化工原理课程设计填料吸收塔的设计.doc

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1、成绩 课 程 设 计 报 告题 目 填料吸收塔的设计 课 程 名 称 化工原理课程设计 专 业 制药工程 目录第一节 前言1.1 设计方案简介.31.1.1设计项目.31.1.2 设计条件.31.1.3 设计内容.31.2 填料塔的主体结构与特点.31.2.1 结构.31.2.2 特点.41.3 吸收剂选择.41.4 填料的选择. .51.5 工艺流程说明.6第二节 平衡关系及物料衡算 2.1 平衡关系.7 2.2 物料衡算.9第三节 填料塔工艺尺寸计算 3.1 塔径的计算.10 3.1.1填料层噴啉密度核算.12 3.2 填料层高度计算12 3.2.1传质单元高度计算.15 3.2.2 传质

2、单元数计算.16 3.3 填料层压降的计算16第四节 填料塔内件的选型和计算 4.1 支承装置17 4.2 分布装置18 4.3 进出口管的计算18 4.4 泵的选取18 注： 1计算结果总表.202填料塔设计主要符号一览.21 3参考文献.23 4后记.24 5 附录25 附件一：塔设备流程图.25 附件二：X-Y相图.25 附件三：塔设备设计图.25第一节 前言1.1 设计方案简介1,1,1 设计项目 回收甲醇的填料吸收塔1.1.2 设计条件 混合气体流量3800m3（标）.h-1 混合气体组分含甲醇6%，空气94%（体积比） 混合气体温度40 吸收率96% 吸收剂温度25 操作压强1at

3、m 1.1.3 设计内容 确定操作流程,绘制流程图 选择吸收剂、填料 确定吸收平衡关系，绘制X-Y图、进行物料衡算 计算塔径、填料层高度 填料层压降核算、喷啉密度核算 附属设备选型和计算 绘制设备图1.2 填料塔的主体结构和特点1.2.1 结构：1.2.2 特点: 填料塔【1】的塔身是一个直立式圆筒，底部有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。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啉到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底流入，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，在填料的表面上，气液两相密切接触进行传质

4、。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液体在分布器两部分，上层填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体在分布器，经重新分布后喷啉到下层填料上。其中填料是填料塔的主要结构，塔的特性主要由他确定。工业上采用填料形式分为散装填料，规整填料和格栅填料。工业上要求填料的传质分离效率高，压降小，气液相通量大。填料流体力学和传质性能的最基本特性为比表面积和空隙率，以及填料干因子。 为了使填料塔的设计获得满足分离要求的最佳设计参数（如理论板数、热负荷等）和最优操作工况（如进料位置、回流比等），准确的计算出全塔各处的组分浓度分布（尤其是腐蚀性组分）、温度分布、气液流

5、率分布等，常采用高效填料塔成套分离技术。而且，20世纪80年代以来，以高效填料及塔内件为主要技术代表的新型填料塔成套分离技术在国内受到普遍重视。由于其具有高效、低阻、大通量等优点，广泛应用于化工、石化、炼油及其它工业部门的各类物系分离。1.3 吸收剂的选择 对填料吸收塔，其吸收装置的流程主要由逆流操作、并流操作、吸收剂部分再循环操作、多塔串联操作和串联-并联混合操作。逆流操作由于其传质平均推动力大，传质速率快，分布效率高，吸收剂利用率高的特点在工业生产中得到广泛应用。吸收过程是依靠气体溶质在吸收剂中的溶解来实现的，因此，吸收剂性能的优劣，是决定吸收操作效果的关键之一，选择吸收剂时应着重考虑以下

6、几个方面。 溶解度 吸收剂对溶质组分的溶解度要大，以提高吸收速率并减少吸收剂的需要量。 选择性 吸收剂对溶质组分要有良好的吸收能力，而对混合气体中的 其他组分不吸收或者吸收甚微，否则不能直接实现有效的分离。 挥发度要低 操作温度下吸收剂的蒸汽压要低，以减少吸收和再生过程中吸收剂的挥发损失。 黏度 吸收剂在操作温度下黏度越低，其在塔内的流动性越好，有助于传质速率和传热速率的提高。 其他 所选用的吸收剂应尽量满足无毒性、无腐蚀性、不易爆燃、不发泡、冰点低、价廉易得以及化学性质稳定等要求。 一般来说，任何一种吸收剂都很难满足以上所有要求，选用时应针对具体情况和主要矛盾，既要考虑工艺要求又兼顾经济合理

7、性。 用水吸收甲醇属易溶解的吸收过程，为提高传质效率，选用逆流吸收过程，因用水作为吸收剂，且甲醇不作为产品，故采用纯溶剂。1.4 填料的选择塔填料(简称为填料)是填料塔中气液接触的基本构件，其性能的优劣是决定填料塔操作性能的主要因素，因此，塔填料的选择是填料塔设计的重要环节。 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。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。工业上，填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。工业生产对填料的基本要求如下： （1）传质分离效率高填料的比表面积a 大，及单位体积填料具有表面积要大，因为它是汽液两相接触传质的

8、基础。 填料表面的安排合理，以防止填料表面的叠合和出现干区，同时有利于汽液两相在填料层中的均匀流动并能促进汽液两相的湍动和表面更新，从而使填料表面真正用于传质的有效面积增大，总体平均的传质系数和推动力增高。 填料表面对于液相润湿性好，润湿性好易使液体分布成膜，增大有效比表面积。润湿性取决于填料的材质，尤其是表面状况。塑料的润湿性比较差，往往需要进行适当的表面处理，金属表面粘着的加工用油脂需经过酸洗或碱洗清除。 (2)压降小，气液通量大 填料的孔隙率大压降就小，通量大。一般孔隙率大，则填料 8 的比表面积小。分离效率将变差。散装填料的尺寸大，孔隙率大，比表面积小，规整填料波纹片的峰高增大，孔隙率

9、大，比表面积也大。如果填料的表面积安排合理，可以缓解a 和的矛盾，达到最佳性能。 减少流道的截面变化，可减少流体的流动阻力。 具有足够的机械强度，陶瓷填料容易破碎，只有在强腐蚀性场合才采用。 重量轻，价格低 具有适当的耐蚀性能。 不被固体杂物堵塞其表面不会结垢。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。表1塔径与填料公称直径的比值Dd的推荐值填料种类D/d的推荐值拉西环D/d2030鞍环

10、D/d15鲍尔环D/d1015阶梯环D/d8环矩鞍D/d8 综上所述：选择塑料鲍尔环DN501.5工艺流程说明采用常规逆流操作流程(图形见附录) 流程说明:混合气体进入吸收塔，与水逆流接触后，得到净化气排放;吸收甲醇后的水若其值符合国家废水排放标准，则直接排入地沟，若不符合待处理之后待处理之后再排入地沟第二节 平衡关系及物料衡算 2.1 平衡关系 CL水在塔温度tm=(塔顶+塔底)/2下的比热 kJ (kmol K)-1f甲醇的微分溶解热，kJkmol-1。f =6310+rr入塔气体温度下甲醇的冷凝潜热，kJkmol-1查化工工艺算图第一册，常用物料物性数据，得吸收剂水的平均比热容CL=75

11、.366 kJkmol取X=0.04，查阅相关资料得到，T1=25，T2=27.2287，由上式计算得出f=43091 kJkmol.对低组分气体吸收，吸收液浓度很低时，依惰性组分及比摩尔浓度计算较方便，故上式可写为： tL=25+(4309175.366)X 由此可依据再根据X的值计算出不同的t值。 亨利系数E的计算 其中t的单位是，E的单位是atm。 一直计算到y*y1为止。 根据任务书：即y*0.06依据上式X取0，X=0.04，求出相应x浓度下吸收液的温度，计算结果列于下表由表中数据可见，浓相浓度x变化0.004时，温度升高2.287，依此求取平衡线。各液相浓度下的吸收液温度及相平衡数

12、据xT(。c)E（atm）my*(10-3)X(10-3)Y*(10-3)0250.2510.2510000.00427.2870.2840.2841.1374.0161.1380.00829.5740.3210.3212.5688.0652.5750.01231.8610.3620.3624.34412.1464.3630.01634.1480.4070.4076.51216.266.5550.0236.4350.4580.4589.1620.4089.2450.02438.7220.5130.51312.31224.5912.4750.02841.0090.5740.57416.07228

13、.80716.3350.03243.2960.640.6420.4833.05820.9080.03645.5830.7140.71425.70437.34426.3820.0447.770.7490.74931.7641.66732.8120.04450.1670.8820.88238.80846.02540.3750.04852.4440.9780.97846.94450.4249.2550.05254.8321.0811.08156.21254.85259.560.05657.0281.1961.19766.96759.23271.874注：（1）平衡关系符合亨利定律，与液相平衡的气相浓

14、度可用y*mX表示； （2）吸收剂为清水，x0，X0；（3）近似计算中也可视为等温吸收。 由前设X值求出液温，依上式计算相应E值，且m，分别将相应E值及相平衡常数m值列于表1中第3、4列。由y*mX求取对应m及X时的气相平衡浓度y*，结果列于表1第7列。根据Xy*数据，绘制XY平衡曲线见附录。 2.2 物料衡算 进塔混合气中各组分的量近似取塔平均操作压强为101.3kPa，故：混合气量3800（）=147.5 kmolh混合气中甲醇量=147.50.06=8.84 kmolh = 8.8432= 282.88 kgh 混合气中空气量=147.5-8.84=138.16 kmolh = 138.

15、1629=4006.64 kgh 进塔气相摩尔比为： 出塔气相摩尔比为：Y2=Y1（1-fA）=0.06383（1-0.96）=0.00256进塔惰性气相流量为：V=（380022.4）（273273+40）（1-0.06） =139.1 kmolh. 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： 因为是纯溶剂吸收过程，进塔液相组成，由上表得到X2*=0.052,所以 Lmin=139.1=164.4 kmolh. 由于操作的液气比的范围为： 选择操作液气比为：L=1.6Lmin=1.6164.4=263 kmolh. =26318=4734 kg/h V（Y1-Y2）

16、=L(X1-X2) X1= VL(Y1-Y2) 且 X2 =0 X1= X1= 0.032 X1= 0.032 x1=0.031 第三节 填料塔工艺尺寸计算【2】【4】3.1 塔径的计算 u =（0.60.8）（化工单元操作及设备P206 16-45） 采用Eckert通用关联图法计算泛点气速 相关计算 塔底混合气流量VS4006.64+ 282.88 =4289.52kgh 液相流量可近似按纯水的流量计算：L=26318=4734 kg/h 埃克特通用关联图进塔混合气密度=1.13 kg(混合气浓度低，可近似视为空气的密度)吸收液密度996.95kg/吸收液黏度0.8973 mPas经比较，

17、选DG50mm塑料鲍尔环(米字筋)。查化工原理教材附录可得，其填料因子=124，比表面积A109 关联图的横坐标值 ()1/2=0.5=0.037 由图查得纵坐标值为0.18即0.2=2=0.0112uF2=0.18 故液泛气速=4 m/s 操作气速 u0.70.74=2.8 m/s (3).塔径=0.579m=579mm 取塔径为0.6m(4)核算操作气速U=3.73 m/s (5)核算径比D/d600/5012，满足鲍尔环的径比要求。 3.1.1 填料层喷淋密度的校核：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。 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

18、积流量。对于直径不超过75mm的散装填料，可取最小润湿速率。最小喷淋密度0.08106.48.512 /(m2h)因 =16.8/(mh) 满足最小喷淋密度要求。3.2 填料层高度计算 算填料层高度，即Z(1)传质单元高度计算=，其中=|（化工单元操作及设备 P209 16-7本设计采用（恩田式）计算填料润湿面积aw作为传质面积a，依改进的恩田式分别计算及，再合并为和。列出备关联式中的物性数据气体性质(以塔底40，101.325kPa空气计)：1.13 kg/ (前已算出)；0.01885 (查附录)；109液体性质(以塔底25水为准)：996.95 kg/；0.8973Pas；=1.344

19、(以式计算)(化学工程手册 10-89)，式中为溶质在常压沸点下的摩尔体积，为溶剂的分子量，为溶剂的缔合因子。716Nm(查化工原理附录)气体与液体的质量流速： LG=4.65VG=4.21 塑料鲍尔环(乱堆)特性：50mm0.05m;A106.4;=40dy/cm=4010-3 N/m;查化学工程手册，第12篇，气体吸收，有关形状系数，=1.45（鲍尔环为开孔环）依式液体表面张力，N/m； 填料上液体铺展开的最大表面张力，N/m。要求C。C的值见表。液体空塔质量通率，kg/(sm2)； ，液体的粘度，Ns/m2和密度，kg/m3。不同填料材质的C值材质C/（mN/m）材 质C/（mN/m）碳

20、56聚乙烯33陶瓷61钢75玻璃73涂石蜡的表面20聚氯乙烯40 =-1.45(0.228)(1.47)(1.52)(0.33)=(-0.243)=1-e-0.243=0.22故=106.40.22=23.41根据KL=0.0051()2/3()1/3()1/3(atdp)0.4式中 液相传质系数，kmol/（m2 s kmol/m3）； 溶液在液相中的扩散系数，m2/s；填料的名义尺寸，m。= =0.005137.268.560.021.06 =0.034 m/s 依式kG= 5.23()0.7()13()(atdp)= =5.23(211.6)(1.15)(4.4610-7)(1.17)

21、=6.6410-4 kmol/(m2SkPa)故=1.6123,41=3.310-3 (m/s)=6.6410-323.41=0.155(2)计算 ，而，H=（化工单元操作及设备 P189 16-21a）。由于在操作范围内，随液相组成和温度的增加。254kPa , =0.218 =414.34=2.4110-3=P=2.4110-3101.3=0.2443.2.1传质单元数计算NOG=（化工单元操作及设备 P209 16-54a）（化工单元操作及设备 P212 16-26）YI-Y1*= YI-mx1=0.064-0.0310.251=0.056Y2-Y2*= Y2-mx2=0.00256-0

22、.0350.0284=0.00157=0.0151m3.2.2传质单元高度计算计算=0.54m填料层高度z计算ZHOG NOG0.542.541.37m则完成本设计任务需Dg50mm塑料鲍尔环的填料层高度z137， 此时选择填料层高度为2m6m 故不需要分段3.3 填料层压降的计算取 Eckert (通用压降关联图)；将操作气速(3.73 m/s) 代替纵坐标中的查表，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：= 0.18 横坐标为： 0.037 根据以上二数值在埃克特图中的点确定塔的操作点， 查图得，此点位于P/Z=150Pa/m与P/Z=200Pa/m两条等压线之

23、间。用内插法估算可求得每米填料层的压强降约为190Pa/m 190Pa/m 全塔填料层压降 =1902=380 Pa第四节 填料塔内件的选型和计算 4.1 支承装置 分为两类：气液逆流通过平板型支承板，板上有筛孔或栅板式;气体喷射型，分为圆柱升气管式的气体喷射型支承板和梁式气体喷射型支承板。 填料压板和床层限制板在填料顶部设置压板和床层限制板。有栅条式和丝网式。 气体进出口装置和排液装置填料塔的气体进口既要防止液体倒灌，更要有利于气体的均匀分布。对500mm直径以下的小塔，可使进气管伸到塔中心位置，管端切成45度向下斜口或切成向下切口，使气流折转向上。对1.5m以下直径的塔，管的末端可制 成下

24、弯的锥形扩大器。气体出口既要保证气流畅通，又要尽量除去夹带的液 沫。最简单的装置是除沫挡板（折板），或填料式、丝网式除雾器。液体出口装置既要使塔底液体顺利排出，又能防止塔内与塔外气体串通，常压吸收塔可采用液封装置。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。4.2 分布装置 1、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2、 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

25、）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。(3) 由于填料高度较小，都不到6m，可不用液体再分布器4.3 进出口管的计算填料塔接管尺寸计算 为防止流速过大引起管道冲蚀，磨损，震动和噪音，液体流速一般为0.53m/s ，气体流速一般为10-30m/s。由于该填料塔吸收在低浓度下进行，故气液体进出口的管径相同。 甲醇与空气混合气体，由于进口气体流量为3800m/h，取u=20m/s， 由公式因此进出管的规格为f26

26、010mm4.4 泵的选取查阅相关书籍及数据，选定得：封头：540mm 塔釜：1330mm喷头高：42mm 喷头弯曲半径：90mm塔釜法兰高：200mm 喷头上方空隙：200mm喷淋高度：72mm 塔顶空隙：1000mm支撑裙座：2000mm支持板：驼形支撑板：300mm2填料压板：丝网压板：100mm2整个塔高：2+0.54+1.33+2+0.2+1+0.6+0.2=7.87m1从进液口至底高： 2选取管道的相关数据，选定：260mm10mm ， 则内径D=0.24m3 25水进口下： 4取管道粗糙度： ， 则相对粗糙度：得：5 总6据化工原理书相关图及数据：选得： 泵型号：IS200-15

27、0-25注： 1.计算结果总表设计名称回收甲醇的填料吸收塔操作压强1atm填料数据种类填料尺寸泛点填料因子压降填料因子空隙率比表面积塑料鲍尔环50500.612494m-10.96109物性数据液相气相液体密度996.95kg/混合气体的平均密度1.13 kg液体粘度0.8973 mPas混合气体的粘度1.9010-5 PaS液体表面张力892731kg/h2混合气体平均摩尔质量29.3g/mol扩散系数1扩散系数1.2510-9m2/s填充系数0.68填充系数3.1物料衡算数据Y1Y2X1X2气相流量G液相流量L最小液气比操作液气比0.0640.002560.03204289.52kgh47

28、34 kg/h1.11.6工艺数据填料类型塔速塔径气相总传质单元数气相总传质单元高度填料层高度填料层压降塑料鲍尔环2.8m/s0.6m2.540.542m380 Pa填料塔附件气体进口管径260mm10mm气体出口管径260mm10mm风机IS100-80-160离心泵IS200-150-2502.填料塔设计主要符号一览 符号 说明 单位塔截面积 m2 气相总传质单元高度 气相总传质单元数 - 以分压差表示推动力的总传质系数 单位体积填料的润湿面积 m2 填料总比表面积 以分压差表示推动力的气膜传质系数 溶解度系数 以摩尔浓度差表示推动力的液摩尔传质系数 气体常数 Dv 、DL氨气在空气中中的

29、扩散系数及氨气在水中的扩散系数 fL 液体的表面张力 fc填料材质的临界表面张力 液体质量通量 kg/(h) 气体质量通量 kg/(h) E 亨利系数 atm 气体的粘度 平衡常数 - 填料形状系数 - 重力加速度 u 操作气速 分别为气体和液体的质量流量 /h 气相总体积传质系数 填料层高度 泛点气速CL 比热kJ (kmol K)-1 吸收液密度kg/ 吸收液黏度mPas混合气体密度 液体空塔质量通率，kg/(sm2) LG 气体质量流速 VG 液体质量流速填料的名义尺寸 m wL 液体质量流量 Wv 气体质量流量（Lw）最小润湿速率 3参考文献【1】 王树楹。现代填料塔技术指南，中国石化

30、出版社，1997，贾绍义，柴诚敬。化工原理课程设计。天津大学出版社2002【2】 柴诚敬，刘国维，李阿娜，化工原理课程设计。天津科学技术，1995.【3】 潘国昌，郭庆丰。化工设备设计。清华大学出版社 1996【4】 大连理工化工原理教研室，化工原理课程设计，大连理工大学出版社，19944后记化工原理课程设计是我们制药工程专业的学生在校进行的第一次设计，现在回想起这一个多星期，近两个星期的课程设计，一路走来，感受颇多。两个星期的课程设计，不仅让自己学到了实践过程，同时进一步加深了对理论知识的记忆与理解，使理论与实践知识都有所提高。也让自己真正感受到对本专业知识的匮乏性。这次课程设计给我提供了一

31、个锻炼自己的平台。让我了解到在整个设计环节中要努力去发现问题，研究问题，解决问题，提高了自己查找资料的动手能力，不能抱有侥幸心理，要脚踏实地的完成任务，始终抱着一个科学严谨的态度。尽管困难摆在眼前，但只要有了明显的目标，自己的信心便得到了维持和加强，自觉的去克服困难，努力达到目标。这次报告的顺利完成离不了同学的帮助，离开不了老师的指导，为了一个问题，同学们一起讨论，查阅资料。用了这么长的电脑，可是设计时word中的有些操作还是不太灵敏，真正让我感受到学以致用的意义所在了，本次设计对电脑的要求较高些，当初自己学CAD时就没学好，这次对自己来说挑战还真挺大的。现在这个设计渐渐接近尾声了，自己心里还是挺开心，花了这么久，通过自己的努力，做出了自己人生中的第一个几十页的课程设计，自豪感不可缺少的。在不段的反复中走过来,有过失落,有过喜悦,这已不重要了,重要的是短短的10天,磨历炼了我的心志,考验了我的能力,也证明了自己,也发现了自己的不足.为自己大四的毕业设计打了坚实的基础！5附录附件一：X-Y相图路走来,感受颇多.不断的穿梭于大师们的思想缝附件二：塔设备流程图附件三：塔设备设计图