水吸收低浓度SO2填料吸收塔的设计.doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date水吸收低浓度SO2填料吸收塔的设计第一章大气污染控制工程课程设计说明书（环境工程C091）设计题目：水吸收低浓度SO2填料吸收塔的设计设计时间：自 2011年 12 月 25日 至 2012 年 1 月 6 日学生姓名：学 号：班 级：指导教师：河北工业大学能源与环境学院环境工程系-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

2、的混合气）处理量为：99 Kmol/h2、混合气组成：SO2含量为 7.1% （ mol% ） 空气为： 92.9%（mol%）3、要求出塔净化气含SO2为:0.149%（mol%），H2O为 ：1.172kmol/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降的计算。3、填料塔附属结构的选型与设计。4、填料塔工艺条件图。三、H2O-SO2在常压20下的XYXY0.002810.07760.0004230.007630.0019560.005130.0002810.00420.00140

3、50.03420.00014050.001580.0008450.01850.00005640.000660.0005640.0112四、气体及液体的物性数据1、气体的物性:气体粘度G=0.0652kg/(mh);气体扩散系数DG=0.0393m/s; 密度G=1.383 kg /m3;2、液体的物性：液体粘度L=3.6 kg /(mh); 液体扩散系数DL=5.310-6m2/s; 密度L=998.2 kg /m3; 液体表面张力=73dyn/cm=92.71*104kg/h2第二章 SO2净化技术和设备 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：(

4、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。据环境公报报道，我国2004年烟尘排放量1095万t，SO2排放量2255万t。其中燃煤产生的SO2约占总量的90，CO占总量的7l，CO2占总量85 ，氮氧化物占总量的70，灰尘微粒占总量的61。煤燃烧过程中排出大量的SO2 ，约占燃煤排放污染物的85%，使我国成为三大酸雨区之首。二氧化硫的大量排放，造成我国南方地区大面积的酸雨，且每年

5、以1亿m2的面积增加。酸雨区域已由西南发展到长江流域，且有向北发展的趋势，严重威胁京津地区。酸雨造成农田减产面积达9.91010,森林受害面积达1.28万hm2 ;大气中S02浓度每增加l0mg/cm3，呼吸系统病亡人数增加5%; S02对建筑物、文物的侵蚀也十分严重,据统计S02污染造成全国每年经济损失达1100多亿元。由于煤炭资源相对充足并能够稳定可靠地获得，因此，在世界范围内，煤炭是可靠的能源。世界能源研究机构预测，由于资源条件的变化，21世纪世界能源消费结构将是石油比重下降，天然气上升，煤炭持平，三者呈均势各占27-28 。继而将出现一个以天然气为主的短暂时期，然后再转向以煤炭为主。中

6、国化石能源资源探明的可采储量中煤炭占92.94. 中国是当今世界上最大的煤炭生产和消费国，据有关专家预测：煤炭在中国能源结构中的主导地位近50年不会改变。因此防治燃煤二氧化硫污染是当前一项重要和迫切的工作。2、SO2的性质物理性质:密度和状态：2.551g/L，气体（标准状况下）色态:常温下为无色熔点：-72.4度（200.75K）；沸点：-10度（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:二氧化硫可以在硫磺燃烧的条件下生成S(s) +O2(g) = （可逆符号）SO2(g)硫化氢可以燃烧生成二氧化硫2H2S(g) + 3O2(g)= 2H

7、2O(g) + 2SO2(g) 加热硫铁矿，闪锌矿，硫化汞，可以生成二氧化硫4FeS2(s) + 11O2(g) = 2Fe2O3(s) + 8SO2(g) 2ZnS(s) + 3O2(g) = 2ZnO(s) + 2SO2(g) HgS(s) + O2(g) = Hg(g) + SO2(g)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

8、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；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、支气管炎、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、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

9、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

10、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

11、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

12、。三、吸收设备：板式塔与填料塔的比较（一）、板式塔适用于：1、塔径较大；2、所需传质单元数或理论板数较多；3、热量需从塔内移除；4、适于较小液量；5、适于处理有悬浮物的液体；6、板式塔便于侧线采出。（二）、填料塔适用于：1、处理有腐蚀性的物料；2、填料塔压力降较小，适用于真空蒸馏；3、适用于间歇蒸馏或热敏性物料的蒸馏；4、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 五、工艺流程及工艺流程图：第三章 吸收塔的工艺计算（L、P、D、H）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y1

13、=7.6；出口气体量y2=0.149 低浓度吸收时：Y1= y1 Y2= y2 ，进口液体不含二氧化硫所以x2=0由H2OSO2在常压20oC的平衡数据，得X1=0.002775= =27.503低浓度时有 GG=91.971 kmol/h吸收剂的最小用量：=G =27.50391.971=2483.7（kmol/h） L=(1.12.0) ，取L=1.8吸收剂实际用量为L=1.82483.7=4470.618（kmol/h）二、气液相进、出口组成表一组成入口出口质量流量质量百分比摩尔流量摩尔百分比质量流量质量百分比摩尔流量摩尔百分比空气2667.15985.56891.97192.92664

14、.03298.88791.97198.595So2449.85614.4327.0297.18.8960.3300.1390.149H2o21.0960.7831.1721.2563117.015100991002694.02410093.282100表二组成入口出口质量流量质量百分比摩尔流量摩尔百分比质量流量质量百分比摩尔流量摩尔百分比So2440.960.5456.890.154H2o80471.1241004470.61810080450.02899.4084469.44699.84680471.1241004470.61810080890.9881004476.336100三、填料的选

15、择 填料是填料塔的核心。填料塔操作性能的好坏，与所选用的填料有直接关系。填料的种类很多，可分为实体填料和网体填料两大类。前者有拉西环、鲍尔环、鞍形、波纹填料等。塔填料的选择是填料塔设计重要的环节之一。塔设备内装入填料的目的是增加两种介质的接触表面积，从而促进传质过程的进行。良好的填料，应具有下列特性：(1) 单位容积的重量要小(其数值成为容重， 根据填料的堆积方法，即乱堆或整砌而不同)，这样可使塔设备的自重减低，基础的负荷减轻.这一特性常以符号(公斤力/米)表示之。(2) 比表面积要大(其数值也因填料的堆砌方法而不同)，比表面积就是单位体积填料的总表面积，常以a(米/米)表示之.比表面积大即意

16、味着气液的接触表面大，有利于传质的进行;亦即操作时可容许较高的气、液体的流速.但必须注意填料的真正气液接触表面，并不一定与比表面积成正比例，而决定于喷淋液所实际润湿的表面，且也和喷淋液在填料层中的分布有关。(3) 空隙体积要大(其数值也因填料的堆积方法而不同)，空隙体积亦称自由体积，就是单位体积填料中的总空隙量，常以V(米/米)表示之。(4) 要有较高的空隙率。单位体积填料层所具有的空隙体积称为填料的空隙率。以 表示，其单位为 m3/m3 。一般说来，填料的空隙率多在 0.450.95 范围以内。当填料的空隙率较高时，气、液通过能力大且气流阻力小，操作弹性范围较宽。(5) 制造容易，价格低廉。

17、(6) 具有化学耐蚀性。(7) 具有足够的机械强度，不易破裂，否则损耗变，检修频繁，增加操作费用。填料的几何特性数据主要包括比表面积、空隙率、填料因子等，是评价填料性能的基本参数。填料性能的优劣通常根据效率、通量及压降三要素衡量。在相同的操作条件下，填料的比表面积越大，气液分布越均匀，表面的润湿性能越好，则传质效率越高；填料的空隙率越大，结构越开敞，则通量越大，压降亦越低。（8）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，目前工业上很少使用。鲍尔环：压力降比拉西环低一半还多。传质单元也较低，而夜泛

18、点较高，容量大，由于环壁开孔，大大提高了环内空间及表面的利用率，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力降则较低；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。1）.填料用材的选择：设备操作温度低，塑料能长期操作无变形，体系对塑料无溶胀的情况下可考虑塑料，因其价格低廉，性能良好，有较好的耐腐蚀性。而陶瓷填料一般用于腐蚀性介质，金属填料一般耐高温，但价格昂贵。是水吸收低浓度SO，介质具有

19、轻微腐蚀性，所以本次课程设计用陶瓷填料。2）.填料类型的选择：要在众多的填料中选出最适宜的塔填料，须对这些填料在规定的工艺条件下，做出全面的技术经济评价。因为乱堆填料较规则填料经济，所以本次课程设计采用乱堆填料法。3）.填料尺寸的选择：一般来说，填料尺寸小，单位堆积体积的数目增加，填料层的比表面积增大而空隙减小，气体的流动阻力相应增加。综上考虑，本次课程设计用的填料是：陶瓷矩鞍（乱堆）外径 d=50mm比表面积 at=120 m/m空隙率 =0.79m3/m3堆积密度 =532kg/m3临界表面张力 L=33dyn/cm湿填料因子 =130m四、塔径和压降的计算：1、塔径的计算：液相的质量流速

20、 W80471.124kg/h气相的质量流速 W=3117.015kg/h气体的密度 G=1.383kg/m液相的密度 L=998.2 kg/m埃克特通用关联图的横坐标X=WW=0.96查乱堆填料塔液泛速度通用关联图，横坐标X=0.96的纵坐标Y=0.026纵坐标公式 Y=式中：=130 m/m为液体校正系数，水的密度和液体的密度之比将各项数据代入公式经计算，得液泛气速 Vf= 1.189 m/s实际气速取泛点气速的50%80%，取80%操作气速 V=Vf80%=0.951m/s；气体处理量 Qv= 0.616 (m/s)塔径 DT=0.91 m 圆整为DT=1m则塔截面面积A= =12= 0

21、.785（m2）由DT=1m，计算实际操作的空塔气速：V=0.785 m/s 安全系数 =0.66=66% 范围在50%80%，所以符合要求计算最小喷淋密度，因填料尺寸小于75mm，故取(L)= 0.080 m/(mh) L=(L)a=0.08120=9.6 m/(mh)校核= 20 30 可以避免避流现象2、压降的计算为求压降，需找出设计气速V下的纵坐标Y，现Y与Y的差别仅是气速不同：Y= Y()= 0.011查关联图Y= 0.011 ，X= 0.96点处并采用内差法计算得： =29.2WL、WG分别为液体和气体的质量流速kg/s；L 、G、分别为液体和气体的密度kg/m3；vf为气体的空塔

22、泛点气速，m/s；为液体校正系数，水的密度和液体的密度之比；填料特性值m2/m3；L为液体的粘度mPas五、塔高的计算：填料层高度：h=HOG*NOG 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；（2）在y1与y2之间任意取定y值，通过操作线方程得到x；（3）查“H2OSO2在常压20下的平衡数据”得ye ；（4）求出的值。求解过程： (1)低浓度气体吸收的操作线方程：y=x+(y-x) 代入数据得： y=48.609x+0.00157(1) 在y1与y2之间任意取定y值，通过操作线方程得到xx00.0002810.000423

23、0.000564y0.001570.01520.02210.02900.00420.007630.0112636.9490.9169.1156.18x0.0008450.0014050.0019650.002775y0.04260.06990.09560.013650.01850.03420.05130.076541.4928.0122.5716.67（2） 用坐标纸，图解法(以y为横坐标，以为纵坐标，在坐标纸上作图)由定积分的几何意义，得：NOG= =计量小格的数目，不满半格不计，超过半格的按一格计，共4092个格，则可求出NOG =9.01。2、气相总传质单元高度的计算(可通过实际测量和关

24、联式计算等方法实现).(1)传质系数关联式：（恩田模型及修正公式单位不换算成国标单位。）在恩田式中：填料的润湿表面积 aw = 有效比表面积 a 式中：填料的润湿表面积 aw =71.2 m2/m3 填料的比表面积a= 120 m2/m3液体的质量流量 L = 102510.986 kg/（m2h）填料材质的临界表面张力 L=33 dyn/cm (陶瓷)液体的表面张力=73 dyn/cm = 92.71*104 kg/h 液体的粘度L=3.6 Kg/(mh)g=1.27*108m/h2 代入数据得：=0.593 a= 71.2 m/m(2)气相传质系数公式：式中：气体的质量流量 V= 3117

25、.015 kg/(m2/h)气体粘度G =0.0652 kg/(mh)气体扩散系数 DG =0.0393 m2/s 液体扩散系数 DL =5.3*10-6 m2/sR= 8.314 kJ/(kmol*K) 气体密度 = 1.383 kg/m3温度 T = 298.15 K 填料的环状修正系数 =1.36 代入数据计算得；k=0.02(kmol/mhkpa)(3)液相传质系数公式：式中：液体粘度L=3.6 kg/(mh) =1.8 当V 50%Vf时，须对上两式求出的kL 、kG进行修正实际气速V=0.8 m/s，则V/Vf=0.66， V50%Vf ，所以需对kL 、kG进行修正：x=1+9.

26、5(-0.5)=1+9.5(0.66-0.5)=1.8x=1+2.6(-0.5)=1+2.6(0.66-0.5)=1.05所以：ka=xka=1.051.871.2=134.7 ka=xka=1.80.00272.875=2.7根据=+ 其中代入数据得1/ka=0.67 H=V/（kGa）= (99*22.4*4)/(3.14*12)0.67=0.5 (V=总气体流量*塔横截面积/3600)=0.59.01=4.5 m，安全系数为1.31.7，取1.3，实际填料高度h=1.34.5=5.85m圆整为：h=6m，需分层,分2层压降P=286.16Pa/m6m=1716.96 Pa第四章 填料塔的

27、设计计算一、塔体的组成：填料塔由塔底段、吸收段、塔帽三部分组成。1、塔底段（进气段、贮液槽段）：进气管、贮液槽、出液管、放空管、维修人孔、窥视镜（一对）2、吸收段：支承板、填料、维修人孔、气液再分布器、填料投加口、进液管、压料板3、塔帽：封帽、放空管、喷淋器、除雾器、填料投加口二、塔体各部分的设计计算：1、塔底段（进气段、贮液槽段）H1（1）贮液槽：贮液槽的主要作用是贮存吸收液，在吸收液循环的过程中可以起到一个缓冲的作用，使吸收液的流量均匀。在贮液槽中可以对吸收液进行加药，去除吸收液中的二氧化硫，使吸收液可以循环利用。取有效液面高度= 600 mm =有效高度h1，则贮液槽的容积为：V=0.7

28、85*0.6= 0.471 m3 供水时间t=0.471*3600/80.616=21.03s即贮液槽可供21.03s的用水量。（2）进气管：进气管管径的选取，影响到气体进入时的流速，选取较小的管径，气体流速大，不利于气体在气体分布器上的分布；选取较大管径，气体流速较小，有利于气体在塔内的均匀分布，使气液结合充分。一般可将进气管做成斜切口以改善气体分布或采用较大管径使其流速降低，达到气体分布均匀的目的。对于直径1米的塔，管的末端可做成向下喇叭行扩大口。进气管直径d1= 250 mm，进气管口的半径为 125 mm，进气管中心线距栅板距离h2= 150 mm，进气管中心线距贮液槽液面高度h3=

29、150 mm(150250mm)，进气管的切面角度为45（3）进液管：进液管中心线与有效液面相平。进液管直径d2 100 mm（中心线与液面持平）（4）维修人孔设于气液进出口、塔底、塔釜，通过其可对塔内进行维修。维修人孔直径d4= 600 mm（500600mm） 外部a3 =70 mm维修人孔中心线距上栅板上表面高度h4 =400 mm （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 d5=250 mm 长a4 =30 mm（6）窥视孔中心线与有效液面相平，且直径 60 mm（7）塔釜高 h5=200mm塔底段总高度为：H1=1380 mm2、吸收段：H2（1）支承板：安装在

30、填料层底部；作用是支承填料，并使气流分布均匀，保证足够的开孔率，使气液两相能自由通过；支承板的开孔面积要占总面积的75%，选用塑料覆盖的金属栅格，增强塑性；种类有十字型，栅条型，多孔板升气管式。根据塔径大小，栅板可制成整块式或分块式，对于直径D500毫米的塔，采用整块栅板，对于直径D500毫米的塔，可采用分块式栅板，每块板宽270-390毫米，以便通过塔的入口装卸。D=9001200时，分成三块。当用栅板结构不能满足要求时，可采用升气管式支承装置。气体由升气管上升，通过气道顶部的孔及侧面的齿缝进入填料层，而液体则由支承底版上的许多小孔流下，气、液分道而行，彼此很少干扰。本设计采用多梁式搁栅支承

31、板。 支承板厚度: 10 mm 支承板直径 10006= 994mm 支撑圈高度70mm 栅条宽：8 mm 空缝间隙：50*0.8mm=40mm（2）液体再分布器：本设计采用多孔盘式液体再分布器。（3）填料及填料投加口：压料板厚度10mm填料分两段装人填料塔内，填料高度： h/2=6m/2=3000 mm填料投加口直径： 200 mm 填料直径： 50 mm （4）吸收段总高度为 7110 mm3、塔帽段：H3，塔帽自身可以作为破沫空间，防止物料的损失，提高液体的利用率，从而提高塔的效率。塔帽是有钢板压制焊接而成，有半圆形、扇形、圆台形等。在本设计中采用椭圆形塔帽。（1）喷淋器：喷淋器位于填料

32、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。本设计采用环状液体喷淋器，三排小孔，小孔直径8mm，喷淋器直径：570 mm ;进水管直径：200 mm（2）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：折板式，旋流板式，丝网式除雾器；材料有：钢材，金属，尼龙丝，木材。本设计采用折板式除雾器。（3）封头竖直+放空管高度：320mm 塔帽总高度为H3= 1860mm 塔体总高为=10350mm参考书目：书名作者出版社大气污染控制工程郝吉明 马广大 主编高等教育出版社化工过程及设备设计涂伟平 陈佩珍 程达芳编化学工业出版社大气污染控制工程马广大 主编中国环境科学出版社气体吸收（第二版）B.M拉姆化学工业出版社化工工程CAD技术应用及实例杨松林 于奕峰编化学工业出版社化工机械设计和保养日本化学技术 著上海科学技术文献出版社