SO2填料吸收塔设计任务说明书.doc

能环学院环境工程c091班 姓名:刘晨 学号:095650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 26日 至 2012 年 1 月5 日学生姓名：刘晨学 号：095650班 级：环境c091指导教师：高军凯 田莉 苏琴河北工业大学能源与环境学院环境工程系第26页 共26页第一章 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：98 kmol/h2、混合气组成：so2含量为 7.3% （摩尔百分比），空气为：92.7%（mol%）3、要求出塔净化气含so2为：0.148 %（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：xyxy0.002810.07760.0004230.007630.0019650.05130.0002810.00420.0014050.03420.00014050.001580.0008450.01850.00005640.000660.0005640.0112四、气体及液体的物性数据气体的物性：气体粘度g=0.0652kg/(mh);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 = 92.71104 kg /h2第二章 任务分析1、 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。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613。图1列出了不同年份我国原煤产量及so2排放量之间的关系。从图中我们可以看到近些年来随着原煤产量的增加，二氧化硫的排放量也在不断上升。图1 不同年份我国原煤产量及so2排放量之间的关系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)= 2h2o(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、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、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图二所示:图2 填料塔的结构示意图五、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3 填料塔工艺流程图 第三章 吸收塔的工艺计算1、 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=7.87%；出口气体量=0.149%低浓度吸收时：y1=0.0787 y2=0.00149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=0.0029求出最小液气比=，吸收剂的最小用量lmin=9826.62=2806.76l=（1.12.0）lmin，取1.2作为计算标准吸收剂的实际用量为：l=1.22622.4=3130.51逆流吸收塔的操作示意图如下：x2y2xyx1y1二、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2634.53485.290.84692.72634.53498.8990.84698.581so2457.85614.87.1547.38.7040.3240.1360.148h2o21.0960.7921.1721.2713092.39100981002664.33410092.1541002、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%)so2449.1520.797.0180.224h2o56349.181004668.4510056328.08499.213129.33899.77656349.181004668.4510056777.2361003136.356100三、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。综上本设计采用公称直径为25mm塑料阶梯环。四、塔径和压降的计算：图4 填料塔泛点速度通用关联图 上图中，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（）；为液相密度校正系数，=水/液；为填料因子（）；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=25mm塑料阶梯环。查化工单元及设备课程设计教材附表可得，其填料因子=228，比表面积a312.8。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0.035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。液体喷淋密度校核：取最小润湿速率为：（lmin）=0.08m3/m*h查 at=312.8 m2/m3umin=(lw)minat=0.08312.8=25.024m3/m2*hu=49.93 m3/m2*h umin故满足最小喷淋密度要求综上所述，所选塔径d=1.4m合理五、塔高的计算：填料层高度：h=hog*nog实际填料层高度=（1.3 -1.7）h 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ye（4）求出的值0.000000.0002810.0004230.0005640.0008450.0014050.0019650.00240.00150.01100.01550.020000.02900.04690.06480.07870.000000.00420.007630.01120.01850.03420.05130.0647666.67147.06127.06113.6495.2478.7474.0771.43用坐标纸，图解法，求出面积。（见附图1）面积累加得nog=8.532、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 aw = 有效比表面积 a 式中：填料的润湿表面积 aw m2/m3 填料的比表面积 at m2/m3 液体的质量流量 l kg/（m2*h） 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 ul kg/(m*h) 重力加速度 g=1.27*108m/h2=0.687aw=0.687at=0.687190=130.53气相传质系数：式中：气体的质量流量 v kg/(m2/h) 气体粘度g kg/(mh) 气体扩散系数 dg m2/s 液体扩散系数 dl m2/s r=8.314kj/(kmol*k) 气体密度g kg/m3 温度 t k 填料修正系数 =1.36液相传质系数： 式中：液体粘度l= 3.6 kg/(mh)当v50%vf时，须对上两式求出的kl 、kg进行修正： h为相平衡常数的平均值得到： 由 h=hog*nog 得到填料层高度hh=0.4728.53=4.02实际填料层高度h=1.44.02=5.636m3、压降的计算0.2 =0.025()1/2 =0.68查通用压降关联图得=100 p/m p/m第四章 填料塔的设计计算塔体的组成：塔底段、吸收段、塔帽一，塔底段（进气段、贮液槽段）1.贮液槽：贮液槽的主要作用是贮存吸收液，在吸收循环的过程中可以启用，使吸收液的流量均匀，在贮液槽中可以对吸收液进行药，去除吸收液中的h2so3，使吸收液可以循环使用取有效液面高度：a1=470mm则贮液槽的容积为：v=ah1=1.54470=0.724m3入口液体的量为：l=56.45m3/h供水时间为：t=46.2s即贮液槽可供46.2的用水量2、出液管：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d=100mm3、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 d=280mm（250300mm）进气管下端距贮液槽液面高度h3=220mm(220250mm)进气管的切面角度为45中心线离液面高度为360mm4、塔釜高：h=3005、进液管进液管直径取d=100 中心线与液面相平6、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：d=300长h=1007、窥视孔窥视孔直径取d=50塔底段总高为1500二、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。对于直径在为1400的，要分成四块，以便卸装。扎半条之间的距离约为填料换外径的0608倍。支撑板厚度：10mm 支撑圈高度：60mm支撑板直径：1380mm2、填料高度分为两层，每层3000mm两层之间高度为800mm3、液体收集再分布器 当液体沿填料层向下流动时，具有流向塔壁而形成“壁流”的倾向，结果造成液体分布不均匀，降低传质效率，严重时使塔中心的填料不能被液体湿润而形成“干锥”。为此，必须将填料分段，在各段填料之间须将上一段填料下来的液体收集再分布。液体收集再分布器的另一作用是当塔内气、液相出现径向浓度差时，液体收集再分布器将上层填料留下的液体完全收集混合，然后均匀分布到下层填料，并将上升的气体均匀分布上层填料中以消除各自的径向浓度差。本塔选用盘式液体再分