环境综合项目工程专业课程设计.doc
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1、湖南农业大学课程论文学 院:资源环境学院 班 级:环境科学姓 名:李文涛 学 号:40463117课程论文题目:填料塔设计课程名称:环境工程课程设计评阅成绩:评阅意见:成绩评估教师签名:日期: 年 月 日设计任务书学生:李文涛(资源环境学院环境科学班级,学号:40463117)1、 设计题目:水吸取二氧化硫过程填料吸取塔设计2、工艺操作条件:(1)操作平均压力 常压(2)操作温度 t=20 (3)每年生产时间:7200h。(4)选用填料类型及规格自选。3、设计任务:完毕填料塔工艺设计与计算,关于附属设备设计和选型,绘制吸取系统工艺流程图和吸取塔工艺条件图,编写设计阐明书。目录一、摘要二、设计方
2、案简介2.1吸取剂选取2.2吸取流程选取2.3吸取塔设备及填料选取2.3.1吸取塔设备2.3.2吸取塔填料2.4吸取剂再生选取2.5操作参数选取三、吸取塔工艺计算3.1基本物性数据3.1.1液相物性数据3.1.2气相物性数据3.1.3气液相平衡数据3.2物料衡算3.3湍球塔工艺尺寸计算3.3.1塔径3.3.2填料数据计算和支撑板构造3.4填料层高度3.5流体力学计算3.5.1各阶段工况气速计算3.5.2球层压力降P3.5.3球层扩展阶段时膨胀高度3.6湍球塔辅助构造3.6.1支承板及档网3.6.2除沫器3.6.3液体分布器3.7填料塔附属高度计算3.8湍球塔流体力学参数计算3.8.1全塔压降3
3、.8.2气体动能因子3.9附属设备计算和选取3.9.1接管尺寸计算举例3.9.2离心泵选取和计算四、工艺设计计算成果汇总汇总与重要符号阐明五、对过程评述和关于问题讨论六、结束语摘要:吸取操作在化学工业中是一种重要分离办法,本次设计采用水吸取矿石焙烧炉送出气体,入塔炉气流量为m3/h,其中进塔SO2摩尔分率为0.05,SO2吸取率达到95吸取效果以减少对大气污染,属于物理吸取。影响吸取因素重要为溶质在吸取剂中溶解度,其吸取速率重要决定于气相或液相与界面上溶质浓度差,以及溶质从气相向液相传递扩散速率。本设计本设计采用填料塔,塔高8.7m,塔径0.7m,采用聚丙烯空心球填料,具备通量大、阻力小、传质
4、效率高等长处,可以达到较好通过能力和分离效果。普通说来,完整吸取过程应涉及吸取和解吸两某些。在化工生产过程中,原料气净化,气体产品精制,治理有害气体,保护环境等方面都要用到气体吸取过程。填料塔作为重要设备之一,越来越受到青睐。二氧化硫填料吸取塔,以水为溶剂,经济合理,净化度高,污染小。此外,由于水和二氧化硫反映生成硫酸,具备很大运用率。核心词: 二氧化硫 吸取 水 填料塔二 、设计方案 吸取过程设计方案重要涉及吸取剂选取、吸取流程选取、解吸办法选取、设备类型选取、操作参数选取等内容。2.1吸取剂选取 吸取剂普通是对气体混合物各组分具备不同溶解度而能选取性地吸取其中一种组分或几种组分液体。由于吸
5、取操作目不同,吸取剂功用也不同。有些是吸取气体而获得产品,如在盐酸制造中用水吸取氯化氢气体。有些是除去气体混合物中一种或几种组分,以达到分离目,如用水或碱液吸取烟道气等中二氧化碳。吸取操作中可以选取性地溶解混合气体中某些特定组分液体。吸取剂可以是纯液体,也可以是溶液。普通分为物理吸取剂和化学吸取剂两类。物理吸取剂与溶质之间无化学反映,气体溶解度只与气液平衡(见汽液平衡)规律关于;化学吸取剂与溶质之间有化学反映,气体溶解度不但与气液平衡规律关于,并且与化学平衡规律关于。化学吸取剂大多是某种活性组分溶液,如碳酸钾或氢氧化钠水溶液。 当吸取是为了制取某种溶液产品时,只能用某种特定吸取剂,如由氯化氢制
6、造盐酸,只能用水作吸取剂。当吸取是为了对气体混合物作组分分离时,吸取剂合理选取,对吸取操作成功与否有重大影响。普通说来,化学吸取剂易于达到较高选取性,并可使溶质易于溶解;但再生比较困难,消耗能量较多。事实上,很难找到一种可以满足上述各项规定抱负吸取剂,只能通过对可用吸取剂全面评价,按经济上与否合理作出选取。为此,性能优良新吸取剂开发,始终为人们所关注。对于吸取操作,选取适当吸取剂,具备十分重要意义。其对吸取操作过程经济性有着十分重要影响。普通状况下,选取吸取剂,要着重考虑如下问题:1对溶质溶解度大所选吸取剂多溶质溶解度大,则单位量吸取剂可以溶解较多溶质,在一定解决量和分离规定下,吸取剂用量小,
7、可以有效地减少吸取剂循环量,这对于减少过程功耗和再生能量消耗十分有利。2对溶质有较高选取性对溶质有较高选取性,即规定选用吸取剂应对溶质有较大溶解度,而对其她组分则溶解度要小或基本不溶,这样,不但可以减小惰性气体组分损失,并且可以提高解吸后溶质气体纯度。3不易挥发吸取剂在操作条件下应具备较低蒸气压,以避免吸取过程中吸取剂损失,提高吸取过程经济性。4粘度低吸取剂在操作温度下粘度越低,其在塔内流动性越好,有助于传质速率和传热速率提高。5其她 所选用吸取剂应尽量满足无毒性、无腐蚀性、不易燃易爆、不发泡、冰点低、价廉易得以及化学性质稳定等规定。2.2吸取流程选取吸取装置流程重要有如下几种(1)逆流操作
8、气体自塔底进入由塔顶排除,液相自塔顶进入由塔底排除,即此逆流操作。逆流操作特点是,传质平均推动力大,传质速率快,分离效率高。工业生产中普通采用逆流操作。(2)并流操作 气液两项均从塔顶流向塔底,此即并流操作。并流操作特点是,系统不受液流限制,可提高操作气速,以提高生产能力。并流操作普通运用如下状况:当吸取过程中平衡曲线较平坦时,流向对推动力影响不大;易溶气体吸取或解决气体不需吸取很完全;吸取剂用量特别大;逆流操作易引起液泛。(3)吸取剂某些再循环操作 在逆流操作系统中,用泵将吸取塔排除液体一某些冷却后与补充新鲜吸取剂一同送回塔内,即为某些在循环操作。通惯用于如下状况:当吸取剂用量较小,为提高液
9、体喷淋密度;对于非等温吸取过程,为控制塔内升温,需取出一某些热量。该流程特别适当平衡数值很小状况,通过吸取液某些在循环提高吸取剂使用效率。应予指出,吸取剂某些在循环操作较逆流操作平均推动力要低,切需要设立循环泵,操作费用增长。(4)多塔串联操作 若设计填料层高度过大,或由于所解决物料等因素需经常清理填料,为便于维修,可把填料层分装在几种串联塔内,每个吸取塔通过吸取剂和气体量都相等,即为多塔串联操作。此种操作因塔内需留较大空间,输液、喷淋、支承板等辅助装置增长,使设备投资加大。(5)串联并联混合操作 若吸取过程解决液量很大,如果用普通流程,则液体在塔内喷淋密度过大,操作气速势必很小,塔生产能力减
10、少。实际生产中可采用气相作串联、液相作并联混合流程;若吸取过程解决液量不大而气相流程很大时,可采用液相作串联、气相作并联混合流程。总之,在实际应用中应依照生产任务、工艺特点,结合各种流程优缺陷选取适当流程布置。本设计采用湍球塔中普通采用是单塔持续逆流操作,由于逆流推动力大,传质速率快,分离效果好,并且单塔逆流操作即可满足设计规定。2.3吸取塔设备及填料选取2.3.1吸取塔 吸取塔是实现吸取操作设备。按气液相接触形态分为三类。第一类是气体以气泡形态分散在液相中板式塔、鼓泡吸取塔、搅拌鼓泡吸取塔;第二类是液体以液滴状分散在气相中喷射器、文氏管、喷雾塔;第三类为液体以膜状运动与气相进行接触填料吸取塔
11、和降膜吸取塔。塔内气液两相流动方式可以逆流也可并流。普通采用逆流操作,吸取剂以塔顶加入自上而下流动,与从下向上流动气体接触,吸取了吸取质液体从塔底排出,净化后气体从塔顶排出。(一)基本规定工业吸取塔应具备如下基本规定: 1塔内气体与液体应有足够接触面积和接触时间。 2气液两相应具备强烈扰动,减少传质阻力,提高吸取效率。 3操作范畴宽,运营稳定。 4设备阻力小,能耗低。 5具备足够机械强度和耐腐蚀能力。 6构造简朴、便于制造和检修。(二)吸取塔填料 1、散装填料2、规整填料二、填料性能评价 1填料几何特性填料几何特性数据重要涉及比表面积、空隙率、填料因子等,是评价填料性能基本参数。(1)比表面积
12、单位体积填料填料表面积称为比表面积,以a表达,其单位为m2/m3。填料比表面积愈大,所提供气液传质面积愈大。因而,比表面积是评价填料性能优劣一种重要指标。(2)空隙率单位体积填料中空隙体积称为空隙率,以e 表达,其单位为m3/m3,或以%表达。填料空隙率越大,气体通过能力越大且压减少。因而,空隙率是评价填料性能优劣又一重要指标。(3)填料因子填料比表面积与空隙率三次方比值,即a/e 3,称为填料因子,以f表达,其单位为1/m。填料因子分为干填料因子与湿填料因子,填料未被液体润湿时a/e3称为干填料因子,它反映填料几何特性;填料被液体润湿后,填料表面覆盖了一层液膜,a和e 均发生相应变化,此时a
13、/e 3称为湿填料因子,它表达填料流体力学性能,f值越小,表白流动阻力越小。(4)规整填料选取填料材质 选取填料材质应依照吸取系统介质以及操作温度而定,普通状况下,可以选用塑料,金属,陶瓷等材料。对于腐蚀性介质应采用相应抗腐蚀性材料,如陶瓷,塑料,玻璃,石墨,不锈钢等,对于温度较高状况,应考虑材料耐温性能。填料选取尤为重要,所选填料既要满足生产工艺规定,又要使设备投资和操作费用较低但各种填料构造差别较大,具备不同优缺陷,因而在使用上应依照详细状况选取不同塔填料。在选取塔填料时,应当重要考虑如下几种问题:(1) 填料类型选取 此处选取是整个设计核心,选取不同会直接影响整个操作过程,填料选取就成为
14、人们非常关注,不但要考虑分离效率,还要保证有较高传质效率。其中填料层压降是填料重要性能,填料层压降越低,能力消耗就越少,从而很大减少成本造价以及操作费用,这样有助于操作生产。 (2) 填料尺寸选取 散装填料规格普通是指填料公称直径。工业塔惯用散装填料重要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等几种规格。同类填料尺寸越小,分离效率越高,但阻力增长,通量减小,填料费用也增长诸多。而大尺寸填料应用于小直径塔中,又会产生液体分布不良及严重壁流,使塔分离效率减少。因而,对塔径与填料尺寸比值要有一规定可以选用塑料,金属,陶瓷等材料。对于腐蚀性介质应采用相应抗腐蚀性材料,如陶瓷,塑料,玻璃,石墨
15、,不锈钢等,对于温度较高状况,应考虑材料耐温性能。 水吸取二氧化硫气体操作温度剂操作压力较低,本设计综合考虑以上因素采用直径38 mm聚丙烯空心小球(质量为0.35 g/个,密度为160 kg/m3)做填料。2.4吸取剂再生选取 根据所用吸取剂不同可以采用不同再生办法,工业上惯用吸取剂再生办法重要有减压再生,加热再生及气提再生等。(一)减压再生(闪蒸)吸取剂减压再生是最简朴吸取剂再生办法之一。在吸取塔内,吸取了大量溶质后吸取剂进入再生塔并减压,使得溶入吸取剂中溶质得以再生。该办法最合用于加压吸取,并且吸取后后续工艺处在常压或较低压力条件,如吸取操作处在常压条件下进行,若采用减压再生,那么解吸操
16、作需在真空条件下进行,则过程也许不够经济。(二)加热再生加热再生也是吸取剂再生最惯用办法。吸取了大量溶质后吸取剂进入再生塔内并加热使其升温,溶入吸取剂中溶质得以解吸。由于再生温度必要高于解吸温度,因而,该办法最合用于常温吸取或在接近于于常温吸取操作,否则,若吸取温度较高,则再生温度必然更高,从而,需要消耗更高品位能量。普通采用水蒸汽作为加热介质,加热办法可以根据详细状况采用直接蒸汽加热或采用缉间接蒸汽加热。(三)气提再生气提再生是在再生塔底部通入惰性气体,使吸取剂表面溶质分压减少,使吸取剂得以再生。惯用气提气体是空气和水蒸气。 由于本设计是在常压下进行气体吸取,并且吸取气体是由矿石焙烧炉中放出
17、,则可以运用其热量进行加热再生。2.5操作参数选取 吸取塔操作参数重要指操作压力和操作温度。一、操作压力对于物理吸取,加压操作一方面有助于提高吸取过程传质推动力而提高过程传质速率,另一方面,也可以减小气体体积流率,减小吸取塔径。因此操作十分有利。但工程上,专门为吸取操作而为气体加压,从过程经济性角度看是不合理,因而若在前一道工序压力参数下可以进行吸取操作状况下,普通是此前道工序压力作为吸取单元操作压力。对于化学吸取,若过程由质量传递过程控制,则提高操作压力有利,若为化学反映过程控制,则操作压力对过程影响不大,可以完全依照先后工序压力参数拟定吸取操作压力,但加大吸取压力依然可以减小气相体积流率,
18、对减小塔径依然是有利。对于减压再生(闪蒸)操作,其操作压力应以吸取剂再生规定而定,逐次或一次从吸取压力减至再生操作压力,逐次闪蒸再生效果普通要优于一次闪蒸效果。 二、操作温度对于物理吸取而言,减少操作温度,对吸取有利。但低于环境温度操作温度因其要消耗大量制冷动力而普通是不可取,因此普通状况下,取常温吸取较为有利。对于特殊条件吸取操作必要采用低于环境温度操作。对于化学吸取,操作温度应依照化学反映性质而定,既要考虑温度对化学反映速度常数影响,也要考虑对化学平衡影响,使吸取反映具备适当反映速度。对于再生操作,较高操作温度可以减少溶质溶解度,因而有助于吸取剂再生。三、吸取塔工艺计算3.1基本物性数据3
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