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300kmol /h 的混合空气中清水吸收 SO2的填料塔设计 1 环保设备原理与设计环保设备原理与设计课程设计课程设计 说明书说明书 题目：300kmol/h 的混合空气中清 水吸收 SO2 2的填料塔设计 院院 系：系：化学与生物工程学院 班班 级：级： 学学 号：号： 姓姓 名：名： 指导教师：指导教师： 20122012 年年 1111 月月 2929 日日 300kmol /h 的混合空气中清水吸收 SO2的填料塔设计 2 课程设计成绩评定表课程设计成绩评定表 课程设计评分（按下表要求评定） 评分项目 设计说明 书质量 （50 分） 图纸质 量 （30 分） 任务完成 情况 （10 分） 学习态度 （10 分） 合计 （100 分） 得分 指导教师评语 指导老师签名： 年 月 日 教研室主任审核意见 、 教研室主任签名： 年 月 日 300kmol /h 的混合空气中清水吸收 SO2的填料塔设计 3 环保设备课程设计任务书环保设备课程设计任务书 一、设计题目 300kmol /h 的混合空气中清水吸收 SO2的填料塔设计 二、原始资料 某工程在填料塔中用水吸收空气中 SO2气体，混合气体流量为 300kmol /h，SO2含量 7%,要求净化气中 SO2含量 0.15%，操作压力常压，气体入口温度 25，水入口温度 20，KGa=5.13kmol/(m3.h.kPa)，KLa=97.12h- 1，H=46.9kPa.m3/kmol。确定流程、设计清水用量、填料高度及塔的附属结构。 三、设计内容 1.方案确定与工艺说明 按照原始资料数据进行处理方案的确定，拟定处理工艺流程，选择设备， 说明选择理由，工艺说明包括原理、结构特点、设计原则等，论述其优缺点， 编写设计说明书。 2.设计计算 （1）进行清水用量、填料高度；填料规格及塔径计算。 （2）效益分析及投资估算。 3.制图 （1）填料喷淋装置图 1 张（A4） （2）填料塔平面、剖面图（A2） （3）填料支撑结构图（A4） （4）液体再分布装置图（A4） （5）气、液体进出口分布结构图（A4） 4.编写设计说明书、计算书 300kmol /h 的混合空气中清水吸收 SO2的填料塔设计 4 四、设计成果 1.填料喷淋装置图 1 张（A4） 2.填料塔平面、剖面图（A2） 3.填料支撑结构图 （A4） 4.液体再分布装置图（A4） 5.气、液体进出口分布结构图（A4） 6.设计说明书、计算书一份 五、时间分配表（第 19 周） 序号教学内容时间备注 1下达设计任务书1 天 由指导老师讲 授设计任务与 要求 2 查阅资料，进行设计计 算 2 天 3绘制 CAD 设计图纸2 天 4 编写设计说明书，装订 成册 2 天 5总计时间7 天 七、成绩考核办法 根据设计说明书、设计图纸的质量及平常考核情况由指导教师按优、良、 中、及格、不及格评定成绩。 指导教师： 长沙理工大学化学与生物工程系环境工程教研室 2012 年 11 月 300kmol /h 的混合空气中清水吸收 SO2的填料塔设计 5 目录目录 第一章 二氧化硫的相关介绍.1 1.1 二氧化硫的概述.1 1.1.1 二氧化硫的物理性质.1 1.1.2 二氧化硫的化学性质.1 1.2 二氧化硫的危害及用途.1 1.2.1 二氧化硫的危害.1 1.2.2 二氧化硫的用途 .2 1.3 二氧化硫的治理.3 1.3.1 二氧化硫的治理原理.3 1.3.2 二氧化硫的治理方法.3 第二章 吸收净化工艺设计.4 2.1 吸收概述.4 2.1.1 吸收的应用.4 2.1.2 吸收的意义.4 2.1.3 如何强化吸收.4 2.2 吸收净化设备类型与选择.5 2.2.1 吸收净化设备的类型.5 2.2.2 吸收净化设备的选择.6 2.2.3 吸收净化设备的确定 .7 2.3 吸收工艺的选择.7 2.3.1 吸收剂的选择 .7 2.3.2 吸收装置流程的选择.8 2.3.3 吸收工艺的选择 .9 2.4 填料的类型与选择.10 2.4.1 填料的特性.10 2.4.2 填料类型 .10 2.4.3 填料的选择 .12 2.4.4 填料的确定 .13 第三章 填料塔的工艺尺寸.14 3.1 基础物性数据.14 3.1.1 液相物性数据.14 3.1.2 气相物性数据.14 3.1.3 气液相平衡数据.14 3.2 物料衡算.15 300kmol /h 的混合空气中清水吸收 SO2的填料塔设计 6 3.3 填料塔的工艺尺寸计算.16 3.3.1 塔径计算.16 3.3.2 填料层高度计算.17 3.4 填料层压降计算.19 第四章 填料塔结构及附件设计.20 4.1 筒体和封头的设计.20 4.1.1 筒体的设计.20 4.1.2 封头的设计 .20 4.2 除沫装置设计.21 4.2.1 除沫装置类型.21 4.2.2 除沫装置选择.22 4.3 液体分布装置设计.23 4.3.1 气体的入塔分布.23 4.3.2 液体分布装置类型.23 4.3.3 液体分布装置选择.24 4.4 液体再分布装置设计.25 4.4.1 液体在分布装置类型.25 4.4.2 液体再分布装置选择.26 4.5 填料支承装置设计.27 4.5.1 填料支承装置类型.27 4.5.2 填料支承装置选择.28 4.6 填料压紧装置设计.29 4.6.1 填料压紧装置类型.29 4.6.2 填料压紧装置选择.29 4.7 人孔设计.30 4.8 裙座的选择.31 4.8.1 裙座的选材.31 4.8.2 裙座的结构.31 4.9 进出气液管道的计算和选择.34 4.10 填料塔总高度计算.35 4.10.1 填料塔基本尺寸 .35 4.10.2 填料塔总高度 .35 第五章 辅助设备的计算和选型.37 5.1 泵的计算和选型.37 5.1.1 泵的用途及分类 .37 5.1.2 泵的计算及选择.37 5.2 风机的计算与选型.38 5.2.1 风机的用途及分类.38 5.2.2 风机的计算及选择.39 第六章 设计结果和符号说明.40 6.1 设计结果汇总.40 6.2 符号说明.41 300kmol /h 的混合空气中清水吸收 SO2的填料塔设计 7 第七章 设计总结.43 参考文献.44 300kmol /h 的混合空气中清水吸收 SO2的填料塔设计 1 第一章第一章 二氧化硫的相关介绍二氧化硫的相关介绍 1.1 二氧化硫的概二氧化硫的概述述 二氧化硫，又称亚硫酸酐，是最常见的硫氧化物，硫酸原料气的主要成分。 二氧化硫是无色气体，有强烈刺激性气味，是大气主要污染物之一。当二氧化 硫溶于水中，会形成亚硫酸。若把 SO2 进一步氧化，通常在催化剂如二氧化氮 的存在下，便会生成硫酸。 1.1.1 二氧化硫的物理性质二氧化硫的物理性质 二氧化硫是无色有刺激性气味的气体，溶于丙酮、乙醇、甲酸等多种有机 溶剂，溶于水(0时溶解度 22.8g/l00ml，90时溶解度 0.58g/100ml。水溶液呈 酸性。在硫酸溶液中的溶解度以硫酸浓度为 85%时为最小。液态时为良好的溶 剂。2000以上发生热分解，也可通过电场放电、紫外线或 X 射线辐射等分解。 1.1.2 二氧化硫的化学性质二氧化硫的化学性质 （1） 、酸性氧化物：SO2 是酸性氧化物，具有酸性氧化物的通性。可以与 水作用得到二氧化硫水溶液，即“亚硫酸” （中强酸） ；可与碱反应形成亚硫酸 盐和亚硫酸氢盐，与碱性氧化物反应生成盐。 （2） 、氧化还原反应：SO2 中的硫元素的化合价为+4 价，为中间价态，既 可升高，也可下降。所以 SO2 既有氧化性，又有还原性，但以还原性为主。 1.2 二氧化硫的危害及用途二氧化硫的危害及用途 1.2.1 二氧化硫的危害二氧化硫的危害 1.对人体和哺乳动物的危害 SO2对肺、心血管、脑和神经组织、肝肾以及生殖器官等组织器官的损伤， 300kmol /h 的混合空气中清水吸收 SO2的填料塔设计 2 SO2是不需要体内代谢转化的、直接的细胞染色体断裂剂和遗传毒性因子，长 期接触低浓度 SO2有引起接触人群体内细胞遗传物质损伤的潜在危险。 2. 对植物的危害： 因 SO2导致细胞 pH 下降会引起气孔关闭，使叶绿素变成脱镁叶绿素等， 可能与二硫化物反应切断双硫钝化，与代谢中间产物醛或酮起反应；形成自由 基产生危害。 3. 对生态环境的危害 形成酸雨，改变土壤、水体的酸性。酸雨对人体健康、生态系统和建筑设 施都有直接和潜在的危害，可使农作物大幅度减产，导致蛋白质含量和产量下 降。酸雨通过使土壤的物理化学性质恶化影响森林。 1.2.2 二氧化硫的用途二氧化硫的用途 防腐剂：由于 SO2的抗菌性质，它有时用作干杏和其它干果的防腐剂，用 来保持水果的外表，并防止腐烂。 酿酒：在酿酒中，SO2作为抗生素和抗氧化剂，防止酒遭到细菌的损坏和 氧化，也帮助把挥发性酸度保持在想要的程度，它还是酿酒厂卫生的很重要的 要素，可用来清洁水管、水槽和其它设备。 还原性漂白剂：在水的存在下，SO2可使物质褪色，漂白作用通常不能持 久，空气中的氧气把被还原的染料重新氧化，使颜色恢复。 制备硫酸：SO2首先转化成 SO3，然后再转化成发烟硫酸，最后转化成硫 酸。 制冷剂：SO2容易液化，且汽化热很大，因此适合作为制冷剂。在氟利昂 的发展之前，SO2就曾经用作家用冰箱的制冷剂。 试剂和溶剂：液态 SO2是万用的惰性溶剂，广泛用于溶解强氧化性盐。 脱氯：在城市的污水处理中，SO2用来处理排放前的氯化污水。 300kmol /h 的混合空气中清水吸收 SO2的填料塔设计 3 1.3 二氧化硫的治理二氧化硫的治理 1.3.1 二氧化硫的治理原理二氧化硫的治理原理 为防止 SO2的有害影响，大多数国家把大气中的 SO2浓度控制在 0.05PPM 以下，目前采取的有效途径一般有如下几种： 采用低硫燃料：此种措施是减少二氧化硫排放的有效途径之一。 高烟囱排放：能降低 SO2的当地排放绝对量，但没有从根本上解决 SO2对 大气的污染。高空中的 SO2与日光和湿气作用，增加降雨的 PH 值，形成酸雨。 燃料脱硫：低硫燃料来源困难，价格高，全国正积极进行燃料的直接脱硫 研究，但是煤中有机硫脱出的方法还不太成熟。 燃烧脱硫：在燃料燃烧过程中加入脱硫剂，但脱硫效率低，烟气仍需净化。 烟气脱硫：烟气脱硫大体可分为两类。一类是湿法：使用液体吸收剂对烟 气洗涤的方法；二类是干法：用粉状吸收剂、吸附剂喷入烟气中来脱除二氧化 硫。湿法脱硫，其主要优点是脱硫除尘一体，设备简单，投资少，脱硫效率高， 对操作技术要求不高。 1.3.2 二氧化硫的治理方法二氧化硫的治理方法 本设计是要净化净化含有 SO2的空气，使其达到排放标准，即烟气脱硫。 湿法烟气脱硫是目前烟气脱硫的主要方法，其主要优点是脱硫除尘一体，设备 简单，投资少，脱硫效率高，对操作技术要求不高。本设计采用湿法脱硫。 设计采用填料塔进行吸收操作是因为填料可以提供巨大的气液传质面积而 且填料表面具有良好的湍流状况，从而使吸收过程易于进行。填料塔还具有结 构简单、压降低、填料易用耐腐蚀材料制造等优点，混合空气经风机由填料塔 的下侧进入填料塔中，与从填料塔顶流下的清水逆流接触，在填料的作用下进 行吸收。经吸收后的气体由塔顶排除，吸收了 SO2的水沿塔的下端流出。 300kmol /h 的混合空气中清水吸收 SO2的填料塔设计 4 第二章第二章 吸收净化工艺设计吸收净化工艺设计 2.1 吸收概述吸收概述 吸收是根据气体混合物中各组分在液体溶剂中物理溶解度或者化学反应活 性不同而将混合物分离。吸收净化法具有效率高、设备简单等特点，广泛应用 于气态污染物的控制之中，它不仅是减少或者消除气态污染物向大气排放的重 要途径，而且还能将污染物转化为有用的产品。 吸收过程包括吸收和解吸。本设计中，含 SO2的气体在 25 oC 下进入吸收 塔底部，水从塔顶淋下，塔内装有填料，以扩大气液接触面积。在气液接触过 程中，气体中的 SO2溶于溶液，使离开塔顶的气体中 SO2含量降至允许值，而 溶有较多 SO2的液体由塔底排出。用这种逆流接触的方法提高了吸收效率。 2.1.1 吸收的应用吸收的应用 在化学工业中，气体吸收操作广泛应用于直接生产化工产品，分离气体混 合物，原料气的精制及从废气中回收组分或除去有害物质等。地球化学、生物 物理和生物医药工程，也要应用气体吸收的理论及其研究成果。 2.1.2 吸收的意义吸收的意义 在化学工业中，经常需要将气体混合物中的各组分加以分离，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，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。在实际过程中往往同时兼有净化和回收双重目的。 2.1.3 如何强化吸收如何强化吸收 1、增加吸收过程推动力 增加吸收剂的用量 L 或增加液气比 L/V，这样操作线位置将上移，吸收平 均推动力增加；改变相平衡关系，可通过降低吸收剂温度、提高操作压强或将 300kmol /h 的混合空气中清水吸收 SO2的填料塔设计 5 吸收剂改性，使相平衡常数 m 减小，这样平衡线位置下降，吸收的推动力增大； 降低吸收剂入口组成 X2，液相进口处推动力增大，全塔平均推动力 也随之增大。 2、减小吸收过程阻力（即：提高传质系数） 开发和采用新型填料，使填料的比表面积增大。改变操作条件，对气膜控 制的物系，宜增大气速和增强气相湍动；对液膜控制的物系，宜增大液速和湍 动。 此外，吸收温度不能过低，否则分子扩散系数减小、粘度增大，致使吸收 阻力增大。 2.2 吸收净化设备类型与选择吸收净化设备类型与选择 2.2.1 吸收净化设备的类型吸收净化设备的类型 由于气液两相界面的状况对吸收过程有着决定性的影响，吸收设备的主要 功能就在于建立最大的并且能迅速更新的相接触表面。根据气液两相界面的形 成方式，吸收设备可分为表面吸收器、鼓泡式吸收器和喷洒吸收器 3 大类。表 面吸收器的两相界面是静止的液面或者流动的液膜表面，属于这类吸收器的有 表面吸收器、液膜吸收器、填料吸收塔和机械膜式吸收器。鼓泡式吸收器的特 点是气体以气泡形式分散于吸收剂中，属于此类的吸收器有泡罩吸收塔、湍球 塔、泡沫吸收塔、板式吸收器和带有机械搅动的吸收器。喷洒吸收器中，液体 以液滴形势分散于气体中。这类吸收器主要有喷淋塔、高气速并流喷洒吸收器 和机械喷洒吸收器等。 在大气污染净化中，因为气体量大而浓度低，所以常选用以气相为连续相、 湍流程度高、相界面大的吸收设备，最常用的是填料塔，其次是板式塔，才外 还有喷淋塔和文丘里吸收器。 （1）填料塔 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。塔体为直立 300kmol /h 的混合空气中清水吸收 SO2的填料塔设计 6 圆筒，筒内支承板上堆放一定高度的填料。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。吸收剂从塔顶经液体分布 器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。填料的润湿表面就成为气液连续接触的 传质表面，净化气体最后从塔顶排出。 （2）板式塔 板式塔通常由一个呈圆柱形的壳体及沿塔高按一定间距水平设置的若干层 塔板所组成。操作时，吸收剂从塔顶进入，依靠重力作用由顶部逐板流向塔底 排出，并且在各层塔板的板面上形成流动的液层；气体由塔底进入，在压力差 的推动下，由塔底向上经过均匀在塔板上的开孔，以气泡形式分散在液层中， 形成气液接触界面很大的泡沫层。气相中部分有害气体被吸收，未被吸收的气 体经过泡沫层后进入上一层塔板，气体逐板上升与板上的液体接触，被净化气 体最后由塔顶排出。 （3）特种接触塔型 在这种塔型中，气体为连续相，液体以液滴形式分散于气体中形成气液接 触界面。 喷淋塔：结构简单、造价低廉、气体压降小。且不会堵塞，目前广 泛应用于湿法脱硫系统中。文丘里吸收器：体积小，处理能力大。适用于气 量较小的场合。机械喷洒吸收器：效率高，压降低，适合于用少量液体吸收 大量的气体。喷射吸收器：气体不需风机输送、气体压降小。 2.2.2 吸收净化设备的选择吸收净化设备的选择 填料塔为连续接触式的气、液传质设备。它的结构为：在圆筒形塔体的下 部，设置一层支承板，支承板上充填一定高度的填料。液体由入口管进入经过 分布器喷淋至填料上，在填料的空隙中流过，并润湿填料表面形成流动的液膜。 液体经过填料后由排出管取出。液体在填料层中有倾向于塔壁的流动，故填料 层较高时，常将其分段，两段之间设置液体再分布器，以利液体的重新均布。 气体在支承板下方入口管进入塔内，在压强差的推动下，通过填料间的空隙由 塔的顶部排出管排出。填料层内气、液两相呈逆流流动，相际间的传质通常是 300kmol /h 的混合空气中清水吸收 SO2的填料塔设计 7 在填料表面的液体与气相间的界面上进行，两相的组成沿塔高连续变化。 填料塔和板式塔相比，不仅结构简单，而且具有生产能力大、分离效率高、 持液量小、操作弹性大、压强降低等特点。通过填料材质的选择，可处理腐蚀 性的物料。尤其对于压强降较低的真空精馏操作，填料塔更显示出其优越性。 但是，填料塔的造价通常高于板式塔，对于含有悬浮物的料液、易聚合的物系 则不能适用，而且对于有侧线出料的场合等也不大适宜。 近年来，国内外对填料的研究与开发进展很迅速，新型高效填料的不断出 现，使填料塔的应用更加广泛，直径达几米甚至十几米的大型填料塔在工业上 已非罕见。 2.2.3 吸收净化设备的确定吸收净化设备的确定 填料塔的气液接触时间、液气比均可在较大范围内调节，而且结构简单、 压力降小。过去由于填料结构及塔内构件不够完善,填料塔大多局限于处理腐蚀 性气体或者不适宜安装塔板的小直径塔。近年来由于填料结构的改进，新型高 效、高负荷填料的开发，既提高了塔的通过能力和分离能力，又保持了压力降 小及性能稳定的优点，因此填料塔已经被推广到所有大型气液操作系统中，在 SO2污染控制中得到广泛应用。故本次设计采用填料塔作为吸收设备。 2.3 吸收工艺的选择吸收工艺的选择 2.3.1 吸收剂的选择吸收剂的选择 吸收剂性能的优劣，往往成为决定吸收操作效果是否良好的关键，吸收剂 的选择与吸收方法的选择有一定的联系。选择吸收剂时，首先要考虑吸收过程 在整个生产流程中的作用和前后工序所提供的工艺条件和要求；其次从吸收过 程的基本原理出发，按照各项技术经济要求加以分析和选择。 在选择吸收剂时，应注意考虑以下几个方面的问题： 1.对于溶质组分应具有较大的溶解度，这样可以提高吸收速率并减小吸收 剂的耗用量。当吸收剂与溶质组分间有化学反应发生时，溶解度可以大大提高， 300kmol /h 的混合空气中清水吸收 SO2的填料塔设计 8 但若要循环使用吸收剂，则化学反应必须是可逆的；对于物理吸收也应该选择 其溶解度随着操作条件改变而有显著差异的吸收剂，以便回收。 2.选择性好，即是指吸收剂要在对溶质组分有良好吸收能力的同时，对混合 气体中的其他组分却基本上不吸收或者吸收甚微，否则不能实现有效的分离。 选择性以选择性系数表示： 3. 易于再生，再生性能的优劣和再生过程的经济性是评价吸收剂乃至整个吸 收过程的重要技术经济指标。 4. 挥发性小，操作温度下吸收剂的蒸气压要低，挥发性小可以减少吸收剂的 损耗，并提高溶质气体纯度。 5. 具有较好的化学稳定性及热稳定性，以减少吸收剂的降解和变质，尤其在 使用化学吸收剂时。 6.操作温度下吸收剂的黏度要低，这样可以改善吸收塔内的流动状况，从而 提高吸收速率，并且有助于降低泵的功耗，还能减小传热阻力。 7. 所选用的吸收剂还应该尽可能无毒性，无腐蚀性，不易燃，不发泡，冰点 低，价廉易得且对环境没有污染。 2.3.2 吸收装置流程的选择吸收装置流程的选择 吸收装置的流程主要有以下几种： （1）逆流操作气相自塔底进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排 出。特点：传质平均推动力大，传质速率快，分离效率高，吸收剂利用率高。 工业生产中大部分的填料吸收塔多采用气液逆流操作流程。 （2）并流操作气液两相均从塔顶流向塔底。特点：系统不受液流限制， 可以提高操作气速，以提高生产能力。应用情况：当吸收过程的平衡曲线较平 坦时，流向对推动力影响不大；易溶气体的吸收或者处理的气体不需要吸收很 完全；吸收剂用量特别大，逆流操作易引起液泛。 （3）吸收剂部分再循环操作应用情况：当吸收剂用量较小，为提高塔 的液体喷淋密度：对于非等温吸收过程，为了控制塔内的温升，需要取出一部 300kmol /h 的混合空气中清水吸收 SO2的填料塔设计 9 分热量。吸收剂部分再循环操作较逆流操作的平均推动力呀低，并且需要设置 循环泵，操作费用增加。 （4）多塔串联操作若设计的填料层高度过大，或者由于所处理物料等 原因需经常清理填料，为便于维修，可以把填料层分装在几个串联的塔内，每 个吸收塔通过的吸收剂和气体量相等。此种操作因塔内需要留较大空间，输液、 喷淋、支承板等辅助装置增加，使设备投资加大。 （5）串联并联混合操作若吸收过程处理的液量很大，如果用通常的 流程，则液体在塔内的喷淋密度过大，操作气速势必很小，塔的生产能力很低。 （6）吸收蒸出操作在多组分吸收过程中，为了提高吸收液中溶质的浓 度，可采用吸收蒸出操作。 2.3.3 吸收工艺的吸收工艺的选择选择 综合设计的任务要求，本次设计采用湿法烟气脱硫，吸收剂采用清水。用 水吸收 SO2属于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。 因用水作为吸收剂，并且 SO2不作为产品，故采用纯溶剂。 图图 2-12-1 吸收工艺流程图吸收工艺流程图 300kmol /h 的混合空气中清水吸收 SO2的填料塔设计 10 2.4 填料的类型与选择填料的类型与选择 2.4.1 填料的特性填料的特性 在填料塔内，气体由填料间的空隙流过，液体在填料表面形成液膜并且沿 填料间的空隙而下流，气、液两相间的传质过程在润湿的填料表面上进行。因 此，填料塔的生产能力和传质速率均与填料特性密切相关。 填料性能的优劣通常根据通量、效率及压降三要素来衡量。表示填料性能 的几何参数有以下几项。 比表面积：单位体积填料层的填料表面积称为比表面积，以 表示，单位 为/m。填料的比表面积越大，所能提供的气、液传质面积越大。同一种类的 填料，尺寸越小，则比表面积越大。 空隙率：单位体积填料层的空隙体积称为空隙率，以 表示，单位为 m/m。填料的空隙率大，气、液通过能力大且气体流动阻力小。 填料因子：将 与 组合成 /的形式成为干填料因子，单位为 1/m。填料因子表示填料的流体力学性能。当填料被喷淋的液体润湿后，填料表 面覆盖了一层液膜， 与 均发生相应的变化，此时 /成为湿填料因子， 以 表示。 代表实际操作时填料的流体力学特性，故进行填料塔设计计算 时，应该采用液体喷淋条件下实测的湿填料因子。 值小，表明流动阻力小， 液泛速度可以提高。 在选择填料时，一般要求比表面积及空隙率要大，填料的润湿性能要好， 单位体积的填料质量轻，造价低，并且有足够的力学强度。 2.4.2 填料类型填料类型 填料种类很多，根据装填方式，可以分为散装填料和规整填料两大类。 （1）散装填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，又成为乱堆填料或者颗粒填料。散装填料根据结构特点不同， 又可以分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。 300kmol /h 的混合空气中清水吸收 SO2的填料塔设计 11 拉西环填料 气液分布较差，传质效率低，阻力大，通量小，目前工 业上已很少应用。 鲍尔环填料 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。是目前应用较广的填料之一。 阶梯环填料 阶梯环的综合性能优于鲍尔环，车各位目前所使用的环 形填料中最为优良的一种。 弧鞍填料 易发生套叠，致使一部分填料表面被重合，使传质效率降 低。强度较差，容易破碎，工业生产中应用不多。 矩鞍填料 一般采用瓷质材料制成，其性能优于拉西环。 环矩鞍填料 综合性能优于鲍尔环和阶梯环，是工业应用最为普遍的 一种金属散装填料。 （2）规整填料是按一定的几何图形排列，整齐堆砌的填料。规整填料种类 很多，根据其几何结构可以分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料等，工业上应 用的汇整填料绝大部分为波纹填料。波纹填料按结构分为网波纹填料和板波纹 填料两大类，可用陶瓷、塑料、金属等材质制造。加工中，波纹与塔轴的倾角 有 30和 45两种，倾角为 30以代号 BX（或 X）表示，倾角为 45以代号 CY（或 Y）表示。 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，其表面积越大，传质效率越高，但阻力增加，通量减小，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工艺要求，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，不通规格的填料；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。一的原则来选 择填料的规格。 300kmol /h 的混合空气中清水吸收 SO2的填料塔设计 12 2.4.3 填料的选择填料的选择 填料的选择包括填料材质的选择、填料种类的选择、填料尺寸（规格）的 选择等内容。 （1）填料材质的选择 填料的材质可分为金属、塑料、陶瓷三大类。选材时，首先要考虑的是能 耐介质腐蚀。其次，考虑在操作温度下，经久耐用不变形。最后考虑不污染或 影响产品质量。在满足以上三项要求的基础上，通过分析比较，最后选定出经 济合理的材质。 材料的选择应主要从性能和价格两方面来考虑。所有填料在收到化学、机 械和惹的作用下均会老化、磨损、甚至丧失其性能。具有优良的耐腐蚀性、耐 热性和机械性能的材料，其寿命可以很长，但是价格十分昂贵。因此，在选用 填料材料时必须兼顾材料的性能和价格，选用合适的材料。 由于填料一般都要与化学介质接触，因而填料的耐腐蚀性极为重要。但迄 今为止，尚无关于材料耐腐蚀性能的统一准则，因为耐腐蚀性往往与材料和介 质系统，温度和作用时间，以及材料收到的额外负荷（电流、机械应力等）密 切相关。因此要判定一种材料是否耐蚀或足够耐蚀，最好在现场条件下进行实 验。 （2）填料种类的选择 在选择填料时，应综合考虑填料的通过能力、压降、传质效率、操作弹性 和成本等各项指标。近年来，新型散堆和规整填料相继开发使用，这些新型填 料既能提高塔的通量和分离效率，又能保持较小的压力降。 一般而言，对于需要理论塔板数很多的难分物系的分离，应优先考虑选用 较高效或高效的规整材料；对于对于需要理论板数不多的容易分离物系的分离， 应优先考虑选用较高效的新型散堆填料。 一座填料塔内可以使用同一型号的填料，也可以使用同一结构形式但尺寸 不同的填料。塔内一段用规整填料，而其他部分则用规整填料。 300kmol /h 的混合空气中清水吸收 SO2的填料塔设计 13 （3）散堆填料尺寸的选择 常用的散堆填料主要有 25、38和 50三种尺寸。为使填料床层 结构均匀，保证较好的分离效率，填料尺寸应与塔径大小相匹配。对不同填料， 推荐的塔径 D 与填料公称尺寸dp之比为： 拉西环矩鞍形填料鲍尔环阶梯环环矩鞍 D/dp2030D/dp15D/dp1015D/dp8D/dp8 一般而言，填料尺寸大，成本低；通过能力高，而效率较低。大塔常使用 50的填料。若大于 50，则成本的降低和通过能力的提高，往往补偿不 上分离效率的降低。若使用 25以下的小填料，则效率的提高弥补不了由通 过能力降低和成本增高带来的缺点。一般推荐按塔径大小选定填料尺寸。 2.4.4 填料的确定填料的确定 对于水吸收 SO2的过程，操作温度及操作压力较低，故该系统不属于难分 离物系，可选用散装填料，系统中含有 SO2有一定的腐蚀性，所以考虑选用塑 料阶梯环，由于系统对压降无特殊要求，考虑到不同尺寸阶梯环的传质性能， 选用 D38 塑料阶梯环填料。该填料的泛点填料因子，压降填料因子 1 170m ，比表面积 =132.5/m。 2 =116 F m 表表 2-12-1 国产塑料阶梯环填料几何特性数据：国产塑料阶梯环填料几何特性数据： 公称尺 寸 Dg/mm 外径高厚 dH/(mmmm mm) 堆积个 数 n/(个 /m3) 堆积密度 P/(kg/m3) 比表面积 a/(m2/m3) 空隙 率 /% 干填料 因子 a/3/m-1 38381912720057.5132.50.91175.8 300kmol /h 的混合空气中清水吸收 SO2的填料塔设计 14 第三章第三章 填料塔的工艺尺寸填料塔的工艺尺寸 3.1 基础物性数据基础物性数据 3.1.1 液相物性数据液相物性数据 本次设计为低浓度吸收。对低浓度吸收过程，溶液的物性数据可以近似取 纯水的物性数据。由手册查得，20时水的有关物性数据如下： 密度为 3 998.2/ L kg m 黏度为 0.001 .3.6/( . ) La P skgmh 表面张力为 2 72.6dyn /cm940896kg / L h SO2在水中的扩散系数为 5263 1.47 10 c/s5.29 10/ L Dmmh 3.1.2 气相物性数据气相物性数据 混合气体的平均摩尔质量为 0.07 64.060.93 2931.45g/ Vmii My Mmol 混合气体的平均密度为 101.3 31.45 1.286kg/ 8.314 298 Vm Vm PM m RT 混合气体的黏度可以近似取为空气黏度 查手册得 20时空气的黏度为 5 v 1.81 100.065/()Pa skgm h 查手册得 SO2 在空气中的扩散系数为 22 0.108/0.039/ v Dcmsmh 3.1.3 气液相平衡数据气液相平衡数据 （1）查手册得: 300kmol /h 的混合空气中清水吸收 SO2的填料塔设计 15 常压下 20时,SO2在水中的亨利系数为 E=3.55103kPa 相平衡常数为 m=3.55103/101.3=35.04 P E H2O-SO2在 20下： X 0.002810.0019650.0014050.0008450.0005640.0004230.0002810.0001408 Y 0.07760.05130.03420.01850.01120.00730.00420.00158 3.2 物料衡算物料衡算 进塔气相摩尔比 1 1 1 0.07 0.07527 11 0.07 y Y y 出塔气相摩尔比 2 0.0015 0.0015 1 0.0015 Y 进塔惰性气体流量 300 (1 0.07)279/VKmol h 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， 12 min 12 / YYL VYmX （） 对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为 X2=0 min 0.075270.0015 34.34 0.07527/35.040 L V （） 取操作液气比为 min 1.4 LL VV （） , 则1.4 34.3448.08 L V 48.08 27913414.32/LKmol h ， 则 1212 ()()V YYL XX 1 279(0.075270.0015) 0.0015 13414.32 X 300kmol /h 的混合空气中清水吸收 SO2的填料塔设计 16 3.3 填料塔的工艺尺寸计算填料塔的工艺尺寸计算 3.3.1 塔径计算塔径计算 采用 Eckert 通用关联图计算泛点气速 进塔气相流量转化为标准状况为 hmVs/38.7335 273 298 4 .22300 3 气相质量流量为300 31.459435/ V wkg h 液相质量流量为13414.32 18.02241726.05/ L wkg h 采用 Eckert 通用关联图计算冷却气速 查 Eckert 关联图的横坐标为 L 0.50.5 241726.051.286 ()()0.920 9435998.2 V vL w w 查 Eckert 关联图的纵坐标为=0.024 0.2 L L 2 u g VFu 查化工原理课程设计表 5-11 得 38mm 的聚丙烯阶梯环，填料因子 1 170m 0.20.2 0.0240.024 9.81 998.2 1.037/ 170 1 1.286 1 L F FVL g um s =0.50.85 取 Fu u 0.70.7 1.0370.726/ F uum s 由 44 7335.38/3600 1.891 3.14 0.726 S V Dm u 圆整塔径，取 D=2.0m 泛点率校核： 实际空速 22 44 7335.38/3600 0.649/ 3.14 2 S V um s D 300kmol /h 的混合空气中清水吸收 SO2的填料塔设计 17 （在 50%85%范围内） 0.649 10062.58 1.037 F u u 填料规格校核： 2000 52.36 38 D d 液体喷淋密度校核： 对于 d75的散装填料，取最小润湿速率为（LW）min=0.08m3/mh 查书得 t=132.5/m3 最小喷淋密度为 32 min ()0.08 132.510.6/ Wt ULammh 实际喷淋密度为 min 2 241726.05/998.2 77.12 0.785 2 UU 经以上校核可知，填料塔直径选用合理。mmD2000 3.3.2 填料层高度计算填料层高度计算 采用传质单元法计算 Y1*=