最终版_化工原理课程设计

1、水吸收氨课程设计目 录第一节前言51.1 填料塔的主体结构与特点51.2 填料塔的设计任务及步骤51.3 填料塔设计条件及操作条件5第二节填料塔主体设计方案的确定62.1 装置流程的确定62.2 吸收剂的选择62.3填料的类型与选择 6填料种类的选择62.3.2 填料规格的选择 6填料材质的选择 72.4 基础物性数据72.4.1 液相物性数据72.4.2 气相物性数据72.4.3 气液相平衡数据 82.4.4 物料横算8第三节填料塔工艺尺寸的计算93.1塔径的计算93.2填料层高度的计算及分段1.0.3.2.1 传质单元数的计算 .1.1.填料层的分段 1.3.3.3填料层压降的计算 13.

2、第四节 填料塔内件的类型及设计 13.4.1塔内件类型13.4.2塔内件的设计13.4.2.1 液体分布器设计的基本要求： 134.2.2 液体分布器布液能力的计算14注： 141填料塔设计结果一览表 1.4.2填料塔设计数据一览 1.4.3参考文献17.4后记及其他17.附件一：塔设备流程图 1.8.附件二：塔设备设计图 19.化工学院关于专业课程设计的有关要求（草案）专业课程设计是学生学完专业基础课及专业课之后，进一步学习工程设计的基础知识，培养学生工程设计能力的重要教学环节， 也是学生综合运用相关课程知识， 联系 生产实际，完成以单元操作为主的一次工程设计的实践。为了加强我院本科学生专业

3、课 程设计这一重要实践教学环节的规范化管理，保证专业课程设计工作有序进行及教学质 量，特制定专业课程设计的有关要求并请遵照执行。一、选题要求选题应以单元操作的典型设备为对象，进行单元操作过程中相关的设备与工艺设计，尽量从科研和生产实际中选题。 为了保证专业课程设计的质量和工作量， 选题要求 1人1题。二、设计说明书文本要求（一）、字数要求：2000字以上（二）、打印要求：用A4纸打印；左边距3厘米、右边距2厘米、上边距3厘米、 下边距2.5厘米；行距20磅；页码居中字体、字号要求（包括装订顺序）1、封面由学院统一制定格式2、设计任务书3、目录（宋体、4号），其余（宋体、小4号）4、正文（宋体、

4、小4号字）、一级标题（宋体、3号字、加粗）、二级标题（宋体、 4号字、加粗）正文内容主要包括：概述与设计方案简介；设计条件及主要物性参数表；工艺设计 计算（内容较多，应根据设计计算篇幅适当划分为若干小节，使之条理清晰） ；辅助设 备的计算及选型；设计结果汇总表（物料衡算表，设备操作条件及结构尺寸一览表） ； 设计评述（设计的评价及学习体会）。5、参考文献（宋体、5号字）6、附录：设计图纸（工艺流程图与主体设备装配图）三、考核方式及成绩评定专业课程设计的考核与成绩评定由指导教师进行。考核内容：考勤、计算草稿或笔记、说明书和图纸的质量，独立完成设计情况。化工学院二一年十二月一日第一节 前言1.1填

5、料塔的主体结构与特点结构:液体捕沫器填料压板塔壳填料填料支承板液体再分布器填料压板填料支承板气体图1-1填料塔结构图填料塔不但结构简单，且流体通过填料层的压降较小，易于用耐腐蚀材料制造，所 以她特别适用于处理量肖，有腐蚀性的物料及要求压降小的场合。液体自塔顶经液体分 布器喷洒于填料顶部，并在填料的表面呈膜状流下，气体从塔底的气体口送入，流过填 料的空隙，在填料层中与液体逆流接触进行传质。因气液两相组成沿塔高连续变化，所 以填料塔属连续接触式的气液传质设备。1.2填料塔的设计任务及步骤设计任务：用水吸收空气中混有的氨气设计步骤：（1）根据设计任务和工艺要求，确定设计方案；（2）针对物系及分离要求

6、，选择适宜填料；（3 ）确定塔径、填料层高度等工艺尺寸（考虑喷淋密度）；（4 ）计算塔高、及填料层的压降；（5）塔内件设计。1.3填料塔设计条件及操作条件1. 气体混合物成分：空气和氨2. 空气中氨的含量：5.0%（体积含量即为摩尔含量）3. 混合气体流量6000m3/h4. 操作温度293K5. 混合气体压力101.3KPa6. 回收率99 %7. 采用清水为吸收剂8. 填料类型：采用聚丙烯鲍尔环填料第二节精馏塔主体设计方案的确定2.1 装置流程的确定本次设计采用逆流操作：气相自塔低进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出, 即逆流操作。逆流操作的特点是：传质平均推动力大，传质速率快，分离效

7、率高，吸收剂利用率 高。工业生产中多采用逆流操作。2.2 吸收剂的选择因为用水做吸收剂，故采用纯溶剂。2-1工业常用吸收剂溶质溶剂溶质溶剂氨水、硫酸丙酮蒸汽水氯化氢水二氧化碳水、碱液二氧化硫水硫化氢碱液、有机溶剂苯蒸汽煤油、洗油一氧化碳铜氨液2.3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。填料种类的选择本次采用散装填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料、 环鞍形填料及球形填料等。鲍尔环是目前应用较广的填料之一，本次选用鲍尔环。填料规格的选择工业塔常用的散装填料主要有 Dn 16D n25D n38 D n76等几种规格。同类填料,尺

8、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。表3-1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/d>8环矩鞍D/d>8填料材质的选择工业上，填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类聚丙烯填料在低温（低于0度）时具有冷脆性，在低于0度的条件下使用要慎重，可选 耐低温性能良好的聚氯乙烯填料。综合以上：选择塑料鲍尔环散装填料Dn502.4基础物性数据

9、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。由手册查得20 C水的有关物性数据如下：. l 998.2kg/m32.黏度：i0.001 pa.s 3.6kg /m.h3.表面张力为 z72.6dyn / cm 940896kg / h4.20 CNH3:H0.725kmol / m3 kpa5.20 CNH3:Di7.34 10 6m出他气相摩尔比为/h6.20 CNH3:Dv220.225cm / s m /h2.4.2气相物性数据1.混合气体的平均摩尔质量为Mvmym 0.06 17.0304 0.94 29 28.28182.混合气体的平均密度vmPM VMRT1

10、01.3 28.28188.314 2931.1761kg 人3(2-1)(2-2)R=8.314 m3 KPa / kmol K3.混合气体黏度可近似取为空气黏度。查手册得20 C时，空气的黏度551.73 10 pa s 6228 10 kg/m h注：1N2 21kg m/s 11 Pa 1N / m21kg /s m 1Pa.s=1kg/m.s气液相平衡数据由手册查得，常压下，20 0C时，NH 3在水中的亨利系数为 E=76.3kpa2O0C时,NH3在水中的溶解度：H=0.725kmol/m相平衡常数：m -0.7532(2-3)PH溶解度系数：998.2/76.3 18.02EM

11、s30.726kmol/kpa m(2-4)(2-5)3.丫2 丫1(1A)0.06383 (1 0.99)0.0006383(2-6)进塔惰性气体流量:V6000273(1 0.6)234.599kmol h22.4273 20h(2-7)物料横算1. 进塔气相摩尔比为y10.06Y110.063831 y11 0.06 2为该吸收过程为低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比按下式计算。即:min丫 丫2丫 /m X2(2-8)所以：uF/9.81(100/0.917 3) (1.1836/998.2 ) =0.246053756UF=3.974574742m/s因为是纯溶剂吸收过程，进塔液

12、相组成 X20所以0.06383 0.00063830.063830.7530.7456选择操作液气比为72676(2-9 )L=1.2676356 X234.599=297.3860441kmol/h因为 V(Yi-Y2)=L(X 1-X2)Xi 0.0498第三节填料塔工艺尺寸的计算填料塔工艺尺寸的计算包括塔径的计算、填料能高度的计算及分段3.1塔径的计算1. 空塔气速的确定泛点气速法贝恩（Ba in ）霍根（Hougen )关联式，即:ig2Ufa1V3L =A-KwLgLWv2即：ig上旦（-1003）丄 1836 俨0.09421.75对于散装填料，其泛点率的经验值u/u f =0.

13、50.851 49.81 0.917998.2(3-1 )3202.594734.41.1836998.2其中：Uf泛点气速，m/s;g重力加速度，9.81m/s23t填料总比表面积，m / m填料层空隙率m3/m3l 998.2kg/m3液相密度。v 1.1836kg/m3气相密度Wl=5358.89572 kg /hWv=7056.6kg/hA=0.0942 ;K=1.75 ;取 u=0.7 uF =2.78220m/sD4 60003.14 2.7820 36000.7631(3-2)圆整塔径后D=0.8m1.泛点速率校核：u60000.785 0.82 36003.3174 m/suU

14、F3.31743.97460.8346则一在允许范围内uf2. 根据填料规格校核：D/d=800/50=16 根据表3-1符合3. 液体喷淋密度的校核：(1) 填料塔的液体喷淋密度是指单位时间、单位塔截面上液体的喷淋量(2) 最小润湿速率是指在塔的截面上，单位长度的填料周边的最小液体体积流量 对于直径不超过75mm的散装填料，可取最小润湿速率 Lw min为0.08m3/m h。(3-3)UminLw min t 0.081008m/ m? hwLL 0.75 D25358.8957998.2 0.785 0.8210.6858 min(3-4)经过以上校验，填料塔直径设计为 D=800mm

15、合理。3.2填料层高度的计算及分段(3-5)Y* mX10.04985 0.75320.03755(3-6)321传质单元数的计算用对数平均推动力法求传质单元数(3-7)(3-8)NYY2NogYmY Y*(丫2 YdIn -r丫2 丫2=0.06383 0.0006383 0.03755='0.02627In0.0006383=0.006895质单元高度的计算气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算:0.750.1-1 expw1.45Uiu22 -Lg0.05Ui/ L V0.2(3-9 )即：aw/ a =0.37404748液体质量通量为:uL =WL/0.785X0.8 X

16、0.8=10666.5918kg/(m2 ?h)气体质量通量为:uv =60000 X1.1761/0.64=14045.78025kg/(m ?h)气膜吸收系数由下式计算:kc0.237(H)0.7v/ v Dv 勺t vt DvRT(3-10 )=0.237(14045.78025十100.6228 X10-5)0.7(0.06228 P.081 十 1.1761)0.3(100 X0.081 十8.314 -293)=0.152159029kmoI/( m h kpa)液膜吸收数据由下式计算:Kl 0.0095 旦=0.566130072m/h因为1.45KgKg w 1.1Kl因为：U

17、 ufLLDL0.15215X0.3740=8.565021kmol/(m3 h kpa)XX100Kl w 0.4 =0.56613 X100 X0.37404 X=24.56912/h=0.8346所以需要用以下式进行校正:1.4kG1 9.5 0.5kGUf=1 + 9.5(0.69999 - 0.5)1.4 8.56502=17.113580 kmol/(m3 h kpa)2.2K'1 2.6 0.5kLUF=1 + 2.6 (0.6999 - 0.5)2.2 24.569123=26.42106/hKg11 1KgHKL=1 十(1 十17.1358+1 -X).725 -2

18、6.4210)=9.038478 kmol/(m3 h kpa)H OGVKyVKg P=234.599 十9.03847 -101.3 -).785 ).64=0.491182 mZ H og nog=0.491182 X9.160434=4.501360m,得(3-11 )(3-12 )(3-13 )(3-14 )(3-15 )(3-16 )(3-17 )(3-18 )Z'=1.4 X4.501=6.30m323填料层的分段对于鲍尔环散装填料的分段高度推荐值为h/D=510h=5 X800 10 X800=4 8 m计算得填料层高度为7000mm ,故不需分段3.3填料层压降的计算

19、取Eckert (通用压降关联图)；将操作气速u'(二2.8886m/s)代替纵坐标中的uF查 表，DG50mm 塑料鲍尔环的压降填料因子=125代替纵坐标中的.则纵标值为:V? 0.2=0.1652L(3-19)横坐标为：°.50.5Wlv5358.89572 1.1761Wl7056.6998.2=0.02606(3-20)查图得981Pa/m(3-21)全塔填料层压降P =981 X7=6867 Pa至此，吸收塔的物科衡算、塔径、填料层高度及填料层压降均已算出第四节填料塔内件的类型及设计4.1塔内件类型填料塔的内件主要有填料支撑装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体收集

20、再 分布装置等。合理的选择和设计塔内件，对保证填料塔的正常操作及优良的传质性能十 分重要。4.2塔内件的设计液体分布器设计的基本要求：(1) 液体分布均匀(2) 操作弹性大(3) 自由截面积大(4) 其他液体分布器布液能力的计算(1) 重力型液体分布器布液能力计算(2) 压力型液体分布器布液能力计算注：(1)本设计任务液相负荷不大，可选用排管式液体分布器；且填料层不高，可不设液 体再分布器。(2)塔径及液体负荷不大，可采用较简单的栅板型支承板及压板。 其它塔附件及气液 出口装置计算与选择此处从略。注：1填料塔设计结果一览表塔径0.8m填料层高度7m填料规格50mm鲍尔环操作液气比1.26763

21、561.7倍最小液气比校正液体流速2.78220/s压降6867 Pa惰性气体流里234.599kmol/h2填料塔设计数据一览E亨利系数,uV 气体的粘度，1.73 10 5 Pa/s=6228 10 5kg/m.hm 平衡常数0.7532水的密度和液体的密度之比1g 重力加速度，m /S 9.81 =1.27108m/hV； L分别为气体和液体的密度，1.1836 kg/m ； 998.2 kg /m ；Wl -5358.89572 kg /h W -7056.6kg/h 分别为气体和液体的质量流量KYa气相总体积传质系数，kmOl/ m3 SZ 填料层高度，m-D2塔截面积，4H OG

22、气相总传质单元高度，mNog 气相总传质单元数2Kg以分压差表示推动力的总传质系数，kmol/ m s kPaaW 单位体积填料的润湿面积t 填料总比表面积， m2/m3100填料层空隙率m3/m3 91.7%2kG以分压差表示推动力的气膜传质系数，kmOl/ m S kPa2.kmol/ m kPaH 溶解度系数，0.725kL 以摩尔浓度差表示推动力的液摩尔传质系数，m/sR -袜8.314kN m/ kmol KR气体常数，Dv 0.081m / h; Dl 7.34 10 m /h 氨气在空气中中的扩散系数及氨气在水中的扩散系数；2l液体的表面张力，=940896kg / hc填料材质的临界表