环境工程原理课程设计水吸收氨填料塔设计

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1、环境工程原理课程设计 目 录第一章 设计任务21.1 设计任务21.2 设计条件21.3 设计内容31.4 设计要求31.4.1 设计说明书内容31.4.2设计图3第二章 吸收流程的确定3第三章 填料的选择4第四章 基础物性数据整理44.1 液相物性数据44.2 气相物性数据54.3 气液相平衡数据6第五章 物料衡算65.1 物料衡算与吸收操作线方程65.2吸收剂用量对操作线的影响75.3 最小液气比7第六章 填料塔工艺尺寸计算86.1 填料塔塔径的计算86.1.1 泛点气速的计算86.1.2 塔径的计算及校核96.2 填料层高度计算10第七章 填料塔流体力学校核127.1 压降127.2泛点

2、率137.3气体动能因子13第八章 塔内辅助装置的选择和计算138.1 液体分布器与液体再分布装置138.1.1 液体分布器138.1.2 液体再分布装置148.2填料塔附属高度158.3填料支承板及压紧装置158.3.1 支承板158.3.2 填料压紧装置168.4 气液进出口管168.5 液体除雾器168.6 筒体和封头188.6.1 筒体188.6.2 封头的选择188.7 人孔和手孔198.8 法兰198.9 裙座21第九章 主要符号说明22第十章 设计计算结果总汇表23第十一章 对设计成果的评价和讨论24第十二章 参考文献25第一章 设计任务1.1 设计任务水吸收氨填料塔设计1.2

3、设计条件气体混合物成分：空气和氨混合气流量： 3000 m3/h氨的含量： 7.13%（体积）氨的回收率： 99%吸收剂：清水,吸收剂的用量为最小用量的1.4倍操作温度：298K操作压力：101.3kPa1.3 设计内容（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、填料层高度、填料分层、塔高。（4）流体力学特性校核：液气速度的求取、喷淋密度校核、填料层压降计算。（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。1.4 设计要求1.4.1 设计说明书内容1）目录和设计任务书2）流程及流程说明3）计算（根据计算需

4、要做粗话必要的草图，计算中所采用的数据和经验公式应注明其来源）4）设计计算结果总汇表5）对设计成果的评价及讨论6）参考文献1.4.2设计图绘制填料塔设计图第二章 吸收流程的确定用水吸收氨气为提高传质效率，选用逆流吸收流程。第三章 填料的选择 对于水吸收氨气的过程，操作温度及操作压力都较小，工业上常用散装填料。本设计中，处理量小，所以塔径不大，采用DN50mm金属矩鞍环填料。 查表1得:该填料的比表面积a=74.9（m2/m3） 空隙率为96% 填料因子为84.7(m-1)第四章 基础物性数据整理4.1 液相物性数据 在25时， 密度2=997.08(kg/m3) 粘度3L=0.8937(mPs

5、) 表面张力4=71.97(mN/m) NH3在水中的扩散系数5D12溶质1在溶剂2中的扩散系数，cm2/s； 溶剂2的分子量； T温度，K； 溶剂2的粘度； 溶质1在正常沸点下的分子体积；查表6得 溶剂2的缔合参数，无因次，水为2.6；甲醇为1.9；乙醇为1,5；其他非缔合液体为1故25时NH3在水中的扩散系数为： 4.2 气相物性数据 1）混合气体平均摩尔质量：MVm=yiMi=0.071317+(1-0.0713)29=28.14(g/mol) 2)混合气体的平均密度： 3)混合气体粘度3： 20时，V=18.08(Pas) 30时，V=18.56(Pas) 25时的粘度可近似取 4）N

6、H3在空气中的扩散系数7 Dv=0.0043kT1.5 Dv=0.00430.008322981.5=0.184(cm2/s)=0.0663(m2/h)4.3 气液相平衡数据 1）常压下25时NH3在水中的亨利系数8E=1.66(kPakgmol-1)=97.65（kPa） 2）相平衡常数：m=E/P=97.65/101.3=0.964 3)溶解度系数：第五章 物料衡算5.1 物料衡算与吸收操作线方程 5.2吸收剂用量对操作线的影响5.3 最小液气比 操作液气比为1.4倍最小液气比：第六章 填料塔工艺尺寸计算6.1 填料塔塔径的计算 6.1.1 泛点气速的计算 式中：-液体的质量流速,kg/h

7、 -气体的质量流速，kg/h -液体的密度，kg/m3 -气体的密度，kg/m3 -实验填料因子，m.查表9得：=135(m-1) -水的密度与液体密度之比； -泛点气速，m/s -液体的粘度，mPas.查Eckert泛点气速关联图10得： 取6.1.2 塔径的计算及校核 圆整塔径D=0.7m1）泛点率校核 （在允许范围内）2）填料规格校核 符合3）液体喷淋密度校核式中：U-液体喷淋密度，m3/(m2h) Lh-液体喷淋量，m3/h D-填料塔直径，m式中：Umin-最小喷淋密度，m3/(m2h) (Lw)min-最小润湿密度，m3/h.对于直径不超过75mm的散装填料，可取最小润湿速率(LW

8、)min为0.08m3/(mh);对于直径大于75mm的散装填料，可取(LW)min为0.12m3/(mh)。 at-填料的总比表面积，m2/m3UUmin 符合。6.2 填料层高度计算 式中：Z-填料层高度，m HOG-气相总传质单元高度，m NOG-气相总传质单元数，无因次. 采用脱吸因数法进行计算： 1) 气相总传质单元数的计算 其中，1/S为脱吸因子，2）气相总传质高度计算 恩田修正公式11: 式中：、-分别为气相、液相传质系数，Kmol(m2skPa)、m/s;-单位体积填料润湿表面积，m2/m3; -填料比表面积，m2/m3;、-分别为气相、液相质量流速，kg/(m2s);T-气体

9、温度-K；R-气体常数-KJ/(KmolK)、-分别为溶质在气相和液相中的扩散系数，m2/s;、-分别为气体和液体的粘度，Pas、-分别为液体和气体密度，kg/m3-液体表面张力，N/m;-填料材质的临界表面张力，钢制的为75dyn/cm.12-填料的形状修正系数，这里取1.1913 整合为9m.对于鞍环14： hmax6m 取 则h=5700=3500mm 将填料分为2层，则每层4.5m, 符合条件。第七章 填料塔流体力学校核7.1 压降 查表15得: 查Eckert泛点气速关联图10得： （145490Pa/m）7.2泛点率7.3气体动能因子 第八章 塔内辅助装置的选择和计算8.1 液体分

10、布器与液体再分布装置 8.1.1 液体分布器 本设计填料为散堆填料，塔径为700mm，塔高9m,因此选用多孔型排管式重力型液体分布器。1） 由表8-116知： 表8-1 排管式液体分布器参数 管内流速取0.1m/s,支管内径可取30mm.2） 液体保持管尺寸及孔径17式中：d-布液孔直径，m; V-液体流率，m3/s; n-布液孔数,取80； k-孔流系数；该值由小孔流动雷诺数决定，在雷诺数大于1000的情况下，可取0.600.62. h-液体高度，取200mm. g-重力加速度，m/s2 取k=0.618.1.2 液体再分布装置选择盘式液体再分布器24,它通常与气体喷射式支承板组合使用。 图

11、8-1 盘式液体再分布器高度为240mm.8.2填料塔附属高度 塔上部取1.5m,釜液停留时间取5min,则： 塔下部取1.2m;液体再分布器高度：0.24m附属高度为：1.2+1.5+0.24+0.6=3.54m8.3填料支承板及压紧装置8.3.1 支承板 由表8-218选择梁式气体喷射式支承板 表8-2 梁式气体喷射式支承板参数8.3.2 填料压紧装置 选择丝网床层限定板，限定板固定在填料塔壁上，以稳定填料，并保持体积。塔径D不大于1200mm时，压板外径比塔的内径小1020mm.所以压板外径690mm.8.4 气液进出口管 取气体流速为15m/s,液体流速为1m/s19:气体进出口管直径

12、 取300mm,厚度为8mm.20液体进出口管直径 取32mm,厚度为3mm20校核：当D1=300mm, 当D2=32mm, 符合。8.5 液体除雾器选择上装式丝网除沫器，通过丝网的最大气速21： 实际气速选最大气速的0.750.8倍：由表8-322得： 表8-3 丝网除沫器参数图8-2 丝网除沫器网块和格栅所用材料为23： 表8-3 丝网除沫器网块和格栅所用材料参数8.6 筒体和封头 8.6.1 筒体根据JB1153-73,由表8-4可选择： 表8-4 筒体参数8.6.2 封头的选择 选择EHA椭圆形封头 根据JB/T4746-2002，得表8-5 表8-5 EHA椭圆形封头参数公称直径/

13、mm曲面高度/mm直边高度/mm总高度/mm碳素钢厚度/mm内表面积/m2容积/m3质量/kg7001752520040.58610.054518.078.7 人孔和手孔 由于直径较小，所以不设人孔。 选择手孔时，根据HGT 21514-2005 钢制人孔和手孔的类型与技术条件，选择常压下的手孔，公称直径为150mm，如表8-6。 表8-6 手孔参数8.8 法兰根据HG20593-97板式平焊钢制管法兰，在0.25MPa下进行选择。在塔的筒体上和气相、液相进出口管上各有法兰，由表8-7进行选择。 表8-7 法兰参数8.9 裙座 图8-3 圆锥形裙座筒体上端至塔釜封头切线高度：h1=38mm24

14、选用圆形检查孔，数量2，中心高度h2=900mm,直径D450，宽度M25025排气管直径D80，排气孔中心距裙座顶端距离h3=140mm26直进料管高度h4=200mm27弯进料管高度h5=200mm 28裙座总高度H=38+900+900+200+200=2238mm,圆整后取2.3m。第九章 主要符号说明a填料的比表面积，m2/m3 密度，kg/m3L氨在液相中的粘度，mPs 液体表面张力，mN/mDL氨在水中的扩散系数，cm2/s MVm混合气体平均摩尔质量，g/molVm混合气体的平均密度,kg/m3 V混合气体粘度，PasDv-氨在空气中的扩散系数，cm2/s ENH3在水中的亨利

15、系数，kPam相平衡常数,无因次 H溶解度系数，Kmol/(kPam3)NOG气相总传质单元数 P操作压力，PaP压力降，Pa u空塔气速，m/s泛点气速，m/s U液体喷淋密度，m3/(m2h)Umin最小液体喷淋密度，m3/(m2h) V气体摩尔流量，kmol/hWL液体质量流量，kg/h WV气体质量流量，kg/hx液相摩尔分数 X液相摩尔比y气相摩尔分数 Y气相摩尔比Z填料层高度，m 实验填料因子，l/mL气体摩尔流量，kmol/h D塔径,mLh-液体喷淋量，m3/h (Lw)min最小润湿密度，mhHOG气相总传质单元高度，m 1/S脱吸因子单位体积填料润湿表面积，m2/m3 填料

16、材质的临界表面张力，dyn/cm填料的形状修正系数F气体动能因子，第十章 设计计算结果总汇表设计任务 水吸收氨填料塔的设计操作条件常温、常压吸收流程逆流填料填料类型填料比表面积a/（m2/m3）填料空隙率填料因子/(m-1)填料因子泛点填料因子压降填料因子DN50mm金属矩鞍环填料74.90.9684.713571基础物性数据液相物性数据气相物性数据气液相平衡数据密度/kg/m3粘度/mPs表面张力/mN/m扩散系数/ cm2/s密度/(kg/m3)粘度/uPs平均摩尔质量/(g/mol)扩散系数/ cm2/s亨利系数/ kPa相平衡常数溶解度系数/kmol/(KPa.m3)997.080.8

17、93771.978.644*10-61.15118.3228.140.18497.650.9640.567物料衡算数据Y1Y2X1X2气相流量V/Kmol/h液相流量L/Kmol/h最小液气比操作液气比0.07680.0007680.5690113.94152.240.9541.336塔工艺尺寸数据气相质量流速/kg/h液相质量流速/kg/h塔径/m空塔气速/m/s气相总传质单元数气相总传质单元高度/m填料层高度/m34532743.360.72.1712.0530.5439流体力学校核数据压降/Pa泛点率气体动能因子/2030.670.592.328塔内辅助装置液体分布器多孔型排管式重力型液

18、体再分布器盘式填料塔附属高度/m3.54支承板梁式气体喷射式压紧装置丝网床层限定板液体进出口管径/mm32气体进出口管/mm300液体除雾器丝网除沫器筒体厚度/mm4封头厚度/mm4手孔直径/mm150裙座高度/m2.3第11章 对设计成果的评价和讨论 本次设计过程，将我们平常学的理论知识运用到实践当中，在逐步进行设计和计算的过程中，会遇到很多或大或小的难题，有的需要查找资料，有的则会给出经验值，有时候一个小小的符号也会成为拦路虎。比如说：在进行气液相扩散系数的计算时，公式很不容易查到，在这里，就首先感受到了查资料的重要性以及如何能够高效查找；在选择填料时，开始看到这么多种类的填料，十分迷茫，

19、也就先大概确定了一种填料，在后来的塔径计算校核中，就充分体现了选择合适填料的重要，如果选择的填料不合适，那么在校核时是不符合要求的，就需要重新选择填料，再进行计算；再到后面的传质单元高度的计算，这里是计算量最大的部分，需要仔细认真，否则很容易出错，我在进行计算时，就因为疏忽大意，少看一个数，或忘记带次方，或忘记开方，重新计算了好几遍。最后的塔内辅助装置的设计时，需要查找很多资料和标准，在其中选择合适的类型，充分锻炼了我们查资料的能力；有时候虽然校核都符合，但算出的结果并不十分理想，比如在进行气体进出口管的计算时，在给定的气流量下，选择范围内的最大气速，算出的管径几乎是塔径的一半，这显然并不合适

20、，其实，这和前面选择的填料是相互关联的，填料的比表面积大，其最小喷淋密度就大，要使实际喷淋密度大于最小喷淋密度，就要减小塔径，即增大空塔气速，这样，塔径太小，就使得气相管径和塔径的比例不协调，要改善这一情况，就要选择泛点填料因子较大而填料比表面积较小的填料，这就能使塔径增大。 总之，虽然困难颇多，但在老师的帮助以及和同学的资源共享、互相讨论的过程中，也将本次设计顺利地完成，并且通过此次设计，我收获颇多：首先对吸收过程有了更加深入的了解；其次锻炼了我查找资料的能力；最后在进行文档编辑中，也学到了很多排版方法。 在今后的学习过程中，肯定会有更多具有挑战性的任务。通过此次实践，我认识到自己还有很多需

21、要学习的东西，同时也为自己积累了一些经验，在以后的学习中，要通过不断地努力，做到越来越好。 第十二章 参考文献1 匡国柱,史启才.化工单元过程及设备课程设计,化学工程出版社.P258,表6-3.2 刘光启,马连湘.化学化工物性数据手册,化学工业出版社.P3,表1.2.1.3 刘光启,马连湘.化学化工物性数据手册,化学工业出版社.P12,表1.3.1.4 刘光启,马连湘.化学化工物性数据手册,化学工业出版社.P15,表1.4.1.5 时钧,汪家鼎.化学工程手册,第二版,上卷,化学工业出版社,1-149.6 杨祖荣.化工原理，第二版.化学工业出版社.P209，表5-47 刘光启,马连湘.化工物性算

22、图手册,化学工程出版社.P694.8 时钧,汪家鼎.化学工程手册,第二版,上卷，化学工业出版社,1-115 表5-8.9 匡国柱,史启才.化工单元过程及设备课程设计,化学工程出版社.P262， 表6-8.10 匡国柱,史启才.化工单元过程及设备课程设计,化学工程出版社.P262， 图6-12.11 匡国柱,史启才.化工单元过程及设备课程设计,化学工程出版社.P270.12 匡国柱,史启才.化工单元过程及设备课程设计,化学工程出版社.P269. 表6-11.13 匡国柱,史启才.化工单元过程及设备课程设计,化学工程出版社.P270. 表6-13.14 匡国柱,史启才.化工单元过程及设备课程设计,

23、化学工程出版社.P273， 表6-16.15 贾绍义,柴诚敬.化工原理课程设计(化工传递与单元操作课程设计).P146表5-18.16 匡国柱,史启才.化工单元过程及设备课程设计,化学工程出版社.P276. 表6-18.17 匡国柱,史启才.化工单元过程及设备课程设计,化学工程出版社.P277.18 贾绍义,柴诚敬.化工原理课程设计(化工传递与单元操作课程设计).P324,表9-14.19 匡国柱,史启才.化工单元过程及设备课程设计,化学工程出版社.P139. 表4-10.20 贾绍义,柴诚敬.化工原理课程设计(化工传递与单元操作课程设计).附录七.21 匡国柱,史启才.化工单元过程及设备课程

24、设计,化学工程出版社.P277.22 HGT 21618-1998 丝网除沫器,P57.表5.0.1-223 HGT 21618-1998 丝网除沫器,P64.表6.0.124 路秀林,王者相.化工设备设计全书.塔设备，化学工业出版社.P314,表8-9.25 路秀林,王者相.化工设备设计全书.塔设备，化学工业出版社.P320,表8-15.26 路秀林,王者相.化工设备设计全书.塔设备，化学工业出版社.P321,表8-17.27 匡国柱,史启才.化工单元过程及设备课程设计（第二版）,化学工程出版社.P327，表9-15.28 匡国柱,史启才.化工单元过程及设备课程设计（第二版）,化学工程出版社.P327，表9-16.25