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，以免污染大气根据不同性质上的差异，可以 开发出不同的分离方法吸收操作仅为其中之一，它利用混合物中各组分在 液体中溶解度或化学反应活性的差异，在气液两相接触时发生传质，实现气 液混合物的分离一般说来，完整的吸收过程应包括吸收和解吸两部分在化工生产过程中， 原料气的净化，气体产品的精制，治理有害气体，保护环境等方面都要用到 气体吸收过程填料塔作为主要设备之一，越来越受到青睐二氧化硫填料 吸收塔，以水为溶剂，经济合理，净化度高，污染小此外，由于水和二氧 化硫反应生成硫酸，具有很大的利用本次化工原理课程设计，我设计的题目是：炉气处理量为4200m3h炉气吸过程填料吸收塔设计本次任务为用水吸收二氧化硫常压填料塔具体 设计条件如下：1、 混合物成分：空气和二氧化硫；2、 二氧化硫的含量：0.05（摩尔分率）3、 操作压强；常压操作4、 进塔炉气流量：4200 m 3；h5、 二氧化硫气体回收率：95%吸收过程视为等温吸收过程。
目录摘要 I目录 II第一章 设计方案的确定 11.1 流程方案 11.2 设备方案 11.3 流程布置 11.4 吸收剂的选择 1第二章 填料的选择 22.1 对填料的要求 22.2 填料的种类和特性 22.3 填料尺寸 32.4 填料材质的选择 3第三章 工艺计算 43.1 气液平衡的关系 43.2 吸收剂用量及操作线的确定 43.2.1 吸收剂用量的确定 43.2.2 操作线的确定 53.3 塔径计算 53.3.1 采用 Eckert 通用关联图法计算泛点速率 53.3.2 操作气速 73.3.3 塔径计算 73.3.4喷淋密度U校核 73.3.5 单位高度填料层压降的校核 83.4填料层高度计算 93.4.1 传质系数的计算 9（1）有效面积（润湿面积） 9w3.4.2 填料高度的计算 12第四章 填料塔内件的类型与设计 134.1 塔内件的类型 13第五章 辅助设备的选型 165.1 管径的选择 165.2 泵的选取： 175.3 风机的选型： 17第六章 填料塔附属高度计算 17第七章 分布器简要计算 18第八章 关于填料塔设计的选材 18参考文献 19附录 20致谢 21第一章 设计方案的确定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，有哪些取样 点以及是否需要有备用支线等。
1.2 设备方案根据设备要求，确定选用什么形式的设备若选用填料塔，塔内填料的型式、 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1.3流程布置吸收装置的流程布置是指气体和液体进出吸收塔的流向安排主要有逆流操 作、并流操作、吸收剂部分再循环操作、单塔或多塔串联操作，根据生产任务、 工艺特点，结合各种流程的优缺点，逆流操作时传质平均推动力大，分离程度高， 吸收剂利用率高，所以此次设计采用常规逆流操作的流程1.4 吸收剂的选择吸收剂性能的优劣是决定吸收操作效果的关键之一，选择应考虑以下几方 面：(1) 溶解度要大，以提高吸收速率并减少吸收剂的用量；(2) 选择性要好，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) 挥发度要低，以减少吸收和再生过程中吸收剂的挥发损失；(4) 吸收剂在操作温度下粘度要低，且不易产生泡沫，以实现吸收塔内良好 的气液接触状况；(5) 对设备腐蚀性小或基本无腐蚀性，尽可能无毒6) 价廉、易得、化学稳定性好，便于再生，不易燃烧等一般来说，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。
第二章 填料的选择2.1 对填料的要求填料塔对填料的要求具体表现在以下几个方面：(1) 比表面积at要大，比表面积at是指单位堆积体积填料所具有的表面积m2/ ；/ m 3(2) 能提供大的流体流量，即所选用的结构填料要敞开，使于死角区域的空间小， 有效空隙率大；(3) 液体的再分布性能要好；(4) 填料要有足够的机械强度，尤其是非金属填料；(5) 价格低廉；2.2 填料的种类和特性工业填料按形状和结构分为颗粒填料和)规整填料：(一)颗粒填料一般为湿法乱堆或干法乱的散装填料主要有以下类型：拉西环填料，鲍尔环填料，阶梯环填料等环形填料；弧鞍形填料，环矩鞍填料等鞍形填料 （二）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 高综合考虑上述因素，此次设计过程我选择阶梯环填料2.3 填料尺寸填料尺寸直接影响塔底操作和设备投资实践证明，塔径（D）与填料外 径（d）之比值有一个下限值，若径比低于此下限值时，塔壁附近的填料空隙率 大而不均匀，气流易短路及液体壁流等现象剧增各种填料的径比的下限：拉西环20—30（最小不低于8—10）鲍尔环10—15（最小不低于8）阶梯环15（最小不低于8）对一定塔径，满足径比下限的填料可能有几种尺寸，应综合考虑填料性能及经济因素选定。
一般推荐:DW300时，选25 mm的填料；300mm < D < 900mm 时，选 25—38 mm 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，但通量的提高不能补偿成本的降低2.4填料材质的选择填料材质根据物系的腐蚀性，操作温度，材质的耐腐蚀性并综合考虑填料性能及经济因素来选择1） 陶瓷 具有耐腐性及耐热性，但质脆、易碎，价格便宜2） 金属 金属材质主要有碳钢，不锈钢，铝和铝合金等3） 塑料 主要包括聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯等，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，故选用聚乙烯阶梯环第三章 工艺计算3.1气液平衡的关系由某些气体水溶液的亨利系数查得20°C下SO在水中亨利系数E二3.55xOKPau〕2相平衡常数m = = 3畫3 =珈3溶解度系数为 H=PEMs998.2[2]3.55 x103 x18.02二 0.0156Kmol/( KPa - m3)3.2吸收剂用量及操作线的确定3.2.1 吸收剂用量的确定 (1)最小吸收剂用量最小液气比：(L) Y - Y Y - Y (V丿 X * - X Y Xmm 1 2 — — Xm2Y = 二 0.05 二 0.05263, Y 二 Y (1—①)二 0.05263 x (1— 0.95)二 0.00263 1 1 — y 1 — 0.05 2 11进塔惰性气体流量为 V：V 二.-P - (1 — y )二-4200x 101.33 x (1 — 0.05)二 163.19kmol - h-1R T 1 8.314 (273 + 25)对于纯溶剂吸收’进塔液相组成为X2二0IV丿.minY -Y—1 1 = 1X * - X Y1 2 ―1 — Xm2Y - Y =申・m = 0.95x35.03 = 33.279L 二 V -min二 163.19 x 33.279 二 5430・80kmol ・ L-i min(LI=(1.1-2.0)—IV 丿 min2）吸收剂用量：L = 1.5L = 1.5 x 5430.80 = 814620kmol ・ L—min3.2.2 操作线的确定对逆流操作吸收塔在任一截面m-n与塔顶间列物料衡算:VY + LX 二 VY + LX22(丁 L・ x ]I 2 V 2 丿既：Y 二-・ X + Y - VL ( L \ -=1.5 - I VIV丿.min=1.5 x 33.279 = 49.9185,Y — -X = Y =0.00263,2 V 2 2••・Y = 49.9185X + 0.002633.3 塔径计算3.3.1采用Eckert通用关联图法计算泛点速率"f:查 《 化 工 原 理 （ 上 ）》 附 录 水 的 物 理 性 质 中 20 0C 下 水 的 黏 度卩=100.50 x 10-5 mPa ・ s b〕，水塔底混合气体的平均摩尔质量 ：M =Y y M = 0.05 x 64.06 + 0.95 x 29 = 30.753kg/kmol1 i i塔内气体的平均摩尔质量近似等于塔底混合气的平均摩尔质量：M = M =2 yM = 30.753kg/kmol1 i i故塔内气体平均密度为PV = RTMP - M 101.33 x 30.75得出：伊= = =1.258kg - m-3RT由 PV = nRT气相质量流量为：8.314x298W = V p= 4200 x 1.258 = 5283.6kg - h-1VS液相质量流量可近似按纯水的流量计算即 W = Lx M = 8146.2x 18 = 146631.6kg - h-1 LS关联图的横坐标值为：W p 丄 146631.6 /1.258、丄i( a)2 = -( )2 = 27.752x(0.00126)0.5 = 0.985W p 5283.6 998.2VL在此设计中我选择的是 d=50mm 的塑料阶梯环，查《化工原理》课程设计说明指导书表3-3阶梯环特性，可知：80m-1,a = 121.8m2[3]t表 3.1 阶梯环特性(乱堆)材 质外径咼*厚比表面积空隙率个数堆积密度干填料因 子填料因子塑 料2517.5x1.42280.98150097.83132403819x1.0132.50.912720057.5175.61305030x1.5121.80.915998076.815980金3819x0.81400.95828900159159161属5025x1.01140.94912500377133137纵坐标为：u 2 © •屮-fg• u 0.2 = 0.0252 L因为液相为清水，由屮=巴水=1，故液体校正系数屮=1pLu 2 ® •屮 P丄 •(注)• u 0.2 二 0.0252g P lL即:f X80 019.81 998.2)• 1.00500.2 二 0.0252u = 1.56m - s-if3.3.2 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：—=0.5 ~ 0.8 取ufu = 0.6u = 0.6 01.56=0.936m • s-13.3.3 塔径计算 由公式：I Vi 4200D =「一4 = —— =1.260m」兀 \ 0.936 x 0.7849 x 36004 •u由于D > 1m,所以D = 1.260 + 0.100 = 1.360经圆整后 D = 1400mm = 1.4m3・3・4喷淋密度U校核Ln ——0.785D 2L • M SPL 0.785D 2单位时间内每立方米塔截面上的吸收剂用量：146631.6= 9547m3(m2 • h)最小喷淋密度：U =（L ） amin w min t由于 d = 50 < 75mm取(L )二 0.08m3,( J a = 121.8m2/w min / m 2 - h t / m 3得 U 二 9.744 m 3.；' 八min / (m 2 - h):.U > Umind合适AP3・3・5单位高度填料层压降（丁）的校核 由以上可知横坐标为:W p 丄 146631.6 /1.258、丄l- ( 4)2 = - ( )2 = 27.752x(O.OO126)o.5 = 0.985W p 5283.6 998.2V L查表3—9压降填料因子查的0 = 89m-1[3]p 50%,所以需要校正。
u一 0.5)i.4 k aGF1 + 9.5(— uF1 + 2.6(上 - 0.5)2.2 k ak' aL-1 + 9.5(0.6 - 0.5)i.4 -k 4.29 = 5.9125 kmol (m3 - h - kPa)u L1- F "I J+ 2.6(0.6 - 0.5)2.2 k 122.67 = 124.68kmol； (m3 - h - kPa)则 K a = 一G 1 1+k ' a Hk ' aGL1+5.9125 0.0156 x 124.68=1.464 kmol. (m3 - h - kPa)3.4.2 填料高度的计算塔高： z= NOGHOG传质单元高度 H ：OG163.19H =OG K aQ K apQ 1.464 x 101.33 x 0.785 x 1.42 yG= 0.715 m传质单元数:Y 一 YN = T 2 og AY m由全塔物料衡算得(Y -Y)12=L( X 一 X )12所以：X1V气(「Y2)=於O5263 一 0W263)= 0.001AY = Y — Y * = Y — mX = 0.05263 — 35.03 x 0.001 = 0.0176 1 1 1 1 1AY 二Y —mX = Y = 0.002632 2 2 2AYmAY — AY 1 2l akln iAY20.0176 - O.O。
263 二 0 1 0.0176 ln0.00263Y — Y所以：N 2 二 6.329OG AYm所以：z = N H = 6.329 x 0.715 = 4.525mOG OG根据设计经验，填料层的设计高度一般为Z'二（1.2〜1.5）Z取Z'二1.3Z沁6000mm 可知阶梯环填料层高度最大仅为 6m•••本设计填料不需分层第四章 填料塔内件的类型与设计4.1 塔内件的类型填料塔的内件主要有填料支承装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体 收集再分布装置、除沫装置等1） 填料支承装置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、驼峰型支承装置；对于 规整填料，通常选用栅板型支承装置设计中，为防止在填料支承装置处压 降过大甚至发生液泛，要求填料支承装置的自由截面积应大于75%考虑到 塔径及吸收要求，本设计选梁式气喷式支撑板表4.1梁式气喷式支承板结构尺寸（mm）塔径DN支承板外径支承板分块数支承圈宽度支承圈厚度10009803401011001080440101200116045010130012604501414001360450141500146055014（2） 填料压紧装置 为防止在上升气流的作用下填料床层发生松动或跳动，需在填料层上方设置填料 压紧装置。
填料压紧装置有压紧栅板、压紧网板、金属压紧器等不同的类型对 于散装填料，可选用压紧网板，也可选用压紧栅板，在其下方，根据填料的规格 敷设一层金属网，并将其与压紧栅板固定；对于规整填料，通常选用压紧栅板 设计中，为防止在填料压紧装置处压降过大甚至发生液泛，要求填料压紧装置的 自由截面积应大于 70% 为了便于安装和检修，填料压紧装置不能与塔壁采用连续固定方式，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选用床层限制板 3） 液体分布装置 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、槽式及槽盘式为主管式分布器由不同结构形式的开孔管制成其突出的特点是结构简单，供气体流 过的自由截面大，阻力小但小孔易堵塞，操作弹性一般较小管式液体分布器 多用于中等以下液体负荷的填料塔中在减压精馏及丝网波纹填料塔中，由于液 体负荷较小，设计中通常用管式液体分布器槽式液体分布器是由分流槽 （又称主槽或一级槽）、分布槽（又称副槽或二级槽） 构成的一级槽通过槽底开孔将液体初分成若干流股，分别加入其下方的液体分布槽分 布槽的槽底（或槽壁）上设有孔道域导管，将液体均匀分布于填料层上。
槽式液体 分布器具有较大的操作弹性和极好的抗污堵性，特别适合于大气液负荷及含有固 体悬浮物、粘度大的液体的分离场合，应用范围非常广泛槽盘式分布器是近年来开发的新型液体分布器，它兼有集液、分液及分气三种作 用，结构紧凑，气液分布均匀，阻力较小，操作弹性高达10：1，适用于各种液 体喷淋量近年来应用非常广泛，在设计中建议优先选用考虑到塔径及吸收要 求，本设计选溢流槽式液体分布器4) 液体收集及再分布装置 前已述及，为减小壁流现象，当填料层较高时需进行分段，故需设置液体收集及 再分布装置最简单的液体再分布装置为截锥式再分布器截锥式再分布器结构简单，安装方 便，但它只起到将壁流向中心汇集的作用，无液体再分布的功能，一般用于直径 小于0.6m的塔中在通常情况下，一般将液体收集器及液体分布器同时使用，构成液体收集及再分 布装置液体收集器的作用是将上层填料流下的液体收集，然后送至液体分布器 进行液体再分布常用的液体收集器为斜板式液体收集器由于本设计不需要填料分层，所以不需要液体收集及再分布装置5) 除沫装置气体在塔顶离开填料层时，带有大量液沫和雾滴，为回收这部分液体，需要在塔顶安装除沫 器常用的除沫器主要有折流板式除沫器，旋流板式除沫器、丝网除沫器。
本设计选用上装 式丝网除沫器表4.2上装式丝网除沫器基本参数公称直径DN mm主要外形尺寸mmHH1H2D质量，kg1100100218102043.415026851.71200100218112049.615026859.91300100228122064.815027876.61400100228132071.615027885.21500100228142079.615027895.1第五章 辅助设备的选型5.1 管径的选择气相体积流量 V 二 4200 m3 fh 二 1.167 m3；h ；S液相体积流量V'S-L146631.6998.2=146.896 m3 h = 0.0408 ms1、进液管管径：由于清水无腐蚀性故可选择无缝钢管畑163-87)，取笃水=2.0妣，VSd0WL 3600 x pL146631.63600 x 998.2=0.0408 m3： h4V= s = 161mm,取壁厚§ = 9mm,管径为179mm,圆整后取管规格©180 x 9mm. '兀u4V 核算u： u = S = 1.98m s，满足条件兀(180 - 9 x 2) '2、出液口管径：由于本吸收操作中 SO 在空气中含量极低故吸收液吸收前后密度变化不大，故2出液口管径仍取©180 x9mm3、 进气口管径：由于SO遇水呈弱酸性故对管道有腐蚀所以选取无缝不锈钢管(GB/T14976-94) 2进气管进气为常压进气，故可取i'4V'u=20m/s, d = & = 305mm,取管径规格©325 x 9mm0 兀 U4、 出气管管径由于本吸收操作中 SO 在空气中含量极低故吸收前后气体体积变换不大，故管径 2仍取© 325x 9mm5.2 泵的选取：由于输送清水，故泵可选清水泵。
由《化工原理(上)》知可选取 IS-125-100-200 型泵 泵特性参数：n = 2900r/min; Q = 200m 3 / h; H = 50m;m = 81%; N = 33.6kw;( NPSH) = 4.5m;S S r核算轴功率：N = HQ^ = 8.75kw < 33.6kw ；故泵的选取符合要求；102q5.3 风机的选型：输送气体so2可选离心通风机;由伯努利方程可得：H'T=(P - P) +211.224 x 2022=244.8Pa，H = H'.1.2T 1.224= 240 pa故可选用4-72-118C型离心通风机，其特性参数为:n = 800r.min -1, H = 294.2 Pa, Q = 5610m3.h-1胡=91% SS第六章 填料塔附属高度计算填料塔上部高度可取1.2m，塔底液相停留时间按1.5min考虑，则塔釜所占空间高度为1x 60 x146631.6h — — 3.12m1 3600 x 998.2 x 0.785考虑到气相接管所占空间高度，底部空间高度可取，所以塔的空间附属高度可 取为可得塔的总高 H=h '+h1+Z第七章 分布器简要计算该吸收液相负荷较大，气相负荷也较大故选用溢流槽是液体分布器，按 Eckert建议当D> 1200mm时，喷淋密度为42点/ ,该塔液相负荷较大，设计取喷淋 / m 2点密度为120点/，布液点数n二0.758 x 1.42 x 120二178点。
/ m 2兀 L = d n©j2gAH，其中© = 0.6， AH = 160mm s 4 0= 0.013md=( ©4—)2 =( 4x 146631.6 998.2x3600)1叭2gAH 、:2 x9.81 x 0.16 x 3.14 x 178第八章 关于填料塔设计的选材本设计填料塔的设计温度为20，设计压力位101.33kPa；由于塔设备常年暴 露在室外，要求有足够的强度和塑度，所以筒体，封头和塔裙选用15MnNiDR合 金钢，其它部件选用Q235 - A的钢材制成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；PD=0.48mm kl综上所述，筒管厚度为10mm，根据《化工设备机械基础》查D=1400mm、可知 椭圆形封头的和厚度为 12mm参考文献【1】：《化工原理》下册（夏清 陈常贵）（天津大学出版社）（80 页）表 2-1：某些气体水溶液的亨利系数得20°C下SO在水中亨利系数E = 3.55xlOsKPa2【2】：《化工原理》上册（夏清 陈常贵）（天津大学出版社）附录（332 页）中 水的物理性质中20C水的密度=998.2kg/mol,水的粘度：卩水=1.0042mPa • s 【3】《化工原理》课程设计指导书（内蒙古科技大学）表3-3（66页） 阶梯环 特性：0= 80m-i,d = 121.8m2[3]t【4】、查《化工原理》下册（夏清 陈常贵）（天津大学出版社）（95 页）表2-4 一些元素的原子体积与简单气体的分子体积中查 V =44.8cm/mol, V =29.9cm/mol,ABV =8cm/mol0【5】王立业,刁玉伟等,化工设备机械基础,大连理工大学出版社,2006 【6】路秀林,王者相等,塔设备,化学工业出版社,2004【7】潘永亮,化工设备机械基础,科学出版社,2007【8】贾绍义,柴诚敬主编,化工原理课程设计,2006附录1.吸收塔的吸收剂用量计算总表意义及符号结果混合气体处理量G4200 m 3h气液相平衡常数mm=35.03进塔气相摩尔分率人yi=0.05出塔气相摩尔分率y2进塔液相摩尔分率x1出塔液相摩尔分率x2最小液气比LGLG =33.279吸收剂用量LL=致谢化工原理课程设计是将我们所学到的理论知识与实际过程相结合，是理论联 系实际的桥梁，是使我们体察工程实际问题复杂性的初次尝试。
通过这次课程设 计，要求我们能综合运用本课程的基本知识，进行融汇贯通的独立思考，学会知 识的相互融合，也要求我们一定的独立学习能力，通过查阅大量的资料，在规定 的时间内完成指定的设计任务不仅培养了我们分析和解决工程实际问题的能 力通过课程设计，还可以使我们树立正确的设计思想这次课程设计虽然只是 短短的两周的时间，但我们真的学会了很多无论是对于我们学专业课程的理论 知识，还是一些基本技能，如公式编辑器的应用，文献的快速查询，数据的整合 计算，图形的正确分析，工艺尺寸的计算，设备的选型等等同时在设计过程中，我也发现了一些问题，存在的一些不足，我们所学的理 论知识与实际应用过程中又有一定的差别的，在设计过程中，我们不仅仅要考虑 设备的实际工作效率，而且还要考率经济条件的限制，要权衡两方面的利弊，正 确选型，合理设计同时，对于以后的学习过程中，也给我们一个警示，要时刻 注意理论与实践的紧密联系，充分应用到我们所学的知识当中在设计过程中，不仅锻炼了我的实践动手能力，独立分析和解决工程实际问 题的能力；而且通过与同学的共同讨论，交流，相互分析问题也培养了我们的团 队协作精神、严肃认真的学习态度和良好的学习作风，同时也促进了同学之间的 感情。
在这次设计过程中，赫文秀老师给我们班学生做了相关的指导，对我们的此 次设计任务的顺利完成给予了很大的帮助，使我能够按时、较好的完成此次课程 设计任务在此，非常感谢老师给予的帮助以及同学们的帮助。