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1、 化工原理課程設計 水吸收氨填料吸收塔的設計 專 業(yè)： 姓名： 指導老師： xxxx 大學 xx 年 xx 月 目錄 前言 ----------------------------------------------3 任務 ------------

2、----------------------------------4 設計方案 ------------------------------------------5 一、理論依據(jù) ---------------------------------------5 二、吸收塔的工藝計算 -------------------------------6 三、 填料塔的工藝尺寸的計算 ------------------------8 四、填料層壓降的計算 ------------------------------ 15 五、液體分布器

3、簡要設計 ----------------------------16 六、繪制吸收塔設計條件圖 --------------------------18 七、設計總結 --------------------------------------19 八、參考文獻 --------------------------------------21 前 言 此次設計的要求是設計水吸收氨填料吸收塔

4、的設計，在 xx 老師 的指導下進行的。其目的是針對我們在《化工原理》課程中設計、作 圖能力相對薄弱的情況下， 利用學過的基礎知識、 鍛煉自己的設計生產(chǎn)設備、制圖的能力。通過課程設計，我們鍛煉了我們閱讀化工原理 文獻及搜集資料的能力， 同時液培養(yǎng)了我們獨立思考問題、 分析問題、解決問題的能力， 也培養(yǎng)了我們相互協(xié)作的能力， 為今后的實際工作打下基礎。 課程設計注重理論聯(lián)系實際， 即要考慮到符合設備要求的各種參數(shù)、性能，又要符合實際的應用要求。在經(jīng)過組員的討論及方案的比較之后，選定此方案為最后的設計方案。此方案具有高效、低阻、大通量、操作穩(wěn)

5、定等優(yōu)點 , 廣泛應用于化工、石化、煉油及其它工業(yè)部門的各類物系分離。 由于設計者的水平有限， 方案中難免又不妥和錯誤之處， 希望老師批評指正。 任務書 一 、題目與專題 1. 題目 : 吸收塔的設計 2. 專題 : 水吸收氨填料吸收塔的設計 二 、設計依據(jù)、條件 設計一座填料吸收塔， 用于脫除混于空氣中的氨氣。 混合氣體的 處理量為 3600kg/h, 其中含

6、空氣為 95%，氨氣為 5%（體積分數(shù)），要 求塔頂排放氣體中含氨低于 0.02%（體積分數(shù)），采用清水進行吸收， 吸收劑的用量為最小用量的 1.5 倍。已知 20℃下氨在水中的溶解度 系數(shù)為 H=0.725kmol/(m 3.kpa) 。 三、設計工藝操作條件 （1） 操作平均壓力 常壓 （2）操作溫度 t=20 ℃ (3) 每年生產(chǎn)時間： 7200h (4) 選用填料類型及規(guī)格自選四、設計任務 完成干燥器的工藝設計與計算， 有關附屬設備的設計和選型， 繪制吸收系統(tǒng)的工藝流程圖和吸收塔的工藝條件圖，編

7、寫設計說明書。 班級 : 組長 : 組員 : 日期 : 指導老師 : 設計方案 一、理論依據(jù) 1、吸收劑的選擇 吸收劑對溶質的組分要有良好地吸收能力， 而對混合氣體中的其他組分不吸收，且揮發(fā)度要低。根據(jù)本設計要求，選擇用清水作吸收劑，且氨氣不作為產(chǎn)品，故采用純溶劑。 2、吸收流程地選擇 用水吸收 NH3 屬高溶解度的吸收過程，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。 3、吸收塔設備及填料的選擇 填料塔，散裝。填料的選擇包括確定填料的種類，規(guī)格及材料

8、。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，選擇用塑料散裝填料。在塑料散裝填料中，塑料階梯環(huán)填料的綜合性能較好，故選用 DN50 聚丙烯階梯環(huán)填料。 4、吸收劑再生方法的選擇 含氨的吸收劑通過解析得到水，使得吸收劑再生。 5、操作參數(shù)的選擇 操作平均壓力 常壓 操作溫度 t=20 ℃ 二、 吸收塔的工藝計算 1、基礎物性數(shù)據(jù) 1.1 液相物性數(shù)據(jù)

9、 對低濃度吸收過程， 溶液的物性數(shù)據(jù)可近似取純水的物性數(shù)據(jù)， 由手冊查得， 20 水的有關物性密度為 Pl =998.2kg/m3 粘度為 u l 表面張力為 σL =72.6 dyn/cm=940896 kg/ h 2 NH 3 在水中的擴散系數(shù)為 DL =2.04x 10 9 m2 /s=2.04x 10 9 x3600 m2 / h2 = 7.344 10 6 m 2 h 1.2 氣相物性數(shù)據(jù) 混合氣體的平均摩爾質量為 Mvm= yi M

10、i 混合氣體的平均密度為 混合氣體的粘度可近似取為空氣的粘度， 查手冊得 20 空氣的粘度為： u u =1.81x10-5pa.s=0.065kg/(m.h) 查手冊得在空氣中的擴散系數(shù)為 Dv=0.225cm2/s=0.081 m2/h 1.3 氣液相平衡數(shù)據(jù) 常壓下 20 時 NH3在水中的亨利系數(shù)為 E=76.41kpa 相平衡常數(shù)為 m=E/P=76.41/101.3=0.754 常壓下 20 在水中的溶

11、解度系數(shù)為 H= Pl m3 kpa) 2、物料衡算 進塔氣相摩爾比為： Y1 = y 1 /(1- y 1 )=0.05/(1-0.05)=0.0526 出塔氣相摩爾比為： Y2 = Y 1 (1- φA)=0.0526(1-0.996)=0.0002 進出惰性氣相流量： 3600 273 1 0.05） 144.23 kmol h V 273 （ 22.4 20 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

12、： (L/V)min=( Y 1 - Y 2 )/( Y 1 /m-X 2 ) 對純溶劑吸收過程，該塔液相組成為 X2=0， L Y1 Y2 0.0526 0.0002 V Y1 m X2 0.751 min 0.0526 0.754 0 L/V=1.5 x 0.751=1.127 取操作液氣的為： 因此有： 所以由全塔物料衡算式 V(Y 1 - Y 2 )=L(X 1 - X 2 ) 可得： 144.23

13、0.0526 0.0002 X1 162.50 0.0465 三、填料塔的工藝尺寸的計算 3.1 塔徑的計算 圖 1 填料塔泛點和壓降的通用關聯(lián)圖 圖中 u0——空塔氣速， m /s； φ——濕填料因子，簡稱填料因子， 1 /m； ψ——水的密度和液體的密度之比；

14、g——重力加速度， m /s2； ρV、 ρL——分別為氣體和液體的密度， kg /m3； wV、 wL——分別為氣體和液體的質量流量， kg /s。 采用 Eckert 通用關聯(lián)圖計算泛點氣速 氣相質量流速為 w v=qv ρV=36501.181=4310.65kg/h 液相質量流量可近似按純水的流量計算，即 wL=L M 水 =162.5018.02=2928.25 kg/h 用貝恩—霍根關聯(lián)式計算泛點氣速 2

15、 1 1 u at 4 8 Lg[ F v 0 .2 ] WL V g 3 ul A K L WV L  （式 3-1 ） μF——泛點氣速， m/s； g——重力加速度， 9．81m/s2 at ——填料總比表面積， 2 3 m／m 3 3 ε——填料層空隙率， m／m； ρ V, ρL ——氣相、液相密度， k/m3； μL

16、——液體粘度， mPas; wL,wV——液相、氣相的質量流量， kg/h; A,K——關聯(lián)常數(shù)。 散裝填料類型 塑料鮑爾環(huán) 金屬鮑爾環(huán) 塑料階梯環(huán) 金屬階梯環(huán) 瓷矩鞍 金屬環(huán)矩鞍  表 1 式 3-1中的 A、K 值 A K 規(guī)整填料類型 A K 0.0942 1.75 金屬絲網(wǎng)波紋填料 0.30 1.75 0.1 1.75 塑料絲網(wǎng)波紋填料 0.4201 1.75

17、 0.204 1.75 金屬網(wǎng)孔波紋填料 0.155 1.47 0.106 1.75 金屬孔板波紋填料 0.291 1.75 0.176 1.75 塑料孔板波紋填料 0.291 1.563 0.06225 1.75 表 2 散裝填料壓降填料因子平均值 填料因子 , 1/m 填料類型 DN16 DN25 DN38 DN50 DN76 金屬鮑爾環(huán) 306 - 114 98 - 金屬環(huán)矩鞍 - 138 93.4 71 36 金屬階梯環(huán) - -

18、118 82 - 塑料鮑爾環(huán) 343 232 114 127 62 塑料階梯環(huán) - 176 116 89 - 瓷矩鞍環(huán) 700 215 140 160 - 瓷拉西環(huán) 1050 576 450 288 - 查表 1與表 2 2 3 得 A=0.204 ， K=1.75 ， at =114.2 m ／m，ε =0.927 代入 得 μF =4.737m/s 取μ =0.8 μF=3.79m/s 4 3600 ，由 D=4v s 3.14 3600 0.548m

19、 3.79 圓整塔徑，取 D=0.6m 泛點率校核： μ= Lh 3600 3600 3.588 m s =3.588m/s 0.785D 2 0.785 0.62 3.588 100% 69.41% ( 在允許范圍內 ) F 4.737 填料規(guī)格校核 : D 600 15.79 8 d 38 液體噴淋密度校核： 取最小潤濕速率為（ L ） 0.08 m 3 m h w min 查附錄得 at 114.2 m 2

20、 m3 U min ( L ) min a t 0.08 114.2 9.136 m 3 m 2 h W 2928.25 U 9982.2 10.38 U min 0.785 0.6 經(jīng)以上校核可知，填料塔直徑選用 D=600mm合理。 3.2 填料層高度計算 Y1 *=m X1 Y2 *=mX2 =0 脫吸因數(shù)為 氣相總傳質單元數(shù)為 NOG 1 1 ln (1

21、 S) Y1 Y2* S S Y2 Y2* 1 1 ln (1 0.669) 0.0526 0 0.669 0.669 0.0002 0 =13.517 氣相總傳質單元高度采用修正的關聯(lián)式計算 氣相體積吸收總系數(shù) KY a 0.75 0.1 2 0. 05 0. 2 aw 1 exp 1.45 c U L U L at U L at at L 2 L L at L L g

22、 表 3 常見材質的臨界表面張力值 碳 瓷 玻璃 聚丙烯 聚氯乙烯 鋼 石蠟 材質 表面張力 , mN /m 56 61 73 33 40 75 20 查表 3 得σ C =33dyn/cm=427680kg/ h2 液體質量通量為 UL = 2928.25 2 =10361.82kg/(cm 2 .h) 0.785 0.6 at 0.75 0.1 10361.822 0.05 10361.822 0.2

23、 1 exp 1.45 427680 10361.82 114.2 aw 940489 114.2 0.065 998.22 1.27 108 998.22 940896 114.2 =0.48335 aw 114.2 0.48335 55.199 氣膜吸收系數(shù)由下式計算 0.7 1 KG U V v 3 at D v 0.237 v Dv RT at v 氣液質量通量為 U V 3600 1.

24、181 15253.54 kg m 2 h 0.785 0.62 15253.54 0.7 0.065 KG 0.237 0.065 1.181 0.081 114.2 0.16488 kmol（ m 2 h kpa）  1 3  114.2 0.081 8.314 293 夜膜吸收系數(shù)由下式計算： 2 1 1 3 2 L g 3 KL U L L 0.0095 L DL aw L L

25、 10361 .82 0.0095 3.6 55.199 0.4599 m h 2 3  3.6 1 2 3.6 1.27 108 1 3 998.2 7.344 10 6 998.2 表 4 常見填料的形狀系數(shù) 填料類型 球形 棒形 拉西環(huán) 弧鞍 開孔環(huán) Ψ 值 0.72 0.75 1 1.19 1.45 由 K G a K G aw 1.1查表 4得 1.45 則 K G a 0.16488 55.199 1.

26、451.1 13.696 kmol（ m 3 h kpa） KL a K L aw 0.4 0.4599 55.199 1.450.4 29.4541 h U 69.41% 50% U F U 1.4 0.5 K G a 1 9.（50.6941 1 .4 13.696 26.8045kmol（m 3 h kpa） 由 KG a 1 9.5 0.5） U F U 2.2

27、 0.5 K L a 1 2.（60.6941 2.2 29.454 31.53261 h KL a 1 2.6 0.5） U F 則 K G a 1 1 1 12.3392 kmol（ m3 h kpa） 1 1 1 K Ga HK L a 26.8045 0.725 31.5326 V V 144.23 0.32052m H OG GG ap 12.3392 101.3 0.62 KY a

28、 由 Z H OG N OG 0.32052 13.517 4.332m 得 Z=1.25 Z=5.416m 設計填料層高度為 Z=6m 表 5 散裝填料分段高度推薦值 填料類型 Hmax/m h/D 拉西環(huán) ≤ 4 2.5 矩鞍 ≤ 6 5～ 8 鮑爾環(huán) ≤ 6 5～10 階梯環(huán) ≤ 6 8～15 環(huán)矩鞍 ≤ 6 5～15 查表5得 對于階梯環(huán)填料 h 6 8 ~ 15, hmax D 取 h 10 600 6000mm D

29、 計算得填料層高度為 6000mm，故不需分段。 四、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 WL 0.5 0 .5 V 2928.25 1.181 WV L 4310.65 998.2 表 6 散裝填料壓降填料因子平均值 填料因子 , 1/m 填料類型 DN16 DN25 DN38 DN50 DN76 金屬鮑爾環(huán) 306 - 114 98 - 金屬環(huán)矩鞍 - 138 93.4

30、 71 36 金屬階梯環(huán) - - 118 82 - 塑料鮑爾環(huán) 343 232 114 125 62 塑料階梯環(huán) - 176 116 89 - 瓷矩鞍環(huán) 700 215 140 160 - 瓷拉西環(huán) 1050 576 450 288 - 查表 6得 p 89m-1 u 2 p v0.2 3.5882 89 1 1.181 0.2 0.1382 縱坐標為 g L 9.81 1 L 998.2 查圖 1得 P / Z 7

31、7.60 pa m 填料層壓降為 P 77.60 6 465.6 五、 液體分布器簡要設計 1、液體分布器的選型 該吸收塔液相負荷較大， 而氣相負荷相對較低， 故選用槽式液體分布 器。 2、分布點密度計算 表 7 Eckert 的散裝填料塔分布點密度推薦值 塔徑 ,mm 分布點密度 ,點 / m 2 塔截面 D=400 330 D=750 170 D≥ 1200 42 表 8 蘇爾壽公司的的規(guī)整填料塔分布點密度推薦值

32、 填料類型 分布點密度 ,點 / m 2 塔截面 250Y 孔板波紋填料 ≥ 100 500(BX)絲網(wǎng)波紋填料 ≥ 200 按 Eckert 建議值 D=750 時，噴淋點密度為 170 點/m2 因該塔液相負荷較大，設計取噴淋點密度為 240 點/m2 布液點數(shù)為 n 0.785 0.62 240 67.8 68點 按分布點幾何均勻與流量均勻的原則，進行布點設計。 設計結果為：二級槽共設五道，在槽側面開孔，槽寬度為 80mm，槽高度為 210mm，兩槽中心距為 160mm，分

33、布點采用三角形排列，實際布點數(shù) n=73 點，布液示意圖如下圖所示。 圖一、液體分布器簡要設計 3、布液計算 由 LS d2o n 2g H 4 取 0.60， H 160mm 1 4 2928.25 2 3600 2 4LS 998. do 3.14

34、 73 0.6 2 9.81 0.16 n 2g H  1 2 0.013 設計取 do 13mm 六、繪制吸收塔設計條件圖

35、 圖二、水吸收氨填料吸收塔設計條件圖 七、設計總結 通過近三個星期的努力， 在指導老師 xx 老師的悉心指導下， 我們全組人員的共同努力下，終于完成了我們的《化工原理》課程設計— —水吸收氨填料吸收塔的設計。 雖然只是短短的一些時間， 我們卻從中學到了許多知識， 不單鞏固了原有的知識， 也豐富了我們的課余知識，受益匪淺。 首先，查閱書籍也是一種技巧， 因為我們要從大量書籍中查閱到我們所需的知識資料。例如采用 Eckert 通用關聯(lián)圖計算泛點氣

36、速，僅此一項就消耗了我們很多的時間， 我們還要查找到所需的設備， 工藝流程等一批相關的資料，并從相關資料中篩選出我們需要的內容。 不掌握正確的查閱方法將會浪費很多寶貴的時間， 我們從中吸取了很多經(jīng)驗教訓。 其次，在設計過程中， 我們進一步鞏固了化工原理的知識， 并把它們用于實際操作當中，真正做到了理論與實際相結合。從此，我們就意識到了以前我們所學知識的不夠牢固、 深刻。學習方法上還存在許多弊端。通過這次課程設計，使我們有機會查漏補缺，彌補了自己的不足。 而且，我們也意識到了合作的重要性。 一個人的力量畢竟是有限的，因此，在此次課程設計過程中，全組上下全力合作，共同

37、完成了這項工作。諸如擅長作圖的同學充分發(fā)揮其特長， 利用自己的想象力，對填料塔的設計條件圖進行了設計， 在嚴格查閱資料和準確計算后，制定了方案， 作出了總體布局圖及相關的設備布局圖。在計算方面較擅長的組員們集中在一起， 對此次設計的方案計算投入了大量的精 力和時間，較好地完成了任務。能夠順利完成此次課程設計工作，團 結起了舉足輕重的作用，團結就是力量得到了充分的體會。 由于我們的知識水平有限，在實訓的過程中，指導老師 xxx 老師 對我們的設計提出了許多寶貴的意見， 耐心講解了設計的難點， 對初 稿進行了審閱和更正，并且為我們提

38、供了有用的參考資料。 總的來說，此次實訓對于我們的動手，獨立思考的能力有很大的 鍛煉，為以后的工作學習奠定了基礎。由于我們是初試鋒芒，缺乏經(jīng) 驗，在設計中不免會出現(xiàn)一些不足之處，就請老師指導，以便我們更 好地完善。 全體成員： 李飛 王莉 楊小貞 何金芳 完成時間： 2009 年 5 月 八、參考資料

39、 賈紹義，柴誠敬等 . 化工傳質與分離過程 北京：化學工業(yè)出版社， 2001 婁愛娟，吳志泉， 吳敘美等  .  化工設計  上海：華東理工大學出 版社， 2002 鄒蘭，閻傳智等 . 化工工藝工程設計 成都：四川大學出版社， 2004 王紅衛(wèi)，陳礪等 . 化工設計 廣州：華南理工大學出版社， 2001 郭年祥等 . 化工過程與設備 北京：冶金工業(yè)出版社， 2003 王正平，陳興娟等 . 精細化學反應設備分析與設計 北京：化學工業(yè)出版社， 2004 柴誠敬，王軍，陳常貴，郭翠梨等 . 化工原理課程學習指導天津：天津大學出版社， 2003 王靜康，伍宏業(yè)等 . 化工過程設計 北京：化學工業(yè)出版社， 2006