填料塔脱硫系统课程设计

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：工艺流程：采用填料塔设计烟气参数：烟气流量：2X106m3/h.烟气成分：S02浓度5000mg/m3烟气平均分子量：30.5烟气温度：150°C烟气压力：1.01X105PA气膜传质分系数K=1.89X10-5kmol/m2.s.kPaG吸收液参数：采用5%（wt%）氢氧化钠水溶液,并假定NaOH与S02发生极快不可逆反应。吸收塔进口液相吸收质浓度为0。PL=1000kg/m3,M=18kg/kmol（平均分子量）L液膜传质分系数kL=3.54X10-4m/s操作参数：泛点率：85%液气比L/G=4L/m3吸收反应温度：60°C气象资料：气温25°C,1atm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=60.75m2/m3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、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10m3.fC-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0.5〜1.5kPa/m，液气比（L/G）为0.5~2.0kg/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2.1.1已知：烟气流量：Q—2x106m31h0SO浓度：2C—5000mg/m30烟气的平均分子量：M—30.5kg/kmol0烟气温度：T0—150°C烟气压力：P—1.01x106Pa02.1.2进入吸收塔烟气的总摩尔流量：Q 273 P 2x106V— 4- - 0 — x273x10122.4273+T101.325Pa 22.4 273+150101.3250计算得：V=57439.28kmol/h烟气质量流量：二V-M0=57439.28x30.5=1751898.04kg/h烟气密度：V1751898.042xV1751898.042x106=0.8759kg/m3SO2的质量流量:w二QC二2x106m3/hx5000mg/m3二10000kg/hv] 0-0w 10000kg/h进入吸收塔SO烟气的摩尔流量：V=J= =156.25kmol/h2 so2M 64g/molSO22.2吸收液的设计计算2.2.1已知：吸收液密度：P二1000kg/m3 平均分子量：M二18kg/kmolLL液气比：L/G=4L/m3222吸收液的体积流量：Vl0=LG-Q0=4x2x106=8x106L/h吸收液的质量流量：w=V-p=8x106L/hx1000kg/m3=8x106kg/hLLL

w 8X106吸收液的摩尔流量：VL=M= 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：w二1751898.04kg/h 烟气密度：P二0.8759kg/m3TOC\o"1-5"\h\zV V液体的质量流量：w二8X106kg/h 液体密度：P二1000kg/m3L L填料因子：0二110/m 液体粘度：卩L二0.903mPa-s重力加速度：g=9.81m/s2LP1000一液体校正系数：屮=-^= =1P1000液2.3.2泛点气速的计算采用埃克特关联图计算泛点气速w通用关联图的横坐标为一*w通用关联图的横坐标为一*wVu即P'纵坐标一g—I■p^巴2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u。若已知气液两相流量比及F

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。F8xl08xl061751898.04f0.8759¥5、1000丿沁0.135由设计要求可知，采用乱堆填料查埃克特通用关联图得：巴2=0.14泛点气速：:严:=:'0.14x9.81x；000\=3.81m/s屮0.2 110x1x0.8759xS.903力.2则空塔气速：u=u-85%=3.24m/sF2.3.3塔径的计算:4x2:4x2x106兀x3.24x3600二14.77m圆整塔径，取15m泛点率校核：V 2x106空塔气速：u= s—= =3.14m/s兀 兀-D2 ・152-36004 4泛点率：u3.14—= =82.4%(<85%在允许范围内)u3.81F由设计资料可知：金属环鞍填料：d=50mmD15000填料规格的校核：亍= =300>8(在允许范围内)d502.3.4核算液体喷淋密度因填料尺寸小于75mm,取6) =0.08m3/(m-h)Wmin(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(L) =0.08m3/(m-h)；对Wmin于直径大于75mm的环形填料，应取0.12m3/(m-h)。)

填料的比表面积b:75m2/m3则： 最小喷淋密度：U=0.08x75=6m3/Cm2-Jmin操作条件下的喷淋密度U：U二船环◎二4527m3/(m2-"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=57439.28kmol/h气象压强：P=1atm脱硫效率：耳=99.9%o=5% p=1000kg/m3LM=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计算可知：U>Umin所以，塔径选15m合理气膜传质分系数：k=1.89x10-5kmol/m2-s-kPaG液膜传质分系数k二3.54x10-4m/sLV156.25进入吸收塔总烟气中SO的摩尔分数：y=-^片= =0.00272烟气进口SO2分压:2 A1V 57439.28烟气进口SO2分压:P二y•P二0.00272x101kPa二0.27472kPaA1 A10烟气出口SO2分压P二P(1-99.9%)=0.27472x0.001二2.7472x10-4kPaA2 A1液相总浓度：100018=55.56kmol/m3塔顶处：CB液相总浓度：100018=55.56kmol/m3塔顶处：CB21000x®・pLML1000ml/lx5%x1000kg/m318kg/kmol=2.78kmol/m3由设计资料可以知道，NaOH与SO发生极快不可逆反应。吸收塔进口液相吸收质浓度C=02 A2所以，进行即快速不可逆化学吸收，化学反应式为：SO+2NaOHTNaSO+HO2 2 3 2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:

代入已知数据得：G(pPAA2代入已知数据得：G(pPAA21——一X

bL

~CT(C-CC二2.85—0.08PBA用此关系可求出塔底处C：B1C二2.85—0.08x0.27472二2.83kmol/m3B1计算一下塔底和塔顶的临界浓度：令D二DAB则在塔顶：Dk 1.89x10-5kmol/m2-s-Pa,C=b-AyP二2xlx x2.7472x10-4kPakp2 DkA2 3.54x10—4m/sBL计算得：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计算得：C二0.0293kmol/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二ka-PAGAk・a=1.89x10-5x60.75=1.15x10-3kmol/m3・s・kPaGk・a=3.54x10-4x60.75=2.15x10-2S-1气体摩尔流量：G=丄气体摩尔流量：G=丄D2457439.28kmol/h ( )一 =0.0903kmol/'m2•Sx152m24所以填料层高度为：h=GJPa1h=GJPa1PZkaPPka A1 A2GA G0.0903101.3250.0903101.325X1.15x10-3(ln0.27472-ln2.7472x10-4=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Ap/Z的值。空塔气速：u=3.14m/su纵坐标：-横坐标为：=0.1353.142xu纵坐标：-横坐标为：=0.1353.142x1x110(0.8759) x U0.2=L 9.81I1000丿x0.9032=0.08由埃克特关联图可知：Ap/Z=120x9.81Pa/m其中Z为填料层高度：5.35m所以填料塔压降为：Ap=120x9.81x5.35Pa=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h=4m1塔釜液所占空间高度，取h=8.65m2塔下部空间高度，取h=5m3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=15m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：

AELF工巴irnn厂阳AELF工巴irnn厂阳 液体出口三、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