填料塔脱硫系统要点.pdf

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1、1 有害气体控制工程 课程设计 填料塔脱硫系统 姓名：徐悦心 专业班级：环工 09K1 学号： 091905010122 指导教师：吕建燚 设计时间： 2012年 6 月 2 目 录 一、绪论3 1.1 设计目的3 1.2 设计任务3 1.3 设计资料3 二、填料塔的设计与计算4 2.1 填料塔的基本知识 4 2.2 填料的基本知识 4 2.3 填料塔的内件5 2.4 填料塔塔径的计算5 2.5 填料层高度的计算8 2.6 填料层压降的计算10 2.7 填料塔塔辅助设备的设计10 2.8 填料塔结构简图12 三、烟气脱硫系统流程图 13 四、参考文献13 3 一、绪论 填料塔是以塔内的填料作为

2、气液两相间接触构件的传质设备，它是化工类企业中最常用 的气液传质设备之一。而塔填料塔内件及工艺流程又是填料塔技术发展的关键。聚丙烯材质 填料作为塔填料的重要一类，在化工上应用较为广泛，与其他材质的填料相比，聚丙烯填料 具有质轻、价廉、耐蚀、不易破碎及加工方便等优点，但其明显的缺点是表面润湿性能。 1.1 设计目的 通过有害气体控制工程课程设计，进一步消化和巩固本门课程所学内容，并使所学的知 识系统化， 培养学生运用所学理论知识进行气态污染物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、使用技术资料、

3、编写设计说明书等能力。 1.2 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，并且达到要求的排放标准。 1.3 设计资料 一 、工艺流程：采用填料塔设计 二 、烟气参数： 烟气流量 : 210 6m3/h. 烟气成分： SO2浓度 5000mg/m 3 烟气平均分子量：30.5 烟气温度： 150 C 烟气压力： 1.0110 5Pa 气膜传质分系数kG=1.8910-5 kmol/m 2.s.kPa 三、吸收液参数： 采用 5%(wt%)氢氧化钠水溶液,并假定 NaOH与 SO2发生极快不可逆反应。吸收塔进口液 相吸收质浓度为

4、0。 L=1000kg/ m 3； M L =18kg/kmol （平均分子量） 4 液膜传质分系数kL=3.54 10 -4m/s 四、操作参数： 泛点率： 85% 液气比L/G=4L/ m 3 吸收反应温度：60 C 五、气象资料：气温25 C ,1atm 六、填料性能： 50mm 金属环鞍填料（乱堆） 填料比表面积：75m 2/ m3 填料因子： 110/m 单位体积填料层所提供的有效接触面积a=60.75 m 2/ m3 七、设计要求：要求脱硫效率99.9%，计算出填料层压降。画出填料塔的结构图，标出参 数（包括填料塔高度、直径）。 二、填料塔的设计与计算 2.1 填料塔的基本知识 填

5、料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在 支承板上。 填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋 到填料上， 并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置 （小直径塔一般不设气体 分布装置） 分布后， 与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接 触进行传质。 填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作 状态下，气相为连续相，液相为分散相。 填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大等优点。填料塔 也有一些不足之处，如填料造价高； 当液体负荷较小时不能有效地润湿填料

6、表面，使传质效 率降低； 不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合 等。 22 填料的基本知识 5 填料是造成气液两相充分接触从而实现相间热、质传递的主要构件。因此， 填料特性对填料塔的流体力学性能和传质性能将起重要影响。填料塔的性能优 劣，关键取决于填料。 所以，对填料的基本要求有： 要有较大的比表面积；要求有较高的空隙率 ；经济、使用及可靠。 填料的种类很多， 根据装填方式的不同， 可分为散装填料和规整填料。散装 填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积在塔 内，又称为乱堆填料或颗粒填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填 料、

7、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。规整填料是按一定的几何构形排列， 整齐堆砌的填料。 规整填料种类很多， 根据其几何结构可分为格栅填料、波纹填 料、脉冲填料等。 2.3 填料塔的内件 填料塔的内件主要有填料支承装置、填料压紧装置、 液体分布装置、 液体收集再分布装 置等。合理地选择和设计塔内件，对保证填料塔的正常操作及优良的传质性能十分重要。 2.4 填料塔塔径的计算 已知条件：液气比L/G=4L/ 3 m，烟气流量为hm /102 36 ， 吸收液体积流量为hmhL/108/108 336 一、 泛点气速:的计算 F u 炉气的质量流量： hkg /1075.15 .30 .3101 101

8、 150273 273 4.22 1026 6 v 炉气的密度： 3 6 6 /875.0 102 1075.1 mkg VS v V 吸收液体积流量为LKgQ G L Q VL /1081024 66 6 吸收液密度： 3 /1000mkg L 吸收液质量流量为hKgQ LLL /108101000108 636 有横坐标：135.0) 1000 875.0 ( 1075.1 108 )( 5. 0 6 6 5. 0 L V V L w w 查埃克特通用关联图得纵坐标为0.13 液体校正系数 1 L 水 ，填料因子m/110，液相粘度smPauL 903. 0 泛点气速sm u g u LV

9、 L F /75.3 903.0875.01110 100081.913.013.0 2.02. 0 7 5. 0 )( L V V L w w 填料层的泛点和压强降的通用关联图（ECKERT 图） 二、空塔气速的计算 smuu F /19.385. 0 塔径 m u V D S 89.14 360019. 3 10244 6 圆整，取直径为15m。 三、核算液体喷淋密度 因填料尺寸小于75mm（50mm），所以最小润湿速率 min )( W L取)/(08. 0 3 hmm； 8 又已知比表面积 33 /75mm 。 最小喷淋密度)/(67508.0)( 23 minmin hmmLU W

10、操作条件下的喷淋密度)/(27.45 15 4108 23 2 3 hmmU min UU，符合要求。 2.5 填料层高度的计算 一、液体的总分子浓度 T C： 3 /56.55 18 1000 mkmol MVM V VM m V n C LLL T 二、塔顶组分B 的浓度 : 氢氧化钠的质量浓度为5% 3 2 /25.1%5 40 1000 %5mkmol M cB 三、烟气的摩尔流量 烟 G： kmol/h1028.6/1075.51 .3101 101 150237 273 4.22 1010247 36 hmolG烟 四、二氧化硫的摩尔流量 2 SO G： hkmolG/25.156

11、102 64 105000 6 3 SO2 五、惰性气体的摩尔流量 惰 G： hkmolGG/1026. 6G 4 SO2烟惰 9 smkmol/8649.003600 16 4 1026.6 )3600/(GG 2 2 4 A 惰 六、塔顶与塔底的二氧化硫摩尔分数和分压： 塔底：KPa1072.2 1075.5 25.156 3 4 1A y KPa10742.101102.72y 13 A11总 PPA 塔顶： KPa1072.2)999. 01(102.72)1( 63 12AA yy KPa104.72102.72101ypP 46 A22总A 七、根据液气比 3 /4/mLGL 可得

12、惰性组分的液气比Lm y L G A /25.0 4 102.721 4 1 3 3 1 惰 八、由 OHSONaNaOHSO 2322 2可得 b=2 用氢氧化钠水溶液吸收时，物料衡算方程为： )( 1 )( 22BB T AA CC C L b pp P G 整理得： B2B T A2A CC C L b 1 PP L G 代入数据得：)25.1( 562 101 )105.72P(25.0 4 AB C AB PC77.2025.1 塔底处 3 1 /174.1274.0277.025. 1mkmolCB 九、计算塔顶和塔底的临界浓度 令扩散系数 BA DD 在塔顶临界浓度： 2 35

13、22 /1094.2 BA L G B A KP CmkmolP k k D D bC 在塔底临界浓度： 10 1 3 11 /029. 0 BA L G B A KP CmkmolP k k D D bC 由此可见， 无论是塔顶或塔底，活性组分氢氧化钠的浓度都超过了临界浓度，化学反应仅发 生在界面上，因此可认为全塔内均有气膜控制。传质速率方程为： AGA pakN 十、填料层高度h： m p p apk dp p G h A A AG Ap p A A 15. 5ln 75.601089.1101 865.00 2 1 5 1 2 2.6 填料层压降的计算 压 降 计 算 可 采 用 埃 克

14、 特 通 用 关 联 图 。 由 空 塔 气 速u=3.19m/s可 计 算 出 纵 坐 标 L L v g u 2.0 2 0.094，又横坐标值为0.135，所以将二者交汇于图中的等压线上，可 从图中读出压降为1509.815.15=7.58KPa。 2.7 填料塔塔辅助设备的设计 一、由上可知，填料塔填料层高度为5.15m，塔径为15m。 二、设填料塔喷淋层高度为1.2m，液体再分布层为2.4m，塔顶和塔底超高各0.5m。故，填 料塔总高位9.75m。 三、填料支承装置的选择： 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

15、能首先发生在支承板上。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： 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。 11 足

16、够的开孔率（一般要大于填料的空隙率），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。 四、填料压紧装置： 为保证填料

17、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。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和塑料填料，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。一般要求压板和限制板 自由截面分率大于70%。 本任务由于使用塑料填料，故选用床层限定板。 五、液体再分布器： 液体分布器可分为初始分布器

18、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，

19、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。 12 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。 2.8

20、填料塔结构简图 （其中支撑栅板、液体再分布器、填料压网以及液体分布装置在此忽略不计。 填料塔结构简图 其中： 1气体入口； 2液体入口； 3支撑栅板； 4液体再分布器；5塔壳； 6填料； 7填料压网； 8液体分布装置；9液体入口； 10气体出口。 9 8 7 6 5 4 3 2 1 5.15m 0.5m 2.5m 0.5m 10 m15 9.75m 1.2m 13 三、烟气脱硫系统流程图 四、参考文献 【1】有害气体控制工程赵毅李守信主编化学工业出版社 2001 【2】化工原理第三版王志魁编化学工业出版社 2004 【3】化工原理课程设计申迎华郝晓刚主编化学工业出版社2009 【4】化工原理课程设计指导任晓光主编化学工业出版社2009 【5】化工原理课程设计付家新王为国主编化学工业出版社2010 【6】化工过程及设备设计涂伟萍陈佩珍编 化学工业出版社2000