化工原理課程設計--填料吸收塔的設計

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

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

3、塔工藝設計方案簡介</p><p><b>　　任務及操作條件</b></p><p>　?、倩旌蠚?空氣、NH3 )處理量： 1000；</p><p>　?、谶M塔混合氣含NH3 7% (體積分數(shù))；溫度:20℃；</p><p>　　③進塔吸收劑(清水)的溫度:20℃；</p><p>　　

4、④ NH3回收率：96%；</p><p>　　⑤操作壓力為常壓101.3k Pa。</p><p><b>　　1設計方案的確定</b></p><p>　　用水吸收氨氣屬于等溶解度的吸收過程，為提高傳質效率，選用逆流吸收過程。因用水做座位吸收劑，且氨氣不作為產(chǎn)品，股采用純溶劑。</p><p>　　該填料塔中，氨氣和

5、空氣混合后，經(jīng)由填料塔的下側進入填料塔中，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>　　對于水吸收氨氣的過程，操作溫度計操作壓力較低。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，其廉價易得，物理化學性能穩(wěn)定，選擇性好，符合吸收過程對吸收劑的基本要求。</p><p>　　設計選用填料塔，填料為散裝聚丙烯DN50階梯環(huán)填料。</p><p><b>　　國內階梯環(huán)特性數(shù)據(jù)</b>&

7、lt;/p><p><b>　　5</b></p><p><b>　　2. 工藝計算</b></p><p><b>　　2.1基礎物性數(shù)據(jù)</b></p><p>　　2.1.1液相物性數(shù)據(jù)</p><p>　　對低濃度吸收過程，溶液的物性數(shù)據(jù)可近似取純

8、水的物性數(shù)據(jù)。由手冊查的，20℃水的有關物性數(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>　　查手冊得氨氣在20℃空氣中擴散系數(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>　　該吸收過程屬低濃度吸收，平衡關系為直線，最小液氣比可按下式計算，即； （）min=</p><p>　　對純溶劑吸收過程，進塔液相組成為</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算</p><p><b>　　1) 塔徑的計算</b></p><p>　　采用Eckert通用關聯(lián)圖計算泛點氣速</p><p&g

17、t;<b>　　塔徑氣相質量流量為</b></p><p>　　=1000×1.103=1103Kg／h</p><p>　　液相質量流量可近似按純水的流量計算，即: </p><p>　　=46.516×18.02=838.218㎏/h</p><p>　　Eckert通過關聯(lián)圖的橫坐標為</

18、p><p>　　圓整塔經(jīng)，取D=0.8m</p><p><b>　　泛點率校核：</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 填料層高度計算</p

22、><p>　　查表知， 0，101.3 下，在空氣中的擴散系數(shù)：</p><p>　　由，則293，101.3下，在空氣中的擴散系數(shù)：</p><p><b>　　液相擴散系數(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聯(lián)式計算：</p><p><b>　　液體質量通量為</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>　　氣相總傳質單元高度采用修正的恩田關聯(lián)式計算：</p><p>　　不同材質的бc值見下表</p><p><b>　　不同材質的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)由下式計算：</p><p>　　液膜吸收系數(shù)由下式計算：</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. 填料層高度的計算</p><p><b>　　由 </b></p

30、><p>　　取上下活動系數(shù)為1.5</p><p>　　故 取填料層高度為7m.</p><p>　　查[2]化工原理課程設計213頁表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) 填料塔壓降的計算</p><p>　　采用Eckert通用關聯(lián)圖計算填料層壓降</p><p>　　橫坐標為：=0.0228</p><p>　　查[2]P215表5-44得：</p><p><b>　　縱坐標為：<

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>　　設計取填料層高度： Zˊ=5m</p><p>　　查表，對于階梯環(huán)填料，hmax6m ，設計填料層高度：5m。</p><p>　　2.2.3 填料層壓降計算</p><p>　　采用Eckert通用關聯(lián)圖計算

35、填料層壓降</p><p><b>　　橫坐標為：</b></p><p><b>　　已知：</b></p><p><b>　　縱坐標為：</b></p><p><b>　　12</b></p><p><b>　　

36、通用壓降關聯(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 液體分布器簡要設計</p><p>　　液體分布器的選型：該吸收塔液相負荷較大，而氣相負荷相對較低

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

38、實際總布液孔數(shù)：54點</p><p><b>　　布液計算：</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. 輔助設備的計算及選型</p><p>　　3.1 填料支承設備</p><p>　　支填料支承裝置用于支承塔填料及其所持有的氣體、液體的質量，同時起著氣液流道及氣體均布作用。故在設計支承板是應滿足下列三個基本條件：（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。一般當直徑小于500mm時可制成整塊；直徑為600～800mm時，可以分成兩塊；直徑在900～1200mm時，分成三塊；直徑大于1400mm時，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約為填料環(huán)外徑的0.6～0.7。在直徑較大的塔中，當填料環(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>　　當柵板結構不能滿足自由截面要求時，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。這類支承板

42、，有足夠齒縫時，氣相的自由截面積可以超過整個塔德橫截面積，所以絕不會在此造成液泛。</p><p>　　本設計塔徑D=500mm，采用結構簡單、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十字環(huán)，作為過渡支承，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>　　填料支撐裝置對于保證填料塔的操作性能具有重大作用。采用結構簡單、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十字環(huán)，作為過渡支撐，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，設計柵板制成整塊，每塊寬度為400mm，每塊重量不超過</p>&l

44、t;p><b>　　15 </b></p><p>　　700N，以便從人孔進行裝卸。</p><p>　　（a）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)生松動和跳動。填料壓緊裝置分為填料壓板和床層限制板兩大類，每類又有不同的型式，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，對于小塔可用螺釘固定于塔壁，而大塔則用支耳

46、固定。本設計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時，受阻力的影響，易發(fā)生偏流現(xiàn)象，導致亂堆填料層內氣液分布不均，使傳質效率下降。為防止偏流，可間隔一定高度在填料層內設置再分布裝置，將流體先經(jīng)收集后重新分布。最簡單的再分布裝置為截錐式再分布器，其結構簡單安裝方便。故選擇截錐式再分布器。</

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

48、一覽表</b></p><p>　　填料吸收塔設計一覽表</p><p><b>　　17</b></p><p><b>　　5. 后記</b></p><p>　　經(jīng)過了近一周時間的課程設計，現(xiàn)在終于完成了這次的課程設計。我的化工原理課程設計是水吸收氨過程填料塔的設計，這是關于吸收中

49、填料塔的設計。填料塔是以塔內裝有大量的填料為相接觸構件的氣液傳質設備。填料塔的結構較簡單，壓降低，填料易用耐腐蝕材料制造等優(yōu)點。</p><p>　　在填料的選擇中，從經(jīng)濟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，來認為DN50計算得的結果比比較好。雖然在同類填料中，尺寸越小的，分離效率越高，但它的阻力將增加，通量減小，填料費用也增加很多。用DN50計算所得的D/d值也符合階梯環(huán)推薦值。</

50、p><p>　　解決了上面的問題之后就是通過查找手冊之類的書籍來確定輔助設備的選型，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>　　本設計我們所設計的填料塔持液量小，填料塔結構較為簡單，造價適合。不過，它的操作范圍小，填料潤濕效果差，當液體負荷過重時，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>　　通過這次的課程設計，讓

51、我從中體會到很多。課程設計是我們在校大學生必須經(jīng)過的一個過程，通過課程設計的鍛煉，可以為我們即將來的畢業(yè)設計打下堅實的基礎！使我充分理解到化工原理課程的重要性和實用性，更特別是對各方面的了解和設計，對實際單元操作設計中所涉及的各個方面要注意問題都有所了解。 </p><p>　　通過這次對填料吸收塔的設計，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、可以從技術上的可行性與經(jīng)濟上的合理性兩方面樹立正確的設計思想，分析和解決工程實際問題的能力，最后熟練應用計算機繪圖的能力以及用簡潔文字，圖表表達設計思想的能力。不僅讓我將所學的知識應用到實際中，而且對知識也是一種鞏固和提升充實。在老師和同學的幫助下，及時的按要求完成了設計任務，通過這次課程設計，使我獲得了很多重要的知識，同時也提高了自己的實際動手和知識的靈活運用能力。</p><p><b>　　18&

53、lt;/b></p><p><b>　　6. 參考文獻</b></p><p>　　【1】賈紹義.柴誠敬主編.化工原理課程設計（化工傳遞與單元操作課程設計）.天津：天津大學出版社，2002</p><p>　　【2】付家新等. 化工原理課程設計(典型化工單元操作設備設計).北京：化學工業(yè)出版社，2010</p><p

54、>　　【3】匡國柱，史啟才等.化工單元過程及設備課程設計. 北京：化學工業(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】中國石化集團上海工程有限公司編.化工工藝設計手冊. 北京：化學工業(yè)出版社, 2009 </p><p><b>　　19</b>&

55、lt;/p><p><b>　　7. 主要符號說明</b></p><p><b>　　20</b></p><p>　　8. 附圖（工藝流程簡圖、主體設備設計條件圖）</p><p>　　采用常規(guī)逆流操作流程．工藝流程圖如下。</p><p><b>　　塔設備設計圖