水吸收_低浓度二氧化硫_填料吸收塔_设计.pdf

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1、第 1 页 共 36 页 水吸收低浓度SO2填料吸收塔设计 第一部分设计任务、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气体的混合气体）处理量为90 kmol/h 2、混合气体组成： SO2含量为 7.6% （摩尔百分比），空气为：92.4% （mol/%） 3、要求出塔净化气含SO2为：0.145%（mol/%） ，H2O为：1.172 kmol/h 4、吸收剂为水，不含SO2 5、常压，气体入塔温度为25C ，水入塔温度为20C 。 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

2、条件图。 三、H2O- SO2在常压 20 C 下的平衡数据 x y x y 0.00281 0.0776 0.000423 0.00763 0.001965 0.0513 0.000281 0.0042 0.001405 0.0342 0.0001405 0.00158 0.000845 0.0185 0.0000564 0.00066 0.000564 0.0112 第 2 页 共 36 页 四、气体与液体的物理性质数据 气体的物理性质： 气体粘度0.0652/ G ukgm h 气体扩散系数 2 0.0393/ G Dms 气体密度 3 1.383/ G kg m 液体的物理性质： 液体

3、粘度3.6/() L ukgm h 液体扩散系数 62 5.3 10/ L Dms 液体密度 3 998.2/ L kg m 液体表面张力 42 73/92.71 10/ L dyn cmkg h 五、设计要求 1、设计计算说明书一份 2、填料塔图（ 2 号图）一张 第 3 页 共 36 页 第二部分 SO2净化技术和设备 一、SO 2 的来源、性质及其危害： 1、二氧化硫的来源 二氧化硫的来源很广泛， 几乎所有企业都要产生二氧化硫，最主要途径是含 硫化石燃料的燃烧。大约一吨煤中含有5-50kg 硫，一吨石油中含有5-30kg 硫。 这些燃料经燃烧都产生并排放出二氧化硫，占所有排放总量的96%

4、. 二氧化硫的来源包括微生物活动，火山活动， 森林火灾以及海水飞沫。 主要 有自然来源和人为来源两大类： 自然来源主要是火山活动， 喷出的火山气体中含有大量的二氧化硫气体，地 质深处的天然硫元素在火山喷发过程中燃烧氧化为二氧化硫，随火山灰一起喷射 到大气中。地球上 57% 的二氧化硫来自自然界，沼泽、洼地、大陆架等处所排放 的硫化氢， 进入大气， 被空气中的氧氧化为二氧化硫。自然排放大约占大气中全 部二氧化硫的一半，通过自然循环过程，自然排放的硫基本上是平衡的。 人为来源则指在人类进行生产、 生活活动中， 使用含硫及其化合物的矿石进 行燃烧，以及硫矿石的冶炼和硫酸、 磷肥纸浆的生产等产生的工业

5、废气，从而使 其中一部分或全部的硫以二氧化硫的形式排放到大气中，形成二氧化硫污染。 这 部分二氧化硫占地球上二氧化硫来源的43% 。随着化石燃料消费量的不断增加， 全世界认为排放的二氧化硫在不断在增加，其中北半球排放的二氧化硫占人为排 放总量的 90% 。我国的能源主要依靠煤炭和石油，而我国的煤炭、石油一般含硫 量较高，因此，火力发电厂、钢铁厂、冶炼厂、化工厂和炼油厂排放出的大量二 氧化硫和二氧化碳是造成我国大气污染的主要原因。由于我国部分地区燃用高硫 煤，燃煤设备未能采取脱硫措施，致使二氧化硫排放量不断增加，造成严重的环 境污染。 2、二氧化硫的性质 (1) 物理性质： 二氧化硫又名亚硫酸酐

6、，英文名称： sulfur dioxide 。无色气体，有强烈 刺激性气味。分子量 64.07 密度为 1.4337kg/m3 （标准状况下），密度比空气 大。溶解度： 9.4g/mL（25） 熔点76.1（ 200.75K） 沸点10 （263K） 第 4 页 共 36 页 蒸汽压 338.32kPa(2538mmHg ，21.11)易溶于水，在338.32kPa 水中溶解度为 8.5% （25） ；易容于甲醇和乙醇； 容于硫酸、乙酸、氯仿和乙醚等。 易液化（mp ： 10） 。 (2) 化学性质： 二氧化硫是一种酸性氧化物，它极易溶于水，其水 溶液呈酸性，为亚硫酸水溶液。实际上，二氧化硫水

7、溶 液中成分为 SO27H2O ，仅含有微量的亚硫酸， 但是亚硫 酸盐含有亚硫酸根离子。所谓的亚硫酸水溶液能被空气 逐渐氧化成硫酸，其浓度越低氧化越快，而且一经加热 就会有自行氧化。 二氧化硫在完全燃烧干燥时几乎不与氧气发生反应，当在有初生态氧的燃烧 环境下，或者对二氧化硫与氧气的混合物进行放电，则有氧化反应发生。 氧化性： SO2+2H2S=3S+2H 2O ；还原性：能被 Cl2、Br2、I2、Fe 3+、KMnO 4、HNO3等强氧化剂氧 化成高价态硫元素。 SO2+X2+2H2O=H2SO4+2HX 3 、二氧化硫的危害 二氧化硫对人体及动物健康的危害： 主要是对眼角膜和上呼吸道粘膜的

8、强烈刺激作用。其浓度与反应关系如下： 0.4 毫克/ 立方米时无不良反应； 0.7 毫克/ 立方米时，普遍感到上呼吸道及眼睛 的刺激； 2.6 毫克/ 立方米时，短时间作用即可反射性的引起器官、支气管平滑 肌收缩，使呼吸道阻力增加。 一般认为空气中二氧化硫浓度达1.5 毫克/ 立方米， 对人体健康即为有危害，长期接触主要引起鼻、咽、支气管，嗅觉障碍和尿中硫 酸盐增加。吸入高浓度二氧化硫，可引起支气管炎、肺炎，严重时可发生肺水肿 及呼吸中枢麻痹。 二氧化硫进入呼吸道后， 因其易溶于水， 故大部分被阻滞在上呼吸道，在湿 润的粘膜上生成具有腐蚀性的亚硫酸、硫酸和硫酸盐， 使刺激作用增强。 上呼吸 道

9、的平滑肌因有末梢神经感受器，遇刺激就会产生窄缩反应， 使气管和支气管的 管腔缩小， 气道阻力增加。 上呼吸道对二氧化硫的这种阻留作用，在一定程度上 可减轻二氧化硫对肺部的刺激。 但进入血液的二氧化硫仍可通过血液循环抵达肺 部产生刺激作用。 第 5 页 共 36 页 二氧化硫进入血液可引起全身性毒作用，破坏酶的活性，影响糖及蛋白质 的代谢；对肝脏有一定损害。液态二氧化硫可使角膜蛋白质变性引起视力障碍。 二氧化硫与烟尘同时污染大气时，两者有协同作用。 因烟尘中含有多种重金属及 其氧化物， 能催化二氧化硫形成毒性更强的硫酸雾。因加剧其毒性作用。 动物试 验证明，二氧化硫慢性中毒后， 机体的免疫受到明

10、显抑制。 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； 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。 二氧化硫浓度为 1015ppm时， 呼吸道纤毛运动和粘膜的分泌功能均能受到 抑制。浓度达 20ppm时，引起咳嗽并刺激眼睛。若每天吸入浓度为100ppm 8小 时，支气管和肺部出现明显的刺激症状，使肺组织受损。浓度达400ppm时可使 人

11、产生呼吸困难。 二氧化硫与飘尘一起被吸入， 飘尘气溶胶微粒可把二氧化硫带 到肺部使毒性增加34 倍。若飘尘表面吸附金属微粒，在其催化作用下，使二 氧化硫氧化为硫酸雾， 其刺激作用比二氧化硫增强约1倍。长期生活在大气污染 的环境中， 由于二氧化硫和飘尘的联合作用，可促使肺泡纤维增生。 如果增生范 围波及广泛， 形成纤维性病变， 发展下去可使纤维断裂形成肺气肿。二氧化硫可 以加强致癌物苯并（ ）芘的致癌作用。据动物试验，在二氧化硫和苯并（） 芘的联合作用下， 动物肺癌的发病率高于单个因子的发病率，在短期内即可诱发 肺部扁平细胞癌。 二氧化硫对植物的危害： 大气中含二氧化硫过高，对叶子的危害首先是对

12、叶肉的海绵状软组织部分， 其次是对栅栏细胞部分。 侵蚀开始时， 叶子出现水浸透现象， 特别是介于叶边和 叶脉之间的部分损害尤为严重。干燥后，受影响的叶面部分呈白色或乳白色。 如果二氧化硫的浓度为（0.3-0.5 ） 6 10，并持续几天后，就会对敏感性 植物产生慢性损害。 二氧化硫直接进入气孔， 叶肉中的植物细胞使其转化为亚硫 酸盐，再转化成硫酸盐。 当过量的二氧化硫存在时， 植物细胞就不能尽快地把亚 第 6 页 共 36 页 硫酸盐转化成硫酸盐， 并开始破坏细胞结构。 菠菜，莴苣和其他叶状蔬菜对二氧 化硫最为敏感。 棉花和苜蓿也都很敏感。 松针也受其影响， 不论叶尖或是整片针 叶都会变成褐色

13、，并且很脆弱。 二氧化硫对建筑物及其它的危害： 大气中的二氧化硫及其生成的酸雾、 酸滴等，能使金属表面产生严重的腐蚀， 使纺织品、纸品、皮革制品等腐蚀破损，使金属涂料变质，降低其保护效果。造 成金属腐蚀最为有害的污染物一般是二氧化硫，已观察到城市大气中金属的腐蚀 率约是农村环境中腐蚀率的1.5-5 倍。 温度尤其是相对湿度皆显著影响着腐蚀速 度。含硫物质或硫酸会侵蚀多种建筑材料，如石灰石、大理石、花岗岩、水泥砂 浆等，这些建筑材料先形成较易溶解的硫酸盐，然后被雨水冲刷掉。尼龙织物， 尤其是尼龙管道等， 其老化显然是由二氧化硫或硫酸气溶胶造成的。长期的酸雨 作用还将对土壤和水质产生不可估量的损失

14、，对生态环境会产生严重的影响。 二、SO 2 的净化技术： 二氧化硫不仅在大气中形成酸雨，造成空气污染， 而且严重腐蚀锅炉尾部设 备，影响生产和安全运行。 电站锅炉是我国二氧化硫的主要排放源，它的特点是 烟气量大， SO2浓度低，综合利用难度大。在电站烟气脱硫的运行费中，脱硫剂 的费用占有很高比例。我国发电用煤的平均含硫量高达1.15%，因此，电站烟气 脱硫对我国来说更为重要。控制SO2排放的工艺按其在燃烧过程中所处位置可分 为燃烧前、燃烧中和燃烧后脱硫三种。 燃烧前脱硫主要是洗煤、 煤的气化和液化。 洗煤可用作脱硫的辅助手段，经济适用的煤气化和液化技术在进一步开发之中。 就燃烧中脱硫的型煤和

15、循环流化床燃烧来说，燃用型煤比直接燃用原煤节煤又干 净，较多用于中小锅炉上。 当前应用的脱硫方法，大致可分为两类，即干法脱硫和湿法脱硫 。 干法脱硫： 该法是用粉状、 粒状吸收剂， 吸附剂或催化剂去除废气中的二氧 化硫。干法的最大优点是治理中无废水、废酸排出，减少了二次污染；缺点是脱 硫效率低，设备庞大，操作要求高。 湿法脱硫：该法是采用液体吸收剂如水或碱溶液洗涤含二氧化硫的烟气，通 过吸收去除其中的二氧化硫， 湿法脱硫所用设备较简单， 操作容易， 脱硫效率较 第 7 页 共 36 页 高。但脱硫后烟气温度降低， 于烟囱排烟扩散不利。 由于使用不同的吸收剂可获 得不同的副产物而加以利用，因此湿

16、法是全国研究最多的方法。 湿法脱硫效率较高，而且设备简单，操作运行方便，运行成本低，产生的副 产物如硫酸盐和压硫酸盐， 可回收利用， 作为工业原料。 所以在本设计中选取湿 法脱硫。 三、吸收设备：板式塔与填料塔的比较 一般为了强化吸收过程，降低设备的投资和运行费用，要求吸收设备应满 足以下基本要求： 1. 气液之间应有较大的接触面积和一定接触时间； 2. 分离效率高；操作稳定，弹性大； 3. 对气体的阻力小； 4. 结构简单，制作维修方便，造价低廉； 5. 相应的抗腐蚀能力和防堵塞能力。 常用的吸收设备有喷淋塔、填料塔、板式塔、湍流塔、鼓泡塔等。这里我们 主要比较板式塔和填料塔各自的特点： 板

17、式塔内沿塔高装有若干层塔板( 或称塔盘 ) ， 液体靠重力作用由顶部逐板流 向塔底，并在各块板面上形成流动的液层；气体则靠压强差推动， 由塔底向上依 次穿过各塔板上的液层而流向塔顶。气、液两相在塔内进行逐级接触， 两相的组 成沿塔高呈阶梯式变化。 填料塔内装有各种形式的固体填充物，即填料。液相由塔顶喷淋装置分布于 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 续地变化。 目前在工业生产中， 当处理量大时多采用板式塔， 而当处理量较小时多采用 填料塔。蒸馏操作的规模往往较大， 所需塔径常达一米

18、以上， 故采用板式塔较多； 吸收操作的规模一般较小，故采用填料塔较多。 第 8 页 共 36 页 板式塔与填料塔的比较 项目 塔型 备注 板式塔填料塔 造价 600 以下，安装 较困难 普通填料塔 800以下造价 一般较板式塔便宜， 直径大 则昂贵 由于填料塔造价随体 积几乎正比的增大， 单位体积造价降低 分离效 率 每块塔板的效率 较稳定，大塔效率 比小塔效率有所 提高 工业塔等板高度与板式塔 差不多，但塔径增大效率下 降，高效填料可以达到高的 分离效率，有利于塔高降低 生产能 力 允许空塔速度较 高，生产能力较大 允许空塔速度较高， 生产能 力较小 压降压降较大压降小，尤其是丝网填料 操作

19、弹 性 浮阀，泡罩等具有 大的操作弹性 操作弹性较小 填料塔采用鲍尔环等 操作弹性有了扩大 液气比 L/V 的 范围 液气比的适应范 围大 小的 LV 时，分离效率差 版式塔中， 虽然 L 小， 仍能保持一定液层， 填料塔中喷淋密度太 小，就不能充分润湿 清洗的 方便性 清洗较方便清洗费时 对腐蚀 介质的 适应性 因结构复杂，较难 用防腐蚀材料制 作，但无溢流栅板 塔等可以 易用防腐蚀材料制作 塔中持 液量 持液量大 持液量小，尤其是高效丝网 填料有利于精密分离 塔中换可以实现困难 第 9 页 共 36 页 热的可 能性 材料要 求 一般用金属材料 制作 可用非金属耐腐蚀材料 安装维 修 较容

20、易较难 重量较轻重 根据板式塔与填料塔的特点比较，以及根据设计的条件和要求， 本次设计应 采用填料塔最为合适。 四、填料塔的结构：示意图 填料塔也是一种重要的气液传质设备。它的结构很简单， 在塔体内充填一定 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。液体自填料层 顶部分散后沿填料表面流下而润湿填料表面；气体在压强差推动下， 通过填料间 的空隙由塔的一端流向另一端。 气液两相间的传质通常是在填料表面的液体与气 相间的界面上进行的。 塔壳可由陶瓷、金属、玻璃、塑料制成，必要时可在金属筒体内衬以防腐材 料。为保证液体在整个截面上的均匀分布，塔体应具有良好的垂直度。 填料塔不仅结构

21、简单， 而且有阻力小和便于用耐腐材料制造等优点，尤其对 于直径较小的塔、 处理有腐蚀性的物料或要求压强降小的真空蒸馏系统，填料塔 都表现出明显的优越性。 另外，对于某些液气比甚大的蒸馏或吸收操作，若采用 板式塔，则降液管将占用过多的塔截面积，此时也宜采用填料塔。 主要结构如下所示： 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，需要时应能耐腐 蚀 填料 气液两相的接触元件，实现过程 操作的关键结构 具有一定的强度，比表面积大，空隙 率大，可使气、液的处理量大气体压 第 10 页 共 36 页 力降低 填料支承支承填料，并使气流分布均匀自由截面积大，应=65% 。强度大

22、液体分布器使液体均匀地喷淋在填料上喷洒均匀，防堵 再分布器 为防止液体的壁流效应，填料层 需要分段，在段间使液体集中再 重新分布 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 除雾器 防止气速过大， 在塔顶出塔的气 体中带出大量液体 除雾效率高，压力降小 结构示意图如下所示： 第 11 页 共 36 页 五、工艺流程及工艺流程图 气体从填料塔的下端由鼓风机1 鼓入，吸收液由填料塔上端进入从塔底流 出，进行充分的接触、吸收。送入贮液槽2 中加药、沉淀，然后被水泵打到进水 管，循环进行吸收。 在进水管处装有转子流量计4，测量进液管中吸收液的流量。 、鼓风机 2 、吸收塔

23、3 、贮液槽 4 、转子流量计 5 、水泵 第 12 页 共 36 页 第三部分吸收塔的工艺计算（L、P、D、H） 一、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 y1=7.6；出口气体量 y2=0.145 低浓度吸收时： Y1= y1 Y2= y2 进口液体不含二氧化硫所以x2=0 水吸收 SO 2平衡曲线 y = 40.516x + 0.0015 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 00.00050.0010.00150.0020.00250.003 SO2在水中的摩尔分数 S O 2 在 空 气 中 的 摩 尔

24、分 数 平衡线 操作线 线性 ( 操作线) 由 H2O SO2在常压 20 oC的平衡数据，得 X 1 * =0.00276 min L G = 12 12 YY XX = 0-0.00276 00145.0076.0 =27.011 低浓度时有 G B G=90 kmol/h 吸收剂的最小用量： min L= min L G G=27.01190=2430.99（kmol/h ） L=(1.1 2.0) min L，取 L=1.5 min L 吸收剂实际用量为L=1.52430.99=3646.485 （kmol/h ） 第 13 页 共 36 页 逆流吸收塔操作示意图如下： X：表示水中含

25、有溶质的摩尔分数 Y：表示空气中含有溶质气体的摩尔分数 二、气液相进出口组成 1、气相进口组成 组成 入口 质量流速 （kg/h ） 质量百分比 (Wt%) 摩尔流量 (kmol/h) 摩尔百分比 (mol%) 空气2411.64 84.64 83.16 92.4 SO2 437.76 15.36 6.84 7.6 H2O 2849.40 100 90 100 2、气相出口组成 组成 出口 质量流速 （kg/h ） 质量百分比 (Wt%) 摩尔流量 (kmol/h) 摩尔百分比 (mol%) 空气2411.64 98.8144 83.16 98.468 SO2 7.84 0.3212 0.12

26、25 0.145 H2O 21.096 0.8644 1.172 1.388 2440.576 100 84.4545 100 Y X X1 Y1 X2 Y2 第 14 页 共 36 页 3、液相进口组成 组 成 入口 质量流量 （kg/h ） 质量 百分比 (Wt%) 摩尔 流量 (kmol/h) 摩尔 百分比 (mol%) SO2 H2O 65636.731003646.485 100 65636.731003646.485 100 4、液相出口组成 组成 出口 质量流速 （kg/h ） 质量百分比 (Wt%) 摩尔流量 (kmol/h) 摩尔百分比 (mol%) SO2 429.92 0

27、.651 6.7175 0.184 H2O 65615.634 99.349 3645.313 99.816 66045.554 100 3652.0305 100 三、填料的选择 填料是填料塔的核心。填料塔操作性能的好坏， 与所选用的填料有直接关系。 填料的种类很多，可分为实体填料和网体填料两大类。前者有拉西环、鲍尔环、 鞍形、波纹填料等。 塔填料的选择是填料塔设计重要的环节之一。塔设备内装入 填料的目的是增加两种介质的接触表面积，从而促进传质过程的进行。 良好的填料，应具有下列特性： (1)单位容积的重量要小 ( 其数值成为容重，根据填料的堆积方法，即 乱堆或整砌而不同 )，这样可使塔设备

28、的自重减低， 基础的负荷减轻 . 这一特性常 以符号 填( 公斤力 / 米 3 ) 表示之。 (2)比表面积要大 ( 其数值也因填料的堆砌方法而不同)，比表面积就是 第 15 页 共 36 页 单位体积填料的总表面积， 常以 a( 米 2 / 米 3 )表示之 . 比表面积大即意味着气液的 接触表面大， 有利于传质的进行 ; 亦即操作时可容许较高的气、 液体的流速 . 但必 须注意填料的真正气液接触表面，并不一定与比表面积成正比例， 而决定于喷淋 液所实际润湿的表面，且也和喷淋液在填料层中的分布有关。 (3)空隙体积要大 ( 其数值也因填料的堆积方法而不同)，空隙体积亦称 自由体积，就是单位体

29、积填料中的总空隙量，常以V(米 3 / 米 3 )表示之。 (4)要有较高的空隙率。单位体积填料层所具有的空隙体积称为填料的 空隙率。以 表示，其单位为 m 3/m3 。一般说来，填料的空隙率多在 0.45 0.95 范围以内。当填料的空隙率较高时，气、液通过能力大且气流阻力小，操 作弹性范围较宽。 (5)制造容易，价格低廉。 (6)具有化学耐蚀性。 (7)具有足够的机械强度，不易破裂，否则损耗变，检修频繁，增加操 作费用。 填料的几何特性数据： 填料的几何特性数据主要包括比表面积、空隙率、填料因子等， 是评价填料 性能的基本参数。 填料性能的优劣通常根据效率、通量及压降三要素衡量。 在相 同

30、的操作条件下， 填料的比表面积越大， 气液分布越均匀， 表面的润湿性能越好， 则传质效率越高；填料的空隙率越大，结构越开敞，则通量越大，压降亦越低。 填料名称特性 拉西环填料 拉西环填料是最早提出的工业填料，其结构为外径与高度 相等的圆环，可用陶瓷、塑料、金属等材质制造。拉西环的缺 点是结构不敞开，有效空隙率比实际空隙率小得多，故压力降 较大；布液能力差，堆放后整个床层不易宜均匀；向壁偏流严 重。 鲍尔环填料 鲍尔环是在拉西环的基础上改进而得。其结构为在拉西环 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 第 16 页 共 36

31、 页 在环中心相搭，可用陶瓷、塑料、金属等材质制造。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，具有生产能力大、阻 力低、效率高、操作弹性大等特点。在一般情况下，同样压降 时，处理量可以比拉西环大50% 以上；同样处理量时，压降可相 应降低；传质效率可提高 20% 左右，故鲍尔环是目前适用于工业 大塔的一种良好填料。 阶梯环填料 阶梯环是今年来新发展的填料。阶梯环是对鲍尔环的改进。 与鲍尔环相比，阶梯环高度减少了一半，并在一端增加了一个 锥形翻边。由于高径比减少，使得气体绕填料外壁的平均路径 大为缩短，减少了气体通过填料层的阻力。锥形翻

32、边不仅增加 了填料的机械强度，而且使填料之间由线接触为主变成以点接 触为主，这样不但增加了填料间的空隙，同时成为液体沿填料 表面流动的汇集分散点，可以促进液膜的表面更新，有利于传 质效率的提高。阶梯环的综合性能优于鲍尔环，成为目前所使 用的环形填料中最为优良的一种。 弧鞍填料 弧鞍填料属鞍形填料的一种，其形状如同马鞍，一般采用 瓷质材料制成。弧鞍填料的特点是表面全部敞开，不分内外， 液体在表面两侧均匀流动，表面利用率高，流道呈弧形，流动 阻力小。其缺点是易发生套叠，致使一部分填料表面被重合， 填料表面不能得以充分利用，在流体力学和传值性能方面均不 如弧鞍填料。弧鞍填料强度较差，容易破碎。目前国

33、内这种填 料使用较少。 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； 强度也较好。它的流体阻力小，处理物料能力大，传质效率高， 比鲍尔环制造方便，是一种性能良好的填料。 环矩鞍填料 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 第 17 页 共 36 页 又称为金属环矩鞍填料。环矩鞍填料将环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，是工业 应用最为普遍的一种金属散装填料。 共轭环 共轭环是华南理工大学开发的一种新型填料，是

34、一种高效 散堆填料，这种填料的特点是：在塔内堆放时不会发生沿轴 向重叠。其内肋结构呈共轭形状，在塔内堆放时很均匀，故 使液体在填料表面上的分布均匀。相邻填料的内肋与表面接 触的点多，可以加速液体的聚散和表面更新。以上特点使共轭 环对流体的阻力小，而提供气、液相接触的表面大，从而改善 了填料的流体力学和传质性质。制造共轭环填料所需金属和塑 料用量在相同传质单元高度及塔径下比目前工业上使用的各种 国产散堆填料用量少。 填料的选择是一个复杂的问题： 1）. 填料用材的选择：设备操作温度低，塑料能长期操作无变形，体系对塑 料无溶胀的情况下可考虑塑料，因其价格低廉，性能良好，有较好的耐腐蚀性。 而陶瓷填

35、料一般用于腐蚀性介质，金属填料一般耐高温， 但价格昂贵。 是水吸收 低浓度 SO 2 ，介质具有轻微腐蚀性，所以本次课程设计用陶瓷填料。 2）. 填料类型的选择： 要在众多的填料中选出最适宜的塔填料，须对这些填 料在规定的工艺条件下， 做出全面的技术经济评价。 因为乱堆填料较规则填料经 济，所以本次课程设计采用乱堆填料法。对于不同类型的乱堆填料， 同样的尺寸、 材质的鲍尔环在同压降、 处理量比拉西环达50% 以上，效率高出 30% 以上。但是， 本次课程设计的处理量较小，用鲍尔环浪费，所以本次课程设计选用拉西环。 3）. 填料尺寸的选择：一般来说，填料尺寸小，单位堆积体积的数目增加， 填料层的

36、比表面积增大而空隙减小，气体的流动阻力相应增加。 实践证明， 塔径 与材料外径的合适比值有一个限值，瓷拉西环为20-30。 拉西环填料是最古老、最典型的一种填料。由于它结构简单，制造容易，价 格低廉，性能数据较齐全以及机械强度高，因此，长久以来，尽管它存在严重缺 点，但仍受厂家欢迎，沿用至今。 第 18 页 共 36 页 综上考虑，本次课程设计用的填料是：瓷拉西环Dg25 。其： 外径 d=25mm 比表面积 at=190(m 2 /m 3 ) 空隙率78.0(m 3 /m 3 ) 堆积密度 p=505(kg/m 3 ) 临界表面张力L=61(dyn/cm)=6.1 10 2 (N/m) 湿填

37、料因子 =400 (1/m) 四、吸收塔的 塔径和压强的计算： 1、塔径的计算： 液相的质量流速 W L =65636.73kg/h 气相的质量流速 WG=2849.40kg/h 气体的密度G=1.383kg/m 3 液相的密度L=998.2 kg/m 3 埃克特通用关联图的横坐标X=W l W G L G = 40.2849 73.65636 2.998 383.1 =0.86 查乱堆填料塔液泛速度通用关联图，横坐标X=0.86 的纵坐标为 Y=0.0267 纵坐标公式 Y= L LG g V 2 0 式中：=400m 2 /m 3 为液体校正系数，水的密度和液体的密度之比 将各项数据代入公

38、式经计算，得 液泛气速 Vf=0.7m/s 实际气速取泛点气速的50% 80% ，取 65% 操作气速 V=Vf70%=0.765%=0.455m/s 第 19 页 共 36 页 气体处理量 Qv= G G = 383.1 40.2849 =2060.30（m 3/h ）=0.5723(m3 /s) 塔径 DT= 4 V Q V = 455.014. 3 5723.04 =1.2658m 圆整为 DT=1.2m 则塔截面面积 A= 4 2 T D = 4 2 2 .1=1.1304（m 2） 由 DT=1.2m，计算实际操作的空塔气速： V= 2 4 V T Q D = 2.12 .114.3

39、 5723.04 =0.0.506m/s 安全系数 f V V = 7.0 506.0 =0.723=72.3% 范围在 50% 80% ，所以符合要求 计算最小喷淋密度，因填料尺寸小于75mm ，故取 (L W)min =0.08 m 3 /(mh) Lmin=(L W)minat=0.08190=15.2m 3 /(m 2 h) 操作条件下的喷淋密度为： L= 1304.11000 27155 =24.02m 3 /(m 2 h) 15.2m 3 /(m 2 h) 校核 d DT = 025.0 2 .1 =4830 可以避免避流现象 2、压降的计算 为求压降，需找出设计气速V下的纵坐标

40、Y 现 Y与 YF的差别仅是气速不同 Y= Y F ( F V V ) 2 =0.0267( 7.0 506.0 ) 2 =0.014 查关联图 Y=0.014， X=0.86 ，点处得：p =392 Pa/m 第 20 页 共 36 页 五、吸收塔塔高的计算： h=HOGNOG 1、气相总传质单元数： NOG=d y 1 y 2 1 yy e y 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； （2）在y1与y2之间任意取定 y值，通过操作线方程得到x； （3）查“ H2O SO2在常压 20下的平衡数据”得 ye； （4）求出 1 yye 的值。 求解过

41、程： (1) 低浓度气体吸收的操作线方程：y= G L x+(y 2 - G L x 2 ) 代入数 据得： y= 90 485.3646 x+(0.00145- 90 485.3646 0) =40.5165x+0.00145 (3) 在 y1与 y2之间任意取定 y 值，通过操作线方程得到x x 0 0.0000564 0.0001405 0.000281 y 0.00145 0.00374 0.00714 0.0128 ye0 0.00066 0.0018 0.0042 1 y y e 689.655 324.675 179.856 116.279 x 0.000423 0.000564

42、 0.000845 0.001840 y 0.01859 0.0243 0.0357 0.076 ye0.00763 0.0112 0.0185 0.0474 第 21 页 共 36 页 1 y y e 91.241 76.336 58.140 34.965 (4) 用坐标纸，图解法 ( 以y为横坐标，以 1 yye 为纵坐标，在坐标纸上作图 ) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 00.020.040.060.08 y 1 / ( y - y e ) 由定积分的几何意义，得： NOG= d y 1 y 2 1 yy e y =s 曲面下的面积 计量小格的数目，

43、不满半格不计，超过半格的按一格计，共4092个格，则可 求出NOG =6.138 。 2、气相总传质单元高度 OG H的计算 ( 可通过实际测量和关联式计算等方法实 现). (1) 传质系数关联式： 恩田模型及修正公式单位不换算成国标单位。 在恩田式中：填料的润湿表面积 aw = 有效比表面积 a 第 22 页 共 36 页 0.05 0.10.2 0.75 22 2 1 exp1.45 wtL ttt LL L L aaLL aaa g 式中：填料的润湿表面积 aw =_ m 2/m3 填料的比表面积 a t=190 m 2/m3 液体的质量流量 L =58065.05 kg/（m 2h）

44、填料材质的临界表面张力L=61dyn/cm ( 陶瓷) 液体的表面张力=73dyn/cm =92.71 10 4 kg/h 2 液体的粘度 uL3.6Kg/(mh) 重力加速度 g=1.27*10 8m/h2 代入数据得： t w a a =1-exp(-1.45 ( 73 61 ) 75. 0 ( 6.3190 05.58065 ) 1 .0 ( 82 2 1027.12.998 19005.58065 ) 05. 0 ( 1901071.922.998 05.58065 4 2 ) 2. 0 =0.69 a w=0.69at =0.69190=131.1m 2 /m 3 (2) 气相传质系

45、数公式： 1 0.7 3 1.1 0.237 t GG G t GGG a DV k aDRT 式中：气体的质量流量 V=2520.70 kg/(m 2/h 气体粘度 G = 0.0652 kg/(m?h) 气体扩散系数 DG = 0.0393m 2/s 液体扩散系数 DL = 6 5.3 10 m 2/s R=8.314kJ/(kmol*K) 气体密度 G = 1.383kg/m 3 第 23 页 共 36 页 温度 T = 298 K 填料的环状修正系数=1 ( 拉西环 ) 代入数据计算得； k G =0.237( 0652.0190 70.2520 ) 7. 0 ( 0393.0383.

46、1 0652.0 ) 3/1 ( 298314.8 0393.0190 ) 1 1.1 =0.0312(kmol/m 2 hkpa) (3) 液相传质系数公式： 21 0.5 33 0.4 0.0095 LL L wLLLL gL k aD 式中：液体粘度 L = 3.6kg/(m?h) L =0.0095 ( 6.31 .131 05.58065 ) 3/2 ( 6 103.52 .998 6.3 ) 5.0 ( 2 .998 1027.16.3 8 ) 3/1 1 4 . 0 =0.694 当 V 50%Vf时，须对上两式求出的 kL 、kG进行修正 实际气速 V=0.506m/s， 则

47、V= 7.0 506.0 V f =72.3%， V f 50%Vf ， 所以需对 kL 、 kG进行修正： x G =1+9.5( f v v -0.5) 4.1 =1+9.5(0.723-0.5) 4. 1 =2.198 x L=1+2.6( f v v -0.5) 2.2 =1+2.6(0.723-0.5) 2. 2 =1.096 所以： k La=xLkLaw=1.0960.694131.1=99.718 k G a=x G k G a w =2.1980.0312131.1=8.991 根据 akG 1 = ak H L + akG 1 其中 2 46.9/HkPamkmol 第 2

48、4 页 共 36 页 代入数据得： akG 1 = 718.99 9 .46 + 991.8 1 即得 k G a=1.720 HOG= aAPk G G = 325.1011304.1720.1 16.83 =0.422 OGOG hHN=0.4226.138=2.590m 安全系数为 1.3 1.7 ，取 1.5 ，则 实际填料高度 h=1.52.590=3.89m 圆整为： h=4m ，不需要分层 压降 P=392kPa/m 4m=1568kPa 第 25 页 共 36 页 第四部分填料塔的设计计算 一、塔体的组成： 填料塔由塔底段、吸收段、塔帽三部分组成。 1、塔底段（进气段、贮液槽段

49、） 塔底段的主要组件有：进气管、贮液槽、进液管、供水管、放空管、维修人 孔、窥视镜（一对） 2、吸收段 吸收段的主要组件有：支承板、填料、维修人孔、气液再分布器、填料投加 口、进液管、布水器、除雾板 3、塔帽：排气管 二、塔体各部分的设计计算： 1、塔底段（进气段、贮液槽段）H1 （1）贮液槽：贮液槽的主要作用是贮存吸收液，在吸收液循环的过程中可 以起到一个缓冲的作用， 使吸收液的流量均匀。 在贮液槽中可以对吸收液进行加 药，去除吸收液中的二氧化硫，使吸收液可以循环利用。 取有效液面高度 1 a =700mm（500-1000mm） 则贮液槽的容积为： V= 1 Aa=1.1304 0.7=0.8m 3 （2）进气管：进气管管径的选取，影响到气体进入时的流速，选取较小的 管径，气体流速大，不利于气体在气体分布器上的分布；选取较大管径，气体流 速较小，有利于气体在塔内的均匀分布，使气液结合充分。 一般可将进气管做成 斜切口以改善气体分布或采用较大管径使其流速降低，达到