中北大學課程設計模板

1、中北大學課 程 設 計 說 明 書學生姓名： 學號： 學院： 專業(yè)： 題目： 設計濕法吸收混合氣體中CO2的填料塔 指導老師： 職稱： 2013年 12 月 12 日課程設計任務書1、設計目的和要求化工原理課程設計是化工原理教學過程中重要的實踐環(huán)節(jié)，要求培養(yǎng)學生的查閱資料、選用經(jīng)驗公式、數(shù)據(jù)處理、圖表設計、化工制圖、計算機應用等綜合能力。在設計過程中，要樹立嚴謹?shù)脑O計思想和實事求是的設計作風。設計由學生獨立完成，教師起指導作用。學生在設計中遇到問題可以和教師進行討論，教師進行提示和啟發(fā)，由學生自已去解決問題，學生負責計算結果準確性和可靠性。2、設計內容和要求（依據(jù)指導老師給定題目填寫） 內容：

2、設計濕法吸收混合氣體中的CO2的填料塔 氣體處理量：5000Nm3/h； 氣體組成(體積）：CO2(20%),其余為惰性氣體 設計溫度：常壓； 設計壓力：101.325kpa 吸收劑：碳酸二乙酯 設計指標：吸收率90%3、設計工作任務及工作量的要求（1）簡述所用的工藝流程和主體設備。（2）進行物料衡算和熱量衡算。（3）主體設備的計算設計。（4）輔助設備的確定和選型。（5）繪制帶控制點的工藝流程圖。（6）繪制主體設備的裝配圖。（7）撰寫設計說明書。設計過程要求思路清楚，計算方法正確，計算公式及相關數(shù)據(jù)需注明來源，圖表繪制規(guī)范。課程設計任務書4、課程設計主要成果形式（1）設計說明書（2）帶控制點的

3、工藝流程圖（3）主體設備裝配圖5、主要參考文獻（1）大連理工大學化工原理教研室，化工原理課程設計，大連理工大學出版社，1994.（2）譚天恩主編化工原理上冊，化學工業(yè)出版社，2006.8.（3）賈紹義主編化工原理課程設計，天津大學出版社，2002.8.（4）盧煥章等石油化工基礎數(shù)據(jù)手冊，化學工業(yè)出版社，1982.（5）柴誠敬等編化工原理課程設計，天津科學技術出版社,1994.（6）國家醫(yī)藥管理局上海醫(yī)藥設計院編化工工藝設計手冊（第二版），化學工業(yè)出版社，1996. （7）賀匡國主編化工容器及設備簡明設計手冊（第二版），化學工業(yè)出版社，2002. （8）鄭曉梅主編化工制圖, 化學工業(yè)出

4、版社，2002.（9）化學工程手冊編委會編化學工程手冊（第二版），化學工業(yè)出版社，1996.6、工作計劃及進度安排序號時間完成內容112.812.10查閱資料、收集數(shù)據(jù)。212.1012.14工藝方案的確定及工藝草圖。312.1412.16詳細計算和設計。412.1612.19撰寫設計說明書。512.1912.20繪制圖紙。612.2012.21提交成果及答辯。主任審查意見： 年 月 日設計說明書 目錄1 設計方案簡介1.1 設計方案的選擇1.2 填料的設計與選擇1.3 設計步驟中北大學設計說明書1 設計方案簡介備注1.1 方案的確定1.11 流程裝置的確定 用碳酸二乙酯吸收二氧化碳屬高溶解度

5、的吸收過程，為提高傳質效率和分離效率，所以，本實驗選用逆流吸收流程。1.12 吸收劑的選擇 吸收劑對混合氣體中的被吸收組分要有良好地選擇性和較大的吸收能力，而對混合氣體中的同時對其他組分不吸收，且揮發(fā)度要低。根據(jù)本設計要求，選擇用碳酸二乙酯作吸收劑，且二氧化碳不作為產(chǎn)品，故采用純溶劑。1.13 操作過程的壓力與溫度 根據(jù)課題要求及相關資料的數(shù)據(jù)，確定了設計溫度與設計壓力 設計溫度：20 設計壓力：101.325kpa1.2 填料的選擇與確定 在化學工業(yè)中，經(jīng)常需要將氣體混合物中的各個組分加以分離，其主要目的是回收氣體混合物中的有用物質，以制取產(chǎn)品，或除去工藝氣體中的有害成分，使氣體凈化，以便進

6、一步加工處理，或除去工業(yè)放空尾氣中的有害成分，以免污染空氣。吸收操作是氣體混合物分離方法之一，它是根據(jù)混合物組分在某一種溶劑中溶解度不同而達到分離的目的。 隨著溫室效應的日益增強，二氧化碳作為主要的溫室氣體，它的排放與吸收引起了全球范圍的關注，二氧化碳對大氣環(huán)境會造成破壞和污染，因此，為了避免含二氧化碳的混合氣體直接排入大氣而造成空氣污染，需要采用一定方法對含二氧化碳的混合氣體進行吸收，本次化工原理課程設計的目的是根據(jù)設計要求采用填料吸收塔吸收的方法來凈化含有二氧化碳的混合氣體，使其達到排放標準。設計采用填料塔進行吸收操作是因為填料可以提供巨大的氣液傳質面積而且填料表面具有良好的湍流狀況，從而

7、使吸收過程易于進行，而且，填料塔還具有結構簡單、壓降低、填料易用耐腐蝕材料制造等優(yōu)點，從而可以使吸收操作過程節(jié)省大量人力和物力本方案選用聚丙烯階梯環(huán)作為填料設計填料塔填料的選擇包括確定填料的種類，規(guī)格及材料。填料的種類主要從傳質效率，通量，填料層的壓降來考慮，填料規(guī)格的選擇常要符合填料的塔徑與填料公稱直徑比值D/d。填料的材質分為陶瓷、金屬和塑料三大類。根據(jù)本設計的要求，選擇用陶瓷散裝填料。在陶瓷散裝填料中，陶瓷階梯環(huán)填料的綜合性能較好，故選用DN50聚丙烯階梯環(huán)填料。（0.28元每個，數(shù)據(jù)來自阿里巴巴2013.12.13最新數(shù)據(jù)）1.3 設計工藝流程步驟  1.31

8、60;   查詢物性數(shù)據(jù) 1.32      物料衡算 1.33    確定吸收劑最小用量 1.34       操作氣速u=nuF (n=0.50.85) 1.35      計算填料塔徑D 1.36       校核操作氣速u<nuF，反之調整n值重復第四步操作 1.37    

9、  校核Umin<吸收劑用量，反之則調整塔徑D 1.38      確定填料層高度Z 1.39     填料層壓降的計算1.310       輔助設備設計二：工藝計算2.1 液相物性數(shù)據(jù) 因為是低濃度吸收過程，因此溶液的物數(shù)性質可用碳酸二乙酯的基本物理數(shù)據(jù)代替，25碳酸二乙酯基本數(shù)據(jù)如下： 密度=0.96897g/cm3 粘度=0.7461×103Pa·S=2.685kg/（m·h）（馮麗梅;碳酸二

10、乙酯相關體系的物性測定及混合液體粘度的估算D;天津大學;2006年)CO2在碳酸二乙酯中擴散系數(shù) 0.95 混合氣體的平均摩爾質量為 Mvm=0.2*48+29*0.8=32.8 混合氣體的平均密度為 vm=32.8/22.4=1.464kg/m3 混合氣體的粘度可近似取為空氣的粘度，查手冊得25空氣的粘度為v=1.84*10(-5) Ns/m22.3 常壓下25時CO2在碳酸二乙酯中的亨利系數(shù)為 E=4.6523MPa（桂霞 高壓下CO_2在幾種物理吸收劑中的溶解度測定） 相平衡常數(shù)m=E/P=4.6523Mpa/101.3kpa=45.9302.4 物料衡算 進入吸收塔氣體流率 Vm= 5

11、000*1.464/32.8=223.17 Kmolh 進口混合氣CO2流率=223.17*0.2=44.63 Kmolh 被吸收的CO2=44.63*0.9=40.167Kmolh 出口處混合氣體C02流速=44.63-40.167=4.463Kmolh 空氣流量 223.17-44.63=178.54Kmolh 進塔氣相摩爾比為 Y1=44.63/178.54=0.250 出塔氣相摩爾比為Y2=4.463/178.54=0.025 該吸收過程屬低濃度吸收，平衡關系為直線，最小液氣比可按下式計算，即min= 對純溶劑吸收過程，進塔液相組成為 X2=0 (L/V)min=(0.250-0.02

12、5)/(0.250/48-0)=43.2取操作液氣比為 (L/V)=1.2 min=1.2*43.2=51.84 L=51.84*223.17=11569.13Kmolh V(Y1-Y2)=L(X1-X2) X1=V(Y1-Y2)/L+X2=0.0043三; 填料塔的工藝尺寸的計算 3.1 塔徑計算 氣相質量流量為 wv=5000*1.464=7320kg/h 液相質量流量可近似按碳酸二乙酯的流量計算，即 WL=11569.13*118.13=590650kg/h 查資料，由貝恩霍根關聯(lián)式計算泛點氣速： 10 =A1.75 查資料的孔隙率e =0.927 A=0.2943 液體粘度 所以 uF

13、=2.3m/s 取u=0.8uF=0.8*2.3m/s=1.84m/s 由D= = （4*223.17*32.8/3.14*1.84*3600*1.464)=0.98m 圓整塔徑D=1m 泛點率校核： u= =1.464m/s =1.464/1.84=0.795在允許范圍內（50%-80%） 填料規(guī)格校核： = 1200/50=24>8液體噴淋密度校核： Umin=at（LW）min取最小潤濕速度為 （Lw）min=2.2×105 m3/(m·s)=0.08 m3/(m·h)查常用散裝填料的特性參數(shù)表， 得 at=108.8 m2/m3Umin=（Lw）mi

14、n at=108.8×2.2×105×3600=8.6 m3/m2·hU= =9.96Umin經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用D=1200mm是合理的3.2 填料層高度計算 Y1*=mX1=45.930*0.0043=0.197 Y2*=mX2=0 脫吸因數(shù)為 S= 0.669氣相總傳質單元數(shù)為 = 3.72氣相總傳單元高度采用修正的思田關聯(lián)式計算： 查表得sc =33dyn/cm=427680 kg/h2液體質量通量為 UL= =9937.70 kg/(m2·h)氣膜吸收系數(shù)由下式計算 KG=0.237 氣體質量通量為 Uv= 常見填料的形狀系

15、數(shù)填料類型球  形棒  形拉西環(huán)弧  鞍開孔環(huán)值0.720.7511.191.45 液膜吸收系數(shù)有下式計算： =.0553 由kG=kGw1.1 查表得 =1.45 則kG=0.147 KL= KLw0.4=0.553 由kG= kGw ，KL= KLw則kG= KL= 由 m由 Z= HoGNoG=0.342×3.72=1.272 m，得 Z=1.25 ×1.272=1.6 m設計取填料高度為 Z=5m常見材質的臨界表面張力 材質碳瓷玻 璃聚丙烯聚氯乙烯鋼石 蠟表面張力56617333407520查表，對于階梯填料， h

16、D=24 H= HoGNoG =6000mm計算得填料層高度為6000 mm,故不需要分段。3.3 填料層壓降計算采用Eckert通用關聯(lián)圖計算填料層壓降。橫坐標為：縱坐標為：查圖得， =98 ×2.10=205.8Pa/m填料層壓降為 P=205.8×6=1234.8 Pa3.4 液體分布器簡要設計 （1）液體分布器的選型 該吸收塔的塔徑為1200mm，因此，根據(jù)各種液體分布器的適用范圍選取槽式分布器。（2）分布點密度計算按Eckert建議值，D1200時，噴淋點密度為60點/m2，所以，塔徑為1200mm時，布液點數(shù)為： n=0.785×1.22×6

17、0=482.3383點按分布點幾何均勻與流量均勻原則進行布點設計，設計結果為：二級槽工設15道，在槽面開孔，槽寬為80mm，兩槽中心距為160mm，分布點采用三角形排列，實際設計布點數(shù)為380點。（3） 布液計算：由 取=0.6 H=160mm 取30。4 輔助設備的計算及選型 1填料支撐結構填料支承結構應滿足3個基本條件：使起液能順利通過.設計時應取盡可能大的自由截面。要有足夠的強度承受填料的重量，并考慮填料孔隙中的持液重量。要有一定的耐腐蝕性能。填料支承裝置的作用是支承塔內的填料，常用填料裝置有柵板型、孔管型、駝峰型等。支承裝置的選擇，主要的依據(jù)是塔徑、填料種類及型號、塔體及填料的材質、氣

18、液流率等。 本設計根據(jù)需要，選擇孔管型支承裝置。 2填料壓緊裝置 填料上方安裝壓緊裝置可防止在氣流的作用下填料床層發(fā)生松動和跳動。填料壓緊裝置分為填料壓板和床層限制板兩大類，每類又有不同的型式。填料壓板自由放置于填料層上端，靠自身重量將填料壓緊。它適用于陶瓷、石墨等制成的易發(fā)生破碎的散裝填料。床層限制板用于金屬、塑料等制成的不易發(fā)生破碎的散裝填料及所有規(guī)整填料。床層限制板要固定在塔壁上，為不影響液體分布器的安裝和使用，不能采用連續(xù)的塔圈固定，對于小塔可用螺釘固定于塔壁，而大塔則用支耳固定。本設計中填料塔在填料裝填后于其上方安裝了填料壓緊柵板。3. 液體再分布器裝置液體在亂堆填料層內向下流動時，

19、有偏向塔壁流動的現(xiàn)象，偏流往往造成塔中心的填料不被潤濕，降低表面利用率。對于此填料塔而言，由于塔徑為1200mm，填料層高度為6000mm，為了提干塔效率，故將其填料分為三層，每層填料約為2000mm，根據(jù)再分布器各種規(guī)格的使用范圍，最簡單的液體再分布裝置為截錐式再分布器。截錐式再分布器結構簡單，安裝方便。4. 除沫裝置除沫裝置安裝在液體再分布器上方，用以除去出氣口氣流中的液滴。由于氨氣溶于水中易于產(chǎn)生泡沫為了防止泡沫隨出氣管排出，影響吸收效率，采用除沫裝置，根據(jù)除沫裝置類型的使用范圍，該填料塔選取絲網(wǎng)除沫器。5填料塔接管尺寸計算為防止流速過大引起管道沖蝕，磨損，震動和噪音，液體流速一般不超過

20、3m/s ，氣體流速一般不超過100m/s。管徑計算公式：常用管道的公稱通徑、外徑、壁厚公稱通徑（mm）管子外徑(mm)常用無縫鋼管壁厚m10143151832025325323.532383.540453.550573.580894（1） 管徑的計算 選 v=60ms ， 則有 得 =29.3mm根據(jù)管道的公稱通徑、外徑、壁厚表得，公稱通徑=32mm，=2.5mm無縫鋼管， 管子外徑D=38mm 則 管子內徑 d=D-2=38-2×2.5=33mm（2） 底液出口管徑： 選 v=2ms 則 根據(jù)管道的公稱通徑，外徑，壁厚表，得公稱通徑=20mm，=2mm碳鋼板

21、， 管子外徑D=25mm 則 管子內徑 d=D-2=25-2×2=21mm（3） 塔頂氣體出口管徑 選 v=90m/s 則=73.7mm，根據(jù)管道的公稱通徑，外徑，壁厚表，得公稱通徑=80mm，=3mm鋼管， 管子外徑D=89mm則 管子內徑 d=D-2=89-2×3=83mm （4）泵的選型就計算的結果可以選用：50-32-125型的泵（四）設計結果匯總吸收塔類型：階梯環(huán)吸收填料塔混合氣處理量：2400m3/h工藝參數(shù)名稱管程管殼物料名稱碳酸二乙酯二氧化碳氣體操作壓力，KPa101.3101.3操作溫度，2020流速，m/s2液體密度，kg/m3968.971.

22、373流量，kg/h7320590650塔徑，mm1200填料層高度，mm6000壓差，KPa1234.8操作液氣比51.84分布點數(shù)380黏度，kg/(mh)2.6850.0184表面張力，kg/cm96897（六）對設計過程的評述和有關問題的討論經(jīng)過了一周多時間的課程設計，現(xiàn)在終于完成了這次的課程設計要求，在終于有了一點的心得。本設計的任務是用碳酸二乙酯吸收混合氣體中CO2的填料吸收塔的設計。填料塔是以塔內裝有大量的填料為相接觸構件的氣液傳質設備。填料塔的結構較簡單，壓降低，填料易用耐腐蝕材料制造等優(yōu)點。本設計中，由于開始指導老師已經(jīng)給出氣體處理量等一系列基本數(shù)據(jù)，因此在后面的數(shù)據(jù)處理方面

23、已經(jīng)有著及其良好的基礎。但就是如此，課程設計中依舊出現(xiàn)了許多問題。首先，在計算泛點速率時，查閱資料發(fā)現(xiàn)資料上多用貝恩（Bain）霍根（Hougen）關聯(lián)式計算泛點氣速的，但貝恩（Bain）霍根（Hougen）關聯(lián)式我并不清楚，因此在計算泛點速率時又將貝恩（Bain）霍根（Hougen）關聯(lián)式的林林總總進行學習，這才將泛點速率計算出來。 在填料的選擇中，我查了以往的課題研究資料，發(fā)現(xiàn)從速據(jù)上計算，用DN50計算結果比較好，雖然在同類填料中，尺寸越小的，分離效率越高，但它的阻力將增加，通量減小，填料費用也增加很多。用DN50計算所得的D/d值也符合階梯環(huán)的推薦值。 解決了上面的問題之后就是通過查找

24、手冊之類的書籍來確定輔助設備的選型，我們選擇孔管型支承裝置作為填料支撐，選壓緊柵板作為填料壓緊裝置。本設計我們所設計的填料塔產(chǎn)能大，分離效率高，持液量小，填料塔結構較為簡單，造價適合。不過，它的操作范圍小，填料潤濕效果差，當液體負荷過重時，易產(chǎn)生液泛，不宜處理易聚合或含有固體懸浮物的物料等。（七）課程設計心得在上學年，我們學習了化工原理這一課程，化工原理是化學工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎課，它的內容是講述化工單元操作的基本原理、典型設備的結構原理、操作性能和設計計算?；卧僮魇墙M成各種化工生產(chǎn)過程、完成一定加工目的的基本過程，其特點是化工生產(chǎn)過程中以物理為主的操作過程，包括流體流動過程、傳

25、熱過程和傳質過程。在這里面，我們主要學習了流體輸送、流體流動、機械分離、傳熱、傳質過程導論、吸收、蒸餾、氣-液傳質設備，以及干燥等。這次課程設計是對我們整個大學四年所學知識的一次檢驗，平時我們更多的學習的是理論上的抽象的知識，在動手能力和實踐能力方面比較欠缺，這對我們走上社會后盡快適應工作很不好。因此，學校在本學期安排了 這次課程設計，它具有較強的實踐操作性和很大的綜合性，要求我們綜合運用幾年來所學的各門課程的知識，尤其是流體力學，工程熱力學，化工原理，過程設備設計和過程控制技術等。這不僅僅讓我們重新復習了前面所學的知識，更讓我們在實際運用中找到了各門課程的內在聯(lián)系，使我們把幾年來所學課程用一

26、根線聯(lián)系了起來，使整個大學知識形成了一個網(wǎng)絡和體系。以前不知道學習各們課程到底有甚摸作用，在本次課程設計中我深刻的的體會到了課本知識的作用和實際應用價值。設計中所有的思路、步驟、方法、具體的實施和操作，都要由我們自己討論和解決。這中間很多問題一個人解決不了，于是我們幾個題目相似的同學在一起商量，集思廣益，經(jīng)過大家的努力，最終使問題得到了很好的解決。所以這次設計不但鍛煉了我們的動手能力，讓我們熟練掌握了填料吸收塔的設計過程和步驟，學會了使用化工方面相關工具書的查閱和使用，也鍛煉了我們團結協(xié)作的精神，我想這對我們以后會很有好處。（八）參考文獻1賈紹義柴誠敬化工原理課程設計天津：天津科技技術出版社，20022大連理工大學等化工容器與設計手冊北京：化學工業(yè)出版社，1989*3匡國柱，史啟才等化工單元過程及設備課程設計北京：化學工業(yè)出社，20024陳敏恒等化工原理北京：化學工業(yè)出版社，2004 5化學工