有害气体控制工程课程设计.doc

课程设计报告名 称： 有害气体控制工程 题 目：逆流常压填料塔设计 院 系： 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 设计周数： 1周 成 绩： A设计前言 填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备，它是化工类企业中最常用的气液传质设备之一。而填料塔内件及工艺流程又是填料塔技术发展的关键。 1.1填料塔技术 填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支撑板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支撑板上。填料的上方安装填料压板，以防止上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料层表面上，气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。 当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液流量逐渐增大，这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质效率下降。因此，当填料层较高时，需进行分段，中间设置分布装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。 填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大等优点。填料塔也有一些不足之处，如 填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面，使传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或者容易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不太合适等。1.2填料的类型 填料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料。散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积在塔内，又称为乱堆填料或颗粒填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料、环鞍填料及球形填料等。规整填料是按一定的集合构型排列的，整齐堆砌的填料。规整填料种类很多，根据其几何结构可分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料等。根据设计的费用和分离要求来考虑，本设计采用散装填料。1.3填料的几何特性 填料的集合特性数据主要包括比表面积、孔隙率、填料因子等，是评价填料性能的基本参数。1.4填料的性能评价 填料性能的优劣通常根据效率、通量及压降三要素衡量。在相同的操作条件下，填料的比表面积越大，气液分布越均匀，表面的润湿性能越好，则传质效率越高；填料的孔隙率越大，结构越开敞，则通量越大，压降亦越低。1.5填料塔的流体力学性能 主要包括填料层的持液量、填料层的压降、液泛、填料表面的润湿及返混等。1.6填料的选择 填料的选择包括填料种类的选择、填料规格的选择（散装填料规格的选择、规整填料规格的选择）、填料材质的选择等，所选的填料既要满足生产工艺的要求，又要使设备投资和操作费用最低。1.7填料塔的内件 填料塔的内件主要有支承装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体收集再分布装置等。合理地选择和设计塔内件，对保证填料塔的正常操作及优良的传质性能十分重要。B设计报告一、课程设计的目的通过对气态污染物净化系统的工艺设计，初步掌握气态污染物净化系统设计的基本方法。培养学生利用所学理论知识，综合分析问题和解决实际问题的能力、绘图能力、以及正确使用设计手册和相关资料的能力。2、 设计内容和要求1）研究分析资料。2）净化设备的计算，请计算出塔高、塔径、压降等，并校核。3）编写设计计算书。设计计算书的内容应按要求编写，即包括与设计有关的阐述、说明及计算。要求内容完整，叙述简明，层次清楚，计算过程详细、准确，书写工整，装订成册。设计计算书应包括目录、前言、正文及参考文献等。4）设计图纸。包括工艺流程图、塔器剖面结构图。应按比例绘制，标出设备、零部件等编号，并附明细表，即按工程制图要求。图纸幅面、图线等应符合国家标准；图面布置均匀；符合制图规范要求。有能力的同学采用计算机AUTOCAD制图。 三、设计任务和资料任务：试设计常压填料塔，采用逆流操作，以水为吸收剂，吸收混合气中的丙酮。资料：1）混合气（空气，丙酮蒸汽）处理量为1500m3/h，温度为35；2）进塔混合气物性可近似看作空气物性，比如密度等；3）进塔混合气含丙酮体积分数为1.5 %，要求达到的丙酮回收率为90%；4）操作压力为常压，101.325 kPa。5）进塔吸收剂为清水；6）吸收操作为等温吸收，温度为35。7）气液平衡曲线：t=1545时，丙酮溶于水其亨利常数E(kPa)可用下式计算：lgE=9.171-2040/(t+273)8）液气比倍数请自己选定。9）气速u=（0.60.8）uF范围。10）kG=1.79510-3kmol/(m2skPa)；kL=1.8110-4m/s。四、设计正文1物料衡算1.1进塔气体摩尔比： 1.2出塔气体摩尔比：1.3进塔惰性气相流量： 1.4汽液平衡曲线：t=1545时，丙酮溶于水中其亨利常数E（kPa）可用下式计算：lgE=9.171-2040/（t+273）由此可知E=352.87kPa1.5对于稀溶液，E与H有近似关系: 式中:为溶液的密度，；为溶剂的相对分子质量18.02g/mol；对于低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。由手册可查得，35水的物性数据：粘度为：；密度为:；由此可知H=0.1564kmol/(mkPa)1.6 相平衡系数：1.7该吸收过程为低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比为：；对于纯溶剂吸收过程，进塔液组成为,则根据生产实践，取操作液气比为：L=4.7015V=274.85kmol/h1.8塔底吸收液组成，依据可得:1.9吸收塔的操作线方程:2填料选择选择填料要从两方面考虑，一是使用性能要好，即要求比表面积、空隙率、空隙截面积和机械强度都尽量大，堆积密度要小，耐腐蚀性要好；二是要价格便宜，来源方便，制造容易。一般来说，金属填料可制成薄壁结构，它的通量大、气体阻力小，且具有很高的抗冲击性能，能在高温、高压、高冲击强度下使用，应用范围最为广泛。国内鲍尔环特性数据材质外径d/mm高厚/mm比表面积at/(m2/m3)空隙率/(m3/m3)个数n/(个/m3)堆积密度p/(kg/m3)干填料因子(at/3)/m-1填料因子/m-1金属16150.82390.92814300021629940038380.81290.9451300036515314050501112.30.9496500395131130塑料1616.71.11880.9111118401412494232524.211940.87535001012943203838.511550.89158009822020050481.8106.40.90700087.514612076762.673.20.92192770.99462陶瓷162512223780.71270000686105510002540203.02000.7725823054443330038603041310.8041968050225227050754551030.7828710538216122本次课程设计选用规格的金属鲍尔环填料，其参数为：比表面积，填料因子3塔径计算 吸收塔的塔径可根据圆型管道内的流量公式计算，即： 式中：为塔径，；为操作条件下混合气体的体积流量，；为空塔气速，3.1利用Eckert通用关联图计算泛点气速；混合气体的平均摩尔质量为： 混合气体的平均密度为：液体校正系数：入塔吸收气体流量：气相的质量流量为：液相质量流量可近似按纯水的质量流量计算，即Eckert通用关联图的横坐标为：查Eckert通用关联图得纵坐标为：故可求得泛点气速为:3.2确定操作气速,取空塔气速为：3.3计算填料塔径为：圆整塔径，取3.4圆整塔径后操作气速为：校核：，符合的要求。3.5校核填料尺寸塔体直径与填料直径的比值有一个下限，低于这个值，塔壁附近的填料层空隙率大而不均匀，容易出现壁流现象，影响传质效果。，符合鲍尔环填料的要求，故选择填料合适。4填料层高度的计算 计算填料层高度，即： 4.1填料层高度的计算：4.2脱因系数的计算：4.3气相传质单元数的计算：4.4气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：式中： 液体的质量通量，kg/(h)； 液体的粘度，kg/(mh)； 液体的密度，kg/ m3； 分别为填料的比表面积、润湿比表面积，m2/m3； 分别为液体的表面张力、填料材质的临界表面张力，kg/h2； g重力加速度，； 填料的形状系数。常见材质的临界表面张力值如下表：常见填料的形状系数如下表：由于鲍尔环是开孔环，因此其形状系数=1.45。液体的质量通量为：由查表可知；。由于水在35时的表面张力没有在查阅的相关表格中体现，因此需要进一步计算：已知不同温度下水的表面张力如下表：不同温度下水的表面张力温度（）10305070100表面张力（dyn/cm）74.2271.1867.9164.458.9通过Excel拟合直线法拟合温度与表面张力的直线，如下图：由R2=0.9985可知，温度和表面张力呈很好的线性关系，直线方程已图中列出，由此可知水在35时的表面张力=70.22dyn/cm=910051kg/h2。通过上述条件可计算： =1-exp=0.6974由可知，=874.8698kmol/(m3hkPa)由可知，；因为，所以要按下式进行校正：则有：由得；其中最后，可知，Z=0.24994.6436=1.1604m采用上述方法计算出填料层高度后，还应留出一定的安全系数，根据设计经验，填料层的设计高度一般为： 本次设计安全系数选1.5，则有Z/=1.51.1604=1.7406m；设计取填料层高度为Z/=2m5填料层压降计算（利用埃克特通用关联图方法） 散装填料的压降值可由埃克特通用关联图计算。计算时，先根据气液负荷及有关物性数据，求出横坐标值。再根据操作空塔气速用有关物性数据，求出纵坐标值。通过作图得出交点，读出过交点的等压线数值，即得出每米填料层压降值。横坐标的值为：纵坐标的值为：查通用关联图可得：故填料层压降为为：6校核液体喷淋密度 填料塔内传质效率的高低与液体的分布及填料的润湿情况密切相关，为使填料能获得良好的润湿，填料层高度计算出后，应保证塔内液体的喷淋密度大于最小喷淋密度。喷淋密度采用公式：进行计算，并和最小喷淋：进行比较式中：表示润湿率，为单位填料润湿周边长度上的液体体积流量， 表示液体喷淋密度，；表示填料的比表面积，因填料尺寸小于75mm，取可查得所用填料的比表面积为：则：操作条件下喷淋密度:由计算可知：，无需采用增大回流比或液体再循环等方法加大液体流量。7确定填料分段数7.1填料的分段数根据塔径D及填料层总高度来决定；如二者比值超过一定界限，则需分段。散装填料分段高度推荐值填料类型拉西环矩鞍鲍尔环阶梯环环矩鞍2.558510815815/m46666对于鲍尔环填料， , 取，则,填料层高度，与此同时，故填料无需分段。对于的小塔， 可取较大的值，可允许比上值较大的；8总塔高H计算 填料塔的总塔高H主要取决于填料层高度，此外还需要考虑塔顶空间、塔底空间及再分布器的布置等。填料塔的总塔高H可由下式进行计算：式中：为安全系数调整后的填料层高，；为装配液体再分布器的空间高，m；为塔顶空间高（不包括封头部分），m，一般取；为塔底空间高（不包括封头部分），m，一般取；为填料层分层数；为总塔高，m；取，则：9填料塔附属设备设计塔的辅助构件包括气体分布器、填料支承板、填料压板、液体分布器、液体再分布器、除雾装置及排液装置等。填料塔操作性能的好坏与塔内辅助构件的选型和设计紧密相关。合理的选型与设计可保证塔的分离效率、生产能力及压降要求。9.1支承板：填料的支承结构应该满足三个基本条件：使气液能顺利通过，设计时应取尽可能大的自由截面。要有足够的强度承受填料的重量，并考虑填料空隙中的持液重量。要有一定的耐腐蚀性能。填料支承装置的作用是支承塔内的填料，常用的填料支承装置有栅板型、孔管型、驼峰型等。支承装置的选择主要的依据是塔径、填料种类及型号、塔内及填料的材质、气液流率等。本设计根据需要，选择用扁钢做成栅板形式。9.2填料压紧装置：填料上方安装压紧装置可防止在气流的作用下填料床层发生送动和跳动。填料压紧装置分为填料压板和床层限制板两大类。填料压板自由放置于填料层上端，靠自身重量将填料压紧。它适用于陶瓷、石墨等制成的易发生破碎的散装填料。床层限制板用于金属、塑料等不易发生破碎的散装填料及所有规整填料。床层限制板要固定在塔壁上，为不影响液体分布器的安装和使用，不能采用连续式的塔圈固定，对于小塔可用螺钉固定于塔壁，而大塔则用支耳固定。由于本设计的填料是金属鲍尔环，故填料塔在填料装填后于其上方安装了床层限制板。9.3液体喷淋装置：本次填料塔设计直径为0.5m，选择莲蓬头式喷洒器，见附图1-1.9.4除沫装置：除沫装置安装在液体再分布器上方，用以除去出气口气流中的液滴。填料塔中因气速较小，气体中的帯液量较小，一般可不设除雾器，本设计选用丝网除雾器，见附图1-3（b）. 9.5气体再分布装置：计算塔径为0.5m，选用管端呈向下的斜口式气体分布装置较为适宜，见附图1-4（a）.9.6排液装置：选用常压操作的液封结构，见附图1-5（a）. 9.7防腐蚀设计：由于丙酮对材料基本没有腐蚀，所以只考虑空气中氧气对设备的腐蚀和进出料液对设备的冲蚀，为了提高填料塔的使用寿命和从长远的经济利益考虑，填料塔体选用Q235刚，塔体外壁用涂层进行防护，塔体内壁用衬里进行防腐，塔内件的设计选用奥氏体耐蚀钢，塔内各种连接部件也选用此种钢，避免电偶腐蚀。在塔内件安装时要检查是否有锈，如果有应除去铁锈再安装，避免点蚀。进出气液管也选用Q235钢，在管道转折处应尽量有一定弯曲度，减小进出气液时对管壁的冲蚀，在塔体各种开孔处用补强圈补强。适当增加腐蚀余量。填料选用的是鲍尔环，基本没有腐蚀。填料塔使用一定时间后应检修一次，保证安全和提高使用寿命。五、课程设计总结通过此次课程设计，我最大的收获就是能综合运用课本知识，进行融会贯通的独立思考，学会知识的相互融合，通过查阅大量的资料，在规定时间内完成指定的设计任务，不仅培养了我们分析和解决工程实际问题的能力，而且让我们对工程设计有了更进一步的认识。课程设计过程中，锻炼了我的实践动手能力以及独立分析问题的能力，获益良多。通过本课程设计的实践及其前后准备与总结，复习了有害气体控制工程课堂上所学的吸收知识，更深入领会了吸收方法在实际工程中应用的意义，巩固了吸收知识中气液相平衡的计算、塔径计算，填料层高度计算等。除此之外，通过查阅资料，学到了更多课堂上学不到的详细知识，体会了几门课程知识点的融汇贯通。这次设计让我更贴切的了解了本专业工作的内容，也为自己再次重新的深入学习有害气体控制工程这门学科提供了一个动