环境工程原理课程设计

1、清水吸收氨过程填料吸收塔设计2011级环工一班董峻宇 20116048目录第一节前言81.1 填料塔的主体结构与特点 81.2 填料塔的设计任务及步骤 81.3 填料塔设计条件及操作条件 8第二节精储塔主体设计方案的确定 .92.1 装置流程的确定92.2 吸收剂的选择 92.3 填料的类型与选择 92.3.1 填料种类的选择 92.3.2 填料规格的选择 92.3.3 填料材质的选择 102.4 基础物性数据102.4.1 液相物性数据 102.4.2 气相物性数据 112.4.3 气液相平衡数据112.4.4 物料恒算11第三节填料塔工艺尺寸的计算 123.1 塔径的计算123.2 填料层

2、高度的计算及分段 143.2.1 传质单元数的计算 143.2.3 填料层的分段173.3 填料层压降的计算17第四节填料塔件的类型及设计 184.1 塔件类型184.2 塔件的设计184.2.1 液体分布器设计的基本要求： 184.2.2 液体分布器布液能力的计算 18注:1填料塔设计结果一览表 182填料塔设计数据一览 193参考文献204后记及其他 20环境工程原理课程设计任务书一、课程设计的意义与目的课程设计是环境工程原理课程的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本 门课程及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。在整个教学计划 中，它也起着培养学生独立工作能力的重要作用

3、。课程设计不同于平时的作业，在设计中需要学生自己做出决策，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，课程设计是培养学生独 立工作能力的有益实践。通过课程设计，学生应该注重以下几个能力的训练和培养：1 .查阅资料，选用公式和搜集数据（包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集 ） 的能力；2 .树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作 时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际 问题的能力；3 .迅速准确的进行工程计算的能力；4 .

4、用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。二、设计资料（一）、设计题目：清水吸收氨过程填料吸收塔设计（二）、设计条件：1、气体混合物成分：空气和氨；2、氨的含量：(体积)(1) 5.0% (2) 6.0% (3) 7.0%;3、混合气体流量：(1) 1000m3/h; (2) 2000m3/h;(3) 3000m3/h;4、操作温度：298K;5、混合气体压力：101.3KPa；6、回收率：(1) 97.0% (2) 98.0% (3) 99.0%7、所用填料：材料及规格自定。(三)、设计容：1、确定吸收流程；2、物料衡算，确定塔顶、塔底的气液流量和组成；3、选择填料、计算塔径、填料层

5、高度、填料的分层、塔高的确定。4、流体力学特性的校核：液气速度的求取，喷淋密度的校核，填料层压降P的计算5、附属装置的选择与确定：液体喷淋装置、液体再分布器、气体进出口及液体进出口 装置、栅板。(四)、设计要求(交纸质的设计说明书及设计图)：1、设计说明书容包括：、目录和设计任务书；、流程图及流程说明；、计算(根据计算需要，作出必要的草图，计算中所采用的数据和经验公式应注明其来源)；、设计计算结果表；、对设计成果的评价及讨论;、参考文献2、设计图纸：绘制一填料塔装置图（CAD图）（要打印版）第一节前言1.1 填料塔的主体结构与特点结构：捕沫器填料压板塔壳填料填料支承板液体再分布器填料压板填料支

6、承板气体气体图1-1填料塔结构图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 以她特别适用于处理量肖，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，在填料层中与液体逆流接触进行传质。因气液两相组成沿塔高连续变化，所 以填料塔属连续接触式的气液传质设备。1.2 填料塔的设计任务及步骤设计任务：用水吸收空气中混有的氨气。设计步骤：(1)根据设计任务和工艺要求，确定设计方案；(2)针对物系及分离要求，选择适宜填料；(3)确定塔径、填料层高度等工艺尺寸(考虑喷淋密度)(4)计算塔

7、高、及填料层的压降；(5)塔件设计。1.3 填料塔设计条件及操作条件1.气体混合物成分：空气和氨2 .空气中氨的含量：5.0% （体积含量即为摩尔含量）3 .混合气体流量3000 m3/h4 .操作温度298K5 .混合气体压力101.3KPa6 .回收率97 %7 .采用清水为吸收剂8 .填料类型：采用乱堆塑料鲍尔环填料第二节精微塔主体设计方案的确定2.1 装置流程的确定本次设计采用逆流操作：气相自塔低进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出, 即逆流操作。逆流操作的特点是：传质平均推动力大，传质速率快，分离效率高，吸收剂利用率 高。工业生产中多采用逆流操作。2.2 吸收剂的选择因为用水做吸

8、收剂，故采用纯溶剂。2-1工业常用吸收剂溶质溶剂溶质溶剂氨水、硫酸内酮蒸汽水氯化氢水二氧化碳水、碱液二氧化硫水硫化氢碱液、有机溶剂苯蒸汽煤油、洗油一氧化碳铜氨液2.3 填料的类型与选择填料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。2.3.1 填料种类的选择本次采用散装填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料、 环鞍形填料及球形填料等。鲍尔环是目前应用较广的填料之一，本次选用鲍尔环。2.3.2 填料规格的选择工业塔常用的散装填料主要有 Dn16Dn25Dn38 Dn76等几种规格。同类填料，尺寸越小，分离效率越高，但阻力增加，通量减小，填料费用也增加很多。

9、而大尺寸的填 料应用于小直径塔中，又会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率降低。因 此，对塔径与填料尺寸的比值要有一规定。常用填料的塔径与填料公称直径比值 D/d的推荐值列于。表3-1填料种类D/d的推荐值拉四环D/d 2030鞍环D/d 15鲍尔环D/d 1015阶梯环D/d8环矩鞍D/d82.3.3 填料材质的选择工业上，填料的材质分为瓷、金属和塑料三大类聚丙烯填料在低温(低于0度)时具有冷脆性，在低于0度的条件下使用要慎重，可选 耐低温性能良好的聚氯乙烯填料。鲍尔环填料具有通量大、阻力小、分离效率高及操作弹性大等优点，在相同的降压下， 处理量可较拉西环大50蛆上。在同样处理量时，

10、降压可降低一半，传质效率可提高20% 左右。与拉西环比较，这种填料具有生产能力大、阻力小、操作弹性大等特点，在一般 情况下同样压降时处理可比拉西环大 50%-100%同样处理时压降比拉西环小 50%-70% 塔高也有降压，采用鲍尔环可以比拉西环节约20%-40%ft料容积。综合以上：选择塑料鲍尔环散装填料Dn502.4 基础物性数据2.4.1 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水的有关物性数据如下：1 .p=997.05 (kg/m3)2 .黏度 0.8904mpa s 3.2173kg/(m h)2 223 表面力为：72.0dyn/cm

11、932731kg/h4.25 CNH 3 : H 0.738kmol /m3 kpa5.25 CNH 3 : Dl 7.54 10 6m2/h6.25 CNH 3 : DV 0.231m2/s2.4.2气相物性数据1.混合气体的平均摩尔质量为(2-1)MVMyimi 0.05 17.0304 0.95 29 28.40152.混合气体的平均密度PMVMVM RT101.3 2840158.314 2981.1612(2-2)R=8.314 m3 KPa/kmol K3.混合气体黏度可近似取为空气黏度。查手册得25 C时，空气的黏度_ 5_ 2v 1.83 10 pa s 6.588 10 kg

12、/m h222注：1N 1kg m/s 1Pa 1N /m 1kg/s m 1Pa s=1kg/m s2.4.3 气液相平衡数据由手册查得，常压下，250C时，NH3在水中的亨利系数为 E=76.3kpa25时，NH3在水中的溶解度：H=0.738kmol/m相平衡常数：m E 0.7532(2-3)P溶解度系数：H 997.05/76.3 18.02 0.738kmol/kpa m3(2-4)EMs2.4.4 物料恒算1 .进塔气相摩尔比为Yi 一 0.050.05263(2-5)1 y11 0.052 .出口气相摩尔比为Y2 Y(1) 0.05263 (1 0.97) 1.579 103

13、.进塔惰性气体流量3000273V (1 0.05) 116.5583kmol/h22.4 273 25因为该吸收过程为低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比按下式计算L Y 一V min Y/m X2(2-7)即：(2-8)所以 -V minYi Y2Y1 m X20.05263 1.579 10 30.73040.05263 0.753选择操作液气比为1.7-1.2417V min(2-9)L=1.2417 xi16.5583=144.7298kmol/h因为 V(Yi-Y2)=L(Xi-X2)X1=0.04111第三节填料塔工艺尺寸的计算填料塔工艺尺寸的计算包括塔径的计算、填料能高度的计

14、算及分段3.1塔径的计算1.空塔气速的确定一一泛点气速法对于散装填料，其泛点率的经验值 u/u f =0.50.85贝恩（Bain）霍根（Hougen）关联式,即:lg2Uf 曳3g2Wi:=A-K wLWv2：Uf即：1g痴1000.91731.1612997.051022700.679140.0942 1.75 4712.4(3-1 )11.1781 卫998.2所以：u2/9.81 (100/0.917 3)(1.1612/997.05) =0.2421172607其中:Uf =3.9655765557m/s因为是纯溶剂吸收过程，进塔液相组成 X2 0uf-鲍尔环的的常数，0.0942;

15、泛点气速，m/s;重力加速度，9.81m/s2 ;填料总比表面积，m2/m3；填料层空隙率m3/m3;997.05kg/m3液相密度;1.1612kg/m3气相密度；Wl=2700.67914 kg/h ；Wv=4712.4kg/h ;K=1.75;取 u=0.8 , uF =3.9655765557m/s.则 u =u 3.9655765557=3.172464Vs4 30000.33463.14 3600 3.17246(3-2)调整塔径后D=0.4m1.泛点速率校核:30003.14 0.42 3600 46.6348m/sUf6.63481.67313.9656不在卫在允许围（0.50

16、.85）Uf所以，调整塔径D=0.7m40003.14 0.72 3600 42.8795m/s2.8795Uf0.72613.9656在U-在允许围（0.50.85）Uf2.根据填料规格校核：D/d=700/50=14,根据表3-1符合3.液体喷淋密度的校核:(1)填料塔的液体喷淋密度是指单位时间、单位塔截面上液体的喷淋量(2)最小润湿速率是指在塔的截面上，单位长度的填料周边的最小液体体积流量对于直径不超过75mm的散装填料，可取最小润湿速率 Lw min为0.08m3 / m h。UminLw min t 0.08 1008m3 e h(3-3)wL3600.6791422L 0.75 D

17、2997.05 0.75 0.729.82678(3-4)经过以上校验，填料塔直径设计为 D=700mm合理。3.2填料层高度的计算及分段*Y1mX1 0.04111 0.7532 0.0310(3-5)*Y2mX2 0(3-6)3.2.1传质单元数的计算用对数平均推动力法求传质单元数N OG丫1 丫2* *Y Y(丫2 丫2)YM1心丫2 丫2(3-7)(3-8)0.05263-0.0310 -(1.59 10 3 0),0.05263 0.0310 In 1.59 10 3=0.00767716.6483440.05263-1.59 10Nog 0.00767713.2.2质单元高度的计算

18、气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算:awat1 exp0.751.45 Ullat l0.12Ul2at20.20.05Ul2/ l lat(3-9)aw、at单位体积填料的了有 效面积及总表面积，m2 / m3;c、 l填料材质的临界表面张力及液体的表面张力，N / m;cU l液体通过空塔界面的 质量流速，kg /(m2 s);l液体粘度，Pa s;l液体密度，kg/m3；即：aw. at =0.356952177液体质量通量为：uL =W/ (0.785X0.7X0.7) =9360.923kg/( m2?h)气体质量通量为：uV =3000 X1.1612/ (0.785X0.

19、49) =9056.5449kg/( m2?h)气膜吸收系数由下式计算：kG 0.237(旦)0.7 v/ v Dv 3 -j-Dv(3-10)t vRT-5 0.71/30.237 9056.5449 105.4235 1050.06588 0.225 1.1612100 0.225 8.314 298=0.0971kmol/( m2 h kpa)液膜吸收数据由下式计算：211UL 3 L L g 3、Kl 0.0095 -L-(3-11 )w lL DlL=0.2454056m/h因为1.4511_11_KGKG W .0.097 0.3570 1.45. 1003 =5.2113kmol

20、/ (m Pa h)KL KL W 0.4 = 0.2454 100 0.3570 1.4504=10.164559/h因为：u Uf =0.7261所以需要用以下式进行校正：1.4kG1 9.5 0.5kGUf 一 ，一 一 一、14_=1 9.5 (0.7284 0.5) .5.21133 =11.4752 kmol/ (m Pa h)2.2,u 八1K 1 2.60.5 kLUf _ _ 2 2=1 2.6 0.7284-0.510.164559(3-12 )(3-13)=11.19066755/hKG11,kghk,GL=1 汽1+11.4752+1 W738+11.19066755)

21、.3=4.80241kmol/ (m Pa h)H OGVKyVKG P=116.558380241+101.39.7389.49=0.66256 mZ HoGNoG=0.66256 X6.648=4.405m,得(3-14)(3-15)(3-16 )(3-17)(3-18 )Z=1.4 W.405=6.1665m3.2.3填料层的分段对于鲍尔环散装填料的分段高度推荐值为h/D=510。h=5 X70010X700=3.5 7 m计算得填料层高度为6000mm,故需要进行分段，2米为一段，分为三段3.3填料层压降的计算取Eckert (通用压降关联图)；将操作气速u(=2.8795m/s)代替

22、纵坐标中的 4查表，DG50mm塑料鲍尔环的压降填料因子=125代替纵坐标中的.则纵标值为：2(3-19)u? ? 0.2 =0.12469 g Lu 空塔气速， m/s;P 水/ l水与液相的密度比； 填料因子，1/ m;V、 L气相、液相密度，kg/m3;l 液体粘度，Pa s;横坐标为:0.52700.67914 1.16124712.4997.050.02608(3-20)Wl、WV分别为液相、气相的 质量流速，kg/h;查图得:(3-21)P196.2Pa/m Z为确保填料塔能在最佳工作情况下操作，每米填料层的压强降不能太大，一般常压 塔压降 P=147490.3Pa(1550mm

23、H?O)为宜；经计算，所涉及的填料塔的每米压强降为458Pa,在此围，因此符合实际操作情况。全塔填料层压降P =196.2 X6=1177.2 Pa至此，吸收塔的物科衡算、塔径、填料层高度及填料层压降均已算出第四节填料塔件的类型及设计4.1 塔件类型填料塔的件主要有填料支撑装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体收集再分 布装置等。合理的选择和设计塔件，对保证填料塔的正常操作及优良的传质性能十分重 要。4.2 塔件的设计4.2.1 液体分布器设计的基本要求：(1)液体分布均匀(2)操作弹性大(3)自由截面积大(4)其他4.2.2 液体分布器布液能力的计算(1)重力型液体分布器布液能力计算(2)压

24、力型液体分布器布液能力计算注：(1)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。(2)塔径及液体负荷不大，可采用较简单的栅板型支承板及压板。其它塔附件及气液 出口装置计算与选择此处从略。注：1填料塔设计结果一览表塔径0.7m填料层高度6m填料规格50mm鲍尔环1.24171.7倍最小液气比操作液气比校正液体流速压降3.17246/s1177.2Pa惰性气体流量116.5583kmol/h2填料塔设计数据一览E亨利系数，76.3Kpa ;uv气体的粘度，1.83 10 5 Pa/s=6588 10 5kg/m.h；m 一平衡常数，0.7532;一水的密度和

25、液体的密度之比，1 ;928一重力加速度，9.81 m /s =1.27 10 m/h ；33一分别为气体和放体的密度， 1.1612 kg/m ； 997.05 kg / m ；WL =2700.67914 kg/h WV =4712.4kg/h 一分别为气体和液体的质量流量;Kya一气相总体积传质系数，11.1901kmol/(m3 s)；Z 一填料层高度，6m ;D2一塔截面积，4H OG 一气相总传质单元高度，0.66256m ;Nog 一气相总传质单元数，6.648;Kg 一以分压差表示推动力的总传质系数，0.0971kmol/( m2?h? kpa);aW 一单位体积填料的润湿面积

26、，35.70 m2 / m3 ；at填料总比表面积，100m2 / m3;填料层空隙率 m3/m3 91.7%；kG 一以分压差表示推动力的气膜传质系数，kmol /(m2 s kpa)；H 溶解度系数，0.738 kmol/(m2 kpa)；k. .kL 以摩尔浓度差表示推动力的液摩尔传质系数,8.314kN m/ kmol KR气体常数，；Dv 0.231m2/s Dl 7.54 10 6 m2 / h 一氨气在空气中中的扩散系数及氨气在水中的扩散系数2l减体表面张力系数932731kg/h ；c 填料材质的临界表面张力，427680kg/h2;开孔鲍尔环=145填料形状系数液体质量通量为：UL =WL / (0.785X0.7X0.7) =9360.923kg/( m2?h)；气体质量通量为：UV =30000 X1.1612/0.49=9056.5449kg/( m2?h)；参考文献1夏1#化工原理（下）M.天津:天津大学,2005.2贾绍义柴诚敬.化工原理课程设计M.天津:天津大学,2002.3华南理工大学化工原理教研室著.化工过程及设备设计M.:华南理工大学,1986.4周军.秋利化工A