有害气体控制工程课程设计.docx

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1、精选优质文档-倾情为你奉上课程设计报告( 2016 - 2017 年度第2 学期)名 称： 有害气体控制工程课程设计 题 目： 常压逆流填料塔系统 院 系： 动力工程系 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 设计周数： 1周 成 绩： 日期： 2017年 7 月 4 日专心-专注-专业前言： 课程设计是比较综合性和实践性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是使学生体察工程实际问题复杂性、学习化工设计基本知识的初次尝试。通过课程设计，要求学生能综合利用本课程和前修课程的基本知识，进行融会贯通的独立思考，在规定的时间内完成指定的大气控制设计任务，从而得到大气工程设计的初步训练。通过课程设计

2、，要求学生了解工程设计的基本内容，掌握有害气体设计的程序和方法，培养学生分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还可以使学生树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度责任感的工作作风。课程设计是增强工程观念，培养提高学生独立工作能力的有益实践。经过学习,我知道，填料塔吸收净化工艺不单应用在化工领域 ,在低浓度工业废气净化方面也能很好地发挥作用。工程实践表明 ,合理的系统工艺和塔体设计 ,是保证净化效果的前提。这次课程设计我把鲍尔环填料应用于水吸收氨过程的工艺设计以及工程问题。目录有害气体控制工程课程设计任 务 书一、设计目的通过对气态污染物净化系统的工艺设计，初步掌握气态污染物

3、净化系统设计的基本方法。培养学生利用所学理论知识，综合分析问题和解决实际问题的能力、绘图能力、以及正确使用设计手册和相关资料的能力。二、设计任务试设计一个填料塔，常压，逆流操作，操作温度为20，以清水为吸收剂，吸收脱除混合气体中的NH3，气体处理量为2000m3/h，其中含氨2.0%（体积分数），要求吸收率达到99%。三、设计内容和要求1）研究分析资料。2）净化设备的计算，包括计算吸收塔的物料衡算、吸收塔的工艺尺寸计算、填料层压降的计算及校核计算。3）附属设备的设计等。4）编写设计计算书。设计计算书的内容应按要求编写，即包括与设计有关的阐述、说明及计算。要求内容完整，叙述简明，层次清楚，计算过

4、程详细、准确，书写工整，装订成册。设计计算书应包括目录、前言、正文及参考文献等，格式参照学校要求。5）设计图纸。包括填料塔剖面结构图、工艺流程图。应按比例绘制，标出设备、零部件等编号，并附明细表，即按工程制图要求。图纸幅面、图线等应符合国家标准；图面布置均匀；符合制图规范要求。6）对设计过程的评述和有关问题的讨论。四、参考文献设计计算过程请参阅参考书及其他文献资料，并在设计计算书中列明。五、设计进度安排下达任务书后，开始进行课程设计计算。完成时间：一周。安排时间进行答辩。学号：班级学号为1-10号学生：鲍尔环学号：班级学号为11-20号学生：阶梯环学号：班级学号为其他学好的学生：矩鞍环（或矩鞍

5、）备注：可根据情况，自行选择不列于上的其他填料。1. 设计方案简介： 工程概况试设计一个填料塔，常压，逆流操作，操作温度为20，以清水为吸收剂，吸收脱除混合气体中的NH3，气体处理量为2000m3/h，其中含氨2.0%（体积分数），要求吸收率达到99%。基本信息与介绍(a) 吸收剂的选择 用填料吸收塔吸收空气中的氨气，选择用水作为吸收剂，由于水的化学性能稳定，选择性好，且对氨气的吸收性较好，不用后处理，且厂址在宁波沿海地区，水资源相对丰富，廉价易得，符合吸收过程对吸收剂的基本要求。(b) 吸收流程的确定由于使用填料塔吸收，填料塔内有一定高度的填料层，液体自塔顶沿填料表面下流，气体逆流而上，气液

6、接触，进行传质传热。所以采用逆流操作过程，能满足气液接触和传质过程的要求，有助于吸收。(c) 操作的温度和压力 由于大处理量氨气，且是低浓度，水对氨气在常温，常压下吸收效果好，不需要进行高温，加压，造成成本的相对增加。所以操作在常压，20进行即可。(d) 塔填料的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。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不同，又可分为环形填料、鞍形填料、环鞍填料及球形填料等。规整填料是按一定的集合构型排列的，整齐堆砌的填料。规整填料种类很多，根据其几何结构可分为格栅

7、填料、波纹填料、脉冲填料等。根据设计的费用和分离要求来考虑， 本设计采用散装填料鲍尔环。 鲍尔环是在拉西环的基础上改进而得。其结构为在拉西环的侧壁上开出两排长方形的窗孔，被切开的环壁的一侧仍与壁面相连，另一侧向环内弯曲，形成内伸的舌叶，诸舌叶的侧边在环中心相搭，可用陶瓷、塑料、金属等材质制造。鲍尔环由于环壁开孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率，气体阻力小，液体分布均匀。与拉西环相比，其通量可增加50%左右。鲍尔环是目前应用较广的填料之一。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.(1)陶瓷填料。陶瓷填料具有良好的耐腐蚀性及耐热性，一般能耐除氢氟酸以外的常见的各种无机酸、

8、有机酸的腐蚀，对强碱介质，可以选用耐碱配方制造的耐碱陶瓷填料。陶瓷填料因其质脆、易碎，不易在高冲击强度下使用。陶瓷填料价格便宜，具有很好的表面润湿性，工业上，主要用于气体吸收、气体洗涤、液体萃取等过程。(2)金属填料。金属填料可用多种材质制成，金属材料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，且具有良好的表面湿润性能，对于无腐蚀或低腐蚀性物系应优先考虑使用；不锈钢填料耐腐蚀性强，一般能耐以外常见物系的腐蚀，但其造价较高；钛材、特种合金钢等材质制成的填料造价级高，一般只在某些腐蚀性极强的物系下使用。金属填料可制成薄壁结构（0.20.1mm），与同种类型、同种规格的

9、陶瓷、塑料填料相比，它的通量大、气体阻力小，且具有很高的抗冲击性能，能在高温、高压、高冲击强度下使用，工业应用主要以金属填料为主。(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，国内一般多采用聚丙烯材质。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。其耐温性良好，可长期在100以下使用。聚丙烯填料在低温（低于0）时具有冷脆性，在低于0的条件下使用要谨慎，可选用耐用的金属鲍尔环。塑料填料具有轻质、廉价、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。塑料填料的缺点是表面润湿性能较差，在某些特殊应用场合，需要对其表面进行处理，以提高表面润湿性能。所

10、以本次课设选用聚丙烯填料。填料规格的选择通常，散装填料与规整填料的规格标示方法不同，选择地方法亦不尽相同。散装填料规格的选择。散装填料的规格通常是指填料的公称直径。工业塔常用的散装填料主要有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塔径中，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。本课设处理量不大，所用的塔直径不会太大，可选用50mm(e) 填料规格的选择 参照化学工程手册，选择公称直径为50mm的金属鲍尔环。主要特性如下： 综上所述选用50mm金属鲍尔环填料，其主要

11、性能参数查化工原理课程设计表4-6得：比表面积a：112.3 空隙率：0.949干填料因子：填料因子：140(f) 初步的流程图有害气体控制工程课程设计计 算 书1基础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。由流体力学表1-1查得，20时水的有关物性数据如下：空气和水的物性常数如下：空气： 水：查表知，20下氨在水中的溶解度系数亨利系数 由亨利系数可得 式中： E亨利系数 H溶解度系数 Ms相对摩尔质量 m相平衡常数2 物料衡算2.1 进塔混合气中各组分的量 近似取塔平均操作压强为101.3kPa，故： 混合气量=83.19 kmolh 混合气NH3中量83.190.0

12、21.66kmolh 1.6617.03=28.34kgh 设混合气中惰性气体为空气，则混合气中空气量83.19-1.6681.53kmolh81.53292364.37kgh2.2混合气体进出塔组成 Y1=；出塔气相摩尔比为： 混合气体流量： 进塔惰性气相流量： 对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为：(清水)2.3吸收剂清水的用量L:（1）最小液气比 （2）吸收剂用量： (L=(1.1-2.0) 2.4塔底吸收液组成X由全塔物料衡算得: V单位时间内通过吸收塔的惰性气体量，kmol/s;L单位时间内通过吸收塔的溶解剂，kmol/s;Y1、Y2分别为进塔及出塔气体中溶质组分的摩尔比，koml/k

13、oml;X1、X2分别为进塔及出塔液体中溶质组分的摩尔比，koml/koml;2.5操作线方程 依操作线方程=3塔径的计算3.1求泛点气速u进塔混合气的平均分子量：M=2%17+（1-2%）29=28.76kg/kmol气体密度:混合气体的平均密度为 kg/m 根据经验公式： =m/s：F泛点气速，m/s； g重力加速度，981m/s2 at填料总比表面积，m2m3 填料层空隙率，m3m3； V，L气相、液相密度，k/m3； L液体粘度，mPas; b关联常数 （b值查表得0.1）3.2空塔气速 对于环形填料有u=（0.751.0）u取u=0.8u=0.83.90=3.12m/s3.3塔径 m

14、其中：D塔径，m；V操作条件下混合气体的体积流量，m3/s ;空塔气速，即按空塔截面积计算的混合气体线速度，m/s. 圆整后取 D=0.5m（常用的标准塔径为400、500、600、700、800、1000、1200、1400、1600、2000、2200mm）3.4利用圆整后的塔径，再计算操作气速 3.5校核（1） 泛点率校核利用操作气速和泛点气速的比值进行校核。由于乱堆填料，其泛点率的经验值为0.50.85之间。u/u=2.83/3.90=0.73因此，泛点率符合标准（2） 填料尺寸校核：3.6液体喷淋密度校核对于直径不超过75mm的散装填料，可取最小润湿速率为： 则： 经以上校核可知，填

15、料塔直径选用D=0.5m合理。4填料层高度的计算4.1传质单元数 气体扩散系数：=0.06804m/h= 液体扩散系数： 脱吸因数因此气相传质单元数： = =m4.2传质单元高度（1） 气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算： 式中：、-气体、液体的质量通量， 、-气体、液体的粘度， 、-液体、气体的密度， 、-溶质在气体、液体中的扩散系数， R-通用气体常数，8.314 T-系统温度，K -填料的总比表面积， -填料的润湿比表面积， g-重力加速度， -液体、填料材质的表面张力，查表得： 氨气在空气中的扩散系数Dv=0.06804m2/h混合气体的黏度可近似取为空气的黏度:v=0.065

16、kg/(mh)液体质量通量：气体质量通量： =0.5358气膜吸收系数可由下式计算： = = = =0.3616查表得则： （2） 和的校正因为u=0.8u0.5u因此需要对和进行校正。校正公式如下：带入数据得： (3) 的计算P=101.3kpa亨利系数：E=mp=0.754101.3=76.38kpa塔的截面积： m4.3填料层高度的计算 m根据设计经验，取 圆整后为h=4m4.4确定填料分段数 填料的分段数应该根据塔径D和填料层总高度决定，如果二者的比值超过一定的界限，则需要分段。以表示每个填料层的高度对于鲍尔环环，之间，且。，不用分段。5填料层压降的计算采用埃克特通用关联图计算填料层压

17、降气体质量流量：（kg/h）横坐标为：表2-6 散装填料压降填料因子平均值填料类型填料因子， 1/mDN16DN25DN38DN50DN76金属鲍尔环306-11498-金属矩鞍环-13893.47136金属阶梯环-11882-塑料鲍尔环34323211412562塑料阶梯环-17611689-查表得：98纵坐标为：查图可得： 6填料塔附属设备设计： 填料塔的附属结构包括填料支撑板，液体分布器，液体再分布器，气、液体进口及出口装置等。6.1 支承板支承板的主要用途是支承塔内的填料及填料上的持液量，同时又能保证气液两相顺利通过。支承板应有足够的机械强度和耐腐蚀能力。支承板若设计不当，填料塔的液泛

18、可能首先在支承板上发生。对于普通填料，支承板的自由截面积应不低于全塔截面积的50，并且要大于填料层的自由截面积。常用的支承板有栅板和各种具有升气管结构的支承板（图11）。栅板式支承装置是由竖立的扁钢条焊接而成，如图11（a）所示，扁钢条的间距应为填料外径的0.60.7倍。升气管式支承装置多是为了适应高空隙率填料的要求，如图11（b）所示。由于塔径及液体负荷不大，在本设计中采用栅板式支承板。 （c）条形升气管图11 填料的支撑6.2 液体分布器液体分布器对填料塔的性能影响颇大。分布器设计不当，液体预分布不均，填料层内的有效润湿面积减少而偏流现象和沟流现象增大，影响传质效果。（1）管式喷淋器管式喷

19、淋器如图12所示，(a)为弯管式，（b）为缺口式，这两种一般用于直径在300mm以下的填料塔。(c)为多孔直管式，(d)为多孔盘式。多孔直管式喷淋器适用于直径600mm以下的塔，多孔管式喷淋器适用于1.2m直径以下的填料塔。（2）莲蓬式喷淋器 莲蓬式喷淋器只适用于直径小于600mm的填料塔。（3）盘式喷淋器 分布盘上开有许多筛孔或装有溢流管，通过筛孔或溢流管将液体均布在整个塔截面上。这种喷淋器可用于直径大于0.8m的填料塔。（4）齿槽式分布器如图13所示，液体先由上层的主齿槽向下层的分齿槽作预分布，然后再向填料层喷洒。特别适用于大直径的塔设备。在本设计中塔径为500mm，故选用多孔直管式喷淋器

20、。图12 管式喷淋器图13 槽式喷淋器6.3 液体再分布器由于填料层不高，可不用再设置液体再分布器6.4除雾器除雾器用来除去填料层上方逸出的气体中的雾滴。常用的除雾装置有折板式、丝网式、填料式、旋流式等等。在本设计中采用丝网除雾器。6.5吸收塔的主要接管尺寸的计算气体进出口直径： 注：u在1030m/s之间，取u=15m/s采用直管进料，由制药化工原理 王志祥主编 化学工业出版社P404查得选择热轧无缝钢管，则 ，在符合范围内。7设计结果汇总 设计名称水吸收氨气的填料吸收塔操作压强1atm填料数据种类填料尺寸干填料因子润湿填料因子空隙率比表面积金属鲍尔环D50131980.949112.3物性

21、数据液相气相液体密度998.23kg/ m混合气体的平均密度1.20 kg/ m液体粘度混合气体的粘度液体表面张力填料的表面张力扩散系数扩散系数物料衡算数据Y1Y2X1X2气相流量G液相流量L最小液气比操作液气比0.02040.0.018081.5392.130.7531.13工艺数据填料类型塔速塔径气相总传质单元数气相总传质单元高度填料层高度填料层压降金属鲍尔环3.120.5m10.5870.3284.0m4708.8pa填料塔附件气体进口管径217mm气体出口管径217mm填料塔附件除沫器液体分布器填料限定装置填料支承板液体再分布器丝网式多孔直管式床层限制版栅板式无8对本设计的评述 本次课

22、程设计是水吸收氨过程填料塔的设计，这是关于吸收中填料塔的设计。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,加深了我对课本知识的认识，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。由于是第一次做大气控制课程设计，虽然参考了一些课程文件和前人的案例，有些大同小异。在设计过程中，我感受到查阅一些手册参数是十分重要的。对于填料的选择，我选择了金属鲍尔环。在设计过程中遇到的问题主要有：（1）未知条件的选取；(2)文献检索的能力；（3）对吸收过程的理解和计算理论的运用；（4）对实际操作过程中设备的选择和条件的最优

23、化；（5）对工艺流程图的理解以及绘制简单的流程图和设备结构；（6）还有一些其他的问题，例如单位的换算等等。当然，本次设计相当于自己再次复习有害气体控制工程，对化工设计过程中所遇到的问题也有了一个更深的理解。理论和实际的结合也是本次设计的重点，为日后从事相关工作打下了一定的基础。最后，深感要完成一个设计是相当艰巨的一个任务，如何细节的出错都有可能造成实际操作中的经济损失甚至生命安全。可能设计上会有很多缺憾，但是有这第一次的感受。我知道了自己的缺陷，下次一定会完善学习计划，提高知识水平，做的更好。9参考文献【1】赵毅、李守信主编，有害气体控制工程，北京化学工业出版社,2001.8【2】毕成敬，化工原理课程设计，天津科学出版社，1996年【3】董大均，化工设备机械基础，化学工业出版社，2002.12 10参考附图 埃克特通用关联图11 填料塔的设备图 单位：mm