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：1 工艺流程：采用填料塔设计2 烟气参数：烟气流量: 2×106m3/h.烟气成分：SO2浓度5000mg/m3烟气平均分子量：30.5烟气温度：150°C烟气压力：1.01×105Pa气膜传质分系数k G=1.89×10-5 kmol/m2.s.kPa3 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。

ρL=1000kg/ m3,M L=18kg/kmol（平均分子量）液膜传质分系数k L=3.54×10-4m/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σ：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 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10()23m h m⋅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：h m Q /102360⨯= 2SO 浓度：30/5000m mg C = 烟气的平均分子量：kmol kg M /5.300= 烟气温度：1500=T ℃烟气压力：Pa P 601001.1⨯=2.1.2 进入吸收塔烟气的总摩尔流量：325.1011011502732734.22102325.1012732734.226000⨯+⨯⨯=⋅+⋅=Pa P T Q V 计算得：V=57439.28kmol/h 烟气质量流量：5.3028.574390⨯=⋅=M V V ω=1751898.04kg/h烟气密度：36/8759.010204.1751898m kg Q VV =⨯==ωρ2SO 的质量流量：h kg m mg h m C Q v /10000/5000/102336001=⨯⨯==⋅ω进入吸收塔2SO 烟气的摩尔流量：h kmol molg hkg M V SO Vso /25.156/64/10000212===ω2.2 吸收液的设计计算2.2.1 已知：吸收液密度：3/1000m kg L =ρ 平均分子量：kmol kg M L /18=液气比：L/G=4L/3m2.2.2 吸收液的体积流量：h L Q GLV L /10810246600⨯=⨯⨯=⋅=吸收液的质量流量：h kg m kg h L V L L L /108/1000/108636⨯=⨯⨯=⋅=ρω吸收液的摩尔流量：181086⨯==L LL M V ω=444444.44kmol/h 2.3 填料塔工艺尺寸计算2.3.1 已知：气体质量流量：h kg V /04.1751898=ω 烟气密度：3/8759.0m kg V =ρ液体的质量流量：h kg L /1086⨯=ω 液体密度：3/1000m kg L =ρ填料因子：m /110=φ 液体粘度：s mPa L ⋅=903.0μ 重力加速度：g=9.81m/2s 液体校正系数：110001000===液水ρρψ 2.3.2 泛点气速的计算采用埃克特关联图计算泛点气速通用关联图的横坐标为5.0⎪⎪⎭⎫⎝⎛LV VLρρωω，纵坐标2.02L L V g u μρρψφ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛ 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F u 。

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F u 。

横坐标5.0⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛L VV L ρρωω=135.010008759.004.175********.06≈⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯由设计要求可知，采用乱堆填料查埃克特通用关联图得：2.02L L Vg u μρρψφ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=0.14 泛点气速：()2.02.0903.08759.01110100081.914.014.0⨯⨯⨯⨯⨯==LV LF g u μφψρρ=3.81m/s 则空塔气速：u=%85⋅F u =3.24m/s 2.3.3 塔径的计算 塔径为：m u V D S 77.14360024.3102446=⨯⨯⨯⨯=⋅=ππ圆整塔径，取15m 泛点率校核：空塔气速：s m DV u S /14.336001541024262=⋅⋅⨯=⋅=ππ泛点率：%4.8281.314.3==F u u (<85%在允许范围内） 由设计资料可知：金属环鞍填料：d=50mm 填料规格的校核：83005015000>==d D (在允许范围内） 2.3.4 核算液体喷淋密度因填料尺寸小于75mm ，取()()h m m L W ⋅=/08.03min()minW L ：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()()h m m L W ⋅=/08.03min ；对于直径大于75mm 的环形填料，应取()h m m ⋅/12.03。

）填料的比表面积σ：32/75m m则： 最小喷淋密度：()h m m U ⋅=⨯=23min /67508.0 操作条件下的喷淋密度U ：()()h m m U ⋅=⨯=2326/27.451541000108π计算可知：U>min U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=57439.28kmol/h 气象压强：atm P 1= 脱硫效率：%9.99=η%5=ω 3/1000m kg L =ρ kmol kg M L /18=单位体积填料层所提供的有效接触面积：a=60.7532/m m 塔径：D=15m气膜传质分系数：kPa s m kmol k G ⋅⋅⨯=-25/1089.1液膜传质分系数s m k L /1054.34-⨯=进入吸收塔总烟气中2SO 的摩尔分数：00272.028.5743925.15621===VV y SO A烟气进口2SO 分压：kPa kPa P y P A A 27472.010100272.0011=⨯=⋅= 烟气出口2SO 分压：()kPa P P A A 4107472.2001.027472.0%9.99112-⨯=⨯=-=液相总浓度：3/56.55181000m kmol M V M m V n C L L T ===⋅==ρ 塔顶处：33/78.2/18/1000%5/100010002m kmol kmolkg m kg l ml M C L L B =⨯⨯=⋅⨯=ρω由设计资料可以知道，NaOH 与2SO 发生极快不可逆反应。

吸收塔进口液相吸收质浓度02=A C 所以，进行即快速不可逆化学吸收，化学反应式为：O H SO Na NaOH SO 23222+→+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：()()221B B TA A C C C L b P P P G -⨯-=- 代入已知数据得： AB PC 08.085.2-= 用此关系可求出塔底处1B C ：3/83.227472.008.085.21m kmol C B =⨯-= 计算一下塔底和塔顶的临界浓度：令B A D D = 则在塔顶： kPa sm Pa s m kmol P k k D D b C A L G B A kp 4425107472.2/1054.3/1089.11222---⨯⨯⨯⋅⋅⨯⨯⨯=⋅= 计算得： 35/1093.22m kmol C kp -⨯= 在塔底： kPa sm kPa s m kmol P k k D D b C A L G B A kp 27472.0/1054.3/1089.11242511⨯⨯⋅⋅⨯⨯⨯=⋅=-- 计算得： 3/0293.01m kmol C kp =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。