ϕ)=0.0526(1-0.95) =0.00263 进塔惰性气体流量为：
V =
V S T 0P 2200273.15
⋅⋅(1-y 1)=⨯⨯(1-0.05)=85.48kmol ⋅h -1 22.4TP 022.4298.15
该吸收过程属于低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下使计算，
Y 1-Y 2Y 1-Y 2⎛L ⎫== ⎪*1⎝V ⎭min X 1-X 2
-X 2m
对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为： X 2=0
Y 1-Y 20.0526-0.00263⎛L ⎫===33.28 ⎪Y 0.0526⎝V ⎭min 1
35.04m
一般情况下取吸收剂用量为最小用量的（1.1-2.0）倍时较为适宜。 取操作液气比为：
⎛L ⎫⎛L ⎫
⎪=1.5 ⎪ ⎝V ⎭⎝V ⎭min
L
=1.5⨯33.28=49.92 V
吸收剂用量：L =49.92⨯85.48=4267.16kmol h
V (Y 1-Y 2) =L (X 1-X 2)
V (Y 1-Y 2) 85.48⨯(0.0526-0.00263)
+X 2=+0=0.0010 L 4267.16
X 1=
4.3.2操作线方程的确定
如图3-1 对逆流操作吸收塔在任一截面m-n 与塔底间列物料衡算：
Y =Y 2-
L L ⎛⎫
⋅X + Y -⋅X ⎪ V ⎝2V 2⎭L
⋅X 2=0.00263 V
吸收塔操作线方程式为：Y =79.92X +0.00263
4.4塔径计算
4.4.1采用Eckert 通用关联图法计算泛点速率u
f
图4.1填料塔泛点和压降的通用关联图
（查自：《化工原理课程设计（化工传递与单元操作课程设计）》）
对于水吸收二氧化硫的过程，操作温度及压力较低，工业用塑料散装填料，其中阶梯环填料综合性能较好，故选用D N 50聚乙烯阶梯环填料。 相关数据：由《化工原理（上）》附录查200C 下水的有关数据如下页）：
黏度:μ水＝100. 5⨯10-5Pa ⋅s =3. 6kg (m ⋅h ) ； 密度:ρ水＝998. 2kg ⋅m -3
塔底混合气体的平均摩尔质量 ：
【1】
（上册附录332
M vm =∑y i M i =0. 05⨯64. 06+0. 95⨯29=30. 75
故塔内气体平均密度为：
ρvm ＝
P ⋅M vm 101. 3⨯30. 75
==1. 257kg ⋅m -3 RT 8. 314⨯298. 15
气相质量流量为：
W V =V S ρvm =2200⨯1.257=2765.40kg ⋅h -1 液相质量流量可近似按纯水的流量计算即 : W L =L ⋅M 水=4267.16⨯18.02=76894.22kg ⋅h -1 Eckert 通用关联图的横坐标为：
W
L W V
⎛ρ⎫76894.22⎛1.257⎫⋅ V ⎪=⋅ ⎪=0.98672 ρ2765.40998.2⎝⎭⎝L ⎭
1
2
12
查图4.1填料塔泛点和压降的通用关联图纵坐标为
u 2f ⋅ϕ⋅ψ⎛ρV
⋅ g ⎝ρL
⎫0.2
⎪⋅u L =0.023 ⎭
式中：u F ：泛点气速 m/s g：重力加速度 9.81m/s2 ρG ，ρL ：气相，液相密度 kg/m3 μL ：液体粘度 mPa·s φF ：试验填料因子，m -1
ϕ:水密度与液体密度之比（此处为1） ；根据以上选择知选取 d =50mm 的塑料阶梯环。
查 《化工原理（下）》表3-6 ，知φ=143m -1 ，∂t =114. 2m 2⋅m -3
u 20.2f ⨯143⨯1⎛1.257⎫
⨯ ⨯1.005=0.023 ()⎪
9.81⎝998.2⎭
u f =
==1.119m ⋅s -1
4.4.2操作气速：
填料塔塔径的大小是根据生产能力与空塔气速来计算。空塔气速有下面经验公式来确定。对于散装填料，泛点率的经验值为取u =0.7u f =0.7⨯1.119=0.783m ⋅s -1 4.4.3塔径计算：
=0.997m
u
=0. 5~0. 8 u f
D =
圆整后 取： D =1000mm 泛点率校核：
u =
4
V S ⋅D 2
=
2200
=0.7785m ⋅s -1 2
0.785⨯3600⨯1
u 0.7785=⨯100%=69.57%(在允许的范围内0.5-0.8) u F 1.119
填料规格的校核：
D 1000==20>8（合适） d 50
液体喷淋密度U 校核： 取最小喷淋密度：
(L w ) min =0. 08m 3m ⋅h
查 《化工原理（下）》（181页）表3-6 知，σ=114.2m 2/m 3
U min =(L w ) min a t =0. 08⨯114. 2=9. 136m 3m 2⋅h 单位时间内每立方米塔截面上的吸收剂用量：
L ⋅M 水
U =
L n ρL 4267.16
===98.02m 3m 2⋅h >U min 222
0.785D 0.785D 0.785⨯1
经以上的校核可知，填料塔直径选用D =1000mm合理。
∆P
4.4.4单位高度填料层压降（Z ）的校核
由在E -c ker t 关联图计算填料层压强降 横坐标为
W L W V
⎛P ⎫-1V
⎪=0.98672, 由表 3.2查的φP =89m ⎝P L ⎭
12
u 2f ϕP ψ⎛ρV
纵坐标为⋅
g ⎝ρL
⎫0.21.1192⨯89⨯11.257
⨯⨯1.0050.2=0.1432 ⎪μL =
9.81998.2⎭
∆P
=43⨯9.81=421.83pa
Z
∆P
所以d 符合条件
4.5填料层高度计算
4.5.1传质系数的计算
（1）有效面积（润湿面积）αw
气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：
0.2
2
⎛U L ⎫⎤ ⎪⎥ ρσα⎝L L t ⎭⎥⎣⎦kg 由表4.2知聚乙烯的σC =33⨯12960=427680
h 2
⎡⎛σ⎫αw
=1-exp ⎢-1.45 C ⎪αt ⎢⎝σL ⎭
0.75
2
⎛σL ⎫⎛U L αt ⎫ ⎪ 2⎪αμ⎝t L ⎭⎝ρL g ⎭
0.1-0.05
表4.2填料材质的临界表面张力σC 值
涂石蜡的
材料
钢
陶瓷
聚乙烯
聚氯乙烯
碳
玻璃
表面
σC
dyn/cm
75 61 33 40 56 73 20
查《化工原理（上）》附录（331页）得，200C 时水的表面张力为：
kg σL =72. 6⨯10-3N m ⨯12960=940896液体质量通量为：
h 2
U L =
W L D 2
=
76894.22
=97954.42kg 2
2
m ⋅h ) 0.785⨯1
4
μL =100. 5⨯10-5⨯3600=3. 618kg
m ⋅h )
2
αt =114.2m 2/m 3
⎡αw ⎛427680⎫
=1-exp ⎢-1.45 ⎪αt 940896⎭⎝⎢⎣
0.75
ρl =998.2kg /m 3
2
⎛97954.22⎫⎛97954.22⨯114.2⎫ ⎪ 28⎪⎝114.2⨯3.6⎭⎝998.2⨯1.07⨯10⎭
0.1
-0.05
g =1.07⨯108m /h 2
⎛⎫97954.222 ⎪⎝998.2⨯940896⨯114.2⎭
0.2
⎤
⎥=0.6592 ⎥⎦
αw =αt ⨯0.6592=75.28m
（2）液相吸收系数k L 由下式计算：
⎛U l
0.0095⨯=k L
a μ⎝w L
⎫⎪⎪⎭
2/3
⎛μL ρD ⎝L L ⎫⎪⎪⎭
-1/2
⎛μL g ⎫ ρ⎪⎪⎝L ⎭
1/3
20℃下SO 2在水中的扩散系数D L =1.47⨯10-5cm 2/h
3.6⎛97954.42⎫⎛⎫
k L =0.0095⨯ ⎪ -6⎪
⎝75.28⨯3.6⎭⎝998.2⨯5.29⨯10⎭
23
-⎛3.6⨯1.07⨯108⎫ ⎪
998.2⎝⎭
=1.3132
U V 0.7μV 1a D
（3）气膜吸收系数k G =0.237() () 3(t V )
a t μV ρV D V RT
由表4.3知0℃时SO 2在空气中的扩散系数：D 0=0.103cm 2/s =0.103⨯10-4m 2/s
表4.3一些物质在空气中的扩散系数（0℃，101.3kPa ）
扩散物质 扩散物质 扩散系数D AB /(cm 2/s ) 扩散系数D AB /(cm 2/s )
H 2 N 2 O 2 CO 2 HCl SO 2 SO 3 NH 3
⎛P 0⎫⎛T
D =D 根据公式：v ⎪ 0
⎝P ⎭⎝T 0
0.611 0.132 0.178 0.138 0.130 0.103 0.095 0.170
H 2O C 6H 6 C 7H 8 CH 3OH C 2H 5OH CS 2 C 2H 5OC 2H 5
0.220 0.077 0.076 0.132 0.102 0.089 0.078
⎫⎪⎪⎭
⎛101. 3⎫⎛293. 15⎫
=0. 103⨯ ⎪ ⎪
⎝101. 3⎭⎝273. 15⎭
32
=0. 039m 2
U v =
W v D 2
=
2200⨯1.2572
=3522.80kg /(m . h ) 2
0.785⨯1
0.7
4
0.065⎛3522.80⎫⎛⎫⎛114.2⨯0.039⎫
k G =0.237 ⎪ ⎪ ⎪=0.0355
114.2⨯0.0651.257⨯0.0398.314⨯293.15⎝⎭⎝⎭⎝⎭
表4.4常见填料的形状系数
填料类型 ψ值
球形 0.72
棒形 0.75
拉西环 1
弧鞍 1.19
开孔环 1.45
由 k G a =k G a w Ψ1.1 查表4.4得ψ=1.45
则 k G α=k G αw ψ1.1=0.0355⨯75.28⨯1.451.1=4.027kmol m 3⋅h ⋅kPa
k L α=k L αw ψ0.4=1.3132⨯75.28⨯1.450.4=114.698h -1
u 0.7785=⨯100%=69.57%>50%,需要校正 u F 1.119
1. 4
⎡⎛μ⎫⎤'
由k G a =⎢1+9. 5 μ-0. 5⎪⎪⎥k G a
⎢⎝F ⎭⎥⎣⎦
1.43
⎤1+9.5(0.6957-0.5) ⨯4.027=7.926kmol m ⋅h ⋅kPa =⎡⎣⎦
2. 2
⎡⎤⎛⎫μ'
k L a =⎢1+2. 6 μ-0. 5⎪⎪⎥k L a
⎢⎝F ⎭⎥⎣⎦
2.2
=⎡1+2.6(0.6957-0.5)⎤⨯114.698=126.12h -1
⎣⎦
则K G a =
1+' ' k G a Hk L a
=
1
+
7.9260.0156⨯126.120
=1.576kmol (m 3⋅h ⋅kPa )
气相传质单元高度
H OG =
V V 85.48
===0.682m 2
K Y a ΩK G aP Ω1.576⨯101.3⨯0.785⨯1
传质单元数Z:
Y 1*=mX 1=35. 04⨯0. 0010=0. 03504
Y 2*=mX 2=0 脱吸因数为：
S =
mV 35.04⨯85.48
==0.7019； L 4267.16
气相总传质单元数为：
N OG
⎡⎤Y 1-Y 2*1=ln ⎢(1-S )+S ⎥ *1-S ⎣Y 2-Y 2⎦
10.0526-0⎡⎤
ln ⎢(1-0.7019)+0.7019⎥=6.3638
1-0.7019⎣0.001052-0⎦
=
4.5.2 填料层高度
由Z =H OG ⋅N OG =0.682⨯6.3638=4.340m ，
根据设计经验，填料层的设计高度一般为Z ' =(1. 2-1. 5) Z 所以取
Z ' =1.2Z =1.2⨯4.340≈5200mm
查附表5，对于阶梯环填料，取
h
=8~15, h max ≤6m D
h
=9则h =9⨯1000=9000mm ，计算得填料层高度为5200mm ，故不需要分段。 D
4.6填料塔附属高度的计算
塔上部空间高度，通过相关资料可知，可取为1.3m ，塔底液相停留时间按1.5min 考虑，则塔釜液所占空间高度为： V S = h 1=
w L 76894.22
==0.021398(m 3/s )
ρL ⨯36003600⨯998.2
1.5⨯60⨯V S 1.5⨯60⨯0.021398
==2.453(m ) 22
0.785⨯10.785⨯1
考虑到气相接管所占空间高度，底部空间高度可取2.5m ，所以塔的附属空间高度可以取为1.3+2.5=3.8(m)。
因此塔的实际高度取H =5.2+3.8=9 (m )
第五章 填料吸收塔附属装置的选型
5.1液体分布器的简要设计
5.1.1液体分布器的选型
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
【2】
（81-82页）。
性能优良的液体分布器设计时必须满足以下几点：
⑴液体分布均匀 评价液体分布均匀的标准是：足够的分布点密度；分布点的几何均匀性；降液点间流量的均匀性。
①分布点密度。液体分布器分布点密度的选取与填料类型及规格、塔径大小、操作条件等密切相关，各种文献推荐的值也相差较大。
大致规律是：塔径越大，分布点密度越小；液体喷淋密度越小，分布点密度越大。对于散装填料，填料尺寸越大，分布点密度越小。表5.1列出了散装填料塔的分布点密度推荐值。
②分布点的几何均匀性。分布点在塔截面上的几何均匀分布是较之分布点密度更为重要的问题。设计中，一般需通过反复计算和绘图排列，进行比较，选择较佳方案。分布点的排列可采用正方形、正三角形等不同方式。
③降夜点间流量的均匀性。为保证各分布点的流量均匀，需要分布器总体的合理设计、精细的制作和正确的安装。高性能的液体分布器，要求个分布点与平均流量的偏差小于6%。
⑵操作弹性大 液体分布器的操作弹性是指液体的最大负荷与最小负荷之比。设计
中，一般要求液体分布器的操作弹性为2～4，对于液体负荷变化很大的工艺过程，有时要求操作弹性达到10以上，此时，分布器必须特殊设计。
⑶自由截面积大 液体分布器的自由截面积是指气体通道占塔截面积最小应在35%以上。
⑷其它 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 由于该吸收塔的液相负荷较大，而气相负荷相对较低，故选用槽式液体分布器。 当填料层高度与塔径之比超过某一数值时，填料层需分段。在各段填料层之间安设液体再分布器，以收集自上一填料层来的液体，为下一填料层提供均匀的液体分布。
由4.5.2节中知，本次设计的填料层不需要分段, 故不需要安装液体再分布器。
5.1.2分布点密度及布液孔数的计算
按照Eckert 建议值，D 为750mm-1200mm 时，喷淋点密度为170点/m2, 因为该塔液相负荷较大，设计取喷淋点密度为170点/ m2 。布液点数为
n =0.785⨯12⨯170=133.4≈134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：二级槽共设七道，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=132点，(见示意图) 布液计算： 由
L =
π
4
d 02n
L: 液体流量 m3/s n: 开孔数目
φ: 孔流系数，取0.55～0.60 d 0: 孔径，m
∆H : 开孔上方的液位高度，m
取φ=0.60，∆H =
160mm
d 0=
==0.0139m
图5.1 槽式液体分布器二级槽的布液点示意图
设计取 d 0=14mm
5.2. 塔底液体保持管高度的计算
取布液孔的直径为14mm ，则液位保持管中的液位高度可由公式：
⎛4L ⎫
L =d nk 2gh 得，即：h = 2⎪/2g ：
4⎝πd nk ⎭
2
π
2
式中：d ：布液孔直径，m L：液体流率，m 3/s n ：布液孔数 k ：孔流系数 h ：液体高度，m g ：重力加速度，m/s2 k 值由小孔液体流动雷诺数决定 可取k =0. 60~0. 62 因此，取k =0. 60
4⨯76894.22⎛4L ⎫⎛⎫
2⎪⎪πd nk ⎭ 998.2⨯3600⨯3.14⨯0.0142⨯132⨯0.6⎭⎝⎝ h ===0.1572(m ) 2g 2⨯9.8122
根据经验 ，则液位保持管高度为： h ' =1.15h =1.15⨯0.1572=0.1807(m )
5.3其它附属塔内件的选择
5.3.1 填料支撑板
填料支撑板的作用是支撑塔内的填料。常用的填料支撑装置由栅板型，孔管型，驼峰型等。对于散装填料，通常选用孔管型，驼峰型支撑装置；设计中，为防止在填料支撑装置处压降过大甚至发生液泛，要求填料支撑装置的自由截面积应大于75% 。
本次设计选梁式气喷式支撑板5.3.2 填料压紧装置与床层限制板
对于散装填料，可以选用压紧栅板，也可以选用压紧网板，在其下方根据填料的规格铺设一层金属网，并将其与压紧栅板固定。设计中，为防止在填料压紧装置处压降过高甚至发生液泛，要求压板或限制板自由截面分率大于70％。
本次设计选用压紧网板
【2】
【2】
（83-84页）。
（84页）。
第六章 辅助设备的选型
6.1管径的选择
本设计中填料塔有多处接管，但主要的是气体和液体的进料口和出料口接管
【1】
（上
册附录357页）。在此分别以液体进料管和气体进料管的管径计算为例进行说明。气体和液体在管道中流速的选择原则为：常压塔气体进出口管气速可取10～20m/s（高压塔气速低于此值）；液体进出口流速可取0.8～2.0m/s（必要时可加大些）
气相体积流量
V s =2200m 3/h =0611m 3/s ; 液相体积流量
V S ' =
w L
=
76894.22
=77.03m 3h =0.0214m 3；
998.2
ρ
6.1.1进液管管径
由于清水无腐蚀性故可选择热无缝钢管（GB8163-87）
取u 水
=1.5m/s，d 0==134.81mm ；
查《化工原理（上）》附录管子规格知 圆整后取管规格为ϕ159mm ⨯10mm ;
4V S ' 核算u ：u ==1.41s 故满足条件。
π(159-10⨯2) 2
6.1.2出液管管径
由于本吸收操作中SO 2在空气中含量极低故吸收液吸收前后密度变化不大，故出液口管径仍取φ159⨯10mm
6.1.3进气管管径
由于SO 2遇水呈弱酸性故对管道有腐蚀所以选取热无缝不锈钢管（GB/T14976-94） 进气管进气为常压进气，故可取
u =
20m /s , d 0=
=197.27mm ；圆整后去管的规格为φ245⨯12mm 则实际通过气体接管的气速为：
u 气=
4⨯G s 4⨯2200/3600
==15.94 m /s πD 23.14⨯(0.245-0.024) 2
6.1.4出气管管径
由于本吸收操作中SO 2在空气中含量极低故吸收前后气体体积变换不大，故管径仍取φ245⨯12mm
6.2泵的选取：
离心泵的选取
【1】
（上册附录362页）：
由于输送清水，故泵可选清水泵； a) 流量Q =
W L
ρL
=
76894.22
=77.03m 3/h
998.2
b) 流量所需的扬程
∆p ∆u 2
H =∆Z +++∑h f 1+∑h f 2
ρg 2g 式中 ∆Z —两截面处位头差；
∆p
—两截面处静压头之差； ρg
∆u 2
—两截面处动压头之差；
ρg
∑h
f 1
—直管阻力；
∑h
f 2
—管件、阀门局部阻力；
根据前面设计资料对上述公式各项进行估算：
∆Z =9m ∆P =421.83⨯5.2=2193.516Pa
管路总阻力和所需压头计算根据管路的平立面布置，计算所得雷诺数为：
R e =
du ρ
μL
=
0. 14⨯51. ⨯41998. 2
=20306>6. 7（湍流）4000
0. 001005
利用柏拉修斯关系式有： λ=
0. 31640. 3164
==0. 014 90. 2525
R e 2030660. . 7
根据填料塔高及泵的大体位置，管路长ｌ取13米
l u 13⨯1.41 ∑h =λ=0.0149⨯=0.135(m )
d 2g 0.145⨯2⨯9.81
2
2
f 1
选用三个90。弯头，三个截止阀全开
u 21.412
∑h f 2=∑ξ=(0.75⨯3+6.4⨯3)⨯=2.17(m )
2g 2⨯9.81
∆P ∆u 22193.56
H =∆Z +++∑h f 1+∑h f 2=9++0+0.135+2.17=11.53m
ρg 2g 998.2⨯9.81
考虑到安全系数，查得流量的安全系数为1.1，扬程的安全系数为1.05～1.1
Q ' =1.1Q =1.1⨯77.033=84.74m 3/h H ' =1.05H =1.05⨯20.529=12.11m
因为该吸收以清水为吸收剂，由《化工原理（上）》（362页）附录知可选取IS100-80-160型泵，其性能参数如下
表6.1 离心泵参数
转速r /min
流量m /h
2900
100
3
效率η 电机功率kW 必须气蚀余量(NPSH ) r m 扬程m
32
78 15 4
核算轴功率：N =
HQ ρ
=5.79kw
6.3风机的选型：
输送气体SO 2可选离心通风机
' T
【1】
（上册附录365页）；
由伯努利方程知：H =(P 2-P 1)+
'
H T =H T
ρu 2
2
=159.69Pa
1.2
=152.45Pa 1.257
通过查《化工原理（上）》附录知
故可选用4-72-116C 型离心通风机；其特性参数为：
表6.2 离心通风机参数
转速 r/min 800
风压 Pa 294.2
风量
效率 % 91
功率 kW 0.73
m 3/h
5610
第七章 关于填料塔设计的选材
本设计填料塔的设计温度为200C ，设计压力为101.3kPa ；由于塔设备常年暴露与室外，要求有足够的强度和塑度；所以筒体、封头和塔裙选用15MnNiDR 1-23）合金钢，其它部件选用Q235-A
【3】
【3】
（34页表
（15页表1-7）的钢材制的。
塔设备的筒体不包括腐蚀度的最小厚度要求内径不小于4mm ；
P c D i '
δ==0. 48mm
2[σ]t ϕ
综上所述，筒管厚度为10mm ，根据《化工机械设备》查D=1400mm，可知椭圆形封头厚度为12mm 。
参考文献
【1】：夏清、陈常贵，化工原理上、下册[M]，天津大学出版社，2005
【2】：化学与化工学院化工系，《化工原理》课程设计指导书，内蒙古科技大学，2007 【3】：王立业，刁玉伟等，化工设备机械基础[M]，大连理工大学出版社，2006 【4】：路秀林，王者相等，塔设备[M]，化学工业出版社，2004 【5】：潘永亮，化工设备机械基础[M]，科学出版社，2007 【6】：贾绍义、柴诚敬，化工原理课程设计[M]，2006
【7】：董大亲，化工设备机械基础[M]，化学工业出版社，2002
附录
工艺设计计算结果汇总与主要符号说明
表1基础物性数据和物料衡算结果汇总
项目
吸收剂（水）的密度
溶剂的粘度 溶剂表面张力 二氧化硫在水中扩散系数 混合气体的平均摩尔质量 混合气体的平均密度 二氧化硫在空气中扩散系数
亨利系数 气液相平衡常数 溶解度系数 二氧化硫进塔摩尔比 二氧化硫出塔摩尔比 惰性气体摩尔流量 吸收剂摩尔流量 液相进口摩尔比 液相出口摩尔比
符号 ρL μL δL D L
数值与计量单位 998.2(kg /m 3)
0.001005(Pa.S )=3.6 kg /(m ⋅h )
2
72.6(dyn /cm )=940896kg /h
()
5.29×10
-6
(m
2
/h )
M G
30.75g mol 1.257kg m 3
2
0.039m /h
ρG
D G E
()
3
k Pa 3.55×10
m
H Y 1 Y 2 G L X 2 X 1
35.04
0.0156 kmol /(m⋅kPa)
0.0526 0.00263 85.48 kmol /h ; 4267.16 kmol /h
0 0.0010
3
表2填料塔工艺尺寸计算结果表
项目 气相质量流量 液相质量流量
塔径 空塔气速 泛点率 喷淋密度 解吸因数 气相总传质单元数 液体质量通量 气体质量通量 气膜吸收系数 液膜吸收系数 气相总吸收系数(校
正后)
液相总吸收系数（校
正后） 气相传质单元高度 填料层高度 填料塔上部空间高
度
填料塔下部空间高
度 塔附属高度 塔高 布液孔数
符号
数值与计量单位 2765.40 kmol /h 76894.22 kmol /h
1000 m m 0.783s 69.57%
32
98.02 m /m ⋅h
W G W L
D
u u u F
U S
()
0.7019 6.3638
97954.42kg /(m 2⋅h ) 3522.80kg /(m ⋅h )
2
0.035546 kmol /m ⋅h ⋅kpa
N OG
U L U G
2
k G
()
k L
'a k G 'k l a
1.3132 (m /h )
3
7.92572 kmol /m ⋅h ⋅kpa
()
126.12(l /h ) 0.6820m 5.2m 1.3m 2.5m 3.8m 9 m 132点
H OG
Z '
h 1 h 2 h 3
H
n
表3流体力学参数计算结果汇总
项目 填料层压力降 泛点率
符号 △P
数值与计量单位 2193.516 Pa 69.57%
u F
表4附属设备计算结果汇总
项目 液体进出口接管
选型
热无缝钢管
数值与计量单位 液体实际流速
ϕ159mm ⨯10mm
热无缝不锈钢管
u 液=1.41 m /s
气体实际流速
气体进出口接管
φ245⨯12mm
u 气=15.94 m /s
扬程 H=12.11m 风压H T =152.45Pa
离心泵的选型 风机的选型
IS100-80-160单级单吸离心泵 4-72-116C 型离心通风机
表5 DN =50mm 聚乙烯阶梯环填料性能参数汇总
项目 公称直径
塔径与填料公称直径比值
填料因子 临界表面张力值 形状修正系数 填料分段高度推荐值
符号
数值与计量单位 50mm >8 80m
-1
D N
D/d
φF
σC
ϕ
h
=8~15 D
33dyn /cm 1.45
h max ≤6m
表6主要符号说明（英文字母）
a w ——填料层的润滑比表面积m 2/m 3；
S ——脱吸因数; 无因次;
a ——填料层的有效传质比表面积（m 2/m 3）
U L ——液体质量通量kg /(m 2⋅h )
D ——扩散系数，m 2/s ; 塔径, m ;
U G ——气体质量通量kg /(m 2⋅h )
E ——亨利系数，kPa ;
H ——溶解度系数，kmol /(m 3⋅kPa ) ;
H L ——液相传质单元高度，m ; H OL ——液相总传质单元高度，m ;
g ——重力加速度，kg /(m 2⋅h ) ; H G ——气相传质单元高度 ，m ;
H OG ——气相总传质单元高度，m ;
L 喷——液体喷淋密度;
m ——相平衡常数，无因次;
N L ——液相传质单元数，无因次; N OL —— 液相总传质系数，无因次;
N G ——气相传质单元数，无因次;
N OG ——气相总传质系数，无因次
P ——总压，kPa ;
R ——气体通用常数，kJ /(kmol ⋅K )
T ——温度，0C;
d ——填料直径，mm ；
u ——空塔速度，m /s ;
G ——惰性气体流量，kmol/h ;
u F ——液泛速度，m /s ;
G S ——混合气体体积流量，m 3/h ;
k G ——气膜吸收系数kmol /(m 2⋅h ⋅kPa ) ;
'
k l a —液相总吸收系数，1/h ;
k L —液膜吸收系数 m /h ;
'a —气相总吸收系数kmol /(m 3⋅h ⋅kPa ) k G
K G a —气相总传质系数 kmol /(m 3⋅h ⋅kPa )
L S ——吸收剂用量kmol /s , kmol /h ;
W L ——吸收剂质量流量kg /h ；
K L a —液相总传质系数1/h ;
L ——是吸收液量 kmol /h W G ——气体质量流量，kg /h ；
ϕ——填料因子， m -1; 修正系数，无
因次
ρ——密度kg /m
3
表7主要符号说明
L ——液相的 S ——混合气流量
x ——溶质在液相中的摩尔分率 无因次 y ——溶质在气相中的摩尔分率 无因次 Z ——填料层高度 m
G ——气相的
G ——混合气质量流量
X ——溶质在液相中的摩尔比 无因次 Y ——溶质在气相中的摩尔比 无因次
Z '’——填料高度 m
表8主要符号说明（希腊字母）
μ——粘度Pa ⋅s σ——表面张力 kg /h 2
min ——最小的
ρ——密度kg /m 3
m ——平均的，对数平均的 max ——最大的
致谢
本次课程设计经过两周的时间得以完成。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，其间与指导教师进行几次方案的讨论、修改，再讨论、逐步了解设计填料塔的基本顺序，最后定案。设计方案确定后，又在老师指导下进行扩初详细设计，并计算物料守衡，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。
但是，课程设计的完成并不代表我自身学习的终止，在完成过程中我发现自己有很多缺点不足。化工原理课程设计的完成对我来说有深刻的意义，我衷心感谢赫老师的指导以及与我共同学习的同学。