環(huán)境工程原理課程設(shè)計(jì)

1、環(huán)境工程原理課程設(shè)計(jì)-清水吸收氨過程填料吸收塔設(shè)計(jì)08級(jí) 環(huán)境工程一班 韓升 20086219 目錄一、前言3二、設(shè)計(jì)任務(wù)41、設(shè)計(jì)題目：清水吸收氨過程填料吸收塔設(shè)計(jì)42、設(shè)計(jì)條件43、設(shè)計(jì)內(nèi)容5三、設(shè)計(jì)方案51、吸收劑的選擇52、流程圖及流程說明53、塔填料選擇5四、基本參數(shù)61、液相物性數(shù)據(jù)62、氣相物性數(shù)據(jù)63、氣相平衡數(shù)據(jù)64、填料的主要參數(shù)6五、工藝計(jì)算71、物料衡算72、塔徑計(jì)算83、液體噴淋密度校核84、填料層高度計(jì)算95、填料層壓降計(jì)算11六、塔內(nèi)件121、液體分布裝置122、液體再分布裝置133、填料支撐裝置13七、設(shè)計(jì)結(jié)果表14八、對(duì)設(shè)計(jì)成果的評(píng)價(jià)及討論14九、參考文獻(xiàn)15

2、一、前言塔設(shè)備是煉油、化工、石油化工等生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的氣液傳質(zhì)設(shè)備。在煉油、石油化工、精細(xì)化工、食品、醫(yī)藥及環(huán)保等部門，塔設(shè)備屬于使用量大應(yīng)用面廣的重要單元設(shè)備。在化學(xué)工業(yè)中，經(jīng)常需要將氣體混合物中的各個(gè)組分加以分離，其主要目的是回收氣體混合物中的有用物質(zhì)，以制取產(chǎn)品，或除去工藝氣體中的有害成分，使氣體凈化，以便進(jìn)一步加工處理，或除去工業(yè)放空尾氣中的有害成分，以免污染空氣。吸收操作是氣體混合物分離方法之一，它是根據(jù)混合物中各組分在某一種溶劑中溶解度不同而達(dá)到分離的目的。塔設(shè)備按其結(jié)構(gòu)形式基本上可分為兩類；板式塔和填料塔。以前在工業(yè)生產(chǎn)中，當(dāng)處理量大時(shí)多用板式塔，處理量小時(shí)采用填料塔。近年來由于

3、填料塔結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，新型的、高負(fù)荷填料的開發(fā)，既提高了塔的通過能力和分離效能又保持了壓降小、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。因此，填料塔已經(jīng)被推廣到大型氣、液操作中，在某些場合還代替了傳統(tǒng)的板式塔。如今，直徑幾米甚至幾十米的大型填料塔在工業(yè)上已非罕見。隨著對(duì)填料塔的研究和開發(fā)，性能優(yōu)良的填料塔必將大量用于工業(yè)生產(chǎn)中。氨是化工生產(chǎn)中極為重要的生產(chǎn)原料，但是其強(qiáng)烈的刺激性氣味對(duì)于人體健康和大氣環(huán)境都會(huì)造成破壞和污染， 氨對(duì)接觸的皮膚組織都有腐蝕和刺激作用，可以吸收皮膚組織中的水分，使組織蛋白變性，并使組織脂肪皂化，破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)。氨的溶解度極高，所以主要對(duì)動(dòng)物或人體的上呼吸道有刺激和腐蝕作用，常被吸附在皮膚粘膜和眼

4、結(jié)膜上，從而產(chǎn)生刺激和炎癥?？陕楸院粑览w毛和損害粘膜上皮組織，使病原微生物易于侵入，減弱人體對(duì)疾病的抵抗力。氨通常以氣體形式吸入人體，氨被吸入肺后容易通過肺泡進(jìn)入血液，與血紅蛋白結(jié)合，破壞運(yùn)氧功能。進(jìn)入肺泡內(nèi)的氨，少部分為二氧化碳所中和，余下被吸收至血液，少量的氨可隨汗液、尿液或呼吸排出體外。短期內(nèi)吸入大量氨氣后會(huì)出現(xiàn)流淚、咽痛、咳嗽、胸悶、呼吸困難、頭暈、嘔吐、乏力等。若吸入的氨氣過多，導(dǎo)致血液中氨濃度過高，就會(huì)通過三叉神經(jīng)末梢的反射作用而引起心臟的停搏和呼吸停止，危及生命。長期接觸氨氣，部分人可能會(huì)出現(xiàn)皮膚色素沉積或手指潰瘍等癥狀；氨氣被呼入肺后容易通過肺泡進(jìn)入血液，與血紅蛋白結(jié)合，破壞

5、運(yùn)氧功能。短期內(nèi)吸入大量氨氣后可出現(xiàn)流淚、咽痛、聲音嘶啞、咳嗽、痰帶血絲、胸悶、呼吸困難，可伴有頭暈、頭痛、惡心、嘔吐、乏力等，嚴(yán)重者可發(fā)生肺水腫、成人呼吸窘迫綜合癥，同時(shí)可能發(fā)生呼吸道刺激癥狀。因此，吸收空氣中的氨，防止氨超標(biāo)具有重要意義。因此，為了避免化學(xué)工業(yè)產(chǎn)生的大量的含有氨氣的工業(yè)尾氣直接排入大氣而造成空氣污染，需要采用一定方法對(duì)于工業(yè)尾氣中的氨氣進(jìn)行吸收，本次課程設(shè)計(jì)的目的是根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用填料吸收塔吸收的方法來凈化含有氨氣的工業(yè)尾氣，使其達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)采用填料塔進(jìn)行吸收操作是因?yàn)樘盍峡梢蕴峁┚薮蟮臍庖簜髻|(zhì)面積而且填料表面具有良好的湍流狀況，從而使吸收過程易于進(jìn)行，而且，填料塔還

6、具有結(jié)構(gòu)簡單、壓降低、填料易用耐腐蝕材料制造等優(yōu)點(diǎn)，從而可以使吸收操作過程節(jié)省大量人力和物力。利用混合氣體中各組分在同一種液體(溶劑)中溶解度差異而實(shí)現(xiàn)組分分離的過程稱為氣體吸收氣體吸收是一種重要的分離操作，它在化工生產(chǎn)中主要用來達(dá)到以下幾種目的。(1)分離混合氣體以獲得一定的組分。(2)除去有害組分以凈化氣體。(3)制備某種氣體的溶液。一個(gè)完整的吸收分離過程，包括吸收和解吸兩個(gè)部分。典型過程有單塔和多塔、逆流和并流、加壓和減壓等。二、設(shè)計(jì)任務(wù)1、設(shè)計(jì)題目：清水吸收氨過程填料吸收塔設(shè)計(jì)2、設(shè)計(jì)條件、氣體混合物成分：空氣和氨；、氨的含量：4.5（體積）；、混合氣體流量：3019m3/h、操作溫度

7、：293K；、混合氣體壓力：101.3KPa；、回收率：99.5%。3、設(shè)計(jì)內(nèi)容、確定吸收流程；、物料衡算，確定塔頂、塔底的氣液流量和組成；、選擇填料、計(jì)算塔徑、填料層高度、填料的分層、塔高的確定。、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。、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。三、設(shè)計(jì)方案1、吸收劑的選擇根據(jù)所要處理的混合氣體，可采用水為吸收劑，其廉價(jià)易得，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，選擇性好，符合吸收過程對(duì)吸收劑的基本要求。2、流程圖及流程說明該設(shè)計(jì)采用逆流方式。該填料塔中，氨氣和空氣混合后，經(jīng)由填料塔的下側(cè)進(jìn)入填料塔中，

8、與從填料塔頂流下的清水逆流接觸，在填料的作用下進(jìn)行吸收。經(jīng)吸收后的混合氣 體由塔頂排除，吸收了氨氣的水由填料塔的下端流出。（如右圖）3、塔填料選擇 選用散裝填料，DN38mm聚丙烯階梯環(huán)塔填料。四、基本參數(shù)1、液相物性數(shù)據(jù)對(duì)低濃度吸收過程，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，20水的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度為=998.2 kg/m3粘度為 L=1.005mPa·S=3.6 kg/（m·h）表面張力為  L=72.6 dyn/cm=940896 kg/h2NH3在水中的擴(kuò)散系數(shù)為 DL=1.80×10-9 m2/s2、氣相物性數(shù)據(jù)混合

9、氣體的粘度可近似取為空氣的粘度，查手冊(cè)得20空氣的粘度為: v=1.81×10-5 Pa·S=0.065 kg/(m·h)已知在0，101.3kpa下，NH3在空氣中的擴(kuò)散系由，則293，101.3下，在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為3、氣相平衡數(shù)據(jù) 20時(shí)NH3在水中的溶解度系數(shù)為 H=0.725 kmol/(m3·kPa)常壓下20時(shí)NH3在水中的亨利系數(shù)為E=76.41kPa 相平衡常數(shù)為m=0.7544、填料的主要參數(shù)本方案選用塑料階梯環(huán)DN38mm, 其主要性能參數(shù)如下：比表面積a：132.5 空隙率：0.91干填料因子：五、工藝計(jì)算對(duì)低濃度吸收過程，溶液

10、的物性數(shù)據(jù)可近似取純水的物性數(shù)據(jù)。混合氣體的黏度可近似取為空氣的黏度?？諝夂退奈镄猿?shù)如下：空氣：水：1、物料衡算、進(jìn)出塔的汽液相組成V氨=0.045 V總 V空=0.955 V總Y1=n氨/n空氣=0.045/0.955=0.047回收率 查表知，20下氨在水中的溶解度系數(shù)相平衡常數(shù) 則 進(jìn)塔氣相摩爾比為： 出塔氣相摩爾比為： 對(duì)于純?nèi)軇┪者^程，進(jìn)塔液相組成為：(清水)、吸收劑用量 取實(shí)際液氣比為最小液氣比的1.5倍，則吸收劑的用量為： 塔底輸出液相摩爾比： 2、塔徑計(jì)算混合氣體的密度 水的密度 采用貝恩-霍根泛點(diǎn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算泛點(diǎn)速度：取泛點(diǎn)率為0.5，即空塔氣速圓整后取 填料規(guī)格校核：

11、3、液體噴淋密度校核 最小潤濕速率是指在塔的截面上，單位長度的填料周邊的最小液體體積流量。其值可由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算(見有關(guān)填料手冊(cè))，也可采用一些經(jīng)驗(yàn)值。對(duì)于直徑不超過75 mm的散裝填料，可取最小潤濕速率(LW) min為0.08 m3/(m·h)；對(duì)于直徑大于75 mm的散裝填料，取(LW) min=0.12 m3/(m·h)。 取最小潤濕速率為：所以 通過以上校核可知，填料塔直徑選用合理。4、填料層高度計(jì)算查表知， 0，101.3 下，在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)由，則293，101.3下，在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為液相擴(kuò)散系數(shù)液體質(zhì)量通量為氣體質(zhì)量通量為氣相總傳質(zhì)單元數(shù)為：氣相總傳質(zhì)單

12、元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計(jì)算：查表知，所以，氣膜吸收系數(shù)由下式計(jì)算：液膜吸收系數(shù)由下式計(jì)算：查表得：則由 由 設(shè)計(jì)取填料層高度為：查表：對(duì)于階梯環(huán)填料，將填料層分為兩段設(shè)置，每段6m，兩段間設(shè)置一個(gè)液體再分布器。5、填料層壓降計(jì)算采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算填料層壓降橫坐標(biāo)為：已知： 縱坐標(biāo)為：查圖得，填料層壓降為：埃克特通用關(guān)聯(lián)圖六、塔內(nèi)件1、液體分布裝置、液體分布器的選型：多孔環(huán)管式分布器:由多孔圓形盤管、聯(lián)接管及中央進(jìn)料管組成。這種分布器氣體阻力小，特別使用于液量小而氣量大的填料吸收塔。液體在塔頂?shù)某跏季鶆驀娏埽潜ＷC填料塔達(dá)到預(yù)期分離效果的重要條件。近年來的實(shí)踐表明，大直徑填料塔的

13、放大問題主要是保證液體初始分布均勻，若能保證單位塔截面的噴淋點(diǎn)數(shù)目與小塔相同，大型填料塔的傳質(zhì)效率將不會(huì)低于小型塔。液體分布裝置的安裝位置，須高于填料層表面200mm,以提供足夠的自由空間，讓上升氣流不受約束地穿過分布器。根據(jù)氨氣易溶解的性質(zhì)，可選用目前應(yīng)用較為廣泛的多孔型布液裝置中的排管式噴淋器。多孔型布液裝置能提供足夠均勻的液體分布和空出足夠大的氣體通道（自由截面一般在70%以上），也便于制成分段可拆結(jié)構(gòu)。液體引入排管噴淋器的方式采用液體由水平主管一側(cè)引入，通過支管上的小孔向填料層噴淋。排管式噴淋器采用塑料制造。、分布點(diǎn)數(shù)量計(jì)算：為了使液體初始分布均勻，原則上應(yīng)增加單位面積上的噴淋點(diǎn)數(shù)。但

14、是，由于結(jié)構(gòu)的限制，不可能將噴淋點(diǎn)設(shè)計(jì)得很多。根據(jù)Eckert建議，當(dāng)時(shí)，每塔截面設(shè)一個(gè)噴淋點(diǎn)。則總布液孔數(shù)為：2、液體再分布裝置實(shí)踐表明，當(dāng)噴淋液體沿填料層向下流動(dòng)時(shí)，不能保持噴淋裝置所提供的原始均勻分布狀態(tài)，液體有向塔壁流動(dòng)的趨勢(shì)。因而導(dǎo)致壁流增加、填料主體的流量減小，影響了流體沿塔橫截面分布的均勻性，降低傳質(zhì)效率。為減小壁流現(xiàn)象，當(dāng)填料層較高時(shí)需進(jìn)行分段，故需設(shè)置液體收集及再分布裝置。 最簡單的液體再分布裝置為截錐式再分布器。截錐式再分布器結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，但它只起到將壁流向中心匯集的作用，無液體再分布的功能，一般用于直徑小于0.6m的塔中。 在通常情況下，一般將液體收集器及液體分布器

15、同時(shí)使用，構(gòu)成液體收集及再分布裝置。液體收集器的作用是將上層填料流下的液體收集，然后送至液體分布器進(jìn)行液體再分布?？蛇x用多孔盤式再分布器。分布盤上的孔數(shù)按噴淋點(diǎn)數(shù)確定，孔徑為3.6mm。為了防止上一填料層來的液體直接流入升氣管，應(yīng)在升氣管上設(shè)帽蓋。它的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如下：分布盤外徑-785mm，升氣管數(shù)量-6.3、填料支撐裝置填料支撐裝置對(duì)于保證填料塔的操作性能具有重大作用。采用結(jié)構(gòu)簡單、自由截面較大、金屬耗用量較小的柵板作為支撐板。為了改善邊界狀況，可采用大間距的柵條，然后整砌一、二層按正方形排列的瓷質(zhì)十字環(huán)，作為過渡支撐，以取得較大的孔隙率。由于采用的是的填料，所以可用的十字環(huán)。塔徑，設(shè)計(jì)柵板由

16、兩塊組成。且需要將其擱置在焊接于塔壁的支持圈或支持塊上。分塊式柵板，每塊寬度為400mm。七、設(shè)計(jì)結(jié)果表清水吸收氨過程填料吸收塔設(shè)計(jì)工藝參數(shù)清水氨氣操作壓力，kPa101.3101.3操作溫度，2020密度，kg/m3998.21.183塔徑，m0.8填料層高度，m12壓降，kPa5.42黏度，kg/(mh)3.60.065表面張力，kg/h2940896-流量，mol/s42.2037.44分布點(diǎn)數(shù)84八、對(duì)設(shè)計(jì)成果的評(píng)價(jià)及討論自我感覺設(shè)計(jì)的不好，很多公式都不明白其原理，只能生搬硬套，但是我對(duì)計(jì)算結(jié)果還是有信心的。本次課程設(shè)計(jì)，極大地提高了我的動(dòng)手能力和文獻(xiàn)檢索能力，在設(shè)計(jì)的過程中，很多參數(shù)、信息都是檢索得來的。