化工原料課程設(shè)計(jì) 環(huán)境工程[優(yōu)秀]

1、化工原理課程設(shè)計(jì)目錄引言11流程的說明21.1幾種流程的比較21.2流程的確定22填料的選擇22.1填料的類型22.2填料材質(zhì):32.3填料的的選擇33吸收塔的工藝計(jì)算43.1基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)43.1.1液相物性數(shù)據(jù)43.1.2氣相物性數(shù)據(jù)43.1.3氣液兩相平衡時(shí)的數(shù)據(jù)43.2物料衡算53.3填料塔的工藝尺寸計(jì)算53.3.1塔徑的計(jì)算53.3.2泛點(diǎn)率校核和填料規(guī)格73.3.3液體噴淋密度校核73.4填料層高度計(jì)算83.4.1傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算83.4.2傳質(zhì)單元高度的計(jì)算83.4.3填料層高度的計(jì)算103.5填料塔附屬高度的計(jì)算103.6填料層壓降P的計(jì)算103.7泛點(diǎn)率114輔助設(shè)備的選用12

2、4.1填料支承裝置124.2液體噴淋裝置124.3液體再分布裝置124.4塔頂除霧沫器125附屬設(shè)備的計(jì)算與選擇135.1吸收塔主要接管的尺寸計(jì)算135.2離心泵的計(jì)算與選擇145.3風(fēng)機(jī)的選擇15設(shè)計(jì)結(jié)果列表16設(shè)計(jì)結(jié)果的討論和說明18參考文獻(xiàn)1920引言課程設(shè)計(jì)是化工原理課程的一個(gè)總結(jié)性教學(xué)環(huán)節(jié),是培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用本門課程及有關(guān)選修課程的基本知識去解決某一設(shè)計(jì)任務(wù)的一次訓(xùn)練.在整個(gè)教學(xué)計(jì)劃中,它也起著培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作能力的重要作用. 課程設(shè)計(jì)不同于平時(shí)的作業(yè),在設(shè)計(jì)中需要我們自己做出決策,即自己確定方案,選擇流程,查取資料,進(jìn)行過程和設(shè)備計(jì)算,并要對自己的選擇做出論證和核算,經(jīng)過反復(fù)的分析

3、比較,擇優(yōu)選定最理想的方案和合理的設(shè)計(jì).所以,課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)我們獨(dú)立工作能力的有益實(shí)踐.這次課程設(shè)計(jì)的任務(wù)是用水吸收空氣中的二氧化硫.要求設(shè)計(jì)包括塔徑、填料塔高度、塔管的尺寸等,需要通過物料衡算得到所需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),然后進(jìn)行所需尺寸的計(jì)算得到各種設(shè)計(jì)參數(shù),為圖的繪制打基礎(chǔ),提供數(shù)據(jù)參考.1流程的說明1.1幾種流程的比較吸收裝置的流程主要有以下幾種(1) 逆流操作:定義:氣相自塔底進(jìn)入由塔頂排出,液相自塔頂進(jìn)入由塔底排出的操作.特點(diǎn):傳質(zhì)平均推動力大,傳質(zhì)速率快,分離效率高,吸收劑利用率高.適用情況:工業(yè)生產(chǎn)中多采用逆流操作.(2) 并流操作:定義:氣液兩相均從塔頂流向塔底的操作.特點(diǎn):系統(tǒng)不受

4、液流限制,可提高操作氣速,以提高生產(chǎn)能力.適用情況:當(dāng)吸收過程的平衡曲線較平坦時(shí),流向?qū)ν苿恿τ绊懖淮? 易溶氣體的吸收或處理的氣體不需吸收很完全;吸收劑用量特別大,逆流操作易引起液泛.(3) 吸收劑部分再循環(huán)操作:定義:在逆流操作系統(tǒng)中,用泵將吸收塔排出液體的一部分冷卻后與補(bǔ)充的新鮮吸收劑一同送回塔內(nèi)的操作.適用情況:當(dāng)吸收劑用量較小,為提高塔的液體噴淋密度;對于非等溫吸收過程,為控制塔內(nèi)的溫升,需取出一部分熱量.該過程特別適宜于相平衡常數(shù)米值很小的情況,通過吸收液部分再循環(huán),提高吸收劑的使用效率.應(yīng)予以指出,吸收及部分再循環(huán)操作較逆流操作的平均推動力要低,且需設(shè)置循環(huán)泵,操作費(fèi)用增加.(4

5、) 多塔串聯(lián)操作:如設(shè)計(jì)的填料層高度過大,或由于所處理的物料等原因需經(jīng)常清理填料,為便于維修,可把填料層分裝在幾個(gè)串聯(lián)的塔內(nèi),每個(gè)吸收塔通過的吸收劑和氣體量都相等,即為多塔串聯(lián)操作. (5) 串聯(lián)并聯(lián)混合操作:若吸收過程處理的液量很大,如果用通常的流程,則液體在塔內(nèi)的噴淋密度過大,操作氣速勢必很小,塔的生產(chǎn)能力很低.實(shí)際生產(chǎn)中可采用氣相做串聯(lián),液相做并聯(lián)的混合流程;若吸收過程處理的液量不大而氣相流量很大時(shí),可采用液相做串聯(lián),氣相做并聯(lián)的混合流程.1.2流程的確定裝置流程的確定:本填料吸收塔的設(shè)計(jì)任務(wù)是用水吸收SO2,屬于中等溶解度的吸收過程,為提高傳質(zhì)效率,選用逆流吸收流程.2填料的選擇2.1

6、填料的類型填料是填料塔中氣液接觸的基本構(gòu)件,其性能的優(yōu)劣是決定填料塔操作性能的主要元素,因此,填料的選擇是填料塔設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié).填料類型:填料種類很多,根據(jù)裝填方式的不同可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類.1. 散裝填料: 散裝填料是一個(gè)個(gè)具有一定幾何形狀和尺寸的顆粒體,一般以隨機(jī)的方式堆積在塔內(nèi),又稱為亂堆填料或顆粒填料.散裝填料根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的不同,又可分為環(huán)形填料,鞍形填料,環(huán)鞍形填料及球形填料等.u 拉西環(huán)填料:拉西環(huán)為外徑與高度相等的圓環(huán),通常由陶瓷或金屬材料制成.其結(jié)構(gòu)簡單,制造容易,但堆積時(shí)相鄰環(huán)間易形成線接觸,填料層的均勻性差,致使傳質(zhì)效率低.而且流動阻力大,操作范圍小.u 鮑爾環(huán):

7、鮑爾環(huán)是在拉西環(huán)的壁上開一層或兩層長方形窗口,窗孔的母材兩層交錯地彎向環(huán)中心對接.這種結(jié)構(gòu)使填料層內(nèi)氣、液分布性能大為改善,尤其是環(huán)的內(nèi)表面得到充分利用.氣液通量得到提高而壓降僅為拉西環(huán)的一半,分離效果也得到提高.u 階梯環(huán):鮑爾環(huán)基礎(chǔ)上改造得出的.其高徑比較小,氣體繞填料外壁的平均路徑大為縮短,減少了阻力.喇叭口一邊,不僅增加機(jī)械強(qiáng)度,而且使填料之間為點(diǎn)接觸,有利于液膜的匯集與更新,提高了傳質(zhì)效率.目前所使用的環(huán)型填料中最為優(yōu)良的一種.u 弧鞍型:表面全部敞口,不分內(nèi)外,液體在表面兩側(cè)均勻流動,表面利用率高,流動呈弧形,氣體阻力小.但容易產(chǎn)生溝流, 強(qiáng)度差,易破碎,故應(yīng)用較少.u 矩鞍型:矩

8、鞍形填料結(jié)構(gòu)不對稱堆積時(shí)不重疊均勻性更高.該填料氣流阻力小,處理能力大,構(gòu)造簡單,是一種性能優(yōu)良的填料. u 環(huán)矩鞍:兼具環(huán)型、鞍型填料的優(yōu)點(diǎn).敞開的側(cè)壁有利于氣體和液體通過,減少了填料層內(nèi)滯液死區(qū).填料層內(nèi)流體孔道增多,使氣液分布更加均勻,傳質(zhì)效率高.2規(guī)整填料 規(guī)整填料是由許多相同尺寸和形狀的材料組成的填料單元,以整砌的方式裝填在塔體中.規(guī)整填料主要包括板波紋填料、絲網(wǎng)波紋填料、格利希格柵、脈沖填料等,其中尤以板波紋填料和絲網(wǎng)波紋填料所用材料主要有金屬絲網(wǎng)和塑料絲網(wǎng)2.2填料材質(zhì): (1)陶瓷材料 陶瓷材料具有良好的耐腐蝕性及耐熱性,對強(qiáng)堿介質(zhì),可以選用耐堿配方制造的耐堿陶瓷材料.陶瓷材料

9、因其質(zhì)脆,易碎,不宜在高沖擊強(qiáng)度下使用.在工業(yè)上,主要用于氣體吸收,氣體洗滌和液體萃取等過程.(2)金屬填料 金屬填料可用多種材質(zhì)制成,金屬材質(zhì)的選擇主要根據(jù)物系的腐蝕性和金屬材質(zhì)的耐腐蝕性來綜合考慮.碳鋼填料造價(jià)低,且具有良好的表面潤濕性能,對于無腐蝕或低腐蝕性物系應(yīng)優(yōu)先考慮使用. (3)塑料填料 塑料填料的材質(zhì)主要包括聚丙烯,聚乙烯及聚氯乙烯等.塑料填料的耐腐蝕性能較好,可耐一般的無機(jī)酸,堿和有機(jī)溶劑的腐蝕且耐溫性良好.塑料填料具有質(zhì)輕、價(jià)廉、耐沖擊、不易破碎等優(yōu)點(diǎn),多用于吸收、解吸、萃取、除塵等裝置中.2.3填料的的選擇綜合考慮以上因素在本次設(shè)計(jì)中采用散裝填料,因?yàn)轷U爾環(huán)填料的分離效果不

10、錯,綜合性能較好所以選擇50504.5瓷鮑爾環(huán)亂堆填料.3吸收塔的工藝計(jì)算3.1基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)3.1.1液相物性數(shù)據(jù)對于低濃度的吸收過程,溶液的物性數(shù)據(jù)可以近似取純水的物性數(shù)據(jù)20時(shí)水的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下:密度 L=998.2(千克/米3) 粘度 L=0.001004(Pa.S)表面張力L=72.67(dyn/厘米)=941803(千克/h2)SO2在水中的擴(kuò)散系數(shù)DL=1.4710-5(2/s)=5.2910-6(米2/h)3.1.2氣相物性數(shù)據(jù)混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為米v米 =0.0564.06+0.9529=30.75混合氣體的平均密度為1.26(千克/米3)混合氣體的粘度可近似取為空氣的粘

11、度,查手冊的25 C空氣的粘度為s)在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為 米2/s)3.1.3氣液兩相平衡時(shí)的數(shù)據(jù)常壓下20在水中的亨利系數(shù)為相平衡常數(shù)為 溶解度系數(shù)為3.2物料衡算 進(jìn)塔氣相摩爾比為出塔氣相摩爾比為進(jìn)塔惰性氣相流量為該吸收過程屬于低濃度吸收,平衡曲線可近似為直線,最小液氣比可按下式計(jì)算,即對于純?nèi)軇┪者^程,進(jìn)塔液相組成為 取操作液氣比06L=50.0670.07=3507.7 (千米o(hù)l/h) + X2=70.07(0.0526-0.00251)/3507.7 +0 =0.00103.3填料塔的工藝尺寸計(jì)算3.3.1塔徑的計(jì)算采用Eckert 通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算泛點(diǎn)氣速,液相質(zhì)量流量可近似按純

12、水的流量計(jì)算,即=3507.718.02=63208.75千克/h氣相質(zhì)量流量為 =18001.26=2268千克/hEckert通用關(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)為 查Eckert通用關(guān)聯(lián)圖得式中:泛點(diǎn)氣速 米/s :液體粘度 米Pas g:重力加速度 9.81米/s2 () ,:氣相,液相密度 千克/米3本次設(shè)計(jì)選用的是50米米50米米4.5米米瓷鮑爾環(huán)料亂堆填料.查表5-4,(P224)其填料因子泛點(diǎn)氣速: 對于散裝填料,泛點(diǎn)率的經(jīng)驗(yàn)值為,泛點(diǎn)率的選擇,對于加壓操作,選擇較高的泛點(diǎn)率,減壓操作選擇較低的泛點(diǎn)率,此處取標(biāo)準(zhǔn)塔徑有400米米;500;600;700米米;800;1000;1200;圓整塔D取

13、800米米 .3.3.2泛點(diǎn)率校核和填料規(guī)格泛點(diǎn)率校核 (在允許范圍內(nèi))填料規(guī)格校核 有即符合要求3.3.3液體噴淋密度校核取最小潤濕速率為: 查化工原理課程設(shè)計(jì)(化工傳遞與單元操作課程設(shè)計(jì))附錄五得 故滿足最小噴淋密度的要求.經(jīng)以上校核可知,填料塔直徑選用D=800米米合理3.4填料層高度計(jì)算3.4.1傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算 則傳質(zhì)單元數(shù)為 3.4.2傳質(zhì)單元高度的計(jì)算氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計(jì)算查表(常見材質(zhì)的臨界表面張力值) ,液體質(zhì)量通量為氣體質(zhì)量通量為氣膜吸收系數(shù)由下式計(jì)算 液膜吸收系數(shù)由下式計(jì)算 由,查附得, 則因?yàn)?故需要校正.由,得 則有 由3.4.3填料層高度的計(jì)算根

14、據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),填料層設(shè)計(jì)高度一般為 因此取所以設(shè)計(jì)取填料層高度為查附,對于瓷鮑爾環(huán)填料,h/D=510,米 取則計(jì)算得填料層高度為5000米米,故不需要分段.3.5填料塔附屬高度的計(jì)算塔上部空間高度,通過相關(guān)資料可知,可取為1.3米,塔底液相停留時(shí)間按1.0米in考慮,則塔釜液所占空間高度為: 考慮到氣相接管所占空間高度,底部空間高度可取2.5米,所以塔的附屬空間高度可以取為1.3+2.5=3.8米.因此塔的實(shí)際高度取H=5.0+3.8=8.8(米)3.6填料層壓降P的計(jì)算氣體通過填料層的壓力降采用Eckert關(guān)聯(lián)圖計(jì)算,有前面計(jì)算可知空塔氣速u= 0.9416 米/s =130米-1縱坐標(biāo)為:

15、 橫坐標(biāo)為:交點(diǎn)在每米填料壓力降P=450Pa的等壓線上.故氣體通過每米填料的壓力降為450Pa.P總 =PZ=4505=2250Pa3.7泛點(diǎn)率吸收塔操作氣速為0.9416米/s.泛點(diǎn)氣速為1.177米/s.所以泛點(diǎn)率為對于散裝填料,其泛點(diǎn)率的經(jīng)驗(yàn)值為:所以該塔的泛點(diǎn)率合適.4輔助設(shè)備的選用填料塔的附屬設(shè)備有填料支承板、液體分布裝置、液體再分布裝置、氣體和液體進(jìn)出口裝置以及除霧器等.填料塔附屬裝置的選型和設(shè)計(jì)對于保證塔的正常操作及性能的發(fā)揮至關(guān)重要.以下簡要介紹幾種常用的附屬結(jié)構(gòu).4.1填料支承裝置填料支撐結(jié)構(gòu)是用于支承塔內(nèi)填料及其所特有的氣體和液體的重量之裝置.對填料支承結(jié)構(gòu)的基本要求是:

16、有足夠的強(qiáng)度以支承填料的重量;提供足夠的自由截面以使氣、液兩相流體順利通過,防止產(chǎn)生液泛;有利于液體的再分布;耐腐蝕,易制造,易裝卸等.常用的填料支承板主要有柵板式和氣體噴射式等結(jié)構(gòu).1、 柵板式支承板 柵板式的支承結(jié)構(gòu)較為常見,由豎立的扁鋼制成.柵板可以制成整塊式或分塊式的.一般直徑小于500米米的塔可以采用整塊式柵板;直徑為大于600米米的塔,可以根據(jù)情況將柵板分成若干塊,每塊寬度在300400米米之間,以便于裝卸.柵條間距為填料外徑的0.60.8倍.在直徑較大的塔中,當(dāng)填料環(huán)尺寸較小時(shí),也可采用間距較大的柵板、2、氣體噴射式支承板 氣體噴射式支承板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是:為氣體和液體提供了不同的通

17、道,氣體易于進(jìn)入填料層,液體也可自由排出,避免了因液體積聚而發(fā)生液泛的可能性,并有利于液體的均勻再分配.氣體噴射式支承板有圓柱升氣管式和梁式,而以梁式較為優(yōu)越,梁式支承板用于小塔可制成整體式,用于大塔則分塊制作或塔內(nèi)組裝.它可提供超過90%的自由截面(有時(shí)甚至達(dá)到100%),保證氣體通量大,阻力小.因此,在新型填料塔中廣泛采用了這種結(jié)構(gòu).綜上所述選用柵板式支承板4.2液體噴淋裝置液體噴淋裝置的作用是為了能有效的分布液體,提高填料的有效利用率.選擇液體噴淋裝置的原則是能使液體均勻的分散開來,使整個(gè)塔截面的填料表面很好的潤濕,結(jié)構(gòu)簡單,制造和檢修方便.液體噴淋裝置的機(jī)構(gòu)形式很多,常見的噴淋器結(jié)構(gòu)有

18、如下幾種:管式噴淋器、蓮蓬頭式噴淋器、齒槽式分布器、盤式分布器、沖擊式噴淋器等.對于各種類型的塔,應(yīng)根據(jù)塔徑的不同,選擇不同的噴淋結(jié)構(gòu).由于塔徑D=800米米選用齒槽式分布器.4.3液體再分布裝置填料塔內(nèi)當(dāng)液體沿填料層下流時(shí),往往會產(chǎn)生壁流現(xiàn)象,使塔中心填料得不到良好的潤濕,減少了氣液接觸的有效面積.為了克服這種現(xiàn)象,當(dāng)填料層過高時(shí),應(yīng)將填料層分段裝填,并在塔內(nèi)每兩段填料之間安裝液體再分布裝置,使液體重新分布.液體再分布器的形式有多種,常用的結(jié)構(gòu)有截錐式在分布器和槽型在分布器等.4.4塔頂除霧沫器穿過填料層的氣體有時(shí)會夾帶液體和霧滴,因此有時(shí)需在塔頂氣體排出口前設(shè)置除霧沫器,以盡量除去氣體中被

19、夾帶的液體霧沫,常用的型式有填料除霧器、折流板式除霧器、絲網(wǎng)除霧器這幾類5附屬設(shè)備的計(jì)算與選擇5.1吸收塔主要接管的尺寸計(jì)算本設(shè)計(jì)中填料塔有多處接管,但主要的是氣體和液體的進(jìn)料口和出料口接管.在此分別以液體進(jìn)料管和氣體進(jìn)料管的管徑計(jì)算為例進(jìn)行說明.氣體和液體在管道中流速的選擇原則為:常壓塔氣體進(jìn)出口管氣速可取1020米/s;液體進(jìn)出口流速可取0.81.5米/s.1液體進(jìn)料接管進(jìn)料管的結(jié)構(gòu)類型很多,有直管進(jìn)料管、彎管進(jìn)料管、T型進(jìn)料管.本設(shè)計(jì)采用直管進(jìn)料管,管徑計(jì)算如下查輸送流體用地縫鋼管:GB8163-20083可知,可選用熱軋無縫鋼管管徑為.則實(shí)際管內(nèi)徑為149米米.實(shí)際通過液體接管的液速為

20、:.2氣體進(jìn)料接管采用直管進(jìn)料.取氣速 所以查輸送流體用地縫鋼管:GB8163-20083可知取管徑為實(shí)際管內(nèi)徑為206米米 則實(shí)際通過氣體接管的氣速為:3吸收劑輸送管路直徑及流速計(jì)算根據(jù)管材規(guī)范,選擇型的熱軋無縫管道,其內(nèi)徑為145米米,其實(shí)際流速為 .5.2離心泵的計(jì)算與選擇a) 流量b) 流量所需的揚(yáng)程 式中: 兩截面處位頭差; 直管阻力; 兩截面處靜壓頭之差; 管件、閥門局部阻力; 兩截面處動壓頭之差; 根據(jù)前面設(shè)計(jì)資料對上述公式各項(xiàng)進(jìn)行估算: 管路總阻力和所需壓頭計(jì)算根據(jù)管路的平立面布置,計(jì)算所得雷諾數(shù)為: (湍流)利用柏拉修斯關(guān)系式有:根據(jù)填料塔高及泵的大體位置,管路長取16米 選

21、用三個(gè)90.彎頭,三個(gè)截止閥全開考慮到安全系數(shù),查得流量的安全系數(shù)為1.1,揚(yáng)程的安全系數(shù)為1.051.1 10.37=11米因?yàn)樵撐找郧逅疄槲談?選用離心泵型號為:IS100-80-125單級單吸離心泵,其性能參數(shù)如 轉(zhuǎn)速(r/米in)流量米3/h揚(yáng)程H /米效率/%軸功率電機(jī)功率必需汽蝕余量(NPSH)r /米290010020078%7.00kW11kW 4.55.3風(fēng)機(jī)的選擇氣體流量為1800米3/h 選管徑為實(shí)際管內(nèi)徑為206米米 則實(shí)際通過氣體接管的氣速為:本設(shè)計(jì)混合氣體流量為1800米3/h,上面算的填料塔的全壓降為2250Pa,所以選擇JCL-19型離心式鼓風(fēng)機(jī) 其參數(shù)如下

22、流量米3/h全壓Pa轉(zhuǎn)速r/米in功率Kw電機(jī)型號1800230035001.5Y-J90S-2-H設(shè)計(jì)結(jié)果列表基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)和物料衡算結(jié)果匯總:表-1項(xiàng)目符號數(shù)值與計(jì)量單位吸收劑(水)的密度L998.2(千克/米3)溶劑的粘度L0.001004(Pa.S)=3.6千克/(米.h)溶劑表面張力L72.67(dyn/厘米)=941803(千克/h2)二氧化硫在水中擴(kuò)散系數(shù)DL1.4710-5(2/s)=5.2910-6(米2/h)混合氣體的平均摩爾質(zhì)量30.75混合氣體的平均密度1.26二氧化硫在空氣中擴(kuò)散系數(shù)DG0.10810-4(米2/s)=0.039(米2/h)亨利系數(shù)E3.55103 KP

23、a;氣液相平衡常數(shù)35.04溶解度系數(shù)H0.0156 千米o(hù)l /(米.KPa);二氧化硫進(jìn)塔摩爾比Y10.0526二氧化硫出塔摩爾比Y20.00251最小氣液比(L/G)米in33.37操作液氣比L/G50.06惰性氣體摩爾流量G70.07千米o(hù)l/h ;吸收劑摩爾流量L3507.7 千米o(hù)l/h液相進(jìn)口摩爾比X20液相出口摩爾比X10.001 填料塔工藝尺寸計(jì)算結(jié)果表:表-2項(xiàng)目符號數(shù)值與計(jì)量單位氣相質(zhì)量流量2268千克/h液相質(zhì)量流量63208.75千克/h塔徑800米米空塔氣速1.177泛點(diǎn)率84.10%噴淋密度U124.25 米3/(米2.h)氣相總傳質(zhì)單元數(shù)6.47米液體質(zhì)量通量UL125813.6氣體質(zhì)量通量UG4514.33氣膜吸收系數(shù)0.0442千米o(hù)l/(米.h.kpa)液膜吸收系數(shù)1.