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化工原料课程设计环境工程

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2020年6月23日
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目录
引言 1
1流程的说明 2
1.1几种流程的比较 2
1.2流程的确定 2
2填料的选择 2
2.1填料的类型 2
2.2填料材质: 3
2.3填料的的选择 3
3吸收塔的工艺计算 4
3.1基础物性数据 4
3.1.1液相物性数据 4
3.1.2气相物性数据 4
3.1.3气液两相平衡时的数据 4
3.2物料衡算 5
3.3填料塔的工艺尺寸计算 5
3.3.1塔径的计算 5
3.3.2泛点率校核和填料规格 7
3.3.3液体喷淋密度校核 7
3.4填料层高度计算 8
3.4.1传质单元数的计算 8
3.4.2传质单元高度的计算 8
3.4.3填料层高度的计算 10
3.5填料塔附属高度的计算 10
3.6填料层压降ΔP的计算 10
3.7泛点率 11
4辅助设备的选用 12
4.1填料支承装置 12
4.2液体喷淋装置 12
4.3液体再分布装置 12
4.4塔顶除雾沫器 12
5附属设备的计算与选择 13
5.1吸收塔主要接管的尺寸计算 13
5.2离心泵的计算与选择 14
5.3风机的选择 15
设计结果列表 16
设计结果的讨论和说明 18
参考文献 19

引言
课程设计是《化工原理》课程的一个总结性教学环节, 是培养我们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, 在设计中需要我们自己做出决策, 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, 经过重复的分析比较, 择优选定最理想的方案和合理的设计。因此, 课程设计是培养我们独立工作能力的有益实践。
这次课程设计的任务是用水吸收空气中的二氧化硫。要求设计包括塔径、 填料塔高度、 塔管的尺寸等, 需要经过物料衡算得到所需要的基础数据, 然后进行所需尺寸的计算得到各种设计参数, 为图的绘制打基础, 提供数据参考。

1流程的说明
1.1几种流程的比较
吸收装置的流程主要有以下几种
(1)  逆流操作:
定义: 气相自塔底进入由塔顶排出, 液相自塔顶进入由塔底排出的操作。
特点: 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。
适用情况: 工业生产中多采用逆流操作。
(2)  并流操作:
定义: 气液两相均从塔顶流向塔底的操作。
特点: 系统不受液流限制, 可提高操作气速, 以提高生产能力。
适用情况: 当吸收过程的平衡曲线较平坦时, 流向对推动力影响不大; 易溶气体的吸收或处理的气体不需吸收很完全;吸收剂用量特别大, 逆流操作易引起液泛。
(3)  吸收剂部分再循环操作:
定义: 在逆流操作系统中, 用泵将吸收塔排出液体的一部分冷却后与补充的新鲜吸收剂一同送回塔内的操作。
适用情况: 当吸收剂用量较小, 为提高塔的液体喷淋密度; 对于非等温吸收过程, 为控制塔内的温升, 需取出一部分热量。该过程特别适宜于相平衡常数m值很小的情况, 经过吸收液部分再循环, 提高吸收剂的使用效率。应予以指出, 吸收及部分再循环操作较逆流操作的平均推动力要低, 且需设置循环泵, 操作费用增加。
(4)  多塔串联操作:
如设计的填料层高度过大, 或由于所处理的物料等原因需经常清理填料, 为便于维修, 可把填料层分装在几个串联的塔内, 每个吸收塔经过的吸收剂和气体量都相等, 即为多塔串联操作。
(5)  串联——并联混合操作:
若吸收过程处理的液量很大, 如果用一般的流程, 则液体在塔内的喷淋密度过大, 操作气速势必很小, 塔的生产能力很低。实际生产中可采用气相做串联, 液相做并联的混合流程; 若吸收过程处理的液量不大而气相流量很大时, 可采用液相做串联, 气相做并联的混合流程。
1.2流程的确定
装置流程的确定: 本填料吸收塔的设计任务是用水吸收SO2, 属于中等溶解度的吸收过程, 为提高传质效率, 选用逆流吸收流程.
2填料的选择
2.1填料的类型
填料是填料塔中气液接触的基本构件, 其性能的优劣是决定填料塔操作性能的主要元素, 因此, 填料的选择是填料塔设计的重要环节。
填料类型: 填料种类很多, 根据装填方式的不同可分为散装填料和规整填料两大类。
1.  散装填料: 散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体, 一般以随机的方式堆积在塔内, 又称为乱堆填料或颗粒填料。散装填料根据结构特点的不同, 又可分为环形填料, 鞍形填料, 环鞍形填料及球形填料等。
u 拉西环填料: 拉西环为外径与高度相等的圆环, 一般由陶瓷或金属材料制成。其结构简单, 制造容易, 但堆积时相邻环间易形成线接触, 填料层的均匀性差, 致使传质效率低。而且流动阻力大, 操作范围小。
u 鲍尔环: 鲍尔环是在拉西环的壁上开一层或两层长方形窗口, 窗孔的母材两层交错地弯向环中心对接。这种结构使填料层内气、 液分布性能大为改进, 特别是环的内表面得到充分利用。气液通量得到提高而压降仅为拉西环的一半, 分离效果也得到提高。
u 阶梯环: 鲍尔环基础上改造得出的。其高径比较小, 气体绕填料外壁的平均路径大为缩短, 减少了阻力。喇叭口一边, 不但增加机械强度, 而且使填料之间为点接触, 有利于液膜的汇集与更新, 提高了传质效率。当前所使用的环型填料中最为优良的一种。
u 弧鞍型: 表面全部敞口, 不分内外, 液体在表面两侧均匀流动, 表面利用率高, 流动呈弧形, 气体阻力小。但容易产生沟流, 强度差, 易破碎, 故应用较少。
u 矩鞍型: 矩鞍形填料结构不对称堆积时不重叠均匀性更高。该填料气流阻力小, 处理能力大, 构造简单, 是一种性能优良的填料。
u 环矩鞍: 兼具环型、 鞍型填料的优点。敞开的侧壁有利于气体和液体经过, 减少了填料层内滞液死区。填料层内流体孔道增多, 使气液分布更加均匀, 传质效率高。
2．规整填料 规整填料是由许多相同尺寸和形状的材料组成的填料单元, 以整砌的方式装填在塔体中。规整填料主要包括板波纹填料、 丝网波纹填料、 格利希格栅、 脉冲填料等, 其中尤以板波纹填料和丝网波纹填料所用材料主要有金属丝网和塑料丝网

2.2填料材质:
( 1) 陶瓷材料  陶瓷材料具有良好的耐腐蚀性及耐热性, 对强碱介质, 能够选用耐碱配方制造的耐碱陶瓷材料。陶瓷材料因其质脆, 易碎, 不宜在高冲击强度下使用。在工业上, 主要用于气体吸收, 气体洗涤和液体萃取等过程。
(2)金属填料  金属填料可用多种材质制成, 金属材质的选择主要根据物系的腐蚀性和金属材质的耐腐蚀性来综合考虑。碳钢填料造价低, 且具有良好的表面润湿性能, 对于无腐蚀或低腐蚀性物系应优先考虑使用。
(3)塑料填料  塑料填料的材质主要包括聚丙烯, 聚乙烯及聚氯乙烯等。塑料填料的耐腐蚀性能较好, 可耐一般的无机酸, 碱和有机溶剂的腐蚀且耐温性良好。塑料填料具有质轻、 价廉、 耐冲击、 不易破碎等优点, 多用于吸收、 解吸、 萃取、 除尘等装置中。
2.3填料的的选择
综合考虑以上因素在本次设计中采用散装填料, 因为鲍尔环填料的分离效果不错, 综合性能较好因此选择50×50×4.5瓷鲍尔环乱堆填料。

3吸收塔的工艺计算
3.1基础物性数据
3.1.1液相物性数据
对于低浓度的吸收过程, 溶液的物性数据能够近似取纯水的物性数据
20℃时水的有关物性数据如下:
密度 ρL=998.2(kg/m3) 粘度 μL=0.001004(Pa.S)
表面张力δL=72.67(dyn/cm)=941803(kg/h2)
SO2在水中的扩散系数DL=1.47×10-5(㎝2/s)=5.29×10-6(m2/h)
3.1.2气相物性数据
混合气体的平均摩尔质量为
Mvm =0.05×64.06+0.95×29=30.75
混合气体的平均密度为

1.26( kg/m3)
混合气体的粘度可近似取为空气的粘度, 查手册的25 C°空气的粘度为·s)
在空气中的扩散系数为 m2/s)
3.1.3气液两相平衡时的数据
常压下20℃在水中的亨利系数为
相平衡常数为
溶解度系数为
3.2物料衡算

进塔气相摩尔比为
出塔气相摩尔比为
进塔惰性气相流量为
该吸收过程属于低浓度吸收, 平衡曲线可近似为直线, 最小液气比可按下式计算, 即

对于纯溶剂吸收过程, 进塔液相组成为

取操作液气比06
L=50.06×70.07=3507.7 (kmol/h)

+ X2=70.07(0.0526-0.00251)/3507.7 +0 =0.0010
3.3填料塔的工艺尺寸计算
3.3.1塔径的计算
采用Eckert 通用关联图计算泛点气速, 液相质量流量可近似按纯水的流量计算, 即
=3507.7×18.02=63208.75kg/h
气相质量流量为 =1800×1.26=2268kg/h
Eckert通用关联图的横坐标为
查Eckert通用关联图得

式中: : 泛点气速 m/s : 液体粘度 mPa·s
g: 重力加速度 9.81m/s2
( ) , : 气相, 液相密度 kg/m3
本次设计选用的是50mm×50mm×4.5mm瓷鲍尔环料乱堆填料。
查表5-4, ( P224) 其填料因子
泛点气速:
对于散装填料, 泛点率的经验值为,
泛点率的选择, 对于加压操作, 选择较高的泛点率, 减压操作选择较低的泛点率, 此处取

∵标准塔径有400mm; 500; 600; 700mm; 800; 1000; 1200; ……
∴圆整塔D取800mm 。
3.3.2泛点率校核和填料规格
泛点率校核
(在允许范围内)
填料规格校核 有即符合要求
3.3.3液体喷淋密度校核
取最小润湿速率为:
查《化工原理课程设计( 化工传递与单元操作课程设计) 》附录五得

故满足最小喷淋密度的要求。
经以上校核可知, 填料塔直径选用D=800mm合理
3.4填料层高度计算
3.4.1传质单元数的计算

则传质单元数为
3.4.2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

查表(常见材质的临界表面张力值) ,
液体质量通量为

气体质量通量为
气膜吸收系数由下式计算

液膜吸收系数由下式计算

由, 查附得,
则

因为, 故需要校正。
由
, 得

则有

由
3.4.3填料层高度的计算

根据设计经验, 填料层设计高度一般为 ~
因此取
因此设计取填料层高度为
查附, 对于瓷鲍尔环填料, h/D=5～10,m
取则
计算得填料层高度为5000mm, 故不需要分段。
3.5填料塔附属高度的计算
塔上部空间高度, 经过相关资料可知, 可取为1.3m, 塔底液相停留时间按1.0min考虑, 则塔釜液所占空间高度为:

考虑到气相接管所占空间高度, 底部空间高度可取2.5m, 因此塔的附属空间高度能够取为1.3+2.5=3.8米。
因此塔的实际高度取H=5.0+3.8=8.8(m)
3.6填料层压降ΔP的计算
气体经过填料层的压力降采用Eckert关联图计算, 有前面计算可知
空塔气速u= 0.9416 m/s φ=130m-1
纵坐标为:
横坐标为:
交点在每米填料压力降ΔP=450Pa的等压线上。故气体经过每米填料的压力降为450Pa。
ΔP总 =ΔP×Z=450×5=2250Pa
3.7泛点率
吸收塔操作气速为0.9416m/s.泛点气速为1.177m/s.因此泛点率为

对于散装填料, 其泛点率的经验值为: ~
因此该塔的泛点率合适。

4辅助设备的选用
填料塔的附属设备有填料支承板、 液体分布装置、 液体再分布装置、 气体和液体进出口装置以及除雾器等。填料塔附属装置的选型和设计对于保证塔的正常操作及性能的发挥至关重要。以下简要介绍几种常见的附属结构。
4.1填料支承装置
填料支撑结构是用于支承塔内填料及其所特有的气体和液体的重量之装置。对填料支承结构的基本要求是: 有足够的强度以支承填料的重量; 提供足够的自由截面以使气、 液两相流体顺利经过, 防止产生液泛; 有利于液体的再分布; 耐腐蚀, 易制造, 易装卸等。
常见的填料支承板主要有栅板式和气体喷射式等结构。
1、 栅板式支承板
栅板式的支承结构较为常见, 由竖立的扁钢制成。栅板能够制成整块式或分块式的。一般直径小于500mm的塔能够采用整块式栅板; 直径为大于600mm的塔, 能够根据情况将栅板分成若干块, 每块宽度在300~400mm之间, 以便于装卸。栅条间距为填料外径的0.6~0.8倍。在直径较大的塔中, 当填料环尺寸较小时, 也可采用间距较大的栅板、
2、 气体喷射式支承板
  气体喷射式支承板的结构特点是: 为气体和液体提供了不同的通道, 气体易于进入填料层, 液体也可自由排出, 避免了因液体积聚而发生液泛的可能性, 并有利于液体的均匀再分配。气体喷射式支承板有圆柱升气管式和梁式, 而以梁式较为优越, 梁式支承板用于小塔可制成整体式, 用于大塔则分块制作或塔内组装。它可提供超过90%的自由截面( 有时甚至达到100%) , 保证气体通量大, 阻力小。因此, 在新型填料塔中广泛采用了这种结构。
综上所述选用栅板式支承板
4.2液体喷淋装置
液体喷淋装置的作用是为了能有效的分布液体, 提高填料的有效利用率。选择液体喷淋装置的原则是能使液体均匀的分散开来, 使整个塔截面的填料表面很好的润湿, 结构简单, 制造和检修方便。
液体喷淋装置的机构形式很多, 常见的喷淋器结构有如下几种: 管式喷淋器、 莲蓬头式喷淋器、 齿槽式分布器、 盘式分布器、 冲击式喷淋器等。对于各种类型的塔, 应根据塔径的不同, 选择不同的喷淋结构。
由于塔径D=800mm选用齿槽式分布器.
4.3液体再分布装置
填料塔内当液体沿填料层下流时, 往往会产生壁流现象, 使塔中心填料得不到良好的润湿, 减少了气液接触的有效面积。为了克服这种现象, 当填料层过高时, 应将填料层分段装填, 并在塔内每两段填料之间安装液体再分布装置, 使液体重新分布。液体再分布器的形式有多种, 常见的结构有截锥式在分布器和槽型在分布器等。
4.4塔顶除雾沫器
穿过填料层的气体有时会夹带液体和雾滴, 因此有时需在塔顶气体排出口前设置除雾沫器, 以尽量除去气体中被夹带的液体雾沫, 常见的型式有填料除雾器、 折流板式除雾器、 丝网除雾器这几类
5附属设备的计算与选择
5.1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。
1．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

查《输送流体用地缝钢管: GB8163- 3》可知,
可选用热轧无缝钢管管径为。则实际管内径为149mm.实际经过液体接管的液速为: 。
2．气体进料接管
采用直管进料。取气速

因此查《输送流体用地缝钢管: GB8163- 3》可知取管径为
实际管内径为206mm 则实际经过气体接管的气速为:

3．吸收剂输送管路直径及流速计算
根据管材规范, 选择型的热轧无缝管道, 其内径为145mm, 其实际流速为 。
5.2离心泵的计算与选择
a) 流量
b) 流量所需的扬程
式中: —两截面处位头差; —直管阻力;
—两截面处静压头之差; —管件、 阀门局部阻力;
—两截面处动压头之差;
根据前面设计资料对上述公式各项进行估算:

管路总阻力和所需压头计算根据管路的平立面布置, 计算所得雷诺数为: ( 湍流)
利用柏拉修斯关系式有:
根据填料塔高及泵的大致位置, 管路长ｌ取16米

选用三个90。弯头, 三个截止阀全开

考虑到安全系数, 查得流量的安全系数为1.1, 扬程的安全系数为1.05～1.1
10.37=11m
因为该吸收以清水为吸收剂, 选用离心泵型号为: IS100-80-125单级单吸离心泵,

其性能参数如
转速( r/min)
流量m3/h
扬程H /m
效率η/%
轴功率
电机功率
必须汽蚀余量
(NPSH)r /m
2900
100
200
78%
7.00kW
11kW
4.5
5.3风机的选择
气体流量为1800m3/h 选管径为
实际管内径为206mm 则实际经过气体接管的气速为:

本设计混合气体流量为1800m3/h, 上面算的填料塔的全压降为2250Pa, 因此选择
JCL-19型离心式鼓风机 其参数如下
流量m3/h
全压Pa
转速r/min
功率Kw
电机型号
1800
2300
3500
1.5
Y-J90S-2-H

设计结果列表
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
ρL
998.2(kg/m3)
溶剂的粘度
μL
0.001004(Pa.S)=3.6kg/(m.h)
溶剂表面张力
δL
72.67(dyn/cm)=941803(kg/h2)
二氧化硫在水中扩散系数
DL
1.47×10-5(㎝2/s)=5.29×10-6(m2/h)
混合气体的平均摩尔质量

30.75
混合气体的平均密度

1.26
二氧化硫在空气中扩散系数
DG
0.108×10-4(m2/s)=0.039(m2/h)
亨利系数
E
3.55×103 KPa;
气液相平衡常数

35.04
溶解度系数
H
0.0156 kmol /(m³.KPa);
二氧化硫进塔摩尔比
Y1
0.0526
二氧化硫出塔摩尔比
Y2
0.00251
最小气液比
(L/G)min
33.37
操作液气比
L/G
50.06
惰性气体摩尔流量
G
70.07kmol/h ;
吸收剂摩尔流量
L
3507.7 kmol/h
液相进口摩尔比
X2
0
液相出口摩尔比
X1
0.001

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

2268kg/h
液相质量流量

63208.75kg/h
塔径

800mm
空塔气速

1.177
泛点率

84.10%
喷淋密度
U
124.25 m3/(m2.h)
气相总传质单元数

6.47m
液体质量通量
UL
125813.6
气体质量通量
UG
4514.33
气膜吸收系数

0.0442kmol/(m².h.kpa)
液膜吸收系数

1.492(m/h)
气相总吸收系数(校正后)

5.993kmol/(m3.h.kpa)
液相总吸收系数( 校正后)

155.97(l/h)
气相总传质系数

2.603kmol/(m3.h.kpa)
气相传质单元高度

0.529
填料层高度
Z′
5.0
填料塔上部空间高度

1.3
填料塔下部空间高度

2.5
塔的实际高度
H
8.8
填料层压降
ΔP
2250Pa
设计结果的讨论和说明

总结

在短短的三周里, 我真实的体会到理论与实践结合的困难, 也学到了用所学的有限的理论知识去解决实际过程中的问题的不易。在初步设计的时候, 什么都不知道, 没有头绪。最后经过老师指导和查资料, 慢慢找到了方向。

在设计过程中我慢慢发现吸收单元的操作型设计与计算, 在工业生产中起着非常重要的作用, 要求也很严格, 设计合理与实用性好是必须的。
为使化工生产更加便捷, 操作费用低廉, 有些工艺材质需要加以改进, 如塔填料。同时也要注意相关附属设备的选择, 如选泵, 要从多方面考虑, 管道的直径, 管中流速, 流量等。
任务的完成过程是艰辛的, 也是快乐的。艰辛是由于缺少这方面的知识和经验, 从一开始的不知所措, 到现在数据的基本完成, 一路走来是坎坎坷坷。快乐是因为在这次设计中, 我得到了同学的无限帮助和鼓舞, 而且学到了知识, 增加了实践经验。为了能更好的完成本次课程设计, 需要查阅大量的文字资料, 这需要有翻阅文献的能力。因此, 在平时我们要尽力开拓自己的知识面。更重要的是, 我明白了理论和实践之间的差别, 对我来说, 它们之间的距离太大了。因此在设计过程中也出现了不少问题, 有设备的选择上的, 也有软件应用方面的。出现问题时, 同学们给了我很大的帮助, 也非常感谢老师给我们一个锻炼自己的机会!

参考文献
[1]王志魁, 刘丽英, 王伟. 化工原理. 第四版. 北京: 化学工业出版社,
[2] 江权, 冷一欣主编. 化工原理课程设计. 第二版. 北京: 中国石化出版社,