化工原理課程設(shè)計(jì)--填料吸收塔的設(shè)計(jì)

1、<p>　　《化工原理》課程設(shè)計(jì)</p><p><b>　　填料吸收塔的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　學(xué) 院 </p><p>　　專(zhuān) 業(yè) 制藥工程 </p><p>　　班 級(jí)

2、 </p><p>　　姓 名 </p><p>　　學(xué) 號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　2012年11月25日</p><p>　　1.水吸收氨氣填料

3、塔工藝設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介</p><p><b>　　任務(wù)及操作條件</b></p><p>　?、倩旌蠚?空氣、NH3 )處理量： 1000；</p><p>　?、谶M(jìn)塔混合氣含NH3 7% (體積分?jǐn)?shù))；溫度:20℃；</p><p>　　③進(jìn)塔吸收劑(清水)的溫度:20℃；</p><p>　　

4、④ NH3回收率：96%；</p><p>　?、莶僮鲏毫槌?01.3k Pa。</p><p><b>　　1設(shè)計(jì)方案的確定</b></p><p>　　用水吸收氨氣屬于等溶解度的吸收過(guò)程，為提高傳質(zhì)效率，選用逆流吸收過(guò)程。因用水做座位吸收劑，且氨氣不作為產(chǎn)品，股采用純?nèi)軇?lt;/p><p>　　該填料塔中，氨氣和

5、空氣混合后，經(jīng)由填料塔的下側(cè)進(jìn)入填料塔中，與從填料塔頂流下的清水逆流接觸，在填料的作用下進(jìn)行吸收。經(jīng)吸收后的混合氣體由塔頂排除，吸收了氨氣的水 由填料塔的下端流出。</p><p><b>　　2填料的選擇</b></p><p>　　對(duì)于水吸收氨氣的過(guò)程，操作溫度計(jì)操作壓力較低。工業(yè)上通常是選用塑料散裝填料。在塑料散裝中，塑料階梯環(huán)填料的綜合性能較好，</p&

6、gt;<p><b>　　見(jiàn)下圖：</b></p><p>　　根據(jù)所要處理的混合氣體，可采用水為吸收劑，其廉價(jià)易得，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，選擇性好，符合吸收過(guò)程對(duì)吸收劑的基本要求。</p><p>　　設(shè)計(jì)選用填料塔，填料為散裝聚丙烯DN50階梯環(huán)填料。</p><p><b>　　國(guó)內(nèi)階梯環(huán)特性數(shù)據(jù)</b>&

7、lt;/p><p><b>　　5</b></p><p><b>　　2. 工藝計(jì)算</b></p><p><b>　　2.1基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)</b></p><p>　　2.1.1液相物性數(shù)據(jù)</p><p>　　對(duì)低濃度吸收過(guò)程，溶液的物性數(shù)據(jù)可近似取純

8、水的物性數(shù)據(jù)。由手冊(cè)查的，20℃水的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：</p><p>　　密度為 ρ1 =998.2Kg／m3</p><p>　　粘度為 μL=1.005mPa·S =0.001Pa·S=3.6Kg／（m·h）</p><p>　　表面張力為 σL =72.6dyn／cm=940 896Kg／h2</p><

9、;p>　　氨氣在水中的擴(kuò)散系數(shù)：DL=1.80×10-9 m2/s=1.80×10-9×3600 m2/h=6.480 ×10-6m2/h</p><p>　　2.1.2氣相物性的數(shù)據(jù)</p><p>　　混合氣體平均摩爾質(zhì)量為 </p><p>　　MVM=ΣyiMi=0.101×17+0.899×

10、28=26.889</p><p>　　混合氣體的平均密度為</p><p>　　ρvm==101.3×26.889／(8.314×293)=1.116Kg／m3</p><p>　　混合氣體的粘度可近似取為空氣的粘度，查手冊(cè)的20℃空氣的粘度為</p><p>　　μV=1.81×10—5Pa·s=0

11、.065Kg／（m·h）</p><p>　　查手冊(cè)得氨氣在20℃空氣中擴(kuò)散系數(shù)為</p><p>　　Dv= 0.189 cm2/s=0.068 m2/s</p><p>　　2.1.3氣液相平衡數(shù)據(jù)</p><p>　　20下氨在水中的溶解度系數(shù)：,常壓下20℃時(shí)亨利系數(shù)：=998.2／(0.725×18.02)=76

12、.40Kpa </p><p><b>　　相平衡常數(shù)為</b></p><p><b>　　溶解度系數(shù)為 </b></p><p>　　2.1.4 物料衡算</p><p><b>　　進(jìn)塔氣相摩爾比為</b></p><p>　　Y1==0.101

13、／（1—0.101）=0.11235</p><p><b>　　出塔氣相摩爾比為</b></p><p>　　Y2=Y1（1—φ）=0.11235×（1—0.9996）=0.000045</p><p><b>　　進(jìn)塔惰性氣相流量為</b></p><p>　　V=1000／22.4&

14、#215;273／（273+20）×（1—0.101）=34.29Kmol／h</p><p>　　該吸收過(guò)程屬低濃度吸收，平衡關(guān)系為直線(xiàn)，最小液氣比可按下式計(jì)算，即； （）min=</p><p>　　對(duì)純?nèi)軇┪者^(guò)程，進(jìn)塔液相組成為</p><p><b>　　X2=0</b></p><p>　?。ǎ﹎i

15、n=（0.11235—0.000045）／[0.11235／(0.754—0)]=0.753</p><p>　　取操作液氣比為最小液氣比1.8</p><p>　　=1.8×0.753=1.355 </p><p>　　L=1.355×34.29=46.516Kmol／h</p><p>　　V（Y1—Y2）=L（X1—

16、X2）</p><p>　　X1=34.29×(0.11235—0.000045) ／46.516=0.08278</p><p>　　5填料塔的工藝尺寸的計(jì)算</p><p><b>　　1) 塔徑的計(jì)算</b></p><p>　　采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算泛點(diǎn)氣速</p><p&g

17、t;<b>　　塔徑氣相質(zhì)量流量為</b></p><p>　　=1000×1.103=1103Kg／h</p><p>　　液相質(zhì)量流量可近似按純水的流量計(jì)算，即: </p><p>　　=46.516×18.02=838.218㎏/h</p><p>　　Eckert通過(guò)關(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)為</

18、p><p>　　圓整塔經(jīng)，取D=0.8m</p><p><b>　　泛點(diǎn)率校核：</b></p><p><b>　　填料規(guī)格校核：</b></p><p><b>　　即</b></p><p>　　取泛點(diǎn)率為0.8 取u =0.8uF=0.8&#

19、215;3.017m/s =2.41m/s</p><p>　　D == [（4×1000／3600）／（3.14×2.41）] 0.5=0.38m </p><p><b>　　圓整后取 </b></p><p><b>　　2.泛點(diǎn)率校核：</b></p><p>　?。ㄔ?/p>

20、0.5到0.85范圍之間）</p><p>　　3.填料規(guī)格校核： </p><p>　　4.液體噴淋密度校核：</p><p>　　取最小潤(rùn)濕速率為：Umin=（LW）min· at =0.101×114.2=11.534m3／m2·h</p><p>　　查常用散裝填料的特性參數(shù)表，得at=114.2m2

21、/m3</p><p>　　U=46.516×18.02／998.2／（0.785×0.42）=6.717>Umin</p><p>　　經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用D= 400mm是合理的。</p><p><b>　　求.</b></p><p>　　2.2.2 填料層高度計(jì)算</p

22、><p>　　查表知， 0，101.3 下，在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)：</p><p>　　由，則293，101.3下，在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)：</p><p><b>　　液相擴(kuò)散系數(shù)：</b></p><p>　　Y1*=mX1=0.754×0.08278=0.0624 ， Y2*=mX2=0</p&

23、gt;<p><b>　　脫吸因數(shù)</b></p><p>　　S=mV／L=0.754×34.29／46.516=0.5558</p><p><b>　　氣相總傳質(zhì)單元數(shù)：</b></p><p>　　=1／（1—0.5558）ln[（1—0.5558）×（0.11235—0）／（0.

24、000045—0）+0.5558]=15.7</p><p>　　氣相總傳單元高度采用修正的思田關(guān)聯(lián)式計(jì)算：</p><p><b>　　液體質(zhì)量通量為</b></p><p>　　UL=46.516×18.02／(0.785×0.42)=6705.7Kg／m2·h</p><p><

25、b>　　氣體質(zhì)量通量為</b></p><p>　　Uv=1000×1.103／ (0.785×0.42)=9283Kg／m2·h</p><p>　　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：</p><p>　　不同材質(zhì)的бc值見(jiàn)下表</p><p><b>　　不同材質(zhì)的бc值

26、</b></p><p><b>　　查表知，</b></p><p>　　=1—exp{—1.45×（427680／940896）0.75×[6705.7／（223×3.6）] 0.1×[6705.7×6705.7×223／（998.22×1.27×108）] -0.05 &

27、#215;[6705.7×6705.7／（998.2×940896×114.2）] 0.2}=0.25</p><p><b>　　10</b></p><p>　　氣膜吸收系數(shù)由下式計(jì)算：</p><p>　　液膜吸收系數(shù)由下式計(jì)算：</p><p><b>　　查下表得：<

28、;/b></p><p>　　=0.12730.2476223=9.778</p><p>　　=0.30370.2476223=18.907</p><p>　　f =0.733>0.5</p><p>　　以下公式為修正計(jì)算公式：</p><p>　　則 （H為溶解度系數(shù)）；</p>

29、<p><b>　　==10.163</b></p><p><b>　　由 </b></p><p><b>　　==0.296m</b></p><p>　　2. 填料層高度的計(jì)算</p><p><b>　　由 </b></p

30、><p>　　取上下活動(dòng)系數(shù)為1.5</p><p>　　故 取填料層高度為7m.</p><p>　　查[2]化工原理課程設(shè)計(jì)213頁(yè)表5-41散裝填料分段高度推薦值查得：</p><p>　　塑料階梯環(huán) h/D8～15 </p><p>　　取h/D=10 得 h=100.4=4m</p><p

31、>　　故 填料層需要分為二段，高度分別為3.5m.</p><p>　　(五) 填料塔壓降的計(jì)算</p><p>　　采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算填料層壓降</p><p>　　橫坐標(biāo)為：=0.0228</p><p>　　查[2]P215表5-44得：</p><p><b>　　縱坐標(biāo)為：<

32、/b></p><p><b>　　查圖得 </b></p><p><b>　　填料層壓降為：</b></p><p><b>　　Eckert圖</b></p><p><b>　　各類(lèi)填料的形狀系數(shù)</b></p><

33、p>　　3.68／4.23×100％=87.00％>50％</p><p><b>　　由 得</b></p><p><b>　　11</b></p><p><b>　　由</b></p><p>　　由Z=HOGNOG=0.2758×12

34、.19=3.36m</p><p>　　Zˊ=1.4×3.36=4.704m</p><p>　　設(shè)計(jì)取填料層高度： Zˊ=5m</p><p>　　查表，對(duì)于階梯環(huán)填料，hmax6m ，設(shè)計(jì)填料層高度：5m。</p><p>　　2.2.3 填料層壓降計(jì)算</p><p>　　采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算

35、填料層壓降</p><p><b>　　橫坐標(biāo)為：</b></p><p><b>　　已知：</b></p><p><b>　　縱坐標(biāo)為：</b></p><p><b>　　12</b></p><p><b>　　

36、通用壓降關(guān)聯(lián)圖</b></p><p>　　查圖上圖得，△P／Z=100×9.81=981.00Pa／m</p><p>　　填料層壓降為：△P=981.00×5=4.905KPa</p><p>　　2.2.4 液體分布器簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)</p><p>　　液體分布器的選型：該吸收塔液相負(fù)荷較大，而氣相負(fù)荷相對(duì)較低

37、。故選用槽式分布器。</p><p><b>　　分布點(diǎn)密度計(jì)算：</b></p><p>　　按Eckert建議值，D=400時(shí)，噴淋點(diǎn)的密度為330點(diǎn)／m2，D=750時(shí)，噴淋點(diǎn)的密度為170點(diǎn)／m2，設(shè)計(jì)取噴淋密度為280點(diǎn)／m2。</p><p>　　則總布液孔數(shù)為：n=0.785×0.52×280=55

38、實(shí)際總布液孔數(shù)：54點(diǎn)</p><p><b>　　布液計(jì)算：</b></p><p><b>　　13</b></p><p><b>　　由 </b></p><p><b>　　取，</b></p><p><b>

39、　　則 </b></p><p><b>　　14</b></p><p>　　3. 輔助設(shè)備的計(jì)算及選型</p><p>　　3.1 填料支承設(shè)備</p><p>　　支填料支承裝置用于支承塔填料及其所持有的氣體、液體的質(zhì)量，同時(shí)起著氣液流道及氣體均布作用。故在設(shè)計(jì)支承板是應(yīng)滿(mǎn)足下列三個(gè)基本條件：（1）

40、自由截面與塔截面之比不小于填料的空隙率；（2）要有足夠的強(qiáng)度承受填料重量及填料空隙的液體；（3）要有一定的耐腐蝕性。</p><p>　　用豎扁鋼制成的柵板作為支承板最為常用，如下圖中的（a）。柵板可以制成整塊或分塊的。一般當(dāng)直徑小于500mm時(shí)可制成整塊；直徑為600～800mm時(shí)，可以分成兩塊；直徑在900～1200mm時(shí)，分成三塊；直徑大于1400mm時(shí)，分成四塊；使每塊寬度約在300～400mm之間，以便

41、拆裝。</p><p>　　柵板條之間的距離應(yīng)約為填料環(huán)外徑的0.6～0.7。在直徑較大的塔中，當(dāng)填料環(huán)尺寸較小的，也可采用間距較大的柵板，先在其上布滿(mǎn)尺寸較大的十字分隔瓷環(huán)，再放置尺寸較小的瓷環(huán)。這樣，柵板自由截面較大，如下圖（c）所示。</p><p>　　當(dāng)柵板結(jié)構(gòu)不能滿(mǎn)足自由截面要求時(shí)，可采用如下圖（b）所示的升氣管式支承板。氣相走升氣管齒縫，液相由小孔及縫底部溢流而下。這類(lèi)支承板

42、，有足夠齒縫時(shí)，氣相的自由截面積可以超過(guò)整個(gè)塔德橫截面積，所以絕不會(huì)在此造成液泛。</p><p>　　本設(shè)計(jì)塔徑D=500mm，采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自由截面較大、金屬耗用量較小，由豎扁鋼制成的柵板作為支承板，將其制成整塊，柵板條之間的距離約為24.7mm。為了改善邊界狀況，可采用大間距的柵條，然后按正方形排列的瓷質(zhì)十字環(huán)，作為過(guò)渡支承，以取得較大的孔隙率。由于采用的是φ50mm的填料，所以可用φ75mm的十字環(huán)。&l

43、t;/p><p>　　填料支撐裝置對(duì)于保證填料塔的操作性能具有重大作用。采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自由截面較大、金屬耗用量較小的柵板作為支撐板。為了改善邊界狀況，可采用大間距的柵條，然后按正方形排列的瓷質(zhì)十字環(huán)，作為過(guò)渡支撐，以取得較大的孔隙率。由于采用的是的填料，所以可用的十字環(huán)。</p><p>　　塔徑D=500mm，設(shè)計(jì)柵板制成整塊，每塊寬度為400mm，每塊重量不超過(guò)</p>&l

44、t;p><b>　　15 </b></p><p>　　700N，以便從人孔進(jìn)行裝卸。</p><p>　?。╝）柵板 （b）升氣管式 （c）十字隔板環(huán)層</p><p><b>　　3.2填料壓緊裝置</b></p>&l

45、t;p>　　填料上方安裝壓緊裝置可防止在氣流的作用下填料床層發(fā)生松動(dòng)和跳動(dòng)。填料壓緊裝置分為填料壓板和床層限制板兩大類(lèi)，每類(lèi)又有不同的型式，填料壓板自由放置于填料層上端，靠自身重量將填料壓緊。它適用于陶瓷、石墨等制成的易發(fā)生破碎的散裝填料。床層限制板用于金屬、塑料等制成的不易發(fā)生破碎的散裝填料及所有規(guī)整填料。床層限制板要固定在塔壁上，為不影響液體分布器的安裝和使用，不能采用連續(xù)的塔圈固定，對(duì)于小塔可用螺釘固定于塔壁，而大塔則用支耳

46、固定。本設(shè)計(jì)中填料塔在填料裝填后于其上方安裝了填料壓緊柵板。</p><p>　　3.3液體再分布裝置</p><p>　　氣液兩相在填料層中流動(dòng)時(shí)，受阻力的影響，易發(fā)生偏流現(xiàn)象，導(dǎo)致亂堆填料層內(nèi)氣液分布不均，使傳質(zhì)效率下降。為防止偏流，可間隔一定高度在填料層內(nèi)設(shè)置再分布裝置，將流體先經(jīng)收集后重新分布。最簡(jiǎn)單的再分布裝置為截錐式再分布器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單安裝方便。故選擇截錐式再分布器。</

47、p><p>　　本設(shè)計(jì)采用的是分配錐形的再分布器，其最簡(jiǎn)單沿壁流下的液體用分配錐再將它導(dǎo)入中央截錐小頭的直徑一般為 ,本設(shè)計(jì)取500×0.8=400mm，為了增加氣體流過(guò)是的自由截面積，在分配錐上開(kāi)設(shè)4個(gè)管孔，錐體與塔壁夾角取在，取h=80mm。</p><p><b>　　16</b></p><p><b>　　4. 設(shè)計(jì)

48、一覽表</b></p><p>　　填料吸收塔設(shè)計(jì)一覽表</p><p><b>　　17</b></p><p><b>　　5. 后記</b></p><p>　　經(jīng)過(guò)了近一周時(shí)間的課程設(shè)計(jì)，現(xiàn)在終于完成了這次的課程設(shè)計(jì)。我的化工原理課程設(shè)計(jì)是水吸收氨過(guò)程填料塔的設(shè)計(jì)，這是關(guān)于吸收中

49、填料塔的設(shè)計(jì)。填料塔是以塔內(nèi)裝有大量的填料為相接觸構(gòu)件的氣液傳質(zhì)設(shè)備。填料塔的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，壓降低，填料易用耐腐蝕材料制造等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　在填料的選擇中，從經(jīng)濟(jì)方面考慮采用聚丙烯階梯環(huán)填料，填料顆粒大小，我采用試差法，來(lái)認(rèn)為DN50計(jì)算得的結(jié)果比比較好。雖然在同類(lèi)填料中，尺寸越小的，分離效率越高，但它的阻力將增加，通量減小，填料費(fèi)用也增加很多。用DN50計(jì)算所得的D/d值也符合階梯環(huán)推薦值。</

50、p><p>　　解決了上面的問(wèn)題之后就是通過(guò)查找手冊(cè)之類(lèi)的書(shū)籍來(lái)確定輔助設(shè)備的選型，我選擇柵板支承裝置作為填料支撐，并選擇好噴淋裝置。</p><p>　　本設(shè)計(jì)我們所設(shè)計(jì)的填料塔持液量小，填料塔結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，造價(jià)適合。不過(guò)，它的操作范圍小，填料潤(rùn)濕效果差，當(dāng)液體負(fù)荷過(guò)重時(shí)，易產(chǎn)生液泛，不宜處理易聚合或含有固體懸浮物的物料等。</p><p>　　通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)，讓

51、我從中體會(huì)到很多。課程設(shè)計(jì)是我們?cè)谛４髮W(xué)生必須經(jīng)過(guò)的一個(gè)過(guò)程，通過(guò)課程設(shè)計(jì)的鍛煉，可以為我們即將來(lái)的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)！使我充分理解到化工原理課程的重要性和實(shí)用性，更特別是對(duì)各方面的了解和設(shè)計(jì)，對(duì)實(shí)際單元操作設(shè)計(jì)中所涉及的各個(gè)方面要注意問(wèn)題都有所了解。 </p><p>　　通過(guò)這次對(duì)填料吸收塔的設(shè)計(jì)，培養(yǎng)了我們的能力：首先培養(yǎng)了我們查閱資料，選用公式和數(shù)據(jù)的能力，其次還

52、可以從技術(shù)上的可行性與經(jīng)濟(jì)上的合理性?xún)煞矫鏄?shù)立正確的設(shè)計(jì)思想，分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力，最后熟練應(yīng)用計(jì)算機(jī)繪圖的能力以及用簡(jiǎn)潔文字，圖表表達(dá)設(shè)計(jì)思想的能力。不僅讓我將所學(xué)的知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際中，而且對(duì)知識(shí)也是一種鞏固和提升充實(shí)。在老師和同學(xué)的幫助下，及時(shí)的按要求完成了設(shè)計(jì)任務(wù)，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，使我獲得了很多重要的知識(shí)，同時(shí)也提高了自己的實(shí)際動(dòng)手和知識(shí)的靈活運(yùn)用能力。</p><p><b>　　18&

53、lt;/b></p><p><b>　　6. 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　【1】賈紹義.柴誠(chéng)敬主編.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)）.天津：天津大學(xué)出版社，2002</p><p>　　【2】付家新等. 化工原理課程設(shè)計(jì)(典型化工單元操作設(shè)備設(shè)計(jì)).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010</p><p

54、>　　【3】匡國(guó)柱，史啟才等.化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì). 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002</p><p>　　林大均，于傳浩，楊靜等編.化工制圖，高等教育出版社，2007</p><p>　　【5】中國(guó)石化集團(tuán)上海工程有限公司編.化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè). 北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2009 </p><p><b>　　19</b>&

55、lt;/p><p><b>　　7. 主要符號(hào)說(shuō)明</b></p><p><b>　　20</b></p><p>　　8. 附圖（工藝流程簡(jiǎn)圖、主體設(shè)備設(shè)計(jì)條件圖）</p><p>　　采用常規(guī)逆流操作流程．工藝流程圖如下。</p><p><b>　　塔設(shè)備設(shè)計(jì)圖