有害气体课程设计分析

1、课程设计（综合实验）报告2015-2016年度第二学期）名称：有害气体控制工程题目:水吸收氨气填料塔院系：环境科学与工程学院班级：学号：学生姓名：指导教师：设计周数：一 周成绩：日期：2016 年 月曰目 录1绪论 21.1氨的性质 21.2填料塔技术 2填料塔简介 2填料的类型 22设计正文 42.1流程选择及说明 4逆流吸收 4填料设计参数 42.1.2.1 矩鞍环的特点 42.1.2.2 填料材质的选择 42.1.2.3 矩鞍环填料设计参数 52.2净化设备的计算 52.2.1 基础物性数据 5物料衡算，确定塔顶、塔底的气液流量和组成错误!未定义书签。塔径的计算 7填料层高度计算 9填料

2、层压降计算 102.3塔附属设备工艺计算 12液体分布装置 12塔附属高度的计算 122.3.3 除沫装置 122.3.4 填料支承装置 132.4设计一览表 错误!未定义书签。2.5工艺流程图 错误!未定义书签。3课程设计总结 17参考文献 18有害气体控制工程课程设计任务书一、设计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。二、设计任务试设计一个填料塔，常压，逆流操作，操作温度为20 C,以清水为吸收剂，吸收脱除混合气体中的 NH3，气体处理

3、量为 6500m3/h，其中含氨2% （体积分数），要求吸收率达到 99.9%。三、设计内容和要求1）研究分析资料。2）净化设备的计算，包括计算吸收塔的物料衡算、吸收塔的工艺尺寸计算、填料层压降的 计算及校核计算。3）附属设备的设计等。4）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，格式参照学校要求。5）设计图纸。包括填料塔剖面结构图、工艺流程图。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

4、符合国家标准；图面布置均匀;符合制图规范要求。6）对设计过程的评述和有关问题的讨论。四、参考文献设计计算过程请参阅参考书及其他文献资料，并在设计计算书中列明。五、设计进度安排下达任务书后，开始进行课程设计计算。 完成时间：一周。安排时间进行答辩。本任务书为二班的任务书：学号：201305010201-201305010209 :鲍尔环学号：201305010210-201305010220 :阶梯环 学号：201305010221-201305010231，矩鞍环（或矩鞍） 备注：可根据情况，自行选择不列于上的其他填料。亠、绪论氨是化工生产中极为重要的生产原料，但是其强烈的刺激性气味对于人体健

5、康和大气环境都会造成破坏和污染，氨对接触的皮肤组织都有腐蚀和刺激作用，可以吸收皮肤组织中的水分，使组织蛋白变性，并使组织脂肪皂化，破坏细胞膜结构。1. 氨的性质氨（N H3）为无色而有强烈刺激气味的气体。分子量 17.03 ;沸点-33.5 C;熔点-77.8 C; 对空气的相对密度 0.5962 （空气=1 ）, 1 L气体在标准状况下，质量为0.7708g，室温时在6-7大气压下可以液化（临界温度132.4 C,临界压力112.2大气压），也和易被固化成雪状的固体，液态氨的相对密度（0C时）为0.638。氨极易溶于水、乙醇和乙醚，当0C时每1L水中能溶解1176mL，即即 907g氨。2.

6、 填料塔技术水吸收氨吸收塔，采用的是填料吸收塔来用水吸收氨属于中等溶解度的吸收过程，填料塔不仅结构简单，而且阻力小，便于用耐腐蚀材料制造，对于直径较小的他，处理有辐射性的物 质或要求降压较小的真空蒸馏系统，填料塔都有明显的优越性.为提高传质效率，选用逆流吸收流程。工作生产中多采用逆流操作，逆流操作特点是，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。填料塔简介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

7、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。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

8、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。此次设计采用矩鞍环填料。 矩鞍环填料由于其具有高的密度和优异的耐酸耐热性能，并且能耐除氢氟酸以外的各种无机酸、有机酸及有机溶剂腐蚀。陶瓷矩鞍环填料的形状介于环形与 鞍形之间，因而兼有两者之优点。这种结构有利于液体分布和增加民气体通道。比鲍尔环阻力小、通量大、效率高、填料强度和刚性较好，是目前应用最广的一种散堆填料。二、设计正文2.1流程选择及说明逆流吸收用水吸收NH属高溶解度的吸收过程，为提高传

9、质效率和分离效率，所以，本设计选用 逆流吸收流程。气相自塔底进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出，此即逆流操作。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。工业生产中多用逆流操作。该填料塔中，氨气和空气混合气体，经由填料塔的下侧进入填料塔中， 与从填料塔顶流下的水逆流接触，在填料的作用下进行吸收。经吸收后的混合气体由塔顶排除，吸收了氨气的水由填料塔的下端流出。填料设计参数填料是填料塔的核心构件，它提供了气、液两相相接触传质与传热的表面， 其性能优劣 是决定填料塔操作性能的主要因素。 填料的比表面积越大， 气液分布也就越均匀， 传质效率 也越高，它与塔内件一起决

10、定了填料塔的性质。 因此，填料的选择是填料塔设计的重要环节。2.1.2.1 矩鞍环的特点矩鞍环属于填料的一种型号，它采用连续挤出的工艺进行加工，与同种材质的拉西环填料相比，具有通量大、压降低、效率高等优点。矩鞍环填料床层具有较大的空隙率，床层内多为 圆弧形液体通道，减少了气体通过床层的阻力，也使液体向下流动时的径向扩散系数减小。矩鞍环比鲍尔环阻力小、通量大、效率高、填料强度和刚性较好，是目前应用最广的一种散堆填料。2.1.2.2 填料材质的选择工业上，填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。（1）陶瓷填料。陶瓷填料具有良好的耐腐蚀性及耐热性，一般能耐除氢氟酸以外的常 见的各种无机酸、有机酸的腐蚀

11、，对强碱介质，可以选用耐碱配方制造的耐碱陶瓷填料。工 业上，主要用于气体吸收、气体洗涤、液体萃取等过程。（2）金属填料。金属填料可用多种材质制成，金属材料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。金属填料可制成薄壁结构 （0.2 0.1mm），与同种类型、同种规格的陶瓷、塑料填料相比，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，工业应用主要以金属填料为主。（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，国内一般多采用聚丙烯材质。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。其耐温性良好，可长期在100C

12、以下使用。聚丙烯填料在低温（低于0C）时具有冷脆性，在低于0C的条件下使用要谨慎，可选用耐低温性能好的聚氯乙烯填料。金属填料与同种类型、同种规格的陶瓷、塑料填料相比，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、高冲击强度下使用所以本次课设选用金属填料。2.123 矩鞍环填料设计参数A, K取值可由表2-2得出。本设计选用 不锈钢304L为基准的5028X）.8金属矩鞍环， 其主要性能参数如下：比表面积 at=90.1 m /m，空隙率 =0.97，填料常数 A=0.06225 ,K=1.75。2-1金属矩鞍环参数规格 DXHX( mm堆积个数n/m3比表面积m/m3堆积重度

13、m/m3空隙率%25 >20 >0.51190471851539638 >24 >0.531654140.4249.69750 >28 >0.81116090.1239.79776X48X1.0332057.6244.797表2-2不同类型填料的A K值散装填料类型AK规整填料类型AK塑料鲍尔环0.09421.75金属阶梯环0.1061.75金属鲍尔环0.11.75瓷矩鞍0.1761.75塑料阶梯环0.2041.75金属环矩鞍0.062251.752.2净化设备的计算包括计算吸收塔的物料衡算、吸收塔的工艺尺寸计算、填料层压降的计算及校核计算。基础物性数据液相

14、物性数据由于低浓度吸收，溶液近似取纯水的物性数据。温度T=20oC时，经查表，水的物性数据如下所示：密度为：p L =998.2kg/m3 ;动力粘度为：卩 L=0.001004Pa s=1.004mPa s；气相物性数据混合气体：c =427680 ( kg/h2)；空气黏度：v 1.81 10 5 (Pa s) 0.065(kg/m6)；在273K, 101.3Kpa情况下，氨气在空气中扩散系数：D。0.17(m2/s)相平衡常数由亨利系数EHM S可得EL998.2m P HM sP 0.72518 .02101 .3E亨利系数H溶解度系数 Ms相对摩尔质量M相平衡常数0.7542.2.

15、2物料衡算已知混合气(空气，氨)进气量 V=4500nVh ;进塔混合气中含氨体积分数 溶剂吸收过程，进塔液相组成为：X2=0 ；吸收率 =99.5%进塔气相摩尔比为：y1=0.04 ;对于纯丫1= y10.020.0204 ；1 y11 0.02出塔气相摩尔比为：Y, Y1(1) 0.0204(1 0.999) 0.0000204混合气体流量：6500 273293 22.4270.37 kmol/h进塔惰性气相流量:V 270.37 (1 0.02)264.96(kmol /h)Y 丫2X1X2最小液气比:¥丫1mX20.0204 0.00002040.0204 门00.7540

16、.74646取实际液气比为最小液气比的2倍，则可得吸收 剂用量为：L 0.74646 264.96 2395.564（kmol / h）由全塔物料衡算得：V Y % L Xi X2Xi VYi % LX2 °.°204 °.0000204 0.0135L0.74646 2V单位时间内通过吸收塔的惰性气体量，kmol/s;L单位时间内通过吸收塔的溶解剂，kmol/s;Y、Y2分别为进塔及出塔气体中溶质组分的摩尔比，koml/koml;X、X?分别为进塔及出塔液体中溶质组分的摩尔比，koml/koml;塔径的计算塔径的计算101.325kPa。得28.76g/mol3

17、1.196kg /m考虑到填料塔内塔的压力降，塔的操作压力为M 17g/mol 0.02 29g/mol （1-0.02）混合气体的密度：33PM 101.325 1028.76 10VRT8.315 293气相质量流量：WV 6500 1.1967774 kg/h液相质量流量：（近似纯水）Wl 395.564 187120.125kg/h填料总比表面积：at 90.1m2/m3水的黏度：L=1.004mPa s；21/41/8|gUF 2 _V 02 A K %-VgLWVL1 19120125)4-0723365001.19699822ufa vl020.21gl4.18m/su0.219

18、.810.973998.2Uf 90.1 1.196 1.004°.2其中：卩f泛点气速， m/s ;g重力加速度，9. 81m/s3at填料总比表面积，m/ m&填料层空隙率，m/ m；p V, P L气相、液相密度，k/m3；卩l液体粘度，mPa s;A, K关联常数（A,K值见表2-2 ）矩鞍环的空塔气速 u （0.650.85uf）因此取泛点率为 f=0.8，即，u 0.8uf 0.8 4.183.344m/s4 6500/36003.3440.83m其中：d一一塔径，mv操作条件下混合气体的体积流量，m/s ；u 空塔气速，即按空塔截面积计算的混合气体线速度，m/s

19、.圆整后取 D=0.9m （常用的标准塔径为 400、500、600、700、800、1000、1200、1400、1600、2000、 2200）2.2.3.2 泛点率校核2.84m/ s6500/360020.785 0.9u /Uf 2.84 /4.180.679上式中对于散装填料，其泛点率的经验值为u/uF 0.5 0.85填料规格校核：D d900 dO o18 8502.2.3.3液体喷淋密度校核对于直径不超过 75mm的拉西环及其他填料，可取最小润湿速率为:3(Lw)min0.08m /(m h)at90.1m2 /m3所以 U min ( LW ) minLhU 0.785 D

20、2395.564 1820.785 0.9998.211.22m3/(m2 h) U min经以上校核可知，填料塔直径选用 D=0.9 m合理。2.2.4填料层高度计算（用脱吸因数法进行计算）脱吸因数为 S mV 0.754 264.960.505L395.5642.2.4.1气相传质单元数计算Nog占n I" S 匕 S1ln 1 0.5050.0204 " 00.505 =12.541 0.5050.0000204 0液体质量通量为 w=395.564 18 =11197.8kg/m2 h;?4 °.92气体质量通量为牡65： 0,612226.15 kg/m

21、2 h;at 0.08 90.17.208m3/(m2 h)224.2传质单元高度根据实用环境工程手册一大气污染控制工程查得 气膜体积总传质系数可采用经验公式计算得到kGKg0.061讥0.就39626.33kmol/(rm-hatm)=0.174kmol/(vm-satm)；KyKg P 0.174 1 0.174 kmol/ (m - s);H OGVKy264.96 436000.92 0.1740.665填料层高度h Hog Ng 0.665 12.548.342m填料层压降计算采用Eckert通用关联图计算填料层压降横坐标为0.5= 7120.12577741.196998.20.5

22、=0.0317;表2-6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-金属矩鞍环-13893.47136金属阶梯环-11882-塑料鲍尔环34323211412562塑料阶梯环-17611689-瓷矩鞍环700215140160-瓷拉西环1050576450288-查表得矩鞍环P 71m纵坐标为:0.2L3.3442 71 19811.196998.21.0040.20.029查图2-2得,15 9.81pa/mP 15 9.81 8.342pa1.23kpa填料层压降为0 0020.01( OOH0 0060001L

23、. D.»l仲心图2-2通用压降关联图2.3塔附属设备工艺计算液体分布装置液体分布器的作用：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60m2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安装位置，须高于填料层表面200mm以提供足够的自由空间，让上升气流不受约束地

24、穿过分布器。根据氨气易溶解的性质， 可选用目前应用较为广泛的多孔型布液装置中的排管式喷淋器。多孔型布液装置能提供足够均匀的液体分布和空出足够大的气体通道（自由截面一般在70鳩上），也便于制成分段可拆结构。液体引入排管喷淋器的方式采用液体由水平主管一侧引入，通过支管上的小孔向填料层喷淋。排管式喷淋器采用塑料制造。塔附属高度的计算填料塔的总塔高 H主要取决于填料层高度 Z,此外还需要考虑塔顶空间、 塔底空间、 及再分布器的布置等。填料塔的总高H可由下式进行计算：HHd Z (n 1)Hf Hb式中:h 总塔咼，mZ-填料层高度，m;Hf装配液体再分布器的空间咼，m；取 0.4mHd塔顶空间高（不包

25、括封头部分）,m一般取=0.81.4m ;这里取1mHb-塔底空间高（不包括封头部分）,m一般取=1.21.5m ;这里取1.4mn填料层分层数。因此， H=1+8.342+ (1-1) X).4+1.4=10.742m除沫装置由于气体在塔顶离开填料塔时，带有大量的液沫和雾滴，为回收这部分液相，经常需要在顶设置除沫器。 常用的除沫器有以下几种： 折流板式除沫器，它是一种利用惯性使液滴 得以分离的装置，一般在小塔中使用。旋流板式除沫器，由几块固定的旋流板片组成，气体通过时，产生旋转运动， 造成一个离心力场， 液滴在离心力作用下，向塔壁运动实现了气液分离。适用于大塔径净化要求高的场合。丝网除沫器，

26、它由金属丝卷成高度为 100-150的盘状使用。安装方式多种多样，气体通过除雾沫器的压强降约为120-250Kp，丝网除沫器的直径由气体通过丝网的最大气速决定。根据本吸收特点及要求，本吸收操作选用金属丝网除沫器。234填料支承装置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。对填料的基本要求是：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， 防止在此产生液泛；有利于液体的再分布；耐腐蚀，易制造，易装卸等。常用填料支承板有 栅板式和气体喷射式。这里选用分块梁式支承板。2.4设计一览表如表2-7 , 2-8 , 2-9所示。表2-7吸收塔的吸收剂用量计

27、算总表意义及符号结果混合气体处理量G6500m 3/h气液相平衡常数m0.754进塔气相摩尔分率yi0.0204出塔气相摩尔分率y20.0000204进塔液相摩尔分率xi0.0135最小液气比（L/V）min0.74646混合气体平均摩尔质量 M28.76g/mol混合气体的密度 P1.196kg/m3混合气体的粘度卩0.0184mPa.s吸收剂用量L395.564kmol/h表2-8塔设备计算总表意义及符号结果塔径D0.9 m塔高H10.742m填料层高Z8.342m填料塔上部高度1 m填料塔下部高度1.4 m气相总传质单兀咼度0.665m气相总传质单元数12.54 m布液孔数n48个泛点气速3.344 m/s泛点率f0.80表2-9填料计算总表意义及符号结果填料直径dp50mm孔隙率%0.97填料比表面积a90.1m2/m3填料因子71m-1填料常数A0.062252.5填料塔装配图2.6工艺流程图塔底进气，塔顶进液t液体沿填料向下流动；气体通过填料向上流动t气体液体相接触,