化工原理課程設(shè)計(jì)(水吸收氨填料吸收塔設(shè)計(jì))

1、<p><b>　　水吸收氨課程設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一節(jié)前言5</b></p><p>　　1.1填料塔的主體結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)5</p><p>　　1.2填料塔的設(shè)計(jì)任務(wù)及步驟5</

2、p><p>　　1.3填料塔設(shè)計(jì)條件及操作條件5</p><p>　　第二節(jié) 填料塔主體設(shè)計(jì)方案的確定6</p><p>　　2.1裝置流程的確定6</p><p>　　2.2 吸收劑的選擇6</p><p>　　2.3填料的類型與選擇6</p><p>　　2.3.1 填料種類的

3、選擇6</p><p>　　2.3.2 填料規(guī)格的選擇6</p><p>　　2.3.3 填料材質(zhì)的選擇7</p><p>　　2.4 基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)7</p><p>　　2.4.1 液相物性數(shù)據(jù)7</p><p>　　2.4.2 氣相物性數(shù)據(jù)7</p><p>　　2.4.3

4、 氣液相平衡數(shù)據(jù)8</p><p>　　2.4.4 物料橫算8</p><p>　　第三節(jié) 填料塔工藝尺寸的計(jì)算9</p><p>　　3.1 塔徑的計(jì)算9</p><p>　　3.2 填料層高度的計(jì)算及分段10</p><p>　　3.2.1 傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算10</p><p&g

5、t;　　3.2.3 填料層的分段12</p><p>　　3.3 填料層壓降的計(jì)算12</p><p>　　第四節(jié)填料塔內(nèi)件的類型及設(shè)計(jì)13</p><p>　　4.1 塔內(nèi)件類型13</p><p>　　4.2 塔內(nèi)件的設(shè)計(jì)13</p><p>　　4.2.1 液體分布器設(shè)計(jì)的基本要求：13</

6、p><p>　　4.2.2 液體分布器布液能力的計(jì)算13</p><p><b>　　注：14</b></p><p>　　1填料塔設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表14</p><p>　　2 填料塔設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)一覽14</p><p><b>　　3 參考文獻(xiàn)16</b></p&g

7、t;<p>　　4 后記及其他16</p><p>　　附件一：塔設(shè)備流程圖17</p><p>　　附件二：塔設(shè)備設(shè)計(jì)圖17</p><p><b>　　第一節(jié) 前言</b></p><p>　　填料塔的主體結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)</p><p><b>　　結(jié)構(gòu)：</

8、b></p><p>　　圖1-1 填料塔結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　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(jìn)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

9、觸式的氣液傳質(zhì)設(shè)備。</p><p>　　填料塔的設(shè)計(jì)任務(wù)及步驟</p><p>　　設(shè)計(jì)任務(wù)：用水吸收空氣中混有的氨氣。</p><p>　　設(shè)計(jì)步驟：（1）根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和工藝要求，確定設(shè)計(jì)方案;</p><p>　?。?）針對物系及分離要求，選擇適宜填料；</p><p>　?。?）確定塔徑、填料層高度等工藝尺寸（

10、考慮噴淋密度）；</p><p>　?。?）計(jì)算塔高、及填料層的壓降；</p><p><b>　　（5）塔內(nèi)件設(shè)計(jì)。</b></p><p>　　填料塔設(shè)計(jì)條件及操作條件</p><p>　　1. 氣體混合物成分：空氣和氨</p><p>　　2. 空氣中氨的含量: 5.0% （體積含量即為摩

11、爾含量）</p><p>　　3. 混合氣體流量6000m3/h</p><p>　　4. 操作溫度293K</p><p>　　5. 混合氣體壓力101.3KPa</p><p>　　6. 回收率99 %</p><p>　　7. 采用清水為吸收劑</p><p>　　8. 填料類型：采用聚丙

12、烯鮑爾環(huán)填料</p><p>　　第二節(jié) 精餾塔主體設(shè)計(jì)方案的確定</p><p><b>　　裝置流程的確定</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)采用逆流操作：氣相自塔低進(jìn)入由塔頂排出，液相自塔頂進(jìn)入由塔底排出，即逆流操作。</p><p>　　逆流操作的特點(diǎn)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

13、。工業(yè)生產(chǎn)中多采用逆流操作。</p><p>　　2.2 吸收劑的選擇</p><p>　　因?yàn)橛盟鑫談?，故采用純?nèi)軇?lt;/p><p>　　2-1 工業(yè)常用吸收劑</p><p>　　2.3填料的類型與選擇</p><p>　　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。</p&

14、gt;<p>　　2.3.1 填料種類的選擇</p><p>　　本次采用散裝填料。散裝填料根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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)。</p><p>　　2.3.2 填料規(guī)格的選擇</p><p>　　工業(yè)塔常用的散裝填料主要有Dn16\Dn25\Dn38\ Dn76等幾種規(guī)

15、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(fèi)用也增加很多。而大尺寸的填料應(yīng)用于小直徑塔中，又會產(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。</p><p>　　常用填料的塔徑與填料公稱直徑比值D/d的推薦值列于。</p><p><b>　　表3-1</b></p><p>　

16、　2.3.3 填料材質(zhì)的選擇</p><p>　　工業(yè)上，填料的材質(zhì)分為陶瓷、金屬和塑料三大類</p><p>　　聚丙烯填料在低溫（低于0度）時(shí)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。</p><p>　　綜合以上：選擇塑料鮑爾環(huán)散裝填料 Dn50</p><p>　　2.4 基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)</p&

17、gt;<p>　　2.4.1 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)可近似取純水的物性數(shù)據(jù)。由手冊查得 20 ℃水的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：</p><p><b>　　1. </b></p><p><b>　　2. </b></p><p>　　3.

18、表面張力為:</p><p><b>　　4. </b></p><p><b>　　5. </b></p><p><b>　　6. </b></p><p>　　2.4.2 氣相物性數(shù)據(jù)</p><p>　　1. 混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為&

19、lt;/p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　2. 混合氣體的平均密度</p><p>　　由 (2-2)</p><p><b>　　R=8.314 </b></p><p>　　混合氣體黏度可近似取為空氣黏度。

20、查手冊得20時(shí)，空氣的黏度</p><p>　　注： 1 1Pa..s=1kg/m.s</p><p>　　2.4.3 氣液相平衡數(shù)據(jù)</p><p>　　由手冊查得，常壓下，20時(shí)，NH在水中的亨利系數(shù)為 E=76.3kpa</p><p>　　在水中的溶解度: H=0.725kmol/m</p><p>　　相平

21、衡常數(shù)： (2-3)</p><p>　　溶解度系數(shù): (2-4) </p><p>　　2.4.4 物料橫算</p><p>　　1. 進(jìn)塔氣相摩爾比為</p><p>　　(2-5) </p><

22、p>　　2. 出他氣相摩爾比為 </p><p>　　(2-6) </p><p>　　3. 進(jìn)塔惰性氣體流量: (2-7) 因?yàn)樵撐者^程為低濃度吸收，平衡關(guān)系為直線，最小液氣比按下式計(jì)算。即：</p><p><b>　　(2-8)</b></p><p>　　因?yàn)槭羌內(nèi)軇┪者^程，進(jìn)塔

23、液相組成</p><p><b>　　所以 </b></p><p>　　選擇操作液氣比為 （2-9）</p><p>　　L=1.2676356×234.599=297.3860441kmol/h</p><p>　　因?yàn)閂(Y1-Y2)=L(X1-X2) X1

24、</p><p>　　第三節(jié) 填料塔工藝尺寸的計(jì)算</p><p>　　填料塔工藝尺寸的計(jì)算包括塔徑的計(jì)算、填料能高度的計(jì)算及分段</p><p><b>　　3.1 塔徑的計(jì)算</b></p><p>　　1. 空塔氣速的確定——泛點(diǎn)氣速法</p><p>　　對于散裝填料，其泛點(diǎn)率的經(jīng)驗(yàn)值u/

25、u=0.5~0.85</p><p>　　貝恩（Bain）—霍根（Hougen）關(guān)聯(lián)式 ，即：</p><p>　　=A-K （3-1）</p><p><b>　　即：</b></p><p>　　所以：/9.81（100/0.917）（1.1836/998.2）=0.246053756<

26、;/p><p>　　UF=3.974574742m/s</p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　——泛點(diǎn)氣速，m/s;</p><p>　　g ——重力加速度，9.81m/s</p><p>　　WL=5358.89572㎏/h WV=7056.6kg/h</p>

27、<p>　　A=0.0942； K=1.75；</p><p>　　取u=0.7 =2.78220m/s</p><p>　　（3-2） </p><p>　　圓整塔徑后 D=0.8m</p><p>　　1. 泛點(diǎn)速率校核： m/s</p><p><b>　　則在

28、允許范圍內(nèi)</b></p><p>　　2. 根據(jù)填料規(guī)格校核：D/d=800/50=16根據(jù)表3-1符合</p><p>　　3. 液體噴淋密度的校核：</p><p>　　(1) 填料塔的液體噴淋密度是指單位時(shí)間、單位塔截面上液體的噴淋量。</p><p>　　(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

29、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。</p><p><b>　　（3-3）</b></p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　經(jīng)過以上校驗(yàn)，填料塔直徑設(shè)計(jì)為D=800mm 合理。</p><p>　　3.2 填料層高度的計(jì)算及分段</p&g

30、t;<p><b>　　（3-5）</b></p><p><b>　?。?-6） </b></p><p>　　3.2.1 傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算</p><p>　　用對數(shù)平均推動力法求傳質(zhì)單元數(shù)</p><p><b>　?。?-7）</b></p>

31、;<p><b>　?。?-8）</b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=0.006895</b></p><p>　　3.2.2 質(zhì)單元高度的計(jì)算</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：</

32、p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　即：αw/αt =0.37404748</p><p>　　液體質(zhì)量通量為： =WL/0.785×0.8×0.8=10666.5918kg/(㎡?h)</p><p>　　氣體質(zhì)量通量為： =60000×1.1761/0.64

33、=14045.78025kg/(㎡?h)</p><p>　　氣膜吸收系數(shù)由下式計(jì)算：</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　=0.237(14045.78025÷100.6228×10-5)0.7(0.06228÷0.081÷1.1761)</p><

34、p>　　0.3(100×0.081÷8.314÷293)</p><p>　　=0.152159029kmol/(㎡h kpa)</p><p>　　液膜吸收數(shù)據(jù)由下式計(jì)算：</p><p><b>　　(3-11）</b></p><p>　　=0.566130072m/h</

35、p><p><b>　　因?yàn)?lt;/b></p><p>　　0.15215×0.3740×1.451.1×100 （3-12）</p><p>　　=8.565021kmol/(m3 h kpa)</p><p>　　=0.56613×100×0.37404

36、×1.450.4 （3-13）</p><p>　　=24.56912/h</p><p>　　因?yàn)椋?=0.8346</p><p>　　所以需要用以下式進(jìn)行校正：</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p>　　=[1＋9.5(0.69999

37、－0.5)1.4] 8.56502=17.113580 kmol/(m3 h kpa)</p><p><b>　?。?-15）</b></p><p>　　=[1＋ 2.6 (0.6999－0.5)2.2] 24.569123=26.42106/h</p><p><b>　?。?-16）</b></p>

38、<p>　　=1÷(1÷17.1358+1÷0.725÷26.4210)</p><p>　　=9.038478 kmol/(m3 h kpa)</p><p>　?。?-17） </p><p>　　=234.599÷9.03847÷101.3÷0.785÷

39、;0.64</p><p>　　=0.491182 m</p><p><b>　?。?-18）</b></p><p>　　=0.491182×9.160434=4.501360m,得 </p><p>　　=1.4×4.501=6.30m</p>

40、<p>　　3.2.3 填料層的分段</p><p>　　對于鮑爾環(huán)散裝填料的分段高度推薦值為h/D=5~10。</p><p>　　h=5×800～10×800=4～8 m</p><p>　　計(jì)算得填料層高度為7000mm，，故不需分段</p><p>　　3.3 填料層壓降的計(jì)算</p>&l

41、t;p>　　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．</p><p><b>　　則縱標(biāo)值為：</b></p><p>　　=0.1652 (3-19)</p>&

42、lt;p><b>　　橫坐標(biāo)為：</b></p><p>　　=0.02606 (3-20)</p><p><b>　　查圖得</b></p><p>　　981Pa/m (3

43、-21)</p><p>　　全塔填料層壓降 =981×7=6867 Pa</p><p>　　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。</p><p>　　填料塔內(nèi)件的類型及設(shè)計(jì)</p><p><b>　　4.1 塔內(nèi)件類型</b></p><p>　　填料塔

44、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(jì)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。</p><p>　　4.2 塔內(nèi)件的設(shè)計(jì)</p><p>　　4.2.1 液體分布器設(shè)計(jì)的基本要求：</p><p><b>　?。?）液體分布均勻</b></p><p&g

45、t;<b>　　（2）操作彈性大</b></p><p><b>　?。?）自由截面積大</b></p><p><b>　?。?）其他</b></p><p>　　4.2.2 液體分布器布液能力的計(jì)算</p><p>　?。?）重力型液體分布器布液能力計(jì)算</p>

46、<p>　?。?）壓力型液體分布器布液能力計(jì)算</p><p>　　注：(1)本設(shè)計(jì)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。 </p><p>　　(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(jì)算與選擇此處從略。</p><p><b>　　注：</b&g

47、t;</p><p>　　1填料塔設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表</p><p>　　2 填料塔設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)一覽</p><p><b>　　3 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 夏清.化工原理（下）[M]. 天津:天津大學(xué)出版社, 2005.</p><p>　　[2] 賈紹義,柴誠敬. 化工原理課程設(shè)

48、計(jì)[M]. 天津:天津大學(xué)出版社, 2002.</p><p>　　[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(jì)[M]．廣州: 華南理工大學(xué)出版社, 1986.</p><p>　　[4] 周軍.張秋利 化工AutoCAD制圖應(yīng)用基礎(chǔ) 。北京. 化學(xué)工業(yè)出版社。</p><p><b>　　4 后記及其他 </b></p>

49、;<p>　　通過本次課程設(shè)計(jì)，使我對從填料塔設(shè)計(jì)方案到填料塔設(shè)計(jì)的基本過程的設(shè)計(jì)方法、步驟、思路、有一定的了解與認(rèn)識。在課程設(shè)計(jì)過程中,使我加深了對課本知識的認(rèn)識，也鞏固了所學(xué)到的知識。此次課程設(shè)計(jì)按照設(shè)計(jì)任務(wù)書、指導(dǎo)書、技術(shù)條件的要求進(jìn)行。同學(xué)之間相互討論，整體設(shè)計(jì)基本滿足使用要求，但是在設(shè)計(jì)指導(dǎo)過程中也發(fā)現(xiàn)一些問題，發(fā)現(xiàn)自己基礎(chǔ)知識不牢固，需加強(qiáng)學(xué)習(xí)，擴(kuò)大知識面的廣度。</p><p>　　附