水吸收二氧化硫烟气的填料塔设计

1、水吸收二氧化硫烟气的填料塔设计系 别： 环境科学与工程学院 专业班级： 姓 名： 学 号： 指导教师： （课程设计时间：xxxx年xx月xx日xxxx年xx月xx日）目 录一 前言1二 设计任务及操作条件1三 设计内容11、设计方案的选择及流程的确定1（1）吸收剂的选择1（2）吸收流程的确定3（3）吸收工艺流程说明及工艺流程图4（4）填料塔设备的选择5（5）填料的选择62、塔的物料衡算9 3、塔的主要工艺尺寸确定9（1）塔径的确定9计算泛点气速10泛点率校核10填料规格校核10 液体喷淋密度校核10（2）塔高的确定11 填料层高度计算11填料塔附属高度的计算12人孔13（3）液体分布器计算13

2、液体分布器的选型14液体分布器的选择14布液计算14液体再分布器14塔底液体保持管高度的计算15（4）其他附属塔内件的选择15填料支撑装置的选择15填料压紧装置16塔顶除雾器16封头与法兰17（5）吸收塔的流体力学参数计算17 吸收塔的压力降17气体动能因子174、吸收塔主要接管的尺寸计算17液体进料接管18气体进料接管18吸收剂输送管路直径及管路计算18气体进出口压力降18离心泵的计算与选择18四 工艺设计计算结果汇总与主要符号说明19五 参考文献22一 前言在化工生产中，气体吸收过程是利用气体混合物中各组分在液体中溶解度或化学反应活性的差异，在气液两相密切接触时发生传质，实现气液混合物的分

3、离。在正常操作下，气相为连续相，而液相为分散相，气相组成呈连续变化，气相中的成分逐渐被分离出来。填料塔是气液呈连续性接触的气液传质设备，属微分接触逆流操作。其目的是：1、回收或捕获气体混合物中有用物质，以制取产品；2、除去工艺气体中的有害成分，使气体净化，以便进一步加工处理；或除去工业放空尾气中的有害物，以免污染大气。二 设计任务及操作条件1、气体处理量为1000m3/h（30，100KN/）；2、进塔气体组成; 9%（体积比）SO2，其余可视为空气；3、回收其中所含SO2的 95%；4、吸收塔的操作温度30，压力为：100KN/；5、液气比为最小液气比的1.2倍；6、空塔气速取泛点气速的0.

4、65；7、填料：自选三 设计内容1、设计方案的选择及流程的确定（1）吸收剂的选择对于吸收操作，选择适宜的吸收剂具有十分重要的意义。其对吸收操作过程的经济有着十分重要影响。一般情况下，选择吸收剂，要着重考虑如下问题：1对溶质的溶解度大所选的吸收剂对溶质的溶解度大，则单位量的吸收剂能够溶解较多的溶质，在一定的处理量和分离要求条件下，吸收剂的用量小，可以有效地减少吸收剂循环量，这对于减少过程功耗和再生能量消耗十分有利。另一方面，在同样的吸收剂用量下，液相的传质推动力大，则可以提高吸收速率，减小塔设备的尺寸。2对溶质有较高的选择性对溶质有较高的选择性，即要求选用的吸收剂应对溶质有较大的溶解度，而对其它

5、组分则溶解度要小或基本不溶，这样，不但可以减小惰性气体组分的损失，而且可以提高解吸后溶质气体的纯度。3不易挥发吸收剂在操作条件下应具有较低的蒸汽压，以避免吸收过程中吸收剂的损失，提高吸收过程的经济性。4再生性能好由于在吸收剂再生过程中，一般要对其进行升温或气提等处理，能量消耗较大，因而，吸收剂再生性能的好坏，对吸收过程能耗的影响极大，选用具有良好再生性能的吸收剂，往往能有效地降低过程的能量消耗。以上四个方面是选择吸收剂时应该考虑的主要问题，其次，还应该注意所选择地吸收剂应该具有良好的物理、化学性能和经济性。其良好的物理性能主要指吸收剂的粘度要小，不易发泡，以保证吸收剂具有良好的流动性能和分布性

6、能。良好的化学性能主要指具有良好的化学稳定性和热稳定性，以防止在使用中发生变质，同时要求吸收剂尽可能无毒、无易燃易爆性，对相关设备无腐蚀性（或较小的腐蚀性）。吸收剂的经济性主要指应尽可能选择用廉价易得的溶剂，两种吸收剂如下：表2-1 物理吸收剂和化学吸收剂的选择物理吸收剂化学吸收剂（1）吸收容量（溶解度）正比于溶质分压（2）吸收热效应很小（近于等温）（3）常用降压闪蒸解吸（4）适于溶质含量高，而净化度要求不太高的场合（5）对设备腐蚀性小，不易变质（1）吸收容量对溶质分压不太敏感（2）吸收热效应显着（3）用低压蒸汽气提解吸（4）适于溶质含量不高，而净化度要求很高的场合（5）对设备腐蚀性大，易变质

7、本设计采用水作为吸收剂，二氧化硫为溶质。（2）吸收流程的确定工业上使用的吸收流程多种多样，可以从不同的角度进行分类，从所用的吸收剂的种类看，有仅用一种吸收剂的一步吸收流程和使用两种吸收剂的两部吸收流程，从所用的塔设备数量看，可分为单塔吸收流程很多塔吸收流程，从塔内气液两相得流向可分为逆流吸收流程、并流吸收流程等基本流程，此外，还有用于特定条件下的部分溶剂循环流程。（一）一步吸收流程和两部吸收流程一步流程一般用于混合气体溶质浓度较低，同时过程的分离要求不高，选用一种吸收剂即可完成任务的情况。若混合气体中溶质浓度较高且吸收要求也高，难以用一步吸收达到规定的吸收要求，但过程的操作费用较高，从经济性的

8、角度分析不够适宜时，可以考虑采用两步吸收流程。（二）单塔吸收流程和多塔吸收流程单塔吸收流程是吸收过程中最常用的流程，如过程无特别需要，则一般采用单塔吸收流程。若过程的分离要求较高，使用单塔操作时，所需要的塔体过高，或采用两步吸收流程时，则需要采用多塔流程（通常是双塔吸收流程）（三）逆流吸收与并流吸收吸收塔或再生塔内气液相可以逆流操作也可以并流操作，由于逆流操作具有传质推动力大，分离效率高（具有多个理论级的分离能力）的显着优点而 广泛应用。工程上，如无特别需要，一般均采用逆流吸收流程。（四）部分溶剂循环吸收流程由于填料塔的分离效率受填料层上的液体喷淋量影响较大，当液相喷淋量过小时，将降低填料塔的

9、分离效率，因此当塔的液相负荷过小而难以充分润湿填料表面时，可以采用部分溶剂循环吸收流程，以提高液相喷淋量，改善塔的操作条件。本设计采用单塔逆流操作。（3）吸收工艺流程说明及工艺流程图吸收二氧化硫流程包括吸收和解析两部分。混合气体在30下进入吸收塔底部，水从塔顶淋下，塔内装有填料以扩大气液接触面积。在气液接触中，气体中的二氧化硫溶解于水，使离开塔顶的气体二氧化硫含量降低至允许值，而溶有较多二氧化硫的液体由吸收塔底排出。为了回收二氧化硫并再次利用水，需将水和二氧化硫分离开，称为溶剂的再生。解吸是溶剂再生的一种方法，含二氧化硫的水溶液经过加热后送入解吸塔，与上升的过热蒸汽接触，二氧化硫从液相中解吸至

10、气相。二氧化硫被解吸后，水溶剂得到再生，经过冷却后再重新作为吸收剂送入吸收塔循环使用。（4）吸收塔设备的选择对于吸收过程，能够完成其分离任务的塔设备有多种，如何从众多的塔设备中选择合适的类型是进行工艺设计得首要工作。而进行这一项工作则需对吸收过程进行充分的研究后，并经多方案对比方能得到较满意的结果。一般而言，吸收用塔设备与精馏过程所需要的塔设备具有相同的原则要求，即用较小直径的塔设备完成规定的处理量，塔板或填料层阻力要小，具有良好的传质性能，具有合适的操作弹性，结构简单，造价低，易于制造、安装、操作和维修等。在液体流率很低难以充分润湿填料，或塔径过大，使用填料塔不很经济的情况下，以采用板式塔为

11、宜。但作为吸收过程，一般具有操作液气比大的特点，因而更适用于填料塔。此外，填料塔阻力小，效率高，有利于过程节能，所以对于吸收过程来说，以采用填料塔居多。本次吸收塔设计选择填料吸收塔（5）填料的选择塔填料是填料塔中的气液相间传质组件，是填料塔的核心部分。其种类繁多，性能上各有差异。1.散堆填料 目前散堆填料主要有环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料。所用的材质有陶瓷、塑料、石墨、玻璃及金属等（1）拉西环填料拉西环填料于1914 年由拉西（F. Rashching）发明，为外径与高度相等的圆环，如图片拉西环所示。拉西环填料的气液分布较差，传质效率低，阻力大，通量小，目前工业上已较少应用。（2）

12、 鲍尔环填料是对拉西环的改进，在拉西环的侧壁上开出两排长方形的窗孔，被切开的环壁的一侧仍与壁面相连，另一侧向环内弯曲，形成内伸的舌叶，诸舌叶的侧边在环中心相搭。鲍尔环由于环壁开孔，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。与拉西环相比，鲍尔环的气体通量可增加50%以上，传质效率提高30%左右。鲍尔环是一种应用较广的填料。（3） 阶梯环(Stairs wreath)填料的阶梯环结构与鲍尔环填料相似，环壁上开有长方形小孔，环内有两层交错 45的十字形叶片，环的高度为直径的一半，环的一端成喇叭口形状的翻边。这样的结构使得阶梯环填料的性能在鲍尔环的基础上又有提高，其生产能力可提高

13、约10%，压降则可降低25%，且由于填料间呈多点接触，床层均匀，较好地避免了沟流现象。阶梯环一般由塑料和金属制成，由于其性能优于其它侧壁上开孔的填料，因此获得广泛的应用。（4） 矩鞍填料将弧鞍填料两端的弧形面改为矩形面，且两面大小不等，即成为矩鞍填料。矩鞍填料堆积时不会套叠，液体分布较均匀。矩鞍填料一般采用瓷质材料制成，其性能优于拉西环。目前，国内绝大多数应用瓷拉西环的场合，均已被瓷矩鞍填料所取代。（5） 金属环矩鞍填料如图片金属换环聚鞍填料所示，环矩鞍填料（国外称为Intalox）是兼顾环形和鞍形结构特点而设计出的一种新型填料，该填料一般以金属材质制成，故又称为金属环矩鞍填料。环矩鞍填料将环

14、形填料和鞍形填料两者的优点集于一体，其综合性能优于鲍尔环和阶梯环，在散装填料中应用较多。2规整填料 规整填料是由许多相同尺寸和形状的材料组成的填料单元，以整砌的方式装填在塔体中。规整填料主要包括板波纹填料、丝网波纹填料、格利希格栅、脉冲填料等，其中尤以板波纹填料和丝网波纹填料所用材料主要有金属丝网和塑料丝网。（1）格栅填料(Space grid filler)是以条状单元体经一定规则组合而成的，具有多种结构形式。工业上应用最早的格栅填料为木格栅填料。目前应用较为普遍的有格里奇格栅填料、网孔格栅填料、蜂窝格栅填料等，其中以格里奇格栅填料最具代表性。格栅填料的比表面积较低，主要用于要求压降小、负荷

15、大及防堵等场合。（2）波纹填料(Ripples filler)目前工业上应用的规整填料绝大部分为波纹填料，它是由许多波纹薄板组成的圆盘状填料，波纹与塔轴的倾角有30和45两种，组装时相邻两波纹板反向靠叠。各盘填料垂直装于塔内，相邻的两盘填料间交错90排列。波纹填料按结构可分为网波纹填料和板波纹填料两大类，其材质又有金属、塑料和陶瓷等之分。金属丝网波纹填料是网波纹填料的主要形式，它是由金属丝网制成的。金属丝网波纹填料的压降低，分离效率很高，特别适用于精密精馏及真空精馏装置，为难分离物系、热敏性物系的精馏提供了有效的手段。尽管其造价高，但因其性能优良仍得到了广泛的应用。金属板波纹填料是板波纹填料的

16、一种主要形式。该填料的波纹板片上冲压有许多f5mm 左右的小孔，可起到粗分配板片上的液体、加强横向混合的作用。波纹板片上轧成细小沟纹，可起到细分配板片上的液体、增强表面润湿性能的作用。金属孔板波纹填料强度高，耐腐蚀性强，特别适用于大直径塔及气液负荷较大的场合。（3）金属压延孔板波纹填料(The metals presses to postpone the bore plank ripples filler)是另一种有代表性的板波纹填料。它与金属孔板波纹填料的主要区别在于板片表面不是冲压孔，而是刺孔，用辗轧方式在板片上辗出很密的孔径为0.40.5mm 小刺孔。其分离能力类似于网波纹填料，但抗堵能

17、力比网波纹填料强，并且价格便宜，应用较为广泛。波纹填料的优点是结构紧凑，阻力小，传质效率高，处理能力大，比表面积大（常用的有125、150、250、350、500、700 等几种）。波纹填料的缺点是不适于处理粘度大、易聚合或有悬浮物的物料，且装卸、清理困难，造价高。（4）脉冲填料(Pulse filler)是由带缩颈的中空棱柱形个体，按一定方式拼装而成的一种规整填料。脉冲填料组装后，会形成带缩颈的多孔棱形通道，其纵面流道交替收缩和扩大，气液两相通过时产生强烈的湍动。在缩颈段，气速最高，湍动剧烈，从而强化传质。在扩大段，气速减到最小，实现两相的分离。流道收缩、扩大的交替重复，实现了“脉冲”传质过

18、程。脉冲填料的特点是处理量大，压降小，是真空精馏的理想填料。因其优良的液体分布性能使放大效应减少，故特别适用于大塔径的场合。本设计采用塑料阶梯环填料。2、塔的物料衡算；进口气体的体积流量SO2的体积比为进塔气相摩尔比为 Y1=y1/1-y1=0.09/(1-0.09)=0.0989【1】效率 【1】 出塔气相摩尔比 Y2= =0.0989（1-96%）=0.00396【1】进塔惰性气相流量V=(V/22.4)(1-y1)273/(273+30)100/101.33=(1000/22.4)(1-0.09)273/303100/101.33=36.12kmol/h 【1】空气的体积流量 V空气=V

19、(1-y1)=10000.91=910m3/h【1】出口液体中溶质与溶剂的摩尔比 X2=0由已知条件可知P=100KN/m=1xPa=100KPa查资料得 【1】则【1】最小气液比为【1】取液气比故 L=V55.870=36.12x55.870=2018.024kmol/h 3、塔的主要工艺尺寸确定；（1）塔径的确定； 该流程的操作压力及温度适中，避免二氧化硫腐蚀，故此选用 型的塑料阶梯环填料。其主要性能参数为：液体密度校正系数 【1】 填料因子【1】吸收液的密度看成是水密度【1】30时空气密度 【1】Kg/mol【1】 Kg/mol【1】混合气体的平均摩尔质量为【1】混合气体的密度为 【1】

20、计算泛点气速液体密度校正系数 30时水的粘度系数 【1】泛点率校核 （50%85%为经验值，所以在允许范围内） 填料规格校核 液体喷淋密度校核 填料表面的润湿状况是传质的基础，为保持良好的传质性能，每种填料应维持一定的液体润湿速率（或喷淋密度）。依Morris等推荐，d75mm的环形及其它填料的最小润湿速率为最小喷淋密度 由于液相质量流量 则喷淋密度为 所以（2）塔高的确定； 填料层高度计算 对于吸收操作，用传质单元法计算填料层高度 塔截面积 托吸因数 清水吸收， 则气相总传质单元数 气相质量流量 气相空塔质量速度 【1】液相空塔质量速度 【1】气膜体积吸收系数【1】30时，则液膜体积吸收系数

21、【1】气相总传质单元高度 【1】【1】故填料层分两段，每段4.5m填料塔附属高度的计算塔的附属高度主要包括塔的上部空间高度，安装液体分布器所需的空间高度，塔的底部空间高度以及塔的群坐高度。 塔的上部空间高度是指塔填料层以上，应有一足够的空间高度，以使随气流携带的液滴能够从气相中分离出来，该高度一般取1.2-1.5m。安装液体再分布器所需的塔空间高度依据所用分布器的形式而定一般需要1-1.5m的高度。塔的底部空间高度是指塔底最下一块塔板到塔底封头之间的垂直距离。该空间高度含釜液所占的高度及釜液面上方的气液分离高度的两部分。釜液所占空间高度的确定是依据塔的釜液流量以及釜液在塔内的停留时间确定出空间

22、容积，然后根据该容积和塔径计算出塔釜所占的空间高度。本设计取1.2m（包括除沫器高度）。设塔定液相停留时间为50s，则塔釜液所占空间高度为考虑到气相接管的空间高度，底部空间高度取为1.1米，那么塔的附属空间高度可以取为1.2+1.1=2.3m。吸收塔的总高度为人孔回转盖人孔，直径：450mm。（3）液体分布器计算液体分布器可分为初始分布器和再分布器，初始分布器设置于填料塔内，用于将塔顶液体均匀的分布在填料表面上，初始分布器的好坏对填料塔效率影响很大，分布器的设计不当，液体预分布不均，填料层的有效湿面积减小而偏流现象和沟流现象增加，即使填料性能再好也很难得到满意的分离效果。因而液体分布器的设计十

23、分重要。特别对于大直径低填料层的填料塔，特别需要性能良好的液体分布器。液体分布器的性能主要由分布器的布液点密度（即单位面积上的布液点数），各布液点均匀性，各布液点上液相组成的均匀性决定，设计液体分布器主要是决定这些参数的结构尺寸。对液体分布器的选型和设计，一般要求：液体分布要均匀；自由截面率要大；操作弹性大；不易堵塞，不易引起雾沫夹带及起泡等；可用多种材料制作，且操作安装方便，容易调整水平。液体分布器的种类较多，有多种不同的分类方法，一般多以液体流动的推动力或按结构形式分。若按流动推动力可分为重力式和压力式，若按结构形式可分为多孔型和溢流型。其中，多孔型液体分布器又可分为：莲蓬式喷洒器、直管式

24、多孔分布器、排管式多孔型分布器和双排管式多孔型分布器等。溢流型液体分布器又可分为：溢流盘式液体分布器和溢流槽式液体分布器。根据本吸收的要求和物系的性质可选用重力型排管式液体分布器，布液孔数应应依所用填料所需的质量分布要求决定，喷淋点密度应遵循填料的效率越所需的喷淋点密度越大这一规律。 液体分布器的选型时，建议采用盘式分布器（多孔盘式） 液体分布器的选择按Eckert建议值，按分布点几何均匀与流量均匀的原则，进行布点设计。与填料间距:210mm.设计取喷淋点密度为139点/,设计结果【3】为：盘式分布器（多孔盘式）； 分布盘直径630mm（为塔径的0.650.80倍）； 分布盘厚度：8mm 布液

25、计算由 ，取【4】设计取液体再分布器-升气管式液体再分布器在离填料顶面一定距离处，喷淋的液体便开始向塔壁偏流，然后沿塔壁下流，塔中心处填料的不到好的润湿，形成所谓的“干锥体”的不正常现象，减少了气液两相的有效接触面积。因此每隔一定的距离设置液体再分布装置，以克服此现象。 由于塔径为900mm，因此可选用升气管式再分布器，高度估值：150mm。 塔底液体保持管高度的计算取分布液孔的直径为12mm，则液体保持管中的液位高度可由公式（4）其他附属塔内件的选择填料支撑装置的选择填料支承装置的作用是支承填料以及填料层内液体的重量，同时保证气液两相顺利通过。支承若设计不当，填料塔的液泛可能首先发生在支承板

26、上。为使气体能顺利通过，对于普通填料塔，支承件上的流体通过的自由截面积为填料面的50%以上，且应大于填料的空隙率。此外，应考虑到装上填料后要将支承板上的截面堵去一些，所以设计时应取尽可能大的自由截面。自由截面太小，在操作中会产生拦液现象。增加压强降，降低效率，甚至形成液泛。由于填料支承装置本身对塔内气液的流动状态也会产生影响，因此作为填料支承装置，除考虑其对流体流动的影响外，一般情况下填料支承装置应满足如下要求：（1） 足够的强度和刚度，以支持填料及所持液体的重量（持液量），并考虑填料空隙中的持液量，以及可能加于系统的压力波动，机械震动，温度波动等因素。足够的开孔率（一般要大于填料的空隙率），

27、以防止首先在支撑处发生液泛；为使气体能顺利通过，对于普通填料塔，支承件上的流体通过的自由截面积为填料面的50%以上，且应大于填料的空隙率。此外，应考虑到装上填料后要将支承板上的截面堵去一些，所以设计时应取尽可能大的自由截面。自由截面太小，在操作中会产生拦液现象。增加压强降，降低效率，甚至形成液泛12。结构上应有利于气液相的均匀分布，同时不至于产生较大的阻力（一般阻力不大于20Pa）；结构简单，便于加工制造安装和维修。要有一定的耐腐蚀性。因栅板支承板结构简单，制造方便，满足题目各项要求，故选用栅板支承板。填料压紧装置为保证填料塔在工作状态下填料床能够稳定，防止高气相负荷或负荷突然变动时填料层发生

28、松动，破坏填料层结构，甚至造成填料损失，必须在填料层顶部设置填料限定装置。填料限定可分为类：一类是将放置于填料上端，仅靠自身重力将填料压紧的填料限定装置，称为填料压板；一类是将填料限定在塔壁上，称为床层限定板。每类又有不同的形式，最常用的有填料压紧栅板、压紧网板、905型金属压板等压紧装置，填料压板常用于陶瓷填料，以免陶瓷填料发生移动撞击，造成填料破碎。床层限定板多用于金属散装、塑料散装及所有规整填料，以防止由于填料层膨胀，改变其开始堆积状态而造成的流体分布不均匀的现象。本任务选用栅板式压板，高6mm，直径0.89m。该压板使用较广泛。塔顶除雾器由于气体在塔顶离开填料塔时，带有大量的液沫和雾滴

29、，为回收这部分液相，经常需要在顶设置除沫器。根据本吸收塔的特点，此处用折板除雾器。其结构简单有效，除雾板由的角钢组成，板间横向距离为25cm，垂直流过的气速可按下式计算：（K=0.0850.10,本设计中取 K=0.095）所需除雾板组的横断面为 封头与法兰 封头选择高为130mm；法兰选用长200mm,厚60mm;（5）吸收塔的流体力学参数计算； 吸收塔的压力降（填料层压力降的计算）可以利用Eckert关联图计算：【1】根据以上两数值在资料中确定塔的操作点，此点位于之间，用内插法估值可求得每米填料层的压强降约为则，.气体动能因子吸收塔内气体动能因子气体动能因子在常用的范围内。4、吸收塔主要接

30、管的尺寸计算常压塔气体进出口管气速可取1030m/s，液体进出口流速可取0.53.0m/s（必要时可大些）。液体进料接管本设计采用直管进料管查输送流体用地缝钢管：GB8163-87得：可选用热轧无缝钢管管径为【1】管内实际流速为气体进料接管查输送流体用地缝钢管：GB8163-87得：可选用热轧无缝钢管管径为【1】管内实际气体流速为吸收剂输送管路直径及管路计算根据管材规范，选择型的热轧无缝管道，内径为d=83mm【1】其实际流速为 气体进出口压力降气体的进出口接管内径为154mm，则气体进出口流速为14.92m/s离心泵的计算与选择查摩擦系数与雷诺准数及相对粗糙度关系图可知根据填料塔高及泵的大体位置，管路长度取14m三个90弯头，三个截止阀（全开）选用IS80-65-125型泵【1】汽蚀余量：3.03.5m【1】30时水的饱和蒸汽压【1】【1】由于本设计中吸收剂使用的是水，因而，采用清水泵。通过计算可知，吸收塔所要求的压头不是很高，所以采用普通的单级单吸式即可，本设计中选用的型号为IS80-65-125,其具体参数如下：【1】转速n/(r/min)流量/