环保设备及应用__吸收设备

第四章大气污染净化设备第一节吸收设备一、概述气体吸收原理：根据混合气体中各组分在某液体溶剂中的溶解度不同而将气体混合物进行分离。吸收剂:吸收操作所用的液体溶剂，以S表示；吸收物质或溶质:混合气体中，能够显著溶解于吸收剂的组分称为，以A表示；惰性组分或载体:而几乎不被溶解的组分，以B表示；吸收液或溶液：吸收操作所得到的溶液，它是溶质A在溶剂S中的溶液；吸收尾气：被吸收后排出的气体，其主要成分为惰性气体B，但仍含有少量未被吸收的溶质A。吸收操作的目的：（１）分离和净化原料气。原料气在加工以前，其中无用的或有害的成分都要预先除去。如从合成氨所用的原料气中健分离出ＣＯ２、ＣＯ、Ｈ２Ｓ等杂质。（２）分离和吸收气体中的有用组分。如从合成氨厂的放空气中用水回收氨；从焦炉煤气中以洗油回收粗苯（含甲苯、二甲苯等）蒸气和从某些干燥废气中回收有机溶剂蒸气等。（３）制取液体产品。如用水分别吸收混合气体中的HCl、ＳＯ３和ＮＯ２制取盐酸、硫酸和硝酸。（４）废气的治理。生产过程中排放的废气往往含有对人体和环境有害的物质，如ＳＯ２、Ｈ２Ｓ等这类环境保护问题已愈来愈受重视。选择适当的工艺和溶剂进行吸收是废气治理中应用较广的方法。二、吸收设备气体吸收设备大致可分为：填料塔板式塔特种接触塔型列管式湿壁吸收器、文丘里喷射吸收器、喷洒式吸收器等。筛孔板式塔筛孔板式塔主要特点：筛板的优点是结构简单、造价低，板上液面落差小，气体压降低，生产能力大，对＞10μm粉尘的去除，效率约90%。其缺点是筛孔易堵塞，不宜处理易结焦、粘度大的物料。板塔的设计和操作精度要求较高。Back1、板式塔的类型降液管式塔板无降液管式塔板塔板类型筛板式泡罩式浮阀式（一）板式塔2、板式塔的结构板式塔内流体的流动3、塔板塔的异常操作现象塔板的异常操作现象包括：漏液液泛液沫夹带异常操作现象使塔板效率降低甚至使操作无法进行。因此，应尽量避免这些异常操作现象的出现。筛板塔的缺点是筛孔易堵塞，不宜处理易结焦、粘度大的物料。设计和操作精度要求较高，过去工业上应用较为谨慎。近年来，由于设计和控制水平的不断提高，可使筛板塔的操作非常精确，且板式塔的空塔速度较高，因而生产能力较大，塔板效率稳定，操作弹性大，且造价低，检修、清洗方便，故应用日趋广泛。4、板式塔特点（二）填料塔湍球塔(流化填料塔)普通填料塔1、填料塔的类型填料塔填料塔Back填料塔2、填料塔结构填料塔内流体的流动（1）液体分布器液体分布装置的种类多样，有喷头式、盘式、管式、槽式及槽盘式等。①喷头式分布器如图（a）所示。液体由半球形喷头的小孔喷出，小孔直径为3～10mm，作同心圈排列，喷洒角≤80°，直径为(1/3~1/5)D。这种分布器结构简单，只适用于直径小于600mm的塔中。因小孔容易堵塞，一般应用较少。②盘式分布器有盘式筛孔型分布器、盘式溢流管式分布器等形式。如图（b）、（c）所示。液体加至分布盘上，经筛孔或溢流管流下。分布盘直径为塔径的0.6～0.8倍，此种分布器用于D800mm的塔中。③管式分布器由不同结构形式的开孔管制成。其突出的特点是结构简单，供气体流过的自由截面大，阻力小。但小孔易堵塞，弹性一般较小。管式液体分布器使用十分广泛，多用于中等以下液体负荷的填料塔中。④槽式液体分布器具有较大的操作弹性和极好的抗污堵性，特别适合于大气液负荷及含有固体悬浮物、粘度大的液体的分离场合。由于槽式分布器具有优良的分布性能和抗污堵性能，应用范围非常广泛。⑤槽盘式分布器是近年来开发的新型液体分布器，它将槽式及盘式分布器的优点有机地结合一体，兼有集液、分液及分气三种作用，结构紧凑，操作弹性高达10:1。气液分布均匀，阻力较小，特别适用于易发生夹带、易堵塞的场合。槽盘式液体分布器的结构如图片所示。（2）填料压紧装置作用：防止在气流的作用下填料床层发生松动和跳动。填料压板类型：填料压板床层限制板自由放置于填料层上端，靠自身重量将填料压紧。它适用于陶瓷、石墨等制成的易发生破碎的散装填料。用于金属、塑料等制成的不易发生破碎的散装填料及所有规整填料。床层限制板要固定在塔壁上，对于小塔可用螺钉固定于塔壁，而大塔则用支耳固定。填料压栅（3）支撑装置支承板是支承填料和填料上的持液量的，它应有足够的强度，允许气体和液体自由通过。支承板的自由截面不应小于填料层的孔隙率。支承板通常可用扁钢做成栅板形式，也有在栅板上再整砌十字环的，还可另采用升气管式结构，使气管通过升气管上部所开的齿缝上升，液体则自支承板的小孔和齿缝的下沿流下，其气体流通截面甚至可超过塔的截面积。填料支撑（4）液体收集及再分布装置液体再分布器是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再分布器。截锥式再分布器：如图片3-17（a）所示。截锥式再分布器结构简单，安装方便，但它只起到将壁流向中心汇集的作用，无液体再分布的功能，一般用于直径小于0.6m的塔中。斜板式液体收集器：如图片3-17（b）所示。作用是将上层填料流下的液体收集，然后送至液体分布器进行液体再分布。槽盘式液体分布器：兼有集液和分液的功能，故槽盘式液体分布器是优良的液体收集及再分布装置。（5）除雾器除雾器用来除去填料层上方逸出的气体中的雾滴。填料塔中因气速较小，气体中的带液量较小，一般可不设除雾器。但当喷淋装置有严重溅液现象时，或操作气速过大、气体中带有较多雾滴、并且工艺中不允许气相带液时，需在塔顶的喷淋装置上方设置除雾器。（6）排液装置液体从塔内排出时，一方面要使液体能顺利排出，另一方面应保证塔内气体不会从排液管排出，一般采用下图所示的装置，俗称液封。3、填料的类型填料可分为：散装填料和规整填料。拉西环（1）拉西环填料拉西环填料的气液分布较差，传质效率低，阻力大，通量小，目前工业上已较少应用。（2）鲍尔环填料是对拉西环的改进，与拉西环相比，鲍尔环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。鲍尔环是一种应用较广的填料。（3）阶梯环填料是对鲍尔环的改进，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。（4）弧鞍填料属鞍形填料的一种，一般采用瓷质材料制成，弧鞍填料强度较差，容破碎，工业生产中应用不多。（5）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）金属环矩鞍填料其综合性能优于鲍尔环和阶梯环，在散装填料中应用较多。（7）球形填料的特点是球体为空心，可以允许气体、液体从其内部通过，气液分散性能好。球形填料一般只适用于某些特定的场合，工程上应用较少。（1）格栅填料主要用于要求压降小、负荷大及防堵等场合。（2）波纹填料是目前工业上应用最广泛的规整填料。以金属丝网波纹、金属板波纹、金属压延孔板波纹为代表。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。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。（3）脉冲填料的特点是处理量大，压降小，是真空精馏的理想填料。因其优良的液体分布性能使放大效应减少，故特别适用于大塔径的场合。4、填料的性能评价（1）比表面积a：填料的比表面积愈大，所提供的气液传质面积愈大。因此，比表面积是评价填料性能优劣的一个重要指标。（2）空隙率e：填料的空隙率越大，气体通过的能力越大且压降低。因此，空隙率是评价填料性能优劣的又一重要指标。（3）填料因子f（f=a/e3）：它反映填料的几何特性。f值越小，表明流动阻力越小。填料综合性能评价填料名称评估值语言值排序丝网波纹填料0.86很好1孔板波纹填料0.61相当好2金属Intalox0.59相当好3金属鞍形环0.57相当好4金属阶梯环0.53一般好5金属鲍尔环0.51一般好6瓷Intalox0.41较好7瓷鞍形环0.38略好8瓷拉西环0.36略好95、填料塔特点填料塔具有结构简单，生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大和便于使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时，填料塔都表现出明显的优越性。填料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表面；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。三、吸收塔的选用1、喷洒吸收塔、喷射吸收塔和文丘里吸收塔设备结构简单、造价低、不易堵塞、但能耗高；适用于除尘为主，同时吸收易溶气体的场合。2、填料塔和板式塔生产能力大、吸收效率高、操作弹性大，是目前工业上广泛使用的吸收设备。（1）填料塔适用于以下情况：气膜控制的吸收过程，易起跑、黏度大、有腐蚀性、热敏性的物料。（2）板式塔适用于以下情况：液膜控制的吸收过程，吸收过程产生大量热量而需要移去的过程，需要有其他辅助材料加入、取出的过程，有悬浮固体颗粒或淤渣的过程。板式塔与填料塔的比较⑴填料塔操作范围较小，特别是对于液体负荷的变化更为敏感。⑵填料塔不宜于处理易聚合或含有固体悬浮物的物料。⑶当气液接触过程中需要冷却以移出反应热或溶解热时，不适宜用填料塔。另外，当有侧线出料时，填料塔也不如板式塔方便。⑷填料塔的塔径可以很小，但板式塔的塔径一般不小于0.6m。⑸板式塔的设计资料更容易得到而且更为可靠，安全系数可以取得更小。⑹当塔径不很大时，填料塔的造价便宜。⑺对于易起泡的物系，填料塔更合适。⑻对于腐蚀性物系，填料塔更合适。⑼对于热敏性物系，采用填料塔较好。⑽填料塔的压降比板式塔小，更适于真空操作。四、吸收设备（填料塔）的设计（一）设计计算依据：1、单位时间内所处理的气体流量；2、气体的组成成分；3、被吸收组分的吸收率或净化后气体的浓度；（二）设计步骤：1、使用何种吸收液；2、使用何种填料；3、吸收操作的工作条件，如工作压力、操作温度等。多数情况下是设计者选定的，但是确定时要考虑到经济效益，取最佳条件。通常温度降低，压力升高，则气体溶解度增大。实际中，要考虑加压、冷却所需的费用及工艺上造成的经济效益问题。选择合理吸收剂：(1)溶解度吸收剂对溶质组分的溶解度越大，吸收剂的耗用量越少。(2)选择性吸收剂应对溶质组分有较大的溶解度，而对混合气体中的其它组分溶解度甚微，否则不能实现有效的分离。(3)挥发度在吸收过程中，吸收尾气往往为吸收剂蒸汽所饱和。故在操作温度下，吸收剂的蒸汽压要低，即挥发度要小，以减少吸收剂的损失量。(4)粘度吸收剂在操作温度下的粘度越低，越有助于吸收过程的进行。(5)其它所选用的吸收剂应尽可能无毒性、无腐蚀性、不易燃易爆、不发泡、冰点低、价廉易得，且化学性质稳定。填料的选择基本要求：具有较大的比表面积和良好的润湿性；有较高的孔隙率（多在0.45-0.95）；对气流的阻力较小；填料的尺寸要适当，通常不应大于塔径的1/10～1/8；耐腐蚀，机械强度大，造价低，堆积密度小，稳定性好等。4、确定吸收工艺（1）因为逆流分离效果好，所以吸收塔中通常采用的是连续逆流操作。（2）单塔与多塔的确定单塔操作流程：多塔并联操作流程：若塔径过大，则将大塔分成几个小塔并联起来操作。多塔串联操作流程：若塔太高，则将大塔分成几个小塔串联起来操作。近年来由于塔板效率的提高和化工装置大型化，又多采用单塔操作。用吸收操作来进行气体混合物的分离时必须解决以下几方面的问题：选择合适的溶剂；提供气液接触的场所（传质设备）；溶剂的再生。解吸（吸收剂再生）吸收过程使混合气中的溶质溶解于吸收剂中而得到一种溶液，但就溶质的存在形态而言，仍然是一种混合物，并没有得到纯度较高的气体溶质。在工业生产中，除以制取溶液产品为目的的吸收(如用水吸收HCl气制取盐酸等)之外，大都想要的是得到纯净的溶质或使吸收剂再生后循环使用。解吸：它是使溶质从吸收液中释放出来的过程。解吸通常在解吸塔中进行，也称为脱吸。吸收塔解吸塔加热器水蒸气CO2气体冷凝液冷却器冷却器原料气图5-1吸收与解吸流程5、计算吸收剂用量对于低浓度气体的吸收：L=(1.1～2)G(L/G)min。G——表示单位时间通过塔任一截面单位面积的混合气体摩尔流量，Kmol/(m2·s)；L——表示单位时间通过塔任一截面单位面积吸收液摩尔流