環(huán)保工程課程設(shè)計水吸收氨填料塔設(shè)計設(shè)計說明書

1、環(huán)境工程原理課程設(shè)計清水吸收氨的填料塔裝置設(shè)計說明書院 （系） 別： 資源與環(huán)境學(xué)院專 業(yè)： 環(huán)境工程年 級 班： 姓 名： 學(xué) 號： 指 導(dǎo) 老 師： 前言： 課程設(shè)計是比較綜合性和實踐性較強的教學(xué)環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)系實際的橋梁，是使學(xué)生體察工程實際問題復(fù)雜性、學(xué)習(xí)化工設(shè)計基本知識的初次嘗試。通過課程設(shè)計，要求學(xué)生能綜合利用本課程和前修課程的基本知識，進行融會貫通的獨立思考，在規(guī)定的時間內(nèi)完成指定的化工設(shè)計任務(wù)，從而得到化工工程設(shè)計的初步訓(xùn)練。通過課程設(shè)計，要求學(xué)生了解工程設(shè)計的基本內(nèi)容，掌握化工設(shè)計的程序和方法，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程實際問題的能力。同時，通過課程設(shè)計，還可以使學(xué)生樹立正確的設(shè)

2、計思想，培養(yǎng)實事求是、嚴肅認真、高度責(zé)任感的工作作風(fēng)。課程設(shè)計是增強工程觀念，培養(yǎng)提高學(xué)生獨立工作能力的有益實踐。經(jīng)過學(xué)習(xí),我知道，填料塔吸收凈化工藝不單應(yīng)用在化工領(lǐng)域 ,在低濃度工業(yè)廢氣凈化方面也能很好地發(fā)揮作用。工程實踐表明 ,合理的系統(tǒng)工藝和塔體設(shè)計 ,是保證凈化效果的前提。這次課程設(shè)計我把聚丙烯階梯填料應(yīng)用于水吸收氨過程的工藝設(shè)計以及工程問題。目錄一、設(shè)計任務(wù)書3二、設(shè)計方案簡介31、方案的確定42、填料的類型與選擇43、設(shè)計步驟4三、工藝計算41、基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)52、工藝尺寸計算6四、輔助設(shè)備的計算及選型151、除霧沫器152、液體分布器簡要設(shè)計163、填料支承裝置184、填料限制裝置

3、18五、設(shè)計結(jié)果匯總20六、工藝流程圖21七、課程設(shè)計總結(jié)22八、主要符號說明22九、參考文獻23十、附圖(氨氣吸收塔條件圖)2423一 設(shè)計任務(wù)書（一）設(shè)計題目水吸收nh3過程填料吸收塔的設(shè)計：試設(shè)計一座填料吸收塔，用于脫除焙燒爐送出的混合氣體(先冷卻)中的nh3，其余為惰性組分，采用清水進行吸收。混合氣體的處理量m3/h10800混合氣體nh3含量（體積分數(shù)）5.5%nh3的回收率不低于96%吸收劑的用量與最小用量之比1.6（二）操作條件（1）操作壓力 常壓 （2）操作溫度 20（三）設(shè)計內(nèi)容（1）吸收塔的物料衡算； （2）吸收塔的工藝尺寸計算； （3）填料層壓降的計算； （4）液體分布器

4、簡要設(shè)計； （5）吸收塔接管尺寸計算； （6）繪制吸收塔設(shè)計條件圖；（7）對設(shè)計過程的評述和有關(guān)問題的討論。二 設(shè)計方案簡介2.1方案的確定用水吸收nh3屬中等溶解度的吸收過程，為提高傳質(zhì)效率，選用逆流吸收流程。因用水作為吸收劑，且nh3不作為產(chǎn)品，故采用純?nèi)軇?.2填料的類型與選擇對于水吸收nh3的過程，操作溫度及操作壓力較低，工業(yè)上通常選用塑料散裝填料。在塑料散裝填料中，塑料階梯環(huán)填料的綜合性能較好，故此選用dn38聚丙烯階梯環(huán)填料。階梯環(huán)是對鮑爾環(huán)的改進。與鮑爾環(huán)相比，階梯環(huán)高度減少了一半，并在一端增加了一個錐形翻邊。由于高徑比減少，使得氣體繞填料外壁的平均路徑大為縮短，減少了氣體通過

5、填料層的阻力。錐形翻邊不僅增加了填料的機械強度，而且使填料之間由線接觸為主變成以點接觸為主，這樣不但增加了填料間的空隙，同時成為液體沿填料表面流動的匯集分散點，可以促進液膜的表面更新，有利于傳質(zhì)效率的提高。階梯環(huán)的綜合性能優(yōu)于鮑爾環(huán)，成為目前所使用的環(huán)形填料中最為優(yōu)良的一種。2.3設(shè)計步驟本課程設(shè)計從以下幾個方面的內(nèi)容來進行設(shè)計（一） 吸收塔的物料衡算；（二） 填料塔的工藝尺寸計算；主要包括：塔徑，填料層高度，填料層壓降；（三） 設(shè)計液體分布器及輔助設(shè)備的選型；（四） 繪制有關(guān)吸收操作圖紙。三 、工藝計算3.1基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)3.1.1 液相物性數(shù)據(jù) 對低濃度吸收過程，溶液的物性數(shù)據(jù)可近似取純水的

6、物性數(shù)據(jù)。由手冊查得，20時水的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下： 密度為 l=998.2kg/m3粘度為 l=0.001pas=3.6kg/(mh)表面張力為l=72.6dyn/cm=940896kg/h2nh3在水中的擴散系數(shù)為 dl=2.0410-9m2/s=7.34410-6m2/h（依wilke-chang計算，查化學(xué)工程基礎(chǔ)）3.1.2 氣相物性數(shù)據(jù)設(shè)進塔混合氣體溫度為20，混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為 mvm=yimi=0.0517.03+0.9529=28.40g/mol混合氣體的平均密度為vm=1.1806kg/ m3混合氣體的粘度可近似取為空氣的粘度，查手冊得20空氣的粘度為 v=1.81 1

7、0-5pas=0.065kg/(mh)查手冊得nh3在空氣中的擴散系數(shù)為 dv=0.255cm2/s=0.081m2/h3.1.3 氣液相平衡數(shù)據(jù)由手冊查得，常壓下20時nh3在水中的亨利系數(shù)為 e=76.41kpa相平衡常數(shù)為 m=e/p=76.41/101.3=0.754溶解度系數(shù)為h=/em=998.2/76.4118.02=0.7254kmol/kpam33.1.4 物料衡算(l). 進塔混合氣中各組分的量近似取塔平均操作壓強為101.3kpa，故：混合氣量=441.7 混合氣nh3中量441.70.05524.29 kmolh24.2917.03=413.66kgh設(shè)混合氣中惰性氣體

8、為空氣，則混合氣中空氣量441.71-24.29417.42kmolh417.422912105.18kgh(2)混合氣進出塔的摩爾組成y1=0.055y2=0.002323（3）混合氣進出塔摩爾比組成進塔氣相摩爾比為y1=0.0582出塔氣相摩爾比為y2=0.0582（1-0.96）=0.002328（4）出塔混合氣量出塔混合氣量=417.42+24.290.04=418.3916kmol/h=12105.18+441.70.04=12122.848kg/h（5）吸收劑（水）的用量l該吸收過程屬低濃度吸收，平衡關(guān)系為直線，最小液氣比可按下式計算對于純?nèi)軇┪者^程，進塔液相組成為x2=0=0.

9、724取操作液氣比為 =1.60.724=1.158l=1.158417.42=483.432 kmol/h(6)塔底吸收液組成x1=0.0482(7)操作線方程依操作線方程=y=1.158x+0.0023283.2填料塔的工藝尺寸的計算3.2.1塔徑的計算采用eckert通用關(guān)聯(lián)圖計算泛點氣速。氣相質(zhì)量流量為wv=108001.1806=12751.4 kg/h液相質(zhì)量流量可近似按純水的流量計算，即wl=483.43218.02=8711.4kg/h其中：l =998.2kg/m3 v =1.1806kg/m3g = 9.81 m/s2 = 1.27108 m/h2wv = 12751.4

10、kg/h wl = 8711.4kg/hl =0.001pas（1）采用ecekert通用關(guān)聯(lián)圖法計算泛點氣速uf。通用填料塔泛點和壓降的通用關(guān)聯(lián)圖如下：圖一填料塔泛點和壓降的通用關(guān)聯(lián)圖（引自化工原理）圖中 u0空塔氣速，m /s； 濕填料因子，簡稱填料因子，1 /m； 水的密度和液體的密度之比； g重力加速度，m /s2； v、l分別為氣體和液體的密度，kg /m3； wv、wl分別為氣體和液體的質(zhì)量流量，kg /s。 此圖適用于亂堆的顆粒形填料，如拉西環(huán)、弧鞍形填料、矩鞍形填料、鮑爾環(huán)等，其上還繪制了整砌拉西環(huán)和弦柵填料兩種規(guī)整填料的泛點曲線。對于其他填料，尚無可靠的填料因子數(shù)據(jù)。ecke

11、rt通用關(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)為 0.5=0.5=0.0235查圖一查得縱坐標(biāo)值為 0.2=0.3表一 散裝填料泛點填料因子平均值填料類型填料因子，1/mdn16dn25dn38dn50dn76金屬鮑爾環(huán)410117160金屬環(huán)矩鞍170150135120金屬階梯環(huán)160140塑料鮑爾環(huán)55028018414092塑料階梯環(huán)260170127瓷矩鞍1100550200226瓷拉西環(huán)1300832600410（ 化工原理課程設(shè)計附錄十一）查得：=3.826（2）操作氣速由以下公式計算塔徑：（化工原理課程設(shè)計） 對于散裝填料，其泛點率的經(jīng)驗值為u/uf=0.50.85取 u=0. 7uf=0.73.826

12、=2.678m/s（3）塔徑由=1.19圓整塔徑，取d=l.2m。 （4）泛點率校核： =2.653m/s=68.71%(在允許范圍內(nèi)）（5）填料規(guī)格校核： =31.578（6）液體噴淋密度校核： 取最小潤濕速率為 （lw）min=0.08 m3/mh查填料手冊得 塑料階梯環(huán)比表面積at=114.2m2/m3umin=（lw）minat=0.08114.2=9.136m3/ m2h=9.413m3/m2humin經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用d=1200mm合理。 3.2.2填料層高度計算(1)傳質(zhì)單元數(shù)nogy1*=mx1=0.7540.0482=0.0362解吸因數(shù)為:=0.651氣相總傳

13、質(zhì)單元數(shù)為:=6.412（2）傳質(zhì)單元高度的計算氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計算查表二:常見材質(zhì)的臨界表面張力值材質(zhì)碳瓷玻璃聚丙烯聚氯乙烯鋼石蠟表面張力, mn /m56617333407520得 = 33 dyn/cm = 427680 kg/h2液體質(zhì)量通量為:=7755.88kg/(m2h)氣膜吸收系數(shù)由下式計算：=0.3533氣體質(zhì)量通量為:氣體質(zhì)量通量:=11279.61=0.133kmol/(m2hkpa)液膜吸收系數(shù)由下式計算:=0.468m/h查表三:常見填料塔的形狀系數(shù)填料類型球形棒形拉西環(huán)弧鞍開孔環(huán)值0.720.7511.191.45本設(shè)計填料類型為開孔環(huán) 所以

14、=1.45,則=0.133114.20.35331.451.1=8.075kmol/(m3.h.kpa)=0.468114.20.35331.450.4=21.908 l/h又因u/uf=68.7150需要按下式進行校正，即可得：kg/a=1+9.5(0.6871-0.5)1.48.075=15.41kmol/(m3.h.kpa)kl/a=1+2.6(0.6871-0.5)2.221.908=23.33 l/h則由（3）填料層高度的計算由根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，填料層的設(shè)計高度一般為 z(1.21.5)z (4-19)式中 z設(shè)計時的填料高度，m； z 工藝計算得到的填料層高度，m。得: = 1.252

15、.898= 3.6 m 設(shè)計取填料層高度為 =3.6m 查：表四 散裝填料分段高度推薦值填料類型h/dhmax/m拉西環(huán)2.54矩鞍586鮑爾環(huán)5106階梯環(huán)8156環(huán)矩鞍5156對于階梯環(huán)填料， ， 取 ，則h=81200=9600 mm3600mm9600mm故只需一段，段高3.6m。3.2.3填料層壓降計算采用eckert通用關(guān)聯(lián)圖計算填料層壓降。橫坐標(biāo)為: 表五 散裝填料壓降填料因子平均值填料類型填料因子, 1/mdn16dn25dn38dn50dn76金屬鮑爾環(huán)306-11498-金屬環(huán)矩鞍-13893.47136金屬階梯環(huán)-11882-塑料鮑爾環(huán)34323211412562塑料階梯

16、環(huán)-17611689-瓷矩鞍環(huán)700215140160-瓷拉西環(huán)1050576450288-查表得，p =125 m-1縱坐標(biāo)為:查eckert通用關(guān)聯(lián)圖得: p/z = 200*9.81=1962pa/m填料層壓降為: p=19623.6=7063.2pa四、輔助設(shè)備的計算及選型1. 除霧沫器穿過填料層的氣體有時會夾帶液體和霧滴，因此需在塔頂氣體排出口前設(shè)置除沫器，以盡量除去氣體中被夾帶的液體霧沫，nh3溶于水中易于產(chǎn)生泡沫為了防止泡沫隨出氣管排出，影響吸收效率，采用除沫裝置，根據(jù)除沫裝置類型的使用范圍，該填料塔選取絲網(wǎng)除沫器。絲網(wǎng)除霧沫器：一般取絲網(wǎng)厚度h=100或150 mm，氣體通過除

17、沫器的壓降約為120250pa。通過絲網(wǎng)除沫器的最大速實際氣速為最大氣速的0.750.8倍 所以實際氣速u=0.752.4701=1.85m/s2.液體分布器簡要設(shè)計（1） 液體分布器的選型該吸收塔液相負荷較大，而氣相負荷相對較低，故選用槽式液體分布器。（2） 分布點密度計算表六 eckert的散裝填料塔分布點密度推薦值塔徑,mm分布點密度,點/ m2塔截面d=400330d=750170d120042按eckert建議值，因該塔液相負荷較大，設(shè)計取噴淋點密度為140點/m2 。布液點數(shù)為n=0.7851.22140=132.9158點按分布點幾何均勻與流量均勻的原則，進行布點設(shè)計。設(shè)計結(jié)果為

18、：二級槽共設(shè)七道，在槽側(cè)面開孔，槽寬度為80mm ，槽高度為210mm 。兩槽中心矩為 160mm 。分布點采用三角形排列，實際設(shè)計布點數(shù)為 n=158點.圖二 槽式液體分布器二級槽的布液點示意圖（3）布液計算由重力型液體分布器布液能力計算由式中 ls液體流量，m3/s； n開孔數(shù)目(分布點數(shù)目)； 孔流系數(shù)，通常取0.550.60； d0孔徑，m ； h開孔上方的液位高度，m。 取=0.60， =160mm,則設(shè)計取d0=4mm液體分布器的安裝一般高于填料層表面150300 mm (取決于操作彈性)，槽式分布器主槽分槽高度均取210mm，主槽寬度為塔徑的0.70.8，這里取塔徑的0.7，分槽

19、寬度由液體量及停留時間確定，最低液位為50mm為宜，最高液位由操作彈性塔內(nèi)允許高度及造價確定，一般為200 mm 左右。2.液體再分布器-升氣管式液體再分布器在離填料頂面一定距離處，噴淋的液體便開始向塔壁偏流，然后沿塔壁下流，塔中心處填料的不到好的潤濕，形成所謂的“干錐體”的不正?，F(xiàn)象，減少了氣液兩相的有效接觸面積。因此每隔一定的距離設(shè)置液體再分布裝置，以克服此現(xiàn)象。由于塔徑為1200mm，因此可選用升氣管式再分布器，分布外徑1180mm，升氣管數(shù)8。3 填料支承裝置填料支承結(jié)構(gòu)用于支承塔內(nèi)填料及其所持有的氣體和液體的重量之裝置。對填料的基本要求是：有足夠的強度以支承填料的重量;提供足夠的自由

20、截面以使氣液兩相流體順利通過，防止在此產(chǎn)生液泛；有利于液體的再分布；耐腐蝕，易制造，易裝卸等。常用填料支承板有柵板式和氣體噴射式。這里選用分塊梁式支承板。4.填料限定裝置為防止在上升氣流的作用下填料床層發(fā)生松動或者跳動，需在填料層上方設(shè)置填料壓緊裝置。對于塑料散裝填料，本設(shè)計選用創(chuàng)層限制板。3氣體和液體的進出口裝置管道的公稱通徑758090100120130140160185205235260315（1）氣體和液體的進出口直徑的計算由公式 vs 為流體的體積流量，m3/su 為適宜的流體流速，m/s .常壓氣體進出口管氣速可取1020m/s；液體進出口速度可取0.81.5 m/s（必要時可加大

21、）。選氣體流速為15 m/s 由vs=10800/3600=3 m3/s 代入上公式得d=504mm圓整之后，氣體進出口管徑為d=520mm選液體流速為2.0 m/s，由vs=483.43218.02（3600998.2）=0.0024m3/s 代入上公式得 d=39 mm,圓整之后液體進出口管徑為d=40 mm（2）底液出口管徑：選擇 d= 25 mm（3）泵的選型由計算結(jié)果可以選用：is100-80-125型的泵（4）塔附屬高的確定塔的附屬空間高度主要包括塔的上部空間高度，安裝液體分布器和液體再分度器所需的空間高度，塔的底部空間高度以及塔的群坐高度。塔的上部空間高度是指塔填料層以上，應(yīng)有一

22、足夠的空間高度，以使隨氣流攜帶的液滴能夠從氣相中分離出來，該高度一般取1.2-1.5。安裝液體再分布器所需的塔空間高度依據(jù)所用分布器的形式而定一般需要1-1.5m的高度。塔的底部空間高度是指塔底最下一塊塔板到塔底封頭之間的垂直距離。該空間高度含釜液所占的高度及釜液面上方的氣液分離高度的兩部分。釜液所占空間高度的確定是依據(jù)塔的釜液流量以及釜液在塔內(nèi)的停留時間確定出空間容積，然后根據(jù)該容積和塔徑計算出塔釜所占的空間高度。塔底液相液相停留時間按1min考慮，則塔釜液所占空間為考慮到氣相接管所占的空間高度，底部空間高度可取1.0米，所以塔的附屬空間高度可以取1.9米。（5）人孔公稱壓力公稱直徑密封面型

23、標(biāo)準(zhǔn)號常壓450 mm平面(fs)hg21515-95五、設(shè)計結(jié)果匯總課程設(shè)計名稱水吸收nh3填料吸收塔的設(shè)計操作條件操作溫度 20攝氏度操作壓力：常壓物性數(shù)據(jù)液相氣相液體密度998.2kg/m3混合氣體平均摩爾質(zhì)量28.40kg/kmol液體粘度3.6kg/(m h)混合氣體的平均密度1.1806kg/m3液體表面張力940896混合氣體的粘度0.065kg/(mh)nh3在水中的擴散系數(shù)7.34410-6m2/hnh3在空氣中的擴散系數(shù)0.081m2/h重力加速度1.27108m/h氣相平衡數(shù)據(jù)nh3在水中的亨利系數(shù)e相平衡常數(shù)m溶解度系數(shù)h76.41 kpa0.7540.7254kmol

24、/kpam3物料蘅算數(shù)據(jù)y1y2x1x2氣相流量g液相流量l最小液氣比操作液氣比0.05820.0023230.04820417.42kmol/ h483.432kmol/ h0.7241.158工藝數(shù)據(jù)氣相質(zhì)量流量液相質(zhì)量流量塔徑氣相總傳質(zhì)單元數(shù)氣相總傳質(zhì)單元高度填料層高度填料層壓降12751.48711.41.2m6.4120.452m3.6m7063.2pa填料塔附件除沫器液體分布器填料限定裝置填料支承板液體再分布器絲網(wǎng)式二級槽式床層限制版分塊梁式升氣管式六、工藝流程圖下圖是本設(shè)計的工藝流程簡圖圖二 工藝流程簡圖七、課程設(shè)計總結(jié)本次課程設(shè)計是在生產(chǎn)實習(xí)后進行的，是對化學(xué)工程的過程設(shè)計及設(shè)

25、備的選擇的一個深層次的鍛煉，也是對實際操作的一個加深理解。在設(shè)計過程中遇到的問題主要有：（1）未知條件的選?。?2)文獻檢索的能力；（3）對吸收過程的理解和計算理論的運用；（4）對實際操作過程中設(shè)備的選擇和條件的最優(yōu)化；（5）對工藝流程圖的理解以及繪制簡單的流程圖和設(shè)備結(jié)構(gòu)；（6）還有一些其他的問題，例如計算的準(zhǔn)確度等等。當(dāng)然，在本次設(shè)計中也為自己再次重新的復(fù)習(xí)化工這門學(xué)科提供了一個動力，對化工設(shè)計過程中所遇到的問題也有了一個更深的理解。理論和實際的結(jié)合也是本次設(shè)計的重點，為日后從事相關(guān)工作打下了一定的基礎(chǔ)。最后，深感要完成一個設(shè)計是相當(dāng)艱巨的一個任務(wù)，如何細節(jié)的出錯都有可能造成實際操作中的經(jīng)濟損失甚至生命安全八、主要符號說明at填料的總比表面積，m2/m3aw填料的潤濕比表面積，m2/m3d填料直徑，m；d塔徑，m；dl液體擴散系數(shù)，m2/s；dv氣體擴散系數(shù)，m2/s ； ev液沫夾帶量,kg(液)/kg(氣)； g重力加速度，9.81 m/s