环境工程毕业设计（论文）-某工厂有机废气处理设计.pdf

盥燧工建院本科毕业设计说明书某工厂有机废气处理设计专 业 环境工程班 级 B环工081学 号 0810303128学生姓名指导教师完成日期 2012.06.10某工厂有机废气处理设计摘 要：大气污染是我国目前最突出的环境问题之一,工业废气是大气污染物的重 要来源。大量工业废气排入大气，必然使大气环境质量下降,给人体健康带来严重危 害。本设计利用填料式氢氧化钠洗涤和活性炭固定床吸附系统对工业有机废气进行净 化。选用填料式吸收塔气液之间扰动剧烈，吸收阻力小，吸收效率高，操作稳定有合 适的弹性。而在活性炭吸附器的设计上，本文采用了卧式多层设计。选用活性炭为吸 附剂，具有吸附性能好，流体阻力小的特点。本设计主要设计五部分内容，包括有机废气的收集、有机废气的处理、连接管道 的设计计算、辅助设备的设计计算以及相关设计图的绘制。其中还介绍了有机废气污 染现状与危害，处理的工艺流程和原理、相关的各种标准规则，以及设备的选型与尺 寸的计算和简要介绍了活性炭的再生。关键词：工业有机废气；填料塔；固定床吸附器1The organic waste gas treatment design of a factoryAbstract：Air pollution is one of the countrys most prominent environmental issue,industrial emissions are an important source of atmospheric pollutants.A large number of industrial emissions into the atmosphere,is bound to the atmospheric environment quality and bring serious harm to human health.This design uses a packed-type washing of sodium hydroxide and activated carbon fixed bed adsorption system of industrial organic waste gas purification.Choosing packed-type absorber,the disturbances between the gas-liquid is violented,absorption of small resistance,absorption of high efficiency,stable operation,and appropriate flexibility.Moreover the project choose activated carbon as sorbent,which has large adsorption ability and low resistance.This design is designed of five parts,including collection of organic waste gas processing of organic waste gas design and calculation of the connection pipe design of auxiliary equipment and mapping of the relevant design.I t also describes the current Status and hazards of organic pollution emissions,processing process and principles,A variety of related standard rules,and the selection and size calculation of equipment and brief introduction to the regeneration of activated carbon.Key words：volatie organic compounds；packed tower；the fixed-bed adsorption systemI I目 录第一章绪论.11.1 概述.11.1.1 有机废气的来源.11.1.2 有机物对大气的破坏和对人类的危害.11.2 有机废气治理技术现状及进展.21.2.1 各种净化方法的分析比较.3第二章设计参数及目标.42.1 设计参数.42.2 设计目标.42.3 设计内容.4第三章工艺流程说明.53.1 工艺选择.53.2 工艺流程.6第四章主要设备设计.64.1 集气罩的设计计算.74.1.1 集气罩气流的流动特性.74.1.2 集气罩的分类及设计原则.74.1.3 集气罩的选型.84.2 填料塔的设计计算.94.2.1 填料塔简介.94.2.2 填料吸收塔设计方案的确定.104.2.3 填料的类型和选择.124.2.4 填料塔工艺尺寸的计算.174.3 吸附塔的设计计算.204.3.1 基本原理.204.3.2 吸附等温线与吸附等温方程式.214.3.3 吸附速率.234.3.4 吸附器选择的设计计算.234.3.5 吸附剂的选择.254.3.6 空塔气速和横截面的确定.264.3.7 固定床吸附层高度的计算.274.3.8 床层压降的计算.284.3.9 活性炭再生的计算.294.4 管道系统设计计算.304.4.1 配置的一般原则.304.4.2 管网的布置方式.304.4.3 管道热补偿.304.4.4 管道直径的确定.314.4.5 管道内流体的压力损失.31第五章风机和电机的选择.345.1 风量计算.345.2 风压计算.345.3 风机型号.355.4 电机型号.35第六章烟囱的设计.366.1 设计参数.366.2 烟囱出口面积.366.3 烟囱的内径.36第七章工程造价.377.1 工程造价.377.2 运行费用核算.38117.2.1 价格标准.387.2.2 运行费用.38第八章结论.408.1结论.40参考文献.41致谢.43111盐城工学院本科毕业论文(2012)第一章绪论1.1 概述1.1.1 有机废气的来源有机废气来源于石油和化工行业生产过程中排放的废气，特点是数量较大，有机 物含量波动性大、可燃、有一定毒性，有的还有恶臭。石油和化工工厂及石化产品的 存储设施，印刷及其他与石油和化工有关的行业，使用石油、石油化工产品的场合和 燃料设备，以石油产品为燃料的各种交通工具都是有机废气的源头。有机废气的来源 和污染途径见表l-l1o表1-1有机废气的来源和污染途径山类型Type污染源 Pollution sources污染途径 Polltion pathways固定源 Solid sources石油炼制、储存、印刷、油漆、化工行业的有机原料及合成材 料，农药、染料、涂料等化工 产品，炼焦、固定燃烧装置石油炼制过程，化工产品生产 工艺中泄露、存储设施中蒸发,废水有机物的蒸发，油墨、涂 料中有机物蒸发，消毒剂、农 药、染料等加工过程中有机物 的蒸发、垃圾焚烧炉中不完全 燃烧，饮食业煎、炸、烤类食 物流动源 Mobile sources汽车、轮船、飞机曲轴箱漏气、尾气排放1.1.2 有机物对大气的破坏和对人类的危害有机废气中的挥发性有机物称为VOCs(Vlatile organic compounds),在涂装、印 刷、制鞋和化工生产的许多兴业中，一些工业产品生产工艺过程都会有大量的挥发性 有机化合物(VOCs)废气的排出。VOCs废气排入大气环境中会产生以下儿个方面 的影响：(1)VOCs是光化学反应的前提，有阳光照射时，在合适的条件下VOCs与NOx 及其它悬浮化学物质发生一系列光化学反应，主要生成臭氧，形成光化学烟雾，从而 发生光化学污染；1盐城工学院本科毕业论文(2012)(2)光化学烟雾会刺激人的眼睛和呼吸系统，有些VOCs还具有强烈刺激气味,空气中达到一定浓度时则产生令人不适的感觉，影响空气质量；(3)有些有毒的VOCs(如芳香煌等)气体在环境中存在会损害人们的健康，长时间暴露在污染空气中会引发瘤变或引起其它严重疾病，如苯对骨髓的造血机能造 成破坏，是一种致瘤物；甲苯和二甲苯对中枢神经具有强的麻醉作用；氯乙烯为致癌 物。在制鞋业，由于“三苯”中毒而导致工人致死时间已发生过多起，而涂料工业使用 的溶剂中，主要是甲苯、二甲苯和其他毒性有机物。光化学烟雾也会危害人的健康和 植物的生长，在1965年日本各大城市频繁发生光化学烟雾，1966年美国洛杉矶的光 化学烟雾均对人类健康造成危害。VOCs对环境的极大危害和对人体健康的严重威胁，引起了世界各国政府的高度 重视。美国环保署EPA(Environmental Protection Agency)定义的污染物中VOCs占 了 300多种，而美国1990年的清洁空气法(Clean Air Act)要求减少90%排放量 的189种毒性化学物中,70%属于VOCs。我国在1997年1月1日开始实施的中华人民共和国国家标准大气污染物综合 排放标准(GB16297-1996)也规定了苯、甲苯、氯化氢等排放较为严格的标准，如 表1-2所小。表1-2几种废气排放的二级排放标准废气最高允许排放浓度加g/m3苯12甲苯40氯化氢1001.2 有机废气治理技术现状及进展根据有机废气的成分特性，研究人员目前已经研发了许多适用的治理技术。按照 污染物的去向形式，可将有机废气治理技术分为两大类：一是浓缩回收。浓缩回收是 指采用吸收、吸附、冷凝、膜分离等方法将有机废气中低浓度的挥发性有机物浓缩回 收再生；二是分解消除。分解消除是指利用光、电、热、催化剂、等离子体或微生物 等作用将有机废气中低浓度的挥发性有机物彻底分解转化为水和二氧化碳等物质，从 2盐城工学院本科毕业论文(2012)而达到去毒化的目的。在实际应用中，工业有机废气处理常用的方法有吸附法、吸收法、催化燃烧法、热力燃烧法等。近年来乂出现了一些新技术，如生物法、电晕法、光分解法等离子 体分解法。虽然有机废气治理技术目前已经多样化，但每种治理方法都存在一定的适 用性和局限性，而且不同排放源的废气组成也千差万别。因此，对于企业来说，统筹 考虑有机污染物的种类、性质、浓度、净化要求和经济性等因素，综合选择适当的有 机废气治理方法显得至关重要。1.2.1 各种净化方法的分析比较解决有机废气的污染，最根本的方法是工艺改革。采用无害涂料。无害溶剂在现 阶段生产中是不能马上实现的，苯类溶剂使用量仍然很大。所以必须解决废气净化问 题。目前国内常采用的三种净化方法分析比较见表1-3。表1-3国内外有机废气常用处理方法的优缺点比较净化类别优点缺点活性炭吸附法1.可处理大风量、低浓度的有机废气2.可回I收溶剂3.不需要加热4.净化效率高，运转费用低1.净化废气前，需要进行预处理2.仅限于低浓度3.设备庞大催化燃烧法1.设备简单、投资少、操作方便，占地面积小2.热量可以循环利用3.有利于净化高浓度废气1.催化剂成本高2.要考虑催化剂中毒和表面异物附着，易失效液体吸收法1.操作流程简单，吸附价格便宜2.净化气体不需要预处理3.建造快、占地1.后处理大、费用高2.对溶剂成分处理量大3盐城工学院本科毕业论文(2012)第二章设计参数及目标2.1设计参数(1)设计范围：有机废气；(2)处理风量：10000m3/h；(3)废气温度：25；(4)净化率：90%；(5)排气筒高度：15m；(6)排放浓度：达到GB16297-1996大气污染物综合排放标准中二级标准;(7)进气参数：苯lOOmg/n?,甲苯80 mg/m)氯化氢1000 mg/n?。2.2设计目标(1)严格执行国家有关环境保护的各项规定，确保各项污染指标达到国家及 地区有关污染物排放标准；(2)经本处理工艺处理后的废气，将不会产生二次污染；(3)本处理工艺运行安全可靠，处理效果好，维护简单方便；(4)采用低耗能、地运行费用、基建投资少、维护管理方便；(5)工艺设计与设备选型能够在生产运行过程中有较大的调节余地；(6)排放标准：苯12mg/m二甲苯40mg/n?,氯化氢lOOmg/nA2.3设计内容引用标准及设计规范等引用标准GB16297-1996大气污染物综合排放标准；引用标准GB50316-2000工业金属管道设计规范；引用手册环境保护设备选用手册。4盐城工学院本科毕业论文（2012）第三章工艺流程说明3.1工艺选择处理工艺的选择，应根据气量的大小、净化要求、回收的可能性、设备建造和运 转的经济型等条件全面考虑，实际工作中应特别注意与工艺密切配合，尽可能做到综 合利用。氯化氢是无色而有刺激性气味的气体内。氯化氢水溶液为盐酸，纯盐酸为无色液 体，在空气中冒雾（由于盐酸有强挥发性），有刺鼻酸味。粗盐酸因含杂质氯化铁而 带黄色。它易溶于水，在0时，1体积的水大约能溶解500体积的氯化氢。氯化氢 的水溶液呈酸性，叫做氯化酸，习惯上叫盐酸。根据氯化氢的气体性质，采用液体吸 收法净化，净化效率为95%。苯，分子式C6H6,分子量78.11,相对密度（0.8794（20）比水轻，且不溶于 水，因此可以漂浮在水面上。苯的熔点是5.51C,沸点为80.1C,燃点为562.22C,在常温常压下是无色透明的液体，并具强烈的特殊芳香气味。因此，苯遇热、明火易 燃烧、爆炸，苯蒸气与空气混合物的爆炸限是1.48.0%。常态下，苯的蒸气密度为 2.77,蒸气压 13.33kPa（26.1）。苯是常用的有机溶剂，不溶于水，能与乙醇、氯仿、乙醛、二硫化碳、四氯化碳、冰醋酸、丙酮、油等混溶，因此常用作合成化学制品和制药的中间体及溶剂。苯能与 氧化剂发生剧烈反应，如五氟化澳、氯气、三氧化铭、高氯酸、硝酰、氧气、臭氧、过氯酸盐、（三氯化铝+过氯酸氟）、（硫酸+高镒酸盐）、过氧化钾、（高氯酸铝+乙酸）、过氧化钠等。甲苯是有机化合物，属芳香烽，分子式为C6H5cH3。在常温下呈液体状，无色、易燃。它的沸点为110.8,凝固点为一95C,密度为0.866g/m30甲苯温度计正 是利用了它的凝固点比水很低，可以在高寒地区使用；而它的沸点又比水的沸点高，可以测110.8c以下的温度。因此从测温范围来看，它优于水银温度计和酒精温度 计。另外甲苯比较便宜，故甲苯温度计比水银温度计也便宜。5盐城工学院本科毕业论文(2012)甲苯不溶于水，但溶于乙醇和苯的溶剂中。甲苯容易发生氯化，生成苯一氯甲烷 或苯三氯甲烷，它们都是工业上很好的溶剂；它还容易硝化，生成对硝基甲苯或邻硝 基甲苯，它们都是染料的原料；它还容易磺化，生成邻甲苯磺酸或对甲苯磺酸，它们 是做染料或制糖精的原料。甲苯的蒸汽与空气混合形成爆炸性物质，因此它可以制造 梯思梯炸药。根据苯和甲苯的性质我们采取活性炭吸附法进行净化，净化效率达95%叫3.2工艺流程及说明1.集气罩2.填料塔3.吸附塔4.离心风机5.提供蒸汽风机6.烟囱图3-1工艺流程图该处理工艺系统组合十分紧凑，集吸收-吸附-脱附于一体。在生产过程所产生的 废气主要为氯化氢、苯、甲苯等，根据氯化氢及苯类性质，本方案采用氢氧化钠作为 吸收剂和活性炭作为吸附剂对废气进行吸收处理。配置一台填料塔和二台吸附床(当 一台吸附床的有机物达到规定的吸附量时，换到另一台吸附床进行吸附净化操作，同 时对前面一天吸附床进行脱附再生。)。生产中挥发出来的废气，通过集气罩收集，将 其送到填料塔以氢氧化钠作为吸收剂，在塔内的气体从下到上通过吸收剂对气体进行 处理，处理后的气体从塔上方排出后进入吸附塔以活性炭作为吸附剂，在塔内的气体 从下到上通过活性炭滤层对气体进行处理，净化后的气体经过风机打到烟囱。如图 3-1所示6盐城工学院本科毕业论文（2012）第四章设计与计算4.1 集气罩的设计计算该系统用以捕集污染物的装置大多数呈罩子形状，通常称为集气罩。集气罩，是 烟气净化系统污染源的收集装置，可将粉尘及气体污染源导入净化系统，同时防止其 向生产车间及大气扩散，造成污染。其性能对净化系统的技术经济指标有直接的影响。由于污染源设备结构和生产操作工艺的不同、集气罩的形式是多种多样的。设计完善 的集气罩能在不影响生产工艺和生产操作的前提下，用较小的排风量过的最佳的控制 效果；而设计不良的集气罩即使用很大的排风量也达不到预期的目的。在控制气体中 扩散效果相同的前提下，排风量越大，则整个净化系统也越大，投资与运行费用也相 应增加。因此，集气罩的设计是气体净化系统设计的重要环节。4.1.1 集气罩气流的流动特性研究集气罩罩口气流运动的规律对于有效捕集污染物是十分重要的。集气罩罩口 气流运动方式有两种：一种是吸气口气流的吸入流动；另一种是吹起口气流的吹出流 动。了解吸入气流、吹出气流及两种气流合成的吹吸气流的运动规律，是合理设计和 使用集气罩的基础。吸入气流和吹出气流的流动特性是不同的。吹出气流在较远处仍 旧能保持其能量密度，吸入气流则在离吸气口不远处其能量密度急剧下降。这亦表明，吹出气流的控制能力大，而吸入气流则有利于接受。因此，可以利用吹出气流作为动 力，把污染物输送到吸气口再捕集，或者利用吹出气流阻挡、控制污染物的扩散。4.1.2 集气罩的分类及设计原则集气罩的种类繁多，应用广泛。按其气流流动的方式可分为两大类：吸气式集气 罩和吹气式集气罩。按集气罩与污染源的相对位置及密闭情况，还可将吸气式集气罩 分为：密闭式、排气柜、外部集气罩、接受式集气罩等。其集气罩的设计原则为：（1）集气罩应尽可能将污染源包围起来，使污染物的扩散限制在最小的范围内，以便防止横向气流的干扰，减少排气量；（2）集气罩的吸气方向尽可能与污染气流运动方向一致，充分利用污染气流的7盐城工学院本科毕业论文（2012）初始动能；（3）在保证控制污染的条件下，尽量减少集气罩的开口面积，以减少排风量;（4）集气罩的吸气气流不允许经过人的呼吸区再进入罩内；（5）集气罩的结构不应妨碍人工操作和设备检修。4.1.3 集气罩的选型由于受工艺条件限制，一般产生有机废气的车间无法进行密闭，且喷气车间室内 横向气流干扰较小，可采用外部集气罩的上部伞形罩，如图4-1所示.其基本参数如下：排风量：Q=10000 m%,钢板制圆形风管，取风速12m/s 罩口速度：对照表4-1,确定v=0.8m/s表4-1集气罩罩口速度条件举例罩口速度，m/s扬尘速度极低，（1）烟尘从敞口容器外溢0.250.5没有干扰气流（2）液面蒸发（3）浸槽扬尘低速飞散，（1）喷漆0.51.0无干扰气流（2）酸洗（3）焊接扬尘较高速飞散，（1）开炼机、密炼机1.0 2.5有较小干扰气流（2）装袋、装桶（3）解包车扬尘高速飞散，（1）喷砂2.5 10有干扰气流（2）粉磨机（3）砂轮机8盐城工学院本科毕业论文(2012)罩口面积：a=2=5000=1 74/(4-1)v 3600 x 0.8罩口直径：。=栏&=栏粤=1.49加(4-2)罩口直边长度：L=02m(4-3)罩口敞开面周长：乙=乃产=3.14栏:=6.60机(4-4)罩口喇叭口长度：Lo 3J MXLo=1.5J=1.5 x 0.6=0.9m(4-5)罩的扩张角：a=90。-arctan3=上”=40。0.2 1.22=单3=1.412.0(设计符合要求)、do 1.5 do I.5(4-9)污染源至罩口高度：HVO.7do=67x1.5=1.05取H=1m(4-10)4.2填料塔的设计计算4.2.1填料塔简介填料塔6H7n9是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料塔的塔 身是一直立式圆筒,底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填 料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置(小直径塔一般不设气 体分布装置)分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两 相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变 化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液流量 逐渐增大，这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从而使 传质效率下降。因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布装置。液体 再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的液体经液体收集 器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大等优点。填料 9盐城工学院本科毕业论文（2012）塔也有一些不足之处，如填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿填料面，使 传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料。4.2.2填料吸收塔设计方案的确定4.2.2.1装置流程的确定期（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，此即逆流操作。逆流操作的特点是，传质平均推动力大，传质速率快，分高效率高，吸收剂利用率高。工业生产中多采用逆流操作。（2）并流操作。气液两相均从塔顶流向塔底，此即并流操作。并流操作的特点 是，系统不受液流限制，可提高操作气速，以提高生产能力。并流操作通常用于以下 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 处理的气体不需吸收很完全；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。在逆流操作系统中，用泵将吸收塔排出液体的一 部分冷却后与补充的新鲜吸收剂一同送回塔内，即为部分再循环操作。通常用于以下 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，为控制 塔内的温升，需取出一部分热量。该流程特别适宜于相平衡常数m值很小的情况，通过吸收液的部分再循环，提高吸收剂的使用效率。应予指出，吸收剂部分再循环操 作较逆流操作的平均推动力要低，且需设置循环泵，操作费用增加。（4）多塔串联操作。若设计的填料层高度过大，或由于所处理物料等原因需经 常清理填料，为便于维修，可把填料层分装在几个串联的塔内，每个吸收塔通过的吸 收剂和气体量都相等，即为多塔串联操作。此种操作因塔内需留较大空间，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（否则易引起塔的液泛），塔的生产 能力很低。实际生产中可采用气相作串联、液相作并联的混合流程；若吸收过程处理 的液量不大而气相流量很大时，可采用液相作串联、气相作并联的混合流程。10盐城工学院本科毕业论文（2012）新的吸收剂1.吸收塔2.贮槽3.泵4.冷却器 图4-3串联逆流吸收塔流程图4-2逆流吸收塔1.吸收塔2.泵3.冷却器1.吸收塔2.贮槽3.泵4.冷却器5.换热器6.解吸塔图4-4吸收剂部分循环吸收塔 本设计采用逆流装置流程。图4-5吸收剂部分循环的吸收解吸联合流程4.2.2.2吸收剂的选择吸收过程是依靠气体溶质在吸收剂中的溶解来实现的，因此，吸收剂性能的优 劣，是决定吸收操作效果的关键之一，选择吸收剂时应着重考虑以下儿方面：（1）溶解度。吸收剂对溶质组分的溶解度要大，以提高吸收速率并减少吸收剂 的需用量。（2）选择性。吸收剂对溶质组分要有良好地吸收能力，而对混合气体中的其他组分不吸收或吸收甚微，否则不能直接实现有效的分离。（3）挥发度要低。操作温度下吸收剂的蒸气压要低，以减少吸收和再生过程中 吸收剂的挥发损失。11盐城工学院本科毕业论文（2012）（4）粘度。吸收剂在操作温度下的粘度越低，其在塔内的流动性越好，有助于 传质速率和传热速率的提高。（5）其他。所选用的吸收剂应尽可能满足无毒性、无腐蚀性、不易燃易爆、不 发泡、冰点低、价廉易得以及化学性质稳定等要求。一般说来，任何一种吸收剂都难以满足以上所有要求，选用时应针对具体情况和 主要矛盾，既考虑工艺要求又兼顾到经济合理性。工业上常用的吸收剂列于表4-2。表4-2工业常用吸收剂0溶质吸收剂氨水、硫酸丙酮蒸气水氯化氢碱液二氧化碳水、碱液、碳酸丙烯酯二氧化硫水硫化氢碱液、碎碱液、有机溶剂苯蒸气煤油、洗油丁二烯乙醇、乙睛二氯乙烯煤油一氧化碳铜氨液本设计选用5%的NaOHo4.2.2.3操作温度与压力的确定（1）操作温度的确定。由吸收过程的气液平衡关系可知，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由吸收系统的具体情况决定。例如水吸收CO2的操作中用水量极大，吸收温度主要由水温决定，而水温又取决于 大气温度，故应考虑夏季循环水温高时补充一定量地下水以维持适宜温度。（2）操作压力的确定。由吸收过程的气液平衡关系可知，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，因此需结合具体工艺条件综合考虑，以确定操作压力口支4.2.3填料的类型和选择塔填料（简称为填料）是填料塔中气液接触的基本构件，其性能的优劣是决定填 12盐城工学院本科毕业论文(2012)料塔操作性能的主要因素，因此，塔填料的选择是填料塔设计的重要环节。填料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。4.2.3.1散装填料散装填料14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，乂称为乱堆填料或颗粒填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填 料、鞍形填料。环鞍形填料及球形填料等。现介绍几种较典型的散装填料。(1)拉西环填料。拉西环填料是最早提出的工业填料，其结构为外径与高度相 等的圆环，可用陶瓷、塑料、金属等材质制造。拉西环填料的气液分布较差，传质效 率低，阻力大，通量小，目前工业上已很少应用。图4-6拉西环填料 图4-7鲍尔环填料 图4-8阶梯环填料(2)鲍尔环填料。鲍尔环是在拉西环的基础上改进而得。其结构为在拉西环的 侧壁上开出两排长方形的窗孔，被切开的环壁的一侧仍与壁面相连，另一侧向环内弯 曲，形成内伸的舌叶，诸舌叶的侧边在环中心相搭，可用陶瓷、塑料、金属等材质制 造。鲍尔环由于环壁开孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率，气流阻力小，液体分布均匀。与拉西环相比，其通量可增加50%以上，传质效率提高30%左右。鲍尔环是目前应用较广的填料之一。(3)阶梯环填料。阶梯环是对鲍尔环的改进。与鲍尔环相比，阶梯环高度减少 了一半，并在一端增加了一个锥形翻边。由于高径比减少，使得气体绕填料外壁的平 均路径大为缩短，减少了气体通过填料层的阻力。锥形翻边不仅增加了填料的机械强 度,而且使填料之间由线接触为主变成以点接触为主，这样不但增加了填料间的空隙,同时成为液体沿填料表面流动的汇集分散点，可以促进液膜的表面更新，有利于传质 效率的提高。阶梯环的综合性能优于鲍尔环，成为目前所使用的环形填料中最为优良 的一种。13盐城工学院本科毕业论文（2012）（4）弧鞍填料。弧鞍填料属鞍形填料的一种，其形状如同马鞍，一般采用瓷质 材料制成。弧鞍填料的特点是表面全部敞开，不分内外，液体在表面两侧均匀流动，表面利用率高，流道呈弧形，流动阻力小。其缺点是易发生套叠，致使一部分填料表 面被重合，使传质效率降低。弧鞍填料强度较差，容易破碎，工业生产中应用不多。（5）矩鞍填料。将弧鞍填料两端的弧形面改为矩形面，且两面大小不等，即成 为矩鞍填料。矩鞍填料堆积时不会套叠，液体分布较均匀。矩鞍填料一般采用瓷质材 料制成，其性能优于拉西环。目前，国内绝大多数应用瓷拉西环的场合，均已被瓷矩 鞍填料所取代。（6）环矩鞍填料。环矩鞍填料（国外称为I ntalox）是兼顾环形和鞍形结构特点而 设计出的一种新型填料，该填料一般以金属材质制成，故乂称为金属环矩鞍填料。环 矩鞍填料将环形填料和鞍形填料两者的优点集于一体，其综合性能优于鲍尔环和阶梯 环，是工业应用最为普遍的一种金属散装填料。4.2.3.2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 其儿何结构可分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料等，工业上应用的规整填料绝大部 分为波纹填料。波纹填料按结构分为网波纹填料和板波纹填料两大类，可用陶瓷、塑 料、金属等材质制造。加工中，波纹与塔轴的倾角有30。和45。两种，倾角为30。以代 号BX（或X）表示，倾角为45。以代号CY（或Y）表示。（1）金属丝网波纹填料是阿波纹填料的主要形式，是由金属丝网制成的。其特 点是压降低。分离效率高，特别适用于精密精储及真空精偏装置，为难分离物系、热 敏性物系的精储提供了有效的手段。尽管其造价高，但因性能优良仍得到了广泛的应 用。（2）金属板波纹填料是板波纹填料的主要形式。该填料的波纹板片上冲压有许 多（P4 mm（p6 mm的小孔，可起到粗分配板片上的液体。加强横向混合的作用。波纹 板片上轧成细小沟纹，可起到细分配板片上的液体、增强表面润湿性能的作用。金属 孔板波纹填料强度高，耐腐蚀性强，特别适用于大直径塔及气液负荷较大的场合。（3）波纹填料的优点是结构紧凑，阻力小，传质效率高，处理能力大，比表面 积大。其缺点是不适于处理粘度大、易聚合或有悬浮物的物料，且装卸、清理困难，造价高。14盐城工学院本科毕业论文（2012）填料的选择包括确定填料的种类、规格及材质等。所选填料既要满足生产工艺的 要求，又要使设备投资和操作费用较低。4.2.3.3填料种类的选择填料种类的选择要考虑分离工艺的要求，通常考虑以下儿个方面：（1）传质效率。传质效率即分离效率，它有两种表示方法：一是以理论级进行 计算的表示方法，以每个理论级当量的填料层高度表示，即HETP值；另一是以传质 速率进行计算的表示方法，以每个传质单元相当的填料层高度表示，即HTU值。在 满足工艺要求的前提下，应选用传质效率高，即HETP（或HTU值）低的填料。对于常 用的工业填料，其HETP（或HTU）值可由有关手册或文献中查到，也可通过一些经验 公式来估算。（2）通量。在相同的液体负荷下，填料的泛点气速愈高或气相动能因子愈大，则通量愈大，塔的处理能力亦越大。因此，在选择填料种类时，在保证具有较高传质 效率的前提下，应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料。对于大多数常用填 料，其泛点气速或气相动能因子可由有关手册或文献中查到，也可通过一些经验公式 来估算。（3）填料层的压降。填料层的压降是填料的主要应用性能，填料层的压降愈低,动力消耗越低，操作费用愈小。选择低压降的填料对热敏性物系的分离尤为重要。比 较填料的压降有两种方法，一是比较填料层单位高度的压降AP/Z；另一是比较填料 层单位传质效率的比压降P/NT。填料层的压降可用经验公式计算，亦可从有关图 表中查出。（4）填料的操作性能。填料的操作性能主要指操作弹性、抗污堵性及抗热敏性 等。所选填料应具有较大的操作弹性，以保证塔内气液负荷发生波动时维持操作稳定。同时，还应具有一定的抗污堵、抗热敏能力，以适应物料的变化及塔内温度的变化。此外，所选的填料要便于安装、拆卸和检修。4.2.3.4填料规格的选择通常，散装填料与规整填料的规格表示方法不同，选择的方法亦不尽相同，现分 别加以介绍。散装填料规格的选择。散装填料的规格通常是指填料的公称直径。工业塔常用的 散装填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等几种规格。同类填料，尺寸 15盐城工学院本科毕业论文(2012)越小，分离效率越高，但阻力增加，通量减小，填料费用也增加很多。而大尺寸的填 料应用于小直径塔中，又会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率降低。因此，对塔径与填料尺寸的比值要有一规定。选用时应从分离要求、通量要求、场地 条件、物料性质及设备投资、操作费用等方面综合考虑，使所选填料既能满足工艺要 求，又具有经济合理性。应予指出，一座填料塔可以选用同种类型、同一规格的填料，也可选用同种类型、不同规格的填料；可以选用同种类型的填料，也可以选用不同类型的填料；有的塔段 可选用规整填料，而有的塔段可选用散装填料。设计时应灵活掌握，根据技术经济统 一的原则来选择填料的规格。4.2.3.5填料材质的选择工业上，填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。(1)陶瓷填料。陶瓷填料具有良好的耐腐蚀性及耐热性，一般能耐除氢氟酸以 外的常见的各种无机酸、有机酸的腐蚀，对强碱介质，可以选用耐碱配方制造的耐碱 陶瓷填料。陶瓷填料价格便宜，具有很好的表面润湿性能，工业上，主要用于气体吸收、气 体洗涤、液体萃取等过程。陶瓷填料因其质脆、易碎，不宜在高冲击强度下使用。(2)金属填料。金属填料可用多种材质制成，金属材质的选择主要根据物系的 腐蚀性和金属材质的耐腐蚀性来综合考虑。碳钢填料造价低，且具有良好的表面润湿 性能，对于无腐蚀或低腐蚀性物系应优先考虑使用；钛材、特种合金钢等材质制成的 填料造价极高，一般只在某些腐蚀性极强的物系下使用；不锈钢填料耐腐蚀性强，一 般能耐除C1-以外常见物系的腐蚀，但其造价较高。金属填料可制成薄壁结构(0.21.0mm),与同种类型、同种规格的陶瓷、塑料填 料相比，它的通量大、气体阻力小，且具有很高的抗冲击性能，能在高温、高压、高 冲击强度下使用，工业应用主要以金属填料为主。(3)塑料填料塑料填料的材质主要包括聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)及聚氯乙烯(PVC)等，国内一般多采用聚丙烯材质。塑料填料的耐腐蚀性能较好，可耐一般的无 机酸、碱和有机溶剂的腐蚀。其耐温性良好，可长期在100C以下使用。聚丙烯填料 在低温(低于0)时具有冷脆性，在低于0的条件下使用要慎重，可选用耐低温性 能好的聚氯乙烯填料。16盐城工学院本科毕业论文（2012）塑料填料具有质轻。价廉、耐冲击、不易破碎等优点，多用于吸收、解吸、萃取、除尘等装置中。塑料填料的缺点是表面润湿性能差，在某些特殊应用场合，需要对其 表面进行处理，以提高表面润湿性能。4.2.4填料塔工艺尺寸的计算4.2.4.1填料塔参数确定（1）填料的规格及相关参数 本设计拟选用50 x50 x4.5规格陶瓷鲍尔环填料（乱堆）。填料参数为：（t）=noin（2,=110m2/m3（2）计算泛点气速Uf本设计采用质量分数5%的NaOH为吸收液（参数近似取水的物理参数)。取液气比上=3.5GL/Ml.目n 皿 MlxL 18因一=-,即一=-=-x3.5=2.bG Wg/M,n Wg Mn,X G 29.051由(1.147 A0-5所以 =2.169x-=0.0735W：pL)1000)查埃克特通用关联图知竺生以产=0.160 g IqJ(4-11)(4-12)(4-13)图4-9埃克特关联图吸收液温度为20,gL=lmPa-s17盐城工学院本科毕业论文(2012)可得=3.375(m/s)(4-14)(3)计算操作气速u操作气速为0.7/=0.7x3.375=2.4(加/s)(4-15)(4)计算塔径 填料塔中的混合气体体积流量为%=10000加/用=2.78m/s(4-16).四,4x2.78=1.21(根)取 D=1.2m(4-17)V mi V 3.14x2.4(5)利用圆整后的塔径重新计算操作气速u 4x2.78 46(*s)(4-18)3.14xl.22(6)校核填料直径与塔体直径的比幺=2_=o.o38J!)符合要求(4-19)D 1300 8 10(7)校核填料塔的喷淋密度当填料d 450相机时，填料最小润湿率为填料层 高度的计算：由设计资料得kGa=AAkmol/(m3 atm),kLa=0.7/z-1(4-20)734当地大气压 p=俞=0.966(6zZm)=97879.95P。(4-21)入塔气体中污染物体积含量p=y=0.000614(4-22)出塔气体中污染物体积含量P=0-x 22.4x I O”=0.000061436.5(4-23)则入塔气体中污染物的分压PA2=Py2=0.966 X 0.000614=O.QQQ593atm=60 APa