《环境工程原理》大型作业题目：1500立方米/小时某填料吸收塔的设计学院：环境科学与工程学院专业名称：学号：学生姓名：指导教师：2013年12月17日目录一、前言．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3二、设计任务．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3三、设计条件．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3四、设计说明．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．41、吸收剂的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．42、填料塔的选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．53、流程图及流程说明．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5五、工艺计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．51、物料衡算（确定塔顶、塔底的气液流量和组成）．．．．．．．．．．．．．．．．．52、塔径的计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．63、填料层高度的计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7六、计算结果表．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9七、主要符号说明．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9八、总结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10九、参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10一、前言大型作业是《环境工程原理》课程的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关选修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练。
在整个教学计划中，它也起着培养学生独立工作能力的重要作用。
大型作业不同于平时的作业，在设计中需要学生自己做出决策，即自己确定方案，选择流程，查取资料，进行过程和设备计算，并要对自己的选择做出论证和核算，经过反复的分析比较，择优选定最理想的方案和合理的设计。
所以，大型作业是培养学生独立工作能力的有益实践。
通过大型作业,学生应该注重以下几个能力的训练和培养：1. 查阅资料，选用公式和搜集数据(包括从已发表的文献中和从生产现场中搜集)的能力；2. 树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力；3. 迅速准确的进行工程计算的能力；4. 用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。
二、设计任务1、确定吸收流程；2、物料衡算，确定塔顶、塔底的气液流量和组成；3、选择填料、计算塔径、填料层高度、填料的分层、塔高的确定。
三、设计条件①、气体混合物成分：空气和氨；②、氨的含量：4.5％（体积）；③、混合气体流量：1500m3/h④、操作温度：293K；⑤、混合气体压力：101.3KPa ； ⑥、回收率：99.5%。
四、设计说明1、吸收剂的选择吸收过程是依靠气体溶质在吸收剂中的溶解程度来实现的，因此，吸收剂性能的优劣，是决定吸收剂操作效果的关键之一，选择吸收剂应着重考虑以下因素: （1）溶解度要大，以提高吸收速度并减少吸收剂的需用量。
（2）选择性要好，对溶质组分以外其他组分的溶解度要低或基本不吸收。
（3）挥发度要低，以减少吸收和再生过程中吸收剂的挥发损失。
(4)黏度，操作温度条件下应具有较低的黏度，且不易产生泡沫，以实现吸收塔内良好的气流接触状况。
（5）其他，所选用的吸收剂应尽可能满足无腐蚀性，无毒性，不易燃易爆，价廉易得及化学性质稳定等要求。
本次设计选用清水为吸收剂，氨气为吸收质，水价廉易得，且物理化学性能稳定，选择性好，符合吸收过程对吸收剂的基本要求。
且氨气不作为产品，故采用纯溶剂。
2、填料塔的选择选用散装填料，DN38mm 聚丙烯阶梯环塔填料。
该过程处理量不大，所用的塔直径不会太大，可选用38mm 聚丙烯阶梯环塔填料，其主要性能参数如下：比表面积a ：132.532/m m ；空隙率ε：0.91； 干填料因子Φ：1175-m3．流程图及流程说明该设计采用逆流方式。
该填料塔中，氨气和空气混合后，经由填料塔的下侧进入填料塔中，与从填料塔顶流下的清水逆流接触，在填料的作用下进行吸收。
经吸收后的混合气 体由塔顶排除，吸收了氨气的水由填料塔的下端流出。
（如下图所示）五、工艺计算对低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。
混合气体的黏度可近似取为空气的黏度。
空气和水的物性常数如下：空气：35/205.1)/(065.01081.1m kg h m kg s Pa =⋅=⋅⨯=-ρμ水：s Pa m kg LL ⋅⨯==-53104.100/2.998μρ 1、物料衡算①、进出塔的汽液相组成V 氨=0.045 V 总 V 空=0.955 V 总 Y1=n 氨/n 空气=0.045/0.955=0.047回收率∴查表知，20C下氨在水中的溶解度系数)/(725.03kpa m kmol H ⋅= 相平衡常数则∴进塔气相摩尔比为： 出塔气相摩尔比为：对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为：02=X (清水) ②、吸收剂用量hm q VG /15003= ∴smol q nG /60.18=s mol X mY YY q q nG nL /97.132121min=⎪⎪⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=取实际液气比为最小液气比的1.5倍，则吸收剂的用量为：sm o l q q nL nL /96.205.1min ==塔底输出液相摩尔比：2、塔径计算混合气体的密度 333/183.1293315.81046.28103.101m kg RT M P G =⨯⨯⨯⨯==-ρ水的密度采用贝恩-霍根泛点关联式计算泛点速度：s m u g a u a g u F L LG t F L LG t F /366.3004.1183.15.1322.99891.081.93304.03154.05011.0)2.998183.1()183.130191892.151(75.1204.0]lg[2.032.03281412.032=⨯⨯⨯⨯⨯==⋅-=⨯⨯⨯⨯-=⋅⋅⋅μρερμρρε取泛点率为0.5，即空塔气速s m u u F /683.1366.36.05.0=⨯==sm uV D S /5615.03600683.114.3150044=⨯⨯⨯==π圆整后取 m D 6.0=填料规格校核： 879.1538600>==d D3、填料层高度计算 查表知， 0C，101.3 kpa 下，3NH 在空气中的扩散系数s cm D /17.02=o 由23))((o o o T TP P D D G =， 则293k ，101.3kpa 下，3NH 在空气中的扩散系数为scm D D G /189.0)273293)(3.1013.101(223==o液相扩散系数s m D L /1080.129-⨯= 液体质量通量为)/(431.96766.0785.01892.15122h m kg U L ⋅=⨯⨯= 气体质量通量为)/(193.62796.0785.0183.1150022h m kg U V ⋅=⨯⨯=气相总传质单元数为：mmX Y mX Y mX Y mX Y Y Y N OG 72.122211ln)22()11(21=------=气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：})()()()(45.1exp{12.0205.0221.075.0t L L LL t L L t L L c t w a U ga U a U a a σρρμσσ⋅⋅⋅⋅⋅--=-查表知，2/427680/33h kg cm dyn c ==σ所以，1333.0})5.1329408962.998431.9676()1027.12.9985.132431.9676()6.35.132431.9676()940896427680(45.1exp{12.0205.08221.075.0=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯--=-t w a a气膜吸收系数由下式计算：)/(0899.0)293314.8103600189.05.132()360010189.0183.1065.0()065.05.1321932.6279(237.0)()()(237.0243147.0317.0kpa h m kmol RTDa D a U V t V V V v t V G ⋅⋅=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⋅⋅=--ρμμκ液膜吸收系数由下式计算：2989.1)2.9981027.16.3()36001080.12.9986.3()6.35.1322929.0431.9676(0095.0)()()(0095.031821932312132=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⋅⋅⋅⋅⋅⋅=---LL L L L L w L L g D a U ρμρμμκ查表得：45.1=ψ则ha a kpa h m kmol a a w L L w G G 1618.2645.15.1321333.02989.1)/(390.245.15.1321333.00899.04.04.031.11.1=⨯⨯⨯=⋅⋅=⋅⋅=⨯⨯⨯=⋅⋅=ψκκψκκ)/(1277.2618.26725.01390.2111113kpa h m kmol a H aa k L G G ⋅⋅=⨯+=⋅+=κκ由 m P a V a K V H G Y OG 914.08.0785.03.1011277.2895.1582=⨯⨯⨯=Ω⋅⋅=Ω⋅=κ由mN H Z OG OG 6261.1172.12914.0=⨯=⋅=设计取填料层高度为：m Z 63.11=查表：对于阶梯环填料，m h D h6,15~8max ≤=将填料层分为两段设置，每段5.815m ，两段间设置一个液体再分布器。
六、计算结果表七、主要符号说明E —亨利系数，atmG μ—气体的粘度，/Pa sm —平衡常数 ψ—水的密度和液体的密度之比g —重力加速度，2/m s ,G L ρρ—分别为气体和液体的密度，3/kg m,G LW W —分别为气体和液体的质量流量，/kg sY K a—气相总体积传质系数，()3/kmol m s ⋅Z —填料层高度，m Ω—塔截面积，24D πΩ=OG H —气相总传质单元高度，mOGN —气相总传质单元数GK —以分压差表示推动力的总传质系数，()2/kmol m s kPa ⋅⋅八、总结本次设计的填料塔结构简单；适应性强，填料可根据净化要求增减设备；气流阻力小，能耗低，气液接触好。