最終版_化工原理課程設(shè)計(水吸收氨填料吸收塔設(shè)計

1、水吸收氨課程設(shè)計目 錄第一節(jié)前言51.1填料塔的主體結(jié)構(gòu)與特點51.2填料塔的設(shè)計任務(wù)及步驟51.3填料塔設(shè)計條件及操作條件5第二節(jié) 填料塔主體設(shè)計方案的確定62.1裝置流程的確定62.2 吸收劑的選擇62.3填料的類型與選擇62.3.1 填料種類的選擇62.3.2 填料規(guī)格的選擇62.3.3 填料材質(zhì)的選擇72.4 基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)72.4.1 液相物性數(shù)據(jù)72.4.2 氣相物性數(shù)據(jù)72.4.3 氣液相平衡數(shù)據(jù)82.4.4 物料橫算8第三節(jié) 填料塔工藝尺寸的計算93.1 塔徑的計算93.2 填料層高度的計算及分段103.2.1 傳質(zhì)單元數(shù)的計算103.2.3 填料層的分段123.3 填料層壓降的

2、計算12第四節(jié)填料塔內(nèi)件的類型及設(shè)計134.1 塔內(nèi)件類型134.2 塔內(nèi)件的設(shè)計134.2.1 液體分布器設(shè)計的基本要求：134.2.2 液體分布器布液能力的計算13注：141填料塔設(shè)計結(jié)果一覽表142 填料塔設(shè)計數(shù)據(jù)一覽143 參考文獻(xiàn)164 后記及其他16附件一：塔設(shè)備流程圖17附件二：塔設(shè)備設(shè)計圖17化工學(xué)院關(guān)于專業(yè)課程設(shè)計的有關(guān)要求（草案）專業(yè)課程設(shè)計是學(xué)生學(xué)完專業(yè)基礎(chǔ)課及專業(yè)課之后，進一步學(xué)習(xí)工程設(shè)計的基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)學(xué)生工程設(shè)計能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)，也是學(xué)生綜合運用相關(guān)課程知識，聯(lián)系生產(chǎn)實際，完成以單元操作為主的一次工程設(shè)計的實踐。為了加強我院本科學(xué)生專業(yè)課程設(shè)計這一重要實踐教學(xué)環(huán)節(jié)

3、的規(guī)范化管理，保證專業(yè)課程設(shè)計工作有序進行及教學(xué)質(zhì)量，特制定專業(yè)課程設(shè)計的有關(guān)要求并請遵照執(zhí)行。一、選題要求選題應(yīng)以單元操作的典型設(shè)備為對象，進行單元操作過程中相關(guān)的設(shè)備與工藝設(shè)計，盡量從科研和生產(chǎn)實際中選題。為了保證專業(yè)課程設(shè)計的質(zhì)量和工作量，選題要求1人1題。二、設(shè)計說明書文本要求(一)、字?jǐn)?shù)要求：2000字以上(二)、打印要求：用A4紙打?。蛔筮吘?厘米、右邊距2厘米、上邊距3厘米、下邊距2.5厘米；行距20磅；頁碼居中字體、字號要求（包括裝訂順序）：1、封面由學(xué)院統(tǒng)一制定格式2、設(shè)計任務(wù)書3、目錄 （宋體、4號），其余（宋體、小4號）4、正文（宋體、小4號字）、一級標(biāo)題（宋體、3號字、

4、加粗）、二級標(biāo)題（宋體、4號字、加粗）正文內(nèi)容主要包括：概述與設(shè)計方案簡介；設(shè)計條件及主要物性參數(shù)表；工藝設(shè)計計算（內(nèi)容較多，應(yīng)根據(jù)設(shè)計計算篇幅適當(dāng)劃分為若干小節(jié)，使之條理清晰）；輔助設(shè)備的計算及選型；設(shè)計結(jié)果匯總表（物料衡算表，設(shè)備操作條件及結(jié)構(gòu)尺寸一覽表）；設(shè)計評述（設(shè)計的評價及學(xué)習(xí)體會）。5、參考文獻(xiàn)（宋體、5號字）6、附錄：設(shè)計圖紙（工藝流程圖與主體設(shè)備裝配圖）三、考核方式及成績評定專業(yè)課程設(shè)計的考核與成績評定由指導(dǎo)教師進行?？己藘?nèi)容：考勤、計算草稿或筆記、說明書和圖紙的質(zhì)量，獨立完成設(shè)計情況?；W(xué)院二一年十二月一日第一節(jié) 前言1.1 填料塔的主體結(jié)構(gòu)與特點結(jié)構(gòu)：圖1-1 填料塔結(jié)構(gòu)

5、圖填料塔不但結(jié)構(gòu)簡單，且流體通過填料層的壓降較小，易于用耐腐蝕材料制造，所以她特別適用于處理量肖，有腐蝕性的物料及要求壓降小的場合。液體自塔頂經(jīng)液體分布器噴灑于填料頂部，并在填料的表面呈膜狀流下，氣體從塔底的氣體口送入，流過填料的空隙，在填料層中與液體逆流接觸進行傳質(zhì)。因氣液兩相組成沿塔高連續(xù)變化，所以填料塔屬連續(xù)接觸式的氣液傳質(zhì)設(shè)備。1.2 填料塔的設(shè)計任務(wù)及步驟設(shè)計任務(wù)：用水吸收空氣中混有的氨氣。 設(shè)計步驟：（1）根據(jù)設(shè)計任務(wù)和工藝要求，確定設(shè)計方案;（2）針對物系及分離要求，選擇適宜填料；（3）確定塔徑、填料層高度等工藝尺寸（考慮噴淋密度）；（4）計算塔高、及填料層的壓降；（5）塔內(nèi)件設(shè)

6、計。1.3 填料塔設(shè)計條件及操作條件1. 氣體混合物成分：空氣和氨2. 空氣中氨的含量: 5.0% （體積含量即為摩爾含量）3. 混合氣體流量6000m3/h4. 操作溫度293K5. 混合氣體壓力101.3KPa6. 回收率99 %7. 采用清水為吸收劑8. 填料類型：采用聚丙烯鮑爾環(huán)填料第二節(jié) 精餾塔主體設(shè)計方案的確定2.1 裝置流程的確定本次設(shè)計采用逆流操作：氣相自塔低進入由塔頂排出，液相自塔頂進入由塔底排出，即逆流操作。逆流操作的特點是：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。工業(yè)生產(chǎn)中多采用逆流操作。2.2 吸收劑的選擇因為用水做吸收劑，故采用純?nèi)軇?-1 工業(yè)常

7、用吸收劑溶質(zhì) 溶劑溶質(zhì)溶劑氨水、硫酸丙酮蒸汽水氯化氫水二氧化碳水、堿液二氧化硫水硫化氫堿液、有機溶劑苯蒸汽煤油、洗油一氧化碳銅氨液2.3填料的類型與選擇填料的種類很多，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。2.3.1 填料種類的選擇本次采用散裝填料。散裝填料根據(jù)結(jié)構(gòu)特點不同，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。鮑爾環(huán)是目前應(yīng)用較廣的填料之一，本次選用鮑爾環(huán)。2.3.2 填料規(guī)格的選擇工業(yè)塔常用的散裝填料主要有Dn16Dn25Dn38 Dn76等幾種規(guī)格。同類填料，尺寸越小，分離效率越高，但阻力增加，通量減小，填料費用也增加很多。而大尺寸的填料應(yīng)用于小直徑塔中，又會

8、產(chǎn)生液體分布不良及嚴(yán)重的壁流，使塔的分離效率降低。因此，對塔徑與填料尺寸的比值要有一規(guī)定。常用填料的塔徑與填料公稱直徑比值D/d的推薦值列于。表3-1填料種類D/d的推薦值拉西環(huán)D/d2030鞍環(huán)D/d15鮑爾環(huán)D/d1015階梯環(huán)D/d8環(huán)矩鞍D/d82.3.3 填料材質(zhì)的選擇工業(yè)上，填料的材質(zhì)分為陶瓷、金屬和塑料三大類聚丙烯填料在低溫（低于0度）時具有冷脆性，在低于0度的條件下使用要慎重，可選耐低溫性能良好的聚氯乙烯填料。綜合以上：選擇塑料鮑爾環(huán)散裝填料 Dn502.4 基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)2.4.1 液相物性數(shù)據(jù)對低濃度吸收過程，溶液的物性數(shù)據(jù)可近似取純水的物性數(shù)據(jù)。由手冊查得 20 水的有關(guān)物

9、性數(shù)據(jù)如下：1. 2. 3. 表面張力為:4. 5. 6. 2.4.2 氣相物性數(shù)據(jù)1. 混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為 (2-1)2. 混合氣體的平均密度由 (2-2)R=8.314 3. 混合氣體黏度可近似取為空氣黏度。查手冊得20時，空氣的黏度注： 1 1Pa.s=1kg/m.s2.4.3 氣液相平衡數(shù)據(jù)由手冊查得，常壓下，20時，NH在水中的亨利系數(shù)為 E=76.3kpa在水中的溶解度: H=0.725kmol/m相平衡常數(shù)： (2-3) 溶解度系數(shù): (2-4) 2.4.4 物料橫算1. 進塔氣相摩爾比為 (2-5) 2. 出他氣相摩爾比為 (2-6) 3. 進塔惰性氣體流量: (2-7)

10、 因為該吸收過程為低濃度吸收，平衡關(guān)系為直線，最小液氣比按下式計算。即： (2-8)因為是純?nèi)軇┪者^程，進塔液相組成所以 選擇操作液氣比為 （2-9）L=1.234.599=297.kmol/h因為V(Y1-Y2)=L(X1-X2) X1第三節(jié) 填料塔工藝尺寸的計算填料塔工藝尺寸的計算包括塔徑的計算、填料能高度的計算及分段3.1 塔徑的計算1. 空塔氣速的確定泛點氣速法對于散裝填料，其泛點率的經(jīng)驗值u/u=0.50.85貝恩（Bain）霍根（Hougen）關(guān)聯(lián)式 ，即：=A-K （3-1）即： 所以：/9.81（100/0.917）（1.1836/998.2）=0. UF=3.m/s其中：泛

11、點氣速，m/s;g 重力加速度，9.81m/sWL=5358.89572/h WV=7056.6kg/hA=0.0942； K=1.75；取u=0.7 =2.78220m/s （3-2） 圓整塔徑后 D=0.8m1. 泛點速率校核： m/s 則在允許范圍內(nèi)2. 根據(jù)填料規(guī)格校核：D/d=800/50=16根據(jù)表3-1符合3. 液體噴淋密度的校核：(1) 填料塔的液體噴淋密度是指單位時間、單位塔截面上液體的噴淋量。(2) 最小潤濕速率是指在塔的截面上，單位長度的填料周邊的最小液體體積流量。對于直徑不超過75mm的散裝填料，可取最小潤濕速率。 （3-3） （3-4）經(jīng)過以上校驗，填料塔直徑設(shè)計為D

12、=800mm 合理。3.2 填料層高度的計算及分段 （3-5） （3-6） 3.2.1 傳質(zhì)單元數(shù)的計算用對數(shù)平均推動力法求傳質(zhì)單元數(shù) （3-7） （3-8） = =0.3.2.2 質(zhì)單元高度的計算氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計算： （3-9）即：w/t =0.液體質(zhì)量通量為： =WL/0.7850.80.8=10666.5918kg/(h)氣體質(zhì)量通量為： =600001.1761/0.64=14045.78025kg/(h)氣膜吸收系數(shù)由下式計算： （3-10） =0.237(14045.78025100.622810-5)0.7(0.062280.0811.1761)0.3(1

13、000.0818.314293)=0.kmol/(h kpa)液膜吸收數(shù)據(jù)由下式計算： (3-11）=0.m/h因為0.152150.37401.451.1100 （3-12）=8.kmol/(m3 h kpa) =0.566131000.374041.450.4 （3-13） =24.56912/h因為： =0.8346所以需要用以下式進行校正： （3-14） =19.5(0.699990.5)1.4 8.56502=17. kmol/(m3 h kpa) （3-15） =1 2.6 (0.69990.5)2.2 24.=26.42106/h （3-16） =1(117.1358+10.72

14、526.4210) =9. kmol/(m3 h kpa) （3-17） =234.5999.03847101.30.7850.64=0. m （3-18）=0.9.=4.m,得 =1.44.501=6.30m3.2.3 填料層的分段對于鮑爾環(huán)散裝填料的分段高度推薦值為h/D=510。h=580010800=48 m計算得填料層高度為7000mm，故不需分段3.3 填料層壓降的計算取 Eckert (通用壓降關(guān)聯(lián)圖)；將操作氣速(2.8886m/s) 代替縱坐標(biāo)中的查表，DG50mm塑料鮑爾環(huán)的壓降填料因子125代替縱坐標(biāo)中的則縱標(biāo)值為：=0.1652 (3-19) 橫坐標(biāo)為： =0.0260

15、6 (3-20)查圖得 981Pa/m (3-21)全塔填料層壓降 =9817=6867 Pa至此，吸收塔的物科衡算、塔徑、填料層高度及填料層壓降均已算出。第四節(jié) 填料塔內(nèi)件的類型及設(shè)計4.1 塔內(nèi)件類型填料塔的內(nèi)件主要有填料支撐裝置、填料壓緊裝置、液體分布裝置、液體收集再分布裝置等。合理的選擇和設(shè)計塔內(nèi)件，對保證填料塔的正常操作及優(yōu)良的傳質(zhì)性能十分重要。4.2 塔內(nèi)件的設(shè)計 4.2.1 液體分布器設(shè)計的基本要求： （1）液體分布均勻 （2）操作彈性大 （3）自由截面積大（4）其他4.2.2 液體分布器布液能力的計算 （1）重力型液體分布器布液能力計算 （2）壓力型液體分布器布液能力計算注：(

16、1)本設(shè)計任務(wù)液相負(fù)荷不大，可選用排管式液體分布器；且填料層不高，可不設(shè)液體再分布器。 (2)塔徑及液體負(fù)荷不大，可采用較簡單的柵板型支承板及壓板。其它塔附件及氣液出口裝置計算與選擇此處從略。 注：1填料塔設(shè)計結(jié)果一覽表塔徑0.8m填料層高度7m 填料規(guī)格50mm鮑爾環(huán)操作液氣比1. 1.7倍最小液氣比校正液體流速2.78220/s壓降6867 Pa惰性氣體流量234.599kmol/h2 填料塔設(shè)計數(shù)據(jù)一覽E亨利系數(shù)， 氣體的粘度，1.73=6228 平衡常數(shù) 0.7532 水的密度和液體的密度之比 1 重力加速度， 9.81 =1.27 分別為氣體和液體的密度，1.1836；998.2；

17、=5358.89572/h =7056.6kg/h分別為氣體和液體的質(zhì)量流量氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)， 填料層高度， 塔截面積，氣相總傳質(zhì)單元高度， 氣相總傳質(zhì)單元數(shù)以分壓差表示推動力的總傳質(zhì)系數(shù)，單位體積填料的潤濕面積 100 91.7%以分壓差表示推動力的氣膜傳質(zhì)系數(shù)，溶解度系數(shù)，0.725以摩爾濃度差表示推動力的液摩爾傳質(zhì)系數(shù)，氣體常數(shù)，氨氣在空氣中中的擴散系數(shù)及氨氣在水中的擴散系數(shù); 液體質(zhì)量通量為： =WL/0.7850.80.8=10666.5918kg/(h)氣體質(zhì)量通量為： =600001.1761/0.64=14045.78025kg/(h)3 參考文獻(xiàn)1 夏清.化工原理（下）M. 天津:天津大學(xué)出版社, 2005.2 賈紹義,柴誠敬. 化工原理課程設(shè)計M. 天津:天津大學(xué)出版社, 2002.3 華南理工大學(xué)化工原理教研室著化工過程及設(shè)備設(shè)計M廣州: 華南理工大學(xué)出版社, 1986.4