日處理10噸廢水樹脂吸收塔的設計

1、日處理10噸廢水樹脂吸收塔的設計摘 要吸收塔的設計在工業(yè)生產(chǎn)中具有十分重要的作用，它可以使生產(chǎn)過程更加簡單高效，能夠提高化工生產(chǎn)的效率。樹脂作為填料的吸收塔在工業(yè)廢水的處理中有廣泛的應用，是處理含-萘磺酸工業(yè)廢水的理想選擇。吸收塔的設計要考慮許多因素對操作過程的影響，例如：溫度、時間最小回流比、塔高、等板高度等。還有塔內(nèi)部各部件的分布情況，以及怎樣做好連續(xù)的生產(chǎn)。在吸收塔內(nèi)，氣體由樹脂間的空隙流過，液體在數(shù)值表面形成液膜，并沿著樹脂間隙而下流，氣液兩相間的傳質(zhì)過程在潤濕的樹脂表面上進行。吸收塔不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且阻力小，便于用樹脂制造。對于比較小的塔，填料塔有明顯的優(yōu)越性。關(guān)鍵詞：樹脂；-萘磺酸

2、；吸收塔The design of absorption tower of dealing with 10t waste water everydayabstract Absorber design in industrial production has an important role.It not only make the production process more simple and efficient, but also improve the efficiency of chemical production. Resin as the packing of absorp

3、tion tower in the industrial wastewater treatment Has the widespread application, And it is the best choice in dealing with-naphthalenesulfonic acid .The design of absorption tower needs to consider many factors , for example: Temperature, time ,minimum reflux ratio, and tower high and so on. It als

4、o considers the tower interior various parts' distributed situation, as well as how to complete the continual production.In the absorption tower, gas run through the crevice of resin. The liquid forms the fluid film in the surface of resin, and it run through resin too. The change of substance b

5、etween gas and liquid is made in the surface of resin. The absorption tower structure is not only simple, but also the resistance is small.And it is easy to use resin manufacturing. Regarding to the small tower, the absorption tower has the obvious superiorityKey words: resin; -naphthalenesulfonic a

6、cid; absorption tower 目 錄第一章 引言11.1 萘磺酸性質(zhì)11.2 樹脂的性質(zhì)11.3 設計背景21.3 .1 設計目的21.3.2 設計的意義2第二章 吸收塔的設計22.1 設計要求22.2 設計方案的確定32.2.1 操作條件的確定32.2.2 操作壓力32.2.3 進料狀態(tài)32.3 確定設計方案的原則42.4 設計步驟52.4.1 物料衡算52.4.2 操作曲線的確定62.4.3 塔徑的計算72.4.4 進、出氣相管口的設計72.4.5 進、出液相管口的設計72.4.6 吸收塔高度計算82.4.7 最小液氣比的計算102.4.8 塔壁厚度的確定102.4.9 填料

7、壓緊裝置112.4.10 塔的輔助裝置122.4.11 液體分布裝置的設計122.4.12 液體再分布裝置的設計132.4.13 除沫裝置的設計132.5 討論與優(yōu)化13第三章 總結(jié)14參考文獻15第一章 引言1.1 萘磺酸性質(zhì) 萘磺酸為重要的染料中間體, 在其生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量 2萘磺酸廢液。該廢液 值高, 色度深, 萘磺酸具有極高的經(jīng)濟價值, 但因帶有磺酸基團對微生物有強烈毒性, 對人畜也有一定的危害, 因此母液在排放前必須進行處理。由于易溶于水, 且萘環(huán)較穩(wěn)定, 使傳統(tǒng)物理、化學方法處理效率很低, 致使該廢水處理困難, 屬極難處理的有機廢水之一 ?，F(xiàn)有的處理方法主要采用電滲析法、生化法、

8、電解法、化學氧化法、膜分離法以及吸附法等。 健康危害： 吸入、攝入或經(jīng)皮膚吸收后對身體有害。對眼睛、皮膚、粘膜和上呼吸道有強烈的刺激作用。吸入后可引起喉和支氣管的炎癥、痙攣和水腫，肺水腫。中毒表現(xiàn)可有燒灼感、咳嗽、喘息、氣短、頭痛、惡心、嘔吐等。還可引起皮膚過敏反應。環(huán)境危害： 對環(huán)境有危害，對水體和大氣可造成污染。 燃爆危險： 本品可燃，有毒，具強刺激性。其它有害作用：該物質(zhì)對環(huán)境有危害，對水體和大氣可造成污染，有機酸易在大氣化學和大氣物理變化中形成酸雨。因而當PH值降到 5以下時，會給動、植物造成嚴重危害，魚的繁殖和發(fā)育會受到嚴重影響，流域土壤和水體底泥中的金屬可被溶解進入水中毒

9、害魚類。水體酸化還會導致水生生物的組成結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，耐酸的藻類、真菌增多，而有根植物、細菌和脊椎動物減少，有機物的分解率降低。酸化后會嚴重導致湖泊、河流中魚類減少或死亡。1.2 樹脂的性質(zhì)樹脂通常是珠狀的小顆粒，它的尺寸也很重要，是吸收塔中一種很好的填料。球星樹脂能夠是吸附效果更好，提供更大的吸附表面，利于吸收的進行。樹脂為不容性物質(zhì)，容易大量的生產(chǎn)，有可靠的市場來源，使用壽命較長，是吸收塔的設計中優(yōu)良的填料。1.3 設計背景1.3 .1 設計目的通過理論課的學習和生產(chǎn)實習，已經(jīng)掌握了不少理論知識和生產(chǎn)實際知識，對于一個未來的工程技術(shù)人員來說，如何運用所學知識去分析和解決吸收塔的設計方面的實際

10、問題是至關(guān)重要的。當吸收塔對廢水的吸收率達到85%時，認為吸收塔的性能是很穩(wěn)定、高效的。在設計時必須達到這一點要求，才能體現(xiàn)吸收塔的優(yōu)越性。 設計的意義 目前，-萘磺酸廢水的處理方法主要包括溶劑萃取法、膜分離法、催化氧化法、生化法等。這些方法都尚處于小試研究，或存在分配比低，萃取體系復雜，污染和毒性問題難以處理；或存在膜制備困難，壽命低，濃差極化及污染等問題難以解決；或存在處理費用高，工藝復雜等問題，不易實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)。而樹脂作為填料的吸收法則顯示出其獨特的優(yōu)勢，用樹脂吸收法從水溶液中分離-萘磺酸在國內(nèi)外現(xiàn)已得到了廣泛的研究，并且在酸液的分離方面已經(jīng)取得了較大的成功。目前，國內(nèi)外尚無采用樹脂作

11、為填料吸收法分離-萘磺酸廢水中萘磺酸的研究報道。綜合比較各種分離方法，根據(jù)國內(nèi)外采用弱堿性樹脂分離廢液中無機酸和有機酸的研究報道，提出了采用弱堿性樹脂分離-萘磺酸廢水中萘磺酸的新工藝。本設計選用高選擇性、高吸附容量易再生的樹脂處理該廢水。第二章 吸收塔的設計 2.1 設計要求畢業(yè)設計是化工專業(yè)的學生在校期間的設計，設計中應對吸附原理、操作、流程及設備的結(jié)構(gòu)、制造、安裝、檢修進行全面考慮，最終以簡潔的文字、表格及圖紙正確地把設計表達出來。本次設計是在教師指導下，由學生獨立進行的設計。因此，對學生的獨立工作能力和實際工作能力是一次很好的鍛煉機會，是培養(yǎng)化工技術(shù)人員的一個重要環(huán)節(jié)。通過設計，應培養(yǎng)和

12、掌握：1、正確的設計思想和認真負責的設計態(tài)度。設計應結(jié)合實際進行，力求經(jīng)濟、實用、可靠和先進。設計應對生產(chǎn)負責。設計中的每一數(shù)據(jù)，每一筆一劃都要準確可靠，負責到底。2、獨立的工作能力及靈活運用所學知識分析問題和解決問題的能力。設計由學生獨立完成，教師只起指導作用，學生在設計中碰到的問題和教師進行討論。教師只做提示和啟發(fā)，由學生自己去解決問題，指導教師原則上不負責檢查計算結(jié)果的準確性，學生應自己負責計算結(jié)果的準確性，可靠性。學生在設計中可以相互討論，為了更好地了解和檢查學生獨立分析問題和解決問題的能力，設計的最后階段安排有答辯。若答辯不通過，設計不能通過。3、吸收塔裝置設計的一般辦法和步驟。4、

13、正確運用各種參考資料，合理選用各種經(jīng)驗公式和數(shù)據(jù)。由于所用資料不同，各種經(jīng)驗公式和數(shù)據(jù)可能會有一些差別。設計者應盡可能了解這些公式、數(shù)據(jù)的來歷、實用范圍，并能正確地運用。設計前，學生應該詳細閱讀設計指導書、任務書，明確設計目的、任務及內(nèi)容。設計中安排好自己的工作，提高工作效率。2.2 設計方案的確定2.2.1 操作條件的確定確定設計方案是指確定整個吸收裝置的流程、各種設備的結(jié)構(gòu)型式和某些操作指標。例如組分的分離順序、塔設備的型式、操作壓力、進料熱狀態(tài)、余熱利用方案以及安全、調(diào)節(jié)機構(gòu)和測量控制儀表的設置等。下面結(jié)合課程設計的需要，對某些問題作些闡述。 操作壓力吸收操作通常可在常壓下進行。確定操作

14、壓力時，必須根據(jù)所處理物料的性質(zhì)，兼顧技術(shù)上的可行性和經(jīng)濟上的合理性進行考慮。 進料狀態(tài)進料狀態(tài)與塔徑、及塔的熱負荷都有密切的聯(lián)系。在實際的生產(chǎn)中進料狀態(tài)有多種，但一般都將料液加熱到氣體溫度后送入塔中，這主要是由于此時塔的操作比較容易控制，不致受季節(jié)氣溫的影響，為設計和制造上提供了方便。此外，通過吸收系統(tǒng)的合理設置，也可以取得節(jié)能的效果。 2.3 確定設計方案的原則確定設計方案總的原則是在可能的條件下，盡量采用科學技術(shù)上的最新成就，使生產(chǎn)達到技術(shù)上最先進、經(jīng)濟上最合理的要求，符合優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、安全、低消耗的原則。為此，必須具體考慮如下幾點： (1) 滿足工藝和操作的要求 所設計出來的流程和設備，

15、首先必須保證產(chǎn)品達到任務規(guī)定的要求，而且質(zhì)量要穩(wěn)定，這就要求各流體流量和壓頭穩(wěn)定，入塔料液的溫度和狀態(tài)穩(wěn)定，從而需要采取相應的措施。其次所定的設計方案需要有一定的操作彈性，各處流量應能在一定范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，必要時傳熱量也可進行調(diào)整。因此，在必要的位置上要裝置調(diào)節(jié)閥門，在管路中安裝備用支線。計算傳熱面積和選取操作指標時，也應考慮到生產(chǎn)上的可能波動。再其次，要考慮必需裝置的儀表(如溫度計、壓強計，流量計等)及其裝置的位置，以便能通過這些儀表來觀測生產(chǎn)過程是否正常，從而幫助找出不正常的原因，以便采取相應措施。(2) 滿足經(jīng)濟上的要求要節(jié)省水能的消耗，減少設備及基建費用。如前所述在吸附過程中如能適當?shù)?/p>

16、利用廢液的廢熱，就能節(jié)約很多生蒸汽和冷卻水，也能減少水能消耗。又如冷卻水出口溫度的高低，一方面影響到冷卻水用量，另方面也影響到所需傳熱面積的大小，即對操作費和設備費都有影響。同樣，吸收塔的的大小對操作費和設備費也有很大影響。降低生產(chǎn)成本是各部門的經(jīng)常性任務，因此在設計時，是否合理利用熱能，以及回流比和其他操作參數(shù)是否選得合適等，均要作全面考慮，力求總費用盡可能低一些。而且，應結(jié)合具體條件，選擇最佳方案。例如，在缺水地區(qū)，冷卻水的節(jié)省就很重要；在水源充足及電力充沛、價廉地區(qū)，冷卻水出口溫度就可選低一些，以節(jié)省傳熱面積。(3) 保證安全生產(chǎn)例如萘磺酸是有毒物質(zhì)，不能讓其高濃度的排出，也不能使用容易

17、發(fā)生腐蝕的設備。又如，塔是指定在常壓下操作的，塔內(nèi)壓力過大或塔驟冷而產(chǎn)生真空，都會使塔受到破壞，因而需要安全裝置1。2.4 設計步驟已知條件：廢水的密度為1000 kg/m3 ，轉(zhuǎn)化為氣體后密度為1.2 kg/m3，處理量為10噸/天 。吸收塔的工藝設計計算，包括塔高、塔徑、塔板各部分尺寸的設計計算，塔板的布置，塔板流體力學性能的校核。2.4.1 物料衡算根據(jù)設計任務所給定的處理原料量、原料濃度及分離要求（塔頂、塔底產(chǎn)品的濃度）計算出每小時的產(chǎn)量；圖1 逆流吸收塔的物料衡算全塔萘磺酸的總物料衡算總物料VY1+LX2=VY2+LX1 2-(l) 其中 V為單位時間內(nèi)通過吸收塔的惰性氣體量，mol

18、/s。 L為單位時間內(nèi)通過吸收塔的溶劑量，mol/s。 Y1 、Y2分別為進塔及出塔氣體中溶質(zhì)組分的摩爾比。 X1、X2分別為進塔及出塔液體中溶質(zhì)組分的摩爾比。根據(jù)已知條件：V=4.31mol/s ，L=5.00mol/s ，Y1=0.1 ，Y2=0.01 ，X2=0 ，可得出口液相中溶質(zhì)組分的摩爾比為X1=0.078 。設溶質(zhì)的回收率為& 根據(jù)公式： Y2=Y1（1-&） 2-(2) 代入 Y1=0.1 ，Y2=0.01求得回收率&=90% 。2.4.2 操作曲線的確定圖2 操作曲線圖根據(jù)全塔萘磺酸的總物料衡算：VY+LX2=VY2+LX 2-(3) 得出 Y=LX/

19、V+(Y1-LX1/V) 代入數(shù)據(jù)V=4.31mol/s ，L=5.00mol/s ，Y1=0.1 ，X1=0.078 得出逆流吸收塔的操作曲線為：Y=1.16X+0.01 2-(4)操作曲線表明塔內(nèi)任一橫街面上的氣相濃度Y與液相濃度X之間成直線關(guān)系，直線的斜率為L/V=1.16 。圖2中的BT線即為操作曲線。 塔徑的計算填料塔的直徑D與空塔氣速及氣體體積流量Vs之間的關(guān)系可根據(jù)圓管內(nèi)流量公式：Vs=(3.14×D×D×u)/4 2-(5)可得到直徑D的值其中Vs為廢氣的流量 D 為吸收塔的直徑 u為空塔的氣體流速。根據(jù)質(zhì)量流量為10噸每天 以及密度為1.2千克每

20、立方米可得Vs =96.45 l/s， 已知速度 u=0.2 m/s則可得塔徑 D=78.38cm取塔徑為79cm。 進、出氣相管口的設計已知進口氣體流速u1=15.0 m/s 根據(jù)公式：Vs=(3.14d×d×u)/4 2-(6)代入Vs=96.45 l/s可得到直徑的值 d=9.0cm填料塔的氣體進口的構(gòu)型，除考慮防止液體倒灌外，更重要的是要有利于氣體均勻地進入填料層，對于設計的吸收塔，采用的是使進氣管伸至塔截面的中心位置，管端做成450向下傾斜的切口7。 進、出液相管口的設計已知進口氣體流速u1=0.5 m/s 由進口液體密度為1000 kg/m3 ，L=5.00mo

21、l/s ，M=18 g/mol 公式：Vs=M×L/1000 2-(7)得出進口液體體積流量Vs=0.09 l/s根據(jù)公式：Vs=(3.14×d×d×u)/4 代入Vs=0.09 l/s可得到直徑的值 d=1.51 cm 吸收塔高度計算圖3 微元填料層的物料衡算填料層高度=傳質(zhì)單元高度*傳質(zhì)單元數(shù) 即 Z=HoG×NoG 2-(8) HoG=V/(KYaq) 2-(9) 其中V=4.31mol/s ，KYaq=6.5 mol.m/s KYa為體積吸收系數(shù)，q為塔截面積 q=3.14D2/4 代入公式得 HoG=0.663 m 對于穩(wěn)定操作的吸收

22、塔，當溶質(zhì)在氣、液兩相中的濃度不高時，L、V、a、&皆不隨時間而改變，且不隨截面位置而改變，KYa也視為常數(shù)（氣體溶質(zhì)具有中等溶解度除外）。引入傳質(zhì)單元的概念不僅有助于分析和理解填料層高度的基本公式，并且，對于每種填料而言，傳質(zhì)單元高度的變化幅度并不大。NoG=ln(1-s) ×(Y1-Y2*)/(Y2-Y2*)+s 2-(10)已知脫吸因數(shù)s=mv/l ,m=E/P已知E=100 kp ,P=101.325 kp ,代入上式得 m=0.987,則s=0.851Y2*=mX2 ,X2=0 則Y2*=0 再將Y1=0.1 ，Y2=0.01 一同代入公式NoG=ln(1-s) &

23、#215;(Y1-Y2*)/(Y2-Y2*)+s 2-(11)得NoG=5.71等板高度Z = HoG ×NoG 得有效塔高Z =3.79 m 。顯然，填料層的傳質(zhì)單元高度越小，說明填料塔的吸收效果越好；填料塔的傳質(zhì)單元數(shù)越大，則吸收效果越好。根據(jù)計算的結(jié)果，填料塔有很好的吸收能力，能滿足工業(yè)生產(chǎn)中吸收率達85%的要求。 最小液氣比的計算操作線的斜率（L/V）稱為液氣比，是溶劑與惰性氣體摩爾流量的比值。它反映單位氣體處理量的溶劑耗用量的大小。由以上分析可見，吸收劑用量的大小，從設備費與操作費兩方面影響到生產(chǎn)過程的經(jīng)濟效果，應權(quán)衡利弊，選擇適宜的液氣比，使兩種費用之和最小。圖4 吸收塔

24、的最小液氣比根據(jù)公式：(L/V)min=(Y1-Y2)/(X1/-X2) 2-(12)代入數(shù)值Y1=0.1 ，Y2=0.01 ，X2=0 由m=0.987得X1/=Y1/m 則X1/=0.101求得最小液氣比： (L/V)min=0.891 塔壁厚度的確定根據(jù)塔徑D=78.38cm，根據(jù)塔的強度計算和鋼度計算，可取塔厚度為5cm，這樣既可保證塔體的安全，又可節(jié)省設計的成本,提高塔的穩(wěn)定性。2.4.9 填料壓緊裝置為保證在工作狀態(tài)下填料床層能夠穩(wěn)定，防止高液相負荷或負荷突然變動時填料層發(fā)生松動，破壞填料層結(jié)構(gòu)，甚至造成填料流失，必須在填料層頂部和底部設置填料限定裝置。填料限定裝置可分為兩類：一類

25、是由放置于填料上端，僅靠自身重力將填料壓緊的演料限定裝置，稱為填料壓板；另一類是將填料限定裝置固定于填料底部塔壁上，稱為床層限定板。填料壓板常用于陶瓷演料，以免陶瓷填料發(fā)生移動撞擊，造成演料破碎；床層限定板多用于金屬和塑料演料，以防止由于填料層膨脹，改變其初始堆積狀態(tài)而造成的流體分布不均勻現(xiàn)象。填料壓板。填料壓板主要有兩種型式，一種是柵條形壓板。一種是絲網(wǎng)壓板，設計采用的是絲網(wǎng)壓板。絲紡織的大孔金屬網(wǎng)焊接于金屬支撐柱上，網(wǎng)孔的大小以填料不能通過為限。填料壓板的重量適當過重可能會壓碎演料，過輕則難以起到壓緊作用，要按1100N/m2加裝壓板，滿足重量要求。 塔的輔助裝置塔的輔助裝置是指同塔有關(guān)的

26、附屬裝置，如裙座、手孔、填料支撐裝置等。1.裙座的結(jié)構(gòu)型式采用圓錐形。圓筒形裙座制造方便，經(jīng)濟上合理，圓錐形裙座可提高設備的穩(wěn)定性，降低基礎(chǔ)環(huán)支承面上的應力，因此常在細高的培中采用。圓銀形裙座的半錐頂角為100。圖5 裙作圖2.手孔安裝在填料層的上方5cm處，方便填料的安裝以及維修。按要求得出人孔的直徑為15cm。3.填料支撐裝置用來支撐塔內(nèi)填料及其所持有的液體質(zhì)量，故支撐裝置要有足夠的機械強度。同時為使氣體與液體能順利通過，支撐裝置要盡量的薄，按照要求取其厚度為10cm圖6 填料支撐裝置 液體分布裝置的設計圖7 液體分布裝置液體在填料塔內(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

27、此，液體初始分布十分重要。從噴淋密度考慮，應保證每30cm2的塔截面上約有一個噴淋點，這樣就可以防止塔內(nèi)的壁流和溝流現(xiàn)象。蓮蓬式噴淋器，液體經(jīng)半球形噴頭的小孔流出。小孔直徑為5mm ，作同心圓形排列，噴淋角為600 ，這種噴淋器結(jié)構(gòu)簡單，適用于這種直徑的塔。按照塔徑的大小可知蓮蓬式噴淋器的噴淋面積約等于填料層的橫截面積，則蓮蓬式噴淋器的選擇正確。 液體再分布裝置的設計圖8 截錐式液體再分布裝置液體在樹脂填料中向下流動時，有偏向塔壁流動的現(xiàn)象，偏流往往造成塔中心的填料不被潤濕，降低表面利用率，塔徑越小，這種現(xiàn)象越嚴重。為將流到塔壁處的流體重新匯集并引向塔中央?yún)^(qū)域，在填料層內(nèi)每隔2m設置液體再分布裝置。設計中采用的是截錐式液體再分布裝置，其結(jié)構(gòu)簡單，它是將截錐童筒體焊接在塔壁上，截錐筒本身不占有空間，其上下仍能充滿填料。 除沫裝置的設計除沫裝置安裝在液體分布器的上方10cm處，用以除去出口氣流中的液滴。設計中采用的是絲網(wǎng)除沫器，能達到很好的除沫效果。2.5 討論與優(yōu)化在使用吸收塔時，