填料塔脱硫系统课程设计

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1、一、设计目的通过有害气体工程设计，进一步消化和巩固本门课程所学内容，并使所学知识系统化，培养学生 运用所学理论知识进行气态污染工程设计的初步能力。通过设计，了解气态污染物工程设计的内容、 方法和步骤，培养学生确定气态污染物控制系统的设计方案、设计计算、工程制图、实用技术资料、 编写设计说明书等能力。二、设计任务：某燃煤电厂需对产生的烟气进行脱硫，以满足环境保护要求，要求设计的净化系统效果要好，操 作方便，投资省，并且达到要求之排放标准。三、设计资料：1 工艺流程：采用填料塔设计2 烟气参数：烟气流量：2X106m3/h.烟气成分：S02浓度5000mg/m3烟气平均分子量：30.5烟气温度：1

2、50 C烟气压力：1.01X105PA气膜传质分系数 K =1.89 X 10-5 kmol/m2.s.kPaG3 吸收液参数：采用5%（wt%）氢氧化钠水溶液,并假定NaOH与S02发生极快不可逆反应。吸收塔进口液相吸收质 浓度为0。P L=1000kg/ m3,M =18kg/kmol （平均分子量）L液膜传质分系数kL=3.54 X 10-4m/s4 操作参数：泛点率：85%液气比 L/G=4L/ m3吸收反应温度：60 C5 气象资料：气温 25C ,1atm6 填料性能：50mm金属环鞍填料（乱堆）填料比表面积。：75m2/ m3填料因子：110/m单位体积填料层所提供的有效接触面积

3、a=60.75 m2/ m37 设计要求：要求脱硫效率99.9%，计算出填料塔压降。画出填料塔的结构图，标出参数（包括填料塔的高度、直径）。设计说明书: 一、填料塔1.1填料塔的概念及特点：填料塔是气液互成逆流的连续微分接触式塔型。填料塔内装有各种型式的固体填充物，即填料。 液相由塔顶的喷淋装置分布于填料层上，靠重力作用沿填料表面流下，气相则在压强差推动下穿过填 料的间隙，由塔的一端流向另一端。气、液在填料的润湿表面上进行接触，其组成沿塔高连续变化。 在塔内充填一定高度的填料，其下方有支承板，上方为填料压板及液体分布装置。气液两相间的传质 通常是在填料表面的液体和气体间的相界面上进行的。填料塔

4、不仅结构简单，而且有阻力小和便于使用耐磨材料制造等优点，尤其对直径较小的塔处理 有腐蚀性的物料时，填料塔都表现出明显的优越感。1.2吸收的工艺流程图采用常规逆流操作流程，流程如下：1.3填料塔的组成：1、填料对填料的基本要求：（1）要有较大的比表面积；（2）要求有较高的孔隙率；（3）经济、实用及可靠；2、填料塔的附属结构填料塔的附属结构主要有支承板、液体喷淋装置、液体再分布器和除雾器等。（1）支承板：支承填料和填料上的持液量的，它应该有足够的强度，允许气体和液体能自由的通过。 支承板的自由截面不应小于填料层的孔隙率。（2）液体喷淋装置：把液体均匀分布在填料层上的装置。（常用的有：管式喷淋器、莲

5、蓬头是喷洒器、 盘式分布器）（3）液体再分布器：用来改善液体在填料层内的壁流效应的，每隔一定高度的填料层设置一个在分 布器。（4）除雾器：出去填料层上方逸出的气体中的雾滴。（5）气体分布装置：使气体分布均匀，同时还能防止液体流入进气管。（6）排液装置 为了克服液体流过填料层时向塔壁汇集的倾向，以使液体亦能充分润湿塔中心的填料，当填料层 高度较大时，常将填料层分成若干段。为了使填料充分润湿，以避免出现干填料的状况，一般要求液 体喷淋密度在10 m 3.f C - m 2）以上，并力求喷淋均匀。为了克服塔壁效应，塔径与填料尺寸比值至少在 8 以上，每段填料层的高度应为塔径的3 倍左右。 填料塔的空

6、塔气速不宜过大，一般取0.51.5kPa/m，液气比（L/G）为0.52.0kg/kg（溶解度很小 的气体除外）。二、设计计算2.1 烟气的设计计算2.1.1已知：烟气流量：Q 2 x106 m31 h0SO 浓度：2C 5000mg / m 3 0烟气的平均分子量： M 30.5kg / kmol0烟气温度： T0150 C烟气压力： P 1.01x106Pa02.1.2 进入吸收塔烟气的总摩尔流量：Q273P2x106V 4 -0 x273x10122.4 273 + T 101.325Pa22.4273 +150 101.3250计算得：V=57439.28kmol/h烟气质量流量：二

7、V -M0 = 57439.28x30.5=1751898.04kg/h烟气密度：V1751898.042 x 106=0.8759kg / m 3SO2的质量流量:w 二 Q C 二 2 x106 m3 / h x 5000mg / m3 二 10000kg / h v0- 0w10000 kg / h进入吸收塔SO烟气的摩尔流量：V = J = 156.25kmol / h2so2 M64g / molSO22.2 吸收液的设计计算2.2.1已知：吸收液密度：P二1000kg / m3平均分子量：M二18kg / kmolLL液气比： L/G=4L/m3222 吸收液的体积流量：Vl0 =

8、 LG - Q0 = 4 x 2 x106 = 8 x106 L / h吸收液的质量流量：w = V - p = 8x 106L/hx 1000kg /m3 = 8x 106kg /hL L Lw8 X 106吸收液的摩尔流量：VL = M =18=444444.44kmol/hL2.3填料塔工艺尺寸计算2.3.1 已知：气体质量流量：w 二 1751898.04kg/h烟气密度：P 二0.8759kg/m3VV液体的质量流量：w二8X106kg /h液体密度：P二1000kg /m3LL填料因子：0二110/m液体粘度：卩L二0.903mPa - s 重力加速度：g=9.81m/s2LP 1

9、000 一液体校正系数：屮=- =1P 1000液2.3.2泛点气速的计算采用埃克特关联图计算泛点气速w通用关联图的横坐标为一*wVu 即P 纵坐标 一g I p 巴2通用关联图在左下方的线簇为乱堆填料层的等压降线，最上方的三条分别为弦栅、整砌拉西环及乱堆填料的泛点线，与泛点线相对应的纵坐标中空塔气速u应为泛点气速u。若已知气液两相流量比及 F各自的密度，则可算出图中横坐标的值，由此点作垂线与泛点线相交，再由交点做平行线至纵坐标， 从而求得泛点气速 u 。F8 xl061751898.04f 0.8759 5、1000 丿沁 0.135由设计要求可知，采用乱堆填料查埃克特通用关联图得：巴2=0

10、.14泛点气速：:严:=:0.14x9.81x；000 =3.81m/s 屮 0.2110 x 1x 0.8759 x S.903力.2则空塔气速：u= u -85%=3.24m/sF2.3.3 塔径的计算:4 x 2 x106兀 x 3.24 x 3600塔径为：二 14.77m圆整塔径，取 15m泛点率校核：V2 x106空塔气速：u =s = 3.14m/s兀兀-D 2152-360044泛点率：u 3.14=82.4%( 8 (在允许范围内)d 502.3.4 核算液体喷淋密度因填料尺寸小于75mm,取6 )= 0.08m3 /(m - h)W min(L )min ：最小润湿速率。所

11、谓最小润湿速率,即指在塔的横截面积上,单位长度的填料周边上 W液体的体积流量。(对于直径不超过75mm的拉西环及其他填料，可取(L )= 0.08m3 /(m- h)；对W min于直径大于75mm的环形填料，应取0.12m3 /(m - h)。)填料的比表面积b : 75m2 /m3则：最小喷淋密度：U = 0.08 x 75 = 6m3 /Cm2 - Jmin操作条件下的喷淋密度U：U 二船环二 4527 m 3/(m 2 -2.3.5 填料层高度的计算已知：进入吸收塔烟气的总摩尔流量： V=57439.28kmol/h气象压强： P = 1atm脱硫效率：耳=99.9% o = 5%p

12、= 1000kg /m3LM = 18 kg / kmol单位体积填料层所提供的有效接触面积： a=60.75m2 / m3塔径： D=15m计算可知： UUmin所以，塔径选 15m 合理气膜传质分系数：k = 1.89 x 10-5kmol /m2 - s - kPaG液膜传质分系数k二3.54x 10-4m/ sLV 156.25进入吸收塔总烟气中SO的摩尔分数：y =-片=0.00272烟气进口 SO2分压:2A1 V57439.28P 二 y P 二 0.00272 x 101kPa 二 0.27472kPaA1A1 0烟气出口 SO2 分压P 二 P (1 - 99.9%)= 0.

13、27472x 0.001 二 2.7472x10-4kPaA2A1液相总浓度：100018= 55.56kmol / m 3塔顶处： CB21000 x pLML1000ml/lx5%x1000kg/m318kg / kmol= 2.78kmol / m 3由设计资料可以知道，NaOH与SO发生极快不可逆反应。吸收塔进口液相吸收质浓度C = 02A2所以，进行即快速不可逆化学吸收，化学反应式为：SO + 2NaOH T Na SO + H O2232由化学反应可知： b=2用高浓度活性组分NaOH吸收时，物料衡算方程式为:代入已知数据得：G (pP AA21一XbLCT(C -CC 二 2.8

14、5 0.08PBA用此关系可求出塔底处 C ：B1C 二 2.85 0.08 x 0.27472 二 2.83kmol / m3B1计算一下塔底和塔顶的临界浓度：令D二DAB则在塔顶：D k1.89 x10-5 kmol / m2 - s - Pa ,C = b-A yP 二 2xlxx2.7472x10-4kPakp2D k A23.54x104m/sBL计算得： C 二 2.93 x10-5 kmol / m3kp2在塔底：D k1.89 x10-5 kmol / m2 - s - kPa tC 二b yP 二2x1xx0.27472kPakp1D k A13.54x10-4m/sBL计算

15、得： C 二 0.0293kmol / m3kp1由此可见，无论是塔底还是塔顶，活性组分NaOH的浓度都超过了临界浓度，化学反应仅发生在界面上，因此可以认为全塔内均由气膜控制。传质速率方程为：N 二 k a - PAGAk a = 1.89 x10-5 x 60.75 = 1.15 x10-3 kmol / m3 s kPaGk a = 3.54 x10-4 x 60.75 = 2.15 x10-2S-1气体摩尔流量：G =丄D 24L57439.28kmol / h()一=0.0903kmol /m2 Sx152 m 24所以填料层高度为：h = G J Pa1P Z= (n P ln P

16、)k aP Pk aA1A2G AG0.0903101.325 X1.15 x10-3(ln0.27472-ln2.7472x10-4=5.35m有计算可知，在纯水中加入大量的活性组分，发生极快速不可逆化学反应，使液相传质阻力下降 为零，传质速率仅由气膜控制，使填料层高度大大降低。2.4 填料层压降的计算：采用埃克特关联图计算填料层压降，根据已知数据，分别求出纵坐标和横坐标的值，将二者交汇于图中等压线上，即可从等压线上读出压降Ap/Z的值。空塔气速：u=3.14m/su纵坐标：-横坐标为：=0.1353.142 x1x110 (0.8759)x U 0.2 =L9.81I 1000 丿x 0.

17、9032 = 0.08由埃克特关联图可知：Ap/Z = 120x9.81Pa/m其中 Z 为填料层高度： 5.35m所以填料塔压降为：Ap = 120x9.81 x5.35Pa = 6298.02Pa2.5 填料塔实际高度的计算及设计图2.5.1塔上部空间高度，取h = 4m1塔釜液所占空间高度，取h = 8.65m2塔下部空间高度，取h = 5m3塔的实际高度：H = h + h + h + h + h = 5.35 + 4 + 8.65 + 5 + 0.6 = 23.6m1234填料塔直径： D=15m填料层高度： h=5.35m支承栅板高度： h4=0.6m说明：为了使烟气与吸收液充分接

18、触，塔釜液所占空间高度，应取大一点，故取8.65m ；塔径是15m过大，填料层高度较小，为了克服塔壁效应故填料层不需要分层。2.5.2 根据以上参数画填料塔的设计图如下：AELF工 巴irnn厂阳 液体出口三、总结经过一个星期的时间，终于完成了对填料塔的设计，在设计的过程中发现了许许多多在日常 学习过程中没有发现的问题，对许多的概念有了深度的认识，一些参数的大小会对填料塔的脱硫 效率或者会导致“范液现象” “液封”等现象的发生。对于选择较好填料的填料塔，其单位面积 填料所具有的表面积大，气体通过填料时的阻力较小。为了克服液体流过填料层时向塔壁汇集的倾 向，以使液体亦能充分润湿塔中心的填料，当填

19、料层高度较大时，常将填料层分成若干段。为了使填 料充分润湿，以避免出现干填料的状况，一般要求液体喷淋密度在10m3： C-m2）以上，并力求喷淋 均匀。为了克服塔壁效应，塔径与填料尺寸比值至少在8以上，每段填料层的高度应为塔径的3倍左 右。填料塔的空塔气速不宜过大，一般取0.51.5kPa/m，液气比（L/G）为0.52.0kg/kg （溶解度很小 的气体除外）。但在本次的课程设计中，烟气的流量非常的大，还要保证脫硫效率在99.9%。所以， 所设计出的填料塔直径就非常大，原本填料层的高度是很大的，但由于塔径很大，所以填料层就不分 层了。通过有害气体工程设计，能够进一步消化和巩固本门课程所学内容

20、，也使所学知识系统化，达 到学以致用的目的。培养我们运用所学理论知识进行气态污染工程设计的初步能力。通过设计，了解 气态污染物工程设计的内容、方法和步骤，培养了我们确定气态污染物控制系统的设计方案、设计计 算、工程制图、实用技术资料、编写设计说明书等能力。当然，我觉得最重要的一点是，通过动手设计，在这个过程中才能发现问题，只有发现了问题的 存在，然后通过查阅资料，通读课本文献，才能进一步找到解决问题的途径和方法。整个课程设计的 过程对我来说是非常受用的，人生不正是这样吗？不断的发现问题，提出问题，解决问题，只有通过 这样才能更加的完善。参考文献赵毅，李守信有害气体控制工程M.化学工业出版社，2001年2张洪流，化工原理一传质与分离技术分册M, 2009年