环境工程原理课程设计.doc

环境工程原理课程设计目录一、吸收技术概况3二、设计任务及步骤32.1设计任务3三、填料塔操作条件3四、设计方案的确定44.1吸收流程的选择44.2吸收剂的选择44.3填料的选择44.4吸收工艺流程图（附图）及工艺过程说明5五、吸收塔的物料衡算55.1基础物性数据5a.液相物性数据5b.气相物性数据5c.气液两相平衡时的数据65.2物料衡算65.3填料塔的工艺尺寸计算7a.塔径的计算7b.泛点率校核和填料规格9c.液体喷淋密度校核95.4填料层高度计算10a.传质单元数的计算10b.传质单元高度的计算10c.填料层高度的计算125.5填料塔附属高度的计算125.6液体分布器的简要设计13a.液体分布器的选型13b.分布点密度及布液孔数的计算135.7其它附属塔内件的选择15a. 填料支撑板15b.填料压紧装置15c.气体进出口装置与排液装置15d.吸收塔主要接管的尺寸计算15e.离心泵的选择165.8流体力学参数计算17a.填料层压力降的计算17六、工艺设计计算结果汇总与主要符号说明186.1基础物性数据和物料衡算结果汇总186.2填料塔工艺尺寸计算结果表196.3流体力学参数计算结果汇总206.4附属设备计算结果汇总216.5所用聚丙烯塑料阶梯环填料主要性能参数汇总216.6主要符号说明21参考文献23设计方案讨论及结束语25一、吸收技术概况当气体混合物与适当的液体接触，气体中的一个或者几个组分溶解与液体中，而不能溶解的组分仍留在气体中，使气体得以分离。吸收过程是化工生产中常用的气体混合物的分离操作，其基本原理是利用混合物中各组分在特定的液体吸收剂中的溶解度不同，实现各组分分离的单元操作。本设计针对填料吸收进行相关计算，设备主体为塔状填料吸收器，塔内装有填料支承与压紧装置、液体与气体分布器、液体再分布器以及气体除沫器等。液体经塔顶喷淋装置均匀分布于填料上，依靠重力作用沿填料表面自上而下流动，并与在压强差推动下穿过填料空隙的气体相互接触，发生传热和传质。在吸收器内，填料在整个塔内堆成一个整体。有时也将填料装成几层，每层的下边都设有单独的支撑板。当填料分层堆放时，层与层之间常装有液体再分布装置。二、设计任务及步骤2.1设计任务用水吸收空气中混有的二氧化硫。2.2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）计算塔高及填料层的压降；（5）塔内件选择。三、填料塔操作条件1操作压力为常压，操作温度：293K。2填料类型：选用聚丙烯阶梯环填料。3工作日：每年320天，每天24小时连续运行。4厂址：昆明某地四、设计方案的确定4.1吸收流程的选择工业上使用的吸收流程多种多样，由于逆流操作具有传质推动力大，传质速率快，分离效率高（具有多个理论级的分离能力），吸收剂利用率高等显着优点，所以在本设计中选用逆流操作。逆流操作4.2吸收剂的选择对于吸收操作，选择适宜的吸收剂，具有十分重要的意义。其对吸收操作过程的经济性有着十分重要的影响。在考虑到吸收剂对溶质的溶解度、不易挥发、再生性能好，同时吸收剂应该具有良好的物理、化学性能和经济性等问题后，决定在本设计采用水作为吸收剂。4.3填料的选择塔填料是填料塔中的气液相间传质组件，是填料塔的核心部分。其种类繁多，性能上各有差异。由于本次过程处理量不大，所用的塔直径不会太大，适合采用填料塔，所以采用散装聚丙烯塑料阶梯环填料。阶梯环(Stairs wreath)填料如图片所示，填料呈阶梯环结构，环壁上开有长方形小孔，环内有两层交错 45的十字形叶片，环的高度为直径的一半，环的一端成喇叭口形状的翻边。这样的结构使得阶梯环填料的性能在鲍尔环的基础上又有提高，其生产能力可提高约10%，压降则可降低25%，且由于填料间呈多点接触，床层均匀，较好地避免了沟流现象。阶梯环一般由塑料和金属制成。 本设计所选材料主要性能参数如下：比表面积 at=132.5 孔隙率 =0.91形状修正系数 =1.45填料因子 =170mA=0.204临界张力 4.4吸收工艺流程图（附图）及工艺过程说明吸收SO2的流程包括吸收和解吸两大部分。混合气体冷却至20 下进入吸收塔底部，水从塔顶淋下，塔内装有填料以扩大气液接触面积。在气体与液体接触的过程中，气体中的SO2 溶解于水，使离开吸收塔顶的气体二氧化硫含量降低至允许值，而溶有较多二氧化硫的液体由吸收塔底排出。为了回收二氧化硫并再次利用水，需要将水和二氧化硫分离开，称为溶剂的再生。解吸是溶剂再生的一种方法，含二氧化硫的水溶液经过加热后送入解吸塔，与上升的过热蒸汽接触，二氧化硫从液相中解吸至气相。二氧化硫被解吸后，水溶剂得到再生，经过冷却后再重新作为吸收剂送入吸收塔循环使用。五、吸收塔的物料衡算5.1基础物性数据a.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时水的有关物性数据如下：密度 粘度 表面张力SO2在水中的扩散系数b.气相物性数据混合气体的平均摩尔质量为: 混合气体的平均密度为: 其中，混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册的20 C空气的粘度为：在空气中的扩散系数为：c.气液两相平衡时的数据常压下20在水中的亨利系数为：相平衡常数为： 溶解度系数为：5.2物料衡算进塔气相摩尔比为：出塔气相摩尔比为：对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为：进塔惰性气相流量为：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：实际操作液气比：进塔吸收剂流量：由得5.3填料塔的工艺尺寸计算a.塔径的计算采用Eckert 通用关联图计算泛点气速埃克特通用关联图:（查自：化工原理课程设计（化工传递与单元操作课程设计）气相质量流量为：=液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即：=Eckert通用关联图的横坐标为：查Eckert通用关联图得:0.018式中：泛点气速 m/s g：重力加速度 9.8m/s2 ,：气相，液相密度 ：液体粘度 （此处为1）本次设计选用的是塑料阶梯环类型填料。查表散装填料泛点填料因子平均值填料类型填料因子，1/mDN16DN25DN38DN50DN76金属鲍尔环410117160金属环矩鞍170150135120塑料鲍尔环55028018414092塑料阶梯环260170127瓷矩鞍1100550200226瓷拉西环1300832600410其填料因子泛点气速：对于散装填料，泛点率的经验值为此处取圆整塔径取。b.泛点率校核和填料规格泛点率校核: (在允许范围内)填料规格校核:阶梯环的径比要求：8有即符合要求c.液体喷淋密度校核取最小润湿速率为：查资料手册得聚丙烯阶梯环比表面积故满足最小喷淋密度的要求.经以上各项校核可知，填料塔直径选用D=1300mm合理。5.4填料层高度计算a.传质单元数的计算解吸因数为：气相总传质单元数为：= b.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查表(常见材质的临界表面张力值)， 得常见材质的临界表面张力材质碳瓷玻璃聚丙烯聚氯乙烯钢石 蜡表面张力56617333407520液体质量通量为气体质量通量为气膜吸收系数由下式计算 液膜吸收系数由下式计算 由，因为本设计填料类型为开孔环，故查表得，常见填料的形状系数填料类型球 形棒 形拉西环弧 鞍开孔环值0.720.7511.191.45则 因为 ，故需要按下式校正。由，得 则有 由 c.填料层高度的计算 根据设计经验，填料层真实选用高度一般为 所以 查表，对于阶梯环填料，h/D=815,m 散装填料分段高度推荐值填料类型h/DHmax/m拉西环2.54矩鞍586鲍尔环5106阶梯环8156环矩鞍5156取则计算得填料层高度为3800mm，故不需要分段。5.5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1.3m，塔底液相停留时间为min本设计按4min考虑，则塔釜液所占空间高度为： 考虑到气相接管所占空间高度，底部空间高度可取6.5m，所以塔的附属空间高度可以取为1.3+6.5=7.8米。因此塔的实际高度取H=3.8+7.8=11.6m5.6液体分布器的简要设计a.液体分布器的选型液体分布装置设于填料层顶部，用于将塔顶液体均匀分布在填料表面上，液体的分布装置性能对填料塔效率影响很大，特别是大直径、低填料层的填料塔，尤其需要性能良好的液体分布装置。由于液体在填料塔内分布均匀，可以增大填料的润湿表面积，以提高分离效果。因此，液体在塔顶的初始均匀喷淋，是保证填料塔达到预期分离效果的重要条件。从喷淋密度考虑，应保证每60的塔截面上约有一个喷淋点，这样，可以防止塔内壁流和沟流现象。液体分布装置的种类多样，有喷头式、盘式、管式、槽式、及槽盘式等。工业应用以管式、槽式、及槽盘式为主。 由于该吸收塔的液相负荷较大，而气相负荷相对较低，故选用槽式液体分布器。 当填料层高度与塔径之比超过某一数值时，填料层需分段。在各段填料层之间安设液体再分布器，以收集自上一填料层来的液体，为下一填料层提供均匀的液体分布。由于本次设计的填料层不需要分段,故不需要安装液体分布器。b.分布点密度及布液孔数的计算 Eckert的散装填料塔分布点密度推荐值塔径，mm分布点密度，塔截面D=400330D=750170D120042如上表，按照Eckert建议值，D1200mm 时，喷淋点密度为42点/m2,因为该塔液相负荷较大，设计取喷淋点密度为120点/ m2 。布液点数为：点布液计算： 由 其中：: 液体流率 n: 开孔数目: 孔流系数，取0.550.60d0: 孔径，: 开孔上方的液位高度， 取，本设计取 槽式液体分布器二级槽的布液点示意图5.7其它附属塔内件的选择a. 填料支撑板填料支撑板的作用是支撑塔内的填料，同时起着气液流道及气体均布作用。常用的填料支撑装置由栅板型，孔管型，驼峰型等。对于散装填料因栅板结构简单、自由截面积大、造价低，普遍选用栅板支撑装置。 b.填料压紧装置填料压板：栅条压板（填料直径介于0.6到 0.8间） 丝网压板（空隙较大，一般用于塔径1200mm以下） 大丝网压板（用于塔径1200mm以上）因此采用大丝网压板。c.气体进出口装置与排液装置气体进出口装置：填料塔的气体进口既要防止液体倒灌，更要有利于气体的均匀分布。对500mm直径以下的小塔，可使进气管伸到塔中心位置，管端切成45向下斜口或切成向下切口，使气流折转向上。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。气体出口装置既要保证气流畅通，又要尽量除去被夹带的液沫。最简单的装置是在气体出口处装一除沫挡板，或填料式、丝网式除雾器，对除沫要求高时可采用旋流板除雾器。本设计中选用除沫挡板。排液装置：液体出口装置既要使塔底液体顺利排出，又能防止塔内与塔外气体串通，常压吸收塔可采用液封装置。常压塔气体进出口管气速可取1020m/s（高压塔气速低于此值）；液体进出口流速可取0.81.5m/s（必要时可加大些）管径依气速决定后，应按标准管规定进行圆整。d.吸收塔主要接管的尺寸计算本设计中填料塔有多处接管，但主要的是气体和液体的进料口和出料口接管。在此分别以液体进料管和气体进料管的管径计算为例进行说明。气体和液体在管道中流速的选择原则为：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。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，管径计算如下取则进料管管内径查GB-T17395(2008) -无缝钢管尺寸可知，可选用热轧无缝钢管管径为。则实际管内径为200mm.实际通过液体接管的液速为： 。气体进料接管：采用直管进料。取气速 所以查GB-T17395(2008) -无缝钢管尺寸可知，取管径为，实际管内径为，则实际通过气体接管的气速为： 吸收剂输送管路直径及流速计算：根据管材规范，选择型的热轧无缝管道，其内径为184mm，其实际流速为： 。e.离心泵的选择流量 因为该吸收以清水为吸收剂，选用离心泵型号为：IS150-125-250单级单吸离心泵，其性能参数如下表 转速（r/min）流量m3/h扬程H /m效率/%功率/kW必需汽蚀余量(NPSH)r /m轴功率电机功率3.01450200208113.518.55.8流体力学参数计算a.填料层压力降的计算气体进出口压力降：由后面主要接管尺寸计算可知，气体的进出口接管内径为。则气体的进出口流速为: 则进口 （突然扩大 =1）出口 (突然缩小 =0.5）填料层压力降：采用Eckert关联图计算，有前面计算可知其中横坐标为： 1.206 查散装填料压降填料因子平均值得 散装填料压降填料因子平均值填料类型填料因子, 1/mDN16DN25DN38DN50DN76金属鲍尔环306-11498-金属环矩鞍-13893.47136金属阶梯环-11882-塑料阶梯环-17611689-瓷矩鞍环700215140160-瓷拉西环1050576450288-m-1纵坐标为： 查Eckert关联图得所以填料层压力降为：其它塔内间的压力降较小,因此可忽略，于是得到吸收塔的总压力降为：六、工艺设计计算结果汇总与主要符号说明6.1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收剂（水）的密度998.2(kg/m3)溶剂的粘度0.001004()=3.6溶剂表面张力72.67()=941803(kg/h2)二氧化硫在水中扩散系数1.4710-5(2/s)=5.2910-6(m2/h)混合气体的平均摩尔质量混合气体的平均密度1.164混合气体的粘度二氧化硫在空气中扩散系数0.10810-4(m2/s)=0.039(m2/h)亨利系数E3.55103 气液相平衡常数35.04溶解度系数H0.0156二氧化硫进塔摩尔比Y10.047二氧化硫出塔摩尔比Y20.00235惰性气体摩尔流量141.848吸收剂摩尔流量7082.754液相进口摩尔比X20液相出口摩尔比X16.2填料塔工艺尺寸计算结果表 表-2项目符号数值与计量单位气相质量流量3608.4kg/h液相质量流量127489.572kg/h塔径 1300mm空塔气速0.649泛点率68.82%喷淋密度U96.247m3/(m2.h)解吸因数S0.7018气相总传质单元数6.362液体质量通量96098.875气体质量通量2967.625气膜吸收系数0.0338kmol/(m.h.kpa)液膜吸收系数2.169(m/h)气相总吸收系数(校正后)8.228kmol/(m3.h.kpa)液相总吸收系数（校正后）226.410(l/h)气相总传质系数2.469 kmol/(m3.h.kpa)气相传质单元高度0.428填料层高度Z3.8填料塔上部空间高度1.3填料塔下部空间高度6.5塔附属高度7.8塔高11.6布液孔数160点孔径d00.0163m开孔上方高度0.16m6.3流体力学参数计算结果汇总 表-3项目符号数值与计量单位气体进口压力降P1120.11 Pa;气体出口压力降P260.05 Pa;填料层压力降744.8 Pa吸收塔总压力降881.58 Pa;6.4附属设备计算结果汇总 表-4项目选型数值与计量单位液体进出口接管热轧无缝钢管液体实际流速气体进出口接管热轧无缝钢管气体实际流速吸收剂输送管路热轧无缝钢管吸收剂实际流速离心泵的选型IS125-100-200单级单吸离心泵扬程 H=12.001m6.5所用聚丙烯塑料阶梯环填料主要性能参数汇总 表-5项目符号数值与计量单位公称直径38mm塔径与填料公称直径比值D/d8填料因子平均值170m临界表面张力值33形状修正系数1.45填料分段高度推荐值h/D=815m压降填料因子平均值116m-16.6主要符号说明1、英文字母 表-6填料层的润滑比表面积m/m；S脱吸因数;无因次;填料层的有效传质比表面积（m/m）扩散系数，m/s; 塔径,m;液体质量通量气体质量通量亨利系数，KPa;重力加速度，kg/(m.h);溶解度系数，kmol /(m.KPa);温度，0C;相平衡常数，无因次;气相总传质单元高度，m;气体通用常数，kJ/(kmol.K)填料因子， m-1 ; 修正系数，无因次总压，KPa ;气相总传质系数，无因次空塔速度，m/s ;液泛速度，m/s ;惰性气体流量，kmol/h ;混合气体体积流量，m3/h;液膜吸收系数 m/h;气膜吸收系数，kmol/(m.h.kpa);气相总吸收系数kmol/(m3.h.kpa);液相总吸收系数，l/h;气相总传质系数 kmol/(m3.h.kpa);液相总传质系数l/h;吸收剂用量kmol/h; kmol/s;是吸收液量 kmol/h吸收剂质量流量kg/h；气体质量流量，kg/h；密度kg/ m2.希腊字母 表-7粘度Pa.s密度kg/m3表面张力 kg/h2平均的，对数平均的最小的最大的参考文献王国胜主编.化工原理课程设计第二版.大连：大连理工大学出版社，2006.8陈敏恒，丛德滋，方图南，齐鸣斋编.化工原理下册第三版.北京：化学工业出版社,2006.5吉林化学工业公司设计院，化学工业部化工设计公司主编.化工工艺算图第一册常用物料物性数据. 北京：化学工业出版社,1982.10 贾绍义，柴诚敬主编.化工原理课程设计（化工传递与单元操作课程设计）.天津:天津大学出版社，2002.8陈敏恒，丛德滋，方图南，齐鸣斋编.化工原理上册第三版.北京：化学工业出版社,2006.5吉林化学工业公司设计院，化工部中国环球化学工程公司主编.化工工艺算图第三册化工单元操作. 北京：化学工业出版社,1993.3GB-T17395(2008) -无缝钢管尺寸.厉玉鸣主编.化工仪表及自动化第四版.北京：化学工业出版社，2010.79化学工程手册编辑委员会化学工程手册汽液传质设备北京：化学工业出版社，198910徐崇嗣等塔填料产品及技术手册。 北京：化学工业出版社，199511匡国柱，史启才等化工单元过程及设备课程设计。 北京：化学工业出版社，200212王树楹等现代填料塔技术指南， 北京：中国是石化出版社，199813兰州石油机械研究所现代塔器技术。 北京：烃加工出版社，1990 设计方案讨论及结束语本次设计的用水吸收二氧化硫的填料吸收塔，采用的是聚丙烯塑料阶梯环填料和逆流单程流程。混合气的体积流率为3100m3/h。 经过计算得出塔径为1300mm,塔总体高度为11.6m，而且不需要分段。气体和液体的进出口以及输送管路的管道尺寸都是依据GB-T17395(2008) -无缝钢管尺寸。在选择离心泵的时候，不仅考虑到了吸收剂的体积流量安全系数，也考虑到了扬程的安全系数。条件装配图尤其是工艺流程图，是在查阅有关绘图权威资料如化工工艺算图，工程制图与AutoCAD教程以及参考了化工仪表及自动化的基础上认真绘制的，但是由于学生的能力有限，水平欠佳，所以最终的图也许并没有达到十分的标准，这是有待在以后的学习生活中需要加以提高的。对于设计方案，我们还需要学习和借鉴，在此基础上加以大胆创新，从而来完