水吸收_低浓度二氧化硫_填料吸收塔_设计.pdf
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1、第 1 页 共 36 页 水吸收低浓度SO2填料吸收塔设计 第一部分设计任务、依据和要求 一、设计任务及操作条件 1、混合气体(空气中含SO2气体的混合气体)处理量为90 kmol/h 2、混合气体组成: SO2含量为 7.6% (摩尔百分比),空气为:92.4% (mol/%) 3、要求出塔净化气含SO2为:0.145%(mol/%) ,H2O为:1.172 kmol/h 4、吸收剂为水,不含SO2 5、常压,气体入塔温度为25C ,水入塔温度为20C 。 二、设计内容 1、设计方案的确定 2、填料吸收塔的塔径、填料层高度及填料层压强的计算。 3、填料塔附属结构的选型与设计。 4、填料塔工艺
2、条件图。 三、H2O- SO2在常压 20 C 下的平衡数据 x y x y 0.00281 0.0776 0.000423 0.00763 0.001965 0.0513 0.000281 0.0042 0.001405 0.0342 0.0001405 0.00158 0.000845 0.0185 0.0000564 0.00066 0.000564 0.0112 第 2 页 共 36 页 四、气体与液体的物理性质数据 气体的物理性质: 气体粘度0.0652/ G ukgm h 气体扩散系数 2 0.0393/ G Dms 气体密度 3 1.383/ G kg m 液体的物理性质: 液体
3、粘度3.6/() L ukgm h 液体扩散系数 62 5.3 10/ L Dms 液体密度 3 998.2/ L kg m 液体表面张力 42 73/92.71 10/ L dyn cmkg h 五、设计要求 1、设计计算说明书一份 2、填料塔图( 2 号图)一张 第 3 页 共 36 页 第二部分 SO2净化技术和设备 一、SO 2 的来源、性质及其危害: 1、二氧化硫的来源 二氧化硫的来源很广泛, 几乎所有企业都要产生二氧化硫,最主要途径是含 硫化石燃料的燃烧。大约一吨煤中含有5-50kg 硫,一吨石油中含有5-30kg 硫。 这些燃料经燃烧都产生并排放出二氧化硫,占所有排放总量的96%
4、. 二氧化硫的来源包括微生物活动,火山活动, 森林火灾以及海水飞沫。 主要 有自然来源和人为来源两大类: 自然来源主要是火山活动, 喷出的火山气体中含有大量的二氧化硫气体,地 质深处的天然硫元素在火山喷发过程中燃烧氧化为二氧化硫,随火山灰一起喷射 到大气中。地球上 57% 的二氧化硫来自自然界,沼泽、洼地、大陆架等处所排放 的硫化氢, 进入大气, 被空气中的氧氧化为二氧化硫。自然排放大约占大气中全 部二氧化硫的一半,通过自然循环过程,自然排放的硫基本上是平衡的。 人为来源则指在人类进行生产、 生活活动中, 使用含硫及其化合物的矿石进 行燃烧,以及硫矿石的冶炼和硫酸、 磷肥纸浆的生产等产生的工业
5、废气,从而使 其中一部分或全部的硫以二氧化硫的形式排放到大气中,形成二氧化硫污染。 这 部分二氧化硫占地球上二氧化硫来源的43% 。随着化石燃料消费量的不断增加, 全世界认为排放的二氧化硫在不断在增加,其中北半球排放的二氧化硫占人为排 放总量的 90% 。我国的能源主要依靠煤炭和石油,而我国的煤炭、石油一般含硫 量较高,因此,火力发电厂、钢铁厂、冶炼厂、化工厂和炼油厂排放出的大量二 氧化硫和二氧化碳是造成我国大气污染的主要原因。由于我国部分地区燃用高硫 煤,燃煤设备未能采取脱硫措施,致使二氧化硫排放量不断增加,造成严重的环 境污染。 2、二氧化硫的性质 (1) 物理性质: 二氧化硫又名亚硫酸酐
6、,英文名称: sulfur dioxide 。无色气体,有强烈 刺激性气味。分子量 64.07 密度为 1.4337kg/m3 (标准状况下),密度比空气 大。溶解度: 9.4g/mL(25) 熔点76.1( 200.75K) 沸点10 (263K) 第 4 页 共 36 页 蒸汽压 338.32kPa(2538mmHg ,21.11)易溶于水,在338.32kPa 水中溶解度为 8.5% (25) ;易容于甲醇和乙醇; 容于硫酸、乙酸、氯仿和乙醚等。 易液化(mp : 10) 。 (2) 化学性质: 二氧化硫是一种酸性氧化物,它极易溶于水,其水 溶液呈酸性,为亚硫酸水溶液。实际上,二氧化硫水
7、溶 液中成分为 SO27H2O ,仅含有微量的亚硫酸, 但是亚硫 酸盐含有亚硫酸根离子。所谓的亚硫酸水溶液能被空气 逐渐氧化成硫酸,其浓度越低氧化越快,而且一经加热 就会有自行氧化。 二氧化硫在完全燃烧干燥时几乎不与氧气发生反应,当在有初生态氧的燃烧 环境下,或者对二氧化硫与氧气的混合物进行放电,则有氧化反应发生。 氧化性: SO2+2H2S=3S+2H 2O ;还原性:能被 Cl2、Br2、I2、Fe 3+、KMnO 4、HNO3等强氧化剂氧 化成高价态硫元素。 SO2+X2+2H2O=H2SO4+2HX 3 、二氧化硫的危害 二氧化硫对人体及动物健康的危害: 主要是对眼角膜和上呼吸道粘膜的
8、强烈刺激作用。其浓度与反应关系如下: 0.4 毫克/ 立方米时无不良反应; 0.7 毫克/ 立方米时,普遍感到上呼吸道及眼睛 的刺激; 2.6 毫克/ 立方米时,短时间作用即可反射性的引起器官、支气管平滑 肌收缩,使呼吸道阻力增加。 一般认为空气中二氧化硫浓度达1.5 毫克/ 立方米, 对人体健康即为有危害,长期接触主要引起鼻、咽、支气管,嗅觉障碍和尿中硫 酸盐增加。吸入高浓度二氧化硫,可引起支气管炎、肺炎,严重时可发生肺水肿 及呼吸中枢麻痹。 二氧化硫进入呼吸道后, 因其易溶于水, 故大部分被阻滞在上呼吸道,在湿 润的粘膜上生成具有腐蚀性的亚硫酸、硫酸和硫酸盐, 使刺激作用增强。 上呼吸 道
9、的平滑肌因有末梢神经感受器,遇刺激就会产生窄缩反应, 使气管和支气管的 管腔缩小, 气道阻力增加。 上呼吸道对二氧化硫的这种阻留作用,在一定程度上 可减轻二氧化硫对肺部的刺激。 但进入血液的二氧化硫仍可通过血液循环抵达肺 部产生刺激作用。 第 5 页 共 36 页 二氧化硫进入血液可引起全身性毒作用,破坏酶的活性,影响糖及蛋白质 的代谢;对肝脏有一定损害。液态二氧化硫可使角膜蛋白质变性引起视力障碍。 二氧化硫与烟尘同时污染大气时,两者有协同作用。 因烟尘中含有多种重金属及 其氧化物, 能催化二氧化硫形成毒性更强的硫酸雾。因加剧其毒性作用。 动物试 验证明,二氧化硫慢性中毒后, 机体的免疫受到明
10、显抑制。 大量吸入可引起肺水 肿、喉水肿、声带痉挛而致窒息。 急性中毒:轻度中毒时,发生流泪、畏光、咳嗽,咽、喉灼痛等;严重中毒 可在数小时内发生肺水肿; 极高浓度吸入可引起反射性声门痉挛而致窒息。皮肤 或眼接触发生炎症或灼伤。 慢性影响:长期低浓度接触,可有头痛、头昏、乏力等全身症状以及慢性鼻 炎、咽喉炎、支气管炎、嗅觉及味觉减退等。少数工人有牙齿酸蚀症。 二氧化硫浓度为 1015ppm时, 呼吸道纤毛运动和粘膜的分泌功能均能受到 抑制。浓度达 20ppm时,引起咳嗽并刺激眼睛。若每天吸入浓度为100ppm 8小 时,支气管和肺部出现明显的刺激症状,使肺组织受损。浓度达400ppm时可使 人
11、产生呼吸困难。 二氧化硫与飘尘一起被吸入, 飘尘气溶胶微粒可把二氧化硫带 到肺部使毒性增加34 倍。若飘尘表面吸附金属微粒,在其催化作用下,使二 氧化硫氧化为硫酸雾, 其刺激作用比二氧化硫增强约1倍。长期生活在大气污染 的环境中, 由于二氧化硫和飘尘的联合作用,可促使肺泡纤维增生。 如果增生范 围波及广泛, 形成纤维性病变, 发展下去可使纤维断裂形成肺气肿。二氧化硫可 以加强致癌物苯并( )芘的致癌作用。据动物试验,在二氧化硫和苯并() 芘的联合作用下, 动物肺癌的发病率高于单个因子的发病率,在短期内即可诱发 肺部扁平细胞癌。 二氧化硫对植物的危害: 大气中含二氧化硫过高,对叶子的危害首先是对
12、叶肉的海绵状软组织部分, 其次是对栅栏细胞部分。 侵蚀开始时, 叶子出现水浸透现象, 特别是介于叶边和 叶脉之间的部分损害尤为严重。干燥后,受影响的叶面部分呈白色或乳白色。 如果二氧化硫的浓度为(0.3-0.5 ) 6 10,并持续几天后,就会对敏感性 植物产生慢性损害。 二氧化硫直接进入气孔, 叶肉中的植物细胞使其转化为亚硫 酸盐,再转化成硫酸盐。 当过量的二氧化硫存在时, 植物细胞就不能尽快地把亚 第 6 页 共 36 页 硫酸盐转化成硫酸盐, 并开始破坏细胞结构。 菠菜,莴苣和其他叶状蔬菜对二氧 化硫最为敏感。 棉花和苜蓿也都很敏感。 松针也受其影响, 不论叶尖或是整片针 叶都会变成褐色
13、,并且很脆弱。 二氧化硫对建筑物及其它的危害: 大气中的二氧化硫及其生成的酸雾、 酸滴等,能使金属表面产生严重的腐蚀, 使纺织品、纸品、皮革制品等腐蚀破损,使金属涂料变质,降低其保护效果。造 成金属腐蚀最为有害的污染物一般是二氧化硫,已观察到城市大气中金属的腐蚀 率约是农村环境中腐蚀率的1.5-5 倍。 温度尤其是相对湿度皆显著影响着腐蚀速 度。含硫物质或硫酸会侵蚀多种建筑材料,如石灰石、大理石、花岗岩、水泥砂 浆等,这些建筑材料先形成较易溶解的硫酸盐,然后被雨水冲刷掉。尼龙织物, 尤其是尼龙管道等, 其老化显然是由二氧化硫或硫酸气溶胶造成的。长期的酸雨 作用还将对土壤和水质产生不可估量的损失
14、,对生态环境会产生严重的影响。 二、SO 2 的净化技术: 二氧化硫不仅在大气中形成酸雨,造成空气污染, 而且严重腐蚀锅炉尾部设 备,影响生产和安全运行。 电站锅炉是我国二氧化硫的主要排放源,它的特点是 烟气量大, SO2浓度低,综合利用难度大。在电站烟气脱硫的运行费中,脱硫剂 的费用占有很高比例。我国发电用煤的平均含硫量高达1.15%,因此,电站烟气 脱硫对我国来说更为重要。控制SO2排放的工艺按其在燃烧过程中所处位置可分 为燃烧前、燃烧中和燃烧后脱硫三种。 燃烧前脱硫主要是洗煤、 煤的气化和液化。 洗煤可用作脱硫的辅助手段,经济适用的煤气化和液化技术在进一步开发之中。 就燃烧中脱硫的型煤和
15、循环流化床燃烧来说,燃用型煤比直接燃用原煤节煤又干 净,较多用于中小锅炉上。 当前应用的脱硫方法,大致可分为两类,即干法脱硫和湿法脱硫 。 干法脱硫: 该法是用粉状、 粒状吸收剂, 吸附剂或催化剂去除废气中的二氧 化硫。干法的最大优点是治理中无废水、废酸排出,减少了二次污染;缺点是脱 硫效率低,设备庞大,操作要求高。 湿法脱硫:该法是采用液体吸收剂如水或碱溶液洗涤含二氧化硫的烟气,通 过吸收去除其中的二氧化硫, 湿法脱硫所用设备较简单, 操作容易, 脱硫效率较 第 7 页 共 36 页 高。但脱硫后烟气温度降低, 于烟囱排烟扩散不利。 由于使用不同的吸收剂可获 得不同的副产物而加以利用,因此湿
16、法是全国研究最多的方法。 湿法脱硫效率较高,而且设备简单,操作运行方便,运行成本低,产生的副 产物如硫酸盐和压硫酸盐, 可回收利用, 作为工业原料。 所以在本设计中选取湿 法脱硫。 三、吸收设备:板式塔与填料塔的比较 一般为了强化吸收过程,降低设备的投资和运行费用,要求吸收设备应满 足以下基本要求: 1. 气液之间应有较大的接触面积和一定接触时间; 2. 分离效率高;操作稳定,弹性大; 3. 对气体的阻力小; 4. 结构简单,制作维修方便,造价低廉; 5. 相应的抗腐蚀能力和防堵塞能力。 常用的吸收设备有喷淋塔、填料塔、板式塔、湍流塔、鼓泡塔等。这里我们 主要比较板式塔和填料塔各自的特点: 板
17、式塔内沿塔高装有若干层塔板( 或称塔盘 ) , 液体靠重力作用由顶部逐板流 向塔底,并在各块板面上形成流动的液层;气体则靠压强差推动, 由塔底向上依 次穿过各塔板上的液层而流向塔顶。气、液两相在塔内进行逐级接触, 两相的组 成沿塔高呈阶梯式变化。 填料塔内装有各种形式的固体填充物,即填料。液相由塔顶喷淋装置分布于 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 续地变化。 目前在工业生产中, 当处理量大时多采用板式塔, 而当处理量较小时多采用 填料塔。蒸馏操作的规模往往较大, 所需塔径常达一米
18、以上, 故采用板式塔较多; 吸收操作的规模一般较小,故采用填料塔较多。 第 8 页 共 36 页 板式塔与填料塔的比较 项目 塔型 备注 板式塔填料塔 造价 600 以下,安装 较困难 普通填料塔 800以下造价 一般较板式塔便宜, 直径大 则昂贵 由于填料塔造价随体 积几乎正比的增大, 单位体积造价降低 分离效 率 每块塔板的效率 较稳定,大塔效率 比小塔效率有所 提高 工业塔等板高度与板式塔 差不多,但塔径增大效率下 降,高效填料可以达到高的 分离效率,有利于塔高降低 生产能 力 允许空塔速度较 高,生产能力较大 允许空塔速度较高, 生产能 力较小 压降压降较大压降小,尤其是丝网填料 操作
19、弹 性 浮阀,泡罩等具有 大的操作弹性 操作弹性较小 填料塔采用鲍尔环等 操作弹性有了扩大 液气比 L/V 的 范围 液气比的适应范 围大 小的 LV 时,分离效率差 版式塔中, 虽然 L 小, 仍能保持一定液层, 填料塔中喷淋密度太 小,就不能充分润湿 清洗的 方便性 清洗较方便清洗费时 对腐蚀 介质的 适应性 因结构复杂,较难 用防腐蚀材料制 作,但无溢流栅板 塔等可以 易用防腐蚀材料制作 塔中持 液量 持液量大 持液量小,尤其是高效丝网 填料有利于精密分离 塔中换可以实现困难 第 9 页 共 36 页 热的可 能性 材料要 求 一般用金属材料 制作 可用非金属耐腐蚀材料 安装维 修 较容
20、易较难 重量较轻重 根据板式塔与填料塔的特点比较,以及根据设计的条件和要求, 本次设计应 采用填料塔最为合适。 四、填料塔的结构:示意图 填料塔也是一种重要的气液传质设备。它的结构很简单, 在塔体内充填一定 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。液体自填料层 顶部分散后沿填料表面流下而润湿填料表面;气体在压强差推动下, 通过填料间 的空隙由塔的一端流向另一端。 气液两相间的传质通常是在填料表面的液体与气 相间的界面上进行的。 塔壳可由陶瓷、金属、玻璃、塑料制成,必要时可在金属筒体内衬以防腐材 料。为保证液体在整个截面上的均匀分布,塔体应具有良好的垂直度。 填料塔不仅结构
21、简单, 而且有阻力小和便于用耐腐材料制造等优点,尤其对 于直径较小的塔、 处理有腐蚀性的物料或要求压强降小的真空蒸馏系统,填料塔 都表现出明显的优越性。 另外,对于某些液气比甚大的蒸馏或吸收操作,若采用 板式塔,则降液管将占用过多的塔截面积,此时也宜采用填料塔。 主要结构如下所示: 主要结构作用主要要求 外壳操作系统与环境的隔离界面 要具有一定的强度,需要时应能耐腐 蚀 填料 气液两相的接触元件,实现过程 操作的关键结构 具有一定的强度,比表面积大,空隙 率大,可使气、液的处理量大气体压 第 10 页 共 36 页 力降低 填料支承支承填料,并使气流分布均匀自由截面积大,应=65% 。强度大
22、液体分布器使液体均匀地喷淋在填料上喷洒均匀,防堵 再分布器 为防止液体的壁流效应,填料层 需要分段,在段间使液体集中再 重新分布 喷洒均匀,截面积大,拉西环分段每 段不超过4m ,其他填料不超过56m 除雾器 防止气速过大, 在塔顶出塔的气 体中带出大量液体 除雾效率高,压力降小 结构示意图如下所示: 第 11 页 共 36 页 五、工艺流程及工艺流程图 气体从填料塔的下端由鼓风机1 鼓入,吸收液由填料塔上端进入从塔底流 出,进行充分的接触、吸收。送入贮液槽2 中加药、沉淀,然后被水泵打到进水 管,循环进行吸收。 在进水管处装有转子流量计4,测量进液管中吸收液的流量。 、鼓风机 2 、吸收塔
23、3 、贮液槽 4 、转子流量计 5 、水泵 第 12 页 共 36 页 第三部分吸收塔的工艺计算(L、P、D、H) 一、吸收剂用量的计算(最小液气比) 由原始数据已知: 入口气体量 y1=7.6;出口气体量 y2=0.145 低浓度吸收时: Y1= y1 Y2= y2 进口液体不含二氧化硫所以x2=0 水吸收 SO 2平衡曲线 y = 40.516x + 0.0015 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 00.00050.0010.00150.0020.00250.003 SO2在水中的摩尔分数 S O 2 在 空 气 中 的 摩 尔
24、分 数 平衡线 操作线 线性 ( 操作线) 由 H2O SO2在常压 20 oC的平衡数据,得 X 1 * =0.00276 min L G = 12 12 YY XX = 0-0.00276 00145.0076.0 =27.011 低浓度时有 G B G=90 kmol/h 吸收剂的最小用量: min L= min L G G=27.01190=2430.99(kmol/h ) L=(1.1 2.0) min L,取 L=1.5 min L 吸收剂实际用量为L=1.52430.99=3646.485 (kmol/h ) 第 13 页 共 36 页 逆流吸收塔操作示意图如下: X:表示水中含
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