湖南師范大學(xué)《化工原理》課程設(shè)計說明書

1、湖南師范大學(xué)化工原理課程設(shè)計說明書設(shè)計題目 年處理1.2×107m3丙酮-空氣混合氣填料塔的設(shè)計學(xué)生姓名 XXXXXXX _指導(dǎo)老師 XXXXXX _學(xué) 院 XXXXXXX _ _專業(yè)班級 XXXXXXXXXX _完成時間 2010年11月 _化工原理課程設(shè)計成績評定欄評定基元評審要素1. 評審內(nèi)涵滿 分指導(dǎo)教師實(shí)評分評閱教師實(shí)評分設(shè)計說明書，40%格式規(guī)范設(shè)計說明書是否符合規(guī)定的格式要求5內(nèi)容完整設(shè)計說明書是否包含所有規(guī)定的內(nèi)容5設(shè)計方案方案是否合理及符合選定題目的要求10工藝計算過 程工藝計算過程是否正確、完整和規(guī)范20設(shè)計圖紙，40%圖紙規(guī)范圖紙是否符合規(guī)范5標(biāo)注清晰標(biāo)注是否清

2、晰明了5與設(shè)計吻合圖紙是否與設(shè)計計算的結(jié)果完全一致10圖紙質(zhì)量設(shè)計圖紙的整體質(zhì)量的全面評價20平時成績，10%上課出勤上課出勤考核5制圖出勤制圖出勤考核5答辯成績，10%內(nèi)容表述答辯表述是否清楚5回答問題回答問題是否正確5100綜合成績 成績等級 指導(dǎo)教師 評閱教師 答辯小組負(fù)責(zé)人(簽 名) (簽 名) (簽 名)年 月 日 年 月 日 年 月 日說明: 評定成績分為優(yōu)秀(90-100)，良好(80-89)，中等(70-79)，及格（60-69）和不及格(<60)。目 錄1. 前言(4)2. 設(shè)計任務(wù)(6)3. 設(shè)計方案說明 (6)4. 基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù) （6）5. 物料衡算 (6)6. 填

3、料塔的工藝尺寸計算 （8）7. 附屬設(shè)備的選型及設(shè)備（14）8. 參考文獻(xiàn) (19)9. 后記及其他（20）1.前 言填料塔是以塔內(nèi)的填料作為氣液兩相間接觸構(gòu)件的傳質(zhì)設(shè)備，它是化工類企業(yè)中最常用的氣液傳質(zhì)設(shè)備之一。而塔填料塔內(nèi)件及工藝流程又是填料塔技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。聚丙烯材質(zhì)填料作為塔填料的重要一類，在化工上應(yīng)用較為廣泛，與其他材質(zhì)的填料相比，聚丙烯填料具有質(zhì)輕、價廉、耐蝕、不易破碎及加工方便等優(yōu)點(diǎn)，但其明顯的缺點(diǎn)是表面潤濕性能。1.1填料塔技術(shù)填料塔的塔身是一直立式圓筒，底部裝有填料支承板，填料以亂堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安裝填料壓板，以防被上升氣流吹動。液體從塔頂經(jīng)液體分布器

4、噴淋到填料上，并沿填料表面流下。氣體從塔底送入，經(jīng)氣體分布裝置（小直徑塔一般不設(shè)氣體分布裝置）分布后，與液體呈逆流連續(xù)通過填料層的空隙，在填料表面上，氣液兩相密切接觸進(jìn)行傳質(zhì)。填料塔屬于連續(xù)接觸式氣液傳質(zhì)設(shè)備，兩相組成沿塔高連續(xù)變化，在正常操作狀態(tài)下，氣相為連續(xù)相，液相為分散相。  當(dāng)液體沿填料層向下流動時，有逐漸向塔壁集中的趨勢，使得塔壁附近的液流量逐漸增大，這種現(xiàn)象稱為壁流。壁流效應(yīng)造成氣液兩相在填料層中分布不均，從而使傳質(zhì)效率下降。因此，當(dāng)填料層較高時，需要進(jìn)行分段，中間設(shè)置再分布裝置。液體再分布裝置包括液體收集器和液體再分布器兩部分，上層填料流下的液體經(jīng)液體收集器收集后，送到

5、液體再分布器，經(jīng)重新分布后噴淋到下層填料上。 填料塔具有生產(chǎn)能力大，分離效率高，壓降小，持液量小，操作彈性大等優(yōu)點(diǎn)。填料塔也有一些不足之處，如填料造價高；當(dāng)液體負(fù)荷較小時不能有效地潤濕填料表面，使傳質(zhì)效率降低；不能直接用于有懸浮物或容易聚合的物料；對側(cè)線進(jìn)料和出料等復(fù)雜精餾不太適合等。1.2 填料的類型填料的種類很多，根據(jù)裝填方式的不同，可分為散裝填料和規(guī)整填料。散裝填料是一個個具有一定幾何形狀和尺寸的顆粒體，一般以隨機(jī)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(diǎn)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。規(guī)整填料是按一定的幾何構(gòu)形排列，整齊堆砌的填料。規(guī)整填

6、料種類很多，根據(jù)其幾何結(jié)構(gòu)可分為格柵填料、波紋填料、脈沖填料等。根據(jù)設(shè)計的費(fèi)用和分離要求來考慮，本設(shè)計采用散裝填料。 1.3填料的幾何特性填料的幾何特性數(shù)據(jù)主要包括比表面積、空隙率、填料因子等，是評價填料性能的基本參數(shù)。 1.4填料的性能評價填料性能的優(yōu)劣通常根據(jù)效率、通量及壓降三要素衡量。在相同的操作條件下，填料的比表面積越大，氣液分布越均勻，表面的潤濕性能越好，則傳質(zhì)效率越高；填料的空隙率越大，結(jié)構(gòu)越開敞，則通量越大，壓降亦越低填料塔的流體力學(xué)性能 1.5填料塔的流體力學(xué)性能主要包括填料層的持液量、填料層的壓降、液泛、填料表面的潤濕及返混等。 1.6填料的選擇填料的選擇包括填料種類的選擇、

7、填料規(guī)格的選擇（散裝填料規(guī)格的選擇、規(guī)整填料規(guī)格的選擇）、填料材質(zhì)的選擇等，所選填料既要滿足生產(chǎn)工藝的要求，又要使設(shè)備投資和操作費(fèi)用最低。在填料的選擇中，我選用DN50填料。因為設(shè)計任務(wù)的年產(chǎn)量比較小，塔徑為800mm，不適合用尺寸大的填料。而在同類填料中，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(fèi)用也增加很多。而DN50填料正處于兩者之間。是理想的填料類型。 1.7填料塔的內(nèi)件填料塔的內(nèi)件主要有填料支承裝置、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。2. 設(shè)計任務(wù)  原料氣組成: 丙酮

8、空氣雙組分混合氣體 丙酮含量 14.0%（體積%）   處理量: 1.3×107 4.1107 Nm 3 /a （標(biāo)準(zhǔn)體積流量）年吸收能力1.2×10m，年開工3600小時  操作條件: 連續(xù)常壓操作 ( t = 2030 )  尾氣要求: 出塔氣體中丙酮含量不大于原料氣中丙酮含量的0.5%.   吸收劑: 清 水 3設(shè)計方案的說明用水吸收丙酮溶解的吸收過程，為提高傳質(zhì)效率，選用逆流吸收流程，因用水作為吸收劑，且丙酮不作為產(chǎn)品，故采用純?nèi)軇?對于水吸收的丙酮過程，操作溫度及操作壓力較低，故此用塑料階梯環(huán)DN50填料。4基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)

9、4.1液相物性數(shù)據(jù)20ºC時水的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度為 粘度為 表面張力為 丙酮在水中的擴(kuò)散系數(shù)為 4.2氣相物性數(shù)據(jù)混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為混合氣體的平均密度為混合氣體的粘度可近似取空氣的粘度，查手冊的20 空氣的粘度為丙酮在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為 4.3氣相中平衡數(shù)據(jù) 常壓下20 時, 在水中的享利系數(shù)為E=161.6KPa; 相平衡常數(shù)為m=E/P=1.5949 5物料衡算進(jìn)塔氣相摩爾比為出塔氣相摩爾比為：進(jìn)塔惰性氣相流量為 (1.2×10)/3600=3333.3 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，即：對于純?nèi)軇┪者^程，進(jìn)塔液相組成為取

10、操作液氣比為：表1 全塔物料衡算總表進(jìn)塔出塔氣相中丙酮的量 惰性氣體的量 水中丙酮?dú)獾牧?水的量 INPUT 氣相中丙酮?dú)獾牧?惰性氣體的量 水中丙酮的量 水的量 OUTPUT 從上表可知進(jìn)出塔的物料總量基本相等，結(jié)果差異主要是由于用尾氣吸收公式算的理論水中丙酮的量比實(shí)際吸收丙酮的量要大。6填料塔的工藝尺寸的計算 6.1塔徑的計算采用Eckert 通用關(guān)聯(lián)圖計算泛點(diǎn)氣速。氣相質(zhì)量流量為液相質(zhì)量流量可近似按純水的流量計算，即 Eckert通用關(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)為查Eckert圖得 查表得陶瓷拉西環(huán)矩鞍泛點(diǎn)填料因子平均值為圓整塔徑，取D=0.8m=800mm泛點(diǎn)率校核： 在0.50.85的允許范圍內(nèi)，

11、合格填料規(guī)格核算液體噴淋密度核算取最小潤濕速率為 查表得拉西環(huán)矩鞍DN50的比表面積=U=> U經(jīng)以上核算可知，選用D=800mm合理圖1 填料層的泛點(diǎn)和壓強(qiáng)降的通用關(guān)聯(lián)圖（ECKERT圖） 6.2 填料層高度計算Y =mX =Y=mX=0脫吸因數(shù)為S= 氣相總傳質(zhì)單元數(shù)為 氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計算查常見材質(zhì)的臨界表面張力值表液體質(zhì)量通量為則=0.5062 得=47.0766 氣膜吸收系數(shù)由下式計算氣體質(zhì)量通量為則：液膜吸收系數(shù)由下式計算：則：由查常見填料的形狀系數(shù)表得： > 所以需要按下式進(jìn)行校正： H=Z=HN=0.87493.8540=3.3719m取=取對

12、拉西環(huán)填料，取則h=計算，故需要分兩段。 6.3 填料層壓降的計算采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計算填料層壓降。橫坐標(biāo)為查表得陶瓷拉西環(huán)壓降填料因子平均值為： 縱坐標(biāo)為查Eckert通用關(guān)聯(lián)圖得：則填料塔的壓強(qiáng)降為 =，7輔助設(shè)備的選型及設(shè)備 7.1 液體分布器 7.1.1液體分布器的選型該吸收塔液相負(fù)荷較大，而氣相負(fù)荷相對較低，故選用槽式液體分布器。 7.1.2分布點(diǎn)密度計算根據(jù)Eckert的散裝填料塔分布布點(diǎn)密度推薦值，D=750mm時取噴射點(diǎn)密度為170點(diǎn)/m，現(xiàn)D=800mm,取噴射點(diǎn)密度為180點(diǎn)/m則布液點(diǎn)數(shù)為取130點(diǎn).按分布點(diǎn)幾何均勻與流量均勻的原則，進(jìn)行布點(diǎn)設(shè)計。設(shè)計結(jié)果為：二級

13、槽共設(shè)五道，在槽側(cè)面開孔，槽寬度為80mm，槽高度為210mm，兩槽中心矩為160mm。分布點(diǎn)采用三角形排列，實(shí)際設(shè)計點(diǎn)數(shù)n=92點(diǎn)，如下圖所示： 圖2為槽式液體分布器布液點(diǎn)設(shè)計圖 7.1.3分液計算取孔流系數(shù)，開孔上方的液位高度分別為：則， 設(shè)計取 d=4mm 7.2 填料支撐結(jié)構(gòu)填料支承結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足3個基本條件：使起液能順利通過.設(shè)計時應(yīng)取盡可能大的自由截面。要有足夠的強(qiáng)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(nèi)的填料，常用的填料支承裝置有柵板型、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(zhì)、氣液流

14、率等。本設(shè)計根據(jù)需要，選擇柵條式支承裝置。 7.3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。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(shè)計中填料塔在填料裝填后于其上方安裝了填料壓緊柵板。 7.4 液體再分布器裝置液體在亂堆填料層內(nèi)向下流動時，有偏向塔壁流動的現(xiàn)象

15、，偏流往往造成塔中心的填料不被潤濕，降低表面利用率。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。 7.5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。 7.6接管口尺寸的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3m/s ，氣體流速一般不超過10-30m/s。管徑計算公式：，由于該填料塔吸收在底濃度下進(jìn)行，故氣液體進(jìn)出空的管徑相同。（1） 丙酮與空氣混合氣體：取u=30 m/s所以由公式

16、：（2） 圓整取213mm（3） 查表（GB8163-87）管子規(guī)格表，可選取219mm×9.5mm的無縫鋼管，內(nèi)徑為：219-2×9.5=200mm在對氣體流速進(jìn)行校核：<u,所以，管子選取合格（4） 對于液體進(jìn)出口，取液體流量為2m/s 同理查表（GB8163-87）管子規(guī)格表，可選取219mm×9.5mm的無縫鋼管，內(nèi)徑為：219-2×9.5=200mm在對液體流速進(jìn)行校核：<u,所以，管子選取合格表2 計算結(jié)果總表項目數(shù)據(jù)操作壓強(qiáng)P/kPa101.325各段平均溫度t/20塔徑D/mm800填料分段高度h/mm2000填料層高度mm5

17、000空塔流速(m/s)1.843填料層壓強(qiáng)P/Pa6082.2氣相總傳質(zhì)單元數(shù)N3.854氣相傳質(zhì)單元高度H/mm874.9 布液點(diǎn)數(shù)n/點(diǎn)92孔徑d /mm4氣體進(jìn)出管道的尺寸mm2199.5液體進(jìn)出管道的尺寸mm2199.58.參考文獻(xiàn) 1.陳敏恒等.化工原理.下冊.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,20002.上海醫(yī)藥設(shè)計院編.化工工藝設(shè)計手冊.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,19963.匡國柱,史啟才主編.化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,20024.王樹楹主編.現(xiàn)代填料塔技術(shù)指南.北京:中國石化出版社,19985.劉乃鴻主編.工業(yè)塔新型規(guī)整填料應(yīng)用手冊.天津:天津大學(xué)出版社，19936.

18、賀匡國主編.化工容器及設(shè)備設(shè)計簡明手冊.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,20027.王松漢主編.石油化工設(shè)計手冊.第3卷.化工單元過程.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,20028.倪進(jìn)方.化工過程設(shè)計.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,19999.譚蔚主編.化工設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ).天津:天津大學(xué)出版社,200010.化學(xué)工程手冊編輯委員會.化學(xué)工程手冊.第3卷第十篇.氣體吸收.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，198911.Perrys Chemical Engineers Handbook. Sixth edition.Section 18.198412.Langes Handbook of Chemistry.15th ed，199913

19、.化學(xué)工程手冊編輯委員會.化學(xué)工程手冊.第3卷第十三篇.氣液傳質(zhì)設(shè)備.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,198914.時鈞,汪家鼎,余國琮，陳敏恒主編.化學(xué)工程手冊.第二版上卷.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，19969. 后記 ：設(shè)計過程的心得體會經(jīng)過了兩周多時間的課程設(shè)計，現(xiàn)在終于完成了這次的課程設(shè)計要求，有了一點(diǎn)的心得。在上學(xué)期，我們學(xué)習(xí)了化工原理這一課程，化工原理是化學(xué)工程專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，它的內(nèi)容是講述化工單元操作的基本原理、典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理、操作性能和設(shè)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(diǎn)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、傳熱過程和傳質(zhì)過程。在這里面，我們主要學(xué)習(xí)了流體輸送、流體流動、機(jī)械分離、傳熱、傳質(zhì)過程導(dǎo)論、吸收、蒸餾、氣-液傳質(zhì)設(shè)備，以及干燥等。這次我的課程設(shè)計題目是水吸收丙酮過程填料塔的設(shè)計。填料塔是以塔內(nèi)裝有大量的填料為相接觸構(gòu)件的氣液傳質(zhì)設(shè)備。填料塔的結(jié)構(gòu)較簡單，壓降低，填料易用耐腐蝕材料制造等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計中，開始的時候