有害氣體課程設計

1、課程設計（綜合實驗）報告（2015-2016年度第二學期）名稱：有害氣體控制工程題目：水吸收氨氣填料塔院系：環(huán)境科學與工程學院班級：學號：學生姓名：指導教師：設計周數(shù)：一周成績：日期：2016年月日目錄1緒論21.1 氨的性質21.2 填料塔技術21.2.1 填料塔簡介21.2.2 填料的類型22設計正文42.1 流程選擇及說明42.1.1 逆流吸收42.1.2 填料設計參數(shù)42.1.2.1 矩鞍環(huán)的特點42.1.2.2 填料材質的選擇42.1.2.3 矩鞍環(huán)填料設計參數(shù)52.2 凈化設備的計算52.2.1 基礎物性數(shù)據(jù)52.2.2 物料衡算，確定塔頂、塔底的氣液流量和組成錯誤！未定義書簽。2

2、.2.3 塔徑的計算72.2.4 填料層高度計算92.2.5 填料層壓降計算102.3 塔附屬設備工藝計算122.3.1 液體分布裝置122.3.2 塔附屬高度的計算122.3.3 除沫裝置122.3.4 填料支承裝置132.4 設計一覽表錯誤！未定義書簽。2.5 工藝流程圖錯誤！未定義書簽。3課程設計總結17參考文獻18有害氣體控制工程課程設計任務書一、設計目的通過對氣態(tài)污染物凈化系統(tǒng)的工藝設計，初步掌握氣態(tài)污染物凈化系統(tǒng)設計的基本方法。培養(yǎng)學生利用所學理論知識，綜合分析問題和解決實際問題的能力、繪圖能力、以及正確使用設計手冊和相關資料的能力。二、設計任務試設計一個填料塔，常壓，逆流操作，操

3、作溫度為20C,以清水為吸收劑，吸收脫除混合氣體中的NH3,氣體處理量為6500m3/h,其中含氨2%（體積分數(shù)），要求吸收率達到99.9%。三、設計內(nèi)容和要求1）研究分析資料。2）凈化設備的計算，包括計算吸收塔的物料衡算、吸收塔的工藝尺寸計算、填料層壓降的計算及校核計算。3）附屬設備的設計等。4）編寫設計計算書。設計計算書的內(nèi)容應按要求編寫，即包括與設計有關的闡述、說明及計算。要求內(nèi)容完整，敘述簡明，層次清楚，計算過程詳細、準確，書寫工整，裝訂成冊。設計計算書應包括目錄、前言、正文及參考文獻等，格式參照學校要求。5）設計圖紙。包括填料塔剖面結構圖、工藝流程圖。應按比例繪制，標出設備、零部件等

4、編號，并附明細表，即按工程制圖要求。圖紙幅面、圖線等應符合國家標準；圖面布置均勻;符合制圖規(guī)范要求。6）對設計過程的評述和有關問題的討論。四、參考文獻設計計算過程請參閱參考書及其他文獻資料，并在設計計算書中列明。五、設計進度安排下達任務書后，開始進行課程設計計算。完成時間：一周。安排時間進行答辯。本任務書為二班的任務書：學號：201305010201-201305010209:鮑爾環(huán)學號：201305010210-201305010220:階梯環(huán)學號：201305010221-201305010231,矩鞍環(huán)（或矩鞍）備注：可根據(jù)情況，自行選擇不列于上的其他填料。一、緒論氨是化工生產(chǎn)中極為重要

5、的生產(chǎn)原料，但是其強烈的刺激性氣味對于人體健康和大氣環(huán)境都會造成破壞和污染，氨對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，破壞細胞膜結構。1 .氨的性質氨（NH3）為無色而有強烈刺激氣味的氣體。分子量17.03;沸點-33.5C;熔點-77.8C;對空氣的相對密度0.5962（空氣=1）,1L氣體在標準狀況下，質量為0.7708g,室溫時在6-7大氣壓下可以液化（臨界溫度132.4C,臨界壓力112.2大氣壓），也和易被固化成雪狀的固體，液態(tài)氨的相對密度（0c時）為0.638。氨極易溶于水、乙醇和乙醛，當0c時每1L水中能溶解1176mL,即

6、907g氨。2 .填料塔技術水吸收氨吸收塔，采用的是填料吸收塔來用水吸收氨屬于中等溶解度的吸收過程，填料塔不僅結構簡單，而且阻力小，便于用耐腐蝕材料制造，對于直徑較小的他，處理有輻射性的物質或要求降壓較小的真空蒸儲系統(tǒng)，填料塔都有明顯的優(yōu)越性.為提高傳質效率，選用逆流吸收流程。工作生產(chǎn)中多采用逆流操作，逆流操作特點是，傳質平均推動力大，傳質速率快，分離效率高，吸收劑利用率高。1.2.1 填料塔簡介填料塔的塔身是一直立式圓筒，底部裝有填料支撐板，填料以亂堆或整砌的方式放置在支撐板上。填料的上方安裝填料壓板，以防止上升氣流吹動。液體從塔頂經(jīng)液體分布器噴淋到填料上，并沿填料表面流下。氣體從塔底送入，

7、經(jīng)氣體分布裝置（小直徑塔一般不設氣體分布裝置）分布后，與液體呈逆流連續(xù)通過填料層的空隙，在填料層表面上，氣液兩相密切接觸進行傳質。填料塔屬于連續(xù)接觸式氣液傳質設備，兩相組成沿塔高連續(xù)變化，在正常操作狀態(tài)下，氣相為連續(xù)相，液相為分散相。當液體沿填料層向下流動時，有逐漸向塔壁集中的趨勢，使得塔壁附近的液流量逐漸增大，這種現(xiàn)象稱為壁流。壁流效應造成氣液兩相在填料層中分布不均，從而使傳質效率下降。1.2.2 填料的類型填料的種類很多，根據(jù)裝填方式的不同，可分為散裝填料和規(guī)整填料。散裝填料是一個個具有一定幾何形狀和尺寸的顆粒體，一般以隨機的方式堆積在塔內(nèi)，又稱為亂堆填料或顆粒填料。散裝填料根據(jù)結構特點不

8、同，又可分為環(huán)形填料、鞍形填料、環(huán)鞍填料及球形填料等。規(guī)整填料是按一定的集合構型排列的，整齊堆砌的填料。規(guī)整填料種類很多，根據(jù)其幾何結構可分為格柵填料、波紋填料、脈沖填料等。根據(jù)設計的費用和分離要求來考慮，本設計采用散裝填料。此次設計采用矩鞍環(huán)填料。矩鞍環(huán)填料由于其具有高的密度和優(yōu)異的耐酸耐熱性能，并且能耐除氫氟酸以外的各種無機酸、有機酸及有機溶劑腐蝕。陶瓷矩鞍環(huán)填料的形狀介于環(huán)形與鞍形之間，因而兼有兩者之優(yōu)點。這種結構有利于液體分布和增加民氣體通道。比鮑爾環(huán)阻力小、通量大、效率高、填料強度和剛性較好，是目前應用最廣的一種散堆填料。20二、設計正文2.1 流程選擇及說明2.1.1 逆流吸收用水

9、吸收NH屬高溶解度的吸收過程，為提高傳質效率和分離效率，所以，本設計選用逆流吸收流程。氣相自塔底進入由塔頂排出，液相自塔頂進入由塔底排出，此即逆流操作。逆流操作的特點是傳質平均推動力大，傳質速率快，分離效率高，吸收劑利用率高。工業(yè)生產(chǎn)中多用逆流操作。該填料塔中，氨氣和空氣混合氣體，經(jīng)由填料塔的下側進入填料塔中，與從填料塔頂流下的水逆流接觸，在填料的作用下進行吸收。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。2.1.2 填料設計參數(shù)填料是填料塔的核心構件，它提供了氣、液兩相相接觸傳質與傳熱的表面，其性能優(yōu)劣是決定填料塔操作性能的主要因素。填料的比表面積越大，氣液分布也就越均勻

10、，傳質效率也越高，它與塔內(nèi)件一起決定了填料塔的性質。因此，填料的選擇是填料塔設計的重要環(huán)節(jié)。2.1.2.1 矩鞍環(huán)的特點矩鞍環(huán)屬于填料的一種型號，它采用連續(xù)擠出的工藝進行加工，與同種材質的拉西環(huán)填料相比，具有通量大、壓降低、效率高等優(yōu)點。矩鞍環(huán)填料床層具有較大的空隙率，床層內(nèi)多為圓弧形液體通道，減少了氣體通過床層的阻力，也使液體向下流動時的徑向擴散系數(shù)減小。矩鞍環(huán)比鮑爾環(huán)阻力小、通量大、效率高、填料強度和剛性較好，是目前應用最廣的一種散堆填料。2.1.2.2 填料材質的選擇工業(yè)上，填料的材質分為陶瓷、金屬和塑料三大類。(1)陶瓷填料。陶瓷填料具有良好的耐腐蝕性及耐熱性，一般能耐除氫氟酸以外的常

11、見的各種無機酸、有機酸的腐蝕，對強堿介質，可以選用耐堿配方制造的耐堿陶瓷填料。工業(yè)上，主要用于氣體吸收、氣體洗滌、液體萃取等過程。(2)金屬填料。金屬填料可用多種材質制成，金屬材料的選擇主要根據(jù)物系的腐蝕性和金屬材質的耐腐蝕性來綜合考慮。金屬填料可制成薄壁結構(0.20.1mm),與同種類型、同種規(guī)格的陶瓷、塑料填料相比，它的通量大、氣體阻力小，且具有很高的抗沖擊性能，能在高溫、高壓、高沖擊強度下使用，工業(yè)應用主要以金屬填料為主。(3)塑料填料。塑料填料的材質主要包括聚丙烯、聚乙烯及聚氯乙烯等，國內(nèi)一般多采用聚丙烯材質。塑料填料的耐腐蝕性能較好，可耐一般的無機酸、堿和有機溶劑的腐蝕。其耐溫性良

12、好，可長期在100c以下使用。聚丙烯填料在低溫（低于0C）時具有冷脆性，在低于0c的條件下使用要謹慎，可選用耐低溫性能好的聚氯乙烯填料。金屬填料與同種類型、同種規(guī)格的陶瓷、塑料填料相比，它的通量大、氣體阻力小，且具有很高的抗沖擊性能，能在高溫、高壓、高沖擊強度下使用所以本次課設選用金屬填料。2.1.2.3 矩鞍環(huán)填料設計參數(shù)A,K取值可由表2-2得出。本設計選用不銹鋼304L為基準的50X28X0.8金屬矩鞍環(huán)，23其主要性能參數(shù)如下：比表面積at=90.1m/m,空隙率8=0.97,填料常數(shù)A=0.06225,K=1.75o2-1金屬矩鞍環(huán)參數(shù)規(guī)格DXHXSmrm堆積個數(shù)n/m3比表回積m/

13、m堆積重度n2/m3空隙率25>20>0.51190471851539638>24>0.531654140.4249.69750>28>0.81116090.1239.79776M8M.0332057.6244.797表2-2不同類型填料的A、K值散裝填料類型AK規(guī)整填料類型AK塑料鮑爾環(huán)0.09421.75金屬階梯環(huán)0.1061.75金屬鮑爾環(huán)0.11.75瓷矩鞍0.1761.75塑料階梯環(huán)0.2041.75金屬環(huán)矩鞍0.062251.752.2 凈化設備的計算包括計算吸收塔的物料衡算、吸收塔的工藝尺寸計算、填料層壓降的計算及校核計算。2.2.1 基礎物性

14、數(shù)據(jù)2.2.1.1液相物性數(shù)據(jù)由于低濃度吸收，溶液近似取純水的物性數(shù)據(jù)。溫度T=20oC時，經(jīng)查表，水的物性數(shù)據(jù)如下所示：密度為：pL=998.2kg/m3;動力粘度為：WL=0.001004Pas=1.004mPas;2.2.1.2 氣相物性數(shù)據(jù)混合氣體：=427680(kg/h2);空氣黏度：巴=1.81x10'(Pas)=0.065(kg/m酊)；在273K,101.3Kpa情況下，氨氣在空氣中擴散系數(shù)：D0=0.17(m2/s)2.2.1.3 相平衡常數(shù)由亨利系數(shù)L:L口E=可得HMSSMsM-：L二HMsP-0.725亨利系數(shù)溶解度系數(shù)-相對摩爾質量相平衡常數(shù)2.2.2物料衡

15、算已知混合氣(空氣，氨)進氣量溶劑吸收過程，進塔液相組成為:進塔氣相摩爾比為：Y1=y11-y11-0.02998.20.75418.02101.3002-=0.0204；V=4500n3/h;進塔混合氣中含氨體積分數(shù)y1=0.04;對于純X2=0；吸收率甲=99.5%出塔氣相摩爾比為：Y2=Y1(1-：)=0.0204(1-0.999)=0.0000204混合氣體流量：V1 =6500 273293 22.4= 270.37 kmol/h進塔惰性氣相流量:V =270.37 (1 -0.02) =264.96(kmol/h)最小液氣比:_ Y -丫2 minX1 一 X2Y -丫2、一X m

16、0.0204-0.0000204 八 八八 0.746460.0204 八 -00.754取實際液氣比為最小液氣比的2倍，則可得吸收劑用量為：L=0.74646264.962=395.564(kmol/h)由全塔物料衡算得：V(Y-Y2)=L(XiX2)xVY-Y20.0204-0.0000204.X1LX2=0.0135L0.746462V單位時間內(nèi)通過吸收塔的惰性氣體量，kmol/s;L單位時間內(nèi)通過吸收塔的溶解劑，kmol/s;YY2分別為進塔及出塔氣體中溶質組分的摩爾比，koml/koml;XX2分別為進塔及出塔液體中溶質組分的摩爾比，koml/koml;2.2.3塔徑的計算2.2.3

17、.1. 塔徑的計算考慮到填料塔內(nèi)塔的壓力降，塔的操作壓力為101.325kPa。得M=17g/molx0.02+29g/mol乂(1-0.02)=28.76g/mol混合氣體的密度:333= 1.196kg /mPM_101.3251028.7610RT8.315293氣相質量流量WV=65001.196=7774kg/h液相質量流量：(近似純水)Wl=395.56418-7120.125kg/h填料總比表面積：at=90.1m2/m3水的黏度：L=1.004mPa-s；21/41/8Ufatg02wWLIjpy；1gPlA-Kg£PlIWdS1 1912025x4.1968ccc=

18、0.062251.75()4(>8=-Q723365001.19699822UF at :V3g ；L,0.2l=0.21=4.18m/s0.219.810.973998.2UF0290.11.1961.004.其中：（if泛點氣速，m/s;2 g重力加速度，9.81m/sat填料總比表面積，R2/m3£填料層空隙率，n3/n3；3pV,pL氣相、微相密度，k/m;l液體粘度，mPa-s;A,K關聯(lián)常數(shù)（A,K值見表2-2）矩鞍環(huán)的空塔氣速u=（0.650.85uF）因此取泛點率為f=0.8,即，u=0.8uF=0.8M4.18=3.344m/s4 6500/3600二 3.3

19、44=0.83m其中：D塔徑，m；V操作條件下混合氣體的體積流量，m/s;u空塔氣速，即按空塔截面積計算的混合氣體線速度，m/s.1600、圓整后取D=0.9m（常用的標準塔徑為400、500、600、700、800、1000、1200、1400、2000、2200）2.2.3.2泛點率校核=2.84m/ s6500/3600u=20.7850.9u/Uf=2.84/4.18=0.679上式中對于散裝填料，其泛點率的經(jīng)驗值為u/uF=0.50.85填料規(guī)格校核:D 900d 一 50=18 82.2.3.3液體噴淋密度校核對于直徑不超過 75mm的拉西環(huán)及其他填料，可取最小潤濕速率為: 3.(

20、Lw)min = 0.08m /(m h)at = 90.1m2 / m3所以 Umin =(Lw)min at =0.08 90.1 = 7.208m3/(m2 h)LhZ _ 2 0.785 D2395.564 1820.785 0.92 998.2_ _32= 11.22m3 /(m2h) Umin經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用 D=0.9m合理。2.2.4填料層高度計算（用脫吸因數(shù)法進行計算）mV 0.754 264.96脫吸因數(shù)為S0.505L 395.5642.2.4.1氣相傳質單元數(shù)計算NOGIn |(1 S )Y1Y2* + S：Y2-Y2一1, J cLCLt 09204 0

21、ln |(1 0.505)+0.505 -12.541 0.505 10.0000204- 0液體質量通量為W=395.564 18二 4 0.92=11197.8kg/m2 h;氣體質量通量為w=6500父1.196=12226.15kg/m2-h;-40.922.2.4.2傳質單元高度根據(jù)實用環(huán)境工程手冊一大氣污染控制工程查得氣膜體積總傳質系數(shù)可采用經(jīng)驗公式計算得到kGcc«KGct=0.0615WG°.9Wl0.39=626.33kmol/(n3hatm)=0.174kmol/(m3satm);3、KyOt=KGaP=0.174父1=0.174kmol/(ms);H

22、OGVKy：264.96 423600 二 0.92 0.174=0.6652.2.4.3填料層高度h=HOGNOG=0.66512.54=8.342m2.2.5填料層壓降計算采用Eckert通用關聯(lián)圖計算填料層壓降四段3=0.03億 7774998.2表2-6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-金屬矩鞍環(huán)-13893.47136金屬階梯環(huán)-11882-塑料鮑爾環(huán)34323211412562塑料階梯環(huán)-17611689-瓷矩鞍環(huán)700215140160-瓷拉四環(huán)1050576450288-查表得矩鞍環(huán)1P=71

23、m縱坐標為：u,上_串：23.344、7111.196父1004。2=0.029g：L9.81998.2P查圖2-2得，一=15M9.81pa/mZ填料層壓降為：AP=15m9.81m8.342pa=1.23kpa1.00.R0.6r<.i040.1O.OKe0.06¥部a10.020.0)0.00*Q00600040.00211匚!IL!、出臉、版=700X9.=31CA-Kiryn%310(一-JJ弋IL1苒一堂50.jj<21u40f3(f一r、420LsX,Au.、A一fss、10-一fj>、一w,-JJ、p、N、F、s:sk*、VSX、->八、,、土

24、二qxVX4V、.X7、brr0J、N1、A>A、y0.01<J030.040.06040.2(X40.6O.«1.00.08郎l,可產(chǎn)2346&10西W圖2-2通用壓降關聯(lián)圖2.3 塔附屬設備工藝計算2.3.1 液體分布裝置液體分布器的作用：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)某跏季鶆驀娏埽潜ＷC填料塔達到預期分離效果的重要條件。從噴淋密度考慮，

25、應保證每60m2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，可選用目前應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蛆上），也便于制成分段可拆結構。液體引入排管噴淋器的方式采用液體由水平主管一側引入，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。2.3.2塔附屬高度的計算填料塔的總塔高H主要取決于填料層高度及再分布器的布置等。填料塔的總高H =Hd Z （n-1）H

26、f Hb式中：H總塔高，m;Z填料層高度，m;Hf裝配液體再分布器的空間高，Hd-塔頂空間高（不包括封頭部分）Hb-塔底空間高（不包括封頭部分） n填料層分層數(shù)。因此， H=1+8.342+ （1-1）Z,此外還需要考慮塔頂空間、塔底空間、H可由下式進行計算：m；取 0.4m,m 一般取=0.81.4m ;這里取1m,m 一般取=1.21.5m ;這里取 1.4m>0.4+1.4=10.742m2.3.3 除沫裝置由于氣體在塔頂離開填料塔時，帶有大量的液沫和霧滴，為回收這部分液相，經(jīng)常需要在頂設置除沫器。常用的除沫器有以下幾種：折流板式除沫器，它是一種利用慣性使液滴得以分離的裝置，一般在

27、小塔中使用。旋流板式除沫器，由幾塊固定的旋流板片組成，氣體通過時，產(chǎn)生旋轉運動，造成一個離心力場，液滴在離心力作用下，向塔壁運動實現(xiàn)了氣液分離。適用于大塔徑凈化要求高的場合。絲網(wǎng)除沫器，它由金屬絲卷成高度為100-150的盤狀使用。安裝方式多種多樣，氣體通過除霧沫器的壓強降約為120-250Kp,絲網(wǎng)除沫器的直徑由氣體通過絲網(wǎng)的最大氣速決定。根據(jù)本吸收特點及要求，本吸收操作選用金屬絲網(wǎng)除沫器。2.3.4 填料支承裝置填料支承結構用于支承塔內(nèi)填料及其所持有的氣體和液體的重量之裝置。對填料的基本要求是：有足夠的強度以支承填料的重量；提供足夠的自由截面以使氣液兩相流體順利通過，防止在此產(chǎn)生液泛；有利

28、于液體的再分布；耐腐蝕，易制造，易裝卸等。常用填料支承板有柵板式和氣體噴射式。這里選用分塊梁式支承板。2.4 設計一覽表如表2-7,2-8,2-9所示。表2-7吸收塔的吸收劑用量計算總表意義及符號混合氣體處理量G結果6500m3/h氣液相平衡常數(shù)m0.754進塔氣相摩爾分率yi0.0204出塔氣相摩爾分率y20.0000204進塔液相摩爾分率Xi0.0135最小液氣比（L/V）min0.74646混合氣體平均摩爾質量M28.76g/mol混合氣體的密度p31.196kg/m混合氣體的粘度0.0184mPa.s吸收劑用量L395.564kmol/h表2-8塔設備計算總表意義及符號結果塔徑D0.9m塔圖H10.742m填料層高Z8.342m填料塔上部高度1m填料塔下部高度1.4m氣相總傳質單兀局度0.665m氣相總傳質單元數(shù)12.54m布液孔數(shù)n48個泛點氣速3.344m/s泛點率f0.80表2-9填料計算總表意義及符號填料直徑dpp孔隙率填料比表面積a填料因子填料常數(shù)A結果50mm0.9790.1m2/m371m-10.062