环境工程原理课程设计

目录一、吸收技术概况 (3)二、设计任务及步骤 (3)2.1设计任务 (3)三、填料塔操作条件 (3)四、设计方案的确定 (4)4.1吸收流程的选择 (4)4.2吸收剂的选择 (4)4.3填料的选择 (4)4.4吸收工艺流程图（附图）及工艺过程说明 (5)五、吸收塔的物料衡算 (5)5.1基础物性数据 (5)a.液相物性数据 (5)b.气相物性数据 (5)c.气液两相平衡时的数据 (6)5.2物料衡算 (6)5.3填料塔的工艺尺寸计算 (7)a.塔径的计算 (7)b.泛点率校核和填料规格 (9)c.液体喷淋密度校核 (9)5.4填料层高度计算 (10)a.传质单元数的计算 (10)b.传质单元高度的计算 (10)c.填料层高度的计算 (12)5.5填料塔附属高度的计算 (12)5.6液体分布器的简要设计 (13)a.液体分布器的选型 (13)b.分布点密度及布液孔数的计算 (13)5.7其它附属塔件的选择 (15)a. 填料支撑板 (15)b.填料压紧装置 (15)c.气体进出口装置与排液装置 (15)d.吸收塔主要接管的尺寸计算 (15)e.离心泵的选择 (16)5.8流体力学参数计算 (17)a.填料层压力降的计算 (17)六、工艺设计计算结果汇总与主要符号说明 (18)6.1基础物性数据和物料衡算结果汇总 (18)6.2填料塔工艺尺寸计算结果表 (19)6.3流体力学参数计算结果汇总 (20)6.4附属设备计算结果汇总 (21)D聚丙烯塑料阶梯环填料主要性能参数汇总 (21)6.5所用38N6.6主要符号说明 (21)参考文献 (23)设计方案讨论及结束语 (25)一、吸收技术概况当气体混合物与适当的液体接触，气体中的一个或者几个组分溶解与液体中，而不能溶解的组分仍留在气体中，使气体得以分离。

吸收过程是化工生产中常用的气体混合物的分离操作，其基本原理是利用混合物中各组分在特定的液体吸收剂中的溶解度不同，实现各组分分离的单元操作。

本设计针对填料吸收进行相关计算，设备主体为塔状填料吸收器，塔装有填料支承与压紧装置、液体与气体分布器、液体再分布器以及气体除沫器等。

液体经塔顶喷淋装置均匀分布于填料上，依靠重力作用沿填料表面自上而下流动，并与在压强差推动下穿过填料空隙的气体相互接触，发生传热和传质。

在吸收器，填料在整个塔堆成一个整体。

有时也将填料装成几层，每层的下边都设有单独的支撑板。

当填料分层堆放时，层与层之间常装有液体再分布装置。

二、设计任务及步骤2.1设计任务用水吸收空气中混有的二氧化硫。

2.2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）塔件选择。

三、填料塔操作条件1．操作压力为常压，操作温度：293K。

2．填料类型：选用聚丙烯阶梯环填料。

3．工作日：每年320天，每天24小时连续运行。

4．厂址：某地四、设计方案的确定4.1吸收流程的选择工业上使用的吸收流程多种多样，由于逆流操作具有传质推动力大，传质速率快，分离效率高（具有多个理论级的分离能力），吸收剂利用率高等显着优点，所以在本设计中选用逆流操作。

逆流操作4.2吸收剂的选择对于吸收操作，选择适宜的吸收剂，具有十分重要的意义。

其对吸收操作过程的经济性有着十分重要的影响。

在考虑到吸收剂对溶质的溶解度、不易挥发、再生性能好，同时吸收剂应该具有良好的物理、化学性能和经济性等问题后，决定在本设计采用水作为吸收剂。

4.3填料的选择塔填料是填料塔中的气液相间传质组件，是填料塔的核心部分。

其种类繁多，性能上各有差异。

由于本次过程处理量不大，所用的塔直径不会太大，适合采用填料塔，所以采用散装38ND聚丙烯塑料阶梯环填料。

阶梯环(Stairs wreath)填料如图片所示，填料呈阶梯环结构，环壁上开有长方形小孔，环有两层交错45°的十字形叶片，环的高度为直径的一半，环的一端成喇叭口形状的翻边。

这样的结构使得阶梯环填料的性能在鲍尔环的基础上又有提高，其生产能力可提高约10%，压降则可降低25%，且由于填料间呈多点接触，床层均匀，较好地避免了沟流现象。

阶梯环一般由塑料和金属制成。

本设计所选材料主要性能参数如下：比表面积at =132.532/mm孔隙率 ε=0.91 形状修正系数 ϕ=1.45 填料因子 F φ=170m 1- A=0.204临界力 33C =σcm dyn /4.4吸收工艺流程图（附图）及工艺过程说明吸收SO 2的流程包括吸收和解吸两大部分。

混合气体冷却至20℃ 下进入吸收塔底部，水从塔顶淋下，塔装有填料以扩大气液接触面积。

在气体与液体接触的过程中，气体中的SO 2 溶解于水，使离开吸收塔顶的气体二氧化硫含量降低至允许值，而溶有较多二氧化硫的液体由吸收塔底排出。

为了回收二氧化硫并再次利用水，需要将水和二氧化硫分离开，称为溶剂的再生。

解吸是溶剂再生的一种方法，含二氧化硫的水溶液经过加热后送入解吸塔，与上升的过热蒸汽接触，二氧化硫从液相中解吸至气相。

二氧化硫被解吸后，水溶剂得到再生，经过冷却后再重新作为吸收剂送入吸收塔循环使用。

五、吸收塔的物料衡算5.1基础物性数据a.液相物性数据对于低浓度的吸收过程，溶液的物性数据可以近似取纯水的物性数据，20℃时水的有关物性数据如下：密度 3998.2/L Kg m ρ=粘度 0.001004 3.6/()L Pa s kg m h μ=⋅=⋅ 表面力272.67/941803/L dyn cm kg h σ==SO 2在水中的扩散系数52621.4710/ 5.2910/L D cm s m h --=⨯=⨯ b.气相物性数据混合气体的平均摩尔质量为: G M0.045640.9552927.983/M kg kmol =⨯+⨯= 混合气体的平均密度为: G G PMRTρ= 3101.327.983 1.164/8.314293PM kg m RT ρ⨯===⨯其中，38.314/()R m kg Pa kmol k =⋅⋅⋅混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册的20 C °空气的粘度为：51.81100.065/()G Pa s kg m h μ-=⨯⋅=⋅2SO 在空气中的扩散系数为：4220.10810/0.039/G D m s m h -=⨯=c.气液两相平衡时的数据常压下20℃2SO 在水中的亨利系数为：a KP E 31055.3⨯=相平衡常数为：04.35325.1011055.33=⨯==p E m 溶解度系数为：33998.20.0156/()3.551018.02LsH Kmol KPa m E M ρ===⋅⋅⨯⨯ 5.2物料衡算进塔气相摩尔比为：1110.0450.047110.045y Y y ===-- 出塔气相摩尔比为：2110.0470.0470.950.00235Y Y Y ϕ=-⋅=-⨯= 对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为：02=X 进塔惰性气相流量为：3100273(10.045)141.848/22.427320nG q Kmol h =⨯-=+ 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：1212*1212min 0.0470.0023533.288/0.047/35.040nL nG q Y Y Y Y q X X Y m X ⎛⎫---==== ⎪---⎝⎭ 实际操作液气比：min1.5 1.533.28849.932nLnL nG nG q q q q ⎛⎫=⨯=⨯= ⎪⎝⎭ 进塔吸收剂流量：49.9327082.754/nL nG q q Kmol h =⨯= 由1212()()nG nL q Y Y q X X -=-得41122()8.94210nGnLq X Y Y X q -=-+=⨯5.3填料塔的工艺尺寸计算a.塔径的计算采用Eckert 通用关联图计算泛点气速埃克特通用关联图:（查自：《化工原理课程设计（化工传递与单元操作课程设计）》）气相质量流量为：G W =3100 1.1643608.4/kg h ⨯= 液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即：L W =7082.75418127489.572/kg h ⨯=Eckert 通用关联图的横坐标为：0.50.5127489.572 1.164 1.2063608.4998.2G L G L W W ρρ⎛⎫⎛⎫=⨯= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭查Eckert 通用关联图得:20.20.021G F F L L u g ρϕμρΦ⋅=0.018 式中：F u ：泛点气速 m/s g ：重力加速度 9.8m/s 2G ρ,L ρ：气相，液相密度 3/kg m L μ：液体粘度 KPa s ⋅ 1F -m ：试验填料因子，φ；水密度与液体密度之比:ϕ（此处为1） 本次设计选用的是塑料阶梯环类型填料。

查表其填料因子1170-=m F φ 泛点气速：0.943/F u m s ===对于散装填料，泛点率的经验值为0.5~0.85Fuu = 此处取0.70.70.9430.6601/F u u m s ==⨯=m uG D S169.14===π 1.289m =∴圆整塔径取 1.3D m =。

b.泛点率校核和填料规格 泛点率校核:243100/36000.649/3.14 1.3u m s ⨯==⨯%92.64%1009458.0614.0=⨯=F u u 0.649100%68.82%0.943⨯= (在允许围) 填料规格校核: 阶梯环的径比要求：dD>8 有858.31381200>==d D 130034.2118>即符合要求 c.液体喷淋密度校核取最小润湿速率为：()()h m m L w ⋅=/08.03min查资料手册得聚丙烯阶梯环比表面积23132.5/t a m m =()32min min 0.08132.510.6/()W t U L a m m h ==⨯=⋅min 2127489.572/998.296.2470.785 1.3U U ==>⨯ 故满足最小喷淋密度的要求.经以上各项校核可知，填料塔直径选用D=1300mm 合理。

5.4填料层高度计算a.传质单元数的计算.00010.004.35*11=⨯==mX Y 48.942100.0313-⨯= 0*22==mX Y解吸因数为：35.04141.8480.70187082.754nG nL mq S q ⨯=== 气相总传质单元数为：361.6]7018.0000263.000526.0)7018.01ln[(7018.011]**)1ln[(112221=+--⨯--=+----=S Y Y Y Y S S N OG ===()10.0470ln 10.70180.7018 6.36210.70180.002350-⎡⎤-+=⎢⎥--⎣⎦b.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})()()()(45.1exp{12.0205.0221.075.0t L L L L t L L t L L C t w a U g a U a U a a δρρμδδ--=0.10.20.750.05221exp 1.45C L t L LL t L L L L t U a U U a g a σσμρρσ-⎧⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎪⎪--⎨⎬ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎪⎪⎩⎭查表(常见材质的临界表面力值)， 得233/427680/C dyn cm kg h σ== 液体质量通量为)./(54.786312.1785.009.888854222h m kg D W U LL =⨯==π22127489.57296098.875/()0.785 1.3kg m h =⋅⨯ 0.050.20.750.122842768096098.87596098.875132.596098.8751exp 1.45941803132.5 3.6998.2 1.2710998.2941803132.50.637W t a a -⎧⎫⎛⎫⎛⎫⨯⎪⎪⎛⎫⎛⎫=--⨯⨯⨯⨯⎨⎬ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⨯⨯⨯⨯⨯⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎪⎪⎩⎭=气体质量通量为)./(43.28262.1785.0278.12500422h m kg D W U GG =⨯⨯==π2231001.272967.625/()0.785 1.3kg h ⨯=⋅⨯ 气膜吸收系数由下式计算)()()(237.0317.0RTD a D a U k Gt G G G G t G G ρμμ=0.71/322967.6250.065132.50.0390.237132.50.065 1.1640.0398.3142930.0338/()Kmol m h KPa ⨯⎛⎫⎛⎫⎛⎫=⨯⨯⨯ ⎪ ⎪ ⎪⨯⨯⨯⎝⎭⎝⎭⎝⎭=⋅⋅液膜吸收系数由下式计算 315.032)()()(0095.0LL L L L L w L L g D a U k ρμρμμ-=1/32/31/28596098.875 3.6 3.6 1.27100.00950.637132.5 3.6998.2 1.4710998.22.169/m h--⎛⎫⨯⨯⎛⎫⎛⎫=⨯⨯⨯ ⎪ ⎪ ⎪⨯⨯⨯⨯⎝⎭⎝⎭⎝⎭=由1.1ϕw G G a k a k =，因为本设计填料类型为开孔环，故查表得，45.1=ϕ则../(862.345.196.800317.031.11.1kpa h m kmol a k a k w G G =⨯⨯==ϕ1.130.03380.637132.5 1.45 4.293/()Kmol m h KPa ⨯⨯⨯=⋅⋅ /(99.10945.196.80171.14.04.0h l a k a k w L L =⨯⨯==ϕ 0.42.1690.637132.5 1.45212.404/l h ⨯⨯⨯=因为%50%92.64>=Fu u68.82%50%>，故需要按下式校正。