環(huán)境工程原理課程設計.doc

環(huán)境工程原理課程設計目錄一、吸收技術概況3二、設計任務及步驟32.1設計任務3三、填料塔操作條件3四、設計方案的確定44.1吸收流程的選擇44.2吸收劑的選擇44.3填料的選擇44.4吸收工藝流程圖（附圖）及工藝過程說明5五、吸收塔的物料衡算55.1基礎物性數(shù)據(jù)5a.液相物性數(shù)據(jù)5b.氣相物性數(shù)據(jù)5c.氣液兩相平衡時的數(shù)據(jù)65.2物料衡算65.3填料塔的工藝尺寸計算7a.塔徑的計算7b.泛點率校核和填料規(guī)格9c.液體噴淋密度校核95.4填料層高度計算10a.傳質(zhì)單元數(shù)的計算10b.傳質(zhì)單元高度的計算10c.填料層高度的計算125.5填料塔附屬高度的計算125.6液體分布器的簡要設計13a.液體分布器的選型13b.分布點密度及布液孔數(shù)的計算135.7其它附屬塔內(nèi)件的選擇15a. 填料支撐板15b.填料壓緊裝置15c.氣體進出口裝置與排液裝置15d.吸收塔主要接管的尺寸計算15e.離心泵的選擇165.8流體力學參數(shù)計算17a.填料層壓力降的計算17六、工藝設計計算結果匯總與主要符號說明186.1基礎物性數(shù)據(jù)和物料衡算結果匯總186.2填料塔工藝尺寸計算結果表196.3流體力學參數(shù)計算結果匯總206.4附屬設備計算結果匯總216.5所用聚丙烯塑料階梯環(huán)填料主要性能參數(shù)匯總216.6主要符號說明21參考文獻23設計方案討論及結束語25一、吸收技術概況當氣體混合物與適當?shù)囊后w接觸，氣體中的一個或者幾個組分溶解與液體中，而不能溶解的組分仍留在氣體中，使氣體得以分離。吸收過程是化工生產(chǎn)中常用的氣體混合物的分離操作，其基本原理是利用混合物中各組分在特定的液體吸收劑中的溶解度不同，實現(xiàn)各組分分離的單元操作。本設計針對填料吸收進行相關計算，設備主體為塔狀填料吸收器，塔內(nèi)裝有填料支承與壓緊裝置、液體與氣體分布器、液體再分布器以及氣體除沫器等。液體經(jīng)塔頂噴淋裝置均勻分布于填料上，依靠重力作用沿填料表面自上而下流動，并與在壓強差推動下穿過填料空隙的氣體相互接觸，發(fā)生傳熱和傳質(zhì)。在吸收器內(nèi)，填料在整個塔內(nèi)堆成一個整體。有時也將填料裝成幾層，每層的下邊都設有單獨的支撐板。當填料分層堆放時，層與層之間常裝有液體再分布裝置。二、設計任務及步驟2.1設計任務用水吸收空氣中混有的二氧化硫。2.2設計步驟（1）根據(jù)設計任務和工藝要求，確定設計方案;（2）針對物系及分離要求，選擇適宜填料；（3）確定塔徑、填料層高度等工藝尺寸（考慮噴淋密度）；（4）計算塔高及填料層的壓降；（5）塔內(nèi)件選擇。三、填料塔操作條件1操作壓力為常壓，操作溫度：293K。2填料類型：選用聚丙烯階梯環(huán)填料。3工作日：每年320天，每天24小時連續(xù)運行。4廠址：昆明某地四、設計方案的確定4.1吸收流程的選擇工業(yè)上使用的吸收流程多種多樣，由于逆流操作具有傳質(zhì)推動力大，傳質(zhì)速率快，分離效率高（具有多個理論級的分離能力），吸收劑利用率高等顯著優(yōu)點，所以在本設計中選用逆流操作。逆流操作4.2吸收劑的選擇對于吸收操作，選擇適宜的吸收劑，具有十分重要的意義。其對吸收操作過程的經(jīng)濟性有著十分重要的影響。在考慮到吸收劑對溶質(zhì)的溶解度、不易揮發(fā)、再生性能好，同時吸收劑應該具有良好的物理、化學性能和經(jīng)濟性等問題后，決定在本設計采用水作為吸收劑。4.3填料的選擇塔填料是填料塔中的氣液相間傳質(zhì)組件，是填料塔的核心部分。其種類繁多，性能上各有差異。由于本次過程處理量不大，所用的塔直徑不會太大，適合采用填料塔，所以采用散裝聚丙烯塑料階梯環(huán)填料。階梯環(huán)(Stairs wreath)填料如圖片所示，填料呈階梯環(huán)結構，環(huán)壁上開有長方形小孔，環(huán)內(nèi)有兩層交錯 45的十字形葉片，環(huán)的高度為直徑的一半，環(huán)的一端成喇叭口形狀的翻邊。這樣的結構使得階梯環(huán)填料的性能在鮑爾環(huán)的基礎上又有提高，其生產(chǎn)能力可提高約10%，壓降則可降低25%，且由于填料間呈多點接觸，床層均勻，較好地避免了溝流現(xiàn)象。階梯環(huán)一般由塑料和金屬制成。 本設計所選材料主要性能參數(shù)如下：比表面積 at=132.5 孔隙率 =0.91形狀修正系數(shù) =1.45填料因子 =170mA=0.204臨界張力 4.4吸收工藝流程圖（附圖）及工藝過程說明吸收SO2的流程包括吸收和解吸兩大部分?；旌蠚怏w冷卻至20 下進入吸收塔底部，水從塔頂淋下，塔內(nèi)裝有填料以擴大氣液接觸面積。在氣體與液體接觸的過程中，氣體中的SO2 溶解于水，使離開吸收塔頂?shù)臍怏w二氧化硫含量降低至允許值，而溶有較多二氧化硫的液體由吸收塔底排出。為了回收二氧化硫并再次利用水，需要將水和二氧化硫分離開，稱為溶劑的再生。解吸是溶劑再生的一種方法，含二氧化硫的水溶液經(jīng)過加熱后送入解吸塔，與上升的過熱蒸汽接觸，二氧化硫從液相中解吸至氣相。二氧化硫被解吸后，水溶劑得到再生，經(jīng)過冷卻后再重新作為吸收劑送入吸收塔循環(huán)使用。五、吸收塔的物料衡算5.1基礎物性數(shù)據(jù)a.液相物性數(shù)據(jù)對于低濃度的吸收過程，溶液的物性數(shù)據(jù)可以近似取純水的物性數(shù)據(jù)，20時水的有關物性數(shù)據(jù)如下：密度 粘度 表面張力SO2在水中的擴散系數(shù)b.氣相物性數(shù)據(jù)混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為: 混合氣體的平均密度為: 其中，混合氣體的粘度可近似取為空氣的粘度，查手冊的20 C空氣的粘度為：在空氣中的擴散系數(shù)為：c.氣液兩相平衡時的數(shù)據(jù)常壓下20在水中的亨利系數(shù)為：相平衡常數(shù)為： 溶解度系數(shù)為：5.2物料衡算進塔氣相摩爾比為：出塔氣相摩爾比為：對于純?nèi)軇┪者^程，進塔液相組成為：進塔惰性氣相流量為：該吸收過程屬于低濃度吸收，平衡曲線可近似為直線，最小液氣比可按下式計算，即：實際操作液氣比：進塔吸收劑流量：由得5.3填料塔的工藝尺寸計算a.塔徑的計算采用Eckert 通用關聯(lián)圖計算泛點氣速?？颂赝ㄓ藐P聯(lián)圖:（查自：化工原理課程設計（化工傳遞與單元操作課程設計）氣相質(zhì)量流量為：=液相質(zhì)量流量可近似按純水的流量計算，即：=Eckert通用關聯(lián)圖的橫坐標為：查Eckert通用關聯(lián)圖得:0.018式中：泛點氣速 m/s g：重力加速度 9.8m/s2 ,：氣相，液相密度 ：液體粘度 （此處為1）本次設計選用的是塑料階梯環(huán)類型填料。查表散裝填料泛點填料因子平均值填料類型填料因子，1/mDN16DN25DN38DN50DN76金屬鮑爾環(huán)410117160金屬環(huán)矩鞍170150135120塑料鮑爾環(huán)55028018414092塑料階梯環(huán)260170127瓷矩鞍1100550200226瓷拉西環(huán)1300832600410其填料因子泛點氣速：對于散裝填料，泛點率的經(jīng)驗值為此處取圓整塔徑取。b.泛點率校核和填料規(guī)格泛點率校核: (在允許范圍內(nèi))填料規(guī)格校核:階梯環(huán)的徑比要求：8有即符合要求c.液體噴淋密度校核取最小潤濕速率為：查資料手冊得聚丙烯階梯環(huán)比表面積故滿足最小噴淋密度的要求.經(jīng)以上各項校核可知，填料塔直徑選用D=1300mm合理。5.4填料層高度計算a.傳質(zhì)單元數(shù)的計算解吸因數(shù)為：氣相總傳質(zhì)單元數(shù)為：= b.傳質(zhì)單元高度的計算氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關聯(lián)式計算查表(常見材質(zhì)的臨界表面張力值)， 得常見材質(zhì)的臨界表面張力材質(zhì)碳瓷玻璃聚丙烯聚氯乙烯鋼石 蠟表面張力56617333407520液體質(zhì)量通量為氣體質(zhì)量通量為氣膜吸收系數(shù)由下式計算 液膜吸收系數(shù)由下式計算 由，因為本設計填料類型為開孔環(huán)，故查表得，常見填料的形狀系數(shù)填料類型球 形棒 形拉西環(huán)弧 鞍開孔環(huán)值0.720.7511.191.45則 因為 ，故需要按下式校正。由，得 則有 由 c.填料層高度的計算 根據(jù)設計經(jīng)驗，填料層真實選用高度一般為 所以 查表，對于階梯環(huán)填料，h/D=815,m 散裝填料分段高度推薦值填料類型h/DHmax/m拉西環(huán)2.54矩鞍586鮑爾環(huán)5106階梯環(huán)8156環(huán)矩鞍5156取則計算得填料層高度為3800mm，故不需要分段。5.5填料塔附屬高度的計算塔上部空間高度，通過相關資料可知可取為1.3m，塔底液相停留時間為min本設計按4min考慮，則塔釜液所占空間高度為： 考慮到氣相接管所占空間高度，底部空間高度可取6.5m，所以塔的附屬空間高度可以取為1.3+6.5=7.8米。因此塔的實際高度取H=3.8+7.8=11.6m5.6液體分布器的簡要設計a.液體分布器的選型液體分布裝置設于填料層頂部，用于將塔頂液體均勻分布在填料表面上，液體的分布裝置性能對填料塔效率影響很大，特別是大直徑、低填料層的填料塔，尤其需要性能良好的液體分布裝置。由于液體在填料塔內(nèi)分布均勻，可以增大填料的潤濕表面積，以提高分離效果。因此，液體在塔頂?shù)某跏季鶆驀娏?，是保證填料塔達到預期分離效果的重要條件。從噴淋密度考慮，應保證每60的塔截面上約有一個噴淋點，這樣，可以防止塔內(nèi)壁流和溝流現(xiàn)象。液體分布裝置的種類多樣，有噴頭式、盤式、管式、槽式、及槽盤式等。工業(yè)應用以管式、槽式、及槽盤式為主。 由于該吸收塔的液相負荷較大，而氣相負荷相對較低，故選用槽式液體分布器。 當填料層高度與塔徑之比超過某一數(shù)值時，填料層需分段。在各段填料層之間安設液體再分布器，以收集自上一填料層來的液體，為下一填料層提供均勻的液體分布。由于本次設計的填料層不需要分段,故不需要安裝液體分布器。b.分布點密度及布液孔數(shù)的計算 Eckert的散裝填料塔分布點密度推薦值塔徑，mm分布點密度，塔截面D=400330D=750170D120042如上表，按照Eckert建議值，D1200mm 時，噴淋點密度為42點/m2,因為該塔液相負荷較大，設計取噴淋點密度為120點/ m2 。布液點數(shù)為：點布液計算： 由 其中：: 液體流率 n: 開孔數(shù)目: 孔流系數(shù)，取0.550.60d0: 孔徑，: 開孔上方的液位高度， 取，本設計取 槽式液體分布器二級槽的布液點示意圖5.7其它附屬塔內(nèi)件的選擇a. 填料支撐板填料支撐板的作用是支撐塔內(nèi)的填料，同時起著氣液流道及氣體均布作用。常用的填料支撐裝置由柵板型，孔管型，駝峰型等。對于散裝填料因柵板結構簡單、自由截面積大、造價低，普遍選用柵板支撐裝置。 b.填料壓緊裝置填料壓板：柵條壓板（填料直徑介于0.6到 0.8間） 絲網(wǎng)壓板（空隙較大，一般用于塔徑1200mm以下） 大絲網(wǎng)壓板（用于塔徑1200mm以上）因此采用大絲網(wǎng)壓板。c.氣體進出口裝置與排液裝置氣體進出口裝置：填料塔的氣體進口既要防止液體倒灌，更要有利于氣體的均勻分布。對500mm直徑以下的小塔，可使進氣管伸到塔中心位置，管端切成45向下斜口或切成向下切口，使氣流折轉向上。對1.5m以下直徑的塔，管的末端可制成下彎的錐形擴大器，或采用其它均布氣流的裝置。氣體出口裝置既要保證氣流暢通，又要盡量除去被夾帶的液沫。最簡單的裝置是在氣體出口處裝一除沫擋板，或填料式、絲網(wǎng)式除霧器，對除沫要求高時可采用旋流板除霧器。本設計中選用除沫擋板。排液裝置：液體出口裝置既要使塔底液體順利排出，又能防止塔內(nèi)與塔外氣體串通，常壓吸收塔可采用液封裝置。常壓塔氣體進出口管氣速可取1020m/s（高壓塔氣速低于此值）；液體進出口流速可取0.81.5m/s（必要時可加大些）管徑依氣速決定后，應按標準管規(guī)定進行圓整。d.吸收塔主要接管的尺寸計算本設計中填料塔有多處接管，但主要的是氣體和液體的進料口和出料口接管。在此分別以液體進料管和氣體進料管的管徑計算為例進行說明。氣體和液體在管道中流速的選擇原則為：常壓塔氣體進出口管氣速可取1020m/s；液體進出口流速可取0.81.5m/s。液體進料接管：進料管的結構類型很多，有直管進料管、彎管進料管、T型進料管。本設計采用直管進料管，管徑計算如下取則進料管管內(nèi)徑查GB-T17395(2008) -無縫鋼管尺寸可知，可選用熱軋無縫鋼管管徑為。則實際管內(nèi)徑為200mm.實際通過液體接管的液速為： 。氣體進料接管：采用直管進料。取氣速 所以查GB-T17395(2008) -無縫鋼管尺寸可知，取管徑為，實際管內(nèi)徑為，則實際通過氣體接管的氣速為： 吸收劑輸送管路直徑及流速計算：根據(jù)管材規(guī)范，選擇型的熱軋無縫管道，其內(nèi)徑為184mm，其實際流速為： 。e.離心泵的選擇流量 因為該吸收以清水為吸收劑，選用離心泵型號為：IS150-125-250單級單吸離心泵，其性能參數(shù)如下表 轉速（r/min）流量m3/h揚程H /m效率/%功率/kW必需汽蝕余量(NPSH)r /m軸功率電機功率3.01450200208113.518.55.8流體力學參數(shù)計算a.填料層壓力降的計算氣體進出口壓力降：由后面主要接管尺寸計算可知，氣體的進出口接管內(nèi)徑為。則氣體的進出口流速為: 則進口 （突然擴大 =1）出口 (突然縮小 =0.5）填料層壓力降：采用Eckert關聯(lián)圖計算，有前面計算可知其中橫坐標為： 1.206 查散裝填料壓降填料因子平均值得 散裝填料壓降填料因子平均值填料類型填料因子, 1/mDN16DN25DN38DN50DN76金屬鮑爾環(huán)306-11498-金屬環(huán)矩鞍-13893.47136金屬階梯環(huán)-11882-塑料階梯環(huán)-17611689-瓷矩鞍環(huán)700215140160-瓷拉西環(huán)1050576450288-m-1縱坐標為： 查Eckert關聯(lián)圖得所以填料層壓力降為：其它塔內(nèi)間的壓力降較小,因此可忽略，于是得到吸收塔的總壓力降為：六、工藝設計計算結果匯總與主要符號說明6.1基礎物性數(shù)據(jù)和物料衡算結果匯總 表-1項目符號數(shù)值與計量單位吸收劑（水）的密度998.2(kg/m3)溶劑的粘度0.001004()=3.6溶劑表面張力72.67()=941803(kg/h2)二氧化硫在水中擴散系數(shù)1.4710-5(2/s)=5.2910-6(m2/h)混合氣體的平均摩爾質(zhì)量混合氣體的平均密度1.164混合氣體的粘度二氧化硫在空氣中擴散系數(shù)0.10810-4(m2/s)=0.039(m2/h)亨利系數(shù)E3.55103 氣液相平衡常數(shù)35.04溶解度系數(shù)H0.0156二氧化硫進塔摩爾比Y10.047二氧化硫出塔摩爾比Y20.00235惰性氣體摩爾流量141.848吸收劑摩爾流量7082.754液相進口摩爾比X20液相出口摩爾比X16.2填料塔工藝尺寸計算結果表 表-2項目符號數(shù)值與計量單位氣相質(zhì)量流量3608.4kg/h液相質(zhì)量流量127489.572kg/h塔徑 1300mm空塔氣速0.649泛點率68.82%噴淋密度U96.247m3/(m2.h)解吸因數(shù)S0.7018氣相總傳質(zhì)單元數(shù)6.362液體質(zhì)量通量96098.875氣體質(zhì)量通量2967.625氣膜吸收系數(shù)0.0338kmol/(m.h.kpa)液膜吸收系數(shù)2.169(m/h)氣相總吸收系數(shù)(校正后)8.228kmol/(m3.h.kpa)液相總吸收系數(shù)（校正后）226.410(l/h)氣相總傳質(zhì)系數(shù)2.469 kmol/(m3.h.kpa)氣相傳質(zhì)單元高度0.428填料層高度Z3.8填料塔上部空間高度1.3填料塔下部空間高度6.5塔附屬高度7.8塔高11.6布液孔數(shù)160點孔徑d00.0163m開孔上方高度0.16m6.3流體力學參數(shù)計算結果匯總 表-3項目符號數(shù)值與計量單位氣體進口壓力降P1120.11 Pa;氣體出口壓力降P260.05 Pa;填料層壓力降744.8 Pa吸收塔總壓力降881.58 Pa;6.4附屬設備計算結果匯總 表-4項目選型數(shù)值與計量單位液體進出口接管熱軋無縫鋼管液體實際流速氣體進出口接管熱軋無縫鋼管氣體實際流速吸收劑輸送管路熱軋無縫鋼管吸收劑實際流速離心泵的選型IS125-100-200單級單吸離心泵揚程 H=12.001m6.5所用聚丙烯塑料階梯環(huán)填料主要性能參數(shù)匯總 表-5項目符號數(shù)值與計量單位公稱直徑38mm塔徑與填料公稱直徑比值D/d8填料因子平均值170m臨界表面張力值33形狀修正系數(shù)1.45填料分段高度推薦值h/D=815m壓降填料因子平均值116m-16.6主要符號說明1、英文字母 表-6填料層的潤滑比表面積m/m；S脫吸因數(shù);無因次;填料層的有效傳質(zhì)比表面積（m/m）擴散系數(shù)，m/s; 塔徑,m;液體質(zhì)量通量氣體質(zhì)量通量亨利系數(shù)，KPa;重力加速度，kg/(m.h);溶解度系數(shù)，kmol /(m.KPa);溫度，0C;相平衡常數(shù)，無因次;氣相總傳質(zhì)單元高度，m;氣體通用常數(shù)，kJ/(kmol.K)填料因子， m-1 ; 修正系數(shù)，無因次總壓，KPa ;氣相總傳質(zhì)系數(shù)，無因次空塔速度，m/s ;液泛速度，m/s ;惰性氣體流量，kmol/h ;混合氣體體積流量，m3/h;液膜吸收系數(shù) m/h;氣膜吸收系數(shù)，kmol/(m.h.kpa);氣相總吸收系數(shù)kmol/(m3.h.kpa);液相總吸收系數(shù)，l/h;氣相總傳質(zhì)系數(shù) kmol/(m3.h.kpa);液相總傳質(zhì)系數(shù)l/h;吸收劑用量kmol/h; kmol/s;是吸收液量 kmol/h吸收劑質(zhì)量流量kg/h；氣體質(zhì)量流量，kg/h；密度kg/ m2.希臘字母 表-7粘度Pa.s密度kg/m3表面張力 kg/h2平均的，對數(shù)平均的最小的最大的參考文獻王國勝主編.化工原理課程設計第二版.大連：大連理工大學出版社，2006.8陳敏恒，叢德滋，方圖南，齊鳴齋編.化工原理下冊第三版.北京：化學工業(yè)出版社,2006.5吉林化學工業(yè)公司設計院，化學工業(yè)部化工設計公司主編.化工工藝算圖第一冊常用物料物性數(shù)據(jù). 北京：化學工業(yè)出版社,1982.10 賈紹義，柴誠敬主編.化工原理課程設計（化工傳遞與單元操作課程設計）.天津:天津大學出版社，2002.8陳敏恒，叢德滋，方圖南，齊鳴齋編.化工原理上冊第三版.北京：化學工業(yè)出版社,2006.5吉林化學工業(yè)公司設計院，化工部中國環(huán)球化學工程公司主編.化工工藝算圖第三冊化工單元操作. 北京：化學工業(yè)出版社,1993.3GB-T17395(2008) -無縫鋼管尺寸.厲玉鳴主編.化工儀表及自動化第四版.北京：化學工業(yè)出版社，2010.79化學工程手冊編輯委員會化學工程手冊汽液傳質(zhì)設備北京：化學工業(yè)出版社，198910徐崇嗣等塔填料產(chǎn)品及技術手冊。 北京：化學工業(yè)出版社，199511匡國柱，史啟才等化工單元過程及設備課程設計。 北京：化學工業(yè)出版社，200212王樹楹等現(xiàn)代填料塔技術指南， 北京：中國是石化出版社，199813蘭州石油機械研究所現(xiàn)代塔器技術。 北京：烴加工出版社，1990 設計方案討論及結束語本次設計的用水吸收二氧化硫的填料吸收塔，采用的是聚丙烯塑料階梯環(huán)填料和逆流單程流程?；旌蠚獾捏w積流率為3100m3/h。 經(jīng)過計算得出塔徑為1300mm,塔總體高度為11.6m，而且不需要分段。氣體和液體的進出口以及輸送管路的管道尺寸都是依據(jù)GB-T17395(2008) -無縫鋼管尺寸。在選擇離心泵的時候，不僅考慮到了吸收劑的體積流量安全系數(shù)，也考慮到了揚程的安全系數(shù)。條件裝配圖尤其是工藝流程圖，是在查閱有關繪圖權威資料如化工工藝算圖，工程制圖與AutoCAD教程以及參考了化工儀表及自動化的基礎上認真繪制的，但是由于學生的能力有限，水平欠佳，所以最終的圖也許并沒有達到十分的標準，這是有待在以后的學習生活中需要加以提高的。對于設計方案，我們還需要學習和借鑒，在此基礎上加以大膽創(chuàng)新，從而來完