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1、精品【化工原理】课程设计水吸取氨气过程填料塔的设计学院专业制药工程班级姓名学号指导教师2023 年1月15日-可编辑-目录设计任务书4第一节前言21.1 填料塔的有关介绍31.2 塔内填料的有关介绍错误!未定义书签。其次节 填料塔主体设计方案确实定42.1 装置流程确实定52.2 吸取剂的选择52.3 填料的类型与选择72.4 液相物性数据62.5 气相物性数据82.6 气液相平衡数据72.7 物料横算7第三节 填料塔工艺尺寸的计算83.1 塔径的计算83.2 填料层高度的计算及分段93.2.1 传质单元数的计算93.2.2 传质单元高度的计算93.2.3 填料层的分段11第四节填料层压降的计
2、算11第五节填料塔内件的类型及设计12第六节填料塔液体分布器的简要设计12参考文献15对本设计的评述及心得15附表：附表 1 填料塔设计结果一览表15附表 2 填料塔设计数据一览15附件一：塔设备流程图18设计任务书(一)、设计题目：水吸取氨气过程填料吸取塔的设计试设计一座填料吸取塔，用于脱除混于空气中的氨气。混合气体的处理量为 7500 m3/h，其中含氨气为 5体积分数，要求塔顶排放气体中含氨低于 0.02体积分数。承受清水进展吸取，吸取剂的用量为最小用量的 1.5 倍。(二)、操作条件1操作压力常压2操作温度20. (三)填料类型选用聚丙烯阶梯环填料，填料规格自选。(四)工作日每年 30
3、0 天，每天 24 小时连续进展。(五)厂址厂址为衡阳地区(六)设计内容1. 吸取塔的物料衡算；2. 吸取塔的工艺尺寸计算；3. 填料层压降的计算；4. 液体分布器简要设计5. 吸取塔接收尺寸计算；6. 绘制吸取塔设计条件图；7. 对设计过程的评述和有关问题的争论。(七)操作条件20氨气在水中的溶解度系数为 H0.725kmol/m3kPa。第一节前言1.1 填料塔的有关介绍填料塔洗涤吸取净化工艺不单应用在化工领域 ,在低浓度工业废气净化方面也能很好地发挥作用。工程实践说明 ,合理的系统工艺和塔体设计 ,是保证净化效果的前提。本文简述聚丙烯阶梯填料应用于水吸取氨过程的工艺设计以及工程问题。填料
4、塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备，它是化工类企业中最常用的气液传质设备之一。填料塔的主体构造如以以以下图所示：气体液体捕沫器填料压板塔壳填料填料支承板 液体再分布器填料压板填料支承板气体液体精品图 1 填料塔构造图填料塔不但构造简洁，且流体通过填料层的压降较小，易于用耐腐蚀材料制造，所以它特别适用于处理量小、有腐蚀性的物料及要求压降小的场合。液体自塔顶经液体分布器喷洒于填料顶部，并在填料的外表呈膜状流下，气体从塔底的气体口送入，流过填料的空隙，在填料层中与液体逆流接触进展传质。因气液两相组成沿塔高连续变化，所以填料塔属于连续接触式的气液传质设备。1.2 塔内填料的有关介绍聚丙烯
5、材质填料作为塔填料的重要一类，在化工上应用较为广泛，与其他材质的填料相比，聚丙烯填料具有质轻、价廉、耐蚀、不易裂开及加工便利等优点，但其明显的缺点是外表润湿性能差。争论说明，聚丙烯填料的有效润湿面积仅为同类规格陶瓷填料的 40 % ，由于聚丙烯填料外表润湿性能差，故传质效率较低，使应用受到确定的限制.聚丙烯阶梯环填料为外径是高度的两倍的圆环 ,在侧壁上开出两排长方形的窗孔 , 并在一端增加了一个锥形翻边，被切开的环壁的一侧仍与壁面相连 ,另一侧向环内弯曲 , 形成内伸的舌叶 ,各舌叶的侧边在环中心相搭。鲍尔环由于环壁开孔 ,大大提高了环内空间及环内外表的利用率 ,气流阻力小 ,液体分布均匀。阶
6、梯环与鲍尔环相比 ,其高度削减了一半 ,并在一端增加了一个锥形翻边。聚丙烯阶梯环的构造图如下：图 2聚丙烯阶梯环构造图其次节 精馏塔主体设计方案确实定-可编辑-精品2.1 装置流程确实定本次设计承受逆流操作：气相自塔底进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出， 即逆流操作。逆流操作的特点是：传质平均推动力大，传质速率快，别离效率高，吸取剂利用率高。工业生产中多承受逆流操作。2.2 吸取剂的选择由于用水做吸取剂，故承受纯溶剂。表 1 工业常用吸取剂溶质溶剂溶质溶剂氨水、硫酸丙酮蒸汽水氯化氢水二氧化碳水、碱液二氧化硫水硫化氢碱液、有机溶剂苯蒸汽煤油、洗油一氧化碳铜氨液2.3 填料的类型与选择填料的
7、种类很多，依据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。本次承受散装填料。工业塔常用的散装填料主要有 Dn16Dn25Dn38 Dn50Dn76 等几种规格。同类填料，尺寸越小，别离效率越高，但阻力增加，通量减小，填料费用也增加很多。而大尺寸的填料应用于小直径塔中，又会产生液体分布不良及严峻的壁流，使塔的别离效率降低。因此，对塔径与填料尺寸的比值要有一规定。常用填料塔径与填料公称直径比值 D/d 的推举值列于下表。表 2：常用填料的 D/d 的推举值-可编辑-填料种类拉西环鞍形环鲍尔环阶梯环环矩鞍D/d 的推举值D/d 2030 D/d 15 D/d 1015 D/d8 D/d8工业上，
8、填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。聚丙烯阶梯环即为塑料类填料。聚丙烯填料在低温低于0 度时具有冷脆性，在低于0 度的条件下使用要慎重，可选耐低温性能良好的聚氯乙烯填料。本方案选用聚丙烯阶梯环作为填料设计填料塔，规格为 50mm25 mm1.5 mm， 其主要参数如下：表 3：聚丙烯阶梯环的特性数据t填料类型公称直径 外径高/壁比外表积 空隙率/% DN/mm厚am2/m3个数积存密度 干填料因n/m-3kg/m3 子 m-1塑料阶梯环5050251.5114.292.71074054081432.4 液相物性数据对低浓度吸取过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。由手册查得 20 水的
9、有关物性数据如下：1.rL= 998.2kg / m32. 黏度：mL= 0.001 pa s = 3.6kg / (m h)z3. 外表张力为:s= 72.6dyn / cm = 940896kg / h24. 20C NH3: H = 0.725kmol / m3 kpa5. 20C NH: D3L6. 20C NH: D3V= 7.34 10-6 m2 / h= 0.225cm2 / s = 0.081m2 / h2.5 气相物性数据1. 混合气体的平均摩尔质量为:M= y m= 0.05 17.0304 + 0.95 29 = 28.4015(2-1)vmii2. 混合气体的平均密度为
10、：m3由r= PMVM= 101.3 28.4015= 1.1761kg(2-2)vmRT8.314 293R=8.314 m3 KPa / (kmol K )3. 混合气体黏度可近似取为空气黏度。查手册得 20 C 时，空气的黏度m= 1.8110-5 pa s = 6516 10-5 kg / (m h)v注：1 N = 1kg m / s21Pa = 1N / m2 = 1kg / (s2m)1Pas=1kg/ms2.6 气液相平衡数据由手册查得，常压下，20 0C 时，NH 在水中的亨利系数为 E=76.3kPa3200 C时,NH3在水中的溶解度: H=0.725kmol/m相平衡常
11、数： m =rE = 0.7532(2-3)PEM溶解度系数: H =LS= 998.2 / (76.318.02)(2-4)= 0.726kmol / kPa m32.7 物料衡算1. 进塔气相摩尔比为y10.05(2-5)Y12. 出塔气相摩尔比为= 1- y1= 0.052631- 0.05Y= Y (1-j21) = 0.05263 (1- 0.996) = 0.002105(2-6)hA3. 进塔惰性气体流量:V = 7500 273(1- 0.05) = 296.383kmol(2-7)22.4273 + 20由于该吸取过程为低浓度吸取，平衡关系为直线，最小液气比按下式计算。即：
12、L - YY=12(2-8) V Y / m - Xmin12由于是纯溶剂吸取过程，进塔液相组成 X= 00.05263 - 0.0021050.052630.75322V所以 L Y - Y=min= 0.7229Y121 m - X 2选择操作液气比为 L= 1.5 L = 1.08442-9VVmin吸取剂用量：L=1.0844296.383=321.398kmol/h由于 V(Y1-Y2)=L(X1-X2)故 X1 = 0.04659第三节 填料塔工艺尺寸的计算填料塔工艺尺寸的计算包括塔径的计算、填料层高度的计算及分段3.1 塔径的计算1. 空塔气速确实定泛点气速法对于散装填料，其泛点
13、率的阅历值 u/uf=0.50.85依据贝恩Bain霍根Hougen关联式 ，即： u2 a r =A-K w1 4 r1 83-1lg F t V m0.2 L V LVL g e 3 rLwr即：u211402 1.1836 0.2 5791.592 1 1.1836 148lgF() 0.001 = 0.204 -1.75 9.81 0.9273 998.2 8861.415 998.2 解得： uF= 8.785m/s 其中：u泛点气速，m/s;Fg 重力加速度，9.81m/s2a - -填料总比外表积， m2te - -填料层空隙率m3 / m3/ m3r= 998.2kg / m3
14、液相密度。Lr= 1.1836kg / m3气相密度VWL=5791.592 /hWV=8861.415kg/h A=0.204； K=1.75；4 75003.14 6.150 3600取 u/uF=0.7u =6.150m/s4Vp uD = 0.6569m3-2圆整塔径后 D=0.7m1. 泛点速率校核： u =7500= 5.416m/s0.785 0.72 3600u= 5.416u8.785F= 0.617那么 u在允许范围内uF2. 依据填料规格校核：D/d=700/50=14 8，依据表 2 可知符合要求3. 液体喷淋密度的校核：(1) 填料塔的液体喷淋密度是指单位时间、单位塔
15、截面上液体的喷淋量。(2) 最小润湿速率是指在塔的截面上，单位长度的填料周边的最小液体体积流量。对于直径不超过 75mm 的散装填料，可取最小润湿速率(Lw)min为0.08m3 / (mh) 。Umin= (Lww)amint= 0.08114.2 = 9.136m3 / (m2 h)3-35791.592U =Lr 0.785 D2L= 15.08m3 / (m2 h) U min = 9.136 998.2 0.785 0.723-4经过以上校验，填料塔直径设计为 D=700mm 合理。3.2 填料层高度的计算及分段Y * = mX11= 0.04659 0.7532 = 0.03513
16、-5Y * = mX223.2.1 传质单元数的计算= 03-6用对数平均推动力法求传质单元数Y - YN=123-7OGDYM()Y - Y *- (Y - Y * )DY=1M1Y1ln Y2221- Y *- Y *23-8= 0.05263 - 0.0351- 0.002105ln 0.017560.002105=0.007286那么： N= 0.05263 - 0.002105OG0.007286= 6.933.2.2 传质质单元高度的计算气相总传质单元高度承受修正的恩田关联式计算：0.750.1-0.05a s U U 2a ()0.2 3-9LtLw = 1- exp-1.45c
17、 LLt U 2 / r s atasLa m r2 g LLL t即： a w/ a t =0.4062那么a w=46.387液体质量通量为：UL=5791.592 /(0.7850.72)=15056.78kg/(h)气体质量通量为：u=8861.415/(0.7850.72)=23037.61kg/(h)V气膜吸取系数由下式计算：3 Um1a D3-10k= 0.237(V )0.7 v tV Ga m r D RTtvvV代入数据解得： kG=0.2197 m/s液膜吸取数据由下式计算： U2 m- 1 m g 1323(3-11K= 0.0095L LLLLLLa mwL r D
18、r代入数据解得： K=0.6137 m/sL查表可知，y = 1.45K a = KGK a = Ka y 1.1 = 0.219746.3871.451.1 =15.34kmol/(m3hkPa)G Wa y 0.4=0.613746.3871.450.4=33.03kmol/(m3h3-12 kPa)LL W(3-13由于： u=0.621uF所以需要用以下式进展校正： u1.4 3-14k ” a = 1+ 9.5- 0.5 k aGGuF代入数据解得： k ” a =22.92 kmol/(m3 hkPa)G u2.2 3-15k ” a = 1+ 2.6- 0.5 k aLLuF代入
19、数据解得： k ” a =36.04 kmol/(m3 hkPa)L1K a =3-16G1+1k ” aHk ” aGL代入数据解得： KGa =12.21kmol/(m3 h kPa)H=V=V3-17OGK aWK aPWGG代入数据解得： HOG=0.623 mZ = HNOGOG3-18=0.62312.21=4.317m取上下活动系数为 1.5，那么 Z ” =1.54.317=6.476 m3.2.3 填料层的分段对于阶梯环散装填料的分段高度推举值为 h/D=815。h=870015700=5.610.5 m计算得填料层高度为 7 m，故不需分段第四节 填料层压降的计算依据 Ec
20、kert 图(通用压降关联图 )，将操作气速 u 代替纵坐标中的 uF50mm 聚丙烯阶梯环的压降填料因子f 143 代替纵坐标中的f p那么纵标值为：查表， Dnu 2f yrFPV m0.2 =0.1642(3-19)grLL精品横坐标为： W r0.5(3-20)WrL V V L = 0.0225图 3：通用压降关联图查图得：DP =1509.81=1471.5 Pa/m(3-21)DZ那么:全塔填料层压降DP =1471.57=10300.5 Pa至此，吸取塔的物料衡算、塔径、填料层高度及填料层压降均已算出。第五节填料塔液体分布器的简要设计5.1 液体分布器设计的根本要求：1液体分布
21、均匀；2操作弹性大；3自由截面积大；4其他本设计任务液相负荷不大，可选用排管式液体分布器；且填料层不高，可不设液体再分-可编辑-精品布器。5.2 分布点密度计算按 Eckert 建议值,D=700mm 时,喷淋点密度为265 点/m2。本设计的塔径为700mm，依据需要取喷淋点密度为 265 点/m2布液点数为：n=0.7850.72265=101.9102 点第六节吸取塔的主要接收尺寸的计算6.1 气体进料管由于常压下塔气体进出口管气速可取 1220 m / s ，故假设取气体进出口流速近似-可编辑-为 18m/s，那么由公式qV= p d 2u 可求得气体进出口内径为44qp uV7500
22、 / 36000.785 19d = 0.374mm承受直管进料，由附表查得选择F402mm 9mm 热轧无缝钢管，那么u ” =4qVp d 2=7500 / 3600= 18.0m / s0.785 (0.402 - 0.009 2)2在符合范围内气体进出口压降:进口： Dp1()1=r u2 =1.183618.02 = 191.6 Pa1出口： Dp22211()= 0.5r u2 = 0.51.183618.02 = 95.8 Pa226.2 液体进料管由于常压下塔液体进出口管速可取1-3 m / s ，故假设取液体进出口流速近似为2.6m/s，那么由公式qV= p d 2u 可求得
23、液体进出口内径为44qp uV5791.6998.2 3600 0.785 2.6d = 0.028m承受直管进料，由附表查得选择F38mm 4mm 热轧无缝钢管，那么Vu ” = 4q=5791.6 / (998.2 3600)= 2.28m / s在符合范围内p d 20.785 (0.038 - 0.004 2)2参考文献1 夏清.化工原理下M. 天津:天津大学出版社, 2023.2 贾绍义,柴诚敬. 化工原理课程设计M. 天津:天津大学出版社, 2023.3 华南理工大学化工原理教研室著化工过程及设备设计M广州: 华南理工大学出版社, 1986.4 周军.张秋利 化工 AutoCAD
24、制图应用根底 。北京. 化学工业出版社。对本设计的评述及心得经过了几天时间的努力，最终完成了这次的化工原理课程设计，现将在此过程中的一些心得述及如下：在过去的一年里，我们学习了【化工原理】这一门课程。【化工原理】是化学类专业的一门重要的专业根底课，它的内容是表达化工单元操作的根本原理、典型设备的构造原理、操作性能和设计计算。化工单元操作是组成各种化工生产过程、完成确定加工目的的根本过程，其特点是化工生产过程中以物理变化为主，包括流体流淌过程、传热过程和传质过程。在这里面，我们主要学习了流体输送、流体流淌、机械别离、传热、传质过程导论、吸取、蒸馏、气-液传质设备，以及枯燥等。这次我的课程设计题目
25、是水吸取氨过程填料塔的设计，这是关于吸取中填料塔的设计。填料塔是以塔内装有大量的填料为相接触构件的气液传质设备。填料塔的构造较简洁，压降低，填料易用耐腐蚀材料制造等优点。通过这次的课程设计，让我从中体会到很多。课程设计是我们在校大学生必需经过的一个过程，通过课程设计的熬炼，可以为我们马上来的毕业设计打下坚实的根底！为此，我感觉能圆满完成这次课程设计任务，给我带来了很大的信念，让我对自己的将来布满了自信！将来确定是惊异的附表：附表 1 填料塔设计结果一览表塔径0. 7 m填料层高度7 m填料规格Dn50 mm 聚丙烯阶梯环操作气液比1.0844校正液体流速6.150 m/s压降10300.5 P
26、a惰性气体流量296.383 kmol/h附表 2 填料塔设计数据一览E亨利系数，u气体的粘度，Vm平衡常数1.81 10-5 Pa / s =651610-5 kg / m h0.7532y 水的密度和液体的密度之比1g重力加速度， 9.81 m2 / sr ; rVL分别为气体和液体的密度， rV=1.1836 kg / m3 ； rL=998.2 kg / m3 ；(W=5791.592kg/hW=8861.415kg/h分别为气体和液体的质量流量LVKY a 气相总体积传质系数，kmol /m3 s )Z 填料层高度， mW = p D 2W 塔截面积，4HOG 气相总传质单元高度，
27、mNOG 气相总传质单元数()GK以分压差表示推动力的总传质系数， kmol /a单位体积填料的润湿面积m2 s kPaWa - -填料总比外表积， m2 / m3114.2te - -填料层空隙率m3 / m30.927()(Gk以分压差表示推动力的气膜传质系数，kmol /m2 s kPaH 溶解度系数，0.725 kmol /m2 kPa)kL 以摩尔浓度差表示推动力的液膜传质系数，m / sR 气体常数，8.314kN m / (kmol K )D= 0.081m2 / h; DVL= 7.34 10-6 m2 / h 氨气在空气中中的集中系数及氨气在水中的集中系数;s- -液体的外表张力， 940896kg/h2Ls - -填料材质的临界外表张力，427680kg/ h2；y - -填料外形系数c聚丙烯阶梯环=1.45液体质量通量为：U L =15056.78 kg/(h)气体质量通量为：UV=23037.61kg/(h)精品附件一：塔设备流程图附件二：塔设备工艺设计图-可编辑-精品水吸取氨填料吸取塔工艺设计图-可编辑-