水吸收烟气中SO2的填料塔设计方案

1 水吸收烟气中 填料塔 设计方案 2. 设计任务 ： 1， 处理能力： 900 m3/h （ 20， 1 2， 操作温度：常压， t=30 3， 进料组成： 量 9%（体积），其余为空气 4， 工艺要求：出塔气中 量不高于 积） 出塔液中 量不低于 质量） 5， 设备形式：填料塔 3. 设计内容： 1，设计方案的确定及流程说明 2，填料的工艺设计 3，填料的结构设计 4，填料塔的强度设计 5，其它主要设备 收技术概况 在化学工业中，利用不同气体组分在液体溶剂中的溶解度的差异，对其进行选择性溶解，从而将混合物各组分分离的传质过程称为吸收。气体吸收过程是化工生产中常用的气体混合物的分离操作，其基本原理是利用混合物中各组分在特定的液体吸收剂中的溶解度不同，实现各组分分离的单元操作。 实际生产中，吸收过程所用的吸收剂常需回收利用，故一般来说，完整的吸收过程应包括吸收和解吸两部分，因而在设计上应将两部分综合考虑，才能得到较为理想的设计结果。作为吸收过程的工艺设计，其一般性问题是在给定混合气体处理量、混合气体组成、温度、压力以及分离要求的条件下，完成以下工作： 2 （ 1）根据给定的分离任务，确定吸收方案； （ 2）根据流程进行过程的物料和热量衡算，确定工艺参数； （ 3）依据物料及热量衡算进行过程的设备选型或设备设计； （ 4）绘制工艺流程图及主要设备的工艺条件图； （ 5）编写工艺设计说明书。 收过程对设备的要求及设备的发展概况 近年来随着化工产业的发展，大规模的吸收设备已经广泛用于实际生产过程中。对于吸收过程，能够完成分离任务的塔设备有多种，如何从众多的塔设备中选择合适类型是进行工艺设计的首要任务。而进行这一项工作则需对吸收过程进行充分的研究后，并经多方面对比方能得到满意的结果。一般而言，吸收用塔设备与精馏过程所需要的塔设备具有相同的原则要求，用较小直径的塔设备完成规定的处理量，塔板或填料层阻力要小，具有良好的传质性能，具有合适的操作弹性，结构简单，造价低，便于安装、操作和维修等。 但是 吸收过程，一般具有液气比大的特点，因而更适用填料塔。此外，填料塔阻力小，效率高，有利于过程节能。所以对于吸收过程来说，以采用填料塔居多。近年来随着化工产业的发展，大规模的吸收设备已经广泛用于实际生产当中。具有了很高的吸收效率，以及在节能方面也日趋完善。填料塔的工艺设计内容是在明确了装置的处理量，操作温度及操作压力及相应的相平衡关系的条件下，完成填料塔的工艺尺寸及其他塔内件设计。在今后的化学工业的生产中，对吸收设备的要求及效率将会有更高的要求，所以日益完善的吸收设备会逐渐应用于实际的工业生产中。 收 在工业生产中的应用 收的应用概况 在化工生产中，原料气的净化，气体产品的精制，治理有害气体保护环境等方面得到了广泛的应用，在研究和开发过程中，在方法上多从吸收过程的传质速率着手，希望在整个设备中，气液两相为连续微分接触过程，这一特点则与填料塔得到了良好的结合，由于填料塔的通量大，阻力小，使得其在某些处理量大要求压降小的分离过程中备受青睐，尤其近年高效填料塔的开发，使得填料塔在分离过程中占据了重要的位置。吸收在化工的应用大致有以下几种： （ 1） 原料气的净化。 （ 2） 有用组分的回收。 （ 3） 某些产品的制取。 （ 4） 废气的处 理。 3 型吸收过程 煤气脱苯为例 :在炼焦及制取城市煤气的生产过程中，焦炉煤气内含有少量的苯、甲苯类低碳氢化合物的蒸汽（约 35 3/ 应予以分离回收，所用的吸收溶剂为该工业生产过程中的副产物，即焦煤油的精制品称为洗油。 回收苯系物质的流程包括吸收和解吸两个大部分。含苯煤气在常温下由底部进入吸收塔，洗油从塔顶淋入，塔内装有木栅等填充物。在煤气与洗油接触过程中，煤气中的苯蒸汽溶解于洗油，使塔顶离去的煤气苯含量降至某允许值 (3/2 ，而溶有较多苯系物质的洗油 (称富油 )由吸收塔底排出。为取出富油中的苯并使洗油能够再次使用 (称溶剂的再生 )，在另一个称为解吸塔的设备中进行与吸收相反的操作 此，可先将富油预热到 170C 左右由解吸塔顶淋下，塔底通入过热水蒸气。洗油中的苯在高温下逸出而被水蒸气带走，经冷凝分层将水除去，最终可得苯类液体（粗苯），而脱除溶质的洗油（称贫油）经冷却后可作为吸收溶剂再次送入吸收塔循环使用 . 吸收过程的设计方案主要包括吸收剂的选择、吸收流程的选择、解吸方法选择、设备类型选择、操作参数的选择等内容 02属中等溶解度的吸收过程，为提高传质效率，选用逆流吸收流程。因用水作为吸收剂，且 采用纯溶剂。 收方法及吸收剂的选择 收方法 完成同一吸收任务，可选用不同吸收剂，从而构成了不同的吸收方法，如以合成氨厂变换器脱 配合焦炉气为原料的制氢工艺，宜选用水，碳酸丙烯酯，冷甲酸等作吸收剂，既能脱 能脱除有机杂质。后继配以碱洗和低温液氨洗构成了一 个完整的净化体系，若以天然气为原料制 2时，宜选用4 催化热碳酸钾溶液作吸收剂，净化度高。后继再配以甲烷化法，经济合理。其中，前者为物理吸收，后者则为化学吸收。一般而言，当溶剂含量较低，而要求净化度又高时，宜采用化学吸收法；若溶质含量较高，而净化度又不很高时，宜采用物理吸收法。 收剂的选择 : 对于吸收操作 ,选择适宜的吸收剂 ,具有十分重要的意义 一般情况下 ,选择吸收剂 ,要着重考虑如下问题 . (一 )对溶质的溶解度大 所选的吸收剂多溶质的溶解度大 ,则单位量 的吸收剂能够溶解较多的溶质 ,在一定的处理量和分离要求下 ,吸收剂的用量小 ,可以有效地减少吸收剂循环量 ,这对于减少过程功耗和再生能量消耗十分有利 在同样的吸收剂用量下 ,液相的传质推动力大 ,则可以提高吸收效率 ,减小塔设备的尺寸 . (二 )对溶质有较高的选择性 对溶质有较高的选择性 ,即要求选用的吸收剂应对溶质有较大的溶解度 ,而对其他组分则溶解度要小或基本不溶 ,这样 ,不但可以减小惰性气体组分的损失 ,而且可以提高解吸后溶质气体的纯度 . (三 )不易挥发 吸收剂在操作条件下应具有较低的蒸气压 ,以避免吸收过程中吸收剂的损失 ,提高吸收过程的经济性 . (四 )再生性能好 由于在吸收剂再生过程中 ,一般要对其进行升温或气提等处理 ,能量消耗较大 ,因而 ,吸收剂再生性能的好坏 ,对吸收过程能耗的影响极大 ,选用具有良好再生性能的吸收剂 ,往往能有效地降低过程的能量消耗 . 以上四个方面是选择吸收剂时应考虑的主要问题 ,其次 ,还应注意所选择的吸收剂应具有良好的物理、化学性能和经济性 不易发泡 ,以保证吸收剂具有良好的流动性能和分布性能 指其具有良好的化学稳定性和热稳定性 ,以防止在使用中发生变质 ,同时要求吸收剂尽可能无毒、无易燃易爆性 ,对相关设备无腐蚀性 (或较小的腐蚀性 ) 作参数的选择 作温度的选择 对于物理吸收而言 ,降低操作温度 ,对吸收有利 所以一般情况下 ,取常温吸收较为有利 5 对于化学吸收 ,操作温度应根据化学反应的性质而定 ,既要考虑温度对化学反应速度常 数的影响 ,也要考虑对化学平衡的影响 ,使吸收反应具有适宜的反应速度 . 对于再生操作 ,较高的操作温度可以降低溶质的溶解度 ,因而有利于吸收剂的再生 . 作压力的选择 对于物理吸收 ,加压操作一方面有利于提高吸收过程的传质推动力而提高过程的传质速率 ,另一方面 ,也可以减小气体的体积流率 ,减小吸收塔径 但工程上 ,专门为吸收操作而为气体加压 ,从过程的经济性角度看是不合理的 ,因而若在前一道工序的压力参数下可以进行吸收操作的情况下 ,一般是以前道工序的压力作为吸收单元的操作压力 . 对于化学吸收 ,若过程 由质量传递过程控制 ,则提高操作压力有利 ,若为化学反应过程控制 ,则操作压力对过程的影响不大 ,可以完全根据前后工序的压力参数确定吸收操作压力 ,但加大吸收压力依然可以减小气相的体积流率 ,对减小塔径仍然是有利的 . 对于减压再生 (闪蒸 )操作 ,其操作压力应以吸收剂的再生要求而定 ,逐次或一次从吸收压力减至再生操作压力 ,逐次闪蒸的再生效果一般要优于一次闪蒸效果 . 收因子的选择 吸收因子 A 是一个关联了气体处理量 G ,吸收剂用量 L 以及气液相平衡常数m 的综合的过程参数 . A 式中 G . 吸收因子的值的大小对过程的经济性影响很大 ,选取较大的吸收因子 ,则过程的设备费用降低而操作费用升高 ,在设计上 ,两者 的数值应以过程的总费用最低为目标函数进行优化设计后确定 吸收操作的目的不同 ,该值也有所不同 则 A 值宜在 间 ,一般情况可近似取 A = A 值可以取小于 或气提气用量 )的方法是利用求过程的最小液气比 (对于再生过程求最小气液比 ),进而确定适宜的液气比 ,即 )()()(2121m X m ( e 11 6 对于低浓度气体吸收过程 ,由于吸收过程中气液相量变化较小 ,则有 )( )()( 21 21m in xx e m (1 收塔设备及填料的选择 收塔的设备选择 对于吸收过程 ,能够完成其分离任务的塔设备有多种 ,如何从众多的塔设备中选出合适的类型是进行工艺设计的首要工作 并经多方案对比方能得到较满意的结果 吸收用塔设备与精馏过程所需要的塔设备具有相同的原则要求 ,即用较小直径的塔设备完成规定的处理量 ,塔板或填料层阻力要小 ,具有良好的传质性能 ,具有合适的操作弹性 ,结构简单 ,造价低 ,易于制造、安装、操作和维修等 . 但 作为吸收过程 ,一般具有操作液起比大的特点 ,因而更适用于填料塔 填料塔阻力小 ,效率高 ,有利于过程节能 ,所以对于吸收过程来说 ,以采用填料塔居多 或塔径过大 ,使用填料塔不经济的情况下 ,以采用板式塔为宜 . 料的选择 7 图 3 1几种网体填料的形状 各种填料的结构差异较大，具有不同的优缺点，因此在使用上应根据具体情况选择不同的塔填料。在选择塔填料时，应该考虑如下几个问题： (1) 选择填料材质 选择填料材质应根据吸收系统的介质以及操作温度而定，一般情况下，可以选用塑料，金属，陶瓷等材料。对于腐蚀性介质应采用相应的抗腐蚀性材料，如陶瓷，塑料，玻璃，石墨，不锈钢等，对于温度较高的情况，应考虑材料的耐温性能。 (2) 填料类型的选择 填料类型的选择是一个比较复杂的问题。一般来说，同一类填料塔中，比表面积大的填料虽然具有较高的分离效率，但是由于在同样的处理量下，所需要的塔径较大，塔体造价升高。 （ 3） 对于水吸收 作、温度及操作压力较低，工业上通常选用所了散装填料。在所了散装填料中，塑料阶梯环填料的综合性能较好，故此选用 梯环填料。 8 4 吸收塔的工艺计算 础物性数据 相物性数据 30 时水的有关物性数据： )/( 5 3密度 粘度 )/(0 0 8 0 0 7.0 表面张力 )/( (9 相物性数据 )/( 8 130/mo 摄氏度空气的粘度为：气粘度，直接查得混合气体粘度近似于空：混合气体的平均密度为量为：液平衡数据 K P 8 52 在水中的亨利系数为：时查得常压下 C)/( ak m o 溶解系数为：相平衡常数为：料衡算 9 312121m i i )(/99.0/m o m o 液相组成为：对于纯溶剂吸收过程进）算：（最小液气比可按下式计收，平衡关系为直线，该吸收过程属低浓度吸进塔惰性气相流量为：出塔气相摩尔比为：进塔气相摩尔比为：径的计算 考虑到填料塔内塔的压力降 ,塔的操作压力为 液体密度可以近似取为采用 贝恩 8 o g 查表得出： A= 10 g = 6 7 5 141 =m/s) 取 = m/s) s 圆整后取 D=700 点率校核 5 % 0 09 9 在允许范围内 ) +）填料塔的校正 符合要求 . 料层高度计算： 质单元高度 气膜吸收系数由下式计算： ()()( K 气体质量通量为： )/(2 v 用下气相扩散系数： 查表得知 =11 查表 8得出： = v=(1 3 0 33 1 2()100 9 7. 3 m o 填料润湿表面积： x 0()5(x p 1 ()()(0 0 9 K ( 传质系数： p= C= ) 5 传质单元高度 G 单位塔截面气体流量（ G=（ m 12 4. 相总传质单元数为从而算出来结果： 料层高度 Z 的计算 : 从上面算出来： Z= 料层压降 P 的计算 : 1,填料层压降 :气体通过填料层的压降采用 其中 实际操作气速： u 查表 6工原理 料阶梯环 =115 得每米填料的压降为 180以填料层的压降为 0051801 2，气体进出口压降 :取气体进出口接管的内径为 150气体的进出口流速为： 004 2 则进口压强为 （突然扩大 =1） 22 13 出口压强为 （突然缩小 = 23 3，其他塔内件的压降 :其他塔内件的压降 p 较小 ,在此处可以忽略 . 总压降为： 9 99 0 0321 料塔附属高度计算 : 1， 塔底液相停留时间按 1则塔釜所占空间高度为 1601 21 2，塔上部空间高度： 去标准圆形封头，查表 3工设备课程 00 - 图 4用下公式： H=200N=700而得出 h=25,液体初始分布器和再分布器： 取不液孔数： 120个每平方米 总布液孔数 采用下公式： 14 出口液体的半径： 按理论可以选液体流量为 u= 实际半径： D=表得出进出口的半径 从而得出实际速度： 符合 之间的速度 心泵的计算与选择 a) 流量 1 7 3 b) 流量所需的扬程 2122 ff 中 Z 两截面处位头差； 两截面处静压头之差； 两截面处动压头之差； 1直管阻力； 2管件、阀门局部阻力； 根据前面设计资料对上述公式各项进行估算： 管路总阻力和所需压头计算根据管路的平立面布置，计算所得雷诺数为： 4 0 0 6 1 1 50 0 0 8 0 0 利用柏拉修斯 (系式有： 根据填料塔高及泵的大体位置，管路长 取 10米 15 选用三个 90。 弯头，三个截止阀全开 考虑到安全系数，查得流量的安全系数为 程的安全系数为 1.1 因为该吸收以清水为吸收剂，选用离心泵型号为： 级单吸离心泵， 其性能参数如下（见附录五） 表 3速（ r/ 流量 m3/h 扬程 H /m 效率 /% 功率 /需汽蚀余量 (r /m 轴功率 电机功率 450 50 73 4 料塔的厚度 : 1,圆筒壁厚： 因为气体是属于酸类所以选用材料是不锈钢（铬钢） 0 当时，同体的计算厚度： =设计厚度 考虑到其他受到风载荷，地震载荷，偏心载荷 和介质压力的作用，取名以后度 有效厚度 2,封头厚度： 封头采用标准椭圆形封头，材料与筒体相同 封头厚度 设计厚度 12 16 取名以后度 有效厚度 器质量的计算： 圆筒，裙座和封头的质量： =723.7 件质量： 平台，扶梯质量： 物料质量： 操作质量： 基础物性数据和物料衡算结果汇总： 表 料横算结果 项目 符号 数值与计量单位 吸收剂（水）的密度 L 995.7(kg/溶剂的粘度 L 溶剂表面张力 L 二氧化硫在水中扩散系数 10-9(m2/s) 混合气体的平均摩尔质量 混合气体的平均密度 G 二氧化硫在空气中扩散系数 m2/s) 亨利系数 E 103 气液相平衡常数 m 7 二氧化硫进塔摩尔比 氧化硫出塔摩尔比 性气体摩尔流量 G h ; 吸收剂摩尔流量 L h 液相进口摩尔比 液相出口摩尔比 料塔工艺尺寸计算结果表： 表 艺结果 项目 符号 数值与计量单位 气相质量流量 h 液相质量流量 h 塔径 D 700塔气速 u 泛点率 气相总传质单元数 膜吸收系数 )/(5 k P m o l 液膜吸收系数 )/( 气相总吸收系数 (校正后 ) 液相总吸收系数（校正后） ) 气相传质单元高度 18 填料层高度 Z 5m 填料塔上部空间高度 1填料塔下部空间高度 塔高 布液孔数 n 50点 孔径 位保持管高度 h 1、 英文字母 a 填料层的有效传质比表面积（ m/m） ; 填料层的润滑比表面积m/m； A 吸收因数 ;无因次 ; d 填料直径， 填料当量直径， D 扩散系数， m/s； 塔径 ; E 亨利系数， g 重力加速度， m H 溶解度系数， (m 气相传质单元高度 ，m; 液相传质单元高度， m; 气相总传质单元高度，m; 液相总传质单元高度， m; 气膜吸收系数 , (m 吸收液质量流速 m 喷L 液体喷淋密度 ; m 相平衡常数，无因次 ; 气相传质单元数，无因次 ; 液相传质单元数，无因次 ; 气相总传质系数，无因次 ; 19 液相总传质系数，无因次 ; P 总压， p 分压， R 气体通用常数，; S 解吸因子 ; T 温度， 0C; u 空塔速度， m/s ; 液泛速度， m/s ; 惰性气体流量， s ; 混合气体体积流量， m3/s; 液膜吸收系数 ， 气膜吸收系数， 气相总吸收系数 m 液膜吸收系数， 气相总吸收系数， 液相总吸收系数m 吸收剂用量 h; s; L 是吸收液量 h