环境工程原理课程设计--雷文琦

环境工程原理课程设计设计题目填料吸收塔工艺设计说明书班级环境工程102班学生姓名雷文琦学号201018060302日期2011/12/20填料吸收塔工艺设计一、概述（一）填料塔的作用：填料塔由填料、塔内件及筒体构成。

填料分规整填料和散装填料两大类。

塔内件有不同形式的液体分布装置、填料固定装置或填料压紧装置、填料支承装置、液体收集再分布装置及气体分布装置等。

与板式塔相比，新型的填料塔性能具有如下特点：生产能力大、分离效率高、压力降小、操作弹性大、持液量小等优点。

（二）填料种类：（1）拉西环拉西环填料于1914年由拉西发明，为外径与高度相等的圆环。

拉西环填料的气液分布较差，传质效率低，阻力大，通量小，目前工业上已较少应用。

（2）鲍尔环鲍尔环填料是对拉西环的改进，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。

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，气流阻力小，液体分布均匀。

与拉西环相比，鲍尔环的气体通量可增加50%以上，传质效率提高30%左右。

鲍尔环是一种应用较广的填料。

（3）矩鞍填料矩鞍填料将弧鞍填料两端的弧形面改为矩形面，且两面大小不等，即成为矩鞍填料。

矩鞍填料堆积时不会套叠，液体分布较均匀。

矩鞍填料一般采用瓷质材料制成，其性能优于拉西环。

目前，国内绝大多数应用瓷拉西环的场合，均已被瓷矩鞍填料所取代。

（4）阶梯环阶梯环填料是对鲍尔环的改进，与鲍尔环相比，阶梯环高度减少了一半并在一端增加了一个锥形翻边。

由于高径比减少，使得气体绕填料外壁的平均路径大为缩短，减少了气体通过填料层的阻力。

锥形翻边不仅增加了填料的机械强度，而且使填料之间由线接触为主变成以点接触为主，这样不但增加了填料间的空隙，同时成为液体沿填料表面流动的汇集分散点，可以促进液膜的表面更新，有利于传质效率的提高。

阶梯环的综合性能优于鲍尔环，成为目前所使用的环形填料中最为优良的一种。

（5）金属环矩鞍填料金属环矩鞍填料环矩鞍填料是兼顾环形和鞍形结构特点而设计出的一种新型填料，该填料一般以金属材质制成，故又称为金属环矩鞍填料。

环矩鞍填料将环形填料和鞍形填料两者的优点集于一体，其综合性能优于鲍尔环和阶梯环。

（三）设计内容包括1、根据生产任务和有关要求确定设计方案2、吸收剂选择3、填料类型选择4、基础物性数据5、塔径计算6、填料层高度计算7、填料塔阻力计算8、填料塔辅助设备选择与估算二、填料吸收塔工艺设计（一）明确设计任务，确定设计方案1、设计任务试设计常压填料塔，以水吸收丙酮。

a混合气（空气、丙酮）处理量为1400m3/h；b进塔混合气含丙酮体积分数2％，相对湿度70％，温度35；c进塔吸收剂（清水）的温度25℃；d丙酮回收率90％；e操作压力为常压；2、选择吸收剂：25℃的清水填料类型：鲍尔环3、确定流程：选用逆流操作流程（二）基础物性数据1、混合气：空气的分子量：29 ；丙酮的分子量：58 ；2、吸收剂：25℃的清水，35℃饱和水蒸气压强为5623.4 Pa（三）物料衡算1、物料衡算1. 进塔混合气中各组分的量 近似取塔平均操作压力为101.3 kPa,故： 混合气量=1400（273/308）×122.4＝ 55.40kmol ／h 混合气中丙酮的量=55.40×0.02=1.108kmol ／h=64.26 kg / h因为35℃饱和水蒸气压强为5623.4 Pa ，则相对湿度为70％的混合气中含水蒸气量＝h kmol /0404.04.56237.0103.1017.04.56233=⨯-⨯⨯（水气）/ kmol （空气十丙酮）混合气中水蒸气含量（55.40*0.0404）/(1+0.0404)=2.15 kmol / h2.15 kmol / h *18=38.70kg / h混合气中空气量＝55.40－1.108-2.15＝52.142 kmol / h＝52.142×29＝1512.128kg / h2． 混合气进出塔的（物质的量的比）组成已知1y ＝0.02,则y 2＝1.12*0.1/(532.65+2.17+1.12*0.1)=0.0023. 混合气进出塔（物质的量比）组成若将空气与水蒸气视为惰气，则惰气量=52.142 +2.15=54.292 kmol/h =1574.468 kg / hY1=1.108/54.292=0.02 kmol （丙酮）/kmol （惰气） Y2=1.108*0.1/54.292=0.002 kmol （丙酮）/kmol （惰气）4．出塔混合气量出塔混合气量=1574.468+64.26×0.1=1580.8kmol/h2、操作线方程：根据X —*Y 数据，绘制X —Y 平衡曲线0E ，如图所示丙酮溶于水其亨利系数:1gE =9.171－[2040/（t+273）], m=PE，分别将相应E 值及相平衡常数m 值列于下表中的第3，4列。

由*Y =mX 求取对应m 及X 时的气相平衡组成*Y ，结果列于表中第5列。

T=25℃,E=211.5pa m=E/p=211.5/101.3=2.087 惰性气体流量：v=54.82 kmol/h X 2=0 Y 1=0.02 Y 2=0.002(Ls/v)mis =( Y 1 -Y 2)/( Y 1/m- X 2)=1.8783 依物料衡算式：B V (12Y Y -)＝S L （12X X -）1X =54.40×(0.02-0.002)/163.7 = 0.006依操作线方程式：22S S B BL LY X Y X V V =+- =(163.7/54.40)*X+0.002 Y=3.01X+0.0023、最小吸收剂用量和实际吸收剂用量： 计算最小吸收剂用量min S,L min S,L =1.8783* 54.40= 102.18 kmol/hLs =1.1～2.0 min S,L ; 取Ls=1.6min S,L Ls =1.6*102.18=164.5 kmol ∕h （四）填料塔径求取（1）.采用Eckert 通用关联图法计算泛点气速F u ①有关数据计算塔底混合气流量V ’S ＝64.96+38.70+1512.128＝1615.788 kg/h 吸收液流量L ’＝163.7*18＋1.108×0.9×58＝3004.43 kg/h 进塔混合气密度G ρ＝4.2229×35273273+＝1.15 kg/3m (混合气浓度低，可近似视为空气的密度)吸收液密度L ρ＝995.65 kg/3m 吸收液黏度L μ＝0.7993 mP a ·s经比较，选DG50mm 塑料鲍尔环(米字筋)。

查《化工原理》教材附录可得，其填料因子φ=1201m -，比表面积A ＝106.423/m m 。

②关联图的横坐标值``V L (L G ρρ)1/2= 3004.43/1615.788*(65.99515.1)1/2 = 0.0631 ③由图2查得纵坐标值为0.135即L L G2F g μρρμ）（Φ0.2=7993.065.99515.181.91202F ⨯⨯）（μ0.2=0.01352Fu = 0.135 故液泛气速F u = (0.135/0.0135) ^0.5= 3.16 m/s （2）空塔气速u ＝0.6F u ＝0.6×3.16＝1.896 m/s （3）塔径D =（（1400/（3600*0.785*1.896））^0.5= 0.511m = 511 mm取塔径为600 mm) 选择填料 D/d =600/50=12（4）核算操作气速U=1400/(3600*0.785*0.600^2)= 1.376m/s < F u （5）核算径比D/d ＝600/50＝12，满足鲍尔环的径比要求。

（6）喷淋密度校核d ＜75mm 约环形及其它填料的最小润湿速率为0.083m /(m ·h)： 最小喷淋密度Umin ＝0.08×106.4＝8.512 3m /(m 2·h)实际喷淋密度U ＝3004.43/(995.65*0.785*0.6^2)＝10.67 3m /(m ·h) 实际喷淋密度U ＞Umin,所以满足最小喷淋密度要求。

实际泛点率D/d ， U ＞Umin 均符合要求。

（五）填料层高度计算一、传质单元高度的计算传质单元高度OG H 计算： OG H =BYa V K Ω其中Ya K =Ga K P ；111Ga Ga LaK k Hk =+ 计算填料润湿面积a w 作为传质面积a ，依改进的恩田式分别计算L k 及G k ，再合并为La k 和Ga k 。

1.列出备关联式中的物性数据气体性质(以塔底35℃，101.325kPa 空气计)：G ρ＝1.15 kg/3m (前已算出)；G μ＝0.01885×310-.Pa s (查附录)；G D ＝1．09×510-2/m s液体性质(以塔底30.13℃水为准)：L ρ＝995.65 kg/3m ；L μ＝0.7993×310-Pa ·s ；L D =1.451×910-2/m s气体与液体的质量流速：L G `=3004.43/(3600*0.785*(0.6^2)) = 2.95/kg 2（m .s ） V G `=1615.788/(3600*0.785*0.6*0.6) =1.59/kg 2（m .s ）50Dg mm 塑料鲍尔环(乱堆)特性:pd ＝50mm ＝0.05m;A ＝106.423/m m ;C σ=40dy/cm=40×10-3N/m;有关形状系数ψ=1.45（鲍尔环为开孔环）2.⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎩⎨⎧--=2.022'05.02'1.075.02')(45.1ex p 1g L G L L G t G gaL L a L c at aw t ρρμσσ=1exp -{-1.45（33106.711040--⨯⨯）0.75（2.95/(106.4×0.7993×10^-3)）0.1（(2.95^2×106.4)/(995.65^2×9.81)）-0.05(2.95^2)/(995.65×71.6×10^-3×106.4)）0.2}=1exp -{-1.45（0.646）（1.43）（1.58）（0.26）} =1exp -（-0.550）=0.428 故w a =.wa A A=0.428×106.4 =45.54 23/m m 3.K L =0.0051(L t G a L μ`)2/3(LL L D ρμ)-1/2(L L g ρμ)1/3(a t d p )0.4 =0.0051(2.95/(48.3*0.7993*0.001)2/3(9310451.165.995107993.0--⨯⨯⨯)-1/2(65.99581.9107993.03⨯⨯-)1/3(5.32)0.4=1.38×10-4 m/s 4.k G= 5.23(G t G a V μ`)0.7(G G G D ρμ)1\3(RTD a Gt )(a t d p )-2=5.23(1.59/(106.4*1.855*10^(-5)))0.7( 551009.115.110885.1--⨯⨯⨯)1/3(308314.81009.14.1065⨯⨯⨯-) (5.32)-2=5.23(124.3)(1.152)(4.529×10-7)(0.035) =1.187×10-5 kmol/(m 2·S ·kPa)故L L w k a k a ==1.38×410-×48.3=0.67×10-2 (m/s)G G w k a k a ==1.187×10-5×48.3 =5.73×10-4 2/(..)kmol m s kPa5.计算Y K aY K a ＝G K aP ，而111Ga Ga La K k Hk =+，H=L SEM ρ,由于在操作范围内，随液相组成和温度L t 的增加，m (E)亦变，故本设计分为两个液相区间，分别计算G K a (I)和G K a (II)区间I X ＝0.0095~0.005 (为G K a (I)) 区间II X ＝0.005~0 (为G K a (II))I E ＝2.60×210kPa , I H ＝LI SE M ρ=181060.265.9952⨯⨯=0.213 3/(.)kmol m kPaII E =2.27×210 kPa, II H =LII SE M ρ=181027.265.9952⨯⨯=0.244 3/(.)kmol m kPa)I (1a K G =1/(5.73×10-4)＋1/(0.213*0.67×10-2)＝2445.9 ()Ga I K =1/(2672.2)=4.08×10-4 3/(..)kmol m S kPa ()Ya I K =()Ga I K .P=4.08×10-4×101.3 =0.0413/(.)kmol m S)II (1a K G =1/(5.73×10-4)＋1/(0.244*0.67×10-2) =2356.9 ()Ga II K =4.24×10-4 3/(..)kmol m S kPa()().Ya II Ga II K K P ==4.24×10-4×101.3 =0.0433/(.)kmol m S二、传质单元数及传质单元高度的计算 传质单元数OG N 计算在上述两个区间内，可将平衡线视为直线，操作线系直线，故采用对数平均推动力法计算OG N 。