化工原理课程设计--填料吸收塔的设计.doc

化工原理课程设计(清水吸收氨气) 化工原理课程设计填料吸收塔的设计学 院 南华大学船山学院 专 业 制药工程 班 级 10级 姓 名 龙 浩 学 号 20109570111 指导教师 王延飞 2012年11月25日 1.水吸收氨气填料塔工艺设计方案简介任务及操作条件混合气(空气、NH3 )处理量： 1000；进塔混合气含NH3 7% (体积分数)；温度:20；进塔吸收剂(清水)的温度:20； NH3回收率：96%；操作压力为常压101.3k Pa。1设计方案的确定用水吸收氨气属于等溶解度的吸收过程，为提高传质效率，选用逆流吸收过程。因用水做座位吸收剂，且氨气不作为产品，股采用纯溶剂。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。2填料的选择对于水吸收氨气的过程，操作温度计操作压力较低。工业上通常是选用塑料散装填料。在塑料散装中，塑料阶梯环填料的综合性能较好，见下图：根据所要处理的混合气体，可采用水为吸收剂，其廉价易得，物理化学性能稳定，选择性好，符合吸收过程对吸收剂的基本要求。设计选用填料塔，填料为散装聚丙烯DN50阶梯环填料。国内阶梯环特性数据材质外径d，mm外径高厚dH比表面积at，m2/m3空隙率，m3/m3个数n，个/m3堆积密度p，kg/m3干填料因子at/3，m-1填料因子，m-1塑料253850762517.51.43819150301.576373228132.5114.289.950.900.910.9270.92981500272009980342097.857.576.868.4313175.6143.11122401208072 52. 工艺计算2.1基础物性数据2.1.1液相物性数据对低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。由手册查的，20水的有关物性数据如下：密度为 1 =998.2Kgm3粘度为 L=1.005mPaS =0.001PaS=3.6Kg（mh）表面张力为 L =72.6dyncm=940 896Kgh2氨气在水中的扩散系数：DL=1.8010-9 m2/s=1.8010-93600 m2/h=6.480 10-6m2/h2.1.2气相物性的数据混合气体平均摩尔质量为 MVM=yiMi=0.10117+0.89928=26.889混合气体的平均密度为vm=101.326.889(8.314293)=1.116Kgm3混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册的20空气的粘度为V=1.81105Pas=0.065Kg（mh）查手册得氨气在20空气中扩散系数为Dv= 0.189 cm2/s=0.068 m2/s2.1.3气液相平衡数据20下氨在水中的溶解度系数：,常压下20时亨利系数：=998.2(0.72518.02)=76.40Kpa 相平衡常数为溶解度系数为 2.1.4 物料衡算进塔气相摩尔比为Y1=0.101（10.101）=0.11235出塔气相摩尔比为Y2=Y1（1）=0.11235（10.9996）=0.000045进塔惰性气相流量为V=100022.4273（273+20）（10.101）=34.29Kmolh该吸收过程属低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算，即； （）min=对纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为 X2=0（）min=（0.112350.000045）0.11235(0.7540)=0.753取操作液气比为最小液气比1.8=1.80.753=1.355 L=1.35534.29=46.516Kmolh V（Y1Y2）=L（X1X2） X1=34.29(0.112350.000045) 46.516=0.082785填料塔的工艺尺寸的计算1) 塔径的计算采用Eckert通用关联图计算泛点气速塔径气相质量流量为=10001.103=1103Kgh液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即: =46.51618.02=838.218/hEckert通过关联图的横坐标为 圆整塔经，取D=0.8m泛点率校核：填料规格校核： 即 取泛点率为0.8 取u =0.8uF=0.83.017m/s =2.41m/sD = （410003600）（3.142.41） 0.5=0.38m 圆整后取 2.泛点率校核：（在0.5到0.85范围之间）3.填料规格校核： 4.液体喷淋密度校核：取最小润湿速率为：Umin=（LW）min at =0.101114.2=11.534m3m2h查常用散装填料的特性参数表，得at=114.2m2/m3 U=46.51618.02998.2（0.7850.42）=6.717Umin经以上校核可知，填料塔直径选用D= 400mm是合理的。求. 2.2.2 填料层高度计算查表知， 0，101.3 下，在空气中的扩散系数：由，则293，101.3下，在空气中的扩散系数：液相扩散系数：Y1*=mX1=0.7540.08278=0.0624 ， Y2*=mX2=0脱吸因数S=mVL=0.75434.2946.516=0.5558气相总传质单元数： =1（10.5558）ln（10.5558）（0.112350）（0.0000450）+0.5558=15.7气相总传单元高度采用修正的思田关联式计算： 液体质量通量为UL=46.51618.02(0.7850.42)=6705.7Kgm2h气体质量通量为Uv=10001.103 (0.7850.42)=9283Kgm2h气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：不同材质的c值见下表 不同材质的c值材质钢陶瓷聚乙烯聚氯乙烯碳玻璃涂石蜡的表面表面张力，N/m10375613340567320查表知，=1exp1.45（427680940896）0.756705.7（2233.6） 0.16705.76705.7223（998.221.27108） -0.05 6705.76705.7（998.2940896114.2） 0.2=0.25 10气膜吸收系数由下式计算：液膜吸收系数由下式计算：查下表得：=0.12730.2476223=9.778=0.30370.2476223=18.907f =0.7330.5以下公式为修正计算公式： 则 （H为溶解度系数）；=10.163由 =0.296m2. 填料层高度的计算由 取上下活动系数为1.5故 取填料层高度为7m.查2化工原理课程设计213页表5-41散装填料分段高度推荐值查得：塑料阶梯环 h/D815 取h/D=10 得 h=100.4=4m故 填料层需要分为二段，高度分别为3.5m.(五) 填料塔压降的计算采用Eckert通用关联图计算填料层压降横坐标为：=0.0228查2P215表5-44得：纵坐标为：查图得 填料层压降为：Eckert图各类填料的形状系数填料类型球棒拉西环弧鞍开孔环值0.720.7511.191.45 3.684.23100=87.0050 由 得 11由由Z=HOGNOG=0.275812.19=3.36mZ=1.43.36=4.704m设计取填料层高度： Z=5m查表，对于阶梯环填料，hmax6m ，设计填料层高度：5m。2.2.3 填料层压降计算采用Eckert通用关联图计算填料层压降横坐标为：已知：纵坐标为： 12通用压降关联图查图上图得，PZ=1009.81=981.00Pam填料层压降为：P=981.005=4.905KPa2.2.4 液体分布器简要设计液体分布器的选型：该吸收塔液相负荷较大，而气相负荷相对较低。故选用槽式分布器。 分布点密度计算：按Eckert建议值，D=400时，喷淋点的密度为330点m2，D=750时，喷淋点的密度为170点m2，设计取喷淋密度为280点m2。则总布液孔数为：n=0.7850.52280=55 实际总布液孔数：54点 布液计算： 13由 取，则 143. 辅助设备的计算及选型3.1 填料支承设备支填料支承装置用于支承塔填料及其所持有的气体、液体的质量，同时起着气液流道及气体均布作用。故在设计支承板是应满足下列三个基本条件：（1）自由截面与塔截面之比不小于填料的空隙率；（2）要有足够的强度承受填料重量及填料空隙的液体；（3）要有一定的耐腐蚀性。用竖扁钢制成的栅板作为支承板最为常用，如下图中的（a）。栅板可以制成整块或分块的。一般当直径小于500mm时可制成整块；直径为600800mm时，可以分成两块；直径在9001200mm时，分成三块；直径大于1400mm时，分成四块；使每块宽度约在300400mm之间，以便拆装。栅板条之间的距离应约为填料环外径的0.60.7。在直径较大的塔中，当填料环尺寸较小的，也可采用间距较大的栅板，先在其上布满尺寸较大的十字分隔瓷环，再放置尺寸较小的瓷环。这样，栅板自由截面较大，如下图（c）所示。当栅板结构不能满足自由截面要求时，可采用如下图（b）所示的升气管式支承板。气相走升气管齿缝，液相由小孔及缝底部溢流而下。这类支承板，有足够齿缝时，气相的自由截面积可以超过整个塔德横截面积，所以绝不会在此造成液泛。本设计塔径D=500mm，采用结构简单、自由截面较大、金属耗用量较小，由竖扁钢制成的栅板作为支承板，将其制成整块，栅板条之间的距离约为24.7mm。为了改善边界状况，可采用大间距的栅条，然后按正方形排列的瓷质十字环，作为过渡支承，以取得较大的孔隙率。由于采用的是50mm的填料，所以可用75mm的十字环。填料支撑装置对于保证填料塔的操作性能具有重大作用。采用结构简单、自由截面较大、金属耗用量较小的栅板作为支撑板。为了改善边界状况，可采用大间距的栅条，然后按正方形排列的瓷质十字环，作为过渡支撑，以取得较大的孔隙率。由于采用的是的填料，所以可用的十字环。塔径D=500mm，设计栅板制成整块，每块宽度为400mm，每块重量不超过 15 700N，以便从人孔进行装卸。（a）栅板 （b）升气管式 （c）十字隔板环层3.2填料压紧装置填料上方安装压紧装置可防止在气流的作用下填料床层发生松动和跳动。填料压紧装置分为填料压板和床层限制板两大类，每类又有不同的型式，填料压板自由放置于填料层上端，靠自身重量将填料压紧。它适用于陶瓷、石墨等制成的易发生破碎的散装填料。床层限制板用于金属、塑料等制成的不易发生破碎的散装填料及所有规整填料。床层限制板要固定在塔壁上，为不影响液体分布器的安装和使用，不能采用连续的塔圈固定，对于小塔可用螺钉固定于塔壁，而大塔则用支耳固定。本设计中填料塔在填料装填后于其上方安装了填料压紧栅板。3.3液体再分布装置气液两相在填料层中流动时，受阻力的影响，易发生偏流现象，导致乱堆填料层内气液分布不均，使传质效率下降。为防止偏流，可间隔一定高度在填料层内设置再分布装置，将流体先经收集后重新分布。最简单的再分布装置为截锥式再分布器，其结构简单安装方便。故选择截锥式再分布器。本设计采用的是分配锥形的再分布器，其最简单沿壁流下的液体用分配锥再将它导入中央截锥小头的直径一般为 ,本设计取5000.8=400mm，为了增加气体流过是的自由截面积，在分配锥上开设4个管孔，锥体与塔壁夹角取在，取h=80mm。 164. 设计一览表填料吸收塔设计一览表吸收塔类型：聚丙烯阶梯环吸收填料塔工艺参数名 称混合气处理量：2600物料名称清水氨气操作压力，kPa1013101.3操作温度，2020流速，m/s12507.915672.9液体密度，kg/m3998.20.991流量，kg/h24553076塔径，mm500填料层高度，mm5000压降，KPa4.905分布点数55（实际：54）黏度，kg/(m*h)3.60.0656表面张力，kg/h940896427680(聚乙烯) 175. 后记经过了近一周时间的课程设计，现在终于完成了这次的课程设计。我的化工原理课程设计是水吸收氨过程填料塔的设计，这是关于吸收中填料塔的设计。填料塔是以塔内装有大量的填料为相接触构件的气液传质设备。填料塔的结构较简单，压降低，填料易用耐腐蚀材料制造等优点。在填料的选择中，从经济方面考虑采用聚丙烯阶梯环填料，填料颗粒大小，我采用试差法，来认为DN50计算得的结果比比较好。虽然在同类填料中，尺寸越小的，分离效率越高，但它的阻力将增加，通量减小，填料费用也增加很多。用DN50计算所得的D/d值也符合阶梯环推荐值。解决了上面的问题之后就是通过查找手册之类的书籍来确定辅助设备的选型，我选择栅板支承装置作为填料支撑，并选择好喷淋装置。本设计我们所设计的填料塔持液量小，填料塔结构较为简单，造价适合。不过，它的操作范围小，填料润湿效果差，当液体负荷过重时，易产生液泛，不宜处理易聚合或含有固体悬浮物的物料等。通过这次的课程设计，让我从中体会到很多。课程设计是我们在校大学生必须经过的一个过程，通过课程设计的锻炼，可以为我们即将来的毕业设计打下坚实的基础！使我充分理解到化工原理课程的重要性和实用性，更特别是对各方面的了解和设计，对实际单元操作设计中所涉及的各个方面要注意问题都有所了解。 通过这次对填料吸收塔的设计，培养了我们的能力：首先培养了我们查阅资料，选用公式和数据的能力，其次还可以从技术上的可行性与经济上的合理性两方面树立正确的设计思想，分析和解决工程实际问题的能力，最后熟练应用计算机绘图的能力以及用简洁文字，图表表达设计思想的能力。不仅让我将所学的知识应用到实际中，而且对知识也是一种巩固和提升充实。在老师和同学的帮助下，及时的按要求完成了设计任务，通过这次课程设计，使我获得了很多重要的知识，同时也提高了自己的实际动手和知识的灵活运用能力。 186. 参考文献【1】贾绍义.柴诚敬主编.化工原理课程设计（化工传递与单元操作课程设计）.天津：天津大学出版社，2002【2】付家