化工原理课程设计

1、化工原理课程设计 吸收过程工艺设计学院：机械工程学院专业：过程装备与控制工程班级：二班指导老师：丁文捷姓名：谢永芳学号：12012243722前言：课程设计是比较综合性和实践性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是使学生体察工程实际问题复杂性、学习化工设计基本知识的初次尝试。通过课程设计，要求学生能综合利用本课程和前修课程的基本知识，进行融会贯通的独立思考，在规定的时间内完成指定的化工设计任务，从而得到化工工程设计的初步训练。通过课程设计，要求学生了解工程设计的基本内容，掌握化工设计的程序和方法，培养学生分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还可以使学生树立正确的设计思想，培养实

2、事求是、严肃认真、高度责任感的工作作风。课程设计是增强工程观念，培养提高学生独立工作能力的有益实践。 经过学习,我知道，填料塔吸收净化工艺不单应用在化工领域 ,在低浓度工业废气净化方面也能很好地发挥作用。工程实践表明 ,合理的系统工艺和塔体设计 ,是保证净化效果的前提。这次课程设计利用低压清水吸收氨过程的工艺设计以及工程问题。 在此处键入公式。第一章 绪论填料塔属于化工单元操作中蒸馏（精馏）、吸收等的过程设备。物料在填料塔中的传质、分离主要是分散在填料表面进行。 填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备填料塔的塔身 是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支

3、承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。 当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液流量逐渐增大，这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质效率下降。因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布装置。液体再分布装置包括液体收集器和

4、液体再分布器两部分，上层填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。 填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大等优点。 填料塔也有一些不足之处，如填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面，使传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。 规整填料塔的分离性能取决于内件，即填料、分布器、收集器等。同时也取决于许多参数，如气体负荷、液体负荷、物料性质、操作压力、填料湿润性能和液体分布不均匀等等。至今不能由填料的几何形状来精确计算塔的分离性能，需要通过填料塔的理论和不同条件下通过试验塔来

5、测定准确数据。可根据资料以一级近似程度确定塔的尺寸和需要的填料高度。 1、规整填料 2、支撑栅板 3、液体收集器 4、集液环 5、多级槽式液体分布器6、填料压圈 7、支撑栅板 8、蒸汽入口管 9、塔底 10、至再沸器循环管 11、裙座 12、底座环第二章 填 料 塔 的 设 计 内 容和 设 计 条 件2.1填料塔的主体结构与特点 结构：图1-1 填料塔结构图2.2填料塔的设计任务 设计任务： 完成填料塔的工艺设计与计算，有关附属设备的设计和选型，绘制吸收系统的工艺流程图和填料塔装置图，编写设计说明书。 2.3填料塔的设计条件 设计条件： 1、气体混合物成分：空气和氨； 2、氨的含量： 5.0

6、55kmol/m³；(y1=0.02n0.3 =0.02*220.3=0.05055)3、混合气体流量： 7340m³/h； (qv=8000-30*22=7340)4、操作条件：293K/101.3KPa； 5、回收率： 91.76；（=0.9+0.0008*22=91.76）6、吸收剂：水；7、吸收流程：一步、单塔逆流吸收;8、吸收剂再生方法：加热再生;9、塔设备：填料塔。第三章 填料塔的设计方案填料塔具有结构简单、容易加工、生产能力大、压降小、吸收效果好、操作弹性大等优点，所以在工业吸收操作中被广泛应用。在这次课程设计中，有很多操作条件，所以我们需要准确的设计好填料塔

7、的每一部分。3.1装置流程图的确定及流程说明 流程说明： 该填料塔中，氨气和空气混合后，经由填料塔的下侧进入填料塔中，与从填料塔顶流下的清水逆流接触，在填料的作用下进行吸收。经吸收后的混合气 体由塔顶排除，吸收了氨气的水 由填料塔的下端流出。 3.2填料的类型与选择 填料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。填料的选择主要根据以下几个方面来考虑： 1.比表面积要大，有较高的传质效率。 2.有较大的通量。 3.填料层的压降小。 4.填料的操作性能好。 5.液体的再分布性能要好。 6.要有足够的机械强度。 7.价格低廉。 填料的选取包括确定其种类、规格、及材质等。 3.2

8、.1 填料种类的选择 颗粒填料包括拉稀环、鲍尔环、阶梯环等，规整填料主要有波纹填料、格栅填料、绕卷填料等。本次课程设计采用散装填料。阶梯环是环形填料最为优良的一种，是对鲍尔环的改进，故选用阶梯环。3.2.2 填料规格的选择 工业塔常用的散装填料主要有Dn16Dn25Dn38Dn50 Dn76等几种规格。同类料，尺寸越小，分离效率越高，但阻力增加，通量减小，填料费用也增加很多。大尺寸的填料应用于小直径塔中，又会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率降低。因此，对塔径与填料尺寸的比值要有一规定。 阶梯环 D/d>8 。3.2.3 填料材质的选择 工业上，填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三

9、大类。塑料材质主要有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等，其特点是耐腐蚀性能好，质量轻，价格适中，但耐温性及湿润性较差。金属材质有碳钢、铝钢和铝合金等，多用于操作温度较高而无显著腐蚀性的操作。陶瓷材质的材料耐腐蚀性较好，耐湿性强，价格便宜，但易破损。由于聚丙烯填料在低温（低于0度）时具有冷脆性，在低于0度的条件下使用要慎重，所以本次课程设计我们选耐低温性能良好的聚氯丙烯填料。 综合以上：选择塑料阶梯环散装填料 Dn38 3.2.4填料尺寸的选择 径比D/d有一个下限值（一般为10），若径比低于此下限值时，塔壁附近的填料层孔隙率大而不均匀，气流易走短路、液体壁流加剧。 综上，由于该过程处理量不大，所用的塔

10、直径不会太大，可选用38mm聚丙烯阶梯环塔填料，其主要性能参数如下： 比表面积a=132.5m2/m3 空隙率=0.91泛点填料因子=170m-1降压填料因子=116m-1第四章 填料塔的工艺计算 4.1、吸收剂的用量吸收剂用量可以根据过程的物料衡算，依据最小液气比确定，依据混合气的组成情况可知吸收塔的进出口气相组成如下：y1=0.05055 ;y2=(1-)y1=0.0042; x2=0;查表知25氨气溶于水的亨利常数E=99.78KPa；m=E/P=0.985 所以y=mx=0.985x；最小液气比（qnL/qnG）min=y1-y2x1e-x2=y1-y2y1m-x2=0.9032因为q

11、nLqnG=(1.12)（qnL/qnG）min 取实际液气比为最小液气比的1.5倍qnG=qvG22.4=734022.4=327.68kmol/h M¯=17y1+29(1-y1)=17*0.05055+29*（1-0.05055）=28.39qmG=qnG*M¯=732.68*28.39=9302.79kg/hqnL=1.5*qnG*（qnL/qnG）min=1.5*327.68*0.9032=443.94kmol/LqmL=18*qnL*qnL=18*443.94=7990.9kg/h4.2、塔径的计算混合气体密度G=pM¯RT=101.3*28.398.

12、314*298=1.1kg/m3液相密度L=997.05kg/m3 液体粘度L=0.8937mPa.S计算泛点气速：lgUf2g*a3*GL*0.2=A-1.75(qmLqmG)14(GL)18 =0.204-1.75*(9302.87790.9)14(1.161997.05)18 =-0.515 Uf2g*a3*GL*0.2=0.305 Uf=0.262*9.807*0.9273*997.05114.2*1.161*0.89370.2=7.93 取U=0.7Uf=0.7*3.968=4.756m/s qvsqmGG*3600=9302.7951.161*3600=2.349 D=4qvsU=

13、4*2.2263.14*2.4818=0.793 取整D=0.8m所以塔的总截面积为 S=0.785*1.02=0.628（m2）4.3、填料层高度计算4.3.1、传质单元高度计算 塔内的液相及气相物性参数如下： 密度：L=997.05kg/m3 G=1.161kg/m3 粘度：L=0.8937mPs G=0.0098mPs 扩散系数：DL=1.8*10-9m2/s DG=1.89*10-4m2/s 聚丙烯临界表面张力c=54dyn/cm=5.4*10-2N/m 液体表面张力=71.9dyn/cm=7.2*10-2N/m 气相及液相流速为： GG=qmG3600*0.785*D2=9302.7

14、953600*0.785*1=5.144kg/(m2.s) GL=7790.93600*0.785*D2=2.757 kg/(m2.s) 气相传质系数为： kG=0.237GGaG0.7GDGG13(aDGRT)1.1 =0.237*3.292114.2*0.0098*10-30.70.0098*10-31.161*1.89*10-513(114.2*1.89*10-58.314*298)1.451.1 =9.987*10-5 kmol/(m2.s.KPa)因为：(c)0.75=0.86 （GGaL）0.1=（2.757114.2*0.8937）0.1=0.697 （aGL2L2g）-0.05

15、=（114.2*2.7572997.052*9.807）-0.05=1.594 （GL2La）0.2=（2.7572997.05*7.2*10-2*114.2）0.2=0.247aw=1-exp-1.45(c)0.75（GGaL）0.1（aGL2L2g）-0.05（GL2La）0.2 =114.21-exp(-1.45*0.806*0.697*1.594*0.247) =64.84 (GLawL)2/3=(2.75736.354*0.8937*10-3)2/3=19.312 (LLDL)-0.5=(0.8973*10-3997.05*1.8*10-9)-0.5=0.045 (GgL)1/3=(

16、0.8973*10-3*9.807997.05)1/3=0.021kL=0.0095(GLawL)2/3 (LLDL)-0.5(GgL)1/30.4 =0.0095*19.312*0.045*0.021*1.450.4 =3.65*10-4(m/s)kya=PkGaw=101.3*6.363*10-5*36.354=0.656kmol/(m3/s)kxa=CkLaw=LMkLaw=997.0518*2.81*10-4*36.35=1.309kmol/(m3/s)气相总传质单元高度为HOG=Gkya+Gmkya=0.08570.2397+0.0857*0.9850.6838=0.412(m)考虑

17、实际偏差，取HOG=1.4*0.697=0.577(m)4.3.2、传质单元数的计算全塔物料衡算方程为 qnG(y1-y2) = qnL（x1-x2）依据该方程可以确定塔底水中NH3的组成为 x1=qnGqnL(y1-y2)+x2 =327.6844.94*(0.05055-0.0042)+0 =0.0342于是可以计算该塔的塔底、塔顶以及平均传质推动力分别为 y1=y1-mx1=0.05055-0.985*0.0342=0.0169 y2=y2-mx2=y2=0.0042 ym=y1-y2lny1y2=0.0169-0.0042ln0.01690.0042=9.087*10-3求得该吸收过程

18、的传质单元数为 NoG=y1-y2ym=0.05055-0.00429.087*10-3=5.14.3.3、填料层高度 h=HOGNoG=0.836*5.1=2.24（m） 因此实际填料层高度取h=3m。4.4、塔附属高度 塔上部空间高度可取为1.2m，塔底液相停留时间按5分钟考虑，则塔釜液所占空间高度为 h1=t*qvL0.785*D2=5*60*8.023600*0.785*0.82=1.33 考虑到气相接管所占所占空间高度，底部空间高度可取1.5m，所以塔的附属空间高度可以取为2.7m。4.5、液体初始分布器布液孔数 根据该物系性质可选用管式液体分布器，取布液孔数为100个/m2，则总布

19、液孔为 n=S*100=0.628*100=62.8 取60个液位保持管高度 取布液孔直径为5mm，则液位保持管中的液位高度为 h=（4*qv3.14*0.0052*n*k）2/2g=（4*8.023600*3.14*0.052*62*0.62）2/（2*9.807）=0.445则液位保持管的高度为 h=1.15*h=1.15*0.445=0.51m4.6、其他附属塔内件对于氨气吸收可不设除液膜装置。4.7、吸收塔的流体力学参数计算1、吸收塔的压力降气体进出口压力降 取气体进出口接管的内径为0.4m，则气体的进出口流速近似为18.7m/s。则进口压降为P1=1/2u2=0.5*1.1*18.7

20、2=192.4出口压降为P2=0.5*0.5u2=96.2填料层压力降 气体通过填料层的压力降采用Eckert关联图计算，其中实际操作气速为 u=qvs0.785*D2=2.350.785*0.82=18.7 m/s X=(qmLqmG)(GL)0.5=0.029 Y=Uf2GgL0.2=0.273差Eckert关联图得每米填料的压力降为2000Pa，所以填料层的压力降 P3=2000*3=6000Pa于是的吸收塔的总压降为 Pf=192+96.2+6000=6288.62、吸收塔的泛点率 吸收塔的操作气速为u=4.68m/s,泛点气速为uf=7.73m/s f=4.687.92=0.58 该塔的泛点率合适。3、气体动力因子 吸收塔的气体动能因子为 F=uG0.5=4.68*1.1=4.8气体动能因子在（说明：由于Excel最后有数据的变动，和上面有一定的误差）5、设计结果汇总课程设计名称水吸收NH3填料吸收塔的工艺设计操作条件常温常压物性数据液相气相液体密度997.05kg/m3混合气体平均摩尔质量28.39kg/kmol液体粘度0.89