化工原理課程設(shè)計---- 清水吸收變換氣的填料塔裝置設(shè)計

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　一、緒論………………………………………………………………....……..2</p><p>　　二、設(shè)計任務(wù)及操作條件……………………………………………………..3</p><p>　　三、設(shè)計方案的確定…………………………………………………………..3</p>&

2、lt;p>　　1、裝置流程的確定………………………………………………………4</p><p>　　2、吸收劑選擇……………………………………………………………5</p><p>　　3、操作溫度與壓力的確定………………………………………………5</p><p>　　4、填料的類型與選擇……………………………………………………5</p><p

3、>　　四、基礎(chǔ)物性參數(shù)的確定……………………………………………………..8</p><p>　　1、液相物性參數(shù)…………………………………………………………8</p><p>　　2、氣相物性參數(shù)…………………………………………………………8</p><p>　　3、氣液相平衡參數(shù)………………………………………………………9</p><p&

4、gt;　　4、物料衡算………………………………………………………………9</p><p>　　五、填料塔工藝尺寸的確定………………………………………………….11</p><p>　　1、塔徑的計算…………………………………………………………...11</p><p>　　2、填料層高度計算……………………………………………………...14</p>&

5、lt;p>　　六、填料層壓降計算………………………………………………………….16</p><p>　　七、填料塔內(nèi)件的類型與設(shè)計……………………………………………….16</p><p>　　八、除沫器的設(shè)計選型……………………………………………………….19</p><p>　　九、填料塔各接管設(shè)計……………………………………………………….19</

6、p><p>　　1、進料管………………………………………………………………...19</p><p>　　2、氣體入口……………………………………………………………...21</p><p>　　十、人孔或手孔設(shè)計及開孔補強…………………………………………….22</p><p>　　十一、支座設(shè)計………………………………………………………………

7、.23</p><p>　　十二、塔總高………………………………………………………………….24</p><p>　　十三、總結(jié)…………………………………………………………………….24</p><p><b>　　十四、參考文獻</b></p><p><b>　　十五、后記</b></p&

8、gt;<p><b>　　十六、符號說明</b></p><p><b>　　一、緒論</b></p><p>　　塔設(shè)備是煉油、化工、石油化工等生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的氣液傳質(zhì)設(shè)備。根據(jù)塔內(nèi)氣液接觸部件的形式，可以分為填料塔和板式塔。板式塔屬于逐級接觸逆流操作，填料塔屬于微分接觸操作。工業(yè)上對塔設(shè)備的主要要求：（1）生產(chǎn)能力大（2）分離效

9、率高（3）操作彈性大（4）氣體阻力小、結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備取材面廣等。</p><p>　　塔型的合理選擇是做好塔設(shè)備設(shè)計的首要環(huán)節(jié)，選擇時應(yīng)考慮物料的性質(zhì)、操作的條件、塔設(shè)備的性能以及塔設(shè)備的制造、安裝、運轉(zhuǎn)和維修等方面的因素。板式塔的研究起步早，具有結(jié)構(gòu)簡單、造價較低、適應(yīng)性強、易于放大等特點。</p><p>　　填料塔由填料、塔內(nèi)件及筒體構(gòu)成。填料分規(guī)整填料和散裝填料兩大類。塔內(nèi)件有不同

10、形式的液體分布裝置、填料固定裝置或填料壓緊裝置、填料支承裝置、液體收集再分布裝置及氣體分布裝置等。與板式塔相比，新型的填料塔性能具有如下特點：生產(chǎn)能力大、分離效率高、壓力降下、操作彈性大、持液量小等優(yōu)點。</p><p>　　填料塔類型很多，其設(shè)計的原則大體相同，一般來說，填料塔的步驟如下：</p><p>　　根據(jù)設(shè)計任務(wù)和工藝要求，確定設(shè)計方案；</p><p>

11、;　　根據(jù)設(shè)計任務(wù)和工藝要求，合理地選擇填料；</p><p>　　確定塔徑、填料層高度等工藝尺寸；</p><p><b>　　計算填料層的壓降；</b></p><p>　　進行填料塔塔內(nèi)件的設(shè)計和選型。</p><p>　　二、設(shè)計任務(wù)及操作條件</p><p>　　設(shè)計題目：清水吸收變換氣

12、的填料塔裝置設(shè)計</p><p>　　設(shè)計任務(wù)：完成填料塔的工藝設(shè)計與計算，有關(guān)附屬設(shè)備的設(shè)計和選型，繪制吸收系數(shù)的工藝流程圖和填料塔設(shè)置圖，編寫設(shè)計說明說。</p><p><b>　　設(shè)計條件：</b></p><p>　　1、氣體混合物成分：空氣和氨；</p><p>　　2、氨的含量：4.5% （體積）；<

13、/p><p>　　3、混合氣體流量：4000m3/h；</p><p>　　4、操作溫度：293K</p><p>　　5、混合氣體壓力：101.3KPa；</p><p>　　6、回收率：99.8% 。</p><p><b>　　設(shè)計內(nèi)容：</b></p><p>　　（1

14、）流程的確定與論證；</p><p>　?。?）吸收塔技術(shù)指標(biāo)與操作指標(biāo)確定，包括：塔徑、填料層的高度、填料層的壓力降等；</p><p>　?。?）工藝計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計、流體力學(xué)條件校核。</p><p><b>　　三、設(shè)計方案的確定</b></p><p>　　填料塔設(shè)計方案的確定包括裝置及流程的確定、吸收劑的選擇、

15、操作壓力的確定、操作溫度的確定、進料熱狀況的選擇、填料的選擇以及填裝方式等。</p><p><b>　　1、裝置流程的確定</b></p><p>　　吸收裝置的流程主要有逆流操作、并流操作、吸收部分再循環(huán)操作、多塔串聯(lián)操作、串聯(lián)--并聯(lián)混合操作。由于本設(shè)計任務(wù)是水吸收氨氣操作設(shè)計，同時吸收效率要求較高，故采用逆流式操作，氣相自塔底進入由塔頂排出，液相自塔頂進入由塔

16、底排出，同時，此操作傳質(zhì)平均推動力大，傳質(zhì)效率快，分離效率高，吸收劑利用率高。具體流程如下：</p><p><b>　　2、吸收劑選擇</b></p><p>　　吸收過程是依靠氣體溶質(zhì)在吸收劑中的溶解來實現(xiàn)的，因此，吸收劑性能的優(yōu)劣，是決定吸收操作效果的關(guān)鍵之一，選擇吸收劑時應(yīng)著重考慮以下幾個方面：溶解度、選擇性、揮發(fā)度要低、粘度、其他因素如無毒性、無腐蝕性、不易

17、燃易爆、不發(fā)泡、冰點低、價廉易得以及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等要求。本實驗用水為吸收劑吸收氨氣。</p><p>　　3、操作溫度與壓力的確定</p><p>　?。?）、操作溫度的確定 由吸收過程的氣液平衡關(guān)系可知，溫度降低可增加溶質(zhì)組分的溶解度，即低溫有利于吸收，但操作溫度的低限應(yīng)由吸收系統(tǒng)的具體情況決定。本設(shè)計中對填料塔的操作溫度設(shè)計為20℃。</p><p>　

18、?。?）、操作壓力的確定 由吸收過程的氣液平衡關(guān)系可知，壓力升高可增加溶質(zhì)組分的溶解度，即加壓有利于吸收。但隨著操作壓力的升高，對設(shè)備的加工制造要求提高，且能耗增加，因此需結(jié)合具體工藝條件綜合考慮，以確定操作壓力。具體詳見后續(xù)說明。</p><p>　　4、填料的類型與選擇</p><p>　　塔填料是填料塔中氣液接觸的基本構(gòu)件，其性能的優(yōu)劣是決定填料塔操作性能的主要因素，因此，塔

19、填料的選擇是填料塔設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。</p><p>　　填料的類型很多，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。散裝填料是一個個具有一定幾何形狀的尺寸的顆粒體，一般以隨機的方式堆積在塔內(nèi)，又稱為亂堆填料或顆粒填料。散裝填料根據(jù)結(jié)構(gòu)特點不同，又可分為環(huán)形填料、鞍形填料、環(huán)鞍形填料及球形填料等。本設(shè)計選用聚丙烯鮑爾環(huán)填料。</p><p>　　1.1、填料種類的選擇</p&g

20、t;<p>　　填料的選擇包括確定填料的種類、規(guī)格及材質(zhì)等。所選填料既要滿足生產(chǎn)工藝的要求，又要使設(shè)備和操作費用較低。對于填料種類的選擇要考慮分離工藝的要求，通?？紤]以下幾個方面：1、傳質(zhì)效率即分離效率，常用兩種方法表示：一是以理論級進行計算的表示方法，以每個理論及當(dāng)量的填料層高度表示，即HETP值；另一是以傳質(zhì)效率進行計算的表示方法，以每個傳質(zhì)單元相當(dāng)?shù)奶盍蠈痈叨缺硎荆碒TU值。2、通量 在相同的液體負荷下，填料的

21、泛點氣速越高或氣相動能因子越大，則通量越大，塔的處理能力亦越大。因此，在選擇填料種類時，在保證具有較高傳質(zhì)效率的前提下，應(yīng)選擇具有較高泛點氣速或氣相動能因子的填料。3、填料層的壓降 填料層的壓降是填料的主要應(yīng)用性能，填料層的壓降越低，動力消耗越低，操作費用越小。比較填料壓降有兩種方法，一是比較填料層單位高度的壓降△P/Z；另一是比較填料層單位傳質(zhì)效率的比壓降△P/NT。填料層的壓降可用經(jīng)驗公式計算，亦可從有關(guān)圖表中查取。4、填料的

22、操作性能 填料的操作性能主要指操作彈性、抗污堵性及抗熱敏性等。所選填料應(yīng)具有較大的操作彈性，以保證塔內(nèi)氣液負荷發(fā)生波動時維持操作穩(wěn)定。同時，還應(yīng)</p><p>　　1.2、填料的規(guī)格的選擇</p><p>　　通常，散裝填料與規(guī)整填料的規(guī)格表示方法不同，選擇的方法亦不盡相同。由于本設(shè)計選用散裝填料，故一下對散裝填料規(guī)格的選擇做一下介紹：散裝填料的規(guī)格通常是指填料的公稱直徑。工業(yè)塔常

23、用的散裝填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等幾種規(guī)格。同類填料，尺寸越小，分離效率越高，但阻力增加，通量越小，填料費用也增加很多。而大尺寸的填料應(yīng)用于小直徑塔中，又會產(chǎn)生液體分布不良及嚴重的壁流，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定的規(guī)定，對于本實驗采用聚丙烯鮑爾環(huán)填料塔徑與填料公稱直徑的比值D/d推薦值為D/d>10~15。</p><p>　　1.3、填料材質(zhì)

24、的選擇</p><p>　　工業(yè)上，填料的材質(zhì)分為陶瓷、金屬和塑料三大類。對于陶瓷材質(zhì)具有良好的耐腐蝕性和耐熱性，同時價格便宜，具有很好的表面潤滑性能，工業(yè)上，主要用于氣體吸收、氣體洗滌、液體萃取等操作過程，但是其質(zhì)脆、易碎，本次設(shè)計不予采用。對于金屬材質(zhì)具有很高的抗沖擊性能，但是只能對于無腐蝕性或低腐蝕性物系使用，氨具有腐蝕性，所以本實驗不予采用。對于塑料材質(zhì)耐腐蝕性能較好、耐溫性良好、質(zhì)輕、價廉、耐沖擊、不易

25、破碎等優(yōu)點，所以本實驗采用塑料材質(zhì)作為填料材質(zhì)。</p><p>　　1.4、本設(shè)計方案信息</p><p>　　四、基礎(chǔ)物性參數(shù)的確定</p><p><b>　　液相物性參數(shù)</b></p><p>　　對于低濃度吸收過程，溶液的物性參數(shù)可近似去純水的物性參數(shù)。由表可知，20℃時水的相關(guān)物性參數(shù)如下：</p&g

26、t;<p><b>　　2、氣相物性參數(shù)</b></p><p>　　操作壓力：101.325KPa;</p><p>　　氨氣在水中的擴散系數(shù)：</p><p>　　由查表可知，20℃時，氨氣在水中的擴散系數(shù)：</p><p>　　氨氣在空氣中的擴散系數(shù)：</p><p>　　由表

27、可知，溫度為0℃，壓強為101.3KPa時，氨氣在空氣中的擴散系數(shù)為0.17</p><p><b>　　根據(jù)關(guān)系式：</b></p><p><b>　　則</b></p><p>　　混合氣體的平均摩爾質(zhì)量：</p><p>　　混合氣體的平均密度：</p><p>　　

28、由于空氣中氨氣的含量較低，則混合氣體的粘度可近似取為空氣的粘度，查表可知20℃空氣的粘度：</p><p><b>　　3、氣液相平衡參數(shù)</b></p><p>　　20℃時，氨氣在水中的亨利系數(shù)：</p><p><b>　　相平衡常數(shù)：</b></p><p><b>　　溶解度系數(shù)

29、：</b></p><p><b>　　4、物料衡算</b></p><p><b>　　進塔氣相摩爾比：</b></p><p><b>　　出塔氣相摩爾比：</b></p><p><b>　　進塔惰性氣相流量：</b></p>

30、<p><b>　　進塔混合氣相流量：</b></p><p>　　該吸收過程屬低濃度吸收，平衡關(guān)系為直線，最小液氣比可按下式計算：</p><p>　　對于純?nèi)軇┪者^程，進塔液相組成：</p><p><b>　　取操作液氣比:</b></p><p>　　因為液氣比的范圍為：&l

31、t;/p><p><b>　　所以：</b></p><p>　　五、填料塔工藝尺寸的確定</p><p><b>　　1、塔徑的計算</b></p><p>　　根據(jù)公式，要求D，首先要求出u</p><p><b>　　空塔氣速的確定</b></p

32、><p>　?、侔？颂兀‥ckert）通用關(guān)聯(lián)圖 散裝填料的泛點氣速可用?？颂仃P(guān)聯(lián)圖計算，如圖。計算時，先由氣液相負荷及有關(guān)物性數(shù)據(jù)求出橫坐標(biāo)的值，然后作垂線與相應(yīng)的泛點線相交，再通過交點作水平線與縱坐標(biāo)相交，求出縱坐標(biāo)值。此時所對應(yīng)的u即為泛點氣速。</p><p>　　②散裝填料泛點填料因子平均值</p><p>　　③通過?？颂兀‥ckert）通用關(guān)聯(lián)圖求&l

33、t;/p><p>　　根據(jù)關(guān)聯(lián)圖對應(yīng)坐標(biāo)可知，縱坐標(biāo)</p><p><b>　　查表得：</b></p><p><b>　　則</b></p><p>　　根據(jù)塔徑公式 ，可知</p><p><b>　　m</b></p><p&g

34、t;　　圓整為D=800mm</p><p><b>　　校核：</b></p><p><b>　　（符合條件）</b></p><p><b>　　液體噴淋密度： </b></p><p><b>　　所以不符合</b></p><

35、p><b>　　故取D=700mm</b></p><p><b>　　校核： </b></p><p>　　（在0.5~0.85之間） </p><p>　　故：塔徑圓整為D=700mm</p><p><b>　　2、填料層高度計算</b></p>

36、<p><b>　　脫吸因數(shù)：</b></p><p><b>　　氣相傳質(zhì)單元數(shù)：</b></p><p>　　氣相總傳質(zhì)單元高度采用恩田公式修正：</p><p>　　聚丙烯 </p><p><b>　　液體質(zhì)量通量：</b></p>

37、<p>　　氣膜吸收系數(shù)的計算：</p><p><b>　　氣體質(zhì)量通量：</b></p><p>　　液膜吸收系數(shù)的計算：</p><p><b>　　如圖所示：</b></p><p>　　查表可知填料形狀細說為: </p><p>　　由關(guān)系式可知：

38、 </p><p>　　，則需選用下面的關(guān)系式對氣膜和液膜系數(shù)進行校正：</p><p><b>　　則 </b></p><p><b>　　由 </b></p><p>　　考慮恩田公式的最大誤差，為了安全計取設(shè)計填料層高度為</p><p><b>　　設(shè)

39、計填料層高度：</b></p><p>　　查表，對于鮑爾環(huán)填料， ，則需將填料塔進行分段，大致分為兩段，每段4.35m，在兩段填料間設(shè)置一槽式液體分布裝置。</p><p><b>　　六、填料層壓降計算</b></p><p>　　采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計算填料層壓降</p><p><b>

40、;　　橫坐標(biāo)：</b></p><p>　　根據(jù)散裝填料壓降填料因子平均值，可得</p><p><b>　　縱坐標(biāo)：</b></p><p>　　結(jié)合Eckert通用關(guān)聯(lián)圖，可以大致得出：</p><p><b>　　Z=8.7m</b></p><p>　　七

41、、填料塔內(nèi)件的類型和設(shè)計</p><p><b>　　1、塔內(nèi)件的類型</b></p><p>　　填料塔的內(nèi)件主要有填料支撐裝置、填料壓緊裝置、液體分布裝置、液體收集再分布裝置等。合理地選擇和設(shè)計塔內(nèi)件，對保證填料塔的正常操作及優(yōu)良的傳質(zhì)性能十分重要。</p><p>　　1.1、填料支撐裝置</p><p>　　填料

42、支撐裝置的作用是支撐塔內(nèi)的填料。常見的填料支承裝置有柵板型、孔管型、駝峰型等。對于本設(shè)計選用的散裝填料，通常選用孔管型、駝峰型支撐裝置。設(shè)計中，為防止在填料支撐裝置出現(xiàn)壓降過大甚至發(fā)生液泛，要求填料支撐裝置的自由截面積應(yīng)大于75%。而駝峰型支撐板可以提供100%的塔體橫截面的自由截面，更重要的是，由于支撐板的凹凸的幾何形狀，填料裝入后，僅有很少一部分開孔被填料堵塞，從而在操作中保存了足夠大的自由截面，即使在高氣速和高液速下也如此。針對本

43、設(shè)計中選用直徑為50的填料，所以選用直徑為75mm的駝峰型支承板。</p><p>　　1.2、填料壓緊裝置</p><p>　　為防止在上升氣流的作用下填料床層發(fā)生松動或跳動，需在填料層上方設(shè)置填料壓緊裝置。填料壓緊裝置有壓緊柵板、壓緊網(wǎng)板、金屬壓緊器等不同的類型。對于散裝填料，可選用壓緊網(wǎng)板，也可以選用壓緊柵板，在其下方，根據(jù)填料的規(guī)格敷設(shè)一層金屬網(wǎng)，并將其與壓緊柵板固定、在設(shè)計中，為

44、防止在填料壓緊裝置處壓降過大甚至發(fā)生液泛，要求填料壓緊裝置的自由截面積應(yīng)大于70%。為了便于安裝和檢修，本設(shè)計中，填料壓緊裝置與塔壁間不采用連續(xù)固定方式。</p><p>　　1.3、液體分布裝置</p><p>　　液體分布裝置的種類多樣，有噴頭式、盤式、管式、槽式及槽盤式等，工業(yè)用以管式、槽式及槽盤式為主。因為本設(shè)計的較大，槽式分布器不易堵塞，對氣體的阻力小，故選用槽式分布器作為液體分

45、布裝置。</p><p>　?。?）由Eckert的散裝填料塔分布點密度推薦值可得，時，由內(nèi)插法得，噴淋密度為193點，布液點數(shù)：</p><p><b>　　點</b></p><p>　　設(shè)計為二級槽，共設(shè)5道，槽高210mm，槽寬60mm，兩槽中心距120mm。分布點采用三角形排列，實際設(shè)計點數(shù)為n=70點。如圖所示：</p>

46、<p>　　（2）布液計算：由公式</p><p><b>　　孔流系數(shù)</b></p><p><b>　　本設(shè)計選用，，</b></p><p><b>　　設(shè)計取</b></p><p><b>　　故孔徑為4mm</b></p&

47、gt;<p>　　八、除沫器的設(shè)計選型</p><p>　　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墻，由于氨氣溶于水中易產(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，本設(shè)計中的填料塔選用絲網(wǎng)除沫器。</p><p>　　九、填料塔各接管設(shè)計</p><p><b>　　1、進料管

48、 </b></p><p><b>　　由下表可知：</b></p><p>　　水及低粘度液體流速1.5~3.0s</p><p><b>　　取u=1.5m/s</b></p><p><b>　　圓整為d=28mm</b></p><p&

49、gt;　　液體進料管結(jié)構(gòu)尺寸 （mm）</p><p>　　由上表查得可選用383.5的規(guī)格，但經(jīng)校正其流速不在1.5~3m/s之間。故選用323.5的尺寸規(guī)格，并經(jīng)校驗符合條件。</p><p>　　接管長度h如下表所示： </p><p>　　接管長度h (mm)</p><

50、;p>　　因本設(shè)計無需保溫，故選設(shè)備接管長h=100mm</p><p>　　綜上，本設(shè)計采用的無縫鋼管。接管長h=100mm。</p><p><b>　　2、氣體入口</b></p><p>　　一般地說，氣體則為10~30m/s，故本次設(shè)計選取30m/s作為氣速。</p><p><b>　　校正：

51、mm</b></p><p>　　經(jīng)校正知選取的氣速合理。</p><p>　　故本次設(shè)計選用DN=250mm，的熱軋無縫鋼管，接管長度h=150mm。</p><p>　　接管外徑大于89mm且采用無縫鋼管</p><p>　　選用 JB/T 4736的補強圈。</p><p>　　十、人孔或手孔設(shè)計及開

52、孔補強</p><p>　　設(shè)備內(nèi)徑在，一般不考慮開人孔。由于上述設(shè)計，所以開設(shè)手孔。</p><p>　　JB589-79部分表</p><p>　　由上表可查：選手孔A： JB589-79</p><p>　　綜合考慮需設(shè)計4個手孔，</p><p>　　螺栓選用規(guī)格M16，數(shù)量為8。</p>

53、<p>　　補強：采用 JB/T 4736的補強圈。</p><p><b>　　十一、支座設(shè)計</b></p><p><b>　　選型：圓筒型裙座</b></p><p><b>　?。ㄒ唬┧w質(zhì)量</b></p><p>　　裙體： 每米質(zhì)量 </p&g

54、t;<p>　　填料層為8.7m，查表可得其余空白間距共為4.5m 即L=13.2m</p><p><b>　?。ǘ┓忸^質(zhì)量</b></p><p><b>　　（三）塔內(nèi)物料質(zhì)量</b></p><p><b>　　由表查得：</b></p><p><

55、;b>　?。ㄋ模└郊馁|(zhì)量</b></p><p><b>　　手孔約為：</b></p><p>　　其他接口管和積液量的總和按400kg計算，故：</p><p><b>　　總質(zhì)量為：</b></p><p><b>　　裙座內(nèi)徑：</b></p&

56、gt;<p>　　塔座采用裙座支撐，選16MnR為材料</p><p>　　由于裙座內(nèi)徑>700mm，故厚度取6mm 高取2m</p><p><b>　　基礎(chǔ)環(huán)的設(shè)計：</b></p><p>　　將圓整為1000mm 圓整為500mm</p><p>　　因為基礎(chǔ)厚度均不得小于16mm，且考慮到腐

57、蝕裕量，則應(yīng)取18mm。</p><p><b>　　十二、塔總高</b></p><p>　　封頭+直邊高：h=2(175+25)=400mm</p><p>　　塔總高H=13.2+0.35+2+0.018=15.568m</p><p><b>　　圓整后。</b></p>&l

58、t;p><b>　　十三、總結(jié) </b></p><p>　　化工原理課程設(shè)計是理論知識和實際設(shè)計相結(jié)合的重要課程，對學(xué)生掌握全面、系統(tǒng)的知識起到串引的作用，同時在培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自我動手能力有著重要作用。</p><p>　　通過本設(shè)計，確定了填料塔的主要尺寸塔徑700mm，填料塔的填料段高度為8700mm，總體塔高為16000mm，同時完成了設(shè)計任務(wù)，達