环境工程原理课程设计 1

环境工程原理课程设计

——水吸收二氧化硫填料吸收塔设计

专 业：

班 级： 姓 名：

学 号： 指导教师：

完成日期：2013年10月20日

目录

第一章 概论···················································3

1.1 设计任务及目的··········································3

1.2 吸收技术概况············································3

1.3吸收设备的分类及发展····································4

第二章SO2 的介绍及净化技术····································4

2.1 SO2 的来源、性质和危害···································4

2.1.1 SO2 的来源···········································4

2.1.2 SO2 的性质···········································5

2.1.3 SO2 的危害···········································6

2.2 SO2的净化技术·········································8

第三章 吸收塔的设计方案·······································8

3.1 吸收工艺的流程··········································8

3.1.1吸收工艺流程的确定···································8

3.1.2 吸收工艺流程图及工艺过程说明························9

3.2操作参数的选择··········································11

3.2.1 操作温度的确定······································11

3.2.2 操作压力的确定 ·····································11

3.3 吸收方法以及吸收剂的选择································12

3.3.1 吸收方法············································12

3.3.2 吸收剂的选择········································12

3.4 吸收塔设备及填料的选择··································13

3.4.1 吸收塔设备··········································13

3.4.2 填料的选择··········································14

第四章 吸收塔的工艺计算······································15

4.1基础物性数据············································15

4.1.1 液相物性数据·······································15

4.1.2 气相物性数据·······································15

4.1.3 气液平衡数据·······································15

4.2填料塔的工艺尺寸的计算··································15

4.2.1 空塔气数的确定······································15

4.2.2 填料层高度··········································17

4.2.3 传质单元的计算······································17

4.3 填料层压降ΔP的计算····································17

4.4 液体分布器计算··········································18

4.5 其他附属塔内件的选择····································18

4.5.1 液体分布器··········································18

4.5.2 液体再分布器········································18

4.5.3 填料支撑板··········································19

4.5.4 气体进出口装置与排液装置····························19

4.5.5填料压板与床层限制板·································19 参考文献······················································20

第一章 概论

1.1设计任务及目的

1. 设计方案简介 对给定或选定的工艺流程，主要的设备型式进行简要的论述。

2. 主要设备的工艺设计计算 包括工艺参数的选定、物料衡算、热量衡算、设备的工艺尺寸计算及结构设计。

3. 典型辅助设备的选型和计算 包括典型辅助设备的主要工艺尺寸计算和设备型号规格的选定。

4. 带控制点的工艺流程简图 以单线图的形式绘制，标出主体设备和辅助设备的物料流向、物流量、能流量和主要化工参数测量点。

5. 主体设备工艺条件图 图面上应包括设备的主要工艺尺寸，技术特性表和接管表。

课程设计不同于平时的作业，在设计中需要学生自己做出决策，即自己确定方案，选择流程，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。所以，课程设计是培养学生独立工作能力的有益实践。

1.2吸收技术概况

气体吸收过程是化工生产中常用的气体混合物的分离操作，其基本原理是利用混合物中各组分在特定的液体吸收剂中的溶解度不同，实现各组分分离的单元操作。

实际生产中，吸收过程所用的吸收剂常需回收利用，故一般来说，完整的吸收过程应包括吸收和解吸两部分，因而在设计上应将两部分综合考虑，才能得到较为理想的设计结果。作为吸收过程的工艺设计，其一般性问题是在给定混合气体处理量、混合气体组成、温度、压力以及分离要求的条件下，完成以下工作：

（1）根据给定的分离任务，确定吸收方案；

（2）根据流程进行过程的物料和热量衡算，确定工艺参数；

（3）依据物料及热量衡算进行过程的设备选型或设备设计；

（4）绘制工艺流程图及主要设备的工艺条件图；

（5）编写工艺设计说明书。

1.3吸收设备的分类及发展

在吸收过程中，质量交换是在两相接触面上进行的。因此，吸收设备应具有较大的气液接触面，按吸收表面的形成方式，吸收设备可分为下列几类：

（1）表面吸收器

吸收器中两相间的接触面是静止液面（表面吸收器本身的液面）或流动的液膜表面（膜式吸收器）。这类设备中的接触表面在相当大的程度上决定于吸收器构件的几何表面。这类设备还可分为以下几种基本类型：

a水平液面的表面吸收器

b液膜吸收器

c填料吸收器

d机械液膜吸收器

（2）鼓泡吸收器

在这种吸收器中，接触表面是随气流而扩展。在液体中呈小气泡和喷射状态分布。这样的气体运动（鼓泡）是以其通过充满液体的设备（连续的鼓泡）或通过具有不同形式塔板的塔来实现。在充填填料的吸收器中，也可看到气体和液体相互作用的特征。这一类吸收器也包括以机械搅拌混合液体的鼓泡吸收器。鼓泡吸收器中，接触表面是由流体动力状态（气体和液体的流量）所决定的。

（3）喷洒吸收器

喷洒吸收器中的接触表面是在气相介质中喷洒细小液滴的方法而形成的。接触表面取决于流体动力学状态（液体流量）。这一类的吸收器有：吸收器中液体的喷洒是用喷雾器（喷洒或空心的吸收器）；用高速气体运动流的高速并流喷洒吸收器；或用旋转机械装置的机械喷洒吸收器。

在这些不同形式的设备中，现在最通用的是填料及鼓泡塔板吸收器。

第二章 SO2 的介绍及净化技术

2.1 SO2的来源、性质及其危害：

2.1.1二氧化硫的来源

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%.

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

1.3吸收设备的分类及发展

在吸收过程中，质量交换是在两相接触面上进行的。因此，吸收设备应具有较大的气液接触面，按吸收表面的形成方式，吸收设备可分为下列几类：

（1）表面吸收器

吸收器中两相间的接触面是静止液面（表面吸收器本身的液面）或流动的液膜表面（膜式吸收器）。这类设备中的接触表面在相当大的程度上决定于吸收器构件的几何表面。这类设备还可分为以下几种基本类型：

a水平液面的表面吸收器

b液膜吸收器

c填料吸收器

d机械液膜吸收器

（2）鼓泡吸收器

在这种吸收器中，接触表面是随气流而扩展。在液体中呈小气泡和喷射状态分布。这样的气体运动（鼓泡）是以其通过充满液体的设备（连续的鼓泡）或通过具有不同形式塔板的塔来实现。在充填填料的吸收器中，也可看到气体和液体相互作用的特征。这一类吸收器也包括以机械搅拌混合液体的鼓泡吸收器。鼓泡吸收器中，接触表面是由流体动力状态（气体和液体的流量）所决定的。

（3）喷洒吸收器

喷洒吸收器中的接触表面是在气相介质中喷洒细小液滴的方法而形成的。接触表面取决于流体动力学状态（液体流量）。这一类的吸收器有：吸收器中液体的喷洒是用喷雾器（喷洒或空心的吸收器）；用高速气体运动流的高速并流喷洒吸收器；或用旋转机械装置的机械喷洒吸收器。

在这些不同形式的设备中，现在最通用的是填料及鼓泡塔板吸收器。

第二章 SO2 的介绍及净化技术

2.1 SO2的来源、性质及其危害：

2.1.1二氧化硫的来源

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%.

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。

2.1.2二氧化硫的性质

(1)物理性质：

二氧化硫又名亚硫酸酐，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） 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，二氧化硫水溶

液中成分为SO2·7H2O，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+2H2O ；还原性：能被Cl2、Br2、I2、Fe3+、KMnO4、HNO3等强氧化剂氧

化成高价态硫元素。 SO2+X2+2H2O=H2SO4+2HX

2.1.3二氧化硫的危害

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。 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10～15ppm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3～4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（α）芘的致癌作用。据动物试验，在二氧化硫和苯并（α）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）×106，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，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， 对生态环境会产生严重的影响。

2.2 SO2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。

第三章 吸收塔的设计方案

3.1吸收工艺的流程

3.1.1吸收工艺流程的确定

工业上使用的吸收流程多种多样，可以从不同角度进行分类，从所选用的吸收剂的种类看，有仅用一种吸收剂的一步吸收流程和使用两种吸收剂的两步吸收流程，从所用的塔设备数量看，可分为单塔吸收流程和多塔吸收流程，从塔内气

液两相的流向可分为逆流吸收流程、并流吸收流程等基本流程，此外，还有用于

特定条件下的部分溶剂循环流程。

（一）一步吸收流程和两步吸收流程

一步流程一般用于混合气体溶质浓度较低，同时过程的分离要求不高，选用一种

吸收剂即可完成任务的情况。若混合气体中溶质浓度较高且吸收要求也高，难以

用一步吸收达到规定的吸收要求，但过程的操作费用较高，从经济性的角度分析

不够适宜时，可以考虑采用两步吸收流程。

（二）单塔吸收流程和多塔吸收流程

单塔吸收流程是吸收过程中最常用的流程，如过程无特别需要，则一般采用单塔

吸收流程。若过程的分离要求较高，使用单塔操作时，所需要的塔体过高，或采

用两步吸收流程时，则需要采用多塔流程（通常是双塔吸收流程）

（三）逆流吸收与并流吸收

吸收塔或再生塔内气液相可以逆流操作也可以并流操作，由于逆流操作具有传质

推动力大，分离效率高（具有多个理论级的分离能力）的显著优点而 广泛应用。

工程上，如无特别需要，一般均采用逆流吸收流程。

（四）部分溶剂循环吸收流程

由于填料塔的分离效率受填料层上的液体喷淋量影响较大，当液相喷淋量过小

时，将降低填料塔的分离效率，因此当塔的液相负荷过小而难以充分润湿填料表

面时，可以采用部分溶剂循环吸收流程，以提高液相喷淋量，改善踏的操作条件。

3.1.2吸收工艺过程说明及工艺流程图

吸收SO2的流程包括吸收和解吸两大部分。混合气体冷却至20℃ 下进入吸收塔底部，水从

塔顶淋下，塔内装有填料以扩大气液接触面积。在气体与液体接触的过程中，气体中的SO2

溶解于水，使离开吸收塔顶的气体二氧化硫含量降低至允许值，而溶有较多二氧化硫的液体

由吸收塔底排出。为了回收二氧化硫并再次利用水，需要将水和二氧化硫分离开，称为溶剂

的再生。解吸是溶剂再生的一种方法，含二氧化硫的水溶液经过加热后送入解吸塔，与上升

的过热蒸汽接触，二氧化硫从液相中解吸至气相。二氧化硫被解吸后，水溶剂得到再生，经

过冷却后再重新作为吸收剂送入吸收塔循环使用。

操作参设计填料吸收塔实体主体结构示意图如下：

3.2 操作参数的选择

3.2.1操作温度的确定

对于物理吸收而言,降低操作温度,对吸收有利.但低于环境温度的操作温度

因其要消耗大量的制冷动力而一般是不可取的,所以一般情况下,取常温吸收较

为有利.对于特殊条件的吸收操作方可采用低于或高于环境的温度操作。

对于化学吸收,操作温度应根据化学反应的性质而定,既要考虑温度对化学

反应速度常数的影响,也要考虑对化学平衡的影响,使吸收反应具有适宜的反应

速度。

而对本设计而言，由吸收过程的气液关系可知，温度降低可增加溶质组分的

溶解度，即低温有利于吸收，但操作温度的低限应有吸收系统的具体情况决定。

依据本次设计要求，操作温度定为20℃。

3.2.2操作压力的确定

操作压力的选择根据具体情况的不同分为三种：

对于物理吸收,加压操作一方面有利于提高吸收过程的传质推动力而提高过

程的传质速率,另一方面,也可以减小气体的体积流率,减小吸收塔径.所以操作

十分有利.但工程上,专门为吸收操作而为气体加压,从过程的经济性角度看是不

合理的,因而若在前一道工序的压力参数下可以进行吸收操作的情况下,一般是

以前道工序的压力作为吸收单元的操作压力。

对于化学吸收,若过程由质量传递过程控制,则提高操作压力有利,若为化学

反应过程控制,则操作压力对过程的影响不大,可以完全根据前后工序的压力参

数确定吸收操作压力,但加大吸收压力依然可以减小气相的体积流率,对减小塔

径仍然是有利的。

对于减压再生(闪蒸)操作,其操作压力应以吸收剂的再生要求而定,逐次或

一次从吸收压力减至再生操作压力,逐次闪蒸的再生效果一般要优于一次闪蒸效

果。

本设计中由吸收过程的气液平衡可知，压力升高可增加溶质组分的溶解度，

即加压有利于吸收。但随着操作压力的升高，对设备的加工制造要求提高，且能

耗增加，综合考虑，采用常压101.325kPa。

3.3吸收方法及吸收剂的选择

3.3.1吸收方法

完成同一吸收任务，可选用不同吸收剂，从而构成了不同的吸收方法，如以合成

氨厂变换器脱CO2的为例，若配合焦炉气为原料的制氢工艺，宜选用水，碳酸丙

烯酯，冷甲酸等作吸收剂，既能脱CO2，又能脱除有机杂质。后继配以碱洗和低

温液氨洗构成了一个完整的净化体系，若以天然气为原料制H2和N2时，宜选用

催化热碳酸钾溶液作吸收剂，净化度高。后继再配以甲烷化法，经济合理。其中，

前者为物理吸收，后者则为化学吸收。一般而言，当溶剂含量较低，而要求净化

度又高时，宜采用化学吸收法；若溶质含量较高，而净化度又不很高时，宜采用

物理吸收法。

3.3.2吸收剂的选择:

对于吸收操作,选择适宜的吸收剂,具有十分重要的意义.其对吸收操作过程

的经济性有着十分重要的影响.一般情况下,选择吸收剂,要着重考虑如下问题.

(一)对溶质的溶解度大

所选的吸收剂多溶质的溶解度大,则单位量的吸收剂能够溶解较多的溶质,

在一定的处理量和分离要求下,吸收剂的用量小,可以有效地减少吸收剂循环量,

这对于减少过程功耗和再生能量消耗十分有利.另一方面,在同样的吸收剂用量

下,液相的传质推动力大,则可以提高吸收效率,减小塔设备的尺寸.

(二)对溶质有较高的选择性

对溶质有较高的选择性,即要求选用的吸收剂应对溶质有较大的溶解度,而

对其他组分则溶解度要小或基本不溶,这样,不但可以减小惰性气体组分的损失,

而且可以提高解吸后溶质气体的纯度.

(三)不易挥发

吸收剂在操作条件下应具有较低的蒸气压,以避免吸收过程中吸收剂的损失,

提高吸收过程的经济性.

(四)再生性能好

由于在吸收剂再生过程中,一般要对其进行升温或气提等处理,能量消耗较

大,因而,吸收剂再生性能的好坏,对吸收过程能耗的影响极大,选用具有良好再

生性能的吸收剂,往往能有效地降低过程的能量消耗.

以上四个方面是选择吸收剂时应考虑的主要问题,其次,还应注意所选择的

吸收剂应具有良好的物理、化学性能和经济性.其良好的物理性能主要指吸收剂

的粘要小,不易发泡,以保证吸收剂具有良好的流动性能和分布性能.良好的化学

性能主要指其具有良好的化学稳定性和热稳定性,以防止在使用中发生变质,同

时要求吸收剂尽可能无毒、无易燃易爆性,对相关设备无腐蚀性(或较小的腐蚀

性).吸收剂的经济性主要指应尽可能选用廉价易得的溶剂.

表 物理吸收剂和化学吸收剂的特性

3.4吸收塔设备及填料的选择

3.4.1吸收塔设备的选择

对于吸收过程，能够完成其分离任务的塔设备有多种，如何从众多的塔设备

中选择合适的类型是进行工艺设计得首要工作。而进行这一项工作则需对吸收过

程进行充分的研究后，并经多方案对比方能得到较满意的结果。一般而言，吸收

用塔设备与精馏过程所需要的塔设备具有相同的原则要求，即用较小直径的塔设

备完成规定的处理量，塔板或填料层阻力要小，具有良好的传质性能，具有合适

的操作弹性，结构简单，造价低，易于制造、安装、操作和维修等。

在液体流率很低难以充分润湿填料，或塔径过大，使用填料塔不很经济的情

况下，以采用板式塔为宜。但作为吸收过程，一般具有操作液气比大的特点，因

而更适用于填料塔。此外，填料塔阻力小，效率高，有利于过程节能，所以对于

吸收过程来说，以采用填料塔居多。

本次吸收塔设计选择填料吸收塔。

3.4.2填料的选择

塔填料是填料塔中的气液相间传质组件，是填料塔的核心部分。其种类繁多，性能上各有差异。

1.散堆填料 目前散堆填料主要有环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料。所用的材质有陶瓷、塑料、石墨、玻璃及金属等。

2．规整填料 规整填料是由许多相同尺寸和形状的材料组成的填料单元，以整砌的方式装填在塔体中。规整填料主要包括板波纹填料、丝网波纹填料、格利希格栅、脉冲填料等，其中尤以板波纹填料和丝网波纹填料所用材料主要有金属丝网和塑料丝网。

第四章 吸收塔的工艺计算

4.1 基础物性数据

4.1.1液相物性数据

20℃时水的有关物性数据：

密度L998.2(kg/m3)

黏度L0.001(Pas)3.6kg/(mh)

表面张力L72.6dyn/cm940896kg/h2

扩散系数DL1.47105(cm2/s)

4.1.2气相物性数据

混合气体的平均摩尔质量为：MvmyiMi0.0664.060.952931.1混合气体的平均密度为：PMvm101.331.11.272kg/m3

RT8.314298

混合气体粘度近似于空气粘度，直接查得20摄氏度空气的粘度为：v1.8110-5PaS0.065kg/SO2在空气中的扩散系数为：Dv0.108cm2/s0.039m2/h

4.1.3气液平衡数据

查得常压下20摄氏度时SO2在水中的亨利系数为：E3.55103KPa

E3.55103

相平衡常数为：m35.04p101.325

溶解系数为：Hl

EMs998.20.0156kmol/(kPam3)33.551018.02

4.2 填料塔的工艺尺寸的计算

4.2.1 空塔气速的确定

通常由泛点气速来确定空塔操作气速。泛点气速是填料塔操作气速的上限，填料塔的操作气速必须小于泛点气速，操作空塔气速与泛点气速之比称为泛点率。

填料的泛点气速可由Eckert通用关联图查得，

气相质量流量为：

WVqVVm24021.2573019.314kmol/h

液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即：

WL5048.4718.0290973.43koml/h

采用Eckert通用关联图法计算泛点气速UF。

通用填料塔泛点和压降的通用关联图如下[13]：

图 填料塔泛点和压降的通用关联图

图中：

u0——空塔气速，m /s；

φ——湿填料因子，简称填料因子，1 /m；

ψ——水的密度和液体的密度之比；

g——重力加速度，m /s2；

V,L

——分别为气体和液体的密度，kg /m3；

WV,WL——分别为气体和液体的质量流量，kg /s。

此图适用于乱堆的颗粒形填料，如拉西环、弧鞍形填料、矩鞍形填料、鲍尔环等，其上还绘制了整砌拉西环和弦栅填料两种规整填料的泛点曲线。对于其他填料，尚无可靠的填料因子数据。

4.2.2 传质单元数的计算

Y1mX140.760.0009620.0392

解吸因数为：

mV40.7693.128S0.7518 L5048.47

气相总传质单元数为：

Y1Y21NOGln1SS1SY2Y2 10.05490ln10.75190.75197.0110.75190.002750Y2mX20 

4.2.3填料层高度

ZHOGNOG0.56937.013.993m

根据设计经验，填料层的设计高度一般为

Z(1.2-1.5)Z

式中:Z—设计时的填料高度，m；

Z—工艺计算得到的填料层高度，m。

Z1.43.9935.59m

设计取填料层高度为

Z5.59m

查表四：

815mD对于阶梯环填料，，hmax6m；

h8D取，则h812009600mm

计算的填料塔高度为6590mm,不需要分段 6000mm9600mm

4.3 填料层压降ΔP的计算:

填料层压降:气体通过填料层的压降采用Eckert关联图计算,其中:

X

YWLWG2G1.027L2ufG0.20.63911611.2720.210.0062gL9.81998.2

查Eckert图得每米填料的压降为107.91Pa,所以填料层的压降为

p107.916647.46Pa

4.4 液体分布器计算

(1)布液孔数:根据该物系性质可选用管式液体分布器,取布液孔数为120个/m2,则总布液孔数为n0.7851201.22135.6136个

4.5其他附属塔内件的选择

本装置的直径较小可采用简单的进气分布装置,同时排放的净化气体中的液相夹带要求严格,应设除液沫装置,为防止填料由于气流过大而是翻,应在填料上放置一个筛网装置,防止填料上浮.

4.5.1液体分布器

液体在填料塔顶喷淋的均匀状况是提供塔内气液均匀分布的先决条件，也是使填料达到预期分离效果的保证。为此，分布器设计中应注意以下几点：

（1）、为保证液体在塔截面上均布，颗粒型（散装）填料的喷淋点数为40——80个/m2（环形填料自分布性能差应取高值），此外，为减少壁流效应，喷淋孔的分布应使近塔壁5——20﹪区域内的液体流量不超过总液量的10﹪。规整填料一般为100——200个/㎡喷淋点。

（2）、喷淋孔径不宜小于2㎜，以免引起堵塞，孔径也不宜过大，否则液位高度难维持稳定。

4.5.2液体再分布器

当塔顶喷淋液体沿填料层下流时，存在向塔壁流动的趋势，导致壁流增加。此外，塔体倾斜、保温不良等也会加剧壁流现象。

为提高塔的传质效果，当填料层高度与塔径之比超过某一数值时，填料层需分段。在各段填料层之间安设液体再分布器，以收集自伤以填料层来的液体，为下一填料层提供均匀的液体分布。

4.5.3填料支撑板

填料支撑板用于支撑塔填料及其所特有的气体、液体的质量，同时起着气液流道及其体均布作用。故要求支撑板上气液流动阻力太大，将影响塔的稳定操作甚至引起塔的液泛。

支撑板大体分为两类，一类为气液逆流通过的平板支撑板，板上有筛孔或为栅板式；另一类斯气体喷射型，可分为圆柱升气管式的气体喷射型支撑板和梁式气体喷射型支撑板。

平板型支撑板结构简单，但自由截面分率小，且因气液流同时通过板上筛孔或栅缝，故板上存在液位头。气体喷射性支撑板气液分道，即有利于气体的均匀分配，又避免了液体在板上聚集。梁式结构强度好，装卸方便，可提高大于塔截面的自由截面，且允许气液负荷较大，其应用日益受到重视。

4.5.4气体进出口装置与排液装置

填料塔的气体进口既要防止液体倒灌，更要有利于气体的均匀分布。对500mm直径以下的小塔，可使进气管伸到塔中心位置，管端切成45°向下斜口或切成向下切口，使气流折转向上。对1.5m以下直径的塔，管的末端可制成下弯的锥形扩大器，或采用其它均布气流的装置。

气体出口装置既要保证气流畅通，又要尽量除去被夹带的液沫。最简单的装置是在气体出口处装一除沫挡板，或填料式、丝网式除雾器，对除沫要求高时可采用旋流板除雾器。

液体出口装置既要使塔底液体顺利排出，又能防止塔内与塔外气体串通，常压吸收塔可采用液封装置。

常压塔气体进出口管气速可取10～20m/s（高压塔气速低于此值）；液体进出口气速可取0.8～1.5m/s（必要时可加大些）管径依气速决定后，应按标准管规定进行圆整

当塔内气液负荷较大或负荷波动较大时，塔内填料将发生浮动或相互撞击，破坏塔的正常操作甚至损坏填料，为此，一般在填料层顶部设压板或床层限制板。

4.5.5填料压板与床层限制板

填料压板系藉自身质量压住填料但不致压坏填料；限制板的质量轻，需固定于塔壁上。一般要求压板或限制板自由截面分率大于70％。

参考文献

1.《环境工程原理》 （第二版) 胡洪营，张旭，黄霞，王伟 合编， 高等教育出版社

2.《环境学导论》 (第三版） 何强，井文涌，王诩亭 编著，清华大学出版社

3.《现代环境生物技术》 （第二版） 王建龙，文湘华 编著，清华大学出版社

4.《无机化学》 （第四版） 天津大学无机化学教研室 编 ， 高等教育出版社

环境工程原理课程设计

——水吸收二氧化硫填料吸收塔设计

专 业：

班 级： 姓 名：

学 号： 指导教师：

完成日期：2013年10月20日

目录

第一章 概论···················································3

1.1 设计任务及目的··········································3

1.2 吸收技术概况············································3

1.3吸收设备的分类及发展····································4

第二章SO2 的介绍及净化技术····································4

2.1 SO2 的来源、性质和危害···································4

2.1.1 SO2 的来源···········································4

2.1.2 SO2 的性质···········································5

2.1.3 SO2 的危害···········································6

2.2 SO2的净化技术·········································8

第三章 吸收塔的设计方案·······································8

3.1 吸收工艺的流程··········································8

3.1.1吸收工艺流程的确定···································8

3.1.2 吸收工艺流程图及工艺过程说明························9

3.2操作参数的选择··········································11

3.2.1 操作温度的确定······································11

3.2.2 操作压力的确定 ·····································11

3.3 吸收方法以及吸收剂的选择································12

3.3.1 吸收方法············································12

3.3.2 吸收剂的选择········································12

3.4 吸收塔设备及填料的选择··································13

3.4.1 吸收塔设备··········································13

3.4.2 填料的选择··········································14

第四章 吸收塔的工艺计算······································15

4.1基础物性数据············································15

4.1.1 液相物性数据·······································15

4.1.2 气相物性数据·······································15

4.1.3 气液平衡数据·······································15

4.2填料塔的工艺尺寸的计算··································15

4.2.1 空塔气数的确定······································15

4.2.2 填料层高度··········································17

4.2.3 传质单元的计算······································17

4.3 填料层压降ΔP的计算····································17

4.4 液体分布器计算··········································18

4.5 其他附属塔内件的选择····································18

4.5.1 液体分布器··········································18

4.5.2 液体再分布器········································18

4.5.3 填料支撑板··········································19

4.5.4 气体进出口装置与排液装置····························19

4.5.5填料压板与床层限制板·································19 参考文献······················································20

第一章 概论

1.1设计任务及目的

1. 设计方案简介 对给定或选定的工艺流程，主要的设备型式进行简要的论述。

2. 主要设备的工艺设计计算 包括工艺参数的选定、物料衡算、热量衡算、设备的工艺尺寸计算及结构设计。

3. 典型辅助设备的选型和计算 包括典型辅助设备的主要工艺尺寸计算和设备型号规格的选定。

4. 带控制点的工艺流程简图 以单线图的形式绘制，标出主体设备和辅助设备的物料流向、物流量、能流量和主要化工参数测量点。

5. 主体设备工艺条件图 图面上应包括设备的主要工艺尺寸，技术特性表和接管表。

课程设计不同于平时的作业，在设计中需要学生自己做出决策，即自己确定方案，选择流程，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。所以，课程设计是培养学生独立工作能力的有益实践。

1.2吸收技术概况

气体吸收过程是化工生产中常用的气体混合物的分离操作，其基本原理是利用混合物中各组分在特定的液体吸收剂中的溶解度不同，实现各组分分离的单元操作。

实际生产中，吸收过程所用的吸收剂常需回收利用，故一般来说，完整的吸收过程应包括吸收和解吸两部分，因而在设计上应将两部分综合考虑，才能得到较为理想的设计结果。作为吸收过程的工艺设计，其一般性问题是在给定混合气体处理量、混合气体组成、温度、压力以及分离要求的条件下，完成以下工作：

（1）根据给定的分离任务，确定吸收方案；

（2）根据流程进行过程的物料和热量衡算，确定工艺参数；

（3）依据物料及热量衡算进行过程的设备选型或设备设计；

（4）绘制工艺流程图及主要设备的工艺条件图；

（5）编写工艺设计说明书。

1.3吸收设备的分类及发展

在吸收过程中，质量交换是在两相接触面上进行的。因此，吸收设备应具有较大的气液接触面，按吸收表面的形成方式，吸收设备可分为下列几类：

（1）表面吸收器

吸收器中两相间的接触面是静止液面（表面吸收器本身的液面）或流动的液膜表面（膜式吸收器）。这类设备中的接触表面在相当大的程度上决定于吸收器构件的几何表面。这类设备还可分为以下几种基本类型：

a水平液面的表面吸收器

b液膜吸收器

c填料吸收器

d机械液膜吸收器

（2）鼓泡吸收器

在这种吸收器中，接触表面是随气流而扩展。在液体中呈小气泡和喷射状态分布。这样的气体运动（鼓泡）是以其通过充满液体的设备（连续的鼓泡）或通过具有不同形式塔板的塔来实现。在充填填料的吸收器中，也可看到气体和液体相互作用的特征。这一类吸收器也包括以机械搅拌混合液体的鼓泡吸收器。鼓泡吸收器中，接触表面是由流体动力状态（气体和液体的流量）所决定的。

（3）喷洒吸收器

喷洒吸收器中的接触表面是在气相介质中喷洒细小液滴的方法而形成的。接触表面取决于流体动力学状态（液体流量）。这一类的吸收器有：吸收器中液体的喷洒是用喷雾器（喷洒或空心的吸收器）；用高速气体运动流的高速并流喷洒吸收器；或用旋转机械装置的机械喷洒吸收器。

在这些不同形式的设备中，现在最通用的是填料及鼓泡塔板吸收器。

第二章 SO2 的介绍及净化技术

2.1 SO2的来源、性质及其危害：

2.1.1二氧化硫的来源

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%.

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

1.3吸收设备的分类及发展

在吸收过程中，质量交换是在两相接触面上进行的。因此，吸收设备应具有较大的气液接触面，按吸收表面的形成方式，吸收设备可分为下列几类：

（1）表面吸收器

吸收器中两相间的接触面是静止液面（表面吸收器本身的液面）或流动的液膜表面（膜式吸收器）。这类设备中的接触表面在相当大的程度上决定于吸收器构件的几何表面。这类设备还可分为以下几种基本类型：

a水平液面的表面吸收器

b液膜吸收器

c填料吸收器

d机械液膜吸收器

（2）鼓泡吸收器

在这种吸收器中，接触表面是随气流而扩展。在液体中呈小气泡和喷射状态分布。这样的气体运动（鼓泡）是以其通过充满液体的设备（连续的鼓泡）或通过具有不同形式塔板的塔来实现。在充填填料的吸收器中，也可看到气体和液体相互作用的特征。这一类吸收器也包括以机械搅拌混合液体的鼓泡吸收器。鼓泡吸收器中，接触表面是由流体动力状态（气体和液体的流量）所决定的。

（3）喷洒吸收器

喷洒吸收器中的接触表面是在气相介质中喷洒细小液滴的方法而形成的。接触表面取决于流体动力学状态（液体流量）。这一类的吸收器有：吸收器中液体的喷洒是用喷雾器（喷洒或空心的吸收器）；用高速气体运动流的高速并流喷洒吸收器；或用旋转机械装置的机械喷洒吸收器。

在这些不同形式的设备中，现在最通用的是填料及鼓泡塔板吸收器。

第二章 SO2 的介绍及净化技术

2.1 SO2的来源、性质及其危害：

2.1.1二氧化硫的来源

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%.

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。

2.1.2二氧化硫的性质

(1)物理性质：

二氧化硫又名亚硫酸酐，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） 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，二氧化硫水溶

液中成分为SO2·7H2O，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+2H2O ；还原性：能被Cl2、Br2、I2、Fe3+、KMnO4、HNO3等强氧化剂氧

化成高价态硫元素。 SO2+X2+2H2O=H2SO4+2HX

2.1.3二氧化硫的危害

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。 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10～15ppm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3～4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（α）芘的致癌作用。据动物试验，在二氧化硫和苯并（α）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）×106，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，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， 对生态环境会产生严重的影响。

2.2 SO2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。

第三章 吸收塔的设计方案

3.1吸收工艺的流程

3.1.1吸收工艺流程的确定

工业上使用的吸收流程多种多样，可以从不同角度进行分类，从所选用的吸收剂的种类看，有仅用一种吸收剂的一步吸收流程和使用两种吸收剂的两步吸收流程，从所用的塔设备数量看，可分为单塔吸收流程和多塔吸收流程，从塔内气

液两相的流向可分为逆流吸收流程、并流吸收流程等基本流程，此外，还有用于

特定条件下的部分溶剂循环流程。

（一）一步吸收流程和两步吸收流程

一步流程一般用于混合气体溶质浓度较低，同时过程的分离要求不高，选用一种

吸收剂即可完成任务的情况。若混合气体中溶质浓度较高且吸收要求也高，难以

用一步吸收达到规定的吸收要求，但过程的操作费用较高，从经济性的角度分析

不够适宜时，可以考虑采用两步吸收流程。

（二）单塔吸收流程和多塔吸收流程

单塔吸收流程是吸收过程中最常用的流程，如过程无特别需要，则一般采用单塔

吸收流程。若过程的分离要求较高，使用单塔操作时，所需要的塔体过高，或采

用两步吸收流程时，则需要采用多塔流程（通常是双塔吸收流程）

（三）逆流吸收与并流吸收

吸收塔或再生塔内气液相可以逆流操作也可以并流操作，由于逆流操作具有传质

推动力大，分离效率高（具有多个理论级的分离能力）的显著优点而 广泛应用。

工程上，如无特别需要，一般均采用逆流吸收流程。

（四）部分溶剂循环吸收流程

由于填料塔的分离效率受填料层上的液体喷淋量影响较大，当液相喷淋量过小

时，将降低填料塔的分离效率，因此当塔的液相负荷过小而难以充分润湿填料表

面时，可以采用部分溶剂循环吸收流程，以提高液相喷淋量，改善踏的操作条件。

3.1.2吸收工艺过程说明及工艺流程图

吸收SO2的流程包括吸收和解吸两大部分。混合气体冷却至20℃ 下进入吸收塔底部，水从

塔顶淋下，塔内装有填料以扩大气液接触面积。在气体与液体接触的过程中，气体中的SO2

溶解于水，使离开吸收塔顶的气体二氧化硫含量降低至允许值，而溶有较多二氧化硫的液体

由吸收塔底排出。为了回收二氧化硫并再次利用水，需要将水和二氧化硫分离开，称为溶剂

的再生。解吸是溶剂再生的一种方法，含二氧化硫的水溶液经过加热后送入解吸塔，与上升

的过热蒸汽接触，二氧化硫从液相中解吸至气相。二氧化硫被解吸后，水溶剂得到再生，经

过冷却后再重新作为吸收剂送入吸收塔循环使用。

操作参设计填料吸收塔实体主体结构示意图如下：

3.2 操作参数的选择

3.2.1操作温度的确定

对于物理吸收而言,降低操作温度,对吸收有利.但低于环境温度的操作温度

因其要消耗大量的制冷动力而一般是不可取的,所以一般情况下,取常温吸收较

为有利.对于特殊条件的吸收操作方可采用低于或高于环境的温度操作。

对于化学吸收,操作温度应根据化学反应的性质而定,既要考虑温度对化学

反应速度常数的影响,也要考虑对化学平衡的影响,使吸收反应具有适宜的反应

速度。

而对本设计而言，由吸收过程的气液关系可知，温度降低可增加溶质组分的

溶解度，即低温有利于吸收，但操作温度的低限应有吸收系统的具体情况决定。

依据本次设计要求，操作温度定为20℃。

3.2.2操作压力的确定

操作压力的选择根据具体情况的不同分为三种：

对于物理吸收,加压操作一方面有利于提高吸收过程的传质推动力而提高过

程的传质速率,另一方面,也可以减小气体的体积流率,减小吸收塔径.所以操作

十分有利.但工程上,专门为吸收操作而为气体加压,从过程的经济性角度看是不

合理的,因而若在前一道工序的压力参数下可以进行吸收操作的情况下,一般是

以前道工序的压力作为吸收单元的操作压力。

对于化学吸收,若过程由质量传递过程控制,则提高操作压力有利,若为化学

反应过程控制,则操作压力对过程的影响不大,可以完全根据前后工序的压力参

数确定吸收操作压力,但加大吸收压力依然可以减小气相的体积流率,对减小塔

径仍然是有利的。

对于减压再生(闪蒸)操作,其操作压力应以吸收剂的再生要求而定,逐次或

一次从吸收压力减至再生操作压力,逐次闪蒸的再生效果一般要优于一次闪蒸效

果。

本设计中由吸收过程的气液平衡可知，压力升高可增加溶质组分的溶解度，

即加压有利于吸收。但随着操作压力的升高，对设备的加工制造要求提高，且能

耗增加，综合考虑，采用常压101.325kPa。

3.3吸收方法及吸收剂的选择

3.3.1吸收方法

完成同一吸收任务，可选用不同吸收剂，从而构成了不同的吸收方法，如以合成

氨厂变换器脱CO2的为例，若配合焦炉气为原料的制氢工艺，宜选用水，碳酸丙

烯酯，冷甲酸等作吸收剂，既能脱CO2，又能脱除有机杂质。后继配以碱洗和低

温液氨洗构成了一个完整的净化体系，若以天然气为原料制H2和N2时，宜选用

催化热碳酸钾溶液作吸收剂，净化度高。后继再配以甲烷化法，经济合理。其中，

前者为物理吸收，后者则为化学吸收。一般而言，当溶剂含量较低，而要求净化

度又高时，宜采用化学吸收法；若溶质含量较高，而净化度又不很高时，宜采用

物理吸收法。

3.3.2吸收剂的选择:

对于吸收操作,选择适宜的吸收剂,具有十分重要的意义.其对吸收操作过程

的经济性有着十分重要的影响.一般情况下,选择吸收剂,要着重考虑如下问题.

(一)对溶质的溶解度大

所选的吸收剂多溶质的溶解度大,则单位量的吸收剂能够溶解较多的溶质,

在一定的处理量和分离要求下,吸收剂的用量小,可以有效地减少吸收剂循环量,

这对于减少过程功耗和再生能量消耗十分有利.另一方面,在同样的吸收剂用量

下,液相的传质推动力大,则可以提高吸收效率,减小塔设备的尺寸.

(二)对溶质有较高的选择性

对溶质有较高的选择性,即要求选用的吸收剂应对溶质有较大的溶解度,而

对其他组分则溶解度要小或基本不溶,这样,不但可以减小惰性气体组分的损失,

而且可以提高解吸后溶质气体的纯度.

(三)不易挥发

吸收剂在操作条件下应具有较低的蒸气压,以避免吸收过程中吸收剂的损失,

提高吸收过程的经济性.

(四)再生性能好

由于在吸收剂再生过程中,一般要对其进行升温或气提等处理,能量消耗较

大,因而,吸收剂再生性能的好坏,对吸收过程能耗的影响极大,选用具有良好再

生性能的吸收剂,往往能有效地降低过程的能量消耗.

以上四个方面是选择吸收剂时应考虑的主要问题,其次,还应注意所选择的

吸收剂应具有良好的物理、化学性能和经济性.其良好的物理性能主要指吸收剂

的粘要小,不易发泡,以保证吸收剂具有良好的流动性能和分布性能.良好的化学

性能主要指其具有良好的化学稳定性和热稳定性,以防止在使用中发生变质,同

时要求吸收剂尽可能无毒、无易燃易爆性,对相关设备无腐蚀性(或较小的腐蚀

性).吸收剂的经济性主要指应尽可能选用廉价易得的溶剂.

表 物理吸收剂和化学吸收剂的特性

3.4吸收塔设备及填料的选择

3.4.1吸收塔设备的选择

对于吸收过程，能够完成其分离任务的塔设备有多种，如何从众多的塔设备

中选择合适的类型是进行工艺设计得首要工作。而进行这一项工作则需对吸收过

程进行充分的研究后，并经多方案对比方能得到较满意的结果。一般而言，吸收

用塔设备与精馏过程所需要的塔设备具有相同的原则要求，即用较小直径的塔设

备完成规定的处理量，塔板或填料层阻力要小，具有良好的传质性能，具有合适

的操作弹性，结构简单，造价低，易于制造、安装、操作和维修等。

在液体流率很低难以充分润湿填料，或塔径过大，使用填料塔不很经济的情

况下，以采用板式塔为宜。但作为吸收过程，一般具有操作液气比大的特点，因

而更适用于填料塔。此外，填料塔阻力小，效率高，有利于过程节能，所以对于

吸收过程来说，以采用填料塔居多。

本次吸收塔设计选择填料吸收塔。

3.4.2填料的选择

塔填料是填料塔中的气液相间传质组件，是填料塔的核心部分。其种类繁多，性能上各有差异。

1.散堆填料 目前散堆填料主要有环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料。所用的材质有陶瓷、塑料、石墨、玻璃及金属等。

2．规整填料 规整填料是由许多相同尺寸和形状的材料组成的填料单元，以整砌的方式装填在塔体中。规整填料主要包括板波纹填料、丝网波纹填料、格利希格栅、脉冲填料等，其中尤以板波纹填料和丝网波纹填料所用材料主要有金属丝网和塑料丝网。

第四章 吸收塔的工艺计算

4.1 基础物性数据

4.1.1液相物性数据

20℃时水的有关物性数据：

密度L998.2(kg/m3)

黏度L0.001(Pas)3.6kg/(mh)

表面张力L72.6dyn/cm940896kg/h2

扩散系数DL1.47105(cm2/s)

4.1.2气相物性数据

混合气体的平均摩尔质量为：MvmyiMi0.0664.060.952931.1混合气体的平均密度为：PMvm101.331.11.272kg/m3

RT8.314298

混合气体粘度近似于空气粘度，直接查得20摄氏度空气的粘度为：v1.8110-5PaS0.065kg/SO2在空气中的扩散系数为：Dv0.108cm2/s0.039m2/h

4.1.3气液平衡数据

查得常压下20摄氏度时SO2在水中的亨利系数为：E3.55103KPa

E3.55103

相平衡常数为：m35.04p101.325

溶解系数为：Hl

EMs998.20.0156kmol/(kPam3)33.551018.02

4.2 填料塔的工艺尺寸的计算

4.2.1 空塔气速的确定

通常由泛点气速来确定空塔操作气速。泛点气速是填料塔操作气速的上限，填料塔的操作气速必须小于泛点气速，操作空塔气速与泛点气速之比称为泛点率。

填料的泛点气速可由Eckert通用关联图查得，

气相质量流量为：

WVqVVm24021.2573019.314kmol/h

液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即：

WL5048.4718.0290973.43koml/h

采用Eckert通用关联图法计算泛点气速UF。

通用填料塔泛点和压降的通用关联图如下[13]：

图 填料塔泛点和压降的通用关联图

图中：

u0——空塔气速，m /s；

φ——湿填料因子，简称填料因子，1 /m；

ψ——水的密度和液体的密度之比；

g——重力加速度，m /s2；

V,L

——分别为气体和液体的密度，kg /m3；

WV,WL——分别为气体和液体的质量流量，kg /s。

此图适用于乱堆的颗粒形填料，如拉西环、弧鞍形填料、矩鞍形填料、鲍尔环等，其上还绘制了整砌拉西环和弦栅填料两种规整填料的泛点曲线。对于其他填料，尚无可靠的填料因子数据。

4.2.2 传质单元数的计算

Y1mX140.760.0009620.0392

解吸因数为：

mV40.7693.128S0.7518 L5048.47

气相总传质单元数为：

Y1Y21NOGln1SS1SY2Y2 10.05490ln10.75190.75197.0110.75190.002750Y2mX20 

4.2.3填料层高度

ZHOGNOG0.56937.013.993m

根据设计经验，填料层的设计高度一般为

Z(1.2-1.5)Z

式中:Z—设计时的填料高度，m；

Z—工艺计算得到的填料层高度，m。

Z1.43.9935.59m

设计取填料层高度为

Z5.59m

查表四：

815mD对于阶梯环填料，，hmax6m；

h8D取，则h812009600mm

计算的填料塔高度为6590mm,不需要分段 6000mm9600mm

4.3 填料层压降ΔP的计算:

填料层压降:气体通过填料层的压降采用Eckert关联图计算,其中:

X

YWLWG2G1.027L2ufG0.20.63911611.2720.210.0062gL9.81998.2

查Eckert图得每米填料的压降为107.91Pa,所以填料层的压降为

p107.916647.46Pa

4.4 液体分布器计算

(1)布液孔数:根据该物系性质可选用管式液体分布器,取布液孔数为120个/m2,则总布液孔数为n0.7851201.22135.6136个

4.5其他附属塔内件的选择

本装置的直径较小可采用简单的进气分布装置,同时排放的净化气体中的液相夹带要求严格,应设除液沫装置,为防止填料由于气流过大而是翻,应在填料上放置一个筛网装置,防止填料上浮.

4.5.1液体分布器

液体在填料塔顶喷淋的均匀状况是提供塔内气液均匀分布的先决条件，也是使填料达到预期分离效果的保证。为此，分布器设计中应注意以下几点：

（1）、为保证液体在塔截面上均布，颗粒型（散装）填料的喷淋点数为40——80个/m2（环形填料自分布性能差应取高值），此外，为减少壁流效应，喷淋孔的分布应使近塔壁5——20﹪区域内的液体流量不超过总液量的10﹪。规整填料一般为100——200个/㎡喷淋点。

（2）、喷淋孔径不宜小于2㎜，以免引起堵塞，孔径也不宜过大，否则液位高度难维持稳定。

4.5.2液体再分布器

当塔顶喷淋液体沿填料层下流时，存在向塔壁流动的趋势，导致壁流增加。此外，塔体倾斜、保温不良等也会加剧壁流现象。

为提高塔的传质效果，当填料层高度与塔径之比超过某一数值时，填料层需分段。在各段填料层之间安设液体再分布器，以收集自伤以填料层来的液体，为下一填料层提供均匀的液体分布。

4.5.3填料支撑板

填料支撑板用于支撑塔填料及其所特有的气体、液体的质量，同时起着气液流道及其体均布作用。故要求支撑板上气液流动阻力太大，将影响塔的稳定操作甚至引起塔的液泛。

支撑板大体分为两类，一类为气液逆流通过的平板支撑板，板上有筛孔或为栅板式；另一类斯气体喷射型，可分为圆柱升气管式的气体喷射型支撑板和梁式气体喷射型支撑板。

平板型支撑板结构简单，但自由截面分率小，且因气液流同时通过板上筛孔或栅缝，故板上存在液位头。气体喷射性支撑板气液分道，即有利于气体的均匀分配，又避免了液体在板上聚集。梁式结构强度好，装卸方便，可提高大于塔截面的自由截面，且允许气液负荷较大，其应用日益受到重视。

4.5.4气体进出口装置与排液装置

填料塔的气体进口既要防止液体倒灌，更要有利于气体的均匀分布。对500mm直径以下的小塔，可使进气管伸到塔中心位置，管端切成45°向下斜口或切成向下切口，使气流折转向上。对1.5m以下直径的塔，管的末端可制成下弯的锥形扩大器，或采用其它均布气流的装置。

气体出口装置既要保证气流畅通，又要尽量除去被夹带的液沫。最简单的装置是在气体出口处装一除沫挡板，或填料式、丝网式除雾器，对除沫要求高时可采用旋流板除雾器。

液体出口装置既要使塔底液体顺利排出，又能防止塔内与塔外气体串通，常压吸收塔可采用液封装置。

常压塔气体进出口管气速可取10～20m/s（高压塔气速低于此值）；液体进出口气速可取0.8～1.5m/s（必要时可加大些）管径依气速决定后，应按标准管规定进行圆整

当塔内气液负荷较大或负荷波动较大时，塔内填料将发生浮动或相互撞击，破坏塔的正常操作甚至损坏填料，为此，一般在填料层顶部设压板或床层限制板。

4.5.5填料压板与床层限制板

填料压板系藉自身质量压住填料但不致压坏填料；限制板的质量轻，需固定于塔壁上。一般要求压板或限制板自由截面分率大于70％。

参考文献

1.《环境工程原理》 （第二版) 胡洪营，张旭，黄霞，王伟 合编， 高等教育出版社

2.《环境学导论》 (第三版） 何强，井文涌，王诩亭 编著，清华大学出版社

3.《现代环境生物技术》 （第二版） 王建龙，文湘华 编著，清华大学出版社

4.《无机化学》 （第四版） 天津大学无机化学教研室 编 ， 高等教育出版社