填料塔课设(共26页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上大气污染控制工程课程设计说明书（环境工程C081）设计题目：水吸收低浓度SO2填料吸收塔的设计设计时间：自 2010年 12 月 27日 至 2011 年 1 月7 日学生姓名：姚爱武学 号：班 级：环境C081指导教师：高军凯河北工业大学能源与环境学院环境工程系专心-专注-专业第一章 设计任务、依据和要求一、设计任务及操作条件：1、混合气体（空气中含SO2气体的混合气）处理量为：103 kmol/h2、 混合气组成：SO2含量为 6.9% （摩尔百分比），空气为：93.1%（mol%）3、要求出塔净化气含SO2为：0.147 %（mol%），H2O为 1.172 kmol/h4、吸收剂为水，不含SO25、常压，气体入塔温度为25，水入塔温度为20。二、设计内容：1、设计方案的确定。2、填料吸收塔的塔径、填料层高度及填料层压强的计算。3、填料塔附属结构的选型与设计。4、填料塔工艺条件图。三、H2OSO2在常压20下的平衡数据：xyxy0.002810.07760.0.007630.0.05130.0.00420.0.03420.0.001580.0.01850.0.000660.0.0112四、气体及液体的物性数据气体的物性：气体粘度µG=0.0652kg/(m·h);气体扩散系数DG=0.0393m2/s;密度G=1.383 kg /m3;液体的物性：液体粘度µL=3.6 kg /(m·h);液体扩散系数DL=5.3×10-6m2/s;密度L=998.2 kg /m3;液体表面张力=73dyn/cm = 92.71×104 kg /h2第二章 任务分析一、 SO2的来源、性质及其危害1、SO2的来源 二氧化硫的主要污染源可归纳为三个方面： (1)硫酸厂和汽车尾气中排放的二氧化硫； (2)有色金属冶炼过程排放的二氧化硫：如铜、铅、锌、钴、镍、金、银等矿物，都含硫化物，在冶炼过程中排放出大量的二氧化硫； (3)燃煤烟气中的二氧化硫：我国煤炭消费量的80以上直接用于燃烧，燃煤是大气环境中二氧化硫最主要来源。2、SO2的性质 物理性质: 密度2.551g/L，标准状况下为气体,常温下为无色,熔点200.75K,沸点263K,无色，有刺激性气味的有毒气体，密度比空气大，易液化，易溶于水（约为1：40）。 化学性质:二氧化硫可以在燃烧的条件下生成可以燃烧生成二氧化硫 加热硫铁矿，闪锌矿，硫化汞，可以生成二氧化硫3、SO2的危害二氧化硫易溶于水并且会形成亚硫酸，这反应物会刺激眼和鼻粘膜，而且具有腐蚀性，所以它对人体呼吸道有很大的危害，重者呼吸功能会受损二氧化硫在一定的条件下可被氧化成硫酸雾，并且它是形成酸雨的主要原因，而酸雨会危害居民健康；腐蚀建筑材料；破坏生态系统，对社会造成的巨大经济损失！ 危险性类别：三星级侵入途径：通过呼吸系统健康危害：易被湿润的粘膜表面吸收生成亚硫酸、硫酸。对眼及呼吸道粘膜有强烈的刺激作用。大量吸入可引起肺水肿、喉水肿、声带痉挛而致窒息。急性中毒：轻度中毒时，发生流泪、畏光、咳嗽，咽、喉灼痛等；严重中毒可在数小时内发生肺水肿；zxxxxx极高浓度吸入可引起反射性声门痉挛而致窒息。皮肤或眼接触发生炎症或灼伤。慢性影响：长期低浓度接触，可有头痛、头昏、乏力等全身症状以及慢性鼻炎、咽喉炎、嗅觉及味觉减退等，少数工人有牙齿酸蚀症。 环境危害：对大气可造成严重污染。 燃爆危险：本品不自燃，有毒，具强刺激性。二、SO2的净化技术燃烧后脱硫就是指烟气脱硫。这是目前世界上惟一的大规模商业化应用的脱硫方式。由于烟气脱硫的主要困难是SO2浓度和总量大、要处理的烟气体积大，因此，虽然烟气脱硫的方法多达十几种。但仍需要合理地选择烟气脱硫工艺，同时还要考虑环境、经济和社会等多方面的因素。目前烟气脱硫技术种类达几十种，按脱硫过程是否加水和脱硫产物的干湿形态，烟气脱硫分为：湿法、半干法、干法三大类脱硫工艺。湿法脱硫技术较为成熟，效率高，操作简单；但脱硫产物的处理较难，烟气温度较低，不利于扩散，设备及管道防腐蚀问题较为突出。半干法、干法脱硫技术的脱硫产物为干粉状，容易处理，工艺较简单；但脱硫效率较低，脱硫剂利用率低。在此对各类脱硫技术的进行简单介绍。1、湿法烟气脱硫技术湿法烟气脱硫技术按使用脱硫剂种类可分为：石灰石-石膏法、简易石灰石-石膏法、双碱法、石灰液法、钠碱法、氧化镁法、有机胺循环法、海水脱硫法等。按脱硫设备采用的技术种类不同，湿法烟气脱硫技术可分为：旋流板技术、气泡雾化技术、填料塔技术、静电脱硫技术、文丘里脱硫技术、电子束脱硫技术等。日常运行管理注意的问题：、注意检查循环水量是否达到设计要求；如有异常需对循环水系统及喷咀进行检查。 、定期检查吸收设备及其它处理设施运行是否正常； 2、半干法烟气脱硫技术半干法烟气脱硫技术采用湿态吸收剂，在吸收装置中吸收剂被烟气的热量所干燥，并在干燥过程中与SO2反应生成干粉脱硫产物。半干法工艺较简单，反应产物易于处理，无废水产生，但脱硫效率和脱硫剂的利用率低。目前常见的半干法烟气脱硫技术有：喷雾干燥脱硫技术、循环流化床烟气脱硫技术等。3、干法脱硫技术干法脱硫技术采用湿态吸收剂，反应生成干粉脱硫产物。干法工艺较简单，但脱硫效率和脱硫剂的利用率较低。目前常见的干法烟气脱硫技术有：炉内喷钙脱硫技术。 目前在实际中广泛用的是湿法脱硫。因为SO2是酸性气体，几乎所有的湿法脱硫都是一种碱性溶液和泥浆与烟气中的SO2中和。根据中和所得的产物是否回收利用，湿法流程又分为抛弃法和再生法两种。综上所述，本次设计采用的是湿法，本设计中气体入塔温度为25，使用的吸收剂为水。用水作为吸收剂的优点在于廉价易得，流程设备简单，但其缺点是吸收效率低，设备庞大，动力消耗大。三、吸收设备：1、板式塔、板式塔的设计意图 、在每块塔板上气液两相必须保持密切而充分的接触，为传质过程提供足够大而且不断更新的相际接触表面，以减小传质阻力； 、在塔内应尽量使气液两相呈逆流流动，以提供较大的传质推动力。板式塔：总体上气液呈逆流流动；每块塔板上呈均匀错流、气液两相接触状态 、鼓泡接触状态 液体连续相 气体分散相 两相接触面积：气泡表面 、泡沫接触状态液体连续相 气体分散相 两相接触面积：不断更新的液膜表面 、喷射接触状态气体连续相 液体分散相 两相接触面积：不断更新的液滴表面、板式塔的类型 、筛板塔的主要结构：塔板上有许多筛孔提供气体上升的通道；溢流堰维持塔板上一定高度的液层，以保证在塔板上气液两相有足够的接触面积；降液管作为液体从上层塔板流至下层塔板的通道。 、泡罩塔 、浮阀塔三种塔板的比较:l 生产能力： 筛板 >浮阀 >泡罩；l 压降： 泡罩 >浮阀 >筛板；l 操作弹性： 浮阀 >泡罩 >筛板；l 造价： 泡罩 >浮阀 >筛板；l 板效率： 浮阀、筛板相当 >泡罩。2、填料塔 填料塔结构简单，压降低，易用耐腐蚀材料制造，是一种重要的汽液传质设备。 填料层内汽液两相呈逆流接触，两相组成沿塔高连续变化。填料的润湿表面即为汽液两相的传质表面。填料塔的结构及填料特性主要结构作用主要要求外壳操作系统与环境的隔离界面要具有一定的强度，需要是应能耐腐蚀填料层提供气液传质面填料表面形成的液膜面具有一定的强度，比表面积大，空隙率大，可使汽、液的处理量大气体压力降低液体分布器均匀分布液体，以避免发生沟流现象喷洒均匀，防止堵塞液体再分布器避免壁流现象发生喷洒均匀，截面积大，拉西环分段每段不超过4m，其他填料不超过56m支撑板支撑填料层，使气体均匀分布自由面积大，应>=65%强度大除雾器防止塔顶气体出口处夹带液体除雾效率高，压力降小3、填料塔和板式塔的比较、板式塔适用于：a、塔径较大；b、所需传质单元数或理论板数较多；c、热量需从塔内移除；d、适于较小液量；e、适于处理有悬浮物的液体；f、板式塔便于侧线采出。、填料塔适用于：a、处理有腐蚀性的物料；b、填料塔压力降较小，适用于真空蒸馏；c、适用于间歇蒸馏或热敏性物料的蒸馏；d、适用于处理易发泡的液体。结论：由于本次处理的是SO2气体，与水反应后生成H2SO3具有腐蚀性，故选择填料塔比较合适。四、填料塔的结构示意图 填料塔结构示意图如下图所示:五、填料塔工艺流程及工艺流程图：填料塔吸收低浓度SO2是利用水作为吸收剂的吸收工艺，通过底部进气，顶部进水，液体分布器均匀分布液体，通过填料层增大汽液接触时间和面积使之充分反应的过程。 图二 填料塔工艺流程图风机缓冲器温度计温度计塔底废液废渣出液循环尾气除雾器喷淋填料吸收离心泵清水第三章 吸收塔的工艺计算一、 吸收剂用量的计算(最小液气比)由原始数据已知：入口气体量=6.9%；出口气体量=0.147%低浓度吸收时：Y1=0.07411 Y2=0.00147进口液体不含SO2，所以X2=0由Y1查H2O-SO2在常压20下的平衡数据可得=0.00268X2Y2XYX1Y1图四 逆流吸收塔操作示意图图三 操作平衡线求出最小液气比=，吸收剂的最小用量Lmin=95.89327.104=2599.084L=（1.12.0）Lmin，取1.55作为计算标准吸收剂的实际用量为：L=1.084=4028.580二、气液相进、出口组成1、气相进出口组成组成入口出口质量流量（kg/h）质量百分比(Wt%)摩尔流量(kmol/h)摩尔百分比(mol%)质量流量（kg/h）质量百分比(Wt%)摩尔流量(kmol/h)摩尔百分比(mol%)空气2780.89785.9495.89393.12780.89798.92495.89398.647SO2454.84814.067.1076.99.1520.3260.1430.147H2O21.0960.7501.1721.2063235.7451001031002811.14510097.2081002、液相进出口组成组成入口出口质量流量（kg/h）质量百分比(Wt%)摩尔流量(kmol/h)摩尔百分比(mol%)质量流量（kg/h）质量百分比(Wt%)摩尔流量(kmol/h)摩尔百分比(mol%)SO2445.6960.6116.9640.173H2O72514.4401004028.58010072493.34499.3894027.40899.82772514.4401004028.58010072939.0401004034.372100三、填料的选择 1.填料的分类及结构：填料是填料塔中的气液相间懂得传质元件。种类繁多，性能各异，按填料的结构及其作用可分为散堆填料和规整填料。散堆填料：目前散堆填料主要有环形填料，鞍形涂料，环鞍形填料，球形填料。使用时材质有陶瓷，塑料，石墨玻环，金属等。规整填料：规整填料是有许多相同尺寸和形状的材料组成的填料单元，堆砌的方式在塔件中，主要包括版波纹填料，丝网波纹填料，格里希格栅，脉冲填料等。其中以波纹填料，丝网波纹填料居多。2.填料的材质对填料的基本要求：填料的性能只要指填料的流体力学性质和质量传递性能。一般应具如下特点：具有较大的比表面积；表面润湿性能好，有效传质面积大；结构上应有利于气液相的均匀分布；填料层内的持液量适宜；只有较大的空隙率气体通过填料层时压降小，不易发生液泛现象。3. 各种填料的比较：拉西环：其结构为与外径与高度相等的圆环。可用陶瓷、塑料、金属等材质制造，拉西环填料的气液分布较差，传质效率低 ，阻力大，通量小，目前工业上已很少使用。鲍尔环：压力降比拉西环低一半还多，传质单元较低，而液泛点较高，容量大，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。阶梯环：阶梯环是对鲍尔环的改进，综合性能大于鲍尔环气体进填料层的阻力减小，传质效率较高。矩鞍：效率较高的填料之一，与弧鞍相比叠在一起阻塞床截面的可能性非常小，床层较均匀，液泛点比拉西环或弧鞍形填料的高而压降则较低；对于大多数的常见的物质来说有较低的传质单元高度，其性能优于拉西环。四、 塔径和压降的计算：计算时应用液泛速度通用关联图，图五 填料塔泛点速度通用关联图分别为气液相质量流速； 分别为气液相密度；为气体的空塔泛点气速； 为填料因子；为液相密度校正系数，=水/液； A为比表面积；为液体的粘度；1、塔径的计算相关数据计算：气相入口的质量流量：液相入口的质量流量：气体的密度： 液相密度： 经比较，选d=50mm陶瓷矩鞍环。查化工单元及设备课程设计教材附表可得，其填料因子=216，比表面积A103。 关联图的横坐标值:由图通用压降关联图查得纵坐标值约为0.023即故液泛速率操作气速塔径计算圆整塔径为，故符合要求。泛点率校核： , 在0.50.8的范围之内。综上所述，所选塔径D=1.2m合理。五、塔高的计算：填料层高度：实际填料层高度：1、 气相总传质单元数：NOG= 由定积分的几何意义，通过图解法求得曲线下的面积。步骤：（1）先求出操作线方程，由代入数据得操作线方程 （2）在与之间任意取定值，通过操作线方程得到。 （3）查“H2OSO2在常压20下的平衡数据”得由代入数据得平衡线方程 （4）求出的值0.000000.000080.000200.000440.000680.001040.001390.001730.001470.005000.010000.020000.030000.045000.060000.074110.000000.002280.005500.011960.018410.028090.037770.04688680.27211367.38053222.45423124.3475986.2914059.1413644.9870136.72017用坐标纸，图解法，求出面积。图六 面积方程面积累加得即2、 气相总传质单元高度：可通过关联式计算来确定 （1）传质系数关联式：填料的润湿表面积= 有效比表面积 式中：填料的润湿表面积 m2/m3 填料的比表面积=103m2/m3 液体的质量流量 液体的表面张力=73dyn/cm 填料材质的临界表面张力L=33dyn/cm 液体的粘度=3.6 重力加速度 气相传质系数：式中：气体的质量流量 气体粘度 气体扩散系数 液体扩散系数 气体密度温度T=298K 填料修正系数 =1.36 =液相传质系数： 式中：液体粘度当时，须对上两式求出的进行修正： 根据，H为相平衡常数的平均值，得到：由填料层高度实际填料层高度3、压降的计算查通用压降关联图得第四章 填料塔的设计计算一、塔底段1、贮液槽： 贮液槽的主要作用是贮存洗手液，在吸收循环的过程中可以启用，使洗手液的流量均匀，在贮液槽中可以对洗手液进行药，去除吸收液中的H2SO3，使洗手液可以循环使用取有效液面高度：有效液位高：则贮液槽的容积为：入口液体的体积流量为：供水时间为：即贮液槽可供的用水量。2、出液管：出液管中心线与有效面积向平，从出液管流出的液体流到循环系统，进行循环环节。出液管直径3、进气管：进水管管径的选取，影响到气体进入时的流速选取较小的管径，气体流速大，不利于气体在液体分布器的分布，选取较大管径，气体流速小，有利于气体在塔内的均匀分布，使气液结合充分。进气管管径进气管上端距布气板下表面距离进气管下端距贮液槽液面高度进气管的切面角度为45° 中心线离液面高度为4、塔釜高 5、放空管：通过放空管可以去除操作过程中产生的废渣,放空管直径：,长图七 塔底段塔底段总高度为1740mm二、吸收段1、支撑板：安装在填料层的底部，作用是支撑填料，并使气体分布均匀。支撑板上的流体通过的自由截面积应为塔界面的50%以上，且应大于填料的空隙率。此外设计时应取尽可能大的自由截面，以免产生拦液现象甚至形成液泛。要有足够的强度承受填料重量及填料空隙中的持液重量。要有一定的耐腐蚀性。对于直径在9001000时，分成三块，以便卸装。扎半条之间的距离约为填料换外径的0608倍。图八 栅板支撑板厚度：10mm 支撑圈高度：60mm支撑板直径：1194mm栅条宽:30mm2、填料口： 此填料不需要分层，填料投加口（设于维修人孔）直径：600mm，填料直径：50mm3、填料高度4100mm4、 卸料口： 直径：200mm，填料直径：50mm 图九 吸收段吸收段总高度：4170mm 三、塔帽： 塔帽自身可以作为破没空间，防止物料的损失，提高液体的利用率，从而提高塔的效率。塔帽是有钢板压制而成，有半圆形、扇形、圆台形.椭圆形。在本设计中采用椭圆形塔帽。1、喷淋器：喷淋器位于填料上部，采用大阻率喷淋器，可以使吸收液均匀的喷淋在填料上；喷淋器要求吸收液喷淋均匀，且要防堵，应保证液体分布点的密度及单位面积上的喷淋点的数；种类有：排管式、环管式、筛孔盘式以及槽式的等类型。 本设计采用压力型排管式液体分布器，直接利用压力能将液体引入液体分布管，主管直径为:75mm,支气管排数为：7。图十 排管式喷淋器 喷淋器中心线距填料层630mm 喷淋器中心线距除雾器220mm2、除雾器：在填料塔中若气速较大时，在塔顶出塔的气体中带出大量液沫，为了防止这部分液沫出塔，所以要安装除雾器。要求除雾效率高，压降小。常用的有：折流板式、旋流板式、丝网式。材料有：钢材、尼龙丝、金属、木材.本设计采用丝网式。除雾器直径：1200mm 除雾器厚度：120mm排气管直径：300mm 椭圆形部分高度：150mm竖直部分高度：210mm图十一 除雾器3、维修人孔： 设于填料口，通过维修人孔可以对塔内进行维修，维修人孔直径，维修人孔中心线距塔底高度图十二 塔帽段塔帽总高：1275mm塔体总高：7135mm图十三 塔体草图参考书目：（1）化工设备设计基础 主编：化工设备设计基础 上海科学技术出版社 1989年6月（2）过程机械（上册）（过程容器及设备）主编：李志义 喻健良 刘志军 化学工业出版社 2008年2月（3）三废处理工程技术手册（废气卷） 主编：刘天齐 化学工业出版社 2002年5月（4）化工装置实用工艺设计第2卷 主编：（美）E.E.路德维希 化学工业出版社 2006年7月（5）有害气体控制工程 主编：赵毅 李守信化学工业出版社 2001年8月（6）化工设备机械基础第五版 主编：刁玉伟 王立业大连理工大学出版社 2004年1月（7）大气污染控制工程第二版 主编：马广大中国环境科学出版社 2004