【精品】气体填料塔课程设计

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摘要在化学工业中，吸收操作广泛于石油炼制、石油化工中分离气体混合物、原料气的精制及从废气回收有用组分或去除有害组分等。

吸收是分离气体混合物的单元操作，其分离原理是利用气体混合物中各组分在液体溶剂中溶解度的差异来实现不同气体的分离。

一个完整的吸收过程应包括吸收和解吸两部分。

气体吸收过程是利用气体混合物中，各组分在液体中溶解度或化学反应活性的差异，在气液两相接触时发生传质，实现气液混合物的分离。

本次化工原理课程设计的目的是根据设计要求采用填料吸收塔的方法处理含有二氧化硫的混合物，使其达到排放标准。

吸收操作中以填料吸收塔生产能力大，分离效率高，压力降小，操作弹性大和持液量小等优点而被广泛应用。

目前国内对填料吸收塔设计大部分是经验设计方法，该方法是在给定生产任务的条件下，由经验确定出一个液气比的值，然后手算出吸收塔的有关设计参数。

在本设计中,以水吸收混合气中的二氧化硫，在给定的操作条件下对填料吸收塔进行物料衡算。

本次设计包括设计方案的选取、工艺说明、主要设备的工艺设计计算、设备的结构设计和工艺尺寸的设计计算、主要设备的装置图、结构图等内容。

第一章设计方案概述1.1 气体吸收概述吸收是根据气体混合物中各组分在液体溶剂中物理溶解度或者化学反应活性不同而将混合物分离的一种方法。

吸收净化法具有效率高、设备简单等特点，广泛应用于气态污染物的控制之中，它不仅是减少或者消除气态污染物向大气排放的重要途径，而且还能将污染物转化为有用的产品。

吸收过程可以分为物理吸收和化学吸收两种类型。

若溶质与吸收剂之间没有化学反应，而只靠溶质在吸收剂中的物理溶解度，则被吸收时称为物理吸收。

若溶质靠化学反应与吸收剂相结合，则被吸收时称为化学吸收。

物理吸收时，溶质在溶液上方的分压力较大，而且吸收过程最后只能进行到溶质在气相的分压力略高于溶质在溶液上方的平衡分压为止。

化学吸收时，若为不可逆反应，溶液上方的溶质平衡分压极小，可以充分吸收；若为可逆反应，溶液上方存在明显的溶质平衡分压力但比物理吸收时小很多。

工业生产中，化学吸收要比物理吸收用得多。

大气污染问题常具有废气量大、污染物浓度低、气体成分复杂和排放标准要求高等特点，通常的物理吸收难以满足上述要求，因此大多采用化学吸收。

与物理吸收相比，化学吸收使吸收推动力增大。

总吸收系数增大，吸收设备的有效接触面积增大，能满足处理低浓度气态污染物的要求。

1.2 塔设备类型介绍在大气污染净化中，因为气体量大而浓度低，所以常选用以气相为连续相、湍流程度高、相界面大的吸收设备，最常用的是填料塔、板式塔、喷淋塔和文丘里吸收器。

（1）填料塔填料塔以填料作为气液接触的基本构件。

塔体为直立圆筒，筒内支承板上堆放一定高度的填料。

气体从塔底送入，经过填料间的空隙上升。

吸收剂自塔顶经喷淋装置均匀喷洒，沿填料表面下流。

填料的润湿表面就成为气液连续接触的传质表面，净化气体最后从塔顶排出。

①波纹填料塔：效率较高，操作弹性大，便于处理腐蚀性物料。

②湍球塔：气流速度高，处理能力大；设备体积小，吸收效率高；还可以同事对含尘气体进行除尘；由于填料剧烈的湍动，一般不易被固体颗粒阻塞。

常勇于处理含颗粒物的气体或者液体以及可能发生结晶的过程。

（2）板式塔板式塔通常由一个呈圆柱形的壳体及沿塔高按一定间距水平设置的若干层塔板所组成。

操作时，吸收剂从塔顶进入，依靠重力作用由顶部逐板流向塔底排出，并且在各层塔板的板面上形成流动的液层；气体由塔底进入，在压力差的推动下，由塔底向上经过均匀在塔板上的开孔，以气泡形式分散在液层中，形成气液接触界面很大的泡沫层。

气相中部分有害气体被吸收，未被吸收的气体经过泡沫层后进入上一层塔板，气体逐板上升与板上的液体接触，被净化气体最后由塔顶排出。

（3）特种接触塔型在这种塔型中，气体为连续相，液体以液滴形式分散于气体中形成气液接触界面。

常见的有喷淋塔、喷射吸收器、机械喷洒吸收器、文丘里吸收器等。

1.3 设备的选择工业上，塔设备主要用于蒸馏和吸收传质单元操作过程。

传统的设计中，蒸馏过程多选用板式塔，而吸收过程多选用填料塔。

近年来，随着塔设备设计水平的提高及新型塔构建的出现，上述传统已逐渐打破。

在蒸馏过程中采用填料塔及在吸收过程中采用板式塔已有不少应用范例，尤其是填料塔在精馏过程中的应用已非常普遍。

对于一个具体的分离过程，设计中选择何种塔型，应根据生产能力、分离效率、塔压降、操作弹性等要求，并结合制造、维修、造价等因素综合考虑。

例如，对于热敏性物系的分离，要求塔压降尽可能低，选用填料塔较为适宜；对于有悬浮物或者聚合物系的分离，为防止堵塞，宜选用板式塔；对于液体喷淋密度极小的工艺过程，若采用填料塔，填料层得不到充分润湿，使其分离效率明显下降，故宜选用板式塔；对于易泡发的物系的分离，因填料层具有破碎泡沫的作用，宜选用填料塔。

填料塔为连续接触式的气、液传质设备。

它的结构为：在圆筒形塔体的下部，设置一层支承板，支承板上充填一定高度的填料。

液体由入口管进入经过分布器喷淋至填料上，在填料的空隙中流过，并润湿填料表面形成流动的液膜。

液体经过填料后由排出管取出。

液体在填料层中有倾向于塔壁的流动，故填料层较高时，常将其分段，两段之间设置液体再分布器，以利液体的重新均布。

气体在支承板下方入口管进入塔内，在压强差的推动下，通过填料间的空隙由塔的顶部排出管排出。

填料层内气、液两相呈逆流流动，相际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，两相的组成沿塔高连续变化。

填料塔和板式塔相比，不仅结构简单，而且具有生产能力大（通量大）、分离效率高、持液量小、操作弹性大、压强降低等特点。

通过填料材质的选择，可处理腐蚀性的物料。

尤其对于压强降较低的真空精馏操作，填料塔更显示出其优越性。

但是，填料塔的造价通常高于板式塔，对于含有悬浮物的料液、易聚合的物系则不能适用，而且对于有侧线出料的场合等也不大适宜。

近年来，国内外对填料的研究与开发进展很迅速，新型高效填料的不断出现，使填料塔的应用更加广泛，直径达几米甚至十几米的大型填料塔在工业上已非罕见。

填料塔的气液接触时间、液气比均可在较大范围内调节，而且结构简单、压力降小。

过去由于填料结构及塔内构件不够完善,填料塔大多局限于处理腐蚀性气体或者不适宜安装塔板的小直径塔。

近年来由于填料结构的改进，新型高效、高负荷填料的开发，既提高了塔的通过能力和分离能力，又保持了压力降小及性能稳定的优点，因此填料塔已经被推广到所有大型气液操作系统中，在SO2污染控制中得到广泛应用。

则本次设计采用填料塔作为吸收设备。

1.4 吸收工艺的选择1.4.1 吸收装置流程的选择填料塔吸收装置的流程主要有逆流操作、并流操作、吸收剂部分再循环操作、多塔串联操作、串联—并联混合操作、吸收蒸出操作等，本设计采用逆流操作过程，吸收利用率高。

（1）逆流操作气相自塔底进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出。

特点：传质平均推动力大，传质速率快，分离效率高，吸收剂利用率高。

工业生产中大部分的填料吸收塔多采用气液逆流操作流程。

（2）并流操作气液两相均从塔顶流向塔底。

特点：系统不受液流限制，可以提高操作气速，以提高生产能力。

应用情况：当吸收过程的平衡曲线较平坦时，流向对推动力影响不大；易溶气体的吸收或者处理的气体不需要吸收很完全；吸收剂用量特别大，逆流操作易引起液泛。

（3）吸收剂部分再循环操作应用情况：当吸收剂用量较小，为提高塔的液体喷淋密度：对于非等温吸收过程，为了控制塔内的温升，需要取出一部分热量。

吸收剂部分再循环操作较逆流操作的平均推动力呀低，并且需要设置循环泵，操作费用增加。

（4）多塔串联操作若设计的填料层高度过大，或者由于所处理物料等原因需经常清理填料，为便于维修，可以把填料层分装在几个串联的塔内，每个吸收塔通过的吸收剂和气体量相等。

此种操作因塔内需要留较大空间，输液、喷淋、支承板等辅助装置增加，使设备投资加大。

（5）串联—并联混合操作若吸收过程处理的液量很大，如果用通常的流程，则液体在塔内的喷淋密度过大，操作气速势必很小，塔的生产能力很低。

（6）吸收蒸出操作在多组分吸收过程中，为了提高吸收液中溶质的浓度，可以采用吸收蒸出操作。

吸收剂性能的优劣，往往成为决定吸收操作效果是否良好的关键。

在选择吸收剂时，应注意考虑以下几个方面的问题。

（1）溶解度吸收剂对于溶质组分应具有较大的溶解度，这样可以提高吸收速率并减小吸收剂的耗用量。

当吸收剂与溶质组分间有化学反应发生时，溶解度可以大大提高，但若要循环使用吸收剂，则化学反应必须是可逆的；对于物理吸收也应该选择其溶解度随着操作条件改变而有显著差异的吸收剂，以便回收。

（2）选择性吸收剂要在对溶质组分有良好吸收能力的同时，对混合气体中的其他组分却基本上不吸收或者吸收甚微，否则不能实现有效的分离。

（3）挥发度操作温度下吸收剂的蒸气压要低，因为离开吸收设备的气体往往被吸收剂蒸气所饱和，吸收剂的挥发度越高，其损失量便越大。

（4）黏性操作温度下吸收剂的黏度要低，这样可以改善吸收塔内的流动状况，从而提高吸收速率，并且有助于降低泵的功耗，还能减小传热阻力。

（5）其他所选用的吸收剂还应该尽可能无毒性，无腐蚀性，不易燃，不发泡，冰点低，价廉易得，并且具有化学稳定性。

综合设计的任务要求及以上综合考虑，本次设计采用湿法烟气脱硫，吸收剂采用清水。

用水吸收SO2属于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，并且SO2不作为产品，故采用纯溶剂。

1.5 填料的类型与选择1.5.1 填料的特性在填料塔内，气体由填料间的空隙流过，液体在填料表面形成液膜并且沿填料间的空隙而下流，气、液两相间的传质过程在润湿的填料表面上进行。

因此，填料塔的生产能力和传质速率均与填料特性密切相关。

填料性能的优劣通常根据通量、效率及压降三要素来衡量。

表示填料性能的有比表面积、空隙率、填料因子。

在选择填料时，一般要求比表面积及空隙率要大，填料的润湿性能要好，单位体积的填料质量轻，造价低，并且有足够的力学强度。

填料的种类很多，根据装填方式的不同，可以分为散装填料和规整填料两大类。

（1）散装填料散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积在塔内，又成为乱堆填料或者颗粒填料。

散装填料根据结构特点不同，又可以分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。

（2）规整填料规整填料是按一定的几何图形排列，整齐堆砌的填料。

规整填料种类很多，根据其几何结构可以分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料等，工业上应用的汇整填料绝大部分为波纹填料。