1、內容:水吸收低濃度SO2填料吸收塔設計 班級:能環學院環境工程C091班 姓名:吳羽葶 學號:095655大氣污染控制工程課程設計說明書（環境工程C091）設計題目：水吸收低濃度SO2填料吸收塔的設計設計時間：自 2011年 12 月 25日 至 2012 年 1 月 6 日學生姓名：學 號：班 級：指導教師：河北工業大學能源與環境學院環境工程系第28頁 共28頁第一章 設計任務 依據和要求一、 設計任務及操作條件：1、混合氣體（空氣中含SO2氣體的混合氣）處理量為：99 Kmol/h2、混合氣組成：SO2含量為 7.1% （ mol% ） 空氣為： 92.9%（mol%）3、要求出塔凈化氣含

2、SO2為:0.149%（mol%），H2O為 ：1.172kmol/h4、吸收劑為水，不含SO25、常壓，氣體入塔溫度為25，水入塔溫度為20。二、設計內容：1、設計方案的確定。2、填料吸收塔的塔徑、填料層高度及填料層壓降的計算。3、填料塔附屬結構的選型與設計。4、填料塔工藝條件圖。三、H2O-SO2在常壓20下的XYXY0.002810.07760.0004230.007630.0019560.005130.0002810.00420.0014050.03420.00014050.001580.0008450.01850.00005640.000660.0005640.0112四、氣體及液體

3、的物性數據1、氣體的物性:氣體粘度µG=0.0652kg/(m·h);氣體擴散系數DG=0.0393m/s; 密度G=1.383 kg /m3;2、液體的物性：液體粘度µL=3.6 kg /(m·h); 液體擴散系數DL=5.3×10-6m2/s; 密度L=998.2 kg /m3; 液體表面張力=73dyn/cm=92.71*104kg/h2第二章 SO2凈化技術和設備 一、SO2的來源、性質及其危害1、SO2的來源二氧化硫的主要污染源可歸納為三個方面：(1)硫酸廠和汽車尾氣中排放的二氧化硫；(2)有色金屬冶煉過程排放的二氧化硫：如銅、鉛、鋅

4、、鈷、鎳、金、銀等礦物，都含硫化物，在冶煉過程中排放出大量的二氧化硫；(3)燃煤煙氣中的二氧化硫：我國煤炭消費量的80以上直接用于燃燒，燃煤是大氣環境中二氧化硫最主要來源。據環境公報報道，我國2004年煙塵排放量1095萬t，SO2排放量2255萬t。其中燃煤產生的SO2約占總量的90，CO占總量的7l，CO2占總量85 ，氮氧化物占總量的70，灰塵微粒占總量的61。煤燃燒過程中排出大量的SO2 ，約占燃煤排放污染物的85%，使我國成為三大酸雨區之首。二氧化硫的大量排放，造成我國南方地區大面積的酸雨，且每年以1億m2的面積增加。酸雨區域已由西南發展到長江流域，且有向北發展的趨勢，嚴重威脅京津地

5、區。酸雨造成農田減產面積達9.9×1010,森林受害面積達1.28萬hm2 ;大氣中S02濃度每增加l0mg/cm3，呼吸系統病亡人數增加5%; S02對建筑物、文物的侵蝕也十分嚴重,據統計S02污染造成全國每年經濟損失達1100多億元。由于煤炭資源相對充足并能夠穩定可靠地獲得，因此，在世界范圍內，煤炭是可靠的能源。世界能源研究機構預測，由于資源條件的變化，21世紀世界能源消費結構將是石油比重下降，天然氣上升，煤炭持平，三者呈均勢各占27-28 。繼而將出現一個以天然氣為主的短暫時期，然后再轉向以煤炭為主。中國化石能源資源探明的可采儲量中煤炭占92.94. 中國是當今世界上最大的煤炭

6、生產和消費國，據有關專家預測：煤炭在中國能源結構中的主導地位近50年不會改變。因此防治燃煤二氧化硫污染是當前一項重要和迫切的工作。2、SO2的性質物理性質:密度和狀態：2.551g/L，氣體（標準狀況下）色態:常溫下為無色熔點：-72.4度（200.75K）；沸點：-10度（263K）無色，有刺激性氣味的有毒氣體，密度比空氣大，易液化，易溶于水（約為1：40）化學性質:二氧化硫可以在硫磺燃燒的條件下生成S(s) +O2(g) = （可逆符號）SO2(g)硫化氫可以燃燒生成二氧化硫2H2S(g) + 3O2(g)= 2H2O(g) + 2SO2(g) 加熱硫鐵礦，閃鋅礦，硫化汞，可以生成二氧化硫

7、4FeS2(s) + 11O2(g) = 2Fe2O3(s) + 8SO2(g) 2ZnS(s) + 3O2(g) = 2ZnO(s) + 2SO2(g) HgS(s) + O2(g) = Hg(g) + SO2(g)3、SO2的危害二氧化硫易溶于水并且會形成亞硫酸，這反應物會刺激眼和鼻粘膜，而且具有腐蝕性，所以它對人體呼吸道有很大的危害，重者呼吸功能會受損二氧化硫在一定的條件下可被氧化成硫酸霧，并且它是形成酸雨的主要原因，而酸雨會危害居民健康；腐蝕建筑材料；破壞生態系統，對社會造成的巨大經濟損失！危險性類別： 三星級侵入途徑： 通過呼吸系統健康危害： 易被濕潤的粘膜表面吸收生成亞硫酸、硫酸。

8、對眼及呼吸道粘膜有強烈的刺激作用。大量吸入可引起肺水腫、喉水腫、聲帶痙攣而致窒息。急性中毒：輕度中毒時，發生流淚、畏光、咳嗽，咽、喉灼痛等；嚴重中毒可在數小時內發生肺水腫；極高濃度吸入可引起反射性聲門痙攣而致窒息。皮膚或眼接觸發生炎癥或灼傷。慢性影響：長期低濃度接觸，可有頭痛、頭昏、乏力等全身癥狀以及慢性鼻炎、咽喉炎、支氣管炎、嗅覺及味覺減退等。少數工人有牙齒酸蝕癥。 環境危害： 對大氣可造成嚴重污染。 燃爆危險： 本品不自燃，有毒，具強刺激性二、凈化技術燃燒后脫硫就是指煙氣脫硫。這是目前世界上惟一的大規模商業化應用的脫硫方式。由于煙氣脫硫的主要困難是SO2濃度和總量大、要處理的煙氣體積大，因

9、此，雖然煙氣脫硫的方法多達十幾種。但仍需要合理地選擇煙氣脫硫工藝，同時還要考慮環境、經濟和社會等多方面的因素。目前煙氣脫硫技術種類達幾十種，按脫硫過程是否加水和脫硫產物的干濕形態，煙氣脫硫分為：濕法、半干法、干法三大類脫硫工藝。濕法脫硫技術較為成熟，效率高，操作簡單；但脫硫產物的處理較難，煙氣溫度較低，不利于擴散，設備及管道防腐蝕問題較為突出。半干法、干法脫硫技術的脫硫產物為干粉狀，容易處理，工藝較簡單；但脫硫效率較低，脫硫劑利用率低。在此對各類脫硫技術進行簡單介紹。1、濕法煙氣脫硫技術濕法煙氣脫硫技術按使用脫硫劑種類可分為：石灰石-石膏法、簡易石灰石-石膏法、雙堿法、石灰液法、鈉堿法、氧化鎂

10、法、有機胺循環法、海水脫硫法等。按脫硫設備采用的技術種類不同，濕法煙氣脫硫技術可分為：旋流板技術、氣泡霧化技術、填料塔技術、靜電脫硫技術、文丘里脫硫技術、電子束脫硫技術等。日常運行管理注意的問題：、注意檢查循環水量是否達到設計要求；如有異常需對循環水系統及噴咀進行檢查。、定期檢查吸收設備及其它處理設施運行是否正常； 2、半干法煙氣脫硫技術半干法煙氣脫硫技術采用濕態吸收劑，在吸收裝置中吸收劑被煙氣的熱量所干燥，并在干燥過程中與SO2反應生成干粉脫硫產物。半干法工藝較簡單，反應產物易于處理，無廢水產生，但脫硫效率和脫硫劑的利用率低。目前常見的半干法煙氣脫硫技術有：噴霧干燥脫硫技術、循環流化床煙氣脫

11、硫技術等。3、干法脫硫技術干法脫硫技術采用濕態吸收劑，反應生成干粉脫硫產物。干法工藝較簡單，但脫硫效率和脫硫劑的利用率較低。目前常見的干法煙氣脫硫技術有：爐內噴鈣脫硫技術。 目前在實際中廣泛用的是濕法脫硫。因為SO2是酸性氣體，幾乎所有的濕法脫硫都是一種堿性溶液和泥漿與煙氣中的SO2中和。根據中和所得的產物是否回收利用，濕法流程又分為拋棄法和再生法兩種。綜上所述，本次設計采用的是濕法，本設計中氣體入塔溫度為25，使用的吸收劑為水。用水作為吸收劑的優點在于廉價易得，流程設備簡單，但其缺點是吸收效率低，設備龐大，動力消耗大。三、吸收設備：板式塔與填料塔的比較（一）、板式塔適用于：1、塔徑較大；2、

12、所需傳質單元數或理論板數較多；3、熱量需從塔內移除；4、適于較小液量；5、適于處理有懸浮物的液體；6、板式塔便于側線采出。（二）、填料塔適用于：1、處理有腐蝕性的物料；2、填料塔壓力降較小，適用于真空蒸餾；3、適用于間歇蒸餾或熱敏性物料的蒸餾；4、適用于處理易發泡的液體。結論：由于本次處理的是SO2氣體，與水反應后生成H2SO3具有腐蝕性，故選擇填料塔比較合適。四、填料塔的結構：示意圖 五、工藝流程及工藝流程圖：第三章 吸收塔的工藝計算（L、P、D、H）一、吸收劑用量的計算(最小液氣比) 由原始數據已知：入口氣體量y1=7.6；出口氣體量y2=0.149 低濃度吸收時：Y1= y1 Y2= y

13、2 ，進口液體不含二氧化硫所以x2=0由H2OSO2在常壓20oC的平衡數據，得X1=0.002775= =27.503低濃度時有 GG=91.971 kmol/h吸收劑的最小用量：=×G =27.503×91.971=2483.7（kmol/h） L=(1.12.0) ，取L=1.8吸收劑實際用量為L=1.8×2483.7=4470.618（kmol/h）二、氣液相進、出口組成表一組成入口出口質量流量質量百分比摩爾流量摩爾百分比質量流量質量百分比摩爾流量摩爾百分比空氣2667.15985.56891.97192.92664.03298.88791.97198.5

14、95So2449.85614.4327.0297.18.8960.3300.1390.149H2o21.0960.7831.1721.2563117.015100991002694.02410093.282100表二組成入口出口質量流量質量百分比摩爾流量摩爾百分比質量流量質量百分比摩爾流量摩爾百分比So2440.960.5456.890.154H2o80471.1241004470.61810080450.02899.4084469.44699.84680471.1241004470.61810080890.9881004476.336100三、填料的選擇 填料是填料塔的核心。填料塔操作性能的

15、好壞，與所選用的填料有直接關系。填料的種類很多，可分為實體填料和網體填料兩大類。前者有拉西環、鮑爾環、鞍形、波紋填料等。塔填料的選擇是填料塔設計重要的環節之一。塔設備內裝入填料的目的是增加兩種介質的接觸表面積，從而促進傳質過程的進行。良好的填料，應具有下列特性：(1) 單位容積的重量要小(其數值成為容重， 根據填料的堆積方法，即亂堆或整砌而不同)，這樣可使塔設備的自重減低，基礎的負荷減輕.這一特性常以符號(公斤力/米)表示之。(2) 比表面積要大(其數值也因填料的堆砌方法而不同)，比表面積就是單位體積填料的總表面積，常以a(米/米)表示之.比表面積大即意味著氣液的接觸表面大，有利于傳質的進行;

16、亦即操作時可容許較高的氣、液體的流速.但必須注意填料的真正氣液接觸表面，并不一定與比表面積成正比例，而決定于噴淋液所實際潤濕的表面，且也和噴淋液在填料層中的分布有關。(3) 空隙體積要大(其數值也因填料的堆積方法而不同)，空隙體積亦稱自由體積，就是單位體積填料中的總空隙量，常以V(米/米)表示之。(4) 要有較高的空隙率。單位體積填料層所具有的空隙體積稱為填料的空隙率。以 表示，其單位為 m3/m3 。一般說來，填料的空隙率多在 0.450.95 范圍以內。當填料的空隙率較高時，氣、液通過能力大且氣流阻力小，操作彈性范圍較寬。(5) 制造容易，價格低廉。(6) 具有化學耐蝕性。(7) 具有足夠

17、的機械強度，不易破裂，否則損耗變，檢修頻繁，增加操作費用。填料的幾何特性數據主要包括比表面積、空隙率、填料因子等，是評價填料性能的基本參數。填料性能的優劣通常根據效率、通量及壓降三要素衡量。在相同的操作條件下，填料的比表面積越大，氣液分布越均勻，表面的潤濕性能越好，則傳質效率越高；填料的空隙率越大，結構越開敞，則通量越大，壓降亦越低。（8）各種填料的比較：拉西環：其結構為與外徑與高度相等的圓環。可用陶瓷，塑料，金屬等材質制造，拉西環填料的氣液分布較差，傳質效率低，阻力大，通量小，目前工業上很少使用。鮑爾環：壓力降比拉西環低一半還多。傳質單元也較低，而夜泛點較高，容量大，由于環壁開孔，大大提高了

18、環內空間及表面的利用率，氣流阻力小，液體分布均勻。階梯環：階梯環是對鮑爾環的改進，綜合性能大于鮑爾環氣體進填料層的阻力減小，傳質效率較高。矩鞍：效率較高的填料之一，與弧鞍相比疊在一起阻塞床截面的可能性非常小，床層較均勻，液泛點比拉西環或弧鞍形填料的高而壓力降則較低；對于大多數的常見的物質來說有較低的傳質單元高度，其性能優于拉西環。1）.填料用材的選擇：設備操作溫度低，塑料能長期操作無變形，體系對塑料無溶脹的情況下可考慮塑料，因其價格低廉，性能良好，有較好的耐腐蝕性。而陶瓷填料一般用于腐蝕性介質，金屬填料一般耐高溫，但價格昂貴。是水吸收低濃度SO，介質具有輕微腐蝕性，所以本次課程設計用陶瓷填料。

19、2）.填料類型的選擇：要在眾多的填料中選出最適宜的塔填料，須對這些填料在規定的工藝條件下，做出全面的技術經濟評價。因為亂堆填料較規則填料經濟，所以本次課程設計采用亂堆填料法。3）.填料尺寸的選擇：一般來說，填料尺寸小，單位堆積體積的數目增加，填料層的比表面積增大而空隙減小，氣體的流動阻力相應增加。綜上考慮，本次課程設計用的填料是：陶瓷矩鞍（亂堆）外徑 d=50mm比表面積 at=120 m/m空隙率 =0.79m3/m3堆積密度 =532kg/m3臨界表面張力 L=33dyn/cm濕填料因子 =130m四、塔徑和壓降的計算：1、塔徑的計算：液相的質量流速 W80471.124kg/h氣相的質量

20、流速 W=3117.015kg/h氣體的密度 G=1.383kg/m液相的密度 L=998.2 kg/m埃克特通用關聯圖的橫坐標X=WW=0.96查亂堆填料塔液泛速度通用關聯圖，橫坐標X=0.96的縱坐標Y=0.026縱坐標公式 Y=式中：=130 m/m為液體校正系數，水的密度和液體的密度之比將各項數據代入公式經計算，得液泛氣速 Vf= 1.189 m/s實際氣速取泛點氣速的50%80%，取80%操作氣速 V=Vf·80%=0.951m/s；氣體處理量 Qv= 0.616 (m/s)塔徑 DT=0.91 m 圓整為DT=1m則塔截面面積A= =12= 0.785（m2）由DT=1m

21、，計算實際操作的空塔氣速：V=0.785 m/s 安全系數 =0.66=66% 范圍在50%80%，所以符合要求計算最小噴淋密度，因填料尺寸小于75mm，故取(L)= 0.080 m/(mh) L=(L)a=0.08×120=9.6 m/(mh)校核= 20 >30 可以避免避流現象2、壓降的計算為求壓降，需找出設計氣速V下的縱坐標Y，現Y與Y的差別僅是氣速不同：Y= Y()= 0.011查關聯圖Y= 0.011 ，X= 0.96點處并采用內差法計算得： =29.2WL、WG分別為液體和氣體的質量流速kg/s；L 、G、分別為液體和氣體的密度kg/m3；vf為氣體的空塔泛點氣速

22、，m/s；為液體校正系數，水的密度和液體的密度之比；填料特性值m2/m3；L為液體的粘度mPas五、塔高的計算：填料層高度：h=HOG*NOG 1、氣相總傳質單元數：NOG= 由定積分的幾何意義，通過圖解法求得曲線下的面積。步驟：（1）先求出操作線方程；（2）在y1與y2之間任意取定y值，通過操作線方程得到x；（3）查“H2OSO2在常壓20下的平衡數據”得ye ；（4）求出的值。求解過程： (1)低濃度氣體吸收的操作線方程：y=x+(y-x) 代入數據得： y=48.609x+0.00157(1) 在y1與y2之間任意取定y值，通過操作線方程得到xx00.0002810.0004230.00

23、0564y0.001570.01520.02210.02900.00420.007630.0112636.9490.9169.1156.18x0.0008450.0014050.0019650.002775y0.04260.06990.09560.013650.01850.03420.05130.076541.4928.0122.5716.67（2） 用坐標紙，圖解法(以y為橫坐標，以為縱坐標，在坐標紙上作圖)由定積分的幾何意義，得：NOG= =計量小格的數目，不滿半格不計，超過半格的按一格計，共4092個格，則可求出NOG =9.01。2、氣相總傳質單元高度的計算(可通過實際測量和關聯式計算

24、等方法實現).(1)傳質系數關聯式：（恩田模型及修正公式單位不換算成國標單位。）在恩田式中：填料的潤濕表面積 aw = 有效比表面積 a 式中：填料的潤濕表面積 aw =71.2 m2/m3 填料的比表面積a= 120 m2/m3液體的質量流量 L = 102510.986 kg/（m2h）填料材質的臨界表面張力 L=33 dyn/cm (陶瓷)液體的表面張力=73 dyn/cm = 92.71*104 kg/h 液體的粘度L=3.6 Kg/(mh)g=1.27*108m/h2 代入數據得：=0.593 a= 71.2 m/m(2)氣相傳質系數公式：式中：氣體的質量流量 V= 3117.015

25、 kg/(m2/h)氣體粘度G =0.0652 kg/(mh)氣體擴散系數 DG =0.0393 m2/s 液體擴散系數 DL =5.3*10-6 m2/sR= 8.314 kJ/(kmol*K) 氣體密度 = 1.383 kg/m3溫度 T = 298.15 K 填料的環狀修正系數 =1.36 代入數據計算得；k=0.02(kmol/mhkpa)(3)液相傳質系數公式：式中：液體粘度L=3.6 kg/(mh) =1.8 當V 50%Vf時，須對上兩式求出的kL 、kG進行修正實際氣速V=0.8 m/s，則V/Vf=0.66， V>50%Vf ，所以需對kL 、kG進行修正：x=1+9.

26、5(-0.5)=1+9.5(0.66-0.5)=1.8x=1+2.6(-0.5)=1+2.6(0.66-0.5)=1.05所以：k·a=xk·a=1.05×1.8×71.2=134.7 k·a=xk·a=1.8×0.002×72.875=2.7根據=+ 其中代入數據得1/ka=0.67 H=V/（kG·a）= (99*22.4*4)/(3.14*12)×0.67=0.5 (V=總氣體流量*塔橫截面積/3600)=0.5×9.01=4.5 m，安全系數為1.31.7，取1.3，實際填料高

27、度h=1.3×4.5=5.85m圓整為：h=6m，需分層,分2層壓降P=286.16Pa/m×6m=1716.96 Pa第四章 填料塔的設計計算一、塔體的組成：填料塔由塔底段、吸收段、塔帽三部分組成。1、塔底段（進氣段、貯液槽段）：進氣管、貯液槽、出液管、放空管、維修人孔、窺視鏡（一對）2、吸收段：支承板、填料、維修人孔、氣液再分布器、填料投加口、進液管、壓料板3、塔帽：封帽、放空管、噴淋器、除霧器、填料投加口二、塔體各部分的設計計算：1、塔底段（進氣段、貯液槽段）H1（1）貯液槽：貯液槽的主要作用是貯存吸收液，在吸收液循環的過程中可以起到一個緩沖的作用，使吸收液的流量均勻

28、。在貯液槽中可以對吸收液進行加藥，去除吸收液中的二氧化硫，使吸收液可以循環利用。取有效液面高度= 600 mm =有效高度h1，則貯液槽的容積為：V=0.785*0.6= 0.471 m3 供水時間t=0.471*3600/80.616=21.03s即貯液槽可供21.03s的用水量。（2）進氣管：進氣管管徑的選取，影響到氣體進入時的流速，選取較小的管徑，氣體流速大，不利于氣體在氣體分布器上的分布；選取較大管徑，氣體流速較小，有利于氣體在塔內的均勻分布，使氣液結合充分。一般可將進氣管做成斜切口以改善氣體分布或采用較大管徑使其流速降低，達到氣體分布均勻的目的。對于直徑1米的塔，管的末端可做成向下喇

29、叭行擴大口。進氣管直徑d1= 250 mm，進氣管口的半徑為 125 mm，進氣管中心線距柵板距離h2= 150 mm，進氣管中心線距貯液槽液面高度h3= 150 mm(150250mm)，進氣管的切面角度為45°（3）進液管：進液管中心線與有效液面相平。進液管直徑d2 100 mm（中心線與液面持平）（4）維修人孔設于氣液進出口、塔底、塔釜，通過其可對塔內進行維修。維修人孔直徑d4= 600 mm（500600mm） 外部a3 =70 mm維修人孔中心線距上柵板上表面高度h4 =400 mm （5）放空管：通過放空管可以去除操作過程中產生的廢渣放空管直徑 d5=250 mm 長a4 =30 mm（6）窺視孔中心線與有效液面相平，且直徑 60 mm（7）塔釜高 h5=200mm塔底段總高度為：H1=1380 mm2、吸收段：H2（1）支承板：安裝在填料層底部；作用是支承填料，并使氣流分布均勻，保證足夠的開孔率，使氣液兩相能自由通過；支承板的開孔面積要占總面積的75%，選用塑料覆蓋的金屬柵格，增強塑性；種類有十字型，柵條型，多孔板升氣管式。