環境工程原理課程設計
清水吸收氨的填料塔裝置
設計說明書
院 （系） 別： 資源與環境學院
專業： 環境工程
年級班：
姓名：學號：
指導老師：
前言： 課程設計是比較綜合性和實踐性較強的教學環節，是理論聯絡實際的橋梁，是使學生體察工程實際問題複雜性、學習化工設計基本知識的初次嘗試。通過課程設計，要求學生能綜合利用本課程和前修課程的基本知識，進行融會貫通的獨立思考，在規定的時間內完成指定的化工設計任務，從而得到化工工程設計的初步訓練。
通過課程設計，要求學生了解工程設計的基本內容，掌握化工設計的程式和方法，培養學生分析和解決工程實際問題的能力。同時，通過課程設計，還可以使學生樹立正確的設計思想，培養實事求是、嚴肅認真、高度責任感的工作作風。課程設計是增強工程觀念，培養提高學生獨立工作能力的有益實踐。
經過學習,我知道，填料塔吸收淨化工藝不單應用在化工領域 ,在低濃度工業廢氣淨化方面也能很好地發揮作用。工程實踐表明 ,合理的系統工藝和塔體設計 ,是保證淨化效果的前提。這次課程設計我把聚丙烯階梯填料應用於水吸收氨過程的工藝設計以及工程問題。
一設計任務書
（一）設計題目
水吸收nh3過程填料吸收塔的設計：試設計一座填料吸收塔，用於脫除焙燒爐送出的混合氣體(先冷卻)中的nh3，其餘為惰性組分，採用清水進行吸收。
（二）操作條件
（1）操作壓力常壓
（2）操作溫度 20℃
（三）設計內容
（1）吸收塔的物料衡算；
（2）吸收塔的工藝尺寸計算；
（3）填料層壓降的計算；
（4）液體分布器簡要設計；
（5）吸收塔接管尺寸計算；
（6）繪製吸收塔設計條件圖；
（7）對設計過程的評述和有關問題的討論。
二設計方案簡介
2.1方案的確定
用水吸收nh3屬中等溶解度的吸收過程，為提高傳質效率，選用逆流吸收流程。因用水作為吸收劑，且nh3不作為產品，故採用純溶劑。
2.2填料的型別與選擇
對於水吸收nh3的過程，操作溫度及操作壓力較低，工業上通常選用塑料散裝填料。在塑料散裝填料中，塑料階梯環填料的綜合性能較好，故此選用dn38聚丙烯階梯環填料。
階梯環是對鮑爾環的改進。與鮑爾環相比，階梯環高度減少了一半，並在一端增加了乙個錐形翻邊。由於高徑比減少，使得氣體繞填料外壁的平均路徑大為縮短，減少了氣體通過填料層的阻力。
錐形翻邊不僅增加了填料的機械強度，而且使填料之間由線接觸為主變成以點接觸為主，這樣不但增加了填料間的空隙，同時成為液體沿填料表面流動的匯集分散點，可以促進液膜的表面更新，有利於傳質效率的提高。階梯環的綜合性能優於鮑爾環，成為目前所使用的環形填料中最為優良的一種。
2.3設計步驟
本課程設計從以下幾個方面的內容來進行設計
（一） 吸收塔的物料衡算；（二） 填料塔的工藝尺寸計算；主要包括：塔徑，填料層高度，填料層壓降；（三） 設計液體分布器及輔助裝置的選型；（四） 繪製有關吸收操作圖紙。
三 、工藝計算
3.1基礎物性資料
3.1.1 液相物性資料
對低濃度吸收過程，溶液的物性資料可近似取純水的物性資料。由手冊查得，20℃時水的有關物性資料如下：
密度為 ρl=998.2kg/m3
粘度為 μl=0.001pa·s=3.6kg/(m·h)
表面張力為σl=72.6dyn/cm=940896kg/h2
nh3在水中的擴散係數為 dl=2.04×10-9m2/s=7.344×10-6m2/h
（依wilke-chang計算，查《化學工程基礎》）
3.1.2 氣相物性資料
設進塔混合氣體溫度為20℃，
混合氣體的平均摩爾質量為
mvm=σyimi=0.05×17.03+0.95×29=28.40g/mol
混合氣體的平均密度為ρvm=1.1806kg/ m3
混合氣體的粘度可近似取為空氣的粘度，查手冊得20℃空氣的粘度為
μv=1.81 ×10-5pas=0.065kg/(mh)
查手冊得nh3在空氣中的擴散係數為
dv=0.255cm2/s=0.081m2/h
3.1.3 氣液相平衡資料
由手冊查得，常壓下20℃時nh3在水中的亨利係數為
e=76.41kpa
相平衡常數為
m=e/p=76.41/101.3=0.754
溶解度係數為
h=ρ/em=998.2/76.41×18.02=0.7254kmol/kpam3
3.1.4 物料衡算
(l). 進塔混合氣中各組分的量
近似取塔平均操作壓強為101.3kpa，故：
混合氣量＝=441.7
混合氣nh3中量＝441.7×0.055＝24.29 kmol／h
＝24.29×17.03=413.66kg／h
設混合氣中惰性氣體為空氣，則混合氣中空氣量＝441.71-24.29＝417.42kmol／h
＝417.42×29＝12105.18kg／h
(2)．混合氣進出塔的摩爾組成
y1=0.055
y2==0.002323
（3）混合氣進出塔摩爾比組成
進塔氣相摩爾比為
y1===0.0582
出塔氣相摩爾比為
y2=0.0582×（1-0.96）=0.002328
（4）出塔混合氣量
出塔混合氣量=417.42+24.29×0.04=418.3916kmol/h
=12105.18+441.7×0.04=12122.848kg/h
（5）吸收劑（水）的用量l
該吸收過程屬低濃度吸收，平衡關係為直線，最小液氣比可按下式計算
對於純溶劑吸收過程，進塔液相組成為x2=0
=0.724
取操作液氣比為
=1.6×0.724=1.158
l=1.158×417.42=483.432 kmol/h
(6)塔底吸收液組成x1
=0.0482
(7)操作線方程
依操作線方程=
y=1.158x+0.002328
3.2填料塔的工藝尺寸的計算
3.2.1塔徑的計算
採用eckert通用關聯圖計算泛點氣速。
氣相質量流量為wv=10800×1.1806=12751.4 kg/h
液相質量流量可近似按純水的流量計算，即
wl=483.432×18.02=8711.4kg/h
其中：ρl =998.2kg/m3
ρv =1.1806kg/m3
g = 9.81 m/s2 = 1.27×108 m/h2
wv = 12751.4 kg/h
wl = 8711.4kg/h
μl =0.001pa·s
（1）採用ecekert通用關聯圖法計算泛點氣速uf。
通用填料塔泛點和壓降的通用關聯圖如下：
圖一填料塔泛點和壓降的通用關聯圖（引自《化工原理》）
圖中 u0——空塔氣速，m /s；
φ——溼填料因子，簡稱填料因子，1 /m；
ψ——水的密度和液體的密度之比；
g——重力加速度，m /s2；
ρv、ρl——分別為氣體和液體的密度，kg /m3；
wv、wl——分別為氣體和液體的質量流量，kg /s。
此圖適用於亂堆的顆粒形填料，如拉西環、弧鞍形填料、矩鞍形填料、鮑爾環等，其上還繪製了整砌拉西環和弦柵填料兩種規整填料的泛點曲線。對於其他填料，尚無可靠的填料因子資料。
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