填料塔脱硫系统课程设计.docx

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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：2X10em3/h.烟气成分：SO2浓度5000mg/m3烟气平均分子量：30.5烟气温度：150

2、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SO2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25 C ,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a=60.75

3、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。填料塔不仅结构简单，而

4、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、莲蓬头是喷洒器、

5、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 m3.； 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。填料塔的空塔气速不宜过大，一般取0.51.

6、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SO 浓度：C = 5000mg / m32.1.1 已知：烟气流量：Q。=2，106 m3/ h烟气的平均分子量：M0 = 30%/kmol烟气温度：T =150 C烟气压力：P =1.01x106 Pa 02.1.2进入吸收塔烟气的总摩尔流量：V Q 273 P _ 2 x106 273 101=2204 273 + T 101.325Pa 22.4 * 273 +150 * 101.325 0计算得：V=57439.28kmol/h烟气质量流量： v = V M0 = 574

7、39.28 x 30.5=1751898.04kg/h烟气密度： _ 1751898.04=0.8759kg / m3SO2的质量流量:o = Q0C0 = 2 x106 m3 / h x 5000mg / m3 = 10000kg / ho10000kg/h进入吸收塔SO2烟气的摩尔流量：匕。=m = 64g/moi T56.25kmol/h2SO22.2吸收液的设计计算2.2.1已知：吸收液密度:P = 1000kg / m3平均分子量：M = 18kg / kmol液气比：L/G=4L/ m 3222 吸收液的体积流量：VL0 = Lg - Q0 = 4 x 2 x106 = 8 x10

8、6LIh吸收液的质量流量：OL = VL PL = 8x 106L/ h x 1000kg /m3 = 8 x 106kg / ho _8 X106吸收液的摩尔流量：VL = 寸 =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：ov = 1751898.04kg /h烟气密度：p = 0.8759kg/m3液体的质量流量：o L = 8X106kg / h液体密度：p L = 1000kg /m3填料因子：4=110/m 液体粘度：u = 0.903mPa - s 重力加速度：g=9.81m/s2 Lp 1000 液体校正系数：W=- =1P

9、液10002.3.2泛点气速的计算采用埃克特关联图计算泛点气速c M.5o通用关联图的横坐标为foVP L u 叩M p 1.纵坐标1 日0.2g PL J L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uF。若已知气液两相流量比及各自的密度，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 。F横坐标YVc 、0.5P L )8 X1061751898.04(0.8759 V5 x 1000 )总 0.135由设计要求可知，采用乱堆填料 查

10、埃克特通用关联图得：PL 泛点气速：吁=0.m_ ：0.14gp, _ 0.14 x 9.81x1000F : WPv *2 丫 110x 1x 0.8759 x(0.903.2 = S则空塔气速：u= UF-85%=3.24m/s2.3.3塔径的计算塔径为：14.77m八 41 4 x 2 X106D 知=,兀 u 冗X 3.24 X 3600圆整塔径，取15m泛点率校核： V2 X106空塔气速：u 亦t 3.14m / s云-D2 -152.3600泛点率：u 3.14 一一82.4%（ 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 J. .8m3

11、 / （m - h）（L ）min :最小润湿速率。所谓最小润湿速率，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，可取匕） = 0.08m3 /（m- h）；对于直径大于75mm的环形填料，应取0.12m3 /（m - h）。）填料的比表面积 ： 75m2/m3则：最小喷淋密度：U . = 0.08 x 75 = 6m3/(m2 - h)操作条件下的喷淋密度U：u =端./H5J.27m 3/（m 2 -h）计算可知：U Umin所以，塔径选15m合理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=57439.28k

12、mol/h气象压强：P = 1atm脱硫效率：门=99.9%3= 5% p l = 1000kg / m3M = 18kg / 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气膜传质分系数：k = 1.89 x 10-5kmol / m2 - s - kPa液膜传质分系数匕=3.54 x 10 -4 m / s进入吸收塔总烟气中咔的摩尔分数：y邕=156.25 = 0.00272V 57439.28SO烟气进口 Sq分压:=y1 - P0 = 0.00272 x 101kPa = 0.27472kPa烟气出口 Sq分压:P2 = PG - 99.9%）=

13、0.27472 x 0.001 = 2.7472 x10-4 kPaAi液相总浓度:n m p 1000=55.56kmol / m3V M l - V M l18塔顶处：CB21000 xsp& = 1000ml /1 x 5% x 1000kg / m3 =半株硕/”M l mo mL18Rg / kmol由设计资料可以知道，NaOH与SO2发生极快不可逆反应。吸收塔进口液相吸收质浓度& = 0所以，进行即快速不可逆化学吸收，化学反应式为:SO2 + 2NaOH Na2SO3 + H O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:GP -p )=-1 上(C -

14、c)A2b C b B2T代入已知数据得:=2.85 - 0.08PA用此关系可求出塔底处C :BCb = 2.85 0.08 x 0.27472 = 2.83kmol / m3计算一下塔底和塔顶的临界浓度：令DA= Db 则在塔顶：D k1.89 x10-5 kmol / m2 - s - Pa ,C = b-kPA = 2xlx3 54 0x2.7472x10-4kPa2B L 2计算得：C = 2.93 X10-5 kmol / m3仞2在塔底：D k1.89 x10-5 kmol / m2 - s - kPa ,C = b/-gP = 2x1x3 54 0/x0.27472kPa1B

15、L 1计算得：C = 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 a = k a - P气体摩尔流量:VG =兀 一D 24k - a = 1.89 x10-5 x 60.75 = 1.15 x10-3 kmol / m3 - s - kPa kL - a = 3.54 x10-4 x 60.75 = 2.15 x10-2S-157439.28kmol / h()=0.0903kmol / m2 - S兀1一x152 m 24所以填料层高度为:h = G

16、j Pa1PA?-dP = (n P - In P )k aP Pk a AA2G AG0.0903101.325 x1.15 x10-3(n 0.27472 In 2.7472 x10-4= 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询/Z的值。空塔气速：u=3.14m/s横坐标为：兰l 心广=0.135，一 u2WP)3.142 xlxllO

17、 (0.8759)八八” 八八。纵坐标：V 日0.2 =x X 0.9032 = 0.08g 3 尸L9.81 1000 J由埃克特关联图可知：Ap/Z = 120x9.81尸。/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q = 4m塔釜液所占空间高度，取h = 8.65m2塔下部空间高度，取h3 = 5m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=15

18、m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：Aisnn闵 、 浪体出口三、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

19、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，还要保证脱硫效率在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

20、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，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1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