化工原理課程設(shè)計(jì)

1、化工原理課程設(shè)計(jì) 吸收過程工藝設(shè)計(jì)學(xué)院：機(jī)械工程學(xué)院專業(yè)：過程裝備與控制工程班級：二班指導(dǎo)老師：丁文捷姓名：謝永芳學(xué)號(hào)：12012243722前言：課程設(shè)計(jì)是比較綜合性和實(shí)踐性較強(qiáng)的教學(xué)環(huán)節(jié)，是理論聯(lián)系實(shí)際的橋梁，是使學(xué)生體察工程實(shí)際問題復(fù)雜性、學(xué)習(xí)化工設(shè)計(jì)基本知識(shí)的初次嘗試。通過課程設(shè)計(jì)，要求學(xué)生能綜合利用本課程和前修課程的基本知識(shí)，進(jìn)行融會(huì)貫通的獨(dú)立思考，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成指定的化工設(shè)計(jì)任務(wù)，從而得到化工工程設(shè)計(jì)的初步訓(xùn)練。通過課程設(shè)計(jì)，要求學(xué)生了解工程設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容，掌握化工設(shè)計(jì)的程序和方法，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程實(shí)際問題的能力。同時(shí)，通過課程設(shè)計(jì)，還可以使學(xué)生樹立正確的設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)實(shí)

2、事求是、嚴(yán)肅認(rèn)真、高度責(zé)任感的工作作風(fēng)。課程設(shè)計(jì)是增強(qiáng)工程觀念，培養(yǎng)提高學(xué)生獨(dú)立工作能力的有益實(shí)踐。 經(jīng)過學(xué)習(xí),我知道，填料塔吸收凈化工藝不單應(yīng)用在化工領(lǐng)域 ,在低濃度工業(yè)廢氣凈化方面也能很好地發(fā)揮作用。工程實(shí)踐表明 ,合理的系統(tǒng)工藝和塔體設(shè)計(jì) ,是保證凈化效果的前提。這次課程設(shè)計(jì)利用低壓清水吸收氨過程的工藝設(shè)計(jì)以及工程問題。 在此處鍵入公式。第一章 緒論填料塔屬于化工單元操作中蒸餾（精餾）、吸收等的過程設(shè)備。物料在填料塔中的傳質(zhì)、分離主要是分散在填料表面進(jìn)行。 填料塔是以塔內(nèi)的填料作為氣液兩相間接觸構(gòu)件的傳質(zhì)設(shè)備填料塔的塔身 是一直立式圓筒，底部裝有填料支承板，填料以亂堆或整砌的方式放置在支

3、承板上。填料的上方安裝填料壓板，以防被上升氣流吹動(dòng)。液體從塔頂經(jīng)液體分布器噴淋到填料上，并沿填料表面流下。氣體從塔底送入，經(jīng)氣體分布裝置（小直徑塔一般不設(shè)氣體分布裝置）分布后，與液體呈逆流連續(xù)通過填料層的空隙，在填料表面上，氣液兩相密切接觸進(jìn)行傳質(zhì)。填料塔屬于連續(xù)接觸式氣液傳質(zhì)設(shè)備，兩相組成沿塔高連續(xù)變化，在正常操作狀態(tài)下，氣相為連續(xù)相，液相為分散相。 當(dāng)液體沿填料層向下流動(dòng)時(shí)，有逐漸向塔壁集中的趨勢，使得塔壁附近的液流量逐漸增大，這種現(xiàn)象稱為壁流。壁流效應(yīng)造成氣液兩相在填料層中分布不均，從而使傳質(zhì)效率下降。因此，當(dāng)填料層較高時(shí)，需要進(jìn)行分段，中間設(shè)置再分布裝置。液體再分布裝置包括液體收集器和

4、液體再分布器兩部分，上層填料流下的液體經(jīng)液體收集器收集后，送到液體再分布器，經(jīng)重新分布后噴淋到下層填料上。 填料塔具有生產(chǎn)能力大，分離效率高，壓降小，持液量小，操作彈性大等優(yōu)點(diǎn)。 填料塔也有一些不足之處，如填料造價(jià)高；當(dāng)液體負(fù)荷較小時(shí)不能有效地潤濕填料表面，使傳質(zhì)效率降低；不能直接用于有懸浮物或容易聚合的物料；對側(cè)線進(jìn)料和出料等復(fù)雜精餾不太適合等。 規(guī)整填料塔的分離性能取決于內(nèi)件，即填料、分布器、收集器等。同時(shí)也取決于許多參數(shù)，如氣體負(fù)荷、液體負(fù)荷、物料性質(zhì)、操作壓力、填料濕潤性能和液體分布不均勻等等。至今不能由填料的幾何形狀來精確計(jì)算塔的分離性能，需要通過填料塔的理論和不同條件下通過試驗(yàn)塔來

5、測定準(zhǔn)確數(shù)據(jù)?？筛鶕?jù)資料以一級近似程度確定塔的尺寸和需要的填料高度。 1、規(guī)整填料 2、支撐柵板 3、液體收集器 4、集液環(huán) 5、多級槽式液體分布器6、填料壓圈 7、支撐柵板 8、蒸汽入口管 9、塔底 10、至再沸器循環(huán)管 11、裙座 12、底座環(huán)第二章 填 料 塔 的 設(shè) 計(jì) 內(nèi) 容和 設(shè) 計(jì) 條 件2.1填料塔的主體結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)：圖1-1 填料塔結(jié)構(gòu)圖2.2填料塔的設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)任務(wù)： 完成填料塔的工藝設(shè)計(jì)與計(jì)算，有關(guān)附屬設(shè)備的設(shè)計(jì)和選型，繪制吸收系統(tǒng)的工藝流程圖和填料塔裝置圖，編寫設(shè)計(jì)說明書。 2.3填料塔的設(shè)計(jì)條件 設(shè)計(jì)條件： 1、氣體混合物成分：空氣和氨； 2、氨的含量： 5.0

6、55kmol/m³；(y1=0.02n0.3 =0.02*220.3=0.05055)3、混合氣體流量： 7340m³/h； (qv=8000-30*22=7340)4、操作條件：293K/101.3KPa； 5、回收率： 91.76；（=0.9+0.0008*22=91.76）6、吸收劑：水；7、吸收流程：一步、單塔逆流吸收;8、吸收劑再生方法：加熱再生;9、塔設(shè)備：填料塔。第三章 填料塔的設(shè)計(jì)方案填料塔具有結(jié)構(gòu)簡單、容易加工、生產(chǎn)能力大、壓降小、吸收效果好、操作彈性大等優(yōu)點(diǎn)，所以在工業(yè)吸收操作中被廣泛應(yīng)用。在這次課程設(shè)計(jì)中，有很多操作條件，所以我們需要準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)好填料塔

7、的每一部分。3.1裝置流程圖的確定及流程說明 流程說明： 該填料塔中，氨氣和空氣混合后，經(jīng)由填料塔的下側(cè)進(jìn)入填料塔中，與從填料塔頂流下的清水逆流接觸，在填料的作用下進(jìn)行吸收。經(jīng)吸收后的混合氣 體由塔頂排除，吸收了氨氣的水 由填料塔的下端流出。 3.2填料的類型與選擇 填料的種類很多，根據(jù)裝填方式的不同，可分為散裝填料和規(guī)整填料兩大類。填料的選擇主要根據(jù)以下幾個(gè)方面來考慮： 1.比表面積要大，有較高的傳質(zhì)效率。 2.有較大的通量。 3.填料層的壓降小。 4.填料的操作性能好。 5.液體的再分布性能要好。 6.要有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。 7.價(jià)格低廉。 填料的選取包括確定其種類、規(guī)格、及材質(zhì)等。 3.2

8、.1 填料種類的選擇 顆粒填料包括拉稀環(huán)、鮑爾環(huán)、階梯環(huán)等，規(guī)整填料主要有波紋填料、格柵填料、繞卷填料等。本次課程設(shè)計(jì)采用散裝填料。階梯環(huán)是環(huán)形填料最為優(yōu)良的一種，是對鮑爾環(huán)的改進(jìn)，故選用階梯環(huán)。3.2.2 填料規(guī)格的選擇 工業(yè)塔常用的散裝填料主要有Dn16Dn25Dn38Dn50 Dn76等幾種規(guī)格。同類料，尺寸越小，分離效率越高，但阻力增加，通量減小，填料費(fèi)用也增加很多。大尺寸的填料應(yīng)用于小直徑塔中，又會(huì)產(chǎn)生液體分布不良及嚴(yán)重的壁流，使塔的分離效率降低。因此，對塔徑與填料尺寸的比值要有一規(guī)定。 階梯環(huán) D/d>8 。3.2.3 填料材質(zhì)的選擇 工業(yè)上，填料的材質(zhì)分為陶瓷、金屬和塑料三

9、大類。塑料材質(zhì)主要有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等，其特點(diǎn)是耐腐蝕性能好，質(zhì)量輕，價(jià)格適中，但耐溫性及濕潤性較差。金屬材質(zhì)有碳鋼、鋁鋼和鋁合金等，多用于操作溫度較高而無顯著腐蝕性的操作。陶瓷材質(zhì)的材料耐腐蝕性較好，耐濕性強(qiáng)，價(jià)格便宜，但易破損。由于聚丙烯填料在低溫（低于0度）時(shí)具有冷脆性，在低于0度的條件下使用要慎重，所以本次課程設(shè)計(jì)我們選耐低溫性能良好的聚氯丙烯填料。 綜合以上：選擇塑料階梯環(huán)散裝填料 Dn38 3.2.4填料尺寸的選擇 徑比D/d有一個(gè)下限值（一般為10），若徑比低于此下限值時(shí)，塔壁附近的填料層孔隙率大而不均勻，氣流易走短路、液體壁流加劇。 綜上，由于該過程處理量不大，所用的塔

10、直徑不會(huì)太大，可選用38mm聚丙烯階梯環(huán)塔填料，其主要性能參數(shù)如下： 比表面積a=132.5m2/m3 空隙率=0.91泛點(diǎn)填料因子=170m-1降壓填料因子=116m-1第四章 填料塔的工藝計(jì)算 4.1、吸收劑的用量吸收劑用量可以根據(jù)過程的物料衡算，依據(jù)最小液氣比確定，依據(jù)混合氣的組成情況可知吸收塔的進(jìn)出口氣相組成如下：y1=0.05055 ;y2=(1-)y1=0.0042; x2=0;查表知25氨氣溶于水的亨利常數(shù)E=99.78KPa；m=E/P=0.985 所以y=mx=0.985x；最小液氣比（qnL/qnG）min=y1-y2x1e-x2=y1-y2y1m-x2=0.9032因?yàn)閝

11、nLqnG=(1.12)（qnL/qnG）min 取實(shí)際液氣比為最小液氣比的1.5倍qnG=qvG22.4=734022.4=327.68kmol/h M¯=17y1+29(1-y1)=17*0.05055+29*（1-0.05055）=28.39qmG=qnG*M¯=732.68*28.39=9302.79kg/hqnL=1.5*qnG*（qnL/qnG）min=1.5*327.68*0.9032=443.94kmol/LqmL=18*qnL*qnL=18*443.94=7990.9kg/h4.2、塔徑的計(jì)算混合氣體密度G=pM¯RT=101.3*28.398.

12、314*298=1.1kg/m3液相密度L=997.05kg/m3 液體粘度L=0.8937mPa.S計(jì)算泛點(diǎn)氣速：lgUf2g*a3*GL*0.2=A-1.75(qmLqmG)14(GL)18 =0.204-1.75*(9302.87790.9)14(1.161997.05)18 =-0.515 Uf2g*a3*GL*0.2=0.305 Uf=0.262*9.807*0.9273*997.05114.2*1.161*0.89370.2=7.93 取U=0.7Uf=0.7*3.968=4.756m/s qvsqmGG*3600=9302.7951.161*3600=2.349 D=4qvsU=

13、4*2.2263.14*2.4818=0.793 取整D=0.8m所以塔的總截面積為 S=0.785*1.02=0.628（m2）4.3、填料層高度計(jì)算4.3.1、傳質(zhì)單元高度計(jì)算 塔內(nèi)的液相及氣相物性參數(shù)如下： 密度：L=997.05kg/m3 G=1.161kg/m3 粘度：L=0.8937mPs G=0.0098mPs 擴(kuò)散系數(shù)：DL=1.8*10-9m2/s DG=1.89*10-4m2/s 聚丙烯臨界表面張力c=54dyn/cm=5.4*10-2N/m 液體表面張力=71.9dyn/cm=7.2*10-2N/m 氣相及液相流速為： GG=qmG3600*0.785*D2=9302.7

14、953600*0.785*1=5.144kg/(m2.s) GL=7790.93600*0.785*D2=2.757 kg/(m2.s) 氣相傳質(zhì)系數(shù)為： kG=0.237GGaG0.7GDGG13(aDGRT)1.1 =0.237*3.292114.2*0.0098*10-30.70.0098*10-31.161*1.89*10-513(114.2*1.89*10-58.314*298)1.451.1 =9.987*10-5 kmol/(m2.s.KPa)因?yàn)椋?c)0.75=0.86 （GGaL）0.1=（2.757114.2*0.8937）0.1=0.697 （aGL2L2g）-0.05

15、=（114.2*2.7572997.052*9.807）-0.05=1.594 （GL2La）0.2=（2.7572997.05*7.2*10-2*114.2）0.2=0.247aw=1-exp-1.45(c)0.75（GGaL）0.1（aGL2L2g）-0.05（GL2La）0.2 =114.21-exp(-1.45*0.806*0.697*1.594*0.247) =64.84 (GLawL)2/3=(2.75736.354*0.8937*10-3)2/3=19.312 (LLDL)-0.5=(0.8973*10-3997.05*1.8*10-9)-0.5=0.045 (GgL)1/3=(

16、0.8973*10-3*9.807997.05)1/3=0.021kL=0.0095(GLawL)2/3 (LLDL)-0.5(GgL)1/30.4 =0.0095*19.312*0.045*0.021*1.450.4 =3.65*10-4(m/s)kya=PkGaw=101.3*6.363*10-5*36.354=0.656kmol/(m3/s)kxa=CkLaw=LMkLaw=997.0518*2.81*10-4*36.35=1.309kmol/(m3/s)氣相總傳質(zhì)單元高度為HOG=Gkya+Gmkya=0.08570.2397+0.0857*0.9850.6838=0.412(m)考慮

17、實(shí)際偏差，取HOG=1.4*0.697=0.577(m)4.3.2、傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算全塔物料衡算方程為 qnG(y1-y2) = qnL（x1-x2）依據(jù)該方程可以確定塔底水中NH3的組成為 x1=qnGqnL(y1-y2)+x2 =327.6844.94*(0.05055-0.0042)+0 =0.0342于是可以計(jì)算該塔的塔底、塔頂以及平均傳質(zhì)推動(dòng)力分別為 y1=y1-mx1=0.05055-0.985*0.0342=0.0169 y2=y2-mx2=y2=0.0042 ym=y1-y2lny1y2=0.0169-0.0042ln0.01690.0042=9.087*10-3求得該吸收過程

18、的傳質(zhì)單元數(shù)為 NoG=y1-y2ym=0.05055-0.00429.087*10-3=5.14.3.3、填料層高度 h=HOGNoG=0.836*5.1=2.24（m） 因此實(shí)際填料層高度取h=3m。4.4、塔附屬高度 塔上部空間高度可取為1.2m，塔底液相停留時(shí)間按5分鐘考慮，則塔釜液所占空間高度為 h1=t*qvL0.785*D2=5*60*8.023600*0.785*0.82=1.33 考慮到氣相接管所占所占空間高度，底部空間高度可取1.5m，所以塔的附屬空間高度可以取為2.7m。4.5、液體初始分布器布液孔數(shù) 根據(jù)該物系性質(zhì)可選用管式液體分布器，取布液孔數(shù)為100個(gè)/m2，則總布

19、液孔為 n=S*100=0.628*100=62.8 取60個(gè)液位保持管高度 取布液孔直徑為5mm，則液位保持管中的液位高度為 h=（4*qv3.14*0.0052*n*k）2/2g=（4*8.023600*3.14*0.052*62*0.62）2/（2*9.807）=0.445則液位保持管的高度為 h=1.15*h=1.15*0.445=0.51m4.6、其他附屬塔內(nèi)件對于氨氣吸收可不設(shè)除液膜裝置。4.7、吸收塔的流體力學(xué)參數(shù)計(jì)算1、吸收塔的壓力降氣體進(jìn)出口壓力降 取氣體進(jìn)出口接管的內(nèi)徑為0.4m，則氣體的進(jìn)出口流速近似為18.7m/s。則進(jìn)口壓降為P1=1/2u2=0.5*1.1*18.7

20、2=192.4出口壓降為P2=0.5*0.5u2=96.2填料層壓力降 氣體通過填料層的壓力降采用Eckert關(guān)聯(lián)圖計(jì)算，其中實(shí)際操作氣速為 u=qvs0.785*D2=2.350.785*0.82=18.7 m/s X=(qmLqmG)(GL)0.5=0.029 Y=Uf2GgL0.2=0.273差Eckert關(guān)聯(lián)圖得每米填料的壓力降為2000Pa，所以填料層的壓力降 P3=2000*3=6000Pa于是的吸收塔的總壓降為 Pf=192+96.2+6000=6288.62、吸收塔的泛點(diǎn)率 吸收塔的操作氣速為u=4.68m/s,泛點(diǎn)氣速為uf=7.73m/s f=4.687.92=0.58 該塔的泛點(diǎn)率合適。3、氣體動(dòng)力因子 吸收塔的氣體動(dòng)能因子為 F=uG0.5=4.68*1.1=4.8氣體動(dòng)能因子在（說明：由于Excel最后有數(shù)據(jù)的變動(dòng)，和上面有一定的誤差）5、設(shè)計(jì)結(jié)果匯總課程設(shè)計(jì)名稱水吸收NH3填料吸收塔的工藝設(shè)計(jì)操作條件常溫常壓物性數(shù)據(jù)液相氣相液體密度997.05kg/m3混合氣體平均摩爾質(zhì)量28.39kg/kmol液體粘度0.89