环境工程原理课程设计

清水吸收氨过程填料吸收塔设计

2011级环工一班董峻宇20116048

1

目录

第一节 前言 ............................................................................................................................................... 6

1.1 1.2 1.3

填料塔的主体结构与特点 ........................................................................................................ 6 填料塔的设计任务及步骤 ........................................................................................................ 6 填料塔设计条件及操作条件 .................................................................................................... 6

第二节 精馏塔主体设计方案的确定 .......................................................................................................... 7

2.1

装置流程的确定 ........................................................................................................................ 7

2.2 吸收剂的选择 ............................................................................................................................. 7 2.3 填料的类型与选择 ....................................................................................................................... 7

2.3.1 填料种类的选择 ............................................................................................................ 7 2.3.2 填料规格的选择 ............................................................................................................ 7 2.3.3 填料材质的选择 ............................................................................................................ 8 2.4 基础物性数据 .............................................................................................................................. 8

2.4.1 液相物性数据 .............................................................................................................. 8 2.4.2 气相物性数据 ............................................................................................................ 9 2.4.3 气液相平衡数据 .......................................................................................................... 9 2.4.4 物料恒算 .......................................................................................................................... 9

第三节 填料塔工艺尺寸的计算................................................................................................................ 10

3.1 塔径的计算 .................................................................................................................................. 10 3.2 填料层高度的计算及分段 .......................................................................................................... 12

3.2.1 传质单元数的计算 ...................................................................................................... 12 3.2.3 填料层的分段 .............................................................................................................. 14 3.3 填料层压降的计算 ...................................................................................................................... 14 第四节

填料塔内件的类型及设计 ...................................................................................................... 15

4.1 塔内件类型 .................................................................................................................................. 15 4.2 塔内件的设计 .............................................................................................................................. 15

4.2.1 液体分布器设计的基本要求： ................................................................................ 15 4.2.2 液体分布器布液能力的计算 ...................................................................................... 16

注：

1填料塔设计结果一览表 .......................................................................................................................... 16

2 填料塔设计数据一览 ............................................................................................................................. 16 3 参考文献 ................................................................................................................................................. 18 4 后记及其他 ............................................................................................................................................. 18

环境工程原理课程设计任务书

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）、设计题目：清水吸收氨过程填料吸收塔设计 （二）、设计条件：

1、气体混合物成分：空气和氨； 2、氨的含量：（体积）

（1）5.0%，（2）6.0%，（3）7.0％； 3、混合气体流量：

（1）1000m3/h；（2）2000m3/h； （3）3000m3/h； 4、操作温度：298K； 5、混合气体压力：101.3KPa；

6、回收率：（1）97.0%，（2）98.0%，（3）99.0%。 7、所用填料：材料及规格自定。

（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及设计图）： 1、设计说明书内容包括： ⑴、目录和设计任务书； ⑵、流程图及流程说明；

⑶、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）；

⑷、设计计算结果表；

⑸、对设计成果的评价及讨论； ⑹、参考文献。

2、设计图纸：绘制一张填料塔装置图（CAD图）（要打印版）

6、回收率：（1）97.0%，（2）98.0%，（3）99.0%。 7、所用填料：材料及规格自定。

（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及设计图）： 1、设计说明书内容包括： ⑴、目录和设计任务书； ⑵、流程图及流程说明；

⑶、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）；

⑷、设计计算结果表；

⑸、对设计成果的评价及讨论； ⑹、参考文献。

2、设计图纸：绘制一张填料塔装置图（CAD图）（要打印版）

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：用水吸收空气中混有的氨气。

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：空气和氨

2. 空气中氨的含量: 5.0% （体积含量即为摩尔含量） 3. 混合气体流量3000m3/h 4. 操作温度298K 5. 混合气体压力101.3KPa 6. 回收率97 % 7. 采用清水为吸收剂

8. 填料类型：采用乱堆塑料鲍尔环填料

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

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Dn16\Dn25\Dn38\ 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/d的推荐值列于。

表3-1

2.3.3 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。

鲍尔环填料具有通量大、阻力小、分离效率高及操作弹性大等优点，在相同的降压下,处理量可较拉西环大50%以上。在同样处理量时，降压可降低一半，传质效率可提高20%左右。与拉西环比较，这种填料具有生产能力大、阻力小、操作弹性大等特点，在一般情况下同样压降时处理可比拉西环大50%-100%，同样处理时压降比拉西环小50%-70%，塔高也有降压，采用鲍尔环可以比拉西环节约20%-40%填料容积。

综合以上：选择塑料鲍尔环散装填料 Dn50

2.4 基础物性数据

2.4.1 液相物性数据

对低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。由手册查得 25 ℃水的有关物性数据如下：

1.ρ=997.05（kg/m3）

mpas3.2173kg/(mh) 2.黏度0.8904

kg/h2 3表面张力为：72.0dyn/cm932731

4.25CNH3:H0.738kmol/m3kpa 5.25CNH3:DL7.54106m2/h 6.25CNH3:DV0.231m2/s

2.4.2 气相物性数据

1. 混合气体的平均摩尔质量为

MVMyimi0.0517.03040.952928.4015 (2-1)

2. 混合气体的平均密度

VM

PMVM101.328.4015

1.1612RT8.314298

(2-2)

R=8.314 m3KPa/kmolK

3. 混合气体黏度可近似取为空气黏度。查手册得25C时，空气的黏度

v1.83105pas6.588102kg/mh

注：1N1kgm/s2 1Pa1N/m21kg/s2m 1Pa﹒s=1kg/m﹒s

2.4.3 气液相平衡数据

由手册查得，常压下，250C时，NH3在水中的亨利系数为 E=76.3kpa

H=0.738kmol/m 25时，NH3在水中的溶解度：

E

相平衡常数：m0.7532 (2-3)

P 溶解度系数:H

L

EMS

997.05/76.318.020.738kmol/kpam3 (2-4)

2.4.4 物料恒算

1. 进塔气相摩尔比为

Y1

2. 出口气相摩尔比为

y10.05

0.05263 (2-5) 1y110.05

Y2Y1(1)0.05263(10.97)1.579103 (2-6) 3. 进塔惰性气体流量:

V

3000273

(10.05)116.5583kmol/h (2-7) 22.427325

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：

Y1Y2L

 (2-8)

VY/mXmin12

因为是纯溶剂吸收过程，进塔液相组成X20

Y1Y20.052631.579103L

所以 0.7304

0..753VminY1mX2选择操作液气比为

LL

1.71.2417 （2-9） VVmin

L=1.2417×116.5583=144.7298kmol/h 因为V(Y1-Y2)=L(X1-X2) X1=0.04111

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/uf=0.5~0.85贝恩（Bain）—霍根（Hougen）关联式 ，即：

2uFaVlg1

3gL

4

wLV2

=A-K （3-1） LwVL

1

4

18

uF1001.16120.22700.679141.1781lg10.09421.75 即：3

9.81997.054712.4998.20.917

2

所以：uF/9.81（100/0.9173）（1.1612/997.05）=0.2421172607

2

uF=3.9655765557m/s

其中：

A——鲍尔环的的常数，0.0942；

uf——泛点气速，m/s;

g ——重力加速度，9.81m/s2； 2t填料总比表面积，m/m3； 填料层空隙率m3/m3；

l997.05kg/m3液相密度；

1.1612kg/m3

气相密度；

vWL=2700.67914㎏/h ； V=4712.4kg/h；

K=1.75；

取u=0.8， uF=3.9655765557m/s. 则u=u3.9655765557=3.17246

D

4Vsu43000

3.1436003.17246

0.3346 调整塔径后 D=0.4m 1. 泛点速率校核： u

3000

3.140.42

4

6.6348m/s uu6.63483.9656

1.6731 F不在

u

u在允许范围(0.5~0.85)内 F

所以，调整塔径D=0.7m u

4000

3.140.724

2.8795m/s

uu2.87953.9656

0.7261 F在

u

u在允许范围(0.5~0.85)内 F

2. 根据填料规格校核：D/d=700/50=14,根据表3-1符合 3. 液体喷淋密度的校核：

3-2）

W（

(1) 填料塔的液体喷淋密度是指单位时间、单位塔截面上液体的喷淋量。 (2) 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。对于直径不超过75mm的散装填料，可取最小润湿速率Lwmin为0.08m3/mh。

UminLwmint0.081008m3/m2h （3-3） U

wL3600.67914

（3-4） 9.8267>8

22

L0.75D997.050.750.7经过以上校验，填料塔直径设计为D=700mm 合理。

3.2 填料层高度的计算及分段

Y*

1mX10.041110.75320.0310 Y*2mX20 3.2.1 传质单元数的计算

用对数平均推动力法求传质单元数

NY1Y2

OG

Y M

*

Y

Y1

Y1

(Y2

Y*2)

M

* ln

Y1Y

1Y*2Y

2

=0.05263-ln

0.0310（-1.591030）0.05263

0.03101.59103 =0.0076771

3

N

0.05263-1.5910OG

0.0076771

6.648344

3.2.2 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：

（3-5）

（3-6)

（3-7） （3-8）

0.75

Ulawc

1exp1.45atlatl





0.1

Ul2at2gl

0.22

0.05Ul/llat （3-9）





aw、at——单位体积填料的了有效面积及总表面积，m2/m3;

c、l——填料材质的临界表面张力及液体的表面张力，N/m;

Ul——液体通过空塔界面的质量流速，kg/(m2s);

l——液体粘度，Pas;L——液体密度，kg/m；

3

即：awat =0.356952177

液体质量通量为：uL =Wl/（0.785×0.7×0.7）=9360.923kg/(㎡•h) 气体质量通量为： uV =3000×1.1612/（0.785×0.49）=9056.5449kg/(㎡•h) 气膜吸收系数由下式计算：

kG0.237(

UV

tv

)

0.7

v/vDV

1

3

tDV

RT



 （3-10） 

1/3

0.2379056.5449105.423510-5

=0.

kmol/(㎡h kpa)

0.065880.2251.16121000.2258.314298

0.7

液膜吸收数据由下式计算：

Ug

KL0.0095LLL (3-11）

wlLDLL =0.2454056m/h 因为1.45

23



1213

KGKGW1.10.0970.35701.451.1100 （3-12） =5.2113kmol/(m3Pah)

KLKLW0.4 =0.24541000.35701.450.4 （3-13） =10.164559/h 因为：u

F

=0.7261

所以需要用以下式进行校正：

1.4

u'

kG19.50.5kG

uF

1.4=19.5（0.72840.5）5.2113 （3-14）



=11.4752 kmol/(m3Pah)

2.2

u'

kl12.60.5kL （3-15）

uF

= 12.60.7284-0.5 =11.19066755/h

KG

1''

KGHKL



2.2

10.164559

（3-16）

=1÷(1÷11.4752+1÷0.738÷11.19066755)

=4.80241kmol/(m3Pah)

HOG

VKY



VKGP

（3-17）

=116.5583÷4.80241÷101.3÷0.738÷0.49 =0.66256 m

ZHOGNOG （3-18） =0.66256×6.648

=4.405m,得 Z'=1.4×4.405=6.1665m

3.2.3 填料层的分段

对于鲍尔环散装填料的分段高度推荐值为h/D=5~10。 h=5×700～10×700=3.5～7 m

计算得填料层高度为6000mm，，故需要进行分段，2米为一段，分为三段。

3.3 填料层压降的计算

取 Eckert (通用压降关联图)；将操作气速u'(＝2.8795m/s) 代替纵坐标中的uF查表，DG50mm塑料鲍尔环的压降填料因子＝125代替纵坐标中的．

则纵标值为：

u2PV0.2

=0.12469 (3-19) L

gL

u——空塔气速，m/s;

P——水/l水与液相的密度比；——填料因子，1/m;

V、L——气相、液相密度，kg/m3;l——液体粘度，Pas;

横坐标为：

W

LV

WVL

0.5

2700.679141.1612

4712.4997.05

0.5

0.02608

(3-20)

WL、WV——分别为液相、气相的质量流速，kg/h;

查图得：

P

 196.2Pa/m (3-21) Z

为确保填料塔能在最佳工作情况下操作，每米填料层的压强降不能太大，一般常压塔内压降P=147~490.3Pa(15~50mmH2O)为宜；经计算，所涉及的填料塔的每米压强降为458Pa,在此范围内，因此符合实际操作情况。

全塔填料层压降 P=196.2×6=1177.2 Pa

至此，吸收塔的物科衡算、塔径、填料层高度及填料层压降均已算出。

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。

4.2 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 填料层高度 填料规格 操作液气比 校正液体流速 压降 惰性气体流量

0.7m 6m 50mm鲍尔环

1.2417 1.7倍最小液气比 3.17246/s 1177.2Pa 116.5583kmol/h

2 填料塔设计数据一览

3 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. [5] 唐盛伟. 填料吸收塔.北京.化学工业出版社.2000. [6] 路秀林.王者相.塔设备.北京.化学工业出版社.2004.

[7] 刘道德.化工设备的选择与设计.湖南.中南大学出版社.2003.

[8] 徐伟平，陈佩珍，程达芳.化工过程及设备设计.化学工业出版社.2000.

4 后记及其他

在这次课程设计中我学到了很多。

首先是关于word的使用方式，以前只知道word可以处理文字，对于公式的输入不太了解，因为这次需要输入很多公式，所以，先学了公式编辑器的用法。

再者就是学到了很多本次与我们专业有关的吸收塔的设备的选择与设计方面的知识，涉及到很多方面的内容，好多都是课本上不曾接触到的，需要根据在设计中遇到的问题，自己找解决方法，和同学们谈论，系数的选择以及塔径的修整；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，同时使我加深了对课本知识的认识，也巩固了所学到的知识。

第三，深刻意识到团队力量的重要性，刚拿到设计任务书时，大家都是一头雾水，然后慢慢的查资料、讨论，对设计任务以及设计流程有了大体了解，使我们能够顺利完成本次课程设计的任务。

同时在本次的设计过程中也发现很多不足，如对课本基础知识掌握不牢，对知识的掌握只是一知半解，没有深刻学习。因此，以后需要，加强这一方面的培养。

关于设计的吸收塔，因为是第一次接触可能纰漏很多，另外本人对于计算方面不是很有信心，所以数据可能有所偏差。但是这次的设计让我更加了解了自己的专业以及相关知识，知道了，一个人要成功必须要付出足够的汗水和努力。