(圓滿版)化工原理課程設計(水吸取氨填料吸取塔設計)(正式版)(圓滿版)化工原理課程設計(水吸取氨填料吸取塔設計)(正式版)18/18(圓滿版)化工原理課程設計(水吸取氨填料吸取塔設計)(正式版)《化工原理》課程設計水吸取氨氣過程填料塔的設計學院專業制藥工程班級姓名學號指導教師2013年1月15日目錄任?????????????????????????????4第一前言3填料塔的有關介4塔內填料的有關介!不決。第二填料塔主體方案的確定5裝置流程的確定5吸取的5填料的型與7液相物性數據6氣相物性數據8氣液相平衡數據7物料橫算7第三填料塔工尺寸的算83.1塔徑的算83.2填料高度的算及分段9元數的算10元高度的算10填料的分段11第四填料降的算12第五填料塔內件的型及.13第六填料塔液體分布器的要13參照文件15本的述及心得15附表：附表1填料塔果一表15附表2填料塔數據一15附件一：塔流程172設計任務書(一)、設計題目：水吸取氨氣過程填料吸取塔的設計試設計一座填料吸取塔，用于脫除混于空氣中的氨氣。混雜氣體的辦理量為7500m3/h，其中含氨氣為5％（體積分數），要求塔頂排放氣體中含氨低于％（體積分數）。采用清水進行吸取，吸取劑的用量為最小用量的1.5倍。(二)、操作條件1）操作壓力常壓2）操作溫度20℃.(三)填料種類采用聚丙烯階梯環填料，填料規格自選。(四)工作日每年300天，每天24小時連續進行。(五)廠址廠址為衡陽地區(六)設計內容吸取塔的物料衡算；吸取塔的工藝尺寸計算；填料層壓降的計算；液體分布器簡要設計吸取塔接收尺寸計算；繪制吸取塔設計條件圖；對設計過程的討論和有關問題的討論。(七)操作條件20℃氨氣在水中的溶解度系數為H＝（m3?kPa）。化工原理課程設計第一節前言1.1填料塔的有關介紹填料塔沖洗吸取凈化工藝不僅應用在化工領域,在低濃度工業廢氣凈化方面也能很好地發揮作用。工程實踐表示,合理的系統工藝和塔體設計,是保證凈化奏效的前提。本文簡述聚丙烯階梯填料應用于水吸取氨過程的工藝設計以及工程問題。填料塔是以塔內的填料作為氣液兩相間接觸構件的傳質設備，它是化工類企業中最常用的氣液傳質設備之一。填料塔的主體結構以以以以下圖所示：氣體捕沫器液體填料壓板塔殼填料填料支承板液體再分布器填料壓板填料支承板氣體液體圖1填料塔結構圖填料塔不僅結構簡單，且流體經過填料層的壓降較小，易于用耐腐化資料制造，因此它特別適用于辦理量小、有腐化性的物料及要求壓降小的場合。液體自塔頂經液體分布器噴灑于填料頂部，并在填料的表面呈膜狀流下，氣體從塔底的氣體口送入，流過填料的空隙，在填料層中與液體逆流接觸進行傳質。因氣液兩相組成沿塔高連續變化，因此填料塔屬于連續接觸式的氣液傳質設備。塔內填料的有關介紹聚丙烯材質填料作為塔填料的重要一類，在化工上應用較為廣泛，與其他材質的填料比較，聚丙烯填料擁有質輕、價廉、耐蝕、不易破碎及加工方便等優點，但其明顯的缺點是表面潤濕性能差。研究表示，聚丙烯填料的有效潤濕面積僅為同類規格陶瓷填料4化工原理課程設計40%，由于聚丙烯填料表面潤濕性能差，故傳質效率較低，使應用碰到必定的限制.聚丙烯階梯環填料為外徑是高度的兩倍的圓環,在側壁上開出兩排長方形的窗孔,并在一端增加了一個錐形翻邊，被切開的環壁的一側仍與壁面相連,另一側向環內彎,形成內伸的舌葉,各舌葉的側邊在環中心相搭。鮑爾環由于環壁開孔,大大提高了環內空間及環內表面的利用率,氣流阻力小,液體分布平均。階梯環與鮑爾環比較,其高度減少了一半,并在一端增加了一個錐形翻邊。聚丙烯階梯環的結構圖以下：圖2聚丙烯階梯環結構圖第二節精餾塔主體設計方案的確定裝置流程的確定本次設計采用逆流操作：氣相自塔底進入由塔頂排出，液相自塔頂進入由塔底排出，即逆流操作。逆流操作的特點是：傳質平均推動力大，傳質速率快，分別效率高，吸取劑利用率高。工業生產中多采用逆流操作。吸取劑的選擇由于用水做吸取劑，故采用純溶劑。表1工業常用吸取劑溶質溶劑溶質溶劑氨水、硫酸丙酮蒸汽水氯化氫水二氧化碳水、堿液二氧化硫水硫化氫堿液、有機溶劑苯蒸汽煤油、洗油一氧化碳銅氨液5化工原理課程設計2.3填料的種類與選擇填料的種類很多，依照裝填方式的不同樣樣樣，可分為散裝填料和規整填料兩大類。本次采用散裝填料。工業塔常用的散裝填料主要有Dn16\Dn25\Dn38\Dn50\Dn76等幾種規格。同類填料，尺寸越小，分別效率越高，但阻力增加，通量減小，填料開支也增加很多。而大尺寸的填料應用于小直徑塔中，又會產生液體分布不良及嚴重的壁流，使塔的分別效率降低。因此，對塔徑與填料尺寸的比值要有一規定。常用填料塔徑與填料公稱直徑比值D/d的介紹值列于下表。表2：常用填料的D/d的介紹值填料種類D/d的介紹值拉西環D/d20~30鞍形環D/d15鮑爾環D/d10~15階梯環D/d>8環矩鞍D/d>8工業上，填料的材質分為陶瓷、金屬和塑料三大類。聚丙烯階梯環即為塑料類填料。聚丙烯填料在低溫（低于0度）時擁有冷脆性，在低于0度的條件下使用要慎重，可選耐低溫性能優異的聚氯乙烯填料。本方案采用聚丙烯階梯環作為填料設計填料塔，規格為50mm×25mm×1.5mm，其主要參數以下：表3：聚丙烯階梯環的特點數據填料種類公稱直徑外徑×高/壁厚比表面積空隙率/%個數齊集密度干填料因DN/mma（tm2/m3）n/m-3（kg/m3）子m-1塑料階梯環5050×25×1074054081432.4液相物性數據對低濃度吸取過程，溶液的物性數據可近似取純水的物性數據。由手冊查得20℃水的有關物性數據以下：1.L998.2kg/m32.黏度：L0.001pa?s3.6kg/(m?h)6化工原理課程設計3.表面張力為:z72.6dyn/cm940896kg/h220CNH3:H0.725kmol/m3kpa5.20CNH3:DL7.34106m2/h6.20CNH3:DV22/h2.5氣相物性數據混雜氣體的平均摩爾質量為:Mvmyimi(2-1)混雜氣體的平均密度為：由PMVM3(2-2)vm8.314293RTmm3KPa/(kmolK)3.混雜氣體黏度可近似取為空氣黏度。查手冊得20C時，空氣的黏度1.81105pas6516105kg/(mh)注：1N1kgm/s21Pa1N/m21kg/(s2?m)1Pa?s=1kg/（m?s）2.6氣液相平衡數據由手冊查得，常壓下，200C時，NH3在水中的亨利系數為200C時,NH3在水中的溶解度相平衡常數：mE(2-3)PHL998.2/(76.318.02)(2-4)溶解度系數:EMS0.726kmol/kPam32.7物料衡算1.進塔氣相摩爾比為y1(2-5)Y11y1出塔氣相摩爾比為Y2Y1(1A)(2-6)7化工原理課程設計3.進塔惰性氣體流量:V7500273(10.05)296.383kmolh(2-7)27320由于該吸取過程為低濃度吸取，平衡關系為直線，最小液氣比按下式計算。即：LY1Y2(2-8)VY1/mX2min由于是純溶劑吸取過程，進塔液相組成X20因此LY1Y2VminY1X2m選擇操作液氣比為LL（2-9）VVmin吸取劑用量：×由于V(Y1-Y2)=L(X1-X2)故X1第三節填料塔工藝尺寸的計算填料塔工藝尺寸的計算包括塔徑的計算、填料層高度的計算及分段塔徑的計算空塔氣速的確定——泛點氣速法關于散裝填料，其泛點率的經驗值u/uf依照貝恩（Bain）—霍根（Hougen）關系式，即：uF2at1418lgV=A-KwLV（3-1）g3LwVLLuF211114025791.59241.18368即：lg[(3)0.001]解得：uF=其中：uF——泛點氣速，m/s;g——重力加速度，28化工原理課程設計at填料總比表面積，m2/m3填料層空隙率m3/m3998.2kg/m3液相密度。3氣相密度WL=5791.592㎏/hWV；K=1.75；取u/uFu4V475000.6569m（3-2）Du3600圓整塔徑后1.泛點速率校核：u75005.416m/s23600uuFu在贊成范圍內uF依照填料規格校核：D/d=700/50=14>8，依照表2可知符合要求液體噴淋密度的校核：填料塔的液體噴淋密度是指單位時間、單位塔截面上液體的噴淋量。最小潤濕速率是指在塔的截面上，單位長度的填料周邊的最小液體體積流量。關于直徑不高出75mm的散裝填料，可取最小潤濕速率Lwmin為3/(mh)。UminLwminat3/(m2h)（3-3）UwLD223/(m2h)L（3-4）經過以上校驗，填料塔直徑設計為D=700mm合理。填料層高度的計算及分段9化工原理課程設計Y1*mX1（3-5）Y2*mX20（3-6）傳質單元數的計算用對數平均推動力法求傳質單元數NOGY1Y2（3-7）YMYY*(YY*)YM1122（3-8）lnY1Y1*Y2Y2*=ln則：NOG傳質質單元高度的計算氣相總傳質單元高度采用修正的恩田關系式計算：aw2cUL2ULatat1expatLL2gUL/LLat（3-9）L即：aw/at則a液體質量通量為：UL=5791.592/(0.785×2㎡?h))=15056.78kg/(氣體質量通量為：uV=8861.415/(0.785×2㎡?h))=23037.61kg/(氣膜吸取系數由下式計算：1kG0.237(UV)v3atDV（3-10）atvvDVRT代入數據解得：kG=0.2197m/s液膜吸取數據由下式計算：10化工原理課程設計211KL0.0095UL3L2Lg3(3-11）awLLDLL代入數據解得：KL=0.6137m/s查表可知，KGaKGaW0.2197×46.387×KLaKLaW=0.6137×46.387×由于：uuF

=15.34kmol/(m3?h?kPa)（3-12）=33.03kmol/(m3?h?kPa)(3-13）因此需要用以下式進行校正：ukG'a1kGauF代入數據解得：kG'3?h?kPa)a=22.92kmol/(mukL'a1kLauF代入數據解得：kL'3?h?kPa)akmol/(mKGa111kG'aHkL'a代入數據解得：KGa=12.21kmol/(m3?h?kPa)

（3-14）（3-15）（3-16）HOG

VVKGaKGaP

（3-17）代入數據解得：HOG=0.623mHOGNOG×m取上下活動系數為1.5，Z'=1.5×4.317=6.476m填料層的分段關于階梯環散裝填料的分段高度介紹值為h/D=8~15。h=8×700～15×～m計算得填料層高度為7m，，故不需分段

（3-18）11化工原理課程設計第四節填料層壓降的計算依照Eckert圖(通用壓降關系圖)，將操作氣速u代替縱坐標中的uF查表，Dn50mm聚丙烯階梯環的壓降填料因子＝143代替縱坐標中的p．則縱標值為：uF2P?V?L(3-19)gL橫坐標為：WLV(3-20)WVL圖3：通用壓降關系圖查圖得：P150×9.81=1471.5Pa/m(3-21)Z:全塔填料層壓降P=1471.5×7=10300.5Pa至此，吸取塔的物料衡算、塔徑、填料層高度及填料層壓降均已算出。12化工原理課程設計第五節填料塔液體分布器的簡要設計液體分布器設計的基本要求：（1）液體分布平均；（2）操作彈性大；（3）自由截面積大；（4）其他本設計任務液相負荷不大，可采用排管式液體分布器；且填料層不高，可不設液體再分布器。分布點密度計算2按Eckert建議值,D=700mm時,噴淋點密度為265點/m。本設計的塔徑為700mm，依照需要取噴淋點密度為265點/m2布液點數為：×0.72×≈102點第六節吸取塔的主要接收尺寸的計算6.1氣體進料管由于常壓下塔氣體進出口管氣速可取12～20m/s，故若取氣體進出口流速近似為18m/s，則由公式qVd2u可求得氣體進出口內徑為44qV7500/3600du0.78519采用直管進料，由附表查得選擇402mm9mm熱軋無縫鋼管，則4qV7500/360018.0m/s（在符合范圍內）u'22)2d氣體進出口壓降:進口：p11u212191.6Pa22出口：p20.51u20.51295.8Pa22液體進料管由于常壓下塔液體進出口管速可取1-3m/s，故若取液體進出口流速近似為，則由公式qVd2u可求得液體進出口內徑為413化工原理課程設計4qVd3600u采用直管進料，由附表查得選擇38mm4mm熱軋無縫鋼管，則4qV5791.6/(998.23600)2.28m/s（在符合范圍內）u'22)2d參照文件夏清.化工原理（下）[M].天津:天津大學初版社,2005.賈紹義,柴誠敬.化工原理課程設計[M].天津:天津大學初版社,2002.華南理工大學化工原理教研室著．化工過程及設備設計[M]．廣州:華南理工大學初版社,1986.周軍.張秋利化工AutoCAD制圖應用基礎。北京.化學工業初版社。對本設計的討論及心得經過了幾天時間的努力，終于完成了此次的化工原理課程設計，現將在此過程中的一些心得述及以下：在過去的一年里，我們學習了《化工原理》這一門課程。《化工原理》是化學類專業的一門重要的專業基礎課，它的內容是表達化工單元操作的基根源理、典型設備的結構原理、操作性能和設計計算。化工單元操作是組成各種化工生產過程、完成必定加工目的的基本過程，其特點是化工生產過程中以物理變化為主，包括流體流動過程、傳熱過程和傳質過程。在這里面，我們主要學習了流體輸送、流體流動、機械分別、傳熱、傳質過程導論、吸取、蒸餾、氣-液傳質設備，以及干燥等。此次我的課程設計題目是水吸取氨過程填料塔的設計，這是關于吸取中填料塔的設計。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，填料易用耐腐化資料制造等優點。經過此次的課程設計，讓我從中領悟到很多。課程設計是我們在校大學生必定經過的一個過程，經過課程設計的鍛煉，可以為我們立刻來的畢業設計打下牢固的基礎！為此，我感覺能圓滿完成此次課程設計任務，給我帶來了很大的信心，讓我對自己的將來充滿了自信！將來必定是美好的14化工原理課程設計附表：附表1填料塔設計結果一覽表塔徑0.7m填料層高度7m填料規格Dn50m