环境工程原理课程设计.doc

环境工程原理课程设计
------清水吸取氨过程填料吸取塔设计

目录
一、前言 3
二、设计任务 4
1、设计题目：清水吸取氨过程填料吸取塔设计 4
2、设计条件 4
3、设计内容 5
三、设计方案 5
1、吸取剂的选择 5
2、流程图及流程说明 5
3、塔填料选择 5
四、基本参数 6
1、液相物性数据 6
2、气相物性数据 6
3、气相平衡数据 6
4、填料的重要参数 6
五、工艺计算 7
1、物料衡算 7
2、塔径计算 8
3、液体喷淋密度校核 8
4、填料层高度计算 9
5、填料层压降计算 11
六、塔内件 12
1、液体分布装置 12
2、液体再分布装置 13
3、填料支撑装置 13
七、设计结果表 14
八、对设计成果的评价及讨论 14
九、参考文献 15

一、前言
塔设备是炼油、化工、石油化工等生产中广泛应用的气液传质设备。在炼油、石油化工、精细化工、食品、医药及环保等部门，塔设备属于使用量大应用面广的重要单元设备。在化学工业中，经常需要将气体混合物中的各个组分加以分离，其重要目的是回收气体混合物中的有用物质，以制取产品，或除去工艺气体中的有害成分，使气体净化，以便进一步加工解决，或除去工业放空尾气中的有害成分，以免污染空气。吸取操作是气体混合物分离方法之一，它是根据混合物中各组分在某一种溶剂中溶解度不同而达成分离的目的。
塔设备按其结构形式基本上可分为两类；板式塔和填料塔。以前在工业生产中，当解决量大时多用板式塔，解决量小时采用填料塔。近年来由于填料塔结构的改善，新型的、高负荷填料的开发，既提高了塔的通过能力和分离效能又保持了压降小、性能稳定等特点。因此，填料塔已经被推广到大型气、液操作中，在某些场合还代替了传统的板式塔。如今，直径几米甚至几十米的大型填料塔在工业上已非罕见。随着对填料塔的研究和开发，性能优良的填料塔必将大量用于工业生产中。
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康和大气环境都会导致破坏和污染， 氨对接触的皮肤组织都有腐蚀和刺激作用，可以吸取皮肤组织中的水分，使组织蛋白变性，并使组织脂肪皂化，破坏细胞膜结构。氨的溶解度极高，所以重要对动物或人体的上呼吸道有刺激和腐蚀作用，常被吸附在皮肤粘膜和眼结膜上，从而产生刺激和炎症。可麻痹呼吸道纤毛和损害粘膜上皮组织，使病原微生物易于侵入，减弱人体对疾病的抵抗力。氨通常以气体形式吸入人体，氨被吸入肺后容易通过肺泡进入血液，与血红蛋白结合，破坏运氧功能。进入肺泡内的氨，少部分为二氧化碳所中和，余下被吸取至血液，少量的氨可随汗液、尿液或呼吸排出体外。
　　短期内吸入大量氨气后会出现流泪、咽痛、咳嗽、胸闷、呼吸困难、头晕、呕吐、乏力等。若吸入的氨气过多，导致血液中氨浓度过高，就会通过三叉神经末梢的反射作用而引起心脏的停搏和呼吸停止，危及生命。
　　长期接触氨气，部分人也许会出现皮肤色素沉积或手指溃疡等症状；氨气被呼入肺后容易通过肺泡进入血液，与血红蛋白结合，破坏运氧功能。短期内吸入大量氨气后可出现流泪、咽痛、声音嘶哑、咳嗽、痰带血丝、胸闷、呼吸困难，可伴有头晕、头痛、恶心、呕吐、乏力等，严重者可发生肺水肿、成人呼吸窘迫综合症，同时也许发生呼吸道刺激症状。因此，吸取空气中的氨，防止氨超标具有重要意义。
因此，为了避免化学工业产生的大量的具有氨气的工业尾气直接排入大气而导致空气污染，需要采用一定方法对于工业尾气中的氨气进行吸取，本次课程设计的目的是根据设计规定采用填料吸取塔吸取的方法来净化具有氨气的工业尾气，使其达成排放标准。设计采用填料塔进行吸取操作是由于填料可以提供巨大的气液传质面积并且填料表面具有良好的湍流状况，从而使吸取过程易于进行，并且，填料塔还具有结构简朴、压减少、填料易用耐腐蚀材料制造等优点，从而可以使吸取操作过程节省大量人力和物力。
运用混合气体中各组分在同一种液体(溶剂)中溶解度差异而实现组分分离的过程称为气体吸取气体吸取是一种重要的分离操作，它在化工生产中重要用来达成以下几种目的。(1)分离混合气体以获得一定的组分。(2)除去有害组分以净化气体。(3)制备某种气体的溶液。一个完整的吸取分离过程，涉及吸取和解吸两个部分。典型过程有单塔和多塔、逆流和并流、加压和减压等。
二、设计任务
1、设计题目：清水吸取氨过程填料吸取塔设计
2、设计条件
①、气体混合物成分：空气和氨；
②、氨的含量：4.5％（体积）；
③、混合气体流量：3019m3/h
④、操作温度：293K；
⑤、混合气体压力：101.3KPa；
⑥、回收率：99.5%。
3、设计内容
①、拟定吸取流程；
②、物料衡算，拟定塔顶、塔底的气液流量和组成；
③、选择填料、计算塔径、填料层高度、填料的分层、塔高的拟定。
④、流体力学特性的校核：液气速度的求取，喷淋密度的校核，填料层压降△P的计算。
⑤、附属装置的选择与拟定：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。
三、设计方案
1、吸取剂的选择
根据所要解决的混合气体，可采用水为吸取剂，其便宜易得，物理化学性能稳定，选择性好，符合吸取过程对吸取剂的基本规定。
2、流程图及流程说明
该设计采用逆流方式。该填料塔中，氨气和空气混合后，经由填料塔的下侧进入填料塔中，与从填料塔顶流下的清水逆流接触，在填料的作用下进行吸取。经吸取后的混合气 体由塔顶排除，吸取了氨气的水由填料塔的下端流出。（如右图）
3、塔填料选择
选用散装填料，DN38mm聚丙烯阶梯环塔填料。
四、基本参数
1、液相物性数据
对低浓度吸取过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。
由手册查得，20℃水的有关物性数据如下：
密度为=998.2 kg/m3
粘度为 μL=1.005mPa·S=3.6 kg/（m·h）
表面张力为  σL=72.6 dyn/cm=940896 kg/h2
NH3在水中的扩散系数为 DL=1.80×10-9 m2/s
2、气相物性数据
混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得20℃空气的粘度为: μv=1.81×10-5 Pa·S=0.065 kg/(m·h)
已知在0℃，101.3kpa下，NH3在空气中的扩散系
由，则293，101.3下，在空气中的扩散系数为
3、气相平衡数据
20℃时NH3在水中的溶解度系数为 H=0.725 kmol/(m3·kPa)
常压下20℃时NH3在水中的亨利系数为E=76.41kPa
相平衡常数为m=0.754
4、填料的重要参数
本方案选用塑料阶梯环DN38mm, 其重要性能参数如下：
比表面积a：132.5 空隙率：0.91
干填料因子：
五、工艺计算
对低浓度吸取过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。混合气体的黏度可近似取为空气的黏度。
空气和水的物性常数如下：
空气：
水：
1、物料衡算
①、进出塔的汽液相组成
V氨=0.045 V总 V空=0.955 V总
Y1=n氨/n空气=0.045/0.955=0.047
回收率 ∴
查表知，20下氨在水中的溶解度系数
相平衡常数
则
∴进塔气相摩尔比为：
出塔气相摩尔比为：
对于纯溶剂吸取过程，进塔液相组成为：(清水)
②、吸取剂用量
∴

取实际液气比为最小液气比的1.5倍，则吸取剂的用量为：

塔底输出液相摩尔比：

2、塔径计算
混合气体的密度
水的密度
采用贝恩-霍根泛点关联式计算泛点速度：

取泛点率为0.5，即空塔气速

圆整后取
填料规格校核：
3、液体喷淋密度校核
最小润湿速率是指在塔的截面上，单位长度的填料周边的最小液体体积流量。其值可由经验公式计算(见有关填料手册)，也可采用一些经验值。对于直径不超过75 mm的散装填料，可取最小润湿速率(LW) min为0.08 m3/(m·h)；对于直径大于75 mm的散装填料，取(LW) min=0.12 m3/(m·h)。
取最小润湿速率为：

所以

通过以上校核可知，填料塔直径选用合理。
4、填料层高度计算
查表知， 0，101.3 下，在空气中的扩散系数
由，
则293，101.3下，在空气中的扩散系数为
液相扩散系数
液体质量通量为
气体质量通量为

气相总传质单元数为：

气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：

查表知，
所以，
气膜吸取系数由下式计算：
液膜吸取系数由下式计算：

查表得：
则

由
由
设计取填料层高度为：
查表：对于阶梯环填料，
将填料层分为两段设立，每段6m，两段间设立一个液体再分布器。

5、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：
已知：
纵坐标为：
查图得，
填料层压降为：

埃克特通用关联图
六、塔内件
1、液体分布装置
①、液体分布器的选型：
多孔环管式分布器:由多孔圆形盘管、联接管及中央进料管组成。这种分布器气体阻力小，特别使用于液量小而气量大的填料吸取塔。
液体在塔顶的初始均匀喷淋，是保证填料塔达成预期分离效果的重要条件。
近年来的实践表白，大直径填料塔的放大问题重要是保证液体初始分布均匀，若能保证单位塔截面的喷淋点数目与小塔相同，大型填料塔的传质效率将不会低于小型塔。
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穿过度布器。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%以上），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。
②、分布点数量计算：
为了使液体初始分布均匀，原则上应增长单位面积上的喷淋点数。但是，由于结构的限制，不也许将喷淋点设计得很多。根据Eckert建议，当时，每塔截面设一个喷淋点。则总布液孔数为：

2、液体再分布装置
实践表白，当喷淋液体沿填料层向下流动时，不能保持喷淋装置所提供的原始均匀分布状态，液体有向塔壁流动的趋势。因而导致壁流增长、填料主体的流量减小，影响了流体沿塔横截面分布的均匀性，减少传质效率。为减小壁流现象，当填料层较高时需进行分段，故需设立液体收集及再分布装置。
最简朴的液体再分布装置为截锥式再分布器。截锥式再分布器结构简朴，安装方便，但它只起到将壁流向中心汇集的作用，无液体再分布的功能，一般用于直径小于0.6m的塔中。
在通常情况下，一般将液体收集器及液体分布器同时使用，构成液体收集及再分布装置。液体收集器的作用是将上层填料流下的液体收集，然后送至液体分布器进行液体再分布。
可选用多孔盘式再分布器。分布盘上的孔数按喷淋点数拟定，孔径为3.6mm。为了防止上一填料层来的液体直接流入升气管，应在升气管上设帽盖。它的设计数据如下：分布盘外径---785mm，升气管数量---6.
3、填料支撑装置
填料支撑装置对于保证填料塔的操作性能具有重大作用。采用结构简朴、自由截面较大、金属耗用量较小的栅板作为支撑板。为了改善边界状况，可采用大间距的栅条，然后整砌一、二层按正方形排列的瓷质十字环，作为过渡支撑，以取得较大的孔隙率。由于采用的是的填料，所以可用的十字环。
塔径，设计栅板由两块组成。且需要将其搁置在焊接于塔壁的支持圈或支持块上。分块式栅板，每块宽度为400mm。
七、设计结果表
清水吸取氨过程填料吸取塔设计
工艺参数
清水
氨气
操作压力，kPa
101.3
101.3
操作温度，℃
20
20
密度，kg/m3
998.2
1.183
塔径，m
0.8
填料层高度，m
12
压降，kPa
5.42
黏度，kg/(m﹒h)
3.6
0.065
表面张力，kg/h2
940896
-
流量，mol/s
42.20
37.44
分布点数
84
八、对设计成果的评价及讨论
自我感觉设计的不好，很多公式都不明白其原理，只能生搬硬套，但是我对计算结果还是有信心的。
本次课程设计，极大地提高了我的动手能力和文献检索能力，在设计的过程中，很多参数、信息都是检索得来的。通过本次课程设计，我体会到了“学海无言苦作舟”这句箴言是多么的对的。本次的填料塔课程设计，仅仅靠课堂学习到的知识是不够的。设计中的大量公式都是之前没接触过的，要现学现用。
所以说一个人的大部分知识都是要在课堂之外学到的，不能仅仅依赖于课堂。平时要多读些有用的书籍，来扩充自己的知识面，不要落到“书到用时方恨少”的地步。我觉得这是我本次课程设计最大的收获。
九、参考文献
1、匡国柱，史启才，化工单元过程及设备课程设计，化学工业出版社。
2、马江权,化工原理课程设计。
3、路秀林，王者相等编，塔设备，化学工业出版社。