環(huán)境工程原理課程設(shè)計(jì)

1、清水吸收氨過(guò)程填料吸收塔設(shè)計(jì)2011級(jí)環(huán)工一班董峻宇 20116048目錄第一節(jié)前言81.1 填料塔的主體結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 81.2 填料塔的設(shè)計(jì)任務(wù)及步驟 81.3 填料塔設(shè)計(jì)條件及操作條件 8第二節(jié)精儲(chǔ)塔主體設(shè)計(jì)方案的確定 .92.1 裝置流程的確定92.2 吸收劑的選擇 92.3 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 102.4 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) 112.4.3 氣液相平衡數(shù)據(jù)112.4.4 物料恒算11第三節(jié)填料塔工藝尺寸的計(jì)算 123.1 塔徑的計(jì)算123.2 填料層

2、高度的計(jì)算及分段 143.2.1 傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算 143.2.3 填料層的分段173.3 填料層壓降的計(jì)算17第四節(jié)填料塔件的類型及設(shè)計(jì) 184.1 塔件類型184.2 塔件的設(shè)計(jì)184.2.1 液體分布器設(shè)計(jì)的基本要求： 184.2.2 液體分布器布液能力的計(jì)算 18注:1填料塔設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表 182填料塔設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)一覽 193參考文獻(xiàn)204后記及其他 20環(huán)境工程原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、課程設(shè)計(jì)的意義與目的課程設(shè)計(jì)是環(huán)境工程原理課程的一個(gè)總結(jié)性教學(xué)環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用本 門課程及有關(guān)選修課程的基本知識(shí)去解決某一設(shè)計(jì)任務(wù)的一次訓(xùn)練。在整個(gè)教學(xué)計(jì)劃 中，它也起著培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作能力的重要作用

3、。課程設(shè)計(jì)不同于平時(shí)的作業(yè)，在設(shè)計(jì)中需要學(xué)生自己做出決策，即自己確定方案，選擇流程，查取資料，進(jìn)行過(guò)程和設(shè)備計(jì)算，并要對(duì)自己的選擇做出論證和核算，經(jīng)過(guò)反復(fù)的分析比較，擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設(shè)計(jì)。 所以，課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生獨(dú) 立工作能力的有益實(shí)踐。通過(guò)課程設(shè)計(jì)，學(xué)生應(yīng)該注重以下幾個(gè)能力的訓(xùn)練和培養(yǎng)：1 .查閱資料，選用公式和搜集數(shù)據(jù)（包括從已發(fā)表的文獻(xiàn)中和從生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中搜集 ） 的能力；2 .樹立既考慮技術(shù)上的先進(jìn)性與可行性，又考慮經(jīng)濟(jì)上的合理性，并注意到操作 時(shí)的勞動(dòng)條件和環(huán)境保護(hù)的正確設(shè)計(jì)思想，在這種設(shè)計(jì)思想的指導(dǎo)下去分析和解決實(shí)際 問(wèn)題的能力；3 .迅速準(zhǔn)確的進(jìn)行工程計(jì)算的能力；4 .

4、用簡(jiǎn)潔的文字，清晰的圖表來(lái)表達(dá)自己設(shè)計(jì)思想的能力。二、設(shè)計(jì)資料（一）、設(shè)計(jì)題目：清水吸收氨過(guò)程填料吸收塔設(shè)計(jì)（二）、設(shè)計(jì)條件：1、氣體混合物成分：空氣和氨；2、氨的含量：(體積)(1) 5.0% (2) 6.0% (3) 7.0%;3、混合氣體流量：(1) 1000m3/h; (2) 2000m3/h;(3) 3000m3/h;4、操作溫度：298K;5、混合氣體壓力：101.3KPa；6、回收率：(1) 97.0% (2) 98.0% (3) 99.0%7、所用填料：材料及規(guī)格自定。(三)、設(shè)計(jì)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(jì)算塔徑、填料層

5、高度、填料的分層、塔高的確定。4、流體力學(xué)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(jì)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(jìn)出口及液體進(jìn)出口 裝置、柵板。(四)、設(shè)計(jì)要求(交紙質(zhì)的設(shè)計(jì)說(shuō)明書及設(shè)計(jì)圖)：1、設(shè)計(jì)說(shuō)明書容包括：、目錄和設(shè)計(jì)任務(wù)書；、流程圖及流程說(shuō)明；、計(jì)算(根據(jù)計(jì)算需要，作出必要的草圖，計(jì)算中所采用的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式應(yīng)注明其來(lái)源)；、設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果表；、對(duì)設(shè)計(jì)成果的評(píng)價(jià)及討論;、參考文獻(xiàn)2、設(shè)計(jì)圖紙：繪制一填料塔裝置圖（CAD圖）（要打印版）第一節(jié)前言1.1 填料塔的主體結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)結(jié)構(gòu)：捕沫器填料壓板塔殼填料填料支承板液體再分布器填料壓板填料支

6、承板氣體氣體圖1-1填料塔結(jié)構(gòu)圖填料塔不但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且流體通過(guò)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(chǎng)合。液體自塔頂經(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(guò)填 料的空隙，在填料層中與液體逆流接觸進(jìn)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(jì)任務(wù)及步驟設(shè)計(jì)任務(wù)：用水吸收空氣中混有的氨氣。設(shè)計(jì)步驟：(1)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和工藝要求，確定設(shè)計(jì)方案；(2)針對(duì)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(jì)算塔

7、高、及填料層的壓降；(5)塔件設(shè)計(jì)。1.3 填料塔設(shè)計(jì)條件及操作條件1.氣體混合物成分：空氣和氨2 .空氣中氨的含量：5.0% （體積含量即為摩爾含量）3 .混合氣體流量3000 m3/h4 .操作溫度298K5 .混合氣體壓力101.3KPa6 .回收率97 %7 .采用清水為吸收劑8 .填料類型：采用亂堆塑料鮑爾環(huán)填料第二節(jié)精微塔主體設(shè)計(jì)方案的確定2.1 裝置流程的確定本次設(shè)計(jì)采用逆流操作：氣相自塔低進(jìn)入由塔頂排出，液相自塔頂進(jìn)入由塔底排出, 即逆流操作。逆流操作的特點(diǎn)是：傳質(zhì)平均推動(dòng)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?yàn)橛盟鑫?/p>

8、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、硫酸內(nèi)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(jī)溶劑苯蒸汽煤油、洗油一氧化碳銅氨液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(diǎn)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(yīng)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(fèi)用也增加很多。

9、而大尺寸的填 料應(yīng)用于小直徑塔中，又會(huì)產(chǎn)生液體分布不良及嚴(yán)重的壁流，使塔的分離效率降低。因 此，對(duì)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/d的推薦值列于。表3-1填料種類D/d的推薦值拉四環(huán)D/d 2030鞍環(huán)D/d 15鮑爾環(huán)D/d 1015階梯環(huán)D/d8環(huán)矩鞍D/d82.3.3 填料材質(zhì)的選擇工業(yè)上，填料的材質(zhì)分為瓷、金屬和塑料三大類聚丙烯填料在低溫(低于0度)時(shí)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。鮑爾環(huán)填料具有通量大、阻力小、分離效率高及操作彈性大等優(yōu)點(diǎn)，在相同的降壓下， 處理量可較拉西環(huán)大50蛆上。在同樣處理量時(shí)，

10、降壓可降低一半，傳質(zhì)效率可提高20% 左右。與拉西環(huán)比較，這種填料具有生產(chǎn)能力大、阻力小、操作彈性大等特點(diǎn)，在一般 情況下同樣壓降時(shí)處理可比拉西環(huán)大 50%-100%同樣處理時(shí)壓降比拉西環(huán)小 50%-70% 塔高也有降壓，采用鮑爾環(huán)可以比拉西環(huán)節(jié)約20%-40%ft料容積。綜合以上：選擇塑料鮑爾環(huán)散裝填料Dn502.4 基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)2.4.1 液相物性數(shù)據(jù)對(duì)低濃度吸收過(guò)程，溶液的物性數(shù)據(jù)可近似取純水的物性數(shù)據(jù)。由手冊(cè)查得25 C水的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：1 .p=997.05 (kg/m3)2 .黏度 0.8904mpa s 3.2173kg/(m h)2 223 表面力為：72.0dyn/cm

11、932731kg/h4.25 CNH 3 : H 0.738kmol /m3 kpa5.25 CNH 3 : Dl 7.54 10 6m2/h6.25 CNH 3 : DV 0.231m2/s2.4.2氣相物性數(shù)據(jù)1.混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為(2-1)MVMyimi 0.05 17.0304 0.95 29 28.40152.混合氣體的平均密度PMVMVM RT101.3 2840158.314 2981.1612(2-2)R=8.314 m3 KPa/kmol K3.混合氣體黏度可近似取為空氣黏度。查手冊(cè)得25 C時(shí)，空氣的黏度_ 5_ 2v 1.83 10 pa s 6.588 10 kg

12、/m h222注：1N 1kg m/s 1Pa 1N /m 1kg/s m 1Pa s=1kg/m s2.4.3 氣液相平衡數(shù)據(jù)由手冊(cè)查得，常壓下，250C時(shí)，NH3在水中的亨利系數(shù)為 E=76.3kpa25時(shí)，NH3在水中的溶解度：H=0.738kmol/m相平衡常數(shù)：m E 0.7532(2-3)P溶解度系數(shù)：H 997.05/76.3 18.02 0.738kmol/kpa m3(2-4)EMs2.4.4 物料恒算1 .進(jìn)塔氣相摩爾比為Yi 一 0.050.05263(2-5)1 y11 0.052 .出口氣相摩爾比為Y2 Y(1) 0.05263 (1 0.97) 1.579 103

13、.進(jìn)塔惰性氣體流量3000273V (1 0.05) 116.5583kmol/h22.4 273 25因?yàn)樵撐者^(guò)程為低濃度吸收，平衡關(guān)系為直線，最小液氣比按下式計(jì)算L Y 一V min Y/m X2(2-7)即：(2-8)所以 -V minYi Y2Y1 m X20.05263 1.579 10 30.73040.05263 0.753選擇操作液氣比為1.7-1.2417V min(2-9)L=1.2417 xi16.5583=144.7298kmol/h因?yàn)?V(Yi-Y2)=L(Xi-X2)X1=0.04111第三節(jié)填料塔工藝尺寸的計(jì)算填料塔工藝尺寸的計(jì)算包括塔徑的計(jì)算、填料能高度的計(jì)

14、算及分段3.1塔徑的計(jì)算1.空塔氣速的確定一一泛點(diǎn)氣速法對(duì)于散裝填料，其泛點(diǎn)率的經(jīng)驗(yàn)值 u/u f =0.50.85貝恩（Bain）霍根（Hougen）關(guān)聯(lián)式,即:lg2Uf 曳3g2Wi:=A-K wLWv2：Uf即：1g癡1000.91731.1612997.051022700.679140.0942 1.75 4712.4(3-1 )11.1781 衛(wèi)998.2所以：u2/9.81 (100/0.917 3)(1.1612/997.05) =0.2421172607其中:Uf =3.9655765557m/s因?yàn)槭羌內(nèi)軇┪者^(guò)程，進(jìn)塔液相組成 X2 0uf-鮑爾環(huán)的的常數(shù)，0.0942;

15、泛點(diǎn)氣速，m/s;重力加速度，9.81m/s2 ;填料總比表面積，m2/m3；填料層空隙率m3/m3;997.05kg/m3液相密度;1.1612kg/m3氣相密度；Wl=2700.67914 kg/h ；Wv=4712.4kg/h ;K=1.75;取 u=0.8 , uF =3.9655765557m/s.則 u =u 3.9655765557=3.172464Vs4 30000.33463.14 3600 3.17246(3-2)調(diào)整塔徑后D=0.4m1.泛點(diǎn)速率校核:30003.14 0.42 3600 46.6348m/sUf6.63481.67313.9656不在衛(wèi)在允許圍（0.50

16、.85）Uf所以，調(diào)整塔徑D=0.7m40003.14 0.72 3600 42.8795m/s2.8795Uf0.72613.9656在U-在允許圍（0.50.85）Uf2.根據(jù)填料規(guī)格校核：D/d=700/50=14,根據(jù)表3-1符合3.液體噴淋密度的校核:(1)填料塔的液體噴淋密度是指單位時(shí)間、單位塔截面上液體的噴淋量(2)最小潤(rùn)濕速率是指在塔的截面上，單位長(zhǎng)度的填料周邊的最小液體體積流量對(duì)于直徑不超過(guò)75mm的散裝填料，可取最小潤(rùn)濕速率 Lw min為0.08m3 / m h。UminLw min t 0.08 1008m3 e h(3-3)wL3600.6791422L 0.75 D

17、2997.05 0.75 0.729.82678(3-4)經(jīng)過(guò)以上校驗(yàn)，填料塔直徑設(shè)計(jì)為 D=700mm合理。3.2填料層高度的計(jì)算及分段*Y1mX1 0.04111 0.7532 0.0310(3-5)*Y2mX2 0(3-6)3.2.1傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算用對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法求傳質(zhì)單元數(shù)N OG丫1 丫2* *Y Y(丫2 丫2)YM1心丫2 丫2(3-7)(3-8)0.05263-0.0310 -(1.59 10 3 0),0.05263 0.0310 In 1.59 10 3=0.00767716.6483440.05263-1.59 10Nog 0.00767713.2.2質(zhì)單元高度的計(jì)算

18、氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計(jì)算:awat1 exp0.751.45 Ullat l0.12Ul2at20.20.05Ul2/ l lat(3-9)aw、at單位體積填料的了有 效面積及總表面積，m2 / m3;c、 l填料材質(zhì)的臨界表面張力及液體的表面張力，N / m;cU l液體通過(guò)空塔界面的 質(zhì)量流速，kg /(m2 s);l液體粘度，Pa s;l液體密度，kg/m3；即：aw. at =0.356952177液體質(zhì)量通量為：uL =W/ (0.785X0.7X0.7) =9360.923kg/( m2?h)氣體質(zhì)量通量為：uV =3000 X1.1612/ (0.785X0.

19、49) =9056.5449kg/( m2?h)氣膜吸收系數(shù)由下式計(jì)算：kG 0.237(旦)0.7 v/ v Dv 3 -j-Dv(3-10)t vRT-5 0.71/30.237 9056.5449 105.4235 1050.06588 0.225 1.1612100 0.225 8.314 298=0.0971kmol/( m2 h kpa)液膜吸收數(shù)據(jù)由下式計(jì)算：211UL 3 L L g 3、Kl 0.0095 -L-(3-11 )w lL DlL=0.2454056m/h因?yàn)?.4511_11_KGKG W .0.097 0.3570 1.45. 1003 =5.2113kmol

20、/ (m Pa h)KL KL W 0.4 = 0.2454 100 0.3570 1.4504=10.164559/h因?yàn)椋簎 Uf =0.7261所以需要用以下式進(jìn)行校正：1.4kG1 9.5 0.5kGUf 一 ，一 一 一、14_=1 9.5 (0.7284 0.5) .5.21133 =11.4752 kmol/ (m Pa h)2.2,u 八1K 1 2.60.5 kLUf _ _ 2 2=1 2.6 0.7284-0.510.164559(3-12 )(3-13)=11.19066755/hKG11,kghk,GL=1 汽1+11.4752+1 W738+11.19066755)

21、.3=4.80241kmol/ (m Pa h)H OGVKyVKG P=116.558380241+101.39.7389.49=0.66256 mZ HoGNoG=0.66256 X6.648=4.405m,得(3-14)(3-15)(3-16 )(3-17)(3-18 )Z=1.4 W.405=6.1665m3.2.3填料層的分段對(duì)于鮑爾環(huán)散裝填料的分段高度推薦值為h/D=510。h=5 X70010X700=3.5 7 m計(jì)算得填料層高度為6000mm,故需要進(jìn)行分段，2米為一段，分為三段3.3填料層壓降的計(jì)算取Eckert (通用壓降關(guān)聯(lián)圖)；將操作氣速u(=2.8795m/s)代替

22、縱坐標(biāo)中的 4查表，DG50mm塑料鮑爾環(huán)的壓降填料因子=125代替縱坐標(biāo)中的.則縱標(biāo)值為：2(3-19)u? ? 0.2 =0.12469 g Lu 空塔氣速， m/s;P 水/ l水與液相的密度比； 填料因子，1/ m;V、 L氣相、液相密度，kg/m3;l 液體粘度，Pa s;橫坐標(biāo)為:0.52700.67914 1.16124712.4997.050.02608(3-20)Wl、WV分別為液相、氣相的 質(zhì)量流速，kg/h;查圖得:(3-21)P196.2Pa/m Z為確保填料塔能在最佳工作情況下操作，每米填料層的壓強(qiáng)降不能太大，一般常壓 塔壓降 P=147490.3Pa(1550mm

23、H?O)為宜；經(jīng)計(jì)算，所涉及的填料塔的每米壓強(qiáng)降為458Pa,在此圍，因此符合實(shí)際操作情況。全塔填料層壓降P =196.2 X6=1177.2 Pa至此，吸收塔的物科衡算、塔徑、填料層高度及填料層壓降均已算出第四節(jié)填料塔件的類型及設(shè)計(jì)4.1 塔件類型填料塔的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(jì)塔件，對(duì)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 塔件的設(shè)計(jì)4.2.1 液體分布器設(shè)計(jì)的基本要求：(1)液體分布均勻(2)操作彈性大(3)自由截面積大(4)其他4.2.2 液體分布器布液能力的計(jì)算(1)重力型液體分布器布液能力計(jì)算(2)壓

24、力型液體分布器布液能力計(jì)算注：(1)本設(shè)計(jì)任務(wù)液相負(fù)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(fù)荷不大，可采用較簡(jiǎn)單的柵板型支承板及壓板。其它塔附件及氣液 出口裝置計(jì)算與選擇此處從略。注：1填料塔設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表塔徑0.7m填料層高度6m填料規(guī)格50mm鮑爾環(huán)1.24171.7倍最小液氣比操作液氣比校正液體流速壓降3.17246/s1177.2Pa惰性氣體流量116.5583kmol/h2填料塔設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)一覽E亨利系數(shù)，76.3Kpa ;uv氣體的粘度，1.83 10 5 Pa/s=6588 10 5kg/m.h；m 一平衡常數(shù)，0.7532;一水的密度和

25、液體的密度之比，1 ;928一重力加速度，9.81 m /s =1.27 10 m/h ；33一分別為氣體和放體的密度， 1.1612 kg/m ； 997.05 kg / m ；WL =2700.67914 kg/h WV =4712.4kg/h 一分別為氣體和液體的質(zhì)量流量;Kya一氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)，11.1901kmol/(m3 s)；Z 一填料層高度，6m ;D2一塔截面積，4H OG 一氣相總傳質(zhì)單元高度，0.66256m ;Nog 一氣相總傳質(zhì)單元數(shù)，6.648;Kg 一以分壓差表示推動(dòng)力的總傳質(zhì)系數(shù)，0.0971kmol/( m2?h? kpa);aW 一單位體積填料的潤(rùn)濕面積

26、，35.70 m2 / m3 ；at填料總比表面積，100m2 / m3;填料層空隙率 m3/m3 91.7%；kG 一以分壓差表示推動(dòng)力的氣膜傳質(zhì)系數(shù)，kmol /(m2 s kpa)；H 溶解度系數(shù)，0.738 kmol/(m2 kpa)；k. .kL 以摩爾濃度差表示推動(dòng)力的液摩爾傳質(zhì)系數(shù),8.314kN m/ kmol KR氣體常數(shù)，；Dv 0.231m2/s Dl 7.54 10 6 m2 / h 一氨氣在空氣中中的擴(kuò)散系數(shù)及氨氣在水中的擴(kuò)散系數(shù)2l減體表面張力系數(shù)932731kg/h ；c 填料材質(zhì)的臨界表面張力，427680kg/h2;開孔鮑爾環(huán)=145填料形狀系數(shù)液體質(zhì)量通量為：UL =WL / (0.785X0.7X0.7) =9360.923kg/( m2?h)；氣體質(zhì)量通量為：UV =30000 X1.1612/0.49=9056.5449kg/( m2?h)；參考文獻(xiàn)1夏1#化工原理（下）M.天津:天津大學(xué),2005.2賈紹義柴誠(chéng)敬.化工原理課程設(shè)計(jì)M.天津:天津大學(xué),2002.3華南理工大學(xué)化工原理教研室著.化工過(guò)程及設(shè)備設(shè)計(jì)M.:華南理工大學(xué),1986.4周軍.秋利化工A