环境工程课程设计

吉林化工学院化工原理课程设计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：201440463117课程论文题目：填料塔的设计课程名称：环境工程课程设计评阅成绩：评阅意见：成绩评定教师签名：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：201440463117)1、设计题目：水吸收二氧化硫过程填料吸收塔的设计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：完成填料塔的工艺设计与计算，有关附属设备的设计和选型，绘制吸收系统的工艺流程图和吸收塔的工艺条件图，编写设计说明书。目录一、摘要二、设计方案简介2.1吸收剂的选择2.2吸收流程的选择2.3吸收塔设备及填料的选择2.3.1吸收塔设备2.3.2吸收塔填料2.4吸收剂再生的选择2.5操作参数的选择三、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3.1.2气相物性数据3.1.3气液相平衡数据103.2物料衡算3.3湍球塔工艺尺寸的计算3.3.1塔径3.3.2填料数据计算和支撑板结构3.4填料层高度3.5流体力学计算3.5.1各阶段工况气速的计算3.5.2球层压力降△P3.5.3球层扩展阶段时的膨胀高度3.6湍球塔的辅助结构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湍球塔的流体力学参数计算3.8.1全塔压降3.8.2气体动能因子3.9附属设备的计算和选择3.9.1接管尺寸的计算举例3.9.2离心泵的选择和计算四、工艺设计计算结果汇总汇总与主要符号说明五、对过程的评述和有关问题的讨论六、结束语摘要：吸收操作在化学工业中是一种重要的分离方法，本次设计采用水吸收矿石焙烧炉送出的气体，入塔的炉气流量为2000m3/h，其中进塔SO2的摩尔分率为0.05，SO2的吸收率达到95％吸收效果以减少对大气的污染，属于物理吸收。影响吸收的因素主要为溶质在吸收剂中的溶解度,其吸收速率主要决定于气相或液相与界面上溶质的浓度差，以及溶质从气相向液相传递的扩散速率。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，具有通量大、阻力小、传质效率高等优点，可以达到较好的通过能力和分离效果。一般说来，完整的吸收过程应包括吸收和解吸两部分。在化工生产过程中，原料气的净化，气体产品的精制，治理有害气体，保护环境等方面都要用到气体吸收过程。填料塔作为主要设备之一，越来越受到青睐。二氧化硫填料吸收塔，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应生成硫酸，具有很大的利用率。关键词：二氧化硫吸收水填料塔二、设计方案吸收过程的设计方案主要包括吸收剂的选择、吸收流程的选择、解吸方法选择、设备类型选择、操作参数的选择等内容。2.1吸收剂的选择吸收剂一般是对气体混合物的各组分具有不同的溶解度而能选择性地吸收其中一种组分或几种组分的液体。由于吸收操作的目的不同，吸收剂的功用也不同。有些是吸收气体而获得产品，如在盐酸制造中用水吸收氯化氢气体。有些是除去气体混合物中的一种或几种组分，以达到分离的目的，如用水或碱液吸收烟道气等中的二氧化碳。吸收操作中能够选择性地溶解混合气体中某些特定组分的液体。吸收剂可以是纯液体，也可以是溶液。一般分为物理吸收剂和化学吸收剂两类。物理吸收剂与溶质之间无化学反应，气体的溶解度只与气液平衡（见汽液平衡）规律有关；化学吸收剂与溶质之间有化学反应，气体的溶解度不仅与气液平衡规律有关，而且与化学平衡规律有关。化学吸收剂大多是某种活性组分的溶液，如碳酸钾或氢氧化钠的水溶液。当吸收是为了制取某种溶液产品时，只能用某种特定的吸收剂，如由氯化氢制造盐酸，只能用水作吸收剂。当吸收是为了对气体混合物作组分分离时，吸收剂的合理选择，对吸收操作的成功与否有重大影响。一般说来，化学吸收剂易于达到较高的选择性,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，很难找到一个能够满足上述各项要求的理想吸收剂，只能通过对可用吸收剂的全面评价，按经济上是否合理作出选择。为此，性能优良的新吸收剂的开发，一直为人们所关注。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。一般情况下,选择吸收剂,要着重考虑如下问题：1．对溶质的溶解度大所选的吸收剂多溶质的溶解度大,则单位量的吸收剂能够溶解较多的溶质,在一定的处理量和分离要求下,吸收剂的用量小,可以有效地减少吸收剂循环量,这对于减少过程功耗和再生能量消耗十分有利。2．对溶质有较高的选择性对溶质有较高的选择性,即要求选用的吸收剂应对溶质有较大的溶解度,而对其他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的损失,而且可以提高解吸后溶质气体的纯度。3．不易挥发吸收剂在操作条件下应具有较低的蒸气压,以避免吸收过程中吸收剂的损失,提高吸收过程的经济性。4．粘度低吸收剂在操作温度下的粘度越低，其在塔内的流动性越好，有助于传质速率和传热速率的提高。5．其他所选用的吸收剂应尽可能满足无毒性、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要求。2.2吸收流程的选择吸收装置的流程主要有以下几种（1）逆流操作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。逆流操作的特点是，传质平均推动力大，传质速率快，分离效率高。工业生产中通常采用逆流操作。（2）并流操作气液两项均从塔顶流向塔底，此即并流操作。并流操作的特点是，系统不受液流限制，可提高操作气速，以提高生产能力。并流操作通常运用以下情况：当吸收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在逆流操作系统中，用泵将吸收塔排除液体的一部分冷却后与补充的新鲜吸收剂一同送回塔内，即为部分在循环操作。通常用于以下的情况：当吸收剂的用量较小，为提高液体的喷淋密度；对于非等温吸收过程，为控制塔内的升温，需取出一部分热量。该流程特别适宜平衡数值很小的情况，通过吸收液的部分在循环提高吸收剂的使用效率。应予指出，吸收剂部分在循环操作较逆流操作平均推动力要低，切需要设置循环泵，操作费用增加。（4）多塔串联操作若设计的填料层高度过大，或因为所处理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，每个吸收塔通过吸收剂和气体量都相等，即为多塔串联操作。此种操作因塔内需留较大的空间，输液、喷淋、支承板等辅助装置增加，使设备投资加大。（5）串联—并联混合操作若吸收过程处理液量很大，如果用通常的流程，则液体在塔内的喷淋密度过大，操作气速势必很小，塔的生产能力降低。实际生产中可采用气相作串联、液相作并联的混合流程；若吸收过程处理的液量不大而气相流程很大时，可采用液相作串联、气相作并联的混合流程。总之，在实际应用中应根据生产任务、工艺特点，结合各种流程的优缺点选择适宜的流程布置。本设计采用湍球塔中通常采用的是单塔连续逆流操作，因为逆流推动力大，传质速率快，分离效果好，并且单塔逆流操作即可满足设计要求。2.3吸收塔设备及填料的选择2.3.1吸收塔吸收塔是实现吸收操作的设备。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的板式塔、鼓泡吸收塔、搅拌鼓泡吸收塔；第二类是液体以液滴状分散在气相中的喷射器、文氏管、喷雾塔；第三类为液体以膜状运动与气相进行接触的填料吸收塔和降膜吸收塔。塔内气液两相的流动方式可以逆流也可并流。通常采用逆流操作，吸收剂以塔顶加入自上而下流动，与从下向上流动的气体接触，吸收了吸收质的液体从塔底排出，净化后的气体从塔顶排出。（一）基本要求工业吸收塔应具备以下基本要求：1．塔内气体与液体应有足够的接触面积和接触时间。2．气液两相应具有强烈扰动，减少传质阻力，提高吸收效率。3．操作范围宽，运行稳定。4．设备阻力小，能耗低。5．具有足够的机械强度和耐腐蚀能力。6．结构简单、便于制造和检修。（二）吸收塔填料1、散装填料2、规整填料二、填料的性能评价1．填料的几何特性填料的几何特性数据主要包括比表面积、空隙率、填料因子等，是评价填料性能的基本参数。（1）比表面积单位体积填料的填料表面积称为比表面积，以a表示，其单位为m2/m3。填料的比表面积愈大，所提供的气液传质面积愈大。因此，比表面积是评价填料性能优劣的一个重要指标。（2）空隙率单位体积填料中的空隙体积称为空隙率，以e表示，其单位为m3/m3，或以%表示。填料的空隙率越大，气体通过的能力越大且压降低。因此，空隙率是评价填料性能优劣的又一重要指标。（3）填料因子填料的比表面积与空隙率三次方的比值，即a/e3，称为填料因子，以f表示，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的a/e3称为干填料因子，它反映填料的几何特性；填料被液体润湿后，填料表面覆盖了一层液膜，a和e均发生相应的变化，此时的a/e3称为湿填料因子，它表示填料的流体力学性能，f值越小，表明流动阻力越小。（4）规整填料选择填料材质选择填料材质应根据吸收系统的介质以及操作温度而定，一般情况下，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的抗腐蚀性材料，如陶瓷，塑料，玻璃，石墨，不锈钢等，对于温度较高的情况，应考虑材料的耐温性能。填料的选择尤为重要，所选填料既要满足生产工艺的要求,又要使设备投资和操作费用较低但各种填料的结构差异较大，具有不同的优缺点，因此在使用上应根据具体情况选择不同的塔填料。在选择塔填料时，应该主要考虑如下几个问题：(1)填料的类型选择此处选择是整个设计的关键，选择的不同会直接影响整个操作过程，填料的选择就成为人们非常关注的，不仅要考虑分离效率，还要确保有较高的传质效率。其中填料层压降是填料的主要性能，填料层压降越低，能力消耗就越少，从而很大的减少成本造价以及操作费用，这样有利于操作生产。(2)填料尺寸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的抗腐蚀性材料，如陶瓷，塑料，玻璃，石墨，不锈钢等，对于温度较高的情况，应考虑材料的耐温性能。水吸收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38mm的聚丙烯空心小球（质量为0.35g/个，密度为160kg/m3）做填料。2.4吸收剂再生的选择依据所用的吸收剂不同可以采用不同的再生方法，工业上常用的吸收剂再生方法主要有减压再生，加热再生及气提再生等。（一）减压再生（闪蒸）吸收剂的减压再生是最简单的吸收剂再生方法之一。在吸收塔内，吸收了大量溶质后的吸收剂进入再生塔并减压，使得溶入吸收剂中的溶质得以再生。该方法最适用于加压吸收，而且吸收后的后续工艺处于常压或较低压力的条件，如吸收操作处于常压条件下进行，若采用减压再生，那么解吸操作需在真空条件下进行，则过程可能不够经济。（二）加热再生加热再生也是吸收剂再生最常用的方法。吸收了大量溶质后的吸收剂进入再生塔内并加热使其升温，溶入吸收剂中的溶质得以解吸。由于再生温度必须高于解吸温度，因而，该方法最适用于常温吸收或在接近于于常温的吸收操作，否则，若吸收温度较高，则再生温度必然更高，从而，需要消耗更高品位的能量。一般采用水蒸汽作为加热介质，加热方法可以依据具体情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的底部通入惰性气体，使吸收剂表面溶质的分压降低，使吸收剂得以再生。常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收，并且吸收气体是由矿石焙烧炉中放出，则可以利用其热量进行加热再生