環(huán)境工程的課程設(shè)計---填料吸收塔

1、環(huán)境工程原理課程設(shè)計任務書課程設(shè)計題目：填料吸收塔 2011年11月一、 課程設(shè)計的意義與目的課程設(shè)計是環(huán)境工程原理課程的一個總結(jié)性教學環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學生綜合運用本門課程及有關(guān)選修課程的基本知識去解決某一設(shè)計任務的一次訓練。在整個教學計劃中，它也起著培養(yǎng)學生獨立工作能力的重要作用。 課程設(shè)計不同于平時的作業(yè)，在設(shè)計中需要學生自己做出決策，即自己確定方案，選擇流程，查取資料，進行過程和設(shè)備計算，并要對自己的選擇做出論證和核算，經(jīng)過反復的分析比較，擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設(shè)計。所以，課程設(shè)計是培養(yǎng)學生獨立工作能力的有益實踐。通過課程設(shè)計,學生應該注重以下幾個能力的訓練和培養(yǎng)： 1. 查閱資料，選

2、用公式和搜集數(shù)據(jù)(包括從已發(fā)表的文獻中和從生產(chǎn)現(xiàn)場中搜集)的能力； 2. 樹立既考慮技術(shù)上的先進性與可行性，又考慮經(jīng)濟上的合理性，并注意到操作時的勞動條件和環(huán)境保護的正確設(shè)計思想，在這種設(shè)計思想的指導下去分析和解決實際問題的能力； 3. 迅速準確的進行工程計算的能力； 4. 用簡潔的文字，清晰的圖表來表達自己設(shè)計思想的能力。二、設(shè)計資料（一）題目：清水吸收混合氣中的二氧化硫填料吸收塔設(shè)計（二）設(shè)計條件：1、混合氣（空氣+二氧化硫）2、處理量：3000 m3/h3、進塔混合氣中含二氧化硫：13%4、進塔吸收劑（清水），溫度293K5、二氧化硫的吸收率：99%6、操作壓力：101.3KPa；7、所

3、選填料：亂堆塑料階梯環(huán)，規(guī)格自定。（三）、設(shè)計內(nèi)容：1、確定吸收流程；2、物料衡算，確定塔頂、塔底的氣液流量和組成；3、選擇填料、計算塔徑、填料層高度、填料的分層、塔高的確定。4、流體力學特性的校核：液氣速度的求取，噴淋密度的校核，填料層壓降P的計算。5、附屬裝置的選擇與確定：液體噴淋裝置、液體再分布器、氣體進出口及液體進出口裝置、柵板。（四）、設(shè)計要求（交紙質(zhì)的設(shè)計說明書和設(shè)計圖）：1、設(shè)計說明書內(nèi)容包括：、目錄和設(shè)計任務書；、流程圖及流程說明；、計算（根據(jù)計算需要，作出必要的草圖，計算中所采用的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式應注明其來源）；、設(shè)計計算結(jié)果表；、對設(shè)計成果的評價及討論；、參考文獻。2、設(shè)計圖

4、紙：繪制一張?zhí)盍纤b置圖（CAD圖）。 水吸收氨課程設(shè)計目 錄1.設(shè)計內(nèi)容第一節(jié)前言71.1填料塔的主體結(jié)構(gòu)與特點71.2填料塔的設(shè)計任務及步驟71.3填料塔設(shè)計條件及操作條件8第二節(jié) 填料塔主體設(shè)計方案的確定82.1裝置流程的確定82.2 吸收劑的選擇82.3填料的類型與選擇92.3.1 填料種類的選擇92.3.2 填料規(guī)格的選擇92.3.3 填料材質(zhì)的選擇92.4 基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)102.4.1 液相物性數(shù)據(jù)102.4.2 氣相物性數(shù)據(jù)102.4.4 物料橫算11第三節(jié) 填料塔工藝尺寸的計算113.1 塔徑的計算113.2 填料層高度的計算及分段133.2.1 傳質(zhì)單元數(shù)的計算133.2.3

5、填料層的分段153.3 填料層壓降的計算15第四節(jié)填料塔內(nèi)件的類型及設(shè)計164.1 塔內(nèi)件類型164.2 塔內(nèi)件的設(shè)計164.2.1 液體分布器設(shè)計的基本要求：164.2.2 液體分布器布液能力的計算16注：2.填料塔設(shè)計結(jié)果一覽表172.1 填料塔設(shè)計數(shù)據(jù)一覽173 對設(shè)計結(jié)果評價184.參考文獻185.后記及其他196.附件附件一：塔設(shè)備流程圖20附件二：塔設(shè)備設(shè)計圖211.設(shè)計內(nèi)容第一節(jié) 前言1.1 填料塔的主體結(jié)構(gòu)與特點結(jié)構(gòu)：圖1-1 填料塔結(jié)構(gòu)圖填料塔不但結(jié)構(gòu)簡單，且流體通過填料層的壓降較小，易于用耐腐蝕材料制造，所以她特別適用于處理量肖，有腐蝕性的物料及要求壓降小的場合。液體自塔頂

6、經(jīng)液體分布器噴灑于填料頂部，并在填料的表面呈膜狀流下，氣體從塔底的氣體口送入，流過填料的空隙，在填料層中與液體逆流接觸進行傳質(zhì)。因氣液兩相組成沿塔高連續(xù)變化，所以填料塔屬連續(xù)接觸式的氣液傳質(zhì)設(shè)備。1.2 填料塔的設(shè)計任務及步驟設(shè)計任務：清水吸收混合氣中的二氧化硫設(shè)計步驟：（1）根據(jù)設(shè)計任務和工藝要求，確定設(shè)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)件設(shè)計。1.3 填料塔設(shè)計條件及操作條件1. 氣體混合物成分：空氣和二氧化硫2. 進塔混合氣中含二氧化硫（體積分數(shù)）：13%3. 處理量：3

7、000m3/h4. 操作溫度：293K5. 混合氣體壓力：101.3KPa6. 二氧化硫的吸收率：99%7. 采用清水為吸收劑8. 填料類型：亂堆塑料階梯環(huán)，規(guī)格自定第二節(jié) 精餾塔主體設(shè)計方案的確定2.1 裝置流程的確定 本次設(shè)計采用逆流操作：氣相自塔低進入由塔頂排出，液相自塔頂進入由塔底排出，即逆流操作。逆流操作的特點是：傳質(zhì)平均推動力大，傳質(zhì)速率快，分離效率高，吸收劑利用率高。工業(yè)生產(chǎn)中多采用逆流操作。2.2 吸收劑的選擇因為用水做吸收劑，故采用純?nèi)軇?-1 工業(yè)常用吸收劑溶質(zhì) 溶劑溶質(zhì)溶劑氨水、硫酸丙酮蒸汽水氯化氫水二氧化碳水、堿液二氧化硫水硫化氫堿液、有機溶劑苯蒸汽煤油、洗油一氧化碳

8、銅氨液2.3填料的類型與選擇填料的種類很多，根據(jù)裝填方式的不同，可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類。2.3.1 填料種類的選擇本次采用散裝填料。散裝填料根據(jù)結(jié)構(gòu)特點不同，又可分為環(huán)形填料、鞍形填料、環(huán)鞍形填料及球形填料等。鮑爾環(huán)是目前應用較廣的填料之一，本次選用鮑爾環(huán)。2.3.2 填料規(guī)格的選擇工業(yè)塔常用的散裝填料主要有Dn16Dn25Dn38 Dn76等幾種規(guī)格。同類填料，尺寸越小，分離效率越高，但阻力增加，通量減小，填料費用也增加很多。而大尺寸的填料應用于小直徑塔中，又會產(chǎn)生液體分布不良及嚴重的壁流，使塔的分離效率降低。因此，對塔徑與填料尺寸的比值要有一規(guī)定。常用填料的塔徑與填料公稱直徑比值D

9、/d的推薦值列于。表3-1填料種類D/d的推薦值拉西環(huán)D/d2030鞍環(huán)D/d15鮑爾環(huán)D/d1015階梯環(huán)D/d>8環(huán)矩鞍D/d>82.3.3 填料材質(zhì)的選擇工業(yè)上，填料的材質(zhì)分為陶瓷、金屬和塑料三大類聚丙烯填料在低溫（低于0度）時具有冷脆性，在低于0度的條件下使用要慎重，可選耐低溫性能良好的聚氯乙烯填料。綜合以上：選擇亂堆填料階梯環(huán)Dn252.4 基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)2.4.1 液相物性數(shù)據(jù)1. 2. 3. 表面張力為:4. 20SO2:H=0.0156kmol/（kpa.m3)5 20SO2:DV=1.22105m2/s6 20SO2:DL =1.47109 m2/s2.4.2 氣相

10、物性數(shù)據(jù)1. 混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為Mvm=yimi=640.13+290.87=33.552. 混合氣體的平均密度=PM/RT=101.3×33.55/8.314×293=1.3952kg/m3 (2-2)R=8.314 3. 混合氣體黏度可近似取為空氣黏度。查手冊得20時，空氣的黏度 注： 1 1Pa.s=1kg/m.s2.4.3 氣液相平衡數(shù)據(jù) 由手冊查得，常壓下，20時，SO2在水中的亨利系數(shù)為 E=3550kpa20SO2在水中的溶解度: H=0.0156kmol/m 相平衡常數(shù)： 相平衡常數(shù)：m=E/P=35.04 (2-3) 2.4.4 物料衡算1. 進塔氣

11、相摩爾比為Y1=y1/1-y1=0.13/1-0.13=0.15 (2-5) 2. 出口氣相摩爾比為 3. 進塔惰性氣體流量: (2-7) 因為該吸收過程為低濃度吸收，平衡關(guān)系為直線，最小液氣比按下式計算。即： (2-8)因為是純?nèi)軇┪者^程，進塔液相組成所以 選擇操作液氣比為 （2-9）因為V(Y1-Y2)=L(X1-X2) X1=0.0029第三節(jié) 填料塔工藝尺寸的計算填料塔工藝尺寸的計算包括塔徑的計算、填料能高度的計算及分段3.1 塔徑的計算1. 空塔氣速的確定泛點氣速法對于散裝填料，其泛點率的經(jīng)驗值u/u=0.50.85貝恩（Bain）霍根（Hougen）關(guān)聯(lián)式 ，即：=A-K 混合氣

12、的質(zhì)量流量為V=(3000/22.4)x(273/273+20)x33.55=4186.59kg/h混合氣的密度v=4186.59/3000=1.396kg/m3 橫坐標為： 由散堆填料泛點線可查出，橫坐標為1.032時的縱坐標值為0.017則縱標值為： = （3-3）取空塔速度為泛點速度的72% （3-5）圓整塔徑，取塔徑為1.3泛點氣速，m/s;g 重力加速度，9.81m/s1. 泛點速率校核：u=3000/0.785x1.32x3600=0.628m/s實際泛點百分率:0.628/0.831=0.756在范圍內(nèi)3.2 填料層高度的計算及分段 （3-5） （3-6） 3.2.1氣體總傳質(zhì)單

13、元數(shù)的計算用對數(shù)平均推動力法求傳質(zhì)單元數(shù) （3-7） （3-8） = （3-9）3.2.2 氣體總傳質(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(guān)聯(lián)式計算： （3-9）即：w/t =0.605單位體積填料的濕潤表面積為at=228m2/m3單位體積填料的有效表面積為w=113.68m2/m3液體質(zhì)量通量為： =209044.8/0.785×1.33²×3600=20.37kg/(h) 氣體質(zhì)量通量為： =4186.59/3600=1.1629kg/(h)氣膜吸收系數(shù)由下式計算： （3-10） 氣體通過空塔截面的質(zhì)量流速，; 氣體的粘度，； 氣體的密度，；通用

14、氣體常數(shù)，8.314氣體質(zhì)量通量為：代入數(shù)值 =0.237(1.1629÷228÷1.73×105)0.7(1.73×10-5÷1.3925÷1.22×105)1/3(228×1.22×10-5÷8.314÷293)=1.457×10-5kmol/(.s. kpa)液膜吸收數(shù)據(jù)由下式計算： (3-11） 式中：液體的密度，；液體的質(zhì)量流速，液相的黏度，；液體通過空塔截面的質(zhì)量流速，；溶質(zhì)在液相中的擴散系數(shù)， 。代入數(shù)值得： =4.12×10-4m/s因為=1.191

15、.457×10-5×113.68×1.191.1 （3-12）=2.01×10-3kmol/(m3.s.kpa) =3.99×10-4×113.68×1.190.4 （3-13） =0.05/s因為： =0.756>0.5所以需要用以下式進行校正： （3-14） =4.84×10-3kmol/(m3.s.kpa) （3-15） =0.0549/s （3-16） =7.28×10-4kmol/(m3.s. kpa) （3-17） =108.56÷(7.28×10-4×10

16、1.3×0.785×1×3600)=0.52m （3-18） =0.52×6.209=3.23m,得 =1.4×3.23=4.52m3.2.3 填料層的分段對于亂堆階梯環(huán)填料的分段高度推薦值為h/D=815。hmax<=6mh=1300×8=104000mm計算得填料層高度為3017mm，故不需分段3.3 填料層壓降的計算取 Eckert (通用壓降關(guān)聯(lián)圖)；將操作氣速(0.598m/s) 代替縱坐標中的查表，DG25mm塑料階梯環(huán)的壓降填料因子172代替縱坐標中的則縱標值為：= 0.036 (3-19) 橫坐標為：L/V（v/

17、l)0.5= 209044.8/4186.59×(1.4÷998.2)0.5 =0.92 (3-20)查圖得 294.3Pa/m (3-21)全塔填料層壓降 =294.3×4.52=1330.2Pa 其他塔內(nèi)件的壓力降很小可以忽略，所以填料層壓降為1330.2Pa第四節(jié) 填料塔內(nèi)件的類型及設(shè)計4.1 塔內(nèi)件類型填料塔的內(nèi)件主要有填料支撐裝置、填料壓緊裝置、液體分布裝置、液體收集再分布裝置等。合理的選擇和設(shè)計塔內(nèi)件，對保證填料塔的正常操作及優(yōu)良的傳質(zhì)性能十分重要。4.2 塔內(nèi)件的設(shè)計 4.2.1 液體分布器設(shè)計的基本要求： （1）液體分布均勻 （2）操作彈性大 （3

18、）自由截面積大（4）其他4.2.2 液體分布器布液能力的計算 （1）重力型液體分布器布液能力計算 （2）壓力型液體分布器布液能力計算注：(1)本設(shè)計任務液相負荷不大，可選用排管式液體分布器；且填料層不高，可不設(shè)液體再分布器。 (2)塔徑及液體負荷不大，可采用較簡單的柵板型支承板及壓板。其它塔附件及氣液出口裝置計算與選擇此處從略。 注：1填料塔設(shè)計結(jié)果一覽表塔徑1.3m填料層高度4.52m 填料規(guī)格25mm鮑爾環(huán)操作液氣比49.932 1.5倍最小液氣比校正液體流速0.628m/s壓降1330.2Pa惰性氣體流量108.56kmol/h2 填料塔設(shè)計數(shù)據(jù)一覽E亨利系數(shù)， 氣體的粘度，1.73 1

19、.05 平衡常數(shù) 35.04 水的密度和液體的密度之比 1 重力加速度， 9.81 =1.27 分別為氣體和液體的密度，1.4；998.2；氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)， 填料層高度，=4.52 塔截面積，氣相總傳質(zhì)單元高度，=0.52 氣相總傳質(zhì)單元數(shù) =5.8099以分壓差表示推動力的總傳質(zhì)系數(shù)，單位體積填料的潤濕面積 w=113.68m2/m3at填料總比表面積 at=228m2/m3以分壓差表示推動力的氣膜傳質(zhì)系數(shù)，溶解度系數(shù)，0.0156以摩爾濃度差表示推動力的液摩爾傳質(zhì)系數(shù)，氣體常數(shù)，Dv=1.22x10-5m2/s Dl=1.47x10-9m2/s二氧化硫在空氣中中的擴散系數(shù)及二氧化硫在水中的擴散系數(shù); 液體質(zhì)量通量為：20.37kg/(h)氣體質(zhì)量通量為：1.1629 kg/(h)3 對設(shè)計結(jié)果的評價 本次設(shè)計，結(jié)果有些偏差，但總體符合設(shè)計要求。4.參考文獻 1 夏清.化工原理（下）