填料塔脫硫系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

一、設(shè)計(jì)目的通過有害氣體工程設(shè)計(jì)，進(jìn)一步消化和鞏固本門課程所學(xué)內(nèi)容，并使所學(xué)知識(shí)系統(tǒng)化，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)進(jìn)行氣態(tài)污染工程設(shè)計(jì)的初步能力。通過設(shè)計(jì)，了解氣態(tài)污染物工程設(shè)計(jì)的內(nèi)容、方法和步驟，培養(yǎng)學(xué)生確定氣態(tài)污染物控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)計(jì)算、工程制圖、實(shí)用技術(shù)資料、編寫設(shè)計(jì)說明書等能力。二、設(shè)計(jì)任務(wù)：某燃煤電廠需對(duì)產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行脫硫，以滿足環(huán)境保護(hù)要求，要求設(shè)計(jì)的凈化系統(tǒng)效果要好，操作方便，投資省，并且達(dá)到要求之排放標(biāo)準(zhǔn)。三、設(shè)計(jì)資料：工藝流程：采用填料塔設(shè)計(jì)煙氣參數(shù)：煙氣流量：2X106m3/h.煙氣成分：S02濃度5000mg/m3煙氣平均分子量：30.5煙氣溫度：150°C煙氣壓力：1.01X105PA氣膜傳質(zhì)分系數(shù)K=1.89X10-5kmol/m2.s.kPaG吸收液參數(shù)：采用5%（wt%）氫氧化鈉水溶液,并假定NaOH與S02發(fā)生極快不可逆反應(yīng)。吸收塔進(jìn)口液相吸收質(zhì)濃度為0。PL=1000kg/m3,M=18kg/kmol（平均分子量）L液膜傳質(zhì)分系數(shù)kL=3.54X10-4m/s操作參數(shù)：泛點(diǎn)率：85%液氣比L/G=4L/m3吸收反應(yīng)溫度：60°C氣象資料：氣溫25°C,1atm填料性能：50mm金屬環(huán)鞍填料（亂堆）填料比表面積。：75m2/m3填料因子：110/m單位體積填料層所提供的有效接觸面積a=60.75m2/m3設(shè)計(jì)要求：要求脫硫效率99.9%，計(jì)算出填料塔壓降。畫出填料塔的結(jié)構(gòu)圖，標(biāo)出參數(shù)（包括填料塔的高度、直徑）。設(shè)計(jì)說明書:一、填料塔1.1填料塔的概念及特點(diǎn)：填料塔是氣液互成逆流的連續(xù)微分接觸式塔型。填料塔內(nèi)裝有各種型式的固體填充物，即填料。液相由塔頂?shù)膰娏苎b置分布于填料層上，靠重力作用沿填料表面流下，氣相則在壓強(qiáng)差推動(dòng)下穿過填料的間隙，由塔的一端流向另一端。氣、液在填料的潤濕表面上進(jìn)行接觸，其組成沿塔高連續(xù)變化。在塔內(nèi)充填一定高度的填料，其下方有支承板，上方為填料壓板及液體分布裝置。氣液兩相間的傳質(zhì)通常是在填料表面的液體和氣體間的相界面上進(jìn)行的。填料塔不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且有阻力小和便于使用耐磨材料制造等優(yōu)點(diǎn)，尤其對(duì)直徑較小的塔處理有腐蝕性的物料時(shí)，填料塔都表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越感。1.2吸收的工藝流程圖采用常規(guī)逆流操作流程，流程如下：1.3填料塔的組成：1、 填料對(duì)填料的基本要求：（1） 要有較大的比表面積；（2） 要求有較高的孔隙率；（3） 經(jīng)濟(jì)、實(shí)用及可靠；2、 填料塔的附屬結(jié)構(gòu)填料塔的附屬結(jié)構(gòu)主要有支承板、液體噴淋裝置、液體再分布器和除霧器等。（1） 支承板：支承填料和填料上的持液量的，它應(yīng)該有足夠的強(qiáng)度，允許氣體和液體能自由的通過。支承板的自由截面不應(yīng)小于填料層的孔隙率。（2） 液體噴淋裝置：把液體均勻分布在填料層上的裝置。（常用的有：管式噴淋器、蓮蓬頭是噴灑器、盤式分布器）（3） 液體再分布器：用來改善液體在填料層內(nèi)的壁流效應(yīng)的，每隔一定高度的填料層設(shè)置一個(gè)在分布器。（4） 除霧器：出去填料層上方逸出的氣體中的霧滴。（5） 氣體分布裝置：使氣體分布均勻，同時(shí)還能防止液體流入進(jìn)氣管。

（6）排液裝置為了克服液體流過填料層時(shí)向塔壁匯集的傾向，以使液體亦能充分潤濕塔中心的填料，當(dāng)填料層高度較大時(shí)，常將填料層分成若干段。為了使填料充分潤濕，以避免出現(xiàn)干填料的狀況，一般要求液體噴淋密度在10m3.fC-m2）以上，并力求噴淋均勻。為了克服塔壁效應(yīng)，塔徑與填料尺寸比值至少在8以上，每段填料層的高度應(yīng)為塔徑的3倍左右。填料塔的空塔氣速不宜過大，一般取0.5?1.5kPa/m，液氣比（L/G）為0.5~2.0kg/kg（溶解度很小的氣體除外）。二、設(shè)計(jì)計(jì)算2.1煙氣的設(shè)計(jì)計(jì)算2.1.1已知：煙氣流量：Q—2x106m31h0SO濃度：2C—5000mg/m30煙氣的平均分子量：M—30.5kg/kmol0煙氣溫度：T0—150°C煙氣壓力：P—1.01x106Pa02.1.2進(jìn)入吸收塔煙氣的總摩爾流量：Q 273 P 2x106V— 4- - 0 — x273x10122.4273+T101.325Pa 22.4 273+150101.3250計(jì)算得：V=57439.28kmol/h煙氣質(zhì)量流量：二V-M0=57439.28x30.5=1751898.04kg/h煙氣密度：V1751898.042xV1751898.042x106=0.8759kg/m3SO2的質(zhì)量流量:w二QC二2x106m3/hx5000mg/m3二10000kg/hv] 0-0w 10000kg/h進(jìn)入吸收塔SO煙氣的摩爾流量：V=J= =156.25kmol/h2 so2M 64g/molSO22.2吸收液的設(shè)計(jì)計(jì)算2.2.1已知：吸收液密度：P二1000kg/m3 平均分子量：M二18kg/kmolLL液氣比：L/G=4L/m3222吸收液的體積流量：Vl0=LG-Q0=4x2x106=8x106L/h吸收液的質(zhì)量流量：w=V-p=8x106L/hx1000kg/m3=8x106kg/hLLL

w 8X106吸收液的摩爾流量：VL=M= 18 =444444.44kmol/hL2.3填料塔工藝尺寸計(jì)算2.3.1已知：氣體質(zhì)量流量：w二1751898.04kg/h 煙氣密度：P二0.8759kg/m3TOC\o"1-5"\h\zV V液體的質(zhì)量流量：w二8X106kg/h 液體密度：P二1000kg/m3L L填料因子：0二110/m 液體粘度：卩L二0.903mPa-s重力加速度：g=9.81m/s2LP1000一液體校正系數(shù)：屮=-^= =1P1000液2.3.2泛點(diǎn)氣速的計(jì)算采用?？颂仃P(guān)聯(lián)圖計(jì)算泛點(diǎn)氣速w通用關(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)為一*w通用關(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)為一*wVu即P'縱坐標(biāo)一g—I■p^巴2通用關(guān)聯(lián)圖在左下方的線簇為亂堆填料層的等壓降線，最上方的三條分別為弦柵、整砌拉西環(huán)及亂堆填料的泛點(diǎn)線，與泛點(diǎn)線相對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)中空塔氣速u應(yīng)為泛點(diǎn)氣速u。若已知?dú)庖簝上嗔髁勘燃癋

各自的密度，則可算出圖中橫坐標(biāo)的值，由此點(diǎn)作垂線與泛點(diǎn)線相交，再由交點(diǎn)做平行線至縱坐標(biāo)，從而求得泛點(diǎn)氣速u。F8xl08xl061751898.04f0.8759￥5、1000丿沁0.135由設(shè)計(jì)要求可知，采用亂堆填料查?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖得：巴2=0.14泛點(diǎn)氣速：:嚴(yán):=:'0.14x9.81x；000\=3.81m/s屮0.2 110x1x0.8759xS.903力.2則空塔氣速：u=u-85%=3.24m/sF2.3.3塔徑的計(jì)算:4x2:4x2x106兀x3.24x3600二14.77m圓整塔徑，取15m泛點(diǎn)率校核：V 2x106空塔氣速：u= s—= =3.14m/s兀 兀-D2 ?152-36004 4泛點(diǎn)率：u3.14—= =82.4%(<85%在允許范圍內(nèi))u3.81F由設(shè)計(jì)資料可知：金屬環(huán)鞍填料：d=50mmD15000填料規(guī)格的校核：亍= =300>8(在允許范圍內(nèi))d502.3.4核算液體噴淋密度因填料尺寸小于75mm,取6) =0.08m3/(m-h)Wmin(L)min：最小潤濕速率。所謂最小潤濕速率,即指在塔的橫截面積上,單位長度的填料周邊上W液體的體積流量。(對(duì)于直徑不超過75mm的拉西環(huán)及其他填料，可取(L) =0.08m3/(m-h)；對(duì)Wmin于直徑大于75mm的環(huán)形填料，應(yīng)取0.12m3/(m-h)。)

填料的比表面積b:75m2/m3則： 最小噴淋密度：U=0.08x75=6m3/Cm2-Jmin操作條件下的噴淋密度U：U二船環(huán)◎二4527m3/(m2-"2.3.5填料層高度的計(jì)算已知：進(jìn)入吸收塔煙氣的總摩爾流量：V=57439.28kmol/h氣象壓強(qiáng)：P=1atm脫硫效率：耳=99.9%o=5% p=1000kg/m3LM=18kg/kmol單位體積填料層所提供的有效接觸面積：a=60.75m2/m3塔徑：D=15m計(jì)算可知：U>Umin所以，塔徑選15m合理氣膜傳質(zhì)分系數(shù)：k=1.89x10-5kmol/m2-s-kPaG液膜傳質(zhì)分系數(shù)k二3.54x10-4m/sLV156.25進(jìn)入吸收塔總煙氣中SO的摩爾分?jǐn)?shù)：y=-^片= =0.00272煙氣進(jìn)口SO2分壓:2 A1V 57439.28煙氣進(jìn)口SO2分壓:P二y?P二0.00272x101kPa二0.27472kPaA1 A10煙氣出口SO2分壓P二P(1-99.9%)=0.27472x0.001二2.7472x10-4kPaA2 A1液相總濃度：100018=55.56kmol/m3塔頂處：CB液相總濃度：100018=55.56kmol/m3塔頂處：CB21000x??pLML1000ml/lx5%x1000kg/m318kg/kmol=2.78kmol/m3由設(shè)計(jì)資料可以知道，NaOH與SO發(fā)生極快不可逆反應(yīng)。吸收塔進(jìn)口液相吸收質(zhì)濃度C=02 A2所以，進(jìn)行即快速不可逆化學(xué)吸收，化學(xué)反應(yīng)式為：SO+2NaOHTNaSO+HO2 2 3 2由化學(xué)反應(yīng)可知：b=2用高濃度活性組分NaOH吸收時(shí)，物料衡算方程式為:

代入已知數(shù)據(jù)得：G(pPAA2代入已知數(shù)據(jù)得：G(pPAA21——一X

bL

~CT(C-CC二2.85—0.08PBA用此關(guān)系可求出塔底處C：B1C二2.85—0.08x0.27472二2.83kmol/m3B1計(jì)算一下塔底和塔頂?shù)呐R界濃度：令D二DAB則在塔頂：Dk 1.89x10-5kmol/m2-s-Pa,C=b-AyP二2xlx x2.7472x10-4kPakp2 DkA2 3.54x10—4m/sBL計(jì)算得：C二2.93x10-5kmol/m3kp2在塔底：Dk 1.89x10-5kmol/m2-s-kPatC二b—yP二2x1x x0.27472kPakp1 DkA1 3.54x10-4m/sBL計(jì)算得：C二0.0293kmol/m3kp1由此可見，無論是塔底還是塔頂，活性組分NaOH的濃度都超過了臨界濃度，化學(xué)反應(yīng)僅發(fā)生在界面上，因此可以認(rèn)為全塔內(nèi)均由氣膜控制。傳質(zhì)速率方程為：N二ka-PAGAk?a=1.89x10-5x60.75=1.15x10-3kmol/m3?s?kPaGk?a=3.54x10-4x60.75=2.15x10-2S-1氣體摩爾流量：G=丄氣體摩爾流量：G=丄D2457439.28kmol/h ( )一 =0.0903kmol/'m2?Sx152m24所以填料層高度為：h=GJPa1h=GJPa1PZkaPPka A1 A2GA G0.0903101.3250.0903101.325X1.15x10-3(ln0.27472-ln2.7472x10-4=5.35m有計(jì)算可知，在純水中加入大量的活性組分，發(fā)生極快速不可逆化學(xué)反應(yīng)，使液相傳質(zhì)阻力下降為零，傳質(zhì)速率僅由氣膜控制，使填料層高度大大降低。2.4填料層壓降的計(jì)算：

采用埃克特關(guān)聯(lián)圖計(jì)算填料層壓降，根據(jù)已知數(shù)據(jù)，分別求出縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)的值，將二者交匯于圖中等壓線上，即可從等壓線上讀出壓降A(chǔ)p/Z的值。空塔氣速：u=3.14m/su縱坐標(biāo)：-橫坐標(biāo)為：=0.1353.142xu縱坐標(biāo)：-橫坐標(biāo)為：=0.1353.142x1x110(0.8759) x U0.2=L 9.81I1000丿x0.9032=0.08由?？颂仃P(guān)聯(lián)圖可知：Ap/Z=120x9.81Pa/m其中Z為填料層高度：5.35m所以填料塔壓降為：Ap=120x9.81x5.35Pa=6298.02Pa2.5填料塔實(shí)際高度的計(jì)算及設(shè)計(jì)圖2.5.1塔上部空間高度，取h=4m1塔釜液所占空間高度，取h=8.65m2塔下部空間高度，取h=5m3塔的實(shí)際高度：H=h+h+h+h+h=5.35+4+8.65+5+0.6=23.6m1234填料塔直徑：D=15m填料層高度：h=5.35m支承柵板高度：h4=0.6m說明：為了使煙氣與吸收液充分接觸，塔釜液所占空間高度，應(yīng)取大一點(diǎn)，故取8.65m；塔徑是15m過大，填料層高度較小，為了克服塔壁效應(yīng)故填料層不需要分層。2.5.2根據(jù)以上參數(shù)畫填料塔的設(shè)計(jì)圖如下：

AELF工巴irnn廠陽AELF工巴irnn廠陽 液體出口三、總結(jié)經(jīng)過一個(gè)星期的時(shí)間，終于完成了對(duì)填料塔的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)了許許多多在日常學(xué)習(xí)過程中沒有發(fā)現(xiàn)的問題，對(duì)許多的概念有了深度的認(rèn)識(shí)，一些參數(shù)的大小會(huì)對(duì)填料塔的脫硫效率或者會(huì)導(dǎo)致“范液現(xiàn)象”“液封”等現(xiàn)象的發(fā)生。對(duì)于選擇較好填料的填料塔，其單位面積填料所具有的表面積大，氣體通過填料時(shí)的阻力較小。為了克服液體流過填料層時(shí)向塔壁匯集的傾向，以使液體亦能充分潤濕塔中心的填料，當(dāng)填料