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1、1一、 设计方案的确定1.1 填料塔的结构填料塔的主要构件为包括：填料、液体分布器、填料支承板、液体再分布器、气体和液体进出口管等。其塔体为一圆形筒体，筒体内分层装有一定高度的填料。液体由塔顶自上而下沿填料的表面成膜状流下。如填料层较高，一般设有液体再分布器，以减弱壁流现象带来的不良影响。气液两相在塔内进行接触传质。其填料塔的结构见图如下：1.2 吸收剂的选择对于 SO2的吸收，常用的吸收剂有浓碳酸、亚硫酸盐水溶液、柠檬水溶液，水，鉴于水对 SO2具有一定程度的溶解度，蒸气压不高、粘度适中、不易发泡，具有良好的化学稳定性和热稳定性，不易燃、不易爆，安全可靠。而且水平常易得，经济成本较低，吸收后
2、的溶液相对较易处理，再生和循环性较好，易于实现无害化处理。因而选择清水作为吸收 SO2 的吸收剂。1.3 吸收操作条件的确定吸收条件也即吸收塔的操作温度和操作压力。在本设计中，清水的温度为20，气体的进口温度为 25，吸收温度为 20，为等温吸收。操作压力为常压操作，也即 101.325kPa。1.4 吸收操作流程气、液两相在塔内的流动有逆流和并流两种方式。在逆流操作条件下，两相2传质平均推动力最大，可以减少设备的尺寸，提高吸收率和吸收剂的使用效率，因而逆流操作优于并流操作。但是，如果处理的气体溶解度大，并流和逆流的操作推动力相差不大，采用并流操作可以不受泛液的限制，提高操作气速，增大生产能力
3、。对于 SO2 而言，当水温为 20时，查化工原理 （化学工业出版社）P187 图 5-2，可得 20时 SO2 在水中的溶解度大约为 8 ，)(10/)(22OHgSg也即 SO2 在水中的溶解度不大，此时应该选择逆流操作。吸收流程如附图所示。二、 填料塔吸收工艺计算2.1 物料衡算2.1.1 吸收剂（水）的流量计算该设计中，矿石焙烧炉送出的气体流量为 1800+95 10=2750 m3/h 惰性气体流量为G= （1-0.005）=106.85kmol/h4.2750251.3y1=0.005，Y 1=y1/(1-y1) 0526.吸收效率 =1-Y 2/Y1=0.96，Y 2=（1-0.
4、96）Y 1=2.1010-3x2=0，X 2=0查表（化工原理P189 表 5-1）得 SO2 水溶液在 20时的亨利系数为E=3550kPam=E/p= =35.0435.10其汽液相平衡近似服从亨利定律，则Y1=mX1*，X 1*=Y1/m= 10-350.14.26最小液气比为（ ） min= =33.67GL31.2* Y取 =1.3（ ） min=1.333.67=43.77L=43.77G=4676.82kmol/h= X1= =1.1510-3L21XYGLY/2操作线方程为Y= 322 10.4.3)( G2.2 塔径的计算吸收塔的吸收为等温吸收，其温度为 20。设计压力取为
5、它的操作压力 101.325kPa。3塔径的计算公式为D= ， uVs4fu)85.0(式中 Vs气体体积流量， m3/h；适宜的空塔气速。m/s。u2.2.1 泛点气速的计算采用 Bain-Hougen（贝恩-霍根）关联式来计算，即 =A-1.752.032LVfagu814)(LVGW式中 干填料因子，m -1；3/a气、液相的密度，kg/m 3；LV,液相粘度，mPa s；气、液相流体的质量流量， ;LGW, hkg/A常数，与填料形状和材质有关。标准状况下，查（化工原理P334 附录九）得 SO2的密度为=2.927kg/h，则有2SO= =2S2SOTp 3/68.97.51.73m
6、kg=(29/22.4)V 3/21.05.20.3/.98mkgLhkgWVsG /7.4621.75hkgMLSOSOH /30.847908346222 查得（化工原理P328 附录三）水温在 20时， s。PaL1.选用塑料鲍尔环（乱堆）D g25mm，查表（化工原理P224 表 5-4）得以下其参数：各项参数 比表面积m2m-3/ta空隙率 m-33/m干填料因子 /m-134参数值 209 0.90 287查常用化工单元设备设计P114 表 3-9 得，当填料为塑料鲍尔环时，A=0.0942。经计算得出的 Bain-hougen 关联式的各项参数为13/ma3/kgV3/mkLs/
7、PaL1-/hkgWG1-/kLA数值 287 1.261 998.2 1.0043103467.75 84347.30 0.0942将所得数据代入 Bain-hougen 关联式，得 =2.03)4.1(2986.71.fu 8141)2.96()75.308(.94解之得smf/5.取安全系数为 0.8，得uf/326.18.02.2.2 塔径的计算D= =uVs4m857.0326.1取塔径圆整 D=900mmD/d=900/25=3610，故符合要求。2.2.3 核算气速 hmVs/27503smDus /2013.9.8.75. ，符合要求。2406.13f2.2.4 核算喷淋密度当
8、填料直径75mm 时， （ ） min=0.08 ，有WL)h/(3m)/(72.16098.)( 23minin saUt /.75.02983475.0 322DGU min，满足要求。52.3 填料层高度及塔高的计算填料层高度计算公式 *12YdaKVNHZYOG式中 Z填料层高度，m；HOG气相的总传质单元高度， m；NOG气相的总传质单元数；V惰性气体流量，kmol/h;KYa气相的体积吸收总系数，kmol/(m 3s)；Y*气相平衡浓度，摩尔比；塔截面积，m 2。2.3.1 传质单元高度计算由恩田等人的准数关联式有 2.021.075.0 )()()4.1exptLGtLtGCtW
9、 agaa 式中 单位体积填料层的湿润表面积tw,液体的表明张力及填料材质的临界表面张力，N/m ；CLG液体通过空塔截面的质量流速，kg/(ms)；液体的粘度，Pas；液体的密度，kg/m 3;Lg重力加速度，m/s。查常用化工单元设备设计P109 表 3-3，得 =3310-3N/m，查 P110 表 3-C5，有 =1.45，查 P114 表 3-8，得塑料鲍尔环 的压降填料因子为mDg25，查化工原理P328 附录三，当水温为 20时，水的表面张力23P6L=726.910-4N/m。将数据代入恩田等人的准数关联式，有exp1tWa 2.04205.21.0375.043 )91.76
10、.9853()1986()4.12986()9.726(45.=0.62932/4. matW查化学工程手册有，20时 SO2在水中的分子扩散系数为 DL=1.4710-9m/s,在空气中的分子扩散系数为 DG=1.0810-5m/s，由恩田修正式，有3/1/13/205. LLLWGL gak 4.0=0.0095 313219332 ).890.()7.98()104.6138( 4.05=3.862 sm/041.3/17.023. RTDaaVk GtVGtG=0.237 1.531567.06 4)201.7(4.8209).2108()1.82095( =2.40910-5kmol
11、/(m3skPa)则有kLa=kLaW=3.86210-4131.46=0.0508s-1kGa=kGaW=2.40910-5131.46=3.16710-3kmol/(m2skPa)计算 KYaKYa=pKGa而 )/(0156.8352.93mkPaolEMHSL )/(105.608.15.0167.1 343 kPasmkolakaLGY 则 K Ya=pKGa=101.3256.5010-4=0.0659 kmol/(m3s)又 2229.4mD7maKVHYOG708.6359.0.812.3.2 传质单元数的计算m21 33*211m 107.510.2ln.-.Y-ln ）（
12、）（）（则 75.807.563OGN2.3.3 设计填料层高及塔高的计算6.195m.OGHZ取 21%的余量，则有m50.7219.615.由填料塔的分段高度推荐值，对于塑料鲍尔环，有,0Dh.43max取 则,5/ 5.9显然，该填料塔需要分层，对于塑料环，其填料分段高度不宜超过 34.5m，则可将填料分两层安装，其分段高度分别为 4.0+3.5=7.5m。塔顶应该有足够的高度以使随气流携带的液滴能够从气相中分离出来，减少塔顶出口气体中液体的夹带，这段高度一般取 1.21.5m，在这里取=1.2m；1h塔底空间高度，取液体停留时间为 1min，所需的液封高度为mDtVhL 30.29.4
13、3602.98.742 液此外，塔底液面到填料层底部之间还应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，且高于塔底液面 300mm 以上，则塔底空间高度可取 =900mm+300mm+2300mm=3.5m，留有足够的空间2h以满足安装进气管的要求。故实际塔高为：2.4 填料层压降的计算m2.153.塔H8在埃克特关联图上，取横坐标865.02.9175.3460821 LVGW当操作气速为 时， 鲍尔环的压降填料因子为smu/. 塑 料Dg时，23P1LOH20132.04.12986.3212.3-.02 LVPgu查得每米填料层压降为21 9.81=20
14、6.01Pa/（m 填料）Z/p 全塔压降为 =Z206.01=7.5206.01=1575.08Pa三、 填料塔的附属装置确定3.1 填料支承装置填料支承结构是用于支承塔内及其所持有的气体和液体的重量之装置。由于填料塔的直径 D=900mm，而且设计中的液体流量较大，经比较，可知栅板式支承板较符合该填料塔的要求。为便于装卸，栅板可以分为三块。栅板支承装置有碳钢和不锈钢两种，由于水吸收 SO2 所得溶液具有一定的腐蚀性，故应选择不锈钢材质的支承装置，其支承板结构特尺寸等参数如下表：栅板 栅板公称直径Dg-填料环直径D R hSt 1lL1n2l3连接板长度ln2l3连接板长度板数量900 25
15、 880 440 5625 270 880 10 250 3 270 303 10 250 9 260 1其栅板的结构图如下：93.2 液体喷淋装置由于处理溶液体积流量为hmLMqOHV /3.842.914672 流量较大，而且填料塔的塔径为 900mm，经综合比较，可知选择盘式分布器较为合适。盘式分布器结构较简单，液体通过时的阻力较小，其分布比较均匀，适合直径 800mm 以上的塔。分布盘上开筛孔时，孔数 n、孔径 d0、液体流量 L、和盘上液体高度 H的关系如下：gHdLn2785.0其中， ，取 ，取 d0=5mm。DH)16(15.0代数据，可以得出146.581.2578.046n即在分布盘上开
