化工原料课程设计环境工程

1、2目录引言 1 流程的说明 1.1 几种流程的比较 1.2 流程的确定 2 填料的选择 2.1 填料的类型 2.2 填料材质： 2.3 填料的的选择 3 吸收塔的工艺计算 3.1 基础物性数据 3.1.1 液相物性数据 3.1.2 气相物性数据 3.1.3 气液两相平衡时的数据3.2 物料衡算 3.3 填料塔的工艺尺寸计算 3.3.1 塔径的计算 3.3.2 泛点率校核和填料规格3.3.3 液体喷淋密度校核 .3.4 填料层高度计算 3.4.1 传质单元数的计算 .3.4.2 传质单元高度的计算3.4.3 填料层高度的计算 .3.5 填料塔附属高度的计算 3.6填料层压降 P的计算 3.7泛点

2、率 4 辅助设备的选用 4.1 填料支承装置 4.2 液体喷淋装置 4.3液体再分布装置 4.4 塔顶除雾沫器 5 附属设备的计算与选择 5.1 吸收塔主要接管的尺寸计算5.2 离心泵的计算与选择 5.3风机的选择 设计结果列表 设计结果的讨论和说明 参考文献 10101012121213141414141415151617182021化工原理课程设计引言是培养我们综合运用本门课程及 在整个教学计划中，它也起着培课程设计是化工原理课程的一个总结性教学环节， 有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练。 养学生独立工作能力的重要作用。课程设计不同于平时的作业，在设计中需要我们自己做出决策

3、，即自己确定方案，选择流程，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。所以，课程设计是培养我们独立工作能力的有益实践。这次课程设计的任务是用水吸收空气中的二氧化硫。 要求设计包括塔径、填 料塔高度、塔管的尺寸等，需要通过物料衡算得到所需要的基础数据， 然后进行 所需尺寸的计算得到各种设计参数，为图的绘制打基础，提供数据参考。61流程的说明1.1几种流程的比较吸收装置的流程主要有以下几种(1)逆流操作：定义：气相自塔底进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出的操作。 特点：传质平均推动力大，传质速率快，分离效率高，吸收剂利

4、用率高。 适用情况：工业生产中多采用逆流操作。并流操作：定义：气液两相均从塔顶流向塔底的操作。特点：系统不受液流限制，可提高操作气速，以提高生产能力。适用情况：当吸收过程的平衡曲线较平坦时，流向对推动力影响不大；易溶气体的吸收或处理的气体不需吸收很完全；吸收剂用量特别大，逆流操作易引起液泛。(3) 吸收剂部分再循环操作：定义：在逆流操作系统中，用泵将吸收塔排出液体的一部分冷却后与补充的新鲜吸收剂一同 送回塔内的操作。适用情况：当吸收剂用量较小，为提高塔的液体喷淋密度；对于非等温吸收过程，为控制塔内的温升，需取出一部分热量。该过程特别适宜于相平衡常数m值很小的情况，通过吸收液部分再循环，提高吸收

5、剂的使用效率。应予以指出，吸收及部分再循环操作较逆流操作的 平均推动力要低，且需设置循环泵，操作费用增加。或由于所处理的物料等原因需经常清理填料， ,每个吸收塔通过的吸收剂和气体量都相等,(4) 多塔串联操作：为便于维修，可把即为多塔串联操如设计的填料层高度过大，I 填料层分装在几个串联的塔内， 作。如果用通常的流程，则液体在塔内的喷淋密度过大，操作气速实际生产中可采用气相做串联，液相做并联的混合流程；若(5)串联一一并联混合操作： 若吸收过程处理的液量很大， 势必很小，塔的生产能力很低。 吸收过程处理的液量不大而气相流量很大时，可采用液相做串联，气相做并联的混合流程。1.2流程的确定S02,

6、属于中等溶解度的吸收过程,装置流程的确定：本填料吸收塔的设计任务是用水吸收 为提高传质效率，选用逆流吸收流程.2填料的选择2.1填料的类型填料是填料塔中气液接触的基本构件，其性能的优劣是决定填料塔操作性能的主要元素，因此，填料的选择是填料塔设计的重要环节。填料类型：填料种类很多，根据装填方式的不同可分为散装填料和规整填料两大类。1.散装填料：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的不同， 又可分为环形填料, 鞍形填料，环鞍形填料及球形填料等。拉西环填料：拉西环为外径与高度相等的圆环，通常由陶瓷或金属材料制成。

7、其结构简 单，制造容易，但堆积时相邻环间易形成线接触，填料层的均匀性差，致使传质效率低。而 且流动阻力大，操作范围小。鲍尔环：鲍尔环是在拉西环的壁上开一层或两层长方形窗口，窗孔的母材两层交错地弯向环中心对接。这种结构使填料层内气、 液分布性能大为改善， 尤其是环的内表面得到充分 利用。气液通量得到提高而压降仅为拉西环的一半，分离效果也得到提高。阶梯环：鲍尔环基础上改造得出的。其高径比较小，气体绕填料外壁的平均路径大为缩 短，减少了阻力。喇叭口一边，不仅增加机械强度，而且使填料之间为点接触，有利于液膜 的汇集与更新，提高了传质效率。目前所使用的环型填料中最为优良的一种。弧鞍型：表面全部敞口，不分

8、内外，液体在表面两侧均匀流动，表面利用率高，流动呈 弧形，气体阻力小。但容易产生沟流，强度差，易破碎，故应用较少。矩鞍型：矩鞍形填料结构不对称堆积时不重叠均匀性更高。该填料气流阻力小，处理能 力大，构造简单，是一种性能优良的填料。环矩鞍：兼具环型、鞍型填料的优点。敞开的侧壁有利于气体和液体通过，减少了填料 层内滞液死区。填料层内流体孔道增多，使气液分布更加均匀，传质效率高。2 .规整填料 规整填料是由许多相同尺寸和形状的材料组成的填料单元，以整砌的方式装 填在塔体中。规整填料主要包括板波纹填料、丝网波纹填料、格利希格栅、脉冲填料等，其 中尤以板波纹填料和丝网波纹填料所用材料主要有金属丝网和塑料

9、丝网2.2填料材质:(1 )陶瓷材料 陶瓷材料具有良好的耐腐蚀性及耐热性，对强碱介质，可以选用耐碱配方 制造的耐碱陶瓷材料。陶瓷材料因其质脆，易碎，不宜在高冲击强度下使用。在工业上，主 要用于气体吸收，气体洗涤和液体萃取等过程。(2)金属填料金属填料可用多种材质制成，金属材质的选择主要根据物系的腐蚀性和金属材 质的耐腐蚀性来综合考虑。碳钢填料造价低，且具有良好的表面润湿性能，对于无腐蚀或低 腐蚀性物系应优先考虑使用。(3)塑料填料塑料填料的材质主要包括聚丙烯，聚乙烯及聚氯乙烯等。塑料填料的耐腐蚀 性能较好，可耐一般的无机酸， 碱和有机溶剂的腐蚀且耐温性良好。塑料填料具有质轻、价 廉、耐冲击、不

10、易破碎等优点，多用于吸收、解吸、萃取、除尘等装置中。2.3填料的的选择综合考虑以上因素在本次设计中采用散装填料，因为鲍尔环填料的分离效果不错，综合性能较好所以选择50 X 50 X 4.5瓷鲍尔环乱堆填料。化工原理课程设计3吸收塔的工艺计算3.1基础物性数据3.1.1液相物性数据对于低浓度的吸收过程，溶液的物性数据可以近似取纯水的物性数据20 C时水的有关物性数据如下：38密度 P L=998.2(kg/m 3) 粘度 卩 L=0.001004(Pa.S)表面张力 5 L=72.67(dyn/cm)=941803(kg/h 2)5 2 6 2SO在水中的扩散系数 DL=1.47 X 10- (

11、cm /s)=5.29 X 10- (m /h)3.1.2气相物性数据混合气体的平均摩尔质量为Mvm =0.05 X 64.06+0.95 X 29=30.75混合气体的平均密度为101.32530.75& 31427325混合气体的粘度可近似取为空气1；2fe(kkg/mri)3)的粘度，查手册的25 C 空气的粘度为5G 1.835 10 (Pass)SO2在空气中的扩散系数为 Dg 0.10810 4(mmS)/s)0.039m2 / h3.1.3气液两相平衡时的数据常压下20C SO2在水中的亨利系数为 E3.55103KPa33.55 1035.04101.325溶解度系数为HLEM

12、s998.23.55 103 18.020.0156kmol/ kpa m化工原理课程设计3.2物料衡算y10.05y20.05(10.05)0.00251进塔气相摩尔比为丫1y10.050.05261 0.05出塔气相摩尔比为丫2y21 y0.002510.0025110.00251进塔惰性气相流量为 G1800126 (10.05)70.0730.75该吸收过程属于低浓度吸收，平衡曲线可近似为直线，最小液气比可按下式计算，即L丫1丫2G min Y / m X 2对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为X20O.。526O.。025133.37G min 0.0526/35.04 0取操作液气比

13、 1.5(丄)min1.5 33.37 50.06G GL=50.06X 70.07=3507.7 (kmol/h)G(Y1丫2) L(X1 X2)16X1G(Y1 丫2)+12=7007(0000526).00251i026鮎.7 0+00=0.0010L5044.943.3填料塔的工艺尺寸计算3.3.1塔径的计算采用Eckert通用关联图计算泛点气速，液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即WL = LM H 203507.7 X 18.02=63208.75kg/h气相质量流量为WG = GVs1800 X 1.26=2268kg/hEckert通用关联图的横坐标为瞬(脇05o.0查Eck

14、ert通用关联图得Uf f式中：uF0.2L0.0232:泛点气速m/sL :液体粘度mPa sg：重力加速度9.81m/s2F :试验填料因子，m 1:水密度与液体密度之比L :气相，液相密度 kg/m3本次设计选用的是50mm X 50mm x 4.5mm瓷鲍尔环料乱堆填料。查表 5-4，（ P224）其填料因子F130m 1泛点气速：uf0.0232g LV F G L0.2I O.0232 9.81 豎? 1.177m/sV130 1 1.26 1.004对于散装填料，泛点率的经验值为u0.50.85UF泛点率的选择，对于加压操作，选择较高的泛点率，减压操作选择较低的泛点率，此处取u

15、0.8uf0.8 1.1770.9416 m/sJ4 1800/36000.822mV 3.14 0.9416标准塔径有圆整塔D取800mm。400mm ； 500； 600 ； 700mm ； 800； 1000； 1200；3.3.2泛点率校核和填料规格泛点率校核1800/3600u 20.995m/s0.785 0.8u 0.995uF1.177100%84.10% （在允许范围内）填料规格校核有D 800168即符合要求d 503.3.3液体喷淋密度校核取最小润湿速率为:Lw min0.08m3/ m h查化工原理课程设计（化工传递与单元操作课程设计）附录五得a 132.5m2/m3U

16、minLw min a 0.08 132.510.6m3/ m2 hU62308.75/998.2 124.250.785 0.82故满足最小喷淋密度的要求。经以上校核可知，填料塔直径选用UminD=800mm 合理3.4填料层高度计算3.4.1传质单元数的计算Yi*mX135.04 0.00100.03504丫2*mX20丫1丫1 Yi0.05260.035040.01756丫2丫2 丫20.0025100.00251Ym丫1丫10.01756 0.002517.736 10ln丫2ln00.00251则传质单元数为N丫1 Y 0.0526 0.00251OG7.736 10 36.47m3

17、.4.2传质单元高度的计算气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算21 exp 1.45()0.75( Ul Ul at 0.05 atLatl）（L2g)(2T2L Lat查表（常见材质的临界表面张力值 ）C33dyn/cm 427680 kg/h，L 72.67dy n/cm 941803kg/hWL液体质量通量为Ul-D24竺半 1258136kg/(m2.h)0.785 0.823aw 427680 0.75 / 125813.6 0.1 125813.62 132.5。叫125813.60.2、1 exp 1.45()() (2)() at941803132.5 3.6998.22

18、 1.27 108998.2 941803 132.50.680125813.62aw at 0.680132.5 0.68090.1m7m3WG气体质量通量为U G一-D241800 1.264514.33kg /(m2.h)0.785 0.823化工原理课程设计418G 0.7 at G气膜吸收系数由下式计算kG0.237(-UJ)0.7(G_)3 (atDG )G DGRT0.237 (曲门0.0442kmol /(m2. h.kpa)Jgj%! 132.5 o.。39 1.26 0.0398.314 (273 20)液膜吸收系数由下式计算kL0.0095(亘) (亠)0.5 (上)13

19、aw LL D LLlDlO.OO95(9O.11.492(m/h)3.612581兰)(63.6998.2 5.29 10 6严3.6 27 108)%998.2由kca11.1kGaw则kGak a1.1kGawkLa k0.4Law因为u84.10%，查附表5得,50%，故需要校正。0.0442 90.1 1.451.1Uf1.492 90.10 1.450.41.455.993kmol /(m3.h.kpa)155.97(1 /h)kG a1 9.5(丄0.5)1.4 kGaUfkL2.6(卫UfO.5)2.2 da，得kG19.5 (0.8410O.5)1.4 5.99318.628

20、kmol/(m3.h.k pa)kL12.6 (0.84100.5)22 155.97 194.00(l/h)贝贿KGakG a HkL a118.62832.603kmol/(m .h.kpa)0.0156 194.00由H OGGKYa70.07IZ D_n22.603 101.325 0.785 0.82K G ap D0.529m化工原理课程设计31343填料层高度的计算Z Hog Nog 0.529 6.473.423m根据设计经验，填料层设计高度一般为Z (1.2 1.5)Z因此取 Z 1.4 3.423 4.79m所以设计取填料层高度为 Z 5.0m查附 表5，对于瓷鲍尔环填料，

21、h/D=510, hmax 6mh 8 取D 8，h 8 800 6400mm计算得填料层高度为 5000mm，故不需要分段。3.5填料塔附属高度的计算塔上部空间高度，通过相关资料可知，可取为 塔釜液所占空间高度为：1.3m，塔底液相停留时间按1.0min考虑，则VsWlL 360063208.750.01759(m3/s)3600 998.2hi160 Vs20.785 1.21 60 O.。17592.1(m)20.785 0.8考虑到气相接管所占空间高度，底部空间高度可取 取为 1.3+2.5=3.8 米。因此塔的实际高度取H=5.0+3.8=8.8(m)2.5m，所以塔的附属空间高度可

22、以3.6填料层压降 P的计算气体通过填料层的压力降采用空塔气速u= 0.9416 m/sEckert关联图计算，有前面计算可知0 =130m-1纵坐标为：u20.2I0.94162 130 19.81益2 T o.。148WlG 0.5横坐标为：wG (T)63208.752268(费 o.990交点在每米填料压力降厶P=45 OPa的等压线上。故气体通过每米填料的压力降为450Pa。 P 总= PX Z=450X 5=2250Pa3.7泛点率吸收塔操作气速为 0.9416m/s.泛点气速为1.177m/s.所以泛点率为0.9416 f 100%84.10%1.177对于散装填料，其泛点率的经

23、验值为:u CL0.50.85Uf所以该塔的泛点率合适。4辅助设备的选用填料塔的附属设备有填料支承板、液体分布装置、液体再分布装置、气体和液体进出口装置以及除雾器等。填料塔附属装置的选型和设计对于保证塔的正常操作及性能的发挥至关 重要。以下简要介绍几种常用的附属结构。4.1填料支承装置填料支撑结构是用于支承塔内填料及其所特有的气体和液体的重量之装置。对填料支承 结构的基本要求是：有足够的强度以支承填料的重量；提供足够的自由截面以使气、液两相流体顺利通过，防止产生液泛；有利于液体的再分布；耐腐蚀，易制造，易装卸等。 常用的填料支承板主要有栅板式和气体喷射式等结构。1、栅板式支承板0.60.8栅板

24、式的支承结构较为常见，由竖立的扁钢制成。栅板可以制成整块式或分块式的。一 般直径小于500mm的塔可以采用整块式栅板；直径为大于600mm勺塔，可以根据情况将栅板 分成若干块，每块宽度在300400mm之间，以便于装卸。栅条间距为填料外径的倍。在直径较大的塔中，当填料环尺寸较小时，也可采用间距较大的栅板、2、气体喷射式支承板气体喷射式支承板的结构特点是：为气体和液体提供了不同的通道，气体易于进入填 料层，液体也可自由排出， 避免了因液体积聚而发生液泛的可能性，并有利于液体的均匀再分配。气体喷射式支承板有圆柱升气管式和梁式，而以梁式较为优越， 梁式支承板用于小塔可制成整体式，用于大塔则分块制作或

25、塔内组装。它可提供超过90%勺自由截面（有时甚至达到100%，保证气体通量大，阻力小。因此，在新型填料塔中广泛采用了这种结构。综上所述选用栅板式支承板4.2液体喷淋装置液体喷淋装置的作用是为了能有效的分布液体，提高填料的有效利用率。选择液体喷淋 装置的原则是能使液体均匀的分散开来，使整个塔截面的填料表面很好的润湿，结构简单， 制造和检修方便。液体喷淋装置的机构形式很多，常见的喷淋器结构有如下几种：管式喷淋器、莲蓬头式喷淋器、齿槽式分布器、盘式分布器、冲击式喷淋器等。对于各种类型的塔，应根据塔径的 不同，选择不同的喷淋结构。由于塔径D=800mn选用齿槽式分布器.4.3液体再分布装置填料塔内当液

26、体沿填料层下流时，往往会产生壁流现象， 使塔中心填料得不到良好的润湿，减少了气液接触的有效面积。为了克服这种现象，当填料层过高时，应将填料层分段装 填，并在塔内每两段填料之间安装液体再分布装置，使液体重新分布。液体再分布器的形式有多种，常用的结构有截锥式在分布器和槽型在分布器等。4.4塔顶除雾沫器穿过填料层的气体有时会夹带液体和雾滴，因此有时需在塔顶气体排出口前设置除雾沫 器，以尽量除去气体中被夹带的液体雾沫，常用的型式有填料除雾器、折流板式除雾器、丝网除雾器这几类5附属设备的计算与选择5.1吸收塔主要接管的尺寸计算在此分别气体和液体在管道中流速的选择原则本设计中填料塔有多处接管， 但主要的是

27、气体和液体的进料口和出料口接管。 以液体进料管和气体进料管的管径计算为例进行说明。为：常压塔气体进出口管气速可取1020m/s;液体进出口流速可取0.81.5m/s。1.液体进料接管进料管的结构类型很多，有直管进料管、弯管进料管、T型进料管。本设计采用直管进料管，管径计算如下取 u 液 1.2m/s设计取进料管管内径 D14 63208.75(Y 998.2 3600 3.14 1.20.137m查输送流体用地缝钢管:GB8163-20083可知,可选用热轧无缝钢管管径为168mm 9.5mm。则实际管内径为149mm实际通过液体接管的液速为：u液4LsD24 63208.752998.2 3

28、600 3.14 0.1491.01 m/s。2.气体进料接管采用直管进料。取气速16.0m/s设计取进料管管径D2J4 1800/3600 0.199mY % V 3.14 16.0所以查输送流体用地缝钢管:GB8163-20083可知取管径为219mm 6.5mm.实际管内径为206mm则实际通过气体接管的气速为:u气 4 1800/3600 15.00 m/s气 D23.14 0.20623. 吸收剂输送管路直径及流速计算145m m,其实际流速为根据管材规范，选择 159 7mm型的热轧无缝管道，其内径为4 63208.75U 998.2 3600 3.14 0.14521.065 m

29、/ s。5.2离心泵的计算与选择a） 流量 QWl63208.75998.263.32m3/hhfib）流量所需的扬程式中： Z 两截面处位头差;hf1 直管阻力;P两截面处静压头之差;ghf2 管件、阀门局部阻力;2两截面处动压头之差;g根据前面设计资料对上述公式各项进行估算:Z 8.8mP 881.58Pa管路总阻力和所需压头计算根据管路的平立面布置，计算所得雷诺数为：0.001004Re 也 O.145 皿 998.2153532.94000 （湍流）利用柏拉修斯关系式有:0.31640.3164153532.90.250.0160根据填料塔高及泵的大体位置,管路长1取16米选用三个90

30、hf1I u2d 2g弯头，三个截止阀全开16 1.06520.0160 0.145 2 9.810.102 mh f22 u2g0.75 3 6.43 皿 1.24 m2 9.812ghf 22250&8 0998.2 9.810.102 1.24 10.37m考虑到安全系数，查得流量的安全系数为1.1，扬程的安全系数为1.053H 1.05 10.37=11mQ 1.1Q1.1 63.3269.65m3/h因为该吸收以清水为吸收剂，选用离心泵型号为:IS100-80-125 单级单吸离心泵,其性能参数如转速（r/mi n ）流量m/h扬程H /m效率n /%轴功率电机功率必需汽蚀余量(NP

31、 SH)r /m290010020078%7.00kW11kW4.55.3风机的选择气体流量为1800m3/h 选管径为 219mm 6.5mm.实际管内径为206mm则实际通过气体接管的气速为:4 XGs 4 X1800/3600 “ “,u气=厂=厂=15.00 m/s气tD23.14 X0.2062本设计混合气体流量为1800m3/h，上面算的填料塔的全压降为2250Pa,所以选择JCL-19型离心式鼓风机其参数如下流量m3/h全压Pa转速r/min功率Kw电机型号1800230035001.5Y-J90S-2-H设计结果列表基础物性数据和物料衡算结果汇总：表-1项目符号数值与计量单位吸

32、收剂（水）的密度P L998.2(kg/m 3)溶剂的粘度卩L0.001004( Pa.S)=3.6kg/(m.h)溶剂表面张力5 L72.67(dyn/cm)=941803(kg/h 2)二氧化硫在水中扩散系数Dl5 2 6 21.47 X 10- (cm /s)=5.29 X 10- (m /h)混合气体的平均摩尔质量Mg30.75 g/mol混合气体的平均密度G1.26 kg/m3二氧化硫在空气中扩散系数Dg-4 2 20.108 X 10 (m /s)=0.039(m /h)亨利系数E3.55 X 103 KPa;气液相平衡常数m35.04溶解度系数H0.0156 kmol /(m3.KPa);二氧化硫进塔摩尔比Yi0.0526二氧化硫出塔摩尔比丫20.00251最小气液比(L/G)min33.37操作液气比L/G5