化工原理设计.docx

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1、内蒙古科技大学本科生课程设计说明书题目：空气处理量4200Nm3/h3的填料吸收设计学生姓名：学 号：专 业：班 级：指导教师：摘要空气-氨气混合气填料吸收塔设计任务为用水吸收氨气常压填料塔，即在 常压下，从含氨气30%、温度30C的混合气体中用12C的吸收剂清水在填料吸 收塔中吸收氨气的单元操作。设计主要包括设计方案的确定、填料选择、工艺计 算等内容，其中整个工艺计算过程包括确定气液平衡关系、确定吸收剂用量及操 作线方程、填料的选择、确定塔径及塔的流体力学性能计算、填料层高度计算、 附属装置的选型以及管路及辅助设备的计算，在设计计算中采用物料衡算、亨利 定律以及一些经验公式，该设计的成果有设

2、计说明书和填料吸收塔的装配图。关键词：空气-氨气填料塔填料吸收塔吸收塔 塔设备目录第一章任务及操作条件5第二章设计方案的确定52.1设计方案的内容52.1.1 流程方案的确定52.1.2 设备方案的确定52.2流程布置62.3 收剂的选择62.4操作温度和压力的确定7第三章填料的选择73.1填料的种类和类型73.1.1散装填料73.1.2 规整填料83.2填料类型的选择83.3填料规格的选择83.4填料材质的选择8第四章工艺计算94.1物料计算94.1.1进塔混合气中各组分的量94.1.2 混合气进出塔的摩尔组成104.1.3 混合气进出塔摩尔比组成104.1.4 出塔混合气量104.2气液平

3、衡关系104.3 吸收剂（水）的用量Ls104.4 塔底吸收液浓度X1114.5 操作线114.6塔径计算114.6.1采用Eckert通用关联图法（图2）计算泛点气速124.6.1.1有关数据计算124.6.1.2关联图的横坐标值124.6.1.3关联图的纵坐标值124.6.2操作气速124.6.3 塔径134.6.4核算操作气速134.6.5核算径比134.6.6喷淋密度校核134.7填料层高度计算144.7.1 传质单元高度计算144.7.2 计算154.7.3 计算164.7.4 传质单元数计算164.7.5 填料层高度z计算164.8填料层压降计算16第五章填料吸收塔的附属设备175

4、.1填料支承板175.2填料压板和床层限制板175.3气体进出口装置和排液装置17第六章辅助设备的选型176.1管径的计算176.2泵的选型176.3风机的选型17附录20参考文献22致谢24空气处理量为4800Nm3/ h第一章任务及操作条件混合气（空气、氨气）处理量：4800 m3/h。进塔混合气含氨气30%（体积分数）；原料气温度:30C；吸收剂；地下水（温度为12C）；尾气含氨：2%；操作压力：101.33kpa第二章设计方案的确定2.1设计方案的内容2.1.1流程方案的确定常用的吸收装置流程主要有逆流操作、并流操作、吸收及部分再循环操作、 多塔串联操作、串联一并联操作，根据设计任务、

5、工艺特点，结合各种流程的优 缺点，采用常规逆流操作的流程，传质平均推动力大，传质速率快，分离效率高， 吸收及利用率高。2.1.2设备方案的确定本设计要求的是选用填料吸收塔，填料塔是气液呈连续性接触的气液传质设 备，它的结构和安装比板式塔简单。它的底部有支撑板用来支撑填料，并允许气 液通过。支撑板上的填料有整砌或乱堆两种方式。填料层的上方有液体分布装置， 从而使液体均匀喷洒在填料层上。液体再 分布器塔顶取样IN廉计离心豪/排入地沟一塔底取样图1.1常规逆流操作流程图2.2流程布置吸收装置的流程布置是指气体和液体进出吸收塔的流向安排。本设计采用的 是逆流操作，即气相自塔底进入由塔顶排出，液相流向与

6、之相反，自塔顶进入由 塔底排出。逆流操作时平均推动力大，吸收剂利用率高，分离程度高，完成一定 分离任务所需传质面积小，工业上多采用逆流操作。2.3收剂的选择吸收剂性能的优劣是决定吸收操作效果的关键之一，吸收剂的选择应考虑以 下几方面：(1) 溶解度：吸收剂对溶质的溶解度要大，以提高吸收速率并减少吸收剂的 用量。(2) 选择性：吸收剂对溶质组分有良好的溶解能力，对其他组分不吸收或甚 微。(3) 挥发度：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的 挥发损失。(4) 粘度：吸收剂在操作温度下粘度要低，流动性要好，以提高传质和传热 速率。(5) 其他：所选用的吸收剂尽量要无毒性、无腐蚀性、

7、不易爆易燃、不发泡、 冰点低、廉价易得及化学性质稳定一般来说，任何一种吸收剂都难以满足以上所有要求，选用是要针对具体情 况和主要因素，既考虑工艺要求又兼顾到经济合理性。2.4操作温度和压力的确定(1) 温度：低温利于吸收，但温度的底限应由吸收系统决定，本设计温 度选25 C(2) 压力：加压利于吸收，但压力升高操作费用、能耗增加，需综合 考虑，本设计采用常压。第三章填料的选择3.1填料的种类和类型工业上填料按形状和结构可分为散装填料和规整填料两类：3.1.1散装填料以随机的方式堆积在塔内，以下是几种典型的散装填料：拉西环填料 最早的工业填料，但因性能较差，目前工业上已经很少使用鲍尔环填料 是在

8、拉西环基础上的改进，利用率有了很大提高阶梯环填料 对鲍尔环的改进，为目前所使用的环形填料最为优良的一种弧鞍 填料 一般采用瓷质材料，易碎，工业中不常用环矩鞍填料集环型与鞍型优点，是工业应用最广的一种金属散装填料3.1.2规整填料以一定的几何形状，整齐堆砌，工业用多为波纹填料，其优点是结构紧凑、 传质效率高、处理量大，但不易处理粘度大或有悬浮物的物料，且造价高。3.2填料类型的选择根据分离工艺的要求，考虑以下因素：(1) 传质效率 在满足工艺条件的前提下，选用传质效率高，即HETP(或HTU) 低的填料。(2) 通量保证较高的传质传质效率前提下，选用有较高泛点或气相动能因子 的填料。(3) 填料

9、层压降压降越小，动力耗费越少，操作费用越小。(4) 操作性能填料具有较大操作弹性，且具有一定的抗污堵、抗热敏能力等。3.3填料规格的选择(1) 散装填料 常用主要有气16、Dn 25、Dn 38、Dn 50、D 76等几种规格。一般推荐：D 300时，选25 mm的填料；300mm D 900mm时，选用50 - 70mm的填料，但一般大塔中常用50mm的填料。(2) 规整填料从分离要求、通量要求、场地条件、物料性质及设备投资、操 作费用等方面综合考虑，既考虑工艺要求又兼顾到经济合理性。3.4填料材质的选择(1) 陶瓷具有耐腐性及耐热性，但质脆、易碎，不宜高冲击强度下使用。(2) 金属 碳钢对

10、低腐蚀无腐蚀物系优先考虑，不锈钢耐Cl -以外物系腐蚀，特种合金钢价格高，只在特殊条件下使用(3) 塑料 主要包括PP(聚丙烯)、PE(聚乙烯)、PVC(聚氯乙烯)等，一般采 用PP(聚丙烯)材质。塑料耐腐蚀性、耐低热性好，但具有冷脆性，表面润湿性 较差。一般讲，操作温度较高但无显著腐蚀性时，选用金属填料；温度较低选用 塑料填料；物系具有腐蚀性、操作温度高，宜采用陶瓷填料。由于本设计吸收过程会产生很大的热效应，压强采用常压，所以选用陶瓷 填料。第四章工艺计算4.1物料计算4.1.1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：，一/ 273 1混合气量 n= 2800 x

11、= 110.80 kmol / h1273 + 35 ) 22.4混合气中氨气量 n = 110.80x0.00182 =2.02 kmol / hm = 2.02x58 = 117.16(kg/h)查化工原理附录，35C饱和水蒸气压强为5623. 4Pa，则每kmol相对湿度为70%的混合气中含水蒸气量=0.0404 kmol水气/ kmol (空气十氨气)混合气中水蒸气含量 n= Z5623.4X 0.7 =4.30kmol / h101.3 x 103 - 0.7 x 5623.4m=4.30x18 = 77.40 kg / h混合气中空气量 n=110.80 一 2.02 一 4.30

12、 = 53.93kmol / hm= 104.48x29 = 3029.92 (kg / h)4.1.2混合气进出塔的摩尔组成y = 0.01822.02（1 - 0.9 ）y = 0.0 0 17 52 110.80 + 4.30 + 2.02（1 - 0.9）4.1.3混合气进出塔摩尔比组成若将空气与水蒸气视为惰气，则惰气量 n= 110.80+4.30= 115.1kmol / hm=3029.92+277.40=3107.32 kg / h2 02Y = 0.0175kmol 氨气 / kmol 惰气2115.1=0.00175 kmol 氨气 / kmol 惰气 4.1.4出塔混合气

13、量出塔混合气量二 119.67 + 4.92 + 2.304 x0.1 = 124.8164 kmol / h4.2气液平衡关系当xV0.1, t=1545C时，氨气溶于水其亨利常数E可用下式计算:1gE=9.171 一2040 /（t 十 273）液相温度 t = 25 C 时 E=211.54 kPam = E = 2.088PH=0.262EMS该系统的相平衡关系可以表示为y*=mX=2.008X43吸收剂（水）的用量Ls最小吸收剂用量（妇 Y - Y=2-V ） . X:- X 2X *=匕=0.00175 = 0.00838X = 01 m 2.0882=1.8795(L )0.01

14、75 - 0.00175=IV )0.00838 - 0minLi = 1.8795 x 115.1 = 216.33kmol/h一般，根据生产经验，吸收剂的用量L= (1.12.0) Lmin，故取安全系数为1.5，贝U L=1.5 L i =324.50 kmol / h=5840.9 kg/h4.4塔底吸收液浓度X1依物料衡算式:V (Y - Y )= L ( X - X )B 12 S 12=0.00559V 115.1 x 0.0175 + 0 -115.1 x 0.00175.X 1324.504.5操作线依操作线方程式：L ( L 324.50Y X + Y2 - vX2) =

15、115 1 X + 0.00175 Y=2.819 X+0.001754.6塔径计算塔底气液负荷大，依塔底条件（混合气35C），101.3kPa，吸收液25C计算D=匕兀营uu = (0.60.8) U F4.6.1采用Eckert通用关联图法计算泛点气速uF4.6.1.1有关数据计算塔底混合气流量 V5 = 3029.92+117.16+77.40=3224.48 kg / h 吸收液流量L=5840.9 十 2.02 x0.9 x58=5165.2 kg / h进塔混合气密度=29 x 273 =1. 148 kg / m322.4 273 + 35（混合气浓度低，可近似视为空气密度）3

16、查化工原理附录吸收液密度=996.7kg / m吸收液黏度=0.8543mPa.s 经比较，选D=50mm塑料鲍尔环（米字筋）。查化工原理教材附录可知其主要 性能参数有，填料因子=12。刃，比表面积七=106.4 m2 /m312 =0.061534.6.1.2关联图的横坐标值5836.34 (1.148 )3224.48 996.7 /4.6.1.3关联图的纵坐标值由图查得纵坐标值为0.17日 0.2 =0.01364 u2 =0.17故液泛气速广53峪 4.6.2操作气速的确定u = 0.5 u =0.5x3.53 =1.765m/sf4.6.3塔径的计算=0.7492m = 749mmE

17、 =4 X 28。兀u 3600 x 3.14 x 1.765取塔径为0.8m( = 800mm) 4.6.4核算操作气速u=28 X 4= 1.55 m/s u故满足要求。3600 x 3.14 x 0.82F4.6.5核算径比D/d=800/50 =16，满足鲍尔环的径比要求。4.6.6喷淋密度校核填料的最小润湿速率(MWR)为(l ) . = 0.08 m3 / (m*h)最小喷淋密度 U . =0.08x106. 4 = 8. 512 m3 / (m*h)因 U =5840.9 X 4=11.66 m3 / (mh)996.7 x 3.14 x 0.82故满足最小喷淋密度要求。4. 6

18、.7单位填料程压降(AP )的校核Z在压降关联图中取横坐标值0.0615，将操作气速(=1. 55m/s)代替纵坐标中的查表，D=50mm塑料鲍尔环(米字筋)的压降填料因子4 =125代替纵坐标 p中的4 .则纵标值为:1.552 x 125 (1.148、9.811996.7 )0.85430.2 = 0.0443查图3-4得Ap / z = 30 x 9.81 = 294.3Pa / m 填料询/ z在145-490 Pa / m填料范围内，故满足要求。4.7填料层高度的确定计算填料层高度，即Z= HogNog4.7.1传质单元高度H计算OGU111 ,一 -一一 一Hog = K Q，其

19、中KYa = KGaP 犬 =:+钦 ，本设计米用（恩田YG GL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七及屋, 再合并为k和匕。列出备关联式中的物性数据气体性质（以塔底35C, 101.325kPa空气计）：Pg = 1.148 kg/ m3 （前已算出）匕=0.01885X 10-3 Pas （查化工原理附录）D = 1. 09X 10-5 m2 /s （依翻 Gilliland 式估算）液体性质（以塔底25C水为准）：p =996.7 kg/ m3rl = 0. 8543x10-3 PasD广1.344 X 10-9 m 2 / s （以D= 74*1 一:.气*

20、式计算）（化学工程手 *l a册10-89）,式中Ua为溶质在常压沸点下的摩尔体积，ms为溶剂的分子量，P为溶剂的缔合因子。l =71. 6X 10-3N/m（查化工原理附录）。气体与液体的质量流速：了 5840.9 x4 aw/J/）L = 3.23kg / m2 / s7g 3600 x 3.14 x 0.82=1.78kg / m2 / s3224.48 x 4 V,=g 3600 x 3.14 x 0.82塑料鲍尔环（乱堆）特性：-d =50mm=0. 05ma = = 106. 4 m2 /m3。=40dyn / cm = 40 x 10 -3 N / m中=1.45 （鲍尔环为开孔

21、环）依式计算有效面积aw、0.75 f0.1, r 八 A-0.05 - Y - Y* Y - Y*2112222AYm-Y *)-Y - Y *)1 Y* - Y*2ln 1-Y2 - Y2*Y * =2.088X=2.088 x 0.00559=0.01171Y *=02AYm-Y *)-Y - Y *)412A = AY一 Y * - Y *mY2 - y*(0.0175 - 0.0117)(0.00175 - 0)=0.00671i 0.0032In0.00175NOG0.0175 - 0.00175=2.350.006714.7.5填料层高度z的计算Z=Hg Nog =0.9676

22、x 2.35=2.28m根据设计经验，填料层的设计高度为Z =1.3Z=3.0 m，故取实际填料层高度取为3m 。第五章填料吸收塔的附属设备5.1填料支承板分为两类：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。5.2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。5.3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

23、成下 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，可选水平排管式液体分布器；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，可采用较简单的梁式支承板及压板。(3) 为防止液体随气相带出，在塔顶设一丝网除沫器。第六章辅助设备的选型6.1管径的计算进气管与混合液出气管：进气为常压气体取u=15m/sd4X 2800= 0.257 m3600 x 3.14 x 15取壁厚5 =8m

24、m 查附录选外径为273mm的无缝钢管。进水管与混合液出口管：清水（常压）取u=2.0 m/s5840.93600 x 996.7=0.001628 m 3/sd=：4 x 0.00168 3.14 x 2=0.032m轴功率1.26kW核算泵的轴功率:电机功率2.2 kW必需汽蚀余量（NPSH） ,=2.5mHQp 102q10 x 5.86 x 1102 x 60%=0.95kW故满足要求取壁厚5 =8mm 查附录选外径为50mm的无缝钢管。6.2泵的选型水的流量 Q = 5840.9 = 5.86m 3/hS 996.7依伯努利方程 压头 H=（Z2 - Z1）+ + H亍=10m查化工

25、原理图2-28 IS型水泵系列特性曲线可选用IS-50-32-125规格的泵，其性 能有：流量 Q=15 m3 /h转速2900r/min 扬程 H=18.5m 效率门=60%6.3风机的选型Q=2800 m 3/hH, =（P - P ）+-PU2 =0+1.147 x 152 =129PaT 2122(12 12丑广hhdx而=123皿查化工原理附录选取机号为6C转速为800r/min4-72-11型离心通风机，其性能参数有：全压系数0.411全压294.2Pa流量系数0.220 流量5610m3/h效率91% 所需功率0.73kW附录主要符号说明E一亨利系数，atmm 一平衡常数H g

26、一气体的粘度，pa /，g 一重力加速度，m2/ sPg,P 一分别为气体和液体的密度，炫/mW 一水的密度和液体的密度之比Z 一填料层高度，mHog 一气相总传质单元高度，mKg 一以分压差表示推动力的总传质系数Nog 一气相总传质单元数 kmol / (m2 - s - kPa )Wg,吧一分别为气体和液体的质量流量，k /s K气相总体积传质系数，kmo1 /(m3 -s)_ 兀 O = D 2Q 一塔截面积，4七一单位体积填料的润湿面积kG -以分压差表示推动力的气膜传质系数，kmO1 / (m2 S kPa ) H 一溶解度系数，kmo1 /(m2 -kPa)kL 以摩尔浓度差表示推

27、动力的液摩尔传质系数，m/sGg 气体通过空塔截面的质量流速，kg (m S)A 气体常数，8.314kN m/ K)Dg 溶质在气相中的扩散系数，m 2/ s附表表1直塔径与填料公称径的比值D/d的推荐值填料种类D/d的推荐值拉西环D/dA2030鞍环D/d315鲍尔环D/d31015阶梯环D/d8环矩鞍D/d8表2散装填料泛点填料因子平均值填料类型填料因子，1/mDN16DN25DN38DN50DN76金属鲍尔环410117160金属环矩鞍170150135120金属阶梯环160140塑料鲍尔环55028018414092塑料阶梯环260170127瓷矩鞍1100550200226瓷拉西环

28、1300832600410表3常见材质的临界表面张力值材质碳瓷玻璃聚丙烯聚氯乙烯钢石蜡表面张力，mN /m56617333407520表4常见填料的形状系数填料类型球形棒形拉西环弧鞍开孔环中值0.720.7511.191.45表5散装填料分段高度推荐值填料类型h/DHmax/m拉西环2.5W4矩鞍58W6鲍尔环510W6阶梯环815W6环矩鞍515W6图2通用压降关联图参考文献【1】夏清，陈常贵主编 化工原理（上、下册）天津：天津大学出版社2005【2】化工原理课程设计自编讲义2007【3】董大勤编化工设备机械基础北京：化学工业出版社2003【4】匡玉柱、史启才主编化工单元过程设备课程设计（第

29、二版）北京：化学工业出版社 2008【5】朱有庭、曲文海、于浦义主编化工设备设计手册北京：化学工业出版社2004【6】路秀林，王者相编著塔设备北京：化学工业出版社2004致谢本次课程设计经过两周的时间得以完成。通过本次课程设计，使我对从填料 塔设计方案到填料塔设计的基本过程的设计方法、步骤、思路、有一定的了解与 认识。它相当于实际填料塔设计工作的模拟。在课程设计过程中，基本能按照规 定的程序进行，先针对填料塔的特点和收集、调查有关资料，然后进入草案阶段， 其间与指导教师进行几次方案的讨论、修改，再讨论、逐步了解设计填料塔的基 本顺序，最后定案。设计方案确定后，又在老师指导下进行扩初详细设计，并

30、计 算物料守衡，传质系数，填料层高度，塔高等；最后进行塔附件设计。此次课程设计基本能按照设计任务书、指导书、技术条件的要求进行。同 学之间相互联系，讨论，整体设计基本满足使用要求，但是在设计指导过程中也 发现一些问题。理论的数据计算不难，困难就在于实际选材，附件选择等实际问 题。这些方面都应在以后的学习中得以加强与改进。但是，课程设计的完成并不代表我自身学习的终止，在完成过程中我发现自 己有很多缺点不足。如：课程设计中的AutoCAD作用部分对自己来讲十分困难， 另外，大量的内容也暴露出自己知识面窄，对实践活动的能力不强等诸多问题， 我想困难和挑战才是激发自己前进的动力，自己也将会在今后的学习和生活中， 劈荆斩浪，挑战自我。化工原理课程设计的完成对我来说有深刻的意义，我衷心 感谢老师的指导以及与我共同学习的同学。