1.1摘要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。

用于吸收的设备类型很多，如填料塔、板式塔、鼓泡塔和喷洒塔等。

但工业操作中更多的使用填料塔，由于填料塔结构简单、容易加工，生产能力大、分离效率高、压力降小、吸收效果好、填料易用耐腐蚀材料制造等优点，填料塔是气液呈连续性接触的气液传质设备。

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。

本次化工原理课程设计，我设计的题目是：炉气处理量为34200m/h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：0.08（摩尔分率）3、操作压强；常压操作4200m/h4、进塔炉气流量：35、二氧化硫气体回收率：95%吸收过程视为等温吸收过程。

1.2设计方案的确定1.2.1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。

1.2.2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。

1.23流程布置常用的吸收装置流程主要有逆流操作、并流操作、吸收剂部分再循环操作、单塔或多塔串联操作，根据设计任务、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。

1.2.4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)不易爆易燃、廉价易得及化学性质稳定，便于再生。

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。

1.3填料的选择1.3.1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a t 要大，比表面积a t 是指单位堆积体积填料所具有的表面积32mm ；(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；1.3.2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等。

(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。

1.3.3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又兼顾到经济合理性。

一般推荐:D≤300时，选25mm的填料；≤≤时，选25—38mm的填料。

300900mm D mm≥时，选用5070mm-的填料.D mm900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。

1.3.4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。

1.4工艺计算1.4.1气液平衡的关系3[1]220SO E 3.5510KPa =⨯由某些气体水溶液的亨利系数查得℃下在水中亨利系数相平衡常数 33.551035.03101.33E m p ⨯=== 溶解度系数为H=[2]33998.20.0156mol /()3.551018.02s K KPa m EM ρ==⋅⨯⨯ 1.4.2吸收剂用量及操作线的确定 1.4.2.1吸收剂用量的确定 （1）最小吸收剂用量 最小液气比：21212*121min X mY Y Y X X Y Y V L --=--=⎪⎭⎫⎝⎛ 112110.080.08696,(1)0.08696(10.95)0.00435110.08y Y Y Y y ====-Φ=⨯-=-- 进塔惰性气体流量为V ：()()114200101.33110.08158.038.314(27325)S V P V y kmol h R T -=⋅⋅-=⨯⨯-=⋅+ 对于纯溶剂吸收，进塔液相组成为 20X =121212*11min 1220.9535.0333.279Y Y Y Y Y Y L m Y Y V X X X m mϕ---⎛⎫====⋅=⨯= ⎪-⎝⎭- 1min min 158.0333.2795259.08L L V kmol h V -⎛⎫∴=⋅=⨯=⋅ ⎪⎝⎭（2）吸收剂用量：min(1.1 2.0)L L V V ⎛⎫⎛⎫=- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ 1min 1.5 1.55259.08=7888.62L L kmol h -==⨯⋅ 1.4.2.2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：22VY LX VY LX +=+ 既：⎪⎭⎫⎝⎛⋅-+⋅=22X V L Y X V L Y min 2221.5 1.533.27949.9185,=0.00435,49.91850.00435L L V V LY X Y VY X ⎛⎫==⨯= ⎪⎝⎭-=∴=+1.4.3塔径计算1.4.3.1采用Eckert 通用关联图法计算泛点速率fu ：查《化工原理（上）》附录水的物理性质中20C 0下水的黏度5[1]2100.5010100.50101.0050P a s m P a sm P s μ--⨯⋅=⨯⋅=⋅水＝， 塔底混合气体的平均摩尔质量 ：10.0864.060.922931.805kg/kmol i i M y M ==⨯+⨯=∑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 =131.805kg/kmol i i M y M ==∑故塔内气体平均密度为：101.3331.8051.3018.314298PV nRTm PV RT MP M kg mRT ρ==⋅⨯==⋅⨯由得出：＝气相质量流量为：14200 1.3015464.2V S W V kg h ρ-==⨯=⋅液相质量流量可近似按纯水的流量计算即 17888.6218.02142152.9L S W L M kg h -=⨯=⨯=⋅ 关联图的横坐标值为：1122142152.9 1.30126.0150.036100.9395464.2998.2V LVL W W ρρ⎛⎫⎛⎫⋅=⋅=⨯= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭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：123[2]80,121.8/t m a m m φ-==纵坐标为： （因为液相为清水，由==1=1Lρψψρ水，故液体校正系数 L u 为20C0下水的黏度。

查表得 1.0050L u mP s =⋅）20.220.20.0265801 1.301: 1.00500.02659.81998.2f VL Lfu u g u φψρρ⋅⋅⎛⎫⋅⋅= ⎪⎝⎭⨯⨯⎛⎫⋅= ⎪⎝⎭即11.578f u m s -∴=⋅ 1.4.3.2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：8.0~5.0=fu u取 10.60.6 1.578=0.9468f u u m s -==⨯⋅ 1.4.3.3塔径计算由公式：1253D=1400mm=1.4m D m D =>由于１ｍ，所以Ｄ＝mm 取间隔为200经圆整后1.4.3.4喷淋密度U 校核单位时间内每立方米塔截面上的吸收剂用量：()322227888.6218.02998.292.561.4444n L L ML m U m h D D ρπππ⋅⨯====⋅⨯ 最小喷淋密度：()min min w t U L α= 由于 5075d mm =<()()h m mL w ⋅=∴23min 08.0取：()min min =9.744w t U L α=min U U ∴>合适d ∴1.4.3.5单位高度填料层压降（Z P∆）的校核由以上可知横坐标为：120.939V L VL W W ρρ⎛⎫⋅= ⎪⎝⎭查表3—3阶梯环特性，取180p m φφ-==220.20.20.9468891 1.301 1.00500.019.81998.2V P LL u gρϕψμρ⎛⎫⨯⨯∴⋅=⨯⨯≈ ⎪⎝⎭纵坐标ker 309.81294.3PPa E c t m Z∆-=⨯=由关联图查得145491PPaPa m m Z∆∴<<符合条件d ∴1.4.4填料层高度计算1.4.4.1传质系数的计算（1）有效面积（润湿面积）w α①查《化工原理》课程设计指导书表3-10填料材质的临界表面张力聚乙烯C σ=33dyn/cm;②查《化工原理》（上） 附录（331页）中水的物理性质中20℃水的表面张力L σ=72.6⨯310-N/m （由《化工原理》课程设计77页单位换算因子中知：51110N dyn =⨯ ，21/12960/dyn cm kg h = ， 272.612960=940896/L kg h σ=⨯） ③查《化工原理》课程设计说明指导书表3-3 阶梯环特性，可知：23121.8/t a m m =,水的粘度：31.0050 1.0050103600 3.618/()mPa s Pa s kg m h μ-⋅=⨯⋅⨯=⋅水＝ ；④查《化工原理》下册（夏清 陈常贵）（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A V =44.8cm/mol, B V =29.9cm/mol, 0V =8cm/mol ； 已知：82g 1.0710/m h =⨯.1exp wtαα=-0.050.20.750.12228427680142152.992391.1121.892391.11.45940896121.8 3.618998.2 1.0710998.2940896121.8-⎡⎤⎛⎫⎛⎫⨯⎛⎫⎛⎫-⎢⎥ ⎪⎪ ⎪ ⎪⨯⨯⨯⨯⨯⎝⎭⎝⎭⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎣⎦23312960427680/C kg h σ=⨯= 3.618/L kg m h μ=⋅ 3998.2/L kg m ρ=∴22292391.1/()4142152.9/L L L W U kg m h D W kg h π==⋅⨯=代入得1exp w tαα=-()()()()0.750.10.050.21.450.554 1.782 1.2610.595-⎡⎤-⎣⎦ =0.658 所以w α=80.14（2）液相传质系数k L由L k =0.00952/31/21/3L L L w L L L L U g a D μμμρρ-⎛⎫⎛⎫⎛⎫ ⎪⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭得： 20℃下SO 2在水中的扩散系数15156211113333307.7107.7102933600 5.20810/() 1.005010(44.88)L A TD m h V V μ----⨯⨯⨯==⨯=⨯-⨯⨯-2118332692391.1 3.618 3.618 1.07100.0095()()() 1.22/80.14 3.618998.2 5.20810998.2L k m h --⨯⨯=⨯=⨯⨯⨯ （3）气相传质系数10.730.237()()()V V t V G t V V V U a Dk a D RTμμρ=250.5311[4][4]233114.3610()()A BV ABT M M D P V V -⨯+=+1225311233114.3610293()6429101.33(44.829.9)-⨯+=+ 521.0810/m s -=⨯5221.08103600/0.039/V D m s m h -=⨯⨯=所以：)2224200 1.3013551.41.444V V W U kg m h D ππ⨯===⋅⨯10.730.237()()()V V t V G t V V V U a Dk a D RTμμρ=由于空气中SO 2含量很低，所以气体粘度近似为空气粘度，查《化工原理》（上） 附录6（330页）中，25℃下空气的粘度为：51.8351036000.06606/()V Pa s kg m h μ-=⨯⋅⨯=⋅()10.7323551.40.06606121.80.0390.237()()()121.80.06606 1.3010.0398.3142980.035G k kmol m h kPa ⨯=⨯⨯⨯⨯=⋅⋅由 1.1G G w k a k a =Ψ 查表3-11常见填料的形状系数得ψ=1.45 则 1.1 1.130.03580.14 1.45 4.221/()G G w k a k a kmol m h kPa ==⨯⨯=⋅⋅Ψ 0.40.431.2280.14 1.45113.4/()L L w k a k a kmol m h kPa ==⨯⨯=⋅⋅ψ 由于60%50%,Fuu =>所以需要校正。