化学原理课程设计.doc

1、1.1 目的要求1、化工原理课程设计是化工类专业必须要修的一门课，同时也是每一位设计化工类机械设备的基础，是培养化工设计能力的重要环节，它具有非常重要的作用。2、化工原理课程设计涉及本门课程的主要内容，通过课程设计学生不仅巩固和深化了有关化工过程及设备方面的知识，而且可用它们去分析和解决化工设备在操作、安装、检修等方面的实际问题，以增强学生理论联系实际的观点。3、通过化工原理课程设计使学生建立工程观点和经济观点，使学生具有辨证的科学思维方法。4、通过查阅技术资料、选用公式、搜集数据、讨论工艺参数与结构尺寸间的相互影响等，培养学生分析问题和解决问题的能力。5、提高学生文字表达能力及掌握撰写技术文件的能力。1.2 填料塔结构及原理塔体：一般取为圆筒形，可由金属、塑料或陶瓷制成，金属筒体内壁常衬以防腐材料。 填料：大致可分为散装填料和规整填料两大类，是传热和传质的场所。塔内件：包括填料支承与压紧装置、液体与气体分布器、液体再分布器以及气体除沫器等。操作原理：液体经塔顶喷淋装置均匀分布于填料上，依靠重力作用沿填料表面自上而下流动，并与在压强差推动下穿过填料空隙的气体相互接触，发生传热和传质。2、塔设计任务及内容混合气体处理量为：2400 m3/h（标准状态）。 混合气体的组成：空气0.92；氨气0.08（均为摩尔分数）要求尾气组成：空气0.995；氨气0.05混合气体温度25，101.3Kpa3、确定设计方案3.1吸收剂的选择 根据所要处理的混合气体为空气氨混合气体，可采用水为吸收剂，氨在其中溶解度大，且水廉价易得，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。 3.2吸收流程该吸收过程可采用简单的一步吸收流程，以混合气体原有的状态即25和101.33Kpa条件下进行吸收，原则流程如图所示。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。 主要设计吸收塔部分，再生塔部分暂不设计。3.3塔填料选择塔填料是填料塔中气液接触的基本构件，其性能的优越是决定填料塔操作性能的主要因素。填料类型很多，根据装填方式不同，可分为散装填料和规整填料。目前常用的是散装填料，下面只介绍散装填料：散装填料是一个个具有几何形状和尺寸的颗粒体，一般以随机方式堆积在塔内。根据其结构特点可分为环形，鞍形，环鞍形及球形填料。几种较典型和成熟的散装填料如下：1 拉西环填料：拉西环填料是最早提出的工业填料,其结构为外径与高度相等的圆环,可以用陶器,塑料,金属等材质制造.拉西环填料的气液分布较差,传质效率低,阻力大,通量小,目前工业上也很少应用。 2鲍尔环填料：鲍尔环是在拉西环的基础上改进而得.其结构为在拉西环的侧壁上开出两排长方形的窗孔,被切开的环壁的一侧仍和壁面相连,另一侧相环内弯曲,形成内伸的舌叶,诸舌叶的侧边在环中心相搭可以用陶器,塑料,金属等材质制造. 鲍尔环由于环壁开空孔,大大提高了环内空间的利用效率,气体阻力小,液体的分布均匀,与拉西环相比,其通量可以增加50%以上,传质效率可以增加30%左右. 鲍尔环是目前应用最广的填料之一。3阶梯环填料：阶梯环是对鲍尔环的改进.与鲍尔环相比, 阶梯环高度减少了一半,并在一端增加了一个锥形翻边. 阶梯环的综合性能优于鲍尔环,成为目前使用的环行填料中最为优良的一种。4弧鞍填料：其形状如同马鞍，一般采用瓷质材料制成。它的特点是表面全部敞开，不发内外，液体在表面两侧均匀流动，表面利用率高，流道呈弧形，流动阻力小。但缺点是易发生套叠，使表面重合。5矩鞍填料：堆积时不回发生套叠，液体分布均匀。一般采用瓷质材料制成，其性能优于拉西环。6环矩鞍填料：环矩鞍填料是兼顾环形和鞍形结构特点而设计出的一种新型填料，它一般由金属材料制成。其综合性能优于鲍尔环和阶梯环。填料的材质1. 陶器填料：陶器填料具有良好的耐腐蚀性及耐热性,一般能耐氢氟酸以外的常见的各种无机酸,有机酸的腐蚀,对强碱介质,可以选用耐用碱配方制造的耐碱陶器填料.2. 金属填料：金属填料可以用多种材质制成, 金属材质的选择主要根据物系的腐蚀性和 金属材料的耐腐蚀性来综合考虑. 金属填料可以制成薄壁结构,与同种类型的陶器,塑料填料相比较,它的通量大,体阻力小,并且具有很高的抗冲击性能,能在高温,高压,高冲击强度下使用,工业应用主要以金属填料为主.3. 塑料填料：塑料填料的耐腐蚀性能较好,可以耐一般的无机酸,碱和有机溶剂的腐蚀.其耐温性良好,同时塑料填料具有质量较轻,价廉,耐冲击,不易破碎等优点,多用于吸收,解吸,萃取,除尘等装置中.但是他的缺点是表面润湿性能差,在某些特殊场合,需要对其表面进行处理,以提高表面润湿性能.填料规格通常,散装填料与规格填料的规格表示方法不同,选择的方法亦不尽相同,现分别加以介绍.散装填料规格的选择 散装填料的规格通常指填料的公称直径.工业塔常用的散装填料主要有DN16, DN25, DN38, DN50, DN76等几种规格.同类填料,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.而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,常用填料的塔径与填料公称直径比值D/d的推荐值列于下表:塔径与填料公称直径的比值D/d的推荐表填料种类D/d的推荐值拉西环D/d2030鞍环D/d15鲍尔环D/d1015阶梯环D/d8环矩鞍D/d8应予指出,一座填料塔可以选用同种类型.同一规格的填料,也可选用同种类型.不同规格的填料;可以选用同种类型的填料,也可以选用不同类型的填料;有的塔段可选用归整填料,而有的塔段可选用散装填料.设计时应灵活掌握,根据技术经济统一的原则来选用填料的规格。该过程处理量不大，所用的塔径不会太大，以采用填料塔较为适宜，并可选用以下三种塑料阶梯环填料，它们的主要性能参数如下：A=0.204塑料阶梯环填料公称直径（mm）孔隙率()比表面积0。a(/m)干填料因子（/m）DN50500.927114.2143.3DN38380.91132.5175.8DN25250.9228312.84、工艺计算 4、1吸收剂用量的计算 41.1相平衡常数的确定 由溶解度曲线可确定溶质在气、液相主体中浓度的关系如下表：（25，1atm）x00.0870.1450.1880.229 0.2530.2810.2980.3080.323y00.0990.1970.2960.3950.4930.5920.6910.7890.888由此得到气液平衡图：氨气在混合气体中的分压为：在25，1atm下氨气在水中的溶解度为87.5g/1000gH2O则此时，氨气的液相浓度为：所以， 由此可得相平衡常数： 所以， 41.2吸收剂用量进塔气相摩尔比为：出塔气相摩尔比为： 对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为：（清水）混合气体的平均摩尔质量为：混合气体流量：惰性气体流量：最小液气比：分别取实际液气比为最小液气比的1.2、1.5、1.7倍，则可得吸收剂用量，算法以1.7倍为例。则不同倍数下的吸收剂用量如下表：倍数L（kmol/h）qmL(kg/h)qVL(m3/h)1.2104.57581882.3651.8821.5130.71982352.9562.3521.7148.14912666.6842.6674、2塔径的计算 4、2、1塔径 计算过程以倍数为1.7和以公称直径为50mm的塑料阶梯环为例说明。对低浓度吸收过程，溶液的物性参数可近似取纯水的物性数据，混合气体的黏度可近似取为空气的黏度。空气和水的物性常数如下： 空气： 水： 混合气体的密度：混合气体的质量流量 ：采用贝恩-霍根泛点关联式计算泛点速度：其中：公称直径为50mm的塑料阶梯环填料，关联常数所以，取 圆整后为 所以塔的总截面积为 所以，不同倍数不同填料下的如下表： 填料倍数DN50DN38DN251.24.5694.1263.0941.54.3723.9482.9601.74.2603.8472.884不同倍数不同填料下的如下表： 填料倍数DN50DN38DN251.22.7422.4751.8561.52.6232.3681.7761.72.5562.3081.730不同倍数不同填料下圆整后的D如下表： 填料倍数DN50DN38DN251.20.60.60.71.50.60.60.71.70.60.70.84、2、2液体喷淋密度校核 公称直径为50mm的塑料阶梯环填料 取最小润湿速率为 液气比为最小液气比的1.7倍 所以，符合要求。液气比为最小液气比的1.5倍 所以，不符合要求。液气比为最小液气比的1.2倍 所以，不符合要求。公称直径为38mm的塑料阶梯环填料 取最小润湿速率为 液气比为最小液气比的1.7倍 6.954所以，不符合要求。液气比为最小液气比的1.5倍 8.352所以，不符合要求。液气比为最小液气比的1.2倍 6.681所以，不符合要求。公称直径为25mm的塑料阶梯环填料 取最小润湿速率为 液气比为最小液气比的1.7倍 5.324所以，不符合要求。液气比为最小液气比的1.5倍 5.324所以，不符合要求。液气比为最小液气比的1.2倍4.908所以，不符合要求。通过比较，取液气比为最小液气比的1.7倍，公称直径为50mm的塑料阶梯环填料。 填料规格校核： ， 所以，符合要求。综上，塔径4、3填料层的计算 43.1传质单元高度计算 塔内的液相及气相物性如下： 由化工原理书表2.7查得：在298K，101.33Kpa下，氨气在空气中的扩散系数为 液相扩散系数为： 当T=285K时，； 当T=288K时，又 （与T成正比，与成反比）所以，通过比值可得298K下，气相及液相的流速为： ） 根据修正的恩田关联式可得：气相传质系数为：（其中=1.45）所以， 液相传质系数可按照修正的恩田关联式和填料润湿表面积关联式计算求得， 其中 （其中=75） 得 由此可以计算液相传质系数 = 将得到的传质系数换算成摩尔分数差为推动力的传质系数 其中是水溶液的总摩尔浓度。于是，气相总传质单元高度为： 其中，所以， 考虑到计算公式的偏差，实际上取 43.2传质单元的计算全塔的物料衡算方程为： 依据该方程可以确定吸收塔底水中干的含量为： 于是，可以计算该塔塔底、塔顶以及平均传质推动力分别为： 传质单元数为 43.3填料层高度 由于气液相界面上的浓度不易确定，所以通常以气相或液相总传质单元高度和总传质单元数计算填料层高度及 实际填料层高度取。5、塔附属高度 塔上部空间高度，可取1.2m，液体在分布器的空间高度约为1m，塔底液相停留时间按5min考虑，则塔釜液所占空间高度为 考虑到气相接管所占空间高度，底部空间高度可取1m，所以塔的附属空间高度可以取为。6、液体分布器设计液体初始分布器液体在塔顶的初始均匀喷淋，是保证填料塔达到预期分离效果的重要条件。液体分布装置的安装位置，须高于填料层表面200mm,以提供足够的自由空间，让上升气流不受约束地穿过分布器。根据该物系性质，可选用目前应用较为广泛的多孔型布液装置中的排管式喷淋器。多孔型布液装置能提供足够均匀的液体分布和空出足够大的气体通道（自由截面一般在70%以上），也便于制成分段可拆结构。液体引入排管喷淋器的方式采用液体由水平主管一侧引入，通过支管上的小孔向填料层喷淋。布液孔数 根据氨气的性质可选用管式液体分布器，去布液孔数为100个，则总布液孔数为 个液位保持管高度 取布液孔直径为，则液位保持管中的液位高度有： 则液位保持管高度为 其他尺寸从略。液体再分布器采用百叶窗式液体收集器管式分布器组合使用，所用的管式液体分布器与液体初始分布器具有相同的结构。百叶窗式液体收集器主要由收集器筒、积液板和积液槽组成。积液板由下端带导液槽的倾斜放置的一组挡板组成，其作用在于收集液体，并通过其下的导液槽将液体汇集于积液槽中。积液槽是位于导液槽下面的横槽或沿塔周边设置的环形槽，液体在积液槽中混合后，沿积液槽的中心管进入液体在分布器，进行液相的充分混合和分布。7、填料支撑装置及压紧装置支撑装置 填料支撑装置的作用是支撑填料以及填料层内液体的重量，由于填料支撑装置本身对塔内气液的流动状态也会产生影响，设计时也需要考虑。一般情况下填料支撑装置应满足如下要求： 有足够的强度和刚度，以支持填料及其所持液体的重量（持液量）。 有足够的开孔率（一般大于填料的孔隙率），以防首先在支撑处发生液泛。结构上应有利于气液相的均匀分布，同时不至于产生较大的阻力（一般阻力不大于20Pa）。 机构简单易于加工 制造和安装。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，然后整砌一、二层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。本设计采用驼峰型填料支撑装置。压紧装置 为防止在上升气流的作用下填料床层发生松动或跳动，保持操作中填料床层为一恒定的固定床，从而必须保持均匀一致的空隙结构，使操作正常、稳定，故需在填料层上方设置填料压紧装置。填料压紧装置分为填料压板和床层限制板两大类。对于散装填料，可选用压紧网板，也可选用压紧栅板，在其下方，根据填料的规格敷设一层金属网，并将其与压紧栅板固定；对于规整填料，通常选用压紧栅板。设计中，为防止在填料压紧装置处压降过大甚至发生液泛，要求压紧装置的自由截面积应大于70。床层限定板可以采用与填料压板类似的结构，但其重量较轻。8、气体的塔内分布进口：设计位于塔底的进气管时，主要考虑两个要求：压力降要小和气体分布要均匀。由于填料层压力降较大，减弱了压力波动的影响，从而建立了较好的气体分布；同时，本装置由于直径较小，可采用简单的进气分布装置。填料塔的气体进口装置尽量使气体分散均匀，同时还能防止塔内下流的液体流入气体管路中。常用的办法是使进气管伸至塔的中心线位置,管端为向下的45o切口或向下的缺口。这样气体从切口或缺口处折转向上。直径在1m以下的塔采用如图（a）或（b）所示的结构，气体进口气速，可按设置9、除沫装置气体的出口装置既要保证气流畅通，又要能除去被气体夹带的液体液雾。目前常用的除雾装置有折板除雾器和丝网除雾器。折板除雾器，这种装置较简单，除雾效果较好。丝网除雾器，这种装置效率高，可除去直径大于5um的液滴。 此吸收塔采用折板除雾器。折流板式除沫器是一种利用惯性使液滴得以分离的装置，其结构如图所示。折流板常用的角钢制成能除去以上的液滴，压力降一般为，一般在小塔中使用。 10、吸收塔的流体力学参数计算和校核10、1吸收塔的压力降（1）气体进出口压力降 取气体进出口接管的内径为250mm，则气体的进出口流速近似为 所以，进口压力降为 出口压力降为 （2）填料层压降计算 采用通用关联图计算填料层压降。 横坐标为： 查散装填料泛点填料因子图得 纵坐标为： 查 泛点气速关联图得：填料层压降为： （3）其他塔内件的压力降可忽略。于是得吸收塔的总压力降为： 10、2吸收塔的泛点率泛点率校核： （在0.5到0.8之间）该塔的泛点率符合要求。10、3气体气动因子 吸收塔内气体动能因子为： 气体动能因子在常用的范围内。 11、吸收塔的主要接管尺寸的计算 11、1气体进料管 由于常压下塔气体进出口管气速可取1018，故若取气体进出口流速近似为16m/s，则由公式可求得气体进出口内径为 采用直管进料，由化工原理第三版 王志魁主编 化学工业出版社P381查得选择热轧无缝钢管，则 （在符合范围内） 11、2液体进料管 由于常压下塔液体进出口管速可取，故若取液体进出口流速近似为2.0m/s，则由公式可求得液体进出口内径为 采用直管进料，由化工原理第三版 王志魁主编 化学工业出版社P381查得选择热轧无缝钢管，则 （在符合范围内） 12、设计一览表表吸收塔的吸收剂用量计算总表意义及符号结果混合气体处理量气体相平衡常数进塔气相摩尔分率出塔气相摩尔分率进塔液相摩尔分率最小液气比混合气体平均摩尔质量混合气体的密度混合气体的粘度吸收剂用量表塔设备计算总表意义及符号结果塔径塔高填料层高气相总传质单元高度气相总传质单元数布液孔数个泛点气速泛点率表填料计算总表意义及符号结果填料直径孔隙率填料比表面积填料因子填料常数主要符号说明1、英文字母填料有效传质比表面积（m/m）填料层的润滑比表面积m/m吸收因数;无因次填料直径，mm；填料当量直径，mm扩散系数，m/s； 塔径;亨利系数，KPa重力加速度，kg/(m.h)溶解度系数，kmol /(m.KPa)气相传质单元高度 ，m液相传质单元高度，m气相总传质单元高度，m液相总传质单元高度，m气膜吸收系数, kmol /(m.s.KPa);吸收液质量流速kg/(m.h)液体喷淋密度;相平衡常数，无因次气相传质单元数，无因次液相传质单元数，无因次气相总传质系数，无因次 液相总传质系数，无因次总压，KPa分压，KPa气体通用常数，kJ/(kmol.K)解吸因子温度，0C空塔速度，m/s液泛速度，m/s惰性气体流量，kmol/s混合气体体积流量，m3/s;液膜吸收系数 ，kmol/(m2.s.kmol/m3)气膜吸收系数，kmol/(m2.s)气相总吸收系数kmol/(m.s)液膜吸收系数，kmol/(m2.s)气相总吸收系数，kmol/(m2.s.kpa)液相总吸收系数kmol/(m.s)吸收剂用量kmol/h; kmol/s是吸收液量 kmol/h吸收液质量流量kg/h；吸收液流量，m/s密度kg/ m填料因子， m-1 ;2、下标液相的 气相的1塔底 2塔顶x溶质组分在液相中的摩尔分率 无因次X溶质组分在气相中的摩尔比 无因次y溶质组分在液相中的摩尔分率 无因次Y溶质组分在气相中的摩尔比 无因次Z填料层高度 m Zs填料层分段高度 mmin最小的max最大的3.希腊字母粘度 Pa.s 表面张力 N/m 密度 kg/m313、设计小结本以为这次课程设计时间是相当充足的，但到后来，各科考试接踵而至，设计也只有拖一拖了。开始