1、本科毕业论文（20 届）日处理 10000 吨冷海水吸收塔的设计所在学院 专业班级 化学工程与工艺 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科生毕业论文目 录中文摘要 .I英文摘要 .II1. 前言 .11.1 设计背景 .11.2 热法海水淡化方法分析 .11.2.1 多级闪蒸(MSF) .11.2.2 多效闪蒸(MED) .11.2.3 多级闪蒸（MSF）和多效闪蒸（MED）的比较 .21.3 填料塔直接换热 .21.4 填料塔的流体力学性能 .31.5 总结 .42填料塔设计 .52.1 填料塔的计算方法 .52.2 填料的类型 .62.3 填料塔设计 .72.3.1 设计方
2、案的确定 .72.3.2 填料塔高度和塔径的计算 .82.3.3 填料塔附属结构的设计 .102.4 装置图 .113.设计改进 .123.1 超重力技术 .123.2 旋转床工作原理 .123.3 设计改进 .133.4 填料塔和旋转床的比较 .164.结论 .175.符号说明表 .18参 考 文 献 .19致 谢 .20本科生毕业论文I日处理 10000 吨冷海水吸收塔的设计摘要 冷海水吸收塔的设计，是用热法海水淡化过程的一个组成部分。热法的最主要的一个问题就是热量的回收利用，本文就是针对这个问题，利用吸收塔对海水淡化的热量回收进行计算，研究塔高度和热效率的关系。本文通过焓差法计算填料层高
3、度，在填料塔中取一微元高度，对微元高度内的气体和液体进行传热和传质分析，再进行积分，就能计算出填料塔的高度和直径。本文通过对高度为 1 米，直径为 85 毫米的填料塔进行试验，测出计算时所需的填料塔的传质和传热系数，然后再根据测得的数据进行放大设计，实验中选用的填料为QH-1 扁环形填料，此填料具有较好的传质性能。并且对填料塔的附件也进行了选取，如液体分布器，再分布器，支承板等进行了选型。根据实验计算出来的填料塔高度并不理想，所需的填料塔高度较高，所需的换热成本太高，并不合算。在本文最后，设计旋转床对海水淡化过程进行改进，再通过填料塔与旋转床的比较得出旋转床的传质和传热效果比填料塔的要好。我们
4、今后的实验也将采用旋转床作为换热装置。关键词： 填料；塔高；传热效率；传质效率；旋转床本科生毕业论文IIThe design of the absorption tower with 10000 tons cold water processing per dayAbstract The issue of the design is dealing with 10,000 tons of cold water at the absorber design is the use of a thermal desalination applications. It is a application
5、 of the thermal. The major problem of thermal is the heat recycling. To address this problem, this article calculate the heat recovery of the seawater desalination with the column tower, and study the relationship of the thermal efficiency of the tower and its height. It calculated the height of the
6、 packing layer by enthalpy difference method. Take a microelement height in the packed column, and analyzed its heat and mass transfer of the liquid and gas, than integration, and we can calculate the height and the diameter of the packed tower. With the enthalpy difference method, we need to know t
7、he volume heat transfer coefficient and the volume mass transfer coefficients, so we make a experiment which used a packed tower with the height by 1m and the diameter by 85mm, measured the mass and heat transfer coefficient, than zoomed in design. The annex of the packed tower are also very importa
8、nt, the liquid sub-distributor , distributor again, bearing plates, etc. will affect the heat transfer efficiency of the packed column.Because of the data of the height is unpredicted, the height of the packed column is too high, the cost of the packed column is very high, and it is not worthwhile t
9、o build it. So we improve the device, choose the copper plate to be a device. In the text, we simulated it simply, and compare the difference between the packed tower and the copper plate. Key words： filler the height of the tower heat; transfer coefficient; transfer Coefficient rotating bed 本科生毕业论文
10、11. 前言1.1 设计背景21 世纪, 水资源问题已经成为困扰世界各国社会发展和经济的一个最主要的制约因素。目前世界大约有 80 多个国家和地区严重缺水, 占了地球陆地面积的 60%, 20 亿人得不到安全的用水,有 15 亿人缺少饮用水。虽然地球上 70.8%的面积被水覆盖, 但其中 97.5%的水是海水, 不能被直接利用, 而在其余的 2.5%淡水中, 可被利用的淡水资源仅仅占地球总水量的0.26%。到现在为止常用的缺水解决方案有地下取水、远程调水、建造水库等, 但是长期使用这些方法造成了水资源枯竭、地面下沉、破坏生态、浪费土地等许多弊端, 而且都属于淡水存量的调整, 不能从根本上解决淡
11、水危机。还有雨水的收集与利用、废水的回用和加强水资源的立法管理等措施也可以缓解部分地区的淡水短缺问题。然而,海水淡化作为一种开辟新水源的相对比较成熟的技术, 已经成为世界上公认的解决缺水的问题的最佳方案 1。1.2 热法海水淡化方法分析用填料塔作为换热器处理冷海水是热法海水淡化的一种应用。热法海水淡化技术非常多, 最常见的蒸馏方法有多效蒸馏、多级闪蒸和蒸汽压缩等一系列技术 2。1.2.1 多级闪蒸(MSF)多级闪蒸是一个利用闪蒸原理对海水进行淡化的工艺过程，于20世纪60年代初成熟，是现在最常用的海水淡化技术的一种，多级闪蒸海水淡化技术的原理是将原来的海水加热到一定温度后引入到闪蒸室中, 由于
12、闪蒸室中的压力比进入的海水的饱和蒸汽压低，所以热海水进入到闪蒸室后马上就有部分汽化,变成淡水, 而海水本身的温度也随着汽化而下降 ,汽化部分就是我们所需要的淡水了 3。多级闪蒸就是根据这个原理,设计了多个闪蒸室,每个闪蒸室的压力都比前一个低,这样海水依次通过这几个闪蒸室,在每个闪蒸室中都有部分海水气化形成淡水,这样就可以使汽化的淡水增加 4。1.2.2 多效闪蒸(MED)多效闪蒸的原理是：在第一效反应中，海水由蒸发器上面的喷嘴在管束的外表面喷淋而出。盐水从一排管子向更低一排的管子落下，在每一根管子上都形成降膜。加热的蒸汽通过管内的时候，温度稍微高一点的蒸汽在管内凝结，而盐水就在管外蒸发形成二次
13、蒸汽 5。前一个蒸发器蒸发的蒸汽作为下一个蒸发器的热源，并凝结成淡水，以此类推，蒸发和凝结过程重复进行。在多效闪蒸过程中，蒸发器按照系列式进行布置，以确保热水蒸发侧的压力可以成功地维持在一个较低的值。在一个蒸发器中凝结蒸汽成倍的增加，是多效蒸发过程的标本科生毕业论文2志 6。1.2.3 多级闪蒸（MSF）和多效闪蒸（MED）的比较多级闪蒸技术已经非常成熟，单台规模较大，使用寿命较长，出水品质较好，换热效率较高；但是投资规模较大，比较适合严重缺水的地区应用，和电厂联合成水电联产会更具有竞争优势。多效闪蒸的运行较稳定可靠，维护费用也较低廉，耗电量较小，淡化水水质较高，适用于电厂水电联产；但是单台规
14、模较小，投资较大 7。目前热法海水淡化制取的淡水成本还较高，其中能源和设备的成本是最关键的。目前淡化能力投资成本（以单位水量计）一般低于7000元/吨。运行成本方面，蒸馏法主要有蒸汽费用、电力费用等。由于成本过高，所以需要采取组合技术降低成本。用热法进行海水淡化关键是热量的利用率，所以设计一个好的换热器是解决海水淡化问题一条出路。1.3 填料塔直接换热常见的换热器有直接接触式、蓄热式、间壁式三种。蓄热式和间壁式是间接换热,直接接触与间接接触相比,具有腐蚀较小、没有结垢、换热效率较高、传热温差较小等优点, 它已经在海水淡化、地热利用、空调等方面得到了广泛的应用, 目前随着直接接触式换热在蓄冷方面
15、应用研究的深入, 这种较新型的换热方式必定会在蓄冷方面得到广泛的应用, 目前直接接触换热最大的两个障碍就是两种工质的分离和润滑油的分离 8。直接接触式换热器是一种两种流体通过直接混合实现热量交换的换热器。在工艺上，在 允许气液两种流体互相混合的情况下，这是一种比较方便和有效的方法，而且它的结构比较简单。所以选择直接接触式换热比较适合。本实验就是利用空气和冷海水直接混合进行换热。填料塔是直接接触换热的一种常见的应用。填料塔最早出现在十九世纪中期，1881 年被应用于精馏操作。填料塔的塔体横截面形状有圆形，矩形和多边形等等，但是绝大部分都是圆形的。塔体的材料种类也很多，有碳钢，聚氯乙烯，不锈钢，玻
16、璃钢等等。塔内堆积着填料。填料的种类也很多，用来制造填料的材料有碳钢、陶瓷、不锈钢、聚丙烯等。由于填料和塔体的取材面很广，所以很容易解决物料腐蚀的问题。填料在填料塔操作中起着非常重要的作用。液体润湿的填料表面使气液接触面积大大增加，填料层的多孔性不仅仅促使气流均匀的分布，而且促进了气相的湍动程度。直接接触式换热是一个两种介质直接接触进行换热的过程, 两种介质可以是相同的, 也可以是不同的 9。利用水和空气进行热质交换来实现蒸发冷却技术和冷却干燥技术在很多领域都得到应用。特别是最近年几年随着环境保护和节能要求的不断提高, 这种冷却技术也越来越受到重视并且有快速发展的势头 10。事实上直接接触式换
17、热很早就已经应用在我们的生产、生活的许多方面了, 比如冷却塔、分馏、海水淡化等等, 并且参加换热的两种介质可以是固体、液体或者是气体。和表面式热交换器相比较, 直接接触式换热器具有较多的优点, 但是也存在一些比较明显的缺点，例如如由于两种介质是直接接触的, 就要求它们互不相溶, 否则就会引起污染, 另外也要求两种介质处于相同的压力下, 这可能会导致投资的增加。而本设计的条件都符合本科生毕业论文3直接接触的要求,本设计的直接换热效果比间接换热效果好。直接换热的过程其实就是增湿减湿的过程。天津大学化工学院丁涛、王世昌等人就利用直接热藕合增湿-去湿海水淡化过程进行了数值模拟。直接热耦合增湿- 去湿海
18、水淡化能够利用太阳能等低位热能，特别适合应用于缺水岛屿和内陆偏远地区。直接热耦合增湿- 去湿海水淡化装置与竖管降膜蒸发器比较类似，常常采用管壳式的装置结构，壳程作为冷凝侧，管程作为蒸发侧。经过加热的海水沿着管束向下流动，流动过程中海水呈现膜状，并且是沿着管内壁向下流动的，而常温下的空气是从管束的底端进入到管束内，从下向上和海水进行逆流接触并且换热。空气带着从海水中蒸发出来的蒸汽从管束的顶端流出后,被引入到淡化柱的壳程中,蒸汽从上相下流动,在这个过程中,由于温度的逐渐降低，空气中所携带的蒸汽就被冷凝成淡水。在这同时冷凝热就通过管壁传递到蒸发侧，以增加海水蒸发所需的热量。在空气从管程流向壳程的过程
19、中，常常会加入一定量的蒸汽，用来提高冷凝侧的温度，从而使管壁两侧出现温差。这就是TCHD过程热-质传递的数学模型。这篇文章在热-质传递的数学模型上发展了非饱和条件下数学模型，结合实验数据建立了增湿-去湿过程蒸发侧的气液相之间传热系数和冷凝侧和蒸发侧之间总传热系数的关联式，并且通过数值模拟研究了TCHD海水淡化柱内的温度、湿度、不凝气含量与总传热系数的分布情况，并且讨论了海水顶部温度变化对不凝气含量、湿度和总传热系数的影响。从模型中可以看出，提高海水的顶部温度，对海水的增湿和去湿过程都是有利的 11。填料塔的传热系数和传质系数是影响换热的最主要原因。在气体和液体直接接触的增湿和减湿过程中, 在两
20、相界面的附近,气相和液相之间的热量和质量的传递同时发生。当液相是水时, 传热和传质阻力都集中在气膜里; 在相界面上, 气相和液相之间不存在温度差并且达到气液平衡时, 一般可以认为，相界面上的温度和液相水的主体温度相近似, 相界面上的湿含量为该温度下水的饱和湿含量 12。传质计算的方法是根据相对应的流体力学中得出的，压降的提高、持液量等预测精度的提高,都可以使传质模型更加精确。传质性能计算的准确性和有效比表面积的准确预测存在直接的关系。因为传质性能和气液相分布均匀程度、材质润湿程度、填料比表面积的凹凸程度、填料的形状和几何尺寸、气液两相的物性参数、填料塔的操作条件等等很多因素有关, 有效比表面积
21、的计算非常复杂, 它没有绝对的公式，不能按照公式进行计算，没有纯粹的理论模型，只能根据实验总结出来，只能根据经验值取出来，而要得到经验值，就要做大量的实验，并且要在不同的操作情况下进行试验，试验数量非常的庞大，所以比表面积的精确度到目前还是比较不精确的。填料塔内的传质效率好坏还和填料塔中气液分布的均匀程度密切相关。当填料塔内喷淋密度过小的时候, 填料的表面不能被充分润湿，使得有效的比表面积减少，影响传质效果，使传质效率降低，所以填料塔不仅仅存上限, 还存在下限, 而填料塔气液的上限和下限在不同的操作条件下也是不同的。在填料塔的设计中必须把这一点也考虑进去，不能留太大的余量, 太大的余量可能会降
22、低填料塔的传质效率。在填料塔内，影响气液分布的塔附件有液体分布器、液体再分布器和液体收集器等, 他们对填料塔的传质性能起到了不小的作用。1.4 填料塔的流体力学性能填料塔的流体力学性能主要包括填料层的持液量、填料层的压降、液泛、填料层表面的润湿及返混等。本科生毕业论文4持液量是指在一定操作条件下，在单位体积填料层内所积存的液体体积，用（m 3液体）/（m 3填料）表示。填料层的持液量在一定范围里,对填料塔操作的稳定性和传质是有利的，这样可以使气液两相在填料塔内的接触时间延长，气液两相在填料中可以进行充分换热。而当液体流量太大时，液体向下流动就不受气流的影响，填料表面覆盖的液膜厚度基本保持不变，
23、从而填料层的持液量不变。当持液量太大，就会减少填料之间的空隙和气相流通截面，使压力降增大，处理能力下降。压力降增大，对设备的要求也会随之升高。而当气速增大到一定程度后，气体就会对液膜流动产生阻滞作用，使液膜厚度增大，填料层的持液量随着气速的增加而增大，这个就是拦液现象。在泛点气速下，持液量的增多使液相由分散相变为连续相，而气相就由连续相变为分散相，这时气体就呈气泡形式通过液层，气流出现脉动，由于气体流速过快，带着液体往上流动，液体就被气体带出填料塔，这使得填料塔的操作变得很不稳定，甚至有可能破坏填料塔。填料塔中两相之间的传质过程是在不断更新的液膜上完成的，而液膜的形成主要是取决于气液比，要形成
24、良好的液膜，就必须使填料得到充分的润湿，液膜的好坏与喷淋密度和液体分布器有关，液体分布器的喷淋密度越大，喷淋效果则越好。如果喷淋密度过小，就会导致液体不能充分分散开来，从而形成大股的液流，液流沿着填料往下流动，使气液两相的接触面积减小。而且经过液体分布器的喷淋，液体往下流动了一段距离后，就可能会沿着填料塔的壁面直接往下流动，从而产生了壁面效应。这样就大大降低了换热的效果。所以到了一定的高度后，最好设计再分布器，使液体再次均匀分布开来。在填料塔中，气液两相的流动并不是理想的逆流，气液两相在流动过程中还存在返混现象。返混出现的原因非常多，有气液分布不够均匀，气液产生沟流现象，大部分的液体沿着壁面向
25、下流动等。返混现象的出现，会使填料塔的传质性能降低，传质效果变差，从而传热效果也会随之变差。1.5 总结21世纪困扰世界各地经济发展的一个重要因素就是淡水危机。和其他各种有实效的方案相比, 海水淡化是一种最好的解决方式。以前我们所用的海水淡化方法主要包括蒸馏法和膜法,但是效果并不是很好。所以我们必须创造出新的海水淡化方法，而这种方法就是传统的海水淡化方法和新能源技术相结合。在世界上, 海水淡化已具有比较明显的优势, 但是国内却由于水价太低, 海水淡化成本又相对较高。所以海水淡化是未来发展的一个趋势。而用填料塔对海水传质传热也是海水淡化的一种，是热法海水淡化的一种应用。根据设计工艺设计填料塔，响
26、填料塔的传热传质系数，传热传质系数又影响了整个塔的换热效率，塔的高度不够高，换热效果就不好，最关键的就是塔高的计算，填料塔的填料类型影塔的高度太高，塔的造价太高，就不合算。所以合理的塔高是设计填料塔的关键。所以本设计的目的就是设计合理填料塔处理使处理的海水最大化。本科生毕业论文52填料塔设计设计填料塔的原理是：空气和水在填料塔中进行逆流直接接触换热，热量从高温液体侧传向低温气体侧，由于进塔空气处于不饱和状态，空气进塔时传质过程是由液体传向气体，由于液体向下流动，而气体向上流动，在填料中接触，这样大大增加了气液两相的接触面积，在这个过程中，液体的热量传递给了气体，使气体温度和湿度都明显增加，从而
27、进行换热。 气体出口温度就明显增加,而增加的热量就是水蒸气所带的热量。由于计算所需的传质速率和传热速率未知，所以进行了实验。实验用高度为1000mm，直径为85mm的填料塔测量出不同气液流量下气液进出口温度和气体出口湿度。然后对数据进行处理，得出随着气液流量的增加，气相传质系数和传热系数都增加。2.1 填料塔的计算方法一般填料塔的高度计算方法有传质单元数法和等板高度法。传质单元数计算方法是将传质单元高度和传质单元数相乘就是填料塔高度，用等板高度法计算 Z=HETP*NT。两种方法的都是根据两种不同组分在气液两相中的分率不同来计算的，而用填料塔进行海水淡化换热时，因为两个组分的都是水，是空气中和
28、水在填料塔中进行质量和热热量的传递的过程，此过程和空调的制冷原理相似。用焓差法 12来计算在填料塔内换热的热效率，并计算塔高度。利用填料塔使高温空气和海水在塔内进行直接接触换热,其目的是为了提高燃气热水装置的热效率,填料塔的换热效率则对热水装置的整体热效率水平起决定作用。在如图1 所示的逆流填料塔内,取一微元塔高dz ,微元高度内的传递现象包括热量和质量传递。从气相主体到气液相界面的传热速率：GCHdtg = ag ( tg - ti ) dz （1）从气液相界面至气相主体的传质速率为：- GdH = kH ( Hi - H) dz （2）图 2.1 工作原理图本科生毕业论文6从气液相界面至到
29、液相主体的传热速率:LCL dtL = aL ( ti - tL ) dz （3）根据能量守恒定律可知，气体热量的增加应该等于液体热量的较少，则在微元高度内的热量平衡关系为：GdI = d (LCL dtL ) （4）假设液体的比热是常数,填料塔内蒸发或者冷凝的液量小于入塔的液量,则(4)可以简化为:GdI = CLLdtL （5）根据湿气体焓值的定义,空气的焓可以表示为温度和湿度的关系:I = CHtg + r0 H （6）所以,在微元塔高dz中，空气的焓变可以表示为：dI = CHdtg + r0 dH （7）利用式(1) 、(2)和(7)，并且代入Le数：Le=a g/KHCH,可以得到
30、：GdI = kH ( Ii - I) + (Le - 1) CH ( ti - tg ) dz (8)(9)1iLLi LaaIt et式(9)代表气液相界面焓与温度的关系,对于空气与水接触的系统,通常Le可以近似等于1，因此,式(8)和(9)可以分别简化为:GdI = kH ( Ii - I) dz (10)(11)iLLat式(10)和(11)就是焓差法计算空气和水直接接触换热的填料塔高度的基本式子。为了计算填料塔的高度,将式(10)积分:(12)inItIHGdzNkHI 传递单元高度,米:N I 传递单元数。2.2 填料的类型填料可分规整填料和散堆填料。常见的填料有垃西环、鲍尔环、阶
31、梯环、狐鞍型、矩鞍型、环矩鞍、球型、波纹填料、脉冲填料。垃西环结构简单，制造容易，但堆积时相邻环间易形成线接触，填料层的均匀性差，因而存在严重的向壁偏流和沟流现象，致使传质效率低 13。而且流动阻力大，操作范围小。鲍尔环使填料层内气、液分布性能大为改善，尤其是环的内表面得到充分利用。与同样的拉西环相比，鲍尔环的气液通量可提高50%，而压降仅为其一半，分离效果也得到提高。阶梯环是在鲍尔环基础上改造得出的。环壁上开有窗孔，其高度为直径的一半。由于高径比的减少，使得气体绕填料外壁的平均路径大为缩短，减少了阻力。喇叭口一边，不仅增加机械强度，而且使填料之间为接触点，有利于液膜的汇集与更新，提高了传质效率。是目
