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1、环境工程原理课程设计任务书课程设计题目：填料吸收塔 2011年11月一、 课程设计的意义与目的课程设计是环境工程原理课程的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练。在整个教学计划中，它也起着培养学生独立工作能力的重要作用。 课程设计不同于平时的作业，在设计中需要学生自己做出决策，即自己确定方案，选择流程，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。所以，课程设计是培养学生独立工作能力的有益实践。通过课程设计,学生应该注重以下几个能力的训练和培养： 1. 查阅资料，选
2、用公式和搜集数据(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集)的能力； 2. 树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力； 3. 迅速准确的进行工程计算的能力； 4. 用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。二、设计资料（一）题目：清水吸收混合气中的二氧化硫填料吸收塔设计（二）设计条件：1、混合气（空气+二氧化硫）2、处理量：3000 m3/h3、进塔混合气中含二氧化硫：13%4、进塔吸收剂（清水），温度293K5、二氧化硫的吸收率：99%6、操作压力：101.3KPa；7、所
3、选填料：乱堆塑料阶梯环，规格自定。（三）、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、填料的分层、塔高的确定。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。（四）、设计要求（交纸质的设计说明书和设计图）：1、设计说明书内容包括：、目录和设计任务书；、流程图及流程说明；、计算（根据计算需要，作出必要的草图，计算中所采用的数据和经验公式应注明其来源）；、设计计算结果表；、对设计成果的评价及讨论；、参考文献。2、设计图
4、纸：绘制一张填料塔装置图（CAD图）。 水吸收氨课程设计目 录1.设计内容第一节前言71.1填料塔的主体结构与特点71.2填料塔的设计任务及步骤71.3填料塔设计条件及操作条件8第二节 填料塔主体设计方案的确定82.1装置流程的确定82.2 吸收剂的选择82.3填料的类型与选择92.3.1 填料种类的选择92.3.2 填料规格的选择92.3.3 填料材质的选择92.4 基础物性数据102.4.1 液相物性数据102.4.2 气相物性数据102.4.4 物料横算11第三节 填料塔工艺尺寸的计算113.1 塔径的计算113.2 填料层高度的计算及分段133.2.1 传质单元数的计算133.2.3
5、填料层的分段153.3 填料层压降的计算15第四节填料塔内件的类型及设计164.1 塔内件类型164.2 塔内件的设计164.2.1 液体分布器设计的基本要求：164.2.2 液体分布器布液能力的计算16注：2.填料塔设计结果一览表172.1 填料塔设计数据一览173 对设计结果评价184.参考文献185.后记及其他196.附件附件一：塔设备流程图20附件二：塔设备设计图211.设计内容第一节 前言1.1 填料塔的主体结构与特点结构：图1-1 填料塔结构图填料塔不但结构简单，且流体通过填料层的压降较小，易于用耐腐蚀材料制造，所以她特别适用于处理量肖，有腐蚀性的物料及要求压降小的场合。液体自塔顶
6、经液体分布器喷洒于填料顶部，并在填料的表面呈膜状流下，气体从塔底的气体口送入，流过填料的空隙，在填料层中与液体逆流接触进行传质。因气液两相组成沿塔高连续变化，所以填料塔属连续接触式的气液传质设备。1.2 填料塔的设计任务及步骤设计任务：清水吸收混合气中的二氧化硫设计步骤：（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）塔内件设计。1.3 填料塔设计条件及操作条件1. 气体混合物成分：空气和二氧化硫2. 进塔混合气中含二氧化硫（体积分数）：13%3. 处理量：3
7、000m3/h4. 操作温度：293K5. 混合气体压力：101.3KPa6. 二氧化硫的吸收率：99%7. 采用清水为吸收剂8. 填料类型：乱堆塑料阶梯环，规格自定第二节 精馏塔主体设计方案的确定2.1 装置流程的确定 本次设计采用逆流操作：气相自塔低进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出，即逆流操作。逆流操作的特点是：传质平均推动力大，传质速率快，分离效率高，吸收剂利用率高。工业生产中多采用逆流操作。2.2 吸收剂的选择因为用水做吸收剂，故采用纯溶剂。2-1 工业常用吸收剂溶质 溶剂溶质溶剂氨水、硫酸丙酮蒸汽水氯化氢水二氧化碳水、碱液二氧化硫水硫化氢碱液、有机溶剂苯蒸汽煤油、洗油一氧化碳
8、铜氨液2.3填料的类型与选择填料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。2.3.1 填料种类的选择本次采用散装填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。鲍尔环是目前应用较广的填料之一，本次选用鲍尔环。2.3.2 填料规格的选择工业塔常用的散装填料主要有Dn16Dn25Dn38 Dn76等几种规格。同类填料，尺寸越小，分离效率越高，但阻力增加，通量减小，填料费用也增加很多。而大尺寸的填料应用于小直径塔中，又会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率降低。因此，对塔径与填料尺寸的比值要有一规定。常用填料的塔径与填料公称直径比值D
9、/d的推荐值列于。表3-1填料种类D/d的推荐值拉西环D/d2030鞍环D/d15鲍尔环D/d1015阶梯环D/d8环矩鞍D/d82.3.3 填料材质的选择工业上，填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类聚丙烯填料在低温（低于0度）时具有冷脆性，在低于0度的条件下使用要慎重，可选耐低温性能良好的聚氯乙烯填料。综合以上：选择乱堆填料阶梯环Dn252.4 基础物性数据2.4.1 液相物性数据1. 2. 3. 表面张力为:4. 20SO2:H=0.0156kmol/（kpa.m3)5 20SO2:DV=1.22105m2/s6 20SO2:DL =1.47109 m2/s2.4.2 气相物性数据1. 混
10、合气体的平均摩尔质量为Mvm=yimi=640.13+290.87=33.552. 混合气体的平均密度=PM/RT=101.333.55/8.314293=1.3952kg/m3 (2-2)R=8.314 3. 混合气体黏度可近似取为空气黏度。查手册得20时，空气的黏度 注： 1 1Pa.s=1kg/m.s2.4.3 气液相平衡数据 由手册查得，常压下，20时，SO2在水中的亨利系数为 E=3550kpa20SO2在水中的溶解度: H=0.0156kmol/m 相平衡常数： 相平衡常数：m=E/P=35.04 (2-3) 2.4.4 物料衡算1. 进塔气相摩尔比为Y1=y1/1-y1=0.13
11、/1-0.13=0.15 (2-5) 2. 出口气相摩尔比为 3. 进塔惰性气体流量: (2-7) 因为该吸收过程为低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比按下式计算。即： (2-8)因为是纯溶剂吸收过程，进塔液相组成所以 选择操作液气比为 （2-9）因为V(Y1-Y2)=L(X1-X2) X1=0.0029第三节 填料塔工艺尺寸的计算填料塔工艺尺寸的计算包括塔径的计算、填料能高度的计算及分段3.1 塔径的计算1. 空塔气速的确定泛点气速法对于散装填料，其泛点率的经验值u/u=0.50.85贝恩（Bain）霍根（Hougen）关联式 ，即：=A-K 混合气的质量流量为V=(3000/22.4)x
12、(273/273+20)x33.55=4186.59kg/h混合气的密度v=4186.59/3000=1.396kg/m3 横坐标为： 由散堆填料泛点线可查出，横坐标为1.032时的纵坐标值为0.017则纵标值为： = （3-3）取空塔速度为泛点速度的72% （3-5）圆整塔径，取塔径为1.3泛点气速，m/s;g 重力加速度，9.81m/s1. 泛点速率校核：u=3000/0.785x1.32x3600=0.628m/s实际泛点百分率:0.628/0.831=0.756在范围内3.2 填料层高度的计算及分段 （3-5） （3-6） 3.2.1气体总传质单元数的计算用对数平均推动力法求传质单元数
13、 （3-7） （3-8） = （3-9）3.2.2 气体总传质单元高度的计算 气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算： （3-9）即：w/t =0.605单位体积填料的湿润表面积为at=228m2/m3单位体积填料的有效表面积为w=113.68m2/m3液体质量通量为： =209044.8/0.7851.333600=20.37kg/(h) 气体质量通量为： =4186.59/3600=1.1629kg/(h)气膜吸收系数由下式计算： （3-10） 气体通过空塔截面的质量流速，; 气体的粘度，； 气体的密度，；通用气体常数，8.314气体质量通量为：代入数值 =0.237(1.162922
14、81.73105)0.7(1.7310-51.39251.22105)1/3(2281.2210-58.314293)=1.45710-5kmol/(.s. kpa)液膜吸收数据由下式计算： (3-11） 式中：液体的密度，；液体的质量流速，液相的黏度，；液体通过空塔截面的质量流速，；溶质在液相中的扩散系数， 。代入数值得： =4.1210-4m/s因为=1.191.45710-5113.681.191.1 （3-12）=2.0110-3kmol/(m3.s.kpa) =3.9910-4113.681.190.4 （3-13） =0.05/s因为： =0.7560.5所以需要用以下式进行校正：
15、 （3-14） =4.8410-3kmol/(m3.s.kpa) （3-15） =0.0549/s （3-16） =7.2810-4kmol/(m3.s. kpa) （3-17） =108.56(7.2810-4101.30.78513600)=0.52m （3-18） =0.526.209=3.23m,得 =1.43.23=4.52m3.2.3 填料层的分段对于乱堆阶梯环填料的分段高度推荐值为h/D=815。hmax=6mh=13008=104000mm计算得填料层高度为3017mm，故不需分段3.3 填料层压降的计算取 Eckert (通用压降关联图)；将操作气速(0.598m/s) 代替
16、纵坐标中的查表，DG25mm塑料阶梯环的压降填料因子172代替纵坐标中的则纵标值为：= 0.036 (3-19) 横坐标为：L/V（v/l)0.5= 209044.8/4186.59(1.4998.2)0.5 =0.92 (3-20)查图得 294.3Pa/m (3-21)全塔填料层压降 =294.34.52=1330.2Pa 其他塔内件的压力降很小可以忽略，所以填料层压降为1330.2Pa第四节 填料塔内件的类型及设计4.1 塔内件类型填料塔的内件主要有填料支撑装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体收集再分布装置等。合理的选择和设计塔内件，对保证填料塔的正常操作及优良的传质性能十分重要。4.
17、2 塔内件的设计 4.2.1 液体分布器设计的基本要求： （1）液体分布均匀 （2）操作弹性大 （3）自由截面积大（4）其他4.2.2 液体分布器布液能力的计算 （1）重力型液体分布器布液能力计算 （2）压力型液体分布器布液能力计算注：(1)本设计任务液相负荷不大，可选用排管式液体分布器；且填料层不高，可不设液体再分布器。 (2)塔径及液体负荷不大，可采用较简单的栅板型支承板及压板。其它塔附件及气液出口装置计算与选择此处从略。 注：1填料塔设计结果一览表塔径1.3m填料层高度4.52m 填料规格25mm鲍尔环操作液气比49.932 1.5倍最小液气比校正液体流速0.628m/s压降1330.2
18、Pa惰性气体流量108.56kmol/h2 填料塔设计数据一览E亨利系数， 气体的粘度，1.73 1.05 平衡常数 35.04 水的密度和液体的密度之比 1 重力加速度， 9.81 =1.27 分别为气体和液体的密度，1.4；998.2；气相总体积传质系数， 填料层高度，=4.52 塔截面积，气相总传质单元高度，=0.52 气相总传质单元数 =5.8099以分压差表示推动力的总传质系数，单位体积填料的润湿面积 w=113.68m2/m3at填料总比表面积 at=228m2/m3以分压差表示推动力的气膜传质系数，溶解度系数，0.0156以摩尔浓度差表示推动力的液摩尔传质系数，气体常数，Dv=1
19、.22x10-5m2/s Dl=1.47x10-9m2/s二氧化硫在空气中中的扩散系数及二氧化硫在水中的扩散系数; 液体质量通量为：20.37kg/(h)气体质量通量为：1.1629 kg/(h)3 对设计结果的评价 本次设计，结果有些偏差，但总体符合设计要求。4.参考文献 1 夏清.化工原理（下）M. 天津:天津大学出版社, 2005.2 贾绍义,柴诚敬. 化工原理课程设计M. 天津:天津大学出版社, 2002.3 华南理工大学化工原理教研室著化工过程及设备设计M广州: 华南理工大学出版社, 1986.4 周军.张秋利 化工AutoCAD制图应用基础 。北京. 化学工业出版社。3化工原理课程
20、设计指导书，贾绍义、柴诚敬.天津大学出版社，2002年，第134-154页4化工单元过程及设备课程设计，匡国柱、史启才.化学工业出版社，2002年，第252页5化工原理课程学习指导，柴诚敬、王军等.天津大学出版社，2005年，第190页6化工原理课程学习指导与训练，张鹏、曾庆荣等.吉林人民出版社，2004年，第123页5.后记及其他 通过本次课程设计，使我对从填料塔设计方案到填料塔设计的基本过程的设计方法、步骤、思路、有一定的了解与认识。在课程设计过程中,使我加深了对课本知识的认识，也巩固了所学到的知识。此次课程设计按照设计任务书、指导书、技术条件的要求进行。同学之间相互讨论，整体设计基本满足使用要求，但是在设计指导过程中也发现一些问题，发现自己基础知识不牢固，需加强学习，扩大知识面的广度。 通过这次课程设计，也看到了自己的一些不足之处，更加了解到数据处理的严谨性和完整性，此次作业，提高了自己的逻辑思维和总结能力以及独立完成作业的能力，且通过这次设计，对于我以后相信会有很大的帮助。6. 附件附件一：塔设备流程图附件二：塔设备设计图附件一：塔设备流程图附件二：塔设备设计图
