河北工業(yè)大學(xué)水吸收低濃度二氧化碳填料塔設(shè)計

1、河北工業(yè)大學(xué)大氣污染控制工程課程設(shè)計姓名：無學(xué)號:170*班級：環(huán)境17*設(shè)計題目：水吸收低濃度SO2填料吸收塔的設(shè)計設(shè)計時間：自役19年12月16日至2019年12月26_日指導(dǎo)老師：不給老師丟人了河北工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院第一章設(shè)計任務(wù)、依據(jù)和要求、設(shè)計任務(wù)及操作條件：1、混合氣體(空氣中含SO2氣體的混合氣)處理量為：101kmol/h2、混合氣組成：SO2含量為7.3%(mol%),空氣為：92.5%(mol%)3、要求出塔凈化氣含SO2為：0.153%(mol%),H2O為1.172kmol/h4、吸收劑為水，不含SO25、常壓，氣體入塔溫度為25C,水入塔溫度為20Co、設(shè)計內(nèi)

2、容：1、設(shè)計方案的確定。2、填料吸收塔的塔徑、填料層高度及填料層壓強的計算。3、填料塔附屬結(jié)構(gòu)的選型與設(shè)計。4、填料塔工藝條件圖。、H2O-SO2&常壓20c下的平衡數(shù)據(jù):xyxy0.002810.07760.0004230.007630.0019650.05130.0002810.00420.0014050.03420.00014050.001580.0008450.01850.00005640.000660.0005640.0112四、氣體及液體的物性數(shù)據(jù)：氣體的物性：氣體粘度岫=0.0652kg/（mh）;氣體擴散系數(shù)Dg=0.0393m2/s;密度pg=1.383kg/m3;液

3、體的物性：液體粘度以=3.6kg/（mh）;液體擴散系數(shù)Dl=5.3¥0-6m2/s;密度pl=998.2kg/m3;液體表面張力（T=73dyn/cm=92.71x104kg/h2第二章SO2凈化技術(shù)和設(shè)備、SO的來源、性質(zhì)及其危害：（一）二氧化硫的主要污染源可歸納為三個方面：1 .硫酸廠和汽車尾氣中排放的二氧化硫；2 .有色金屬冶煉過程排放的二氧化硫：如銅、鉛、鋅、鉆、鍥、金、銀等礦物，都含硫化物，在冶煉過程中排放出大最的二氧化硫；3 .燃煤煙氣中的二氧化硫：我國煤炭消費最的80%以上直接用于燃燒，燃煤是大氣環(huán)境中二氧化硫最主要來源。據(jù)環(huán)境公報報道，我國2004年煙塵排放量109

4、5萬t,SO2排放量2255萬to（二）二氧化硫的性質(zhì)：1 .物理性質(zhì)：密度2.55g/l,標(biāo)況下為氣體，常溫下無色，熔點200.75K,沸點263K,有刺激性氣味的有毒氣體，密度比空氣大，易液化，易溶于水(約為1:40)。2 .化學(xué)性質(zhì)：二氧化硫可以在硫磺燃燒的條件下生成：S(s)+O2(g)SO2(g)硫化氫可以燃燒生成二氧化硫：2H2s(g)+3O2(g)2H2O(g)+2SO2(g)加熱硫鐵礦，閃鋅礦，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)+2S6(g)HgS(s)+O2(g)Hg(g)+SO

5、2(g)(三)二氧化硫的危害：二氧化硫易溶于水并且會形成亞硫酸，這反應(yīng)物會刺激眼和鼻粘膜，而且具有腐蝕性，所以它對人體呼吸道有很大的危害，重者呼吸功能會受損。二氧化硫在一定的條件下可被氧化成硫酸霧，并且它是形成酸雨的主要原因，而酸雨會危害居民健康腐蝕建筑材料；破壞生態(tài)系統(tǒng)，對社會造成的巨大經(jīng)濟(jì)損失！危險性類別：三星級侵入途徑:通過呼吸系統(tǒng)健康危害：易被濕潤的粘膜表面吸收生成亞硫酸、硫酸。對眼及呼吸道粘膜有強烈的刺激作用。大量吸入可引起肺水月中、喉水月中、聲帶痙攣而致窒息。急性中毒：輕度中毒時，發(fā)生流淚、畏光、咳嗽，咽、喉灼痛等；嚴(yán)重中毒可在數(shù)小時內(nèi)發(fā)生肺水月中；極高濃度吸入可引起反射性聲門痙攣

6、而致窒息。皮膚或眼接觸發(fā)生炎癥或灼傷。慢性影響：長期低濃度，接觸，可有頭痛、頭昏、乏力等全身癥狀以及慢性鼻炎、咽喉炎、支氣管炎、嗅覺及味覺減退等，少數(shù)工人有牙齒酸蝕癥。環(huán)境危害：對大氣可造成嚴(yán)重污染。燃爆危險：本品不自燃，有毒，具強刺激性。、SO2的凈化技術(shù):燃燒后脫硫就是指煙氣脫硫。這是目前世界上惟一的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的脫硫方式。由于煙氣脫硫的主要困難是SO2濃度和總量大、要處理的煙氣體積大，因此，雖然煙氣脫硫的方法多達(dá)十幾種。但仍需要合理地選擇煙氣脫硫工藝，同時還要考慮環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會等多方面的因素。目前煙氣脫硫技術(shù)種類達(dá)幾十種，按脫硫過程是否加水和脫硫產(chǎn)物的干濕形態(tài)，煙氣脫硫分為：濕法、

7、半干法、干法三大類脫硫工藝。濕法脫硫技術(shù)較為成熟，效率高，操作簡單；但脫硫產(chǎn)物的處理較難，煙氣溫度較低，不利于擴散，設(shè)備及管道防腐蝕問題較為突出。半干法、干法脫硫技術(shù)的脫硫產(chǎn)物為干粉狀，容易處理，工藝較簡單；但脫硫效率較低，脫硫劑利用率低。在此對各類脫硫技術(shù)進(jìn)行簡單介紹。1、濕法煙氣脫硫技術(shù)濕法煙氣脫硫技術(shù)按使用脫硫劑種類可分為：石灰石-石膏法、簡易石灰石-石膏法、雙堿法、石灰液法、鈉堿法、氧化鎂法、有機胺循環(huán)法、海水脫硫法等。按脫硫設(shè)備采用的技術(shù)種類不同，濕法煙氣脫硫技術(shù)可分為：旋流板技術(shù)、氣泡霧化技術(shù)、填料塔技術(shù)、靜電脫硫技術(shù)、文丘里脫硫技術(shù)、電子束脫硫技術(shù)等。日常運行管理注意的問題：、注

8、意檢查循環(huán)水量是否達(dá)到設(shè)計要求；如有異常需對循環(huán)水系統(tǒng)及噴咀進(jìn)行檢查。、定期檢查吸收設(shè)備及其它處理設(shè)施運行是否正常；2、半干法煙氣脫硫技術(shù)半干法煙氣脫硫技術(shù)采用濕態(tài)吸收劑，在吸收裝置中吸收劑被煙氣的熱量所干燥，并在干燥過程中與SO2反應(yīng)生成干粉脫硫產(chǎn)物。半干法工藝較簡單，反應(yīng)產(chǎn)物易于處理，無廢水產(chǎn)生，但脫硫效率和脫硫劑的利用率低。目前常見的半干法煙氣脫硫技術(shù)有：噴霧干燥脫硫技術(shù)、循環(huán)流化床煙氣脫硫技術(shù)等。3、干法脫硫技術(shù)干法脫硫技術(shù)采用濕態(tài)吸收劑，反應(yīng)生成干粉脫硫產(chǎn)物。干法工藝較簡單，但脫硫效率和脫硫劑的利用率較低。目前常見的干法煙氣脫硫技術(shù)有：爐內(nèi)噴鈣脫硫技術(shù)。目前在實際中廣泛用的是濕法脫硫

9、。因為SO2是酸性氣體，幾乎所有的濕法脫硫都是一種堿性溶液和泥漿與煙氣中的SO2中和。根據(jù)中和所得的產(chǎn)物是否回收利用，濕法流程又分為拋棄法和再生法兩種。綜上所述，本次設(shè)計采用的是濕法，本設(shè)計中氣體入塔溫度為25C,使用的吸收劑為水。用水作為吸收劑的優(yōu)點在于廉價易得，流程設(shè)備簡單，但其缺點是吸收效率低，設(shè)備龐大，動力消耗大。三、吸收設(shè)備：板式塔與填料塔的比較：（一）、板式塔適用于：1、塔徑較大；2、所需傳質(zhì)單元數(shù)或理論板數(shù)較多；3、熱量需從塔內(nèi)移除；4、適于較小液量；5、適于處理有懸浮物的液體；6、板式塔便于側(cè)線采出。（二）、填料塔適用于：1、處理有腐蝕性的物料；2、填料塔壓力降較小，適用于真空

10、蒸儲；3、適用于間歇蒸儲或熱敏性物料的蒸儲；4、適用于處理易發(fā)泡的液體。結(jié)論：由于本次處理的是SO2氣體，與水反應(yīng)后生成H2SO3具有腐蝕性，故選擇填料塔比較合適。四、填料塔的結(jié)構(gòu)：示意圖:規(guī)整塘料塔底底座馥支承里_液體收器支承版液體分布物填料座板來自冷班哥的回流港五、工藝流程及工藝流程圖:第三章吸收塔的工藝計算、吸收劑用量的計算：由原始數(shù)據(jù)已知：入口氣體量yi=7.3%;出口氣體量y2=0.153,得:進(jìn)口液體不含二氧化硫，X2=0o由H2O-SO2在常壓20c下的平衡數(shù)據(jù)，得Xi=0.00301圖3吸收劑的最小用量：Lmin=25.637XGB=2395.14(kmol/h)L=(1.21

11、.5)Lmin吸收劑的實際用量：L=1.5Lmin=3592.71(kmol/h)操作線方程：X=0.026Y-0.00405;由H2OSO2在常壓20c下的平衡數(shù)據(jù)得,平衡線方程：Y=27.6X如下圖，上方為操作線，下為平衡線。格式格式格式格式格式格式格式格式格式格式、氣液相進(jìn)、出口組成:表格1組成入口出口質(zhì)量流量(kg/h)百分比(Wt%)摩爾流量(kmol/h)摩爾百分比(mol%)質(zhì)量流量(kg/h)質(zhì)量百分比(Wt%)摩爾流量(kmol/h)摩爾百分比(mol%)空氣2709.32585.293.42592.52709.32598.893.42598.6SO2471.87214.87

12、.3737.311.230.410.1750.18H2O/21.0960.771.1721.323181.201001011002741.65110094.772100表格2組成入口出口質(zhì)量流量(kg/h)質(zhì)里百分比(Wt%)摩爾流量(kmol/h)摩爾百分比(mol%)質(zhì)量流量(kg/h)質(zhì)量百分比(Wt%)摩爾流量(kmol/h)摩爾百分比(mol%)SO2z/z/460.640.707.19750.2H2O64668.781003592.7110064646.9099.293572.899.864668.781003592.7110065107.5499.993580.00100三、填料

13、的選擇:填料是填料塔的核心。填料塔操作性能的好壞，與所選用的填料有直接關(guān)系。填料的種類很多，可分為實體填料和網(wǎng)體填料兩大類。前者有拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、鞍形、波紋填料等。塔填料的選擇是填料塔設(shè)計重要的環(huán)節(jié)之一。塔設(shè)備內(nèi)裝入填料的目的是增加兩種介質(zhì)的接觸表面積，從而促進(jìn)傳質(zhì)過程的進(jìn)行。良好的填料，應(yīng)具有下列特性：單位容積的重量要?。ㄆ鋽?shù)值成為容重，根據(jù)填料的堆積方法，即亂堆或整砌而¥一不同），這樣可使塔設(shè)備的自重減低，基礎(chǔ)的負(fù)荷減輕.這一特性常以符號填（公斤力/米3）表示之。比表面積要大（其數(shù)值也因填料的堆砌方法而不同），比表面積就是單位體積填料的總表面積，常以a（米2/米3）表示之.比表面

14、積大即意味著氣液的接觸表面大，有利于傳質(zhì)的進(jìn)行；亦即操作時可容許較高的氣、液體的流速.但必須注意填料的真正氣液接觸表面，并不一定與比表面積成正比例，而決定于噴淋液所實際潤濕的表面，且也和噴淋液在填料層中的分布有關(guān)?？障扼w積要大（其數(shù)值也因填料的堆積方法而不同），空隙體積亦稱自由體積，就是單位體積填料中的總空隙量，常以V（米3/米3）表示之。要有較高的空隙率。單位體積填料層所具有的空隙體積稱為填料的空隙率。以8表示，其單位為m3/m3。一般說來，填料的空隙率多在0.450.95范圍以內(nèi)。當(dāng)填料的空隙率較高時，氣、液通過能力大且氣流阻力小，操作彈性范圍較寬。制造容易，價格低廉。具有化學(xué)耐蝕性。具有

15、足夠的機械強度，不易破裂，否則損耗變，檢修頻繁，增加操作費用。填料的幾何特性數(shù)據(jù)主要包括比表面積、空隙率、填料因子等，是評價填料性能的基本參數(shù)。填料性能的優(yōu)劣通常根據(jù)效率、通量及壓降三要素衡量。在相同的操作條件下，填料的比表面積越大，氣液分布越均勻，表面的潤濕性能越好，則傳質(zhì)效率越高；填料的空隙率越大，結(jié)構(gòu)越開敞，則通量越大，壓降亦越低。（8）各種填料的比較：拉西環(huán)：其結(jié)構(gòu)為與外徑與高度相等的圓環(huán)。可用陶瓷，塑料，金屬等材質(zhì)制造，拉西環(huán)填料的氣液分布較差，傳質(zhì)效率低，阻力大，通量小，目前工業(yè)上很少使用。鮑爾環(huán)：壓力降比拉西環(huán)低一半還多。傳質(zhì)單元也較低，而夜泛點較高，容量大，由于環(huán)壁開孔，大大提

16、高了環(huán)內(nèi)空間及表面的利用率，氣流阻力小，液體分布均勻。階梯環(huán)：階梯環(huán)是對鮑爾環(huán)的改進(jìn)，綜合性能大于鮑爾環(huán)氣體進(jìn)填料層的阻力減小，傳質(zhì)效率較高。矩鞍：效率較高的填料之一，與弧鞍相比疊在一起阻塞床截面的可能性非常小，床層較均勻，液泛點比拉西環(huán)或弧鞍形填料的高而壓力降則較低；對于大多數(shù)的常見的物質(zhì)來說有較低的傳質(zhì)單元高度，其性能優(yōu)于拉西環(huán)。1) .填料用材的選擇：設(shè)備操作溫度低，塑料能長期操作無變形，體系對塑料無溶脹的情況下可考慮塑料，因其價格低廉，性能良好，有較好的耐腐蝕性。而陶瓷填料一般用于腐蝕性介質(zhì)，金屬填料一般耐高溫，但價格昂貴。是水吸收低濃度SO2,介質(zhì)具有輕微腐蝕性，所以本次課程設(shè)計用陶

17、瓷填料。2) .填料類型的選擇：要在眾多的填料中選出最適宜的塔填料，須對這些填料在規(guī)定的工藝條件下，做出全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價。因為亂堆填料較規(guī)則填料經(jīng)濟(jì)，所以本次課程設(shè)計采用亂堆填料法。綜上考慮，本次課程設(shè)計選擇的填料是：陶瓷矩鞍(亂堆)。外徑d=50mm,比表面積at=120m2/m3,空隙率e=0.79m3/m：臨界表面張力L=73N/mx103,泛點填料因子二216m-1.四、塔徑的計算：WG=3181,197kg/hWL=64668.78kg/h3pG=1.383kg/m3pL=998.2kg/m3PP1.o0.80.6O.40.30.16080.06f0.041d030.026010.

18、0080.0060.0046003.8123468100.OOI0.010.020.03O.060,10.20.3O.40查圖4填料塔泛點速度通用關(guān)聯(lián)圖，得，縱坐標(biāo)甲pii數(shù)據(jù)，得，泛點氣速=0.876m/s.實際氣速為泛點氣速的0.50.8,取實際氣速V=0.75Vf=0.657vs=-p=0.639m3/s圖4填料塔泛點速度通用關(guān)聯(lián)圖D=圓整后，塔徑D=1.2m.,符合要求。操作氣速u=0.645,在（0.5,0.8）內(nèi)，合理。因此，塔徑為1.2m五、壓降的計算:壓降填料因子=200m-1,帶入"°一-=0.09,二，杳圖pP4填料塔泛點速度通用關(guān)聯(lián)圖可知，一，Z=4.

19、,4m,p=880m。Wl、Wg分別為液體和氣體的質(zhì)量流速kg/s；PL、PG、分別為液體和氣體的密度kg/m3；Vf為氣體的空塔泛點氣速m/s；甲為液體校正系數(shù)，水的密度和液體的密度之比；填料特性值m2/m3;nl為液體的粘度mPas六、塔高的計算：填料層高度：h=HOGNog1.氣相總傳質(zhì)單元數(shù)：Nog=7"dyV-V由定積分的幾何意義，通過圖解法求得曲線下的面積。步驟：(1)先求出操作線方程；(2)在y1與y2之間任意取定y值，通過操作線方程得到x；(3)查“H2OSO2在常壓20c下的平衡數(shù)據(jù)”得ye；(4)求出的值。表格3求出Nog=S=8.32.氣相總傳質(zhì)單元高度Hog的

20、計算（可通過實際測量和關(guān)聯(lián)式計算等方法實現(xiàn)）：a）傳質(zhì)系數(shù)關(guān)聯(lián)式：在恩田式中：填料的潤濕表面積aw有效比表面積at=120m2/m302】式中：填料的潤濕表面積：aw=71,2m2/m3填料的比表面積：at=120m2/m32放體的質(zhì)量流量L=64668.78kg/(m.h)填料材質(zhì)的臨界表面張力cl=61dyn/cm液體的表面張力戶73dyn/cm=92.71*104kg/h2液體的粘度以l=3.6Kg/(m.h)重力加速度g=1.27*108m/h2a.代入數(shù)據(jù)得：,=0.916aw=109.95m2/m3atkG=0.237b)氣相傳質(zhì)系數(shù)公式:1.1式中：氣體的質(zhì)量流量V=2814.2

21、kg/(m2/h)氣體粘度ng=0.0652kg/(m?h)氣體擴散系數(shù)Dg=0.0393m2/s液體擴散系數(shù)Dl=5.3X10-6m2/sR=8.314kJ/(kmolK)氣體密度二g=1.383kg/m3溫度T=298K填料的環(huán)狀修正系數(shù)¥=1.36代入數(shù)據(jù)計算得；kG=0.042(kmol/m2,h-kpa)c)液相傳質(zhì)系數(shù)公式:kL"入屋%0，IsI"式中：液體粘度艮=3.6kg/（m?h）同樣帶入，得Kl=1.8當(dāng)V50%Vf時，須對上兩式求出的kL、kG進(jìn)行修正實際氣速V=0.675m/s,則V/Vf=0.65,Vf>50%Vf，所以需對h、3進(jìn)

22、行修正:Xg=1+9.5(-0.5)1.4=1+9.5(0.65-0.5)1.4=1.667VfxL=1+2.6(0.5)2.2=1+2.6(0.65-0.5)22=1.04Vf所以：kLa=xLkL.aw=1.12X0.886X109.95=99.02'kG-a=XGkG-aw=2.36X0.042X109.95=7.7根據(jù)工=旦+，其中H=46.9kPa/(m2kmol)kGaGakGa代入數(shù)據(jù)得1/kGa=0.349'_HOG=V/(kG-a)=0.6X(93.425X22.4)/3600=0.349(V=總氣體流量*塔橫截面積/3600)h=Hog*Nog=0.349X

23、8.3=2.89m,安全系數(shù)為1.31.7,取1.5,實際填料高度h=1.5X2.89=4.33,圓整為：h=4.4m,不需分層。七、填料塔的設(shè)計計算：（一）塔體的組成：填料塔由塔底段、吸收段、塔帽三部分組成。1、塔底段（進(jìn)氣段、貯液槽段）：進(jìn)氣管、貯液槽、出液管、放空管、維修人孔、窺視鏡（一對）。2、吸收段：支承板、填料、維修人孔、氣液再分布器、填料投加口、進(jìn)液管、壓料板3、塔帽：封帽、放空管、噴淋器、除霧器、填料投加口。（二）塔體各部分的設(shè)計計算：1.塔底段（進(jìn)氣段、貯液槽段）H1:a）貯液槽：貯液槽的主要作用是貯存吸收液，在吸收液循環(huán)的過程中可以起到一個緩沖的作用，使吸收液的流量均勻。在

24、貯液槽中可以對吸收液進(jìn)行加藥，去除吸收液中的二氧化硫，使吸收液可以循環(huán)利用。取有效液面高度ai=700mm，則hi=700mm,則貯液槽的容積為：V=Aai=1.13X0.7=0.7913m3。L=供水時間t=-X3600=43.97s,即貯液槽可供43.97s的用水量。b）進(jìn)氣管：進(jìn)氣管管徑的選取，影響到氣體進(jìn)入時的流速，選取較小的管徑，氣體流速大，不利于氣體在氣體分布器上的分布；選取較大管徑，氣體流速較小，有利于氣體在塔內(nèi)的均勻分布，使氣液結(jié)合充分。一般可將進(jìn)氣管做成斜切口以改善氣體分布或采用較大管徑使其流速降低，達(dá)到氣體分布均勻的目的。進(jìn)氣管直徑d1=250mm,進(jìn)氣管中心線距支承板下表

25、面距離h2=350mm,進(jìn)氣管中心線距貯液槽液面高度h3=350mm,進(jìn)氣管口的半徑為155mm,進(jìn)氣管的切面角度為45°。c）進(jìn)液管：進(jìn)液管中心線與有效液面相平。進(jìn)液管直徑d2=100mm（中心線與液面持平）。d）維修人孔設(shè)于氣液進(jìn)出口、塔底、塔釜，通過其可對塔內(nèi)進(jìn)行維修。維修人孔直徑d4=500mm（500600mm,外部a3=100mm。e）維修人孔距塔底高度為700mm。f）放空管：通過放空管可以去除操作過程中產(chǎn)生的廢渣：放空管直徑d5=150mm,長a4=100mm。g）窺視孔中心線與有效液面相平，且直徑200mm。塔底段總高度為：H1=2200mm。a）支承板：安裝在填料

26、層底部；作用是支承填料，并使氣流分布均勻，保證足夠的開孔率，使氣液兩相能自由通過；支承板的開孔面積要占總面積的75%,選用塑料覆蓋的金屬柵格，增強塑性；種類有十字型，柵條型，多孔板開氣管式。根據(jù)塔徑大小，柵板可制成整塊式或分塊式，對于直徑D0500毫米的塔，采用整塊柵板，對于直徑D>500毫米的塔，可采用分塊式柵板，每塊板寬270-390毫米，以便通過塔的入口裝卸。D=9001200時，分成三塊。當(dāng)用柵板結(jié)構(gòu)不能滿足要求時，可采用升氣管式支承裝置。氣體由升氣管上升，通過氣道頂部的孔及側(cè)面的齒縫進(jìn)入填料層，而液體則由支承底版上的許多小孔流下，氣、液分道而行，彼此很少干擾。本設(shè)計采用多梁式格柵支承板。支承板厚度：100mm支承板直徑：1200（60-100）=1140mm支撐圈高度：60mm柵條寬：6mm.填料支撐（薩6%愕也b）液體再分布器：本設(shè)計采用壓力型盤式液體分布器布水器直徑：1040mm,進(jìn)水口直徑：100mm.壓力型盤式孔流液林諭福器體分柿段5）c）除沫器：在填料塔中若氣速較大時，在塔頂出塔的氣體中帶出大量液沫，為了防止這部分液沫出塔，所以要安裝除霧器；要求除霧效率高，壓降??；常用的有：折板式，旋流板式，絲網(wǎng)式除霧器；材料有：鋼材，金屬，尼龍絲,木材。本設(shè)計采用折板式除霧器。本設(shè)計采用