環(huán)境工程的課程設計---填料吸收塔

1、<p><b>　　《環(huán)境工程原理》</b></p><p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>　　課程設計題目：填料吸收塔</p><p><b>　　2011年11月</b></p><p>　　課程設計的意義與目的</p><

2、;p>　　課程設計是《環(huán)境工程原理》課程的一個總結性教學環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)學生綜合運用本門課程及有關選修課程的基本知識去解決某一設計任務的一次訓練。在整個教學計劃中，它也起著培養(yǎng)學生獨立工作能力的重要作用。</p><p>　　課程設計不同于平時的作業(yè)，在設計中需要學生自己做出決策，即自己確定方案，選擇流程，查取資料，進行過程和設備計算，并要對自己的選擇做出論證和核算，經(jīng)過反復的分析比較，擇優(yōu)選定最理想的方案和合

3、理的設計。所以，課程設計是培養(yǎng)學生獨立工作能力的有益實踐。</p><p>　　通過課程設計,學生應該注重以下幾個能力的訓練和培養(yǎng)：</p><p>　　1. 查閱資料，選用公式和搜集數(shù)據(jù)(包括從已發(fā)表的文獻中和從生產(chǎn)現(xiàn)場中搜集)的能力；</p><p>　　2. 樹立既考慮技術上的先進性與可行性，又考慮經(jīng)濟上的合理性，并注意到操作時的勞動條件和環(huán)境保護的正確設計思

4、想，在這種設計思想的指導下去分析和解決實際問題的能力；</p><p>　　3. 迅速準確的進行工程計算的能力；</p><p>　　4. 用簡潔的文字，清晰的圖表來表達自己設計思想的能力。</p><p><b>　　二、設計資料</b></p><p>　?。ㄒ唬╊}目：清水吸收混合氣中的二氧化硫填料吸收塔設計<

5、/p><p><b>　?。ǘ┰O計條件：</b></p><p>　　1、混合氣（空氣+二氧化硫）</p><p>　　2、處理量：3000 m3/h3、進塔混合氣中含二氧化硫：13%4、進塔吸收劑（清水），溫度293K5、二氧化硫的吸收率：99%6、操作壓力：101.3KPa；</p><p>　　7、所選填料：

6、亂堆塑料階梯環(huán)，規(guī)格自定。</p><p><b>　?。ㄈ⒃O計內(nèi)容：</b></p><p><b>　　1、確定吸收流程；</b></p><p>　　2、物料衡算，確定塔頂、塔底的氣液流量和組成；</p><p>　　3、選擇填料、計算塔徑、填料層高度、填料的分層、塔高的確定。</p

7、><p>　　4、流體力學特性的校核：液氣速度的求取，噴淋密度的校核，填料層壓降△P的計算。</p><p>　　5、附屬裝置的選擇與確定：液體噴淋裝置、液體再分布器、氣體進出口及液體進出口裝置、柵板。</p><p>　?。ㄋ模?、設計要求（交紙質(zhì)的設計說明書和設計圖）：</p><p>　　1、設計說明書內(nèi)容包括：</p><

8、;p>　　⑴、目錄和設計任務書；</p><p>　?、?、流程圖及流程說明；</p><p>　　⑶、計算（根據(jù)計算需要，作出必要的草圖，計算中所采用的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式應注明其來源）；</p><p>　?、取⒃O計計算結果表；</p><p>　?、?、對設計成果的評價及討論；</p><p><b>　　

9、⑹、參考文獻。</b></p><p>　　2、設計圖紙：繪制一張?zhí)盍纤b置圖（CAD圖）。 </p><p><b>　　水吸收氨課程設計</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1.設計內(nèi)容</b></p>

10、;<p><b>　　第一節(jié)前言7</b></p><p>　　1.1填料塔的主體結構與特點7</p><p>　　1.2填料塔的設計任務及步驟7</p><p>　　1.3填料塔設計條件及操作條件8</p><p>　　第二節(jié) 填料塔主體設計方案的確定8</p><p

11、>　　2.1裝置流程的確定8</p><p>　　2.2 吸收劑的選擇8</p><p>　　2.3填料的類型與選擇9</p><p>　　2.3.1 填料種類的選擇9</p><p>　　2.3.2 填料規(guī)格的選擇9</p><p>　　2.3.3 填料材質(zhì)的選擇9</p>&l

12、t;p>　　2.4 基礎物性數(shù)據(jù)10</p><p>　　2.4.1 液相物性數(shù)據(jù)10</p><p>　　2.4.2 氣相物性數(shù)據(jù)10</p><p>　　2.4.4 物料橫算11</p><p>　　第三節(jié) 填料塔工藝尺寸的計算11</p><p>　　3.1 塔徑的計算11</p&

13、gt;<p>　　3.2 填料層高度的計算及分段13</p><p>　　3.2.1 傳質(zhì)單元數(shù)的計算13</p><p>　　3.2.3 填料層的分段15</p><p>　　3.3 填料層壓降的計算15</p><p>　　第四節(jié)填料塔內(nèi)件的類型及設計16</p><p>　　4.1 塔內(nèi)

14、件類型16</p><p>　　4.2 塔內(nèi)件的設計16</p><p>　　4.2.1 液體分布器設計的基本要求：16</p><p>　　4.2.2 液體分布器布液能力的計算16</p><p><b>　　注：</b></p><p>　　2.填料塔設計結果一覽表17<

15、/p><p>　　2.1 填料塔設計數(shù)據(jù)一覽17</p><p>　　3 對設計結果評價18</p><p><b>　　4.參考文獻18</b></p><p>　　5.后記及其他19</p><p><b>　　6.附件</b></p><p>

16、;　　附件一：塔設備流程圖20</p><p>　　附件二：塔設備設計圖21</p><p><b>　　1.設計內(nèi)容</b></p><p><b>　　第一節(jié) 前言</b></p><p>　　填料塔的主體結構與特點</p><p><b>　　結構：&l

17、t;/b></p><p>　　圖1-1 填料塔結構圖</p><p>　　填料塔不但結構簡單，且流體通過填料層的壓降較小，易于用耐腐蝕材料制造，所以她特別適用于處理量肖，有腐蝕性的物料及要求壓降小的場合。液體自塔頂經(jīng)液體分布器噴灑于填料頂部，并在填料的表面呈膜狀流下，氣體從塔底的氣體口送入，流過填料的空隙，在填料層中與液體逆流接觸進行傳質(zhì)。因氣液兩相組成沿塔高連續(xù)變化，所以填料塔屬

18、連續(xù)接觸式的氣液傳質(zhì)設備。</p><p>　　填料塔的設計任務及步驟</p><p>　　設計任務：清水吸收混合氣中的二氧化硫</p><p>　　設計步驟：（1）根據(jù)設計任務和工藝要求，確定設計方案;</p><p>　?。?）針對物系及分離要求，選擇適宜填料；</p><p>　?。?）確定塔徑、填料層高度等工藝

19、尺寸（考慮噴淋密度）；</p><p>　?。?）計算塔高、及填料層的壓降；</p><p><b>　?。?）塔內(nèi)件設計。</b></p><p>　　1.3 填料塔設計條件及操作條件</p><p>　　1. 氣體混合物成分：空氣和二氧化硫</p><p>　　2. 進塔混合氣中含二氧化

20、硫（體積分數(shù)）：13%</p><p>　　3. 處理量：3000m3/h</p><p>　　4. 操作溫度：293K</p><p>　　5. 混合氣體壓力：101.3KPa</p><p>　　6. 二氧化硫的吸收率：99%</p><p>　　7. 采用清水為吸收劑</p><p>　　

21、8. 填料類型：亂堆塑料階梯環(huán)，規(guī)格自定</p><p>　　第二節(jié) 精餾塔主體設計方案的確定</p><p><b>　　裝置流程的確定</b></p><p>　　本次設計采用逆流操作：氣相自塔低進入由塔頂排出，液相自塔頂進入由塔底排出，即逆流操作。</p><p>　　逆流操作的特點是：傳質(zhì)平均推動力大，傳質(zhì)速率快

22、，分離效率高，吸收劑利用率高。工業(yè)生產(chǎn)中多采用逆流操作。</p><p>　　2.2 吸收劑的選擇</p><p>　　因為用水做吸收劑，故采用純?nèi)軇?lt;/p><p>　　2-1 工業(yè)常用吸收劑</p><p>　　2.3填料的類型與選擇</p><p>　　填料的種類很多，根據(jù)裝填方式的不同，可分為散裝填料和規(guī)

23、整填料兩大類。</p><p>　　2.3.1 填料種類的選擇</p><p>　　本次采用散裝填料。散裝填料根據(jù)結構特點不同，又可分為環(huán)形填料、鞍形填料、環(huán)鞍形填料及球形填料等。鮑爾環(huán)是目前應用較廣的填料之一，本次選用鮑爾環(huán)。</p><p>　　2.3.2 填料規(guī)格的選擇</p><p>　　工業(yè)塔常用的散裝填料主要有Dn16\Dn25\

24、Dn38\ Dn76等幾種規(guī)格。同類填料，尺寸越小，分離效率越高，但阻力增加，通量減小，填料費用也增加很多。而大尺寸的填料應用于小直徑塔中，又會產(chǎn)生液體分布不良及嚴重的壁流，使塔的分離效率降低。因此，對塔徑與填料尺寸的比值要有一規(guī)定。</p><p>　　常用填料的塔徑與填料公稱直徑比值D/d的推薦值列于。</p><p><b>　　表3-1</b></p&g

25、t;<p>　　2.3.3 填料材質(zhì)的選擇</p><p>　　工業(yè)上，填料的材質(zhì)分為陶瓷、金屬和塑料三大類</p><p>　　聚丙烯填料在低溫（低于0度）時具有冷脆性，在低于0度的條件下使用要慎重，可選耐低溫性能良好的聚氯乙烯填料。</p><p>　　綜合以上：選擇亂堆填料階梯環(huán)Dn25</p><p>　　2.4 基礎

26、物性數(shù)據(jù)</p><p>　　2.4.1 液相物性數(shù)據(jù)</p><p><b>　　1. </b></p><p><b>　　2. </b></p><p>　　3. 表面張力為:</p><p>　　4. 20℃SO2:H=0.0156kmol/（kpa.m3)

27、</p><p>　　5 20℃SO2:DV=1.22105m2/s</p><p>　　6 20℃SO2:DL =1.47109 m2/s</p><p>　　2.4.2 氣相物性數(shù)據(jù)</p><p>　　1. 混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為</p><p>　　Mvm=yimi=640.13+290.87=3

28、3.55</p><p>　　2. 混合氣體的平均密度</p><p>　　ρ=PM/RT=101.3×33.55/8.314×293=1.3952kg/m3 (2-2)</p><p><b>　　R=8.314 </b></p><p>　　混合氣體黏度可近似取為空氣黏度。查手冊得20時，空

29、氣的黏度</p><p>　　注： 1 1Pa..s=1kg/m.s</p><p>　　2.4.3 氣液相平衡數(shù)據(jù)</p><p>　　由手冊查得，常壓下，20時，SO2在水中的亨利系數(shù)為 E=3550kpa</p><p>　　20℃SO2在水中的溶解度: H=0.0156kmol/m</p><p>　　相平衡

30、常數(shù)： 相平衡常數(shù)：m=E/P=35.04 (2-3)</p><p>　　2.4.4 物料衡算</p><p><b>　　進塔氣相摩爾比為</b></p><p>　　Y1=y1/1-y1=0.13/1-0.13=0.15 (2-5) </p

31、><p>　　2. 出口氣相摩爾比為 </p><p><b>　　進塔惰性氣體流量:</b></p><p><b>　　(2-7) </b></p><p>　　因為該吸收過程為低濃度吸收，平衡關系為直線，最小液氣比按下式計算。即：</p><p><b>　　(

32、2-8)</b></p><p>　　因為是純?nèi)軇┪者^程，進塔液相組成</p><p><b>　　所以 </b></p><p>　　選擇操作液氣比為 （2-9）</p><p>　　因為V(Y1-Y2)=L(X1-X2) X1=0.0029</p><

33、p>　　第三節(jié) 填料塔工藝尺寸的計算</p><p>　　填料塔工藝尺寸的計算包括塔徑的計算、填料能高度的計算及分段</p><p><b>　　3.1 塔徑的計算</b></p><p>　　1. 空塔氣速的確定——泛點氣速法</p><p>　　對于散裝填料，其泛點率的經(jīng)驗值u/u=0.5~0.85</p

34、><p>　　貝恩（Bain）—霍根（Hougen）關聯(lián)式 ，即：</p><p><b>　　=A-K </b></p><p>　　混合氣的質(zhì)量流量為V=(3000/22.4)x(273/273+20)x33.55=4186.59kg/h</p><p>　　混合氣的密度ρv=4186.59/3000=1.396kg/m

35、3</p><p><b>　　橫坐標為：</b></p><p>　　由散堆填料泛點線可查出，橫坐標為1.032時的縱坐標值為0.017</p><p><b>　　則縱標值為：</b></p><p>　　= （3-3）</p><p>　　取空塔

36、速度為泛點速度的72%</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　圓整塔徑，取塔徑為1.3</p><p>　　——泛點氣速，m/s;</p><p>　　g ——重力加速度，9.81m/s</p><p>　　泛點速率校核：u=3000/0.785x1.32x3600=

37、0.628m/s</p><p>　　實際泛點百分率:0.628/0.831=0.756在范圍內(nèi)</p><p>　　3.2 填料層高度的計算及分段</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p><b>　　（3-6） </b></p><p>　　3.

38、2.1氣體總傳質(zhì)單元數(shù)的計算</p><p>　　用對數(shù)平均推動力法求傳質(zhì)單元數(shù)</p><p><b>　　（3-7）</b></p><p><b>　?。?-8）</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　

39、?。?-9）</b></p><p>　　3.2.2 氣體總傳質(zhì)單元高度的計算</p><p>　　氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關聯(lián)式計算：</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　即：αw/αt =0.605</p><p>　　單位體積填料的濕潤表

40、面積為at=228m2/m3</p><p>　　單位體積填料的有效表面積為αw=113.68m2/m3</p><p>　　液體質(zhì)量通量為： =209044.8/0.785×1.33²×3600=20.37kg/(㎡?h) 氣體質(zhì)量通量為： =4186.59/3600=1.1629kg/(㎡?h)</p><p>

41、;　　氣膜吸收系數(shù)由下式計算：</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　——氣體通過空塔截面的質(zhì)量流速，; </p><p>　　——氣體的粘度，； </p><p><b>　　——氣體的密度，；</b></p><p>　　——通用氣體常數(shù)

42、，8.314</p><p><b>　　氣體質(zhì)量通量為：</b></p><p>　　代入數(shù)值 </p><p>　　=0.237(1.1629÷228÷1.73×105)0.7(1.73×10-5÷1.3925÷1.22×105)1/3(228&

43、#215;1.22×10-5÷8.314÷293)=1.457×10-5kmol/(㎡.s. kpa)</p><p>　　液膜吸收數(shù)據(jù)由下式計算：</p><p><b>　　(3-11）</b></p><p>　　式中：——液體的密度，；</p><p>　　——液體的質(zhì)量流

44、速，</p><p><b>　　——液相的黏度，；</b></p><p>　　——液體通過空塔截面的質(zhì)量流速，；</p><p>　　——溶質(zhì)在液相中的擴散系數(shù)， 。</p><p><b>　　代入數(shù)值得： </b></p><p>　　=4.12×10-4m

45、/s</p><p><b>　　因為ψ=1.19</b></p><p>　　1.457×10-5×113.68×1.191.1 （3-12）</p><p>　　=2.01×10-3kmol/(m3.s.kpa)</p><p>　　=3.99×10-4&

46、#215;113.68×1.190.4 （3-13）</p><p><b>　　=0.05/s</b></p><p>　　因為： =0.756>0.5</p><p>　　所以需要用以下式進行校正：</p><p><b>　?。?-14）</b></p>

47、<p>　　=4.84×10-3kmol/(m3.s.kpa)</p><p><b>　?。?-15）</b></p><p><b>　　=0.0549/s</b></p><p><b>　　（3-16）</b></p><p>　　=7.28

48、15;10-4kmol/(m3.s. kpa)</p><p>　?。?-17） </p><p>　　=108.56÷(7.28×10-4×101.3×0.785×1×3600)</p><p><b>　　=0.52m</b></p><p&

49、gt;<b>　?。?-18）</b></p><p>　　=0.52×6.209=3.23m,得 </p><p>　　=1.4×3.23=4.52m</p><p>　　3.2.3 填料層的分段</p><p>　　對于亂堆階梯環(huán)填料的分段高度推薦值為h/D=8

50、~15。hmax<=6m</p><p>　　h=1300×8=104000mm</p><p>　　計算得填料層高度為3017mm，，故不需分段</p><p>　　3.3 填料層壓降的計算</p><p>　　取 Eckert (通用壓降關聯(lián)圖)；將操作氣速(＝0.598m/s) 代替縱坐標中的查表，DG25mm塑料階梯環(huán)

51、的壓降填料因子＝172代替縱坐標中的．</p><p><b>　　則縱標值為：</b></p><p>　　= 0.036 (3-19)</p><p><b>　　橫坐標為：</b></p><p>　　L/V（ρv/ρl)0.5= 209044.8/

52、4186.59×(1.4÷998.2)0.5 =0.92</p><p><b>　　(3-20)</b></p><p><b>　　查圖得</b></p><p>　　294.3Pa/m (3-21)</p><p>

53、;　　全塔填料層壓降 =294.3×4.52=1330.2Pa</p><p>　　其他塔內(nèi)件的壓力降很小可以忽略，所以填料層壓降為1330.2Pa</p><p>　　填料塔內(nèi)件的類型及設計</p><p><b>　　4.1 塔內(nèi)件類型</b></p><p>　　填料塔的內(nèi)件主要有填料支撐裝置、填料壓緊

54、裝置、液體分布裝置、液體收集再分布裝置等。合理的選擇和設計塔內(nèi)件，對保證填料塔的正常操作及優(yōu)良的傳質(zhì)性能十分重要。</p><p>　　4.2 塔內(nèi)件的設計</p><p>　　4.2.1 液體分布器設計的基本要求：</p><p><b>　?。?）液體分布均勻</b></p><p><b>　?。?）操

55、作彈性大</b></p><p><b>　?。?）自由截面積大</b></p><p><b>　?。?）其他</b></p><p>　　4.2.2 液體分布器布液能力的計算</p><p>　?。?）重力型液體分布器布液能力計算</p><p>　?。?）壓

56、力型液體分布器布液能力計算</p><p>　　注：(1)本設計任務液相負荷不大，可選用排管式液體分布器；且填料層不高，可不設液體再分布器。 </p><p>　　(2)塔徑及液體負荷不大，可采用較簡單的柵板型支承板及壓板。其它塔附件及氣液出口裝置計算與選擇此處從略。</p><p><b>　　注：</b></p><

57、;p>　　1填料塔設計結果一覽表</p><p>　　2 填料塔設計數(shù)據(jù)一覽</p><p>　　3 對設計結果的評價</p><p>　　本次設計，結果有些偏差，但總體符合設計要求。</p><p><b>　　4.參考文獻 </b></p><p>　　[1] 夏清.化工原理（下）[M

58、]. 天津:天津大學出版社, 2005.</p><p>　　[2] 賈紹義,柴誠敬. 化工原理課程設計[M]. 天津:天津大學出版社, 2002.</p><p>　　[3] 華南理工大學化工原理教研室著．化工過程及設備設計[M]．廣州: 華南理工大學出版社, 1986.</p><p>　　[4] 周軍.張秋利 化工AutoCAD制圖應用基礎 。北京. 化學工業(yè)

59、出版社。</p><p>　　[3]《化工原理課程設計指導書》，賈紹義、柴誠敬.天津大學出版社，2002年，第134-154頁</p><p>　　[4]《化工單元過程及設備課程設計》，匡國柱、史啟才.化學工業(yè)出版社，2002年，第252頁</p><p>　　[5]《化工原理課程學習指導》，柴誠敬、王軍等.天津大學出版社，2005年，第190頁</p>

60、<p>　　[6]《化工原理課程學習指導與訓練》，張鵬、曾慶榮等.吉林人民出版社，2004年，第123頁</p><p><b>　　5.后記及其他 </b></p><p>　　通過本次課程設計，使我對從填料塔設計方案到填料塔設計的基本過程的設計方法、步驟、思路、有一定的了解與認識。在課程設計過程中,使我加深了對課本知識的認識，也鞏固了所學到的知識。此

61、次課程設計按照設計任務書、指導書、技術條件的要求進行。同學之間相互討論，整體設計基本滿足使用要求，但是在設計指導過程中也發(fā)現(xiàn)一些問題，發(fā)現(xiàn)自己基礎知識不牢固，需加強學習，擴大知識面的廣度。</p><p>　　通過這次課程設計，也看到了自己的一些不足之處，更加了解到數(shù)據(jù)處理的嚴謹性和完整性，此次作業(yè)，提高了自己的邏輯思維和總結能力以及獨立完成作業(yè)的能力，且通過這次設計，對于我以后相信會有很大的幫助。</p&