填料塔—化工原理课程设计
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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。
对于SO 2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SO 2在水中的溶解度大约为8)](1000/[)(22O H g SO g ，也即SO 2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 m 3/h 惰性气体流量为G=4.222750×2515.27315.273+×（1-0.005）=106.85kmol/hy 1=0.005，Y 1=y 1/(1-y 1)0526.0005.01005.0=-吸收效率 η=1-Y 2/Y 1=0.96，Y 2=（1-0.96）Y 1=2.10×10-3 x 2=0，X 2=0 查表（《化工原理》P189表5-1）得SO 2水溶液在20℃时的亨利系数为 E=3550kPam=E/p=325.1013550=35.04其汽液相平衡近似服从亨利定律，则Y 1=mX 1*，X 1*=Y 1/m=50.104.330526.0=×10-3最小液气比为（G L ）min =33111050.11010.20526.02*2--⨯⨯-=--X X Y Y =33.67 取G L =1.3（GL）min =1.3×33.67=43.77 L=43.77G=4676.82kmol/hG L =2121X X Y Y -- ⇒ X 1=G L Y Y /21-=1.15×10-3 操作线方程为Y=32221010.244.43])([-⨯+=-++X X GLY Y X G L 2.2 塔径的计算吸收塔的吸收为等温吸收，其温度为20℃。
设计压力取为它的操作压力101.325kPa 。
塔径的计算公式为 D=uV sπ4 ， f u u )85.0~5.0(= 式中 V s ——气体体积流量，m 3/h ；u ——适宜的空塔气速。
m/s 。
2.2.1 泛点气速的计算采用Bain-Hougen （贝恩-霍根）关联式来计算，即㏒][2.032LLVfa g u μρρε=A-1.758141)()(LV G L W Wρρ式中 3/εa ——干填料因子，m -1； L V ρρ,——气、液相的密度，kg/m 3； L μ——液相粘度，mPa •s ；L G W W ,——气、液相流体的质量流量，h kg /; 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SO 2的密度为Θ2SO ρ=2.927kg/h ，则有2SOρ=ΘΘΘ2SO Tp pT ρ=3/682.2927.22515.27315.273m kg =⨯+V ρ=(29/22.4)3/261.105.0682.295.02515.27315.273m kg =⨯+⨯+⨯3/2.998m kg L =ρh kg V W V s G /75.3467261.12750=⨯==ρh kg M M L W SO SO O H L /30.843476496.0678.231882.4676222=⨯⨯+⨯=⨯⨯+⨯=ηρ查得（《化工原理》P328附录三）水温在20℃时，Pa L 310004.1-⨯=μ·s 。
选用塑料鲍尔环（乱堆）D g 25mm ，查表（《化工原理》P224表5-4）得以下其参查《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㏒⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯⨯⨯⨯-2.03)10004.1(2.998261.128781.9f u =8141)2.998261.1()75.346730.84347(75.10942.0⨯- 解之得s m u f /657.1= 取安全系数为0.8，得s m u u f /326.18.0==2.2.2 塔径的计算D=uV s π4=m 857.0326.114.327504=⨯⨯ 取塔径圆整 D=900mmD/d=900/25=36＞10，故符合要求。
2.2.3 核算气速h m V s /27503=s m D V u s /2013.19.0785.02750785.022=⨯==724.0657.12013.1==f u u ，符合要求。
2.2.4 核算喷淋密度当填料直径＜75mm 时，（W L ）min =0.08)h /(3•m m ，有 )/(72.1620908.0)(23min min s m m a L U t W •=⨯==)/(89.1329.0785.02.99830.84347785.02322s m m D W U G •=⨯⨯==ρ＞U min ，满足要求。
2.3 填料层高度及塔高的计算填料层高度计算公式*12YY dY a K V N H Z Y Y Y OG OG -⎰Ω=⨯=式中 Z ——填料层高度，m ；H OG ——气相的总传质单元高度，m ； N OG ——气相的总传质单元数；V ——惰性气体流量，kmol/h;K Y a ——气相的体积吸收总系数，kmol/(m 3·s)； Y *——气相平衡浓度，摩尔比； Ω——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⎭⎬⎫⎩⎨⎧--=2.02221.075.0))(()()(45.1exp 1t L G L t G L t G C t W a L g a L a L a a σρρμσσ 式中 t w a a ,——单位体积填料层的湿润表面积C σσ,——液体的表明张力及填料材质的临界表面张力，N/m ； L G ——液体通过空塔截面的质量流速，kg/(m ·s)； L μ——液体的粘度，Pa ·s ； L ρ——液体的密度，kg/m 3; g ——重力加速度，m/s 。
查《常用化工单元设备设计》P109表3-3，得C σ=33×10-3N/m ，查P110表3-5，有ψ=1.45，查P114表3-8，得塑料鲍尔环mm D g 25的压降填料因子为232=P φ，查《化工原理》P328附录三，当水温为20℃时，水的表面张力σL =726.9×10-4N/m 。
将数据代入恩田等人的准数关联式，有ex p 1-=tWa a ⎭⎬⎫⎩⎨⎧⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯------2.04205.0221.0375.043)209109.7262.99885.36()81.92.99820985.36()10004.120985.36()109.7261033(45.1=0.62932/46.131209629.0629.0m m a a t W=⨯==查《化学工程手册》有，20℃时SO 2在水中的分子扩散系数为D L =1.47×10-9m/s,在空气中的分子扩散系数为D G =1.08×10-5m/s ，由恩田修正式，有3/12/13/20095.0⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=-L L L L L LW GL g D a L k ρμρμμ4.0ψ=0.00953132193323)2.99881.910004.1()1047.12.99810004.1()10004.146.13185.36(⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯-----4.045.1⨯=3.862s m /104-⨯1.13/17.0237.0ψρμμ⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯=RT D a D a V k G t G V G Gt GG=0.2371.1531567.0645.1))2015.273(314.81008.1209()1008.1261.1101.18()101.18209515.1(⨯+⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯---- =2.409×10-5kmol/(m 3·s ·kPa)则有k L a=k L a W =3.862×10-4×131.46=0.0508s -1k G a=k G a W =2.409×10-5×131.46=3.167×10-3kmol/(m 2·s ·kPa) 计算K Y aK Y a=pK G a 而 )/(0156.01835502.9983m kPa kmol EM H SL•=⨯==ρ)/(1050.60508.00156.0110167.311111343kPa s m kmol aHk a k a K L G Y ••⨯=⨯+⨯=+=--则 K Y a=pK G a=101.325×6.50×10-4=0.0659 kmol/(m 3·s) 又 2226359.09.044m D =⨯==Ωππm a K V H Y OG708.06359.00659.0360085.106=⨯=Ω= 2.3.2 传质单元数的计算m21Y △Y Y H -=333*22*11*22*11m 1077.51010.20123.0ln 1010.2-0123.0Y -Y Y -Y ln Y -Y -Y -Y Y ---⨯=⨯⨯==）（）（）（△ 则 75.81077.51010.20526.033=⨯⨯-=--OGN 2.3.3 设计填料层高及塔高的计算=⨯==708.075.8'OG OG N H Z 6.195m取21%的余量，则有m Z Z 50.721.1195.6'195.6=⨯==由填料塔的分段高度推荐值，对于塑料鲍尔环，有 ,10~5=Dhm h 5.4~3max ≤取则,5/=D h m 5.49.05D 5h =⨯==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3~4.5m ，则可将填料分两层安装，其分段高度分别为4.0+3.5=7.5m 。
