环境工程原理课程设计.docx
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环境工程原理课程设计
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.2..0..
一、吸收技术概况
二、设计任务及步骤
2.1设计任务
三、填料塔操作条件
四、设计方案的确定
4.1吸收流程的选择
4.2吸收剂的选择
4.3填料的选择
4.4吸收工艺流程图（附图）及工艺过程说明
五、吸收塔的物料衡算
5.1基础物性数据
a.液相物性数据
b.气相物性数据
c.气液两相平衡时的数据
5.2物料衡算
5.3填料塔的工艺尺寸计算
a.塔径的计算
b.泛点率校核和填料规格
c.液体喷淋密度校核
5.4填料层高度计算
a.传质单元数的计算
b.传质单元高度的计算
c.填料层高度的计算
5.5填料塔附属高度的计算
5.6液体分布器的简要设计
a.液体分布器的选型
b.分布点密度及布液孔数的计算
5.7其它附属塔内件的选择
a.填料支撑板
b.填料压紧装置
c.气体进出口装置与排液装置
d.吸收塔主要接管的尺寸计算
e.离心泵的选择
5.8流体力学参数计算
a.填料层压力降的计算
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
6.2填料塔工艺尺寸计算结果表
6.3流体力学参数计算结果汇总
6.4附属设备计算结果汇总
6.5所用Dn38聚丙烯塑料阶梯环填料主要性能参数汇总
.2..0
.2..2
.2..3
6.6主要符号说明
参考文献
设计方案讨论及结束语
、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
气侔［|钱体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。
汽体i
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Dn38聚丙烯塑料阶梯环填料。
阶梯环（Stairswreath）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=132.5m2/m3
孔隙率
形状修正系数
=0.91=1.45
填料因子F=170m1
A=0.204
临界张力C33dyn/cm
4.4吸收工艺流程图（附图）及工艺过程说明
吸收SQ的流程包括吸收和解吸两大部分。
混合气体冷却至20C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SQ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°C时水的
有关物性数据如下：
密度L998.2Kg/m3
粘度L0.001004Pas3.6kg/（mh）
表面张力L72.67dyn/cm941803kg/『
SO在水中的扩散系数Dl1.47105cm2/s5.29106m2/h
b.气相物性数据
混合气体的平均摩尔质量为：
MM0.045640.9552927.983kg/kmol
混合气体的平均密度为：
G晦101.327.9831.164kg/m3
RRT8.314293
其中，R8.314m3kgPa/（kmolk）
混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册的20C。
空气的粘度为:
5
G1.8110Pas0.065kg/（mh）
SO?
在空气中的扩散系数为：
Dg0.108104m2/s0.039m2/h
c.气液两相平衡时的数据
常压下20CSQ在水中的亨利系数为：
E3.55103KPa
5.2物料衡算
实际操作液气比：
qnL1.5qnL1.533.28849.932
qnGqnGmin
进塔吸收剂流量：
qnL49.932qnG7082.754Kmol/h
由qnG”丫2）qnL（X1X?
）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：
Wg=31001.1643608.4kg/h
液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即:
Wl=7082.75418127489.572kg/h
Eckert通用关联图的横坐标为:
查Eckert通用关联图得：
式中：
Uf：
泛点气速m/s
:
重力加速度9.8m/s
g,l：
气相，液相密度kg/m3
l：
液体粘度KPas
f：
试验填料因子，m
:
水密度与液体密度之比；（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/m
DN16
DN25
DN38
DN50
DN76
金属鲍尔
环
410
——
117
160
——
金属环矩鞍
——
170
150
135
120
塑料鲍尔
环
550
280
184
140
92
塑料阶梯
环
——
260
170
127
——
瓷矩鞍
1100
550
200
226
——
瓷拉西环
1300
832
600
410
——
其填料因子f170m
泛点气速:
对于散装填料，泛点率的经验值为—0.5~0.85
Uf
此处取u0.7uF0.70.9430.6601m/s
•••圆整塔径取D1.3m
b.泛点率校核和填料规格
泛点率校核:
填料规格校核：
阶梯环的径比要求：
D>8
d
有D130034.28188即符合要求d38
c.液体喷淋密度校核
取最小润湿速率为：
3
Lwmin0.08m/mh
查资料手册得聚丙烯阶梯环比表面积
23
at132.5m/m
UminLwminat0.08132.510.6m3/（m2h）
5.4填料层高度计算
a.传质单元数的计算
Y2*mX20
解吸因数为：
cmqnG35.04141.848
SnG0.7018
qnL7082.754
查表（常见材质的临界表面张力值），得
0.637
0.0338Kmol/（m2hKPa）
液膜吸收系数由下式计算
2.169m/h
由kcakcaw1.1，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
0.72
0.75
1
1.19
1.45
1.45
则kcakGaw1.1000333880..6371145.5134862kn4o29：
3KmiOpa（m3hKPa）
dadaw0.4121.76980.9371说古1.0999（12112.4041/h
因为—668.8%%55%%，故需要按下式校正
Uf
由kGa19.5（丄0.5）1.4kGa
Uf
kLa12.6（巴0.5）2.2&a，得
Uf
kca[119955（00.6982。
嘶节34.29368412kKro0l（mmh.kpaKPa）
kLa[11226（0.04982。
伍话有1091.29104114224）（4/10l/h则有
Kca
111
1.3S469KmoAmkpa）KPa）
111111
kGaHkLa68122800006661146.410
由HOG
GVqnGG141.898.79门，“
2q.420m；18KKyysZapD2.4619.39K1.30103785.78.^1.2
G4
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Z（1.2~1.5）Z
所以Z11353.93145.37233.8m
查表，对于阶梯环填料，h/D=8〜15,hmax6m
散装填料分段高度推荐值
填料类型
h/D
Hmax/m
拉西环
2.5
<4
矩鞍
5〜8
<6
鲍尔环
5〜10
<6
阶梯环
8〜15
<6
环矩鞍
5〜15
<6
取一10则h10130013000mmD
3800mm13000mm
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1.2~1.5m可取为1.3m,塔底液相停留时间为
3~5min本设计按4min考虑，则塔釜液所占空间高度为：
4600.0355
2-
0.7851.3
6.5m，所以塔的附属空间高度
考虑到气相接管所占空间高度，底部空间高度可取
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=11.6m
5.6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，点/m2塔截面
D=400
330
D=750
170
D>1200
42
如上表，按照Eckert建议值，D>1200mm时，喷淋点密度为42点/m：
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：
n0.7851.32120159.2160点
布液计算：
由Lsd2n.2gH
4
Ls
WL127489.5723/
0.0355m/s3600998.23600998.2
其中：
Ls:
液体流率
n:
开孔数目
:
孔流系数，取0.55〜0.60d°:
孔径，
H:
开孔上方的液位高度,
取0.60,H160mm
40.0355
\3.141600.6^29.80.16
本设计取d017mm
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1200mn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500mn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10〜20m/s（高压塔气速低于此值）；液体进出口流速可取0.8〜1.5m/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10〜20m/s;液体进出口流速可取0.8〜
1.5m/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
取液=1.2m/s
则进料管管内径D14Ls,40.03550.194m
Y液\3.141.2
查《GB-T17395（2008）-无缝钢管尺寸》可知，
可选用热轧无缝钢管管径为220mm10mm。
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u气18.0m/s
实际管内径为253mm，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200mm8mm型的热轧无缝管道，其内径为184mm其实际流速为:
m/s。
2
9384?
（36003.140.145
e.离心泵的选择
转速（r/min）
流量m/h
扬程H/m
效率n/%
功率/kW
必需汽蚀余
量
（NPSH）r/m
轴功率
电机功率
3.0
1450
200
20
81
13.5
18.5
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
5.8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：
则气体的进出口流速
=1）
由后面主要接管尺寸计算可知，气体的进出口接管内径为253mm
为：
25000u22=17k73l8m/s
33600007850025^
111
则进口P—gu2T.216413771382=270.940Pa（突然扩大
222
其中横坐标为：
叫（亠）0.50..995
WgL
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/m
DN16
DN25
DN38
DN50
DN76
金属鲍尔
环
306
-
114
98
-
金属环矩
鞍
-
138
93.4
71
36
金属阶梯
环
-
-
118
82
-
塑料阶梯
环
-
176
116
89
-
瓷矩鞍环
700
215
140
160
■
瓷拉西环
1050
576
450
288
■
-1
P116m
纵坐标为:
查Eckert关联图得
P196Pa/m
Z
所以填料层压力降为：
P1963.8744.8Pa
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:
P总=R+P2+P170.940+85.470+744.81001.21Pa
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
L
3
998.2（kg/m）
溶剂的粘度
L
0.001004（Pas）=3.6
kg/（mh）
溶剂表面张力
L
2
72.67（dyn/cm）=941803（kg/h）
二氧化硫在水中扩散系数
Dl
1.47X10-5（cm2/s）=5.29X
10-6（m2/h）
混合气体的平均摩尔质量
Mg
27.983kg/kmol
混合气体的平均密度
G
1.164kg/'m3
混合气体的粘度
G
_5
1.8110Pas0.065kg/（mh）
二氧化硫在空气中扩散系数
Dg
0.108X10-4（m2/s）=0.039（m2/h）
亨利系数
E
3.55X103KPa
气液相平衡常数
m
35.04
溶解度系数
H
0.0156Kmol/（KPam3）
二氧化硫进塔摩尔比
Y1
0.047
二氧化硫出塔摩尔比
Y2
0.00235
惰性气体摩尔流量
qnG
141.848Kmol/h
吸收剂摩尔流量
qnL
7082.754Kmol/h
液相进口摩尔比
X2
0
液相出口摩尔比
X
8.942104
6.2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
Wg
3608.4kg/h
液相质量流量
Wl
127489.572kg/h
塔径
D
1300mm
空塔气速
u
0.649ms
泛点率
U；Uf
68.82%
喷淋密度
U
96.247m3/（m2.h）
解吸因数
S
0.7018
气相总传质单
元数
Nog
6.362
液体质量通量
Ul
2
96098.875kg/（mh）
气体质量诵量
Ug
2967.625kg/（m2h）
气膜吸收系数
kG
0.0338kmol/（m2.h.k
pa）
液膜吸收系数
kL
2.169（m/h）
气相总吸收系数（校正后）
kca
3
8.228kmol/（m.h.kpa
）
液相总吸收系数（校正后）
k|a
226.410（l/h）
气相总传质系数
©a
2.469
3
kmol/（m.h.kpa）
气相传质单元高度
HOG
0.428m
填料层咼度
Z
3.8m
填料塔上部空
间高度
hi
1.3m
填料塔下部空间高度
h2
6.5m
塔附属咼度
h3
7.8m
塔高
Ha
11.6m
布液孔数
n
160点
孔径
do
0.0163m
开孔上方高度
H
0.16m
6.3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
△P1
120.11Pa;
气体出口压力降
△P2
60.05Pa;
填料层压力降
P
744.8Pa
吸收塔总压力降
P、
881.58Pa;
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194mm10mm
液体实际流速
u液1.041m/s
气体进出口接管
热轧无缝钢管
273mm9.5mm.
气体实际流速
u气13.71m/s
吸收剂输送管路
热轧无缝钢管159mm7mm
吸收剂实际流速
u1.50m/s
离心泵的选型
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