环境工程原理课程设计

1、啟都信息工程曇旎环境工程原理课程设计2 !=题目：填料吸收塔设计班级：学号：姓名：指导教师：评审教师： 完成日期:目录1、设计任务书11.1课程设计的题目112设计任务及条件113设计内容11.4设计要求12、确定设计方案22. 1前言22. 2吸收剂的选择22. 3吸收工艺流程的确定22. 4填料的选择22. 5操作温度与压力的确定22. 6吸收工艺流程图33、填料塔的工艺尺寸的计算33.1基础物性数据33.1.1液相物性数据33.1.2气相物性数据33.3气液相平衡数据33.1.4物料衡算43. 2塔径的计算43. 3填料层高度计算63. 4填料塔附属高度计算83. 5液体分布器计算和再分

2、布器的选择和计算83.5液体分布器的选型83.5.2液体再分布器83.5.3分布点密度计算83.4.4布液计算94、辅助设备的计算及选型94. 1气体分布装置94. 2除沫装置94. 3填料支承及压紧装置104.3.1填料支承设备104.3.2填料压紧装置104. 4气体和液体的进出口105、吸收塔的流体力学参数的计算105.1吸收塔的压力降105.1.1气体进出口压降105.1.2填料层压降105.1.3其他塔内件的压降115. 2吸收塔的泛点率115. 3气体动能因子116、设计一览表117、总结12参考文献14主要字母说明151、设计任务书11课程设计的题目填料吸收塔设计1. 2设计任务

3、及条件1）设计任务现拟用如图所示的吸收过程处理空气与丙酮的混合气体，设计条件如下。 混合气体的处理量为：6200nm3/h（即6214n?/h）。混合气体的组成：空气0.96；丙酮0.04 （均为mol分率）。要求丙酮回收率：n =0.97o混合气体温度：25°c, o.llmpao贫液j提气系统的相平衡关系可以表示为：y*=1.75x初一小 h处夂外化气富液a2）操作条件操作压力o.llmpa操作温度25°c3）填料类型填料类型和规格均自选4）工作日每年300天，每天24小时连续运行5）厂址成都地区13设计内容1）设计方案的确定；2)合理地选择填料；3)吸收塔的物料衡算；

4、4)吸收塔的工艺尺寸计算5)填料层压降的计算；6)塔的辅助装置的选型a）喷淋装置b）气体分布器c）液体分布器d）气体进出口装置e）填料支承装置7)吸收塔接管尺寸计算；8)绘制吸收塔的装配图（包括平、立、剖面图）：图纸规格均为2号图；图面布置均匀；符合制图规范要求；9)编写设计说明书：设计说明书按设计程序编写,报告格式见附录a。设计说明书要求文字简明、通顺、内容正确完整，书写工整、装订成册。1. 4设计要求1）在确定设计方案时既要考虑到工艺，操作的耍求又要兼顾经济和安全上的耍求;2）掌握填料塔设计的有关原理、步骤；3）必须学会合理地选择填料；4）必须校核本设计是否满足填料塔设计的有关设计要求；5

5、）必须依据国家有关标准来选择塔的附件如封头、支座等;2、确定设计方案2. 1前言填料塔不但结构简单，且流体通过填料层的压降较小，易于用耐腐蚀材料制造，所以它 特别适用于处理量小，有腐蚀性的物料及要求压降小的场合。液体自塔顶经液体分布器喷洒 于填料顶部，并在填料的表面呈膜状流下，气体从塔底的气体口送入，流过填料的空隙，在 填料层屮与液体逆流接触进行传质。因气液两相组成沿塔髙连续变化，所以填料塔属连续接 触式的气液传质设备。22吸收剂的选择在填料吸收塔的设计中，选择合适的吸收剂，对物系的有效分离、流程的确定、溶剂的 用量或循环量、设备的尺寸大小等都有至关重要的影响，也直接决定了分离操作的经济效益。

6、 对吸收剂的选择，一般遵循对溶质的溶解度大、对溶质有较高的吸收选择性、不易挥发和再 生性能好的原则。本设计拟采用水作为吸收剂，因操作温度及操作压力较低，且水具有清洁 环保、成本低廉、与丙酮能够混溶等特点，故使用水作为吸收剂。2. 3吸收工艺流程的确定工业上使用的吸收流程多种多样，可以从不同角度进行分类，从所选用的吸收剂的种类 看，有仅用一种吸收剂的一步吸收流程和使用两种吸收剂的两步吸收流程，从所用的塔设备 数量看，可分为单塔吸收流程和多塔吸收流程，从塔内气液两相的流向可分为逆流吸收流程、 并流吸收流程等基本流程，此外，还有用于特定条件下的部分溶剂循环流程。本设计吸收塔 部分拟采用逆流操作，即气

7、相自塔底进入由塔顶排出，液相流向与之相反，自塔顶进入由塔 底排出。逆流操作时平均推动力大，吸收剂利用率高，分离程度高，完成一定分离任务所需 传质面积小，工业上多采用逆流操作。2. 4填料的选择填料的选择包括确定填料的种类、尺寸及材质等.所选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较低.并且各种填料的结构差异较大，具有不同的优缺点，因此在 使用上应根据具体情况选择不同的塔填料。对于水吸收丙酮的过程，操作温度及操作压力较 低，工业上通常选用塑料散装填料。在塑料散装填料屮，塑料鲍尔环填料是工业上应用较广 的填料之一，故此选用dn38聚丙烯鲍尔环填料。2. 5操作温度与压力的确定25 摄

8、氏度,o.llmpao2. 6吸收工艺流程图图1吸收工艺流程图3、填料塔的工艺尺寸的计算3.1基础物性数据3.1.1液相物性数据对低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。由手册查得，25°c时水 的有关物性数据如下：密度为pl = 997. 08 kg/nr粘度为角=0. 00089 37/lk = 3.2173 滋/（加为）表面张力为（7, = 71. 97 dyn / cm = 932731 kg / lr查手册得15°c时丙酮在水中的扩散系数为do=1.2531o-9m2/s则25°c时丙酮在水屮的扩散系数为：d. =1.25x10_9x（27

9、3.15 + 25严 x（112）= 4.784xl0-6m2 /h273.15 + 151103.1.2气相物性数据进塔混合气体温度为25°c混合气体的平均摩尔质量为mvm = yimi = 0. 04 x 58. 08 + 0.96 x 29 = 30.16 / mol 混合气体的平均密度为尺 pmv. 110x30. 16 qqo1 /qj：w = = = 1. 338kg / m戶 rt 8.314 x 298. 15混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得25°c空气的粘度为 人=1.84x w5/d9 = 0. 066滋 / （加力）由手册查得，常压下0&#

10、176;c时丙酮在空气中的扩散系数为：d0=0.109310-4m2/h则25°c时丙酮在空气中的扩散系数为：0. = 0.109x 1 （t4 x（273.15 + 25 |.81 x（出=0 046,722 /h'273.15 + 151103.1.3气液相平衡数据当x<0.01, t=1545°c吋，丙酮水体系的亨利系数可用式：q2040t + 273. 15lg e 9. 171二计算得 e=213.211kpain相平衡常数为£pplemsqq7亦聞= 0.260沁/（伽#h -溶解度系数为3.1.4物料衡算进塔气相摩尔比为 匕=厂 =以1

11、 yi 1 - 0. 04岀塔气相摩尔比为yz = 71(1 一 如)=0. 0417(1 - 0. 96) = 0. 00167 进塔惰性气相流量为=0.0417f/ 6200273.15oc1 inz 7 / , x(1 0. 04) = 251. iqk/nol / h22.4273.15 + 25该吸收过程属低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算，即（彳）min -_ k1 一 y1"y / rn-xi对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为x2 = 0l、0.0417 一 0. 00167）min =:v0. 0417 / 1.938 - 0=1-651取操作液气比为

12、”1.9（糾£“.9x1.651 = 3.137z = 3.137 x 251.10 = 787. iqlkmol / h v（yi-y2）= l（xi-x2）x251.10 x（0. 0417 - 0 00167）787.701=0.01283. 2塔径的计算采用eckert通用关联图计算泛点气速气相质量流量为ca = 6214 x 1. 338 = 8314. 3kg / h 液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即cor = 787. 701 x 18 = 1417& 618 / heckert通用关联图的横坐标为3l （0）0.5 二g）v pl冬示)氷图2埃克特通用关

13、联图查图2得2叶3屮也屮=0.17g pl表1散装填料泛点填料因子平均值金属鲍尔坏410117160金属环矩鞍170150135120金属阶梯环160140塑料鲍尔环55028018414092塑料阶梯环260170127瓷愆鞍1100550200226瓷拉西环1300832600410填料类型填料因子，1/mdn16dn25dn38dn50dn76查表1(pf = 184厂uf = i 17*0 = j ° 17 x 9.81 x 997.08 =628加 / sy(p 呷p'mv184xlx 1.338 x 0. 8937°-2取 u = 0. 7®.

14、 = 0. 7 x 2.628 = 1.840/ / s由亞眶4 / 3600 = 093 7ru v 3. 14x1.84圆整塔径，取d=1.2m泛点率校核：“=6214/3 狀=53/s0.785x1.2"uf1.532. 628x 100% = 58. 22% (在 50%-80%允许范围内)填料规格校核：牛詈= 31.58 >8液体喷淋密度校核：取最小润湿速率为(am )min = 0.08/ /加.力表2鲍尔环填料参数(化工部标准：21556.2-95)10(p10xh10x0.357176800048292.7160)16xh16x0.340821400036294

15、.925 25xh25x05(04)403(322)519402199538(p38xh38x0.6(0.4)326(217)1518014695.950(d50xh50x0.8(0.5)322(201)65001099676(d76xh76xl.0(0.6)262(157)18307196.1890>89xh89xl.2(0.7)283(165)12006598规格直径(mm)堆积密度(kg/m)堆积个数比表面积(m/m)空隙率查表2at = 146/z7 / mu min = (z:r) min clt = 0. 08 x 146 = 11. 68/ / itt 1114178. 6

16、18 / 997. 080. 785 x 1.2?=12. 58 > u min经以上校核可知，填料塔直径选用d= 1200mm合理。3. 3填料层高度计算y = mx =1.938x0.0128=0.0248 乙* = mx2 = 0脱吸因数为s 旦.938x251.10=0.618l 787.701气相总传质单元数为y -y *in (l s) +sl e-e* in (1-0.618) q，q417-q +0.618 =6.0680.00167-01 1-0.618气相总传质单元高度采用修正的恩出关联式计算：-0.050.75a <?)/ 、l-exp< -1.45 5

17、丿u,20.2材质碳瓷玻璃聚丙烯聚氯乙烯钢石蜡表而张力，mn /m56617333407520表3常见材质的临界表面张力值查表3得oc = 33dm / cm = 427680kg / ir 液体质量通量为ul =:- = 12543.0lkg /(m2 /?)0.785x 1.2=1-exp-l. 45(翌型2)o 7% 12543.01 g932731146 x 3.2173=0. 395(12543. 0x 146 尸.05(12543. 012)°997. 082 xl.27x 10s ；997. 08 x 932731 x 146；气膜吸收系数由下式计算：紇二 0.237u

18、,< aiv 丿 气体质量通量为_ 6214x1.338 v，- 0.785x1.22avpvv )7355.21/(/7?-/i)紇=0.237'7355.21、"46x0.066丿'0.066 ,1.338x0.046 )、1/3'146x0.046、芒.314x298.15 丿=0.0684如?0(m2 h kpci)液膜吸收系数由下式汁算:= 0.009512543.01、0.395xl46x3.2173 丿(3.21731997.08x4.784x10z2 x 1/33.2173x1.27x10sk 997.08 丿=0.457 m/h表4常见

19、填料塔的形状系数填料类型球形棒形拉西环弧鞍开孔环屮值0.720.751191.45rti kga = kgawi/u ,查表 4 得0 = 1.45则 v = 0.0684x0.395x146x1.4511 =5.936 kmol/ hkpa)kla =灯=0.457 x 0.395 x 146 x 1.4504=31.448 / h=x 100% = 5& 22% > 50%u： 2.628(1.4由 kg'a= 1 + 9.5 -0.5uf)(y-2kga , kl y a = 1 + 2.60.5 kla ,得uf )kg'a= 1 + 9.5(0.5822

20、 0.5)" x5.936 = imzkmol/(m3 -h-kpa)ka= 1 + 2.6(0.5822 0.5尸 x31.448 = 31.783/h则由11/7.642 + 1/(0.260x31.783)v251.10-" 3.951x110x0.785x1.22=0.51 lm由2 = hognog = 0-511 x 6. 608 = 3. 377刃z = 1. 35 x 3. 793 = 4. 559/z?设计取填料层高度为z,=5m表5散装填料分段高度推荐值填料类型h/dhmax/m拉西环2.5<4矩鞍58<6鲍尔环510<6阶梯环815&

21、lt;6环矩鞍5-15<6h查表5,对于鲍尔环填料，万巧10,九naxw6m。h取 一=5,则dh=531 200=6000 mm计算得填料层高度为5000mm<6000mm,故不需分段。34填料塔附属高度计算塔上部空间高度可取1.8m,塔底液相停留时间按8min考虑，则塔釜所占空间高度为=1.68m8x60x787.701x181.22x0.785x3600x997.08考虑到气相接管所占的空间高度，底部空间高度可取2m,所以塔的附屈高度可以取4m. 所以塔高为ha=4+5=9hi3. 5液体分布器计算和再分布器的选择和计算3.5.1液体分布器的选型该吸收塔液相、气相负荷相对较高

22、，故选用槽式液体分布器。3.5.2液体再分布器本设计任务液相负荷不大，可选用排管式液体分布器，且填料层不高，可不设液体再分 布器。塔径，mm分布点密度，点/n?塔截面d=400330d=750170d/120042表6 eckert的散装填料塔分布点密度推荐值3.5.3分布点密度计算按eekert建议值，查表6, d/1 200吋，喷淋点密度为42点/nv,因该塔液相负荷较大, 设计取喷淋点密度为100点/n?。该塔选用的填料的比表面积佼大，故应选较大的分布点密度。设计中取分布点密度为 180 点/na布液点数为 n = 0.785xl.22xl80 = 203.47 = 204 点。按分布点

23、几何均匀与流量均匀的原则，进行布点设计。设计结果为：二级槽共设八道, 在槽侧面开孔，槽宽度为80 mm,槽高度为210 mm，两槽中心矩为140 mm。分布点采用 三角形排列，开孔间隔60mm,实际设计布点数为n=208点，布液点示意图如图3所示。图3槽式液体分布器二级槽的布液点示意图3.4.4布液计算由 ls=dn2gqh 取0=0. 60, /；= 140mm/ 、1/24&、兀n殒2gdh丿=0.005mr 4x14178.618/997.08x3600,3.14x208x0.672x9.81x0.144、辅助设备的计算及选型4. 1气体分布装置填料塔的气体进口既要防止液体倒灌，

24、更要有利于气体的均匀分布。对1.5m以下直径 的塔，管的末端可制成下弯的锥形扩大器，或采用其它均布气流的装置。本填料塔采用多孔 直管式气体分布装置。4. 2除沫装置穿过填料层的气体有时会夹带液体和雾滴，因此需在塔顶气体排出口前设置除沫器，以 尽量除去气体中被夹带的液体雾沫，丙酮溶于水中易于产生泡沫为了防止泡沫随出气管排 出，影响吸收效率，采用除沫装置，根据除沫装置类型的使用范i韦i,该填料塔选取丝网除沫 器。丝网除雾沫器：一般取丝网厚度h=100150mm,气体通过除沫器的压降约为120-250pao 第9页通过丝网除沫器的最大速为u = k ppu =0.o85x j8_l338 二2.32

25、冊/$ v pvy 1.338实际气速为最大气速的0.750.8倍 所以实际气速u=0.75x2.32=l.74m/s4. 3填料支承及压紧装置4.3.1填料支承设备填料支承结构用于支承塔内填料及其所持有的气体和液体的重量之装置。対填料的基本 要求是：有足够的机械强度;支承板的口由载面积不应小于填料层的口市截面积，以免气液 在通过支承板时流动阻力过人，在支承板首先发生液泛；有利于液体的再分布；耐腐蚀，易 制造，易装卸等。常用填料支承板有栅板型，孔管型，驼峰型等，对于本设计的散装填料类 型，选用驼峰型支承装置。4.3.2填料压紧装置为防止在上升气流的作用下填料床层发生松动或者跳动，需在填料层上方

26、设置填料压紧 装置。对于本设计的散装填料类型，选用压紧网板。4. 4气体和液体的进出口内一一流体的体积流量，m3/su为适宜的流体流速，m/s.常压气体进岀口管气速可取1020m/s；液体进出口速度可取0.81.5 m/s。选用气体流速为15m/s, k = 6214 / 3600 = 1. 72骄/ s，代入上式计算得：d - 382滋, 圆整之后，气体进出口管径为d=400mmo选液体流速为 1.5m/s,由 = 787. 701 x 18 / （3600 x 997. 08） = 0. 00395/ / s 代入上公式得：d - 58/7277»圆整z后，液体进出口管径为d=6

27、0mm5、吸收塔的流体力学参数的计算51吸收塔的压力降填料塔的压力降为：ap = a/?j + a/?2 + ap3 +工“ 5.1.1气体进出口压降取气体进出口接管的内径为400mm,则气体的进出口流速为4x62143600x3.14x0.4,=13.743（加/s）则进口压强为（突然扩大$=1）ap, = - pu2 =-xl.338xl3.7432 =126.35（）2 2出口压强为（突然缩小 $=0.5）a/?2 =0.5x-/?w2 =0.5x-xl.338xl3.7432 = 63.17（pfz） 2 25.1.2填料层压降采用eckert通用关联图计算填料层压降。横坐标为()0-

28、5 = 0. 062569 r p l表7散装填料压降填料因子平均值填料因了， 1/m填料类型 久16久25dn38dn50dn76金属鲍尔环30611498-金属环矩鞍-13893.47136金屈阶梯环-11882塑料鲍尔环34323211412562塑料阶梯环-17611689-瓷矩鞍环700215140160瓷拉湘环1050576450288-查表7=114胪纵坐标为u®呷 py 0.2 _ 1 522x 114x1. 451.338xx 0. 8937°-2 =二 0. 0511g pb9.81997. 08由横纵坐标，查图1得p / z = 41 x 9. 81=

29、402. 21 旳 / m填料层压降为p = 402.21 x 5 =2011.055.1.3其他塔内件的压降其他塔内件的压降工较小，在此处可以忽略。所以吸收塔的总压降为p = ap, + ap2 + p. + dxp = 126.35 + 637 + 2011.05 = 2200.57 (pa)52吸收塔的泛点率6214 / 36000. 785x1.2"=1.53刃 / suu1：贡x100% 6. 22% >50% (在心。航许范围内)5. 3气体动能因子气体动能因子简称f因子，其定义为f =其中u为空塔气速.本设计中气体动能因子为f = 1.5271.338 = 1.7

30、698 mls(kgln5气能因子在常 用的范围内。6、设览表课程设计名称填料吸收塔设计操作条件操作温度25°c操作压力:0.11 mpa物性数据液相气相液体密度997.08kg/m3混合气体平均摩尔质量30.16g/mol液体粘度3.217kg/(m h)混合气体的平均密度1.338kg/m3液体表面张力932731 kg/h2混合气体的粘度0.066kg/(m.h)丙酮在水中的扩丙酮在空气屮的扩散系4.784x 10-6m2/h0.046nr/h散系数数重力加速度1.27xl08m/h气相平衡数据丙酮在水中的亨利系数e相平衡常数m溶解度系数h213.211kpa1.9380.26

31、0kmol/(kpa.m2)物料衡算数据y)丫2x|x2气相流量v液相流量l最小液气比操作液气比0.04170.001670.01280251kmol/h 787.701 kmo" h1.6513.137工艺数据气相质量流量 液相质：&流：&. 气相总传质气相总传质单填料层塔径填料层压降填料塔总压降(kg/h)(kg/h)单兀数兀咼度咼度8314.314178.6181.2m6.0680.51 im5m2011.05pa2200.57pa填料塔附件除沫器液体分布器填料压紧装置填料支承板气体分布器丝网式二级槽压紧网板驼峰型多孔直管式7、总结通过本次课程设计，使我对填料塔设计的基本过程有一定的了解与认识。它相当于实际 填料塔设计工作的模拟。在课程设计过程屮，基本能按照规定的程序进行，先针对填料塔的 特点和收集、调查有关资料，然后进入草案阶段，其间与指导教师和同学进行讨论、逐步了 解设计填料塔的基本顺序，最后定案。设计方案确定后，进行扩初详细设计，并计算物料守 衡，传质系数，填料层高度，塔高等；最后进行塔附件设计。此次课程设计基本能按照设计任务书、指导书、技术条件的要求进行。同学之间相互 联系，讨论，整体设计基本满足使用要求。但是在设计指导过程中也发现一些问题，女口： 1. 参数的查找存在较大的问题；2.对吸收的计算公式不a理解