化工原理課程設(shè)計(jì)---碳酸丙烯酯吸收二氧化碳填料塔設(shè)計(jì)

1、化工原理課程設(shè)計(jì)目錄化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)2摘要3刖言4第一節(jié)概述5第二節(jié)塔填料的選擇5第三節(jié)吸收操作中的氣液平衡6一氣液平衡數(shù)據(jù)6二平衡線(xiàn)方程6第四節(jié)填料吸收塔的工藝計(jì)算7一物料衡算與操作線(xiàn)方程7物料衡算7操作線(xiàn)方程7二最小吸收劑用量與吸收劑用量7最小吸收劑用量7吸收劑用量8三塔徑計(jì)算8 泛點(diǎn)氣速u(mài)f與塔徑D的計(jì)算8塔徑的圓整10填料塔噴淋密度的校核10四填料層高度的計(jì)算10有效比表面積aw-11填料層高度和塔高11第五節(jié)費(fèi)用的計(jì)算12一吸收塔塔體和平臺(tái)扶梯年折舊及維修費(fèi)用12二吸收塔填料年折舊費(fèi)用14三離心泵年折舊和維修費(fèi)用及操作費(fèi)用14四風(fēng)機(jī)年折舊和維修費(fèi)及操作費(fèi)用19五吸收劑費(fèi)用21第

2、六節(jié)校核23一塔直徑與塔中填料直徑之比23二液體噴淋密度23三強(qiáng)度校核23筒體材料的厚度計(jì)算24封頭厚度計(jì)算24塔體的強(qiáng)度與穩(wěn)定計(jì)算24填料層高度24塔的高度24質(zhì)量載荷計(jì)算24塔體與裙座的質(zhì)量24 人孔、法蘭、接管等附件的質(zhì)量24內(nèi)構(gòu)件的質(zhì)量24保溫層材料的質(zhì)量24扶梯、平臺(tái)的質(zhì)量25 操作時(shí)塔內(nèi)物料質(zhì)量25充水質(zhì)量25塔器操作質(zhì)量25塔器的最大質(zhì)量25塔器的最小質(zhì)量25塔體的風(fēng)載荷和風(fēng)力矩25風(fēng)力矩的計(jì)算公式25總彎矩的計(jì)算26 塔的看自振周期計(jì)算26地震載荷的計(jì)算26塔體的強(qiáng)度與穩(wěn)定校核27 塔體危險(xiǎn)截面的軸向應(yīng)力計(jì)算27載體危險(xiǎn)截面抗壓強(qiáng)度及軸向穩(wěn)定性計(jì)算27（七）裙座的強(qiáng)度和穩(wěn)定計(jì)算

3、、校核28水壓試驗(yàn)時(shí)塔的強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算28水壓試驗(yàn)時(shí)塔體1-1截面的強(qiáng)度校核28 水壓試驗(yàn)時(shí)裙座底部0-0截面強(qiáng)度和軸向穩(wěn)定要求28（九）基礎(chǔ)環(huán)板的設(shè)計(jì)29 基礎(chǔ)環(huán)板內(nèi)外徑的確定29基礎(chǔ)環(huán)板厚度的設(shè)計(jì)29地腳螺栓的設(shè)計(jì)29第七節(jié)小結(jié)30第八節(jié)優(yōu)化程序與運(yùn)行結(jié)果30符號(hào)說(shuō)明36參考文獻(xiàn)39化工原理課程設(shè)計(jì)成績(jī)單40化工原理課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)化工學(xué)院化學(xué)工程與工藝專(zhuān)業(yè)07-1班學(xué)生夏劍鋒設(shè)計(jì)題目：碳酸丙烯酯（PC）脫除合成氯原料氣中CO2填料塔的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)間：2010.05.102010.05.29指導(dǎo)老師：劉雪霆老師設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件：1 .合成氨原料氣量55000 Nm3/h。2 .原料氣組成（

4、摩爾分率）：CO2 CO H2 N2 CH430%3%49%15%3%3 .出塔凈化氣中：CO2W0.6% （摩爾分率）。4 .再生PC中含CO2W2X10-5 （摩爾分率）。5,操作溫度32。6,操作壓力2.5MPa。設(shè)計(jì)成果1 .設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份2 .帶控制點(diǎn)的工藝流程圖（3#圖紙）1張；填料吸收塔的裝配圖（1#圖紙）1張。碳酸丙烯酯（PC）脫除合成氨原料氣中CO2填料塔的設(shè)計(jì)摘要中文摘要本設(shè)計(jì)中二氧化碳（CO2）氣體吸收為高濃度吸收，所用吸收劑為 碳酸丙烯酯（PC），塔填料為金屬鮑爾環(huán)N50）。經(jīng)優(yōu)化計(jì)算后得最佳液氣比為 最小液氣比的1.10倍，填料吸收塔塔高17.734m，塔徑2.8m，

5、總傳質(zhì)單元數(shù)為 10.625。關(guān)鍵詞：吸收劑填料吸收塔優(yōu)化鮑爾環(huán)English Abstract In this design,the absorption of carbon dioxide（CO 2） is a kind of high concentration absorption,in which the absorbant is propylene carbonate（PC） and the filler utillized within this design is called Pall ring whose nominal diameter is 50 millimeters

6、.After optimizing and calculating,we have figured out that the best liquid-gas rate is 1.10 times of the minimum liquid-gas rate.We also worked out that the packed and absorbing tower is 17,734 meters high and its diameter is 2.8 meters.Besides,the total units of mass transfer are 10.625.Key Words:

7、absorbent packed andabsorbing tower optimizePall ring前言氣體凈化是工業(yè)上重要的過(guò)程之一。隨著各工業(yè)過(guò)程的要求不同，有的需要 對(duì)原料氣體進(jìn)行凈化處理，有的需要對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的氣體進(jìn)行凈化，有的需 要對(duì)尾氣進(jìn)行凈化等。在合成氨生產(chǎn)中，由于制氣原料主要碳和含碳化合物，經(jīng)制氣和一氧化碳變 換后，變換氣中除含有對(duì)氨合成有用的氫氣等，同時(shí)還含有二氧化碳、一氧化碳、 甲烷、硫化氫等對(duì)氨合成有害的雜質(zhì)組分。在這些雜質(zhì)組分中又以二氧化碳的含 量最高。如在生產(chǎn)過(guò)程中，不及時(shí)將二氧化碳從變換氣中除去，將會(huì)使后續(xù)工序 無(wú)法正常進(jìn)行。脫除原料氣中大量二氧化碳的方法

8、主要分為三大類(lèi)：化學(xué)吸收法、物理化學(xué) 法和物理吸收法。本次設(shè)計(jì)中主要運(yùn)用物理吸收法。則以下主要介紹物理吸收法。物理吸收法是指吸收劑并不與二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的一類(lèi)脫碳方法。它是 基于不同壓力下的二氧化碳在吸收劑中有不同的平衡溶解度這種性質(zhì)而發(fā)展起 來(lái)的。這類(lèi)方法中的吸收劑大多為有機(jī)溶劑，它們普遍具有溶解二氧化碳量大的 特點(diǎn)，尤其是在加壓時(shí)。此外吸收劑的再生大多不必加熱，僅通過(guò)簡(jiǎn)單的降壓或 常溫氣提（惰性氣體吹洗）。本次課程設(shè)計(jì)中，用碳酸丙烯酯（PC）作為吸收劑來(lái)吸收合成氨原料氣里的 二氧化碳，是單組分高濃度物理吸收過(guò)程。碳酸丙烯酯為環(huán)狀有機(jī)碳酸酯類(lèi)化合物，在常溫下為略帶芳香味的液體，純 凈時(shí)無(wú)

9、色透明，分子式為C4H6O3，摩爾質(zhì)量為102.09 kg/kmol,密度略大與水。 它對(duì)二氧化碳、硫化氫及一些有機(jī)硫具有較大的溶解能力，而對(duì)氫氣、氮?dú)?、?氧化碳、甲烷、氧氣等的溶解度要小得多。如以氫氣在碳酸丙烯酯中的溶解度為 基準(zhǔn)，則同樣溫度與壓力下二氧化碳的溶解度為氫氣的130倍左右，硫化氫為氫 氣的420倍左右。由于不同氣體在同一溶劑中溶解度差別很懸殊，這就為該溶劑 用于氣體混合物的分離奠定了理論基礎(chǔ)。碳酸丙烯酯的穩(wěn)定性較好，在工業(yè)上連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)十余年后仍不影響其吸收效 率。溶劑在吸收了二氧化碳和硫化氫等酸性氣體后，對(duì)普通碳鋼的腐蝕性仍較低， 因此在工業(yè)上可用普通碳鋼作為主要設(shè)備的材質(zhì)。用

10、碳酸丙烯酯作為吸收劑來(lái)吸收合成氨原料氣中的二氧化碳的方法與其他脫碳 方法相比，在凈化度相同的情況下，也以碳酸丙烯酯法的能耗和可比操作費(fèi)最低。第一節(jié)概述碳酸丙烯酯（PC）吸收合成氨原料氣中二氧化碳（CO2）屬高濃度吸收過(guò)程， 為提高傳質(zhì)效率和分離效率，所以要，本設(shè)計(jì)選用逆流吸收流程，氣體由填料塔 塔底進(jìn)，吸收劑由塔頂進(jìn)，這樣平均推動(dòng)力大，吸收劑利用率高，分離程度高， 完成一定分離任務(wù)所需傳質(zhì)面積小。涉及的設(shè)備主要是填料塔、離心泵和風(fēng)機(jī)等， 其中填料塔主要包括塔體、塔填料和塔內(nèi)件三大部分。本設(shè)計(jì)討論有關(guān)填料吸收 塔的設(shè)計(jì)，即選定流程方案、填料類(lèi)型，計(jì)算塔徑及填料層高度并對(duì)塔的輔助結(jié) 構(gòu)（內(nèi)件）進(jìn)行

11、選型與估算，同時(shí)優(yōu)化使總費(fèi)用最小。第二節(jié)塔填料的選擇塔填料的選擇是填料塔設(shè)計(jì)最重要的環(huán)節(jié)之一，一般要求塔填料具有較大的 通量，較低的壓降，較高的傳質(zhì)效率，居，操作彈性大，性能穩(wěn)定，能滿(mǎn)足物系 的腐蝕性、污堵性、熱敏性等特殊要求。填料的強(qiáng)度要高，便于塔的拆裝、檢修， 并且價(jià)格要低廉。為此，填料應(yīng)具有較大的比表面積，較高的空隙率，結(jié)構(gòu)要敞開(kāi)，死角空隙 小，液體的再分布性能好，填料的類(lèi)型、尺寸、材質(zhì)選擇適當(dāng)?，F(xiàn)代工業(yè)填料按形狀和結(jié)構(gòu)可分為顆粒型填料和規(guī)整填料兩大類(lèi)型。對(duì)顆粒填料，尺寸直接影響塔的操作和設(shè)備投資。一般同類(lèi)型填料隨尺寸減 小分離效率提高，但填料層對(duì)氣流的阻力增加，通量減少，對(duì)具有一定生產(chǎn)

12、能力 的塔，填料的投資費(fèi)用將增加；而較大尺寸的填料用于小直徑塔中，將產(chǎn)生氣液分布不良、氣流短路和嚴(yán)重的液體壁流等問(wèn)題，降低塔的分離效率。 本設(shè)計(jì)中我們這一組選擇用散裝金屬鮑爾環(huán)填料，規(guī)格為公稱(chēng)直徑 DN=50mm,外徑X高義厚（dXhXb /mm） 50X50X0.9比表面積a t（m2/m3）=103空隙率£ =0.95m3/m3個(gè)數(shù) 6200m-3堆積密度p p=355kg/m3干填料因子胃=120m-i濕填料因子=66 m-i相關(guān)規(guī)定有鮑爾環(huán)的徑比D/d的下限為1015 （最小不低于8）,且當(dāng)DN 900mm時(shí)，選用5076mm的填料。第三節(jié)吸收操作中的氣液平衡一、氣液平衡數(shù)據(jù)

13、表格1CO.在碳酸丙烯酯中溶解度數(shù)據(jù)0 01MPa0 020 040 060 080 10203040 5060708091 030 0.27330.54721.09661.64842.20262.75905.57728.456511.398814.406317.481220.625723.842227.133330. 501640 0.22710.45460.91091.36371.82822.28934.61976.99219.407911.868114.374016.926819.528122.179024.881032 （內(nèi)插）0264060 528681 059461 5914621

14、27722 6650653857081636211 0006213 8986616 8597619 8859222 9793826 1424429 37748注：數(shù)據(jù)區(qū)aCO2的單位為Nm3/m3o二、平衡線(xiàn)方程將表中的溶解度a換算成二氧化碳（CO2）在碳酸丙烯酯（PC）中的平衡摩爾分率x ：e(3-1)(3-2)通過(guò)以上數(shù)據(jù)及轉(zhuǎn)換公式可擬合出CO2在PC中的平衡線(xiàn):而得到平衡線(xiàn)方程：y* = -0.0194x2 + 3.9382x + 2X 10-6或(3-3)二氧化碳C02在碳酸丙烯酯PC中的y-x平衡線(xiàn) y =-0. 0194x2 + 3. 9382x + 2E-06 0. 450 0.

15、 400 0. 350 0. 300 0. 250 a 0. 200 0.150 0.100 0. 050 0. 0000. 0000 0. 0200 0. 0400 0. 0600 0. 0800 0.1000 0.1200000000000000000000000碳酸丙烯酯吸收二氧化碳填料塔設(shè)計(jì)(3-4)SB9S52-i'15n50542-0.D776yD.DSS2第四節(jié)填料吸收塔的工藝計(jì)算一、物料衡算與操作線(xiàn)方程物料衡算逆流吸收塔，以惰性氣體和吸收劑為基準(zhǔn)，物料衡算式為:Ge =-二=<(4-1)式中，GB不含溶質(zhì)的惰性氣體流量，kmol/s；LS吸收劑流量，kmol/s；

16、Y、X氣相和液相的摩爾比。下標(biāo)：1塔底；2塔頂。操作線(xiàn)方程一二一 ."二二(4-3)二、最小吸收劑用量與吸收劑用量最小吸收劑用量(4-4)式中，X1*為與Y1平衡的液相組成，摩爾比；(LS)min最小吸收劑用量，kmol/s。代入有數(shù)據(jù)得：qv55000Ge = zyr X 70% = -yyn- 乂 70% = 1718.75kjnol/h = 0.47743kmol/s%30% = 1麗=0426571y2 0.6%3七二痂貯6。犯x IL= -77- = 2.00004X IO-5 m x'lx。 1 - 2 x IO-5并且由丫1、式（3-4和式（4-2可得X* =

17、0.08198代入式（4-4得最小液氣比為最小吸收劑用量(L Jmm = 5.15428Ge = 8858.91875kinol/h = 2.460Slkmol/s收劑用量吸收劑的用量直接影響吸收塔的尺寸、塔底液相組成及操作費(fèi)用，故應(yīng)從設(shè) 備費(fèi)、操作費(fèi)及工藝要求權(quán)衡決定。一般經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)(4-5)Ls =岷(LJee = kmol/h = (2,46081k)kmol/s2.70689kmol/s其中k=1.1-2.Q通過(guò)優(yōu)化得到k=1.1Q 三、塔徑計(jì)算填料塔直徑依混合氣體處理量及所選適宜氣速按下式計(jì)算:(4-6)式中V 操作條件下混合氣體積流量，m3/s;u適宜空塔氣速，m/s。由上式可見(jiàn)，計(jì)

18、算塔徑的核心問(wèn)題是確定空塔氣速，主要方法為泛點(diǎn)氣速法。泛點(diǎn)氣速u(mài)f與塔徑D的計(jì)算填料塔的泛點(diǎn)氣速與氣液流量、物系性質(zhì)及填料類(lèi)型、尺寸等因素有關(guān)，其計(jì)算方法有很多，本設(shè)計(jì)選擇用Bain及Hougen關(guān)聯(lián)式，對(duì)金屬鮑爾環(huán)填料有:喏管）痣）喈卜。IM9廣飛）”(4-7)式中，L、G液、氣相的質(zhì)量流率，kg/h；|J L吸收劑的粘度，mPa - s；干填料因子，m-i；g重力加速度，kg/（m2 s）；p G混合氣的平均密度，kg/m3；p L吸收劑的密度，kg/m3；32時(shí)，吸收劑碳酸丙烯酯（PC）的相關(guān)物性:ML=102.09kg/kmol,密度p L =1191.1kg/m3,粘度二二二二 5二

19、F. s進(jìn)塔氣的平均摩爾質(zhì)量= 0,3 X 44+0.03 X 28+0,49 X 2+0.15 X 28+0.03X 16=19.7kg/kmol混合氣的平均密度PL而pMG 2,5 X IO3 X 19.78.314 X 305=19.4221kg/m3進(jìn)塔混合氣的質(zhì)量流量55000G; = MG X G = 19,7 X 224 = 48370.53571 kg/h吸收劑的質(zhì)量流量L' = ML x Ls = 102.09 x (8858.91875k) = (904407.0152k) kg/h 994847.7167kg/h干填料因子重力加速度g=9.81 kg/(m2 ,

20、s)將有關(guān)數(shù)據(jù)代入(4-7)可得下述關(guān)系:lgUf= 0.36568- 1.09158kaz5(4-8)uf = 1?？?MEI 口盯5編4o,：17692m/s(4-9)并取適宜的空塔氣速優(yōu)化后u = 0.7uf0,12384m/s(4-10)混合氣體積流量G'48370.53571* = 3600 X pG = 3600 X 19.4221 = 0,691S0 n"/s塔徑 :二= 4二一二-三二三=2：二至2,三二(4-11)(二)塔徑的圓整由以上方法計(jì)算出的塔徑應(yīng)按壓力容器公稱(chēng)直徑標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整。一般塔徑在 1m以?xún)?nèi)時(shí)，按100mm增值計(jì)；塔徑超過(guò)1m時(shí)，按200mm增

21、值定塔徑。通過(guò)優(yōu)化得到D=2.667m,圓整后得到D=2.8m。(三)填料塔噴淋密度的校核最小噴淋密度；：.=- -：.-： (4-12)式中Umin最小噴淋密度，m3/(m2 h), 一般為512 m3/(m2 h);LWm.n最小潤(rùn)濕速率，m3/(mh),對(duì)直徑W75mm的環(huán)形填料及直徑W 50mm的柵板填料，可取為0.08 m3/(m h)；對(duì)超過(guò)上述尺寸的填料，可取為0.12 m3/(m h)；對(duì)規(guī)整填料，可以從有關(guān)的填料手冊(cè)中查到。 二二；二， ：.：二二；一二二二Ed ：二二二四、填料層高度的計(jì)算填料層高度的計(jì)算需聯(lián)解物料衡算、傳質(zhì)速率和相平衡三種關(guān)系。常用方法有傳質(zhì)單元數(shù)法和等板

22、高度法，本設(shè)計(jì)采用傳質(zhì)單元數(shù)法求解填料層高度。且本設(shè)計(jì)中PC吸收CO2屬高濃度氣體的吸收。有效比表面積a W箕=-必三(4-13)式中，a W、a t單位體積填料層的潤(rùn)濕表面及比表面積，m2/m3； o、o C液體的表面張力及填料材質(zhì)的臨界表面張力，N/m2； LG液相的質(zhì)量流率，kg/(m2-s)。本設(shè)計(jì)中o C=75mN/m2, o =41.457 mN/m2, a t=103m-i. =1Lg = Rj一= 129.9S502 X 卷= 44,8794Skg/(m2 - s)(4-14)代入相關(guān)數(shù)據(jù)整理得二二二 3 -二3，三二一二三二一 L二=二二:三二二-(4-15)填料層高度和塔高

23、液相傳質(zhì)系數(shù)；=二二三十；三”三一"6)將有關(guān)參數(shù)值 M L=0.002205Pa s, p L=1191.1kg/m3, g=9.81kg/(m2 s),甲=1.45及液相擴(kuò)散系數(shù)DL=1.16137X10-9m2/s代入上式并整理可得kL = 4.28348 X IO-4 X2,49452 X lOkmal/tm2 - s - kmol/ma)(4-17) 校正后11 + 2,6 g - 0.5)- kL=i 2.68255 X mkiiaol/tm2 - s - kmal/ina)(4-18)總匕噴咤=顆遍=-I石x£ =34977乂10-如山/人聞(4-19)且有總

24、傳質(zhì)單元度Hol也Hl =事=嬴丁 = L27324X 就甘1.39088m(4-20)(4-21)(4-22)總傳質(zhì)單數(shù)二二二:；三三知二填料層高度優(yōu)化巨 Z= NOLXHOL=>14,7塔高. 優(yōu)化在_ _.打口 = 1.2Z = 1.2 K Nql X Hql;, 17,734m（4-23）通過(guò)優(yōu)化得到 NOL=10.625, h0=11.353m。第五節(jié)費(fèi)用的計(jì)算系統(tǒng)的年總費(fèi)用J = +J£ + 6 +14 + -（5-1）式中J1吸收塔塔體和平臺(tái)扶梯年折舊及維修費(fèi)用；J2填料年折舊費(fèi)用；J3離心泵年折舊和維修費(fèi)用及操作費(fèi)用；J4風(fēng)機(jī)年折舊和維修費(fèi)及操作費(fèi)用；J5吸收劑

25、費(fèi)用。以上各費(fèi)用的單位均為元/a。一、吸收塔塔體和平臺(tái)扶梯年折舊及維修費(fèi)用J 二二exp（6,488+ 0.21S87lnWs + 0,022970nWs）s）Fm+ WiyO0-7396006341?（5-2）式中Fm材質(zhì)因子，無(wú)因次，其值見(jiàn)表5-1；WS吸收塔塔體質(zhì)量，kg；D吸收塔塔內(nèi)徑，m；Lt吸收塔的切線(xiàn)長(zhǎng)度，m；取Lt=1.5h0Fc設(shè)備年折舊率，取1/3；Me匯率，Me=6.8273元/美元（2010年05月14日數(shù)據(jù)）ws可以按:照以下公式計(jì)算-二二-二一-，二二D 7<（5-3）式中TS吸收塔的塔壁厚度，m； 一般取TS'5mm；p 吸收塔的材料密度，kg/m3

26、；若為碳鋼，則p =7860kg/m3； 該式計(jì)算范圍為:塔體質(zhì)量為1930445000kg,直徑在0.916.4m, Lt為8.23 12.19m。表5-1材質(zhì)因子巳材料種類(lèi)碳 鋼不銹鋼Cr18Ni12Mo220CB-3鍥200蒙乃 爾合 金 400Inconel 600Incoloy 825鈦 鋼不銹 鋼 18-8Fm12.13.25.43.63.93.77.71.7將 Fm=1, Fc=1/3, Me=6.8273 代入式(5-2)并整理得J-= 2.27577 X exp(6.48S+ 0.21S87nWs + 0,02297QnWs)s + lOl/D0-73960-206341(5

27、-4)再將Ts=0.005m, p =7860kg/m3代入式(5-3)并整理得二二二三：二三二，D，二二D =二”一三二三(5-5)其中一二一二三二，:；:二(5-6)88482.42 JL二、吸收塔填料年折舊費(fèi)用(5-7)式中h0吸收塔填料層高度，m；Cpa填料單價(jià)，元/m3。取6000元/m3將有關(guān)參數(shù)值Cpa=6000, Fc=1/3代入式（5-7）并整理得- = _廠(chǎng)；二三3 D-=二三三，”兀（5-8）三、離心泵年折舊和維修費(fèi)用及操作費(fèi)用)=二二一二： V 二-二：二王二 ' I二一：匚，二二三(5-9)式中b0、b1、b2、b3分別為離心泵的經(jīng)驗(yàn)回歸系數(shù)，無(wú)因次；fb離心

28、泵的校正系數(shù)，無(wú)因次；Nb離心泵的軸功率，kW；Cpe電價(jià)，0.52元/(kWh)；0 離心泵年操作時(shí)間，h/a。取300X24=7200h/a不同離心泵回歸系數(shù)和校正系數(shù)見(jiàn)表5-2表5-2一般離心泵的回歸系數(shù)及適用范圍序 號(hào)型式回歸系數(shù)校正系數(shù)fb = fa X f2適用范圍1bi&e材質(zhì)校正比比轉(zhuǎn)數(shù)校正軸功率/kW比轉(zhuǎn)數(shù)1碳鋼 單級(jí)2.577900.3737-0.039971.01.01.01.00.91.1550055005500120270 小于120 大于270將 Fc=1/3, b0=2.5779, b1=0, b3=0.3737, b3=-0.03997, fb=1.10

29、, Cpe=0.52, 0=7200代入式(5-9)并整理得：二二三66.二”二:：v二：二：J -_ 三7%N二(5-10)心婆87665630元離心泵的軸功率可按下式計(jì)算(5-11)式中Q吸收液的體積流量，m3/s；n b離心泵的效率；取0.85H離心泵的揚(yáng)程，m；p L吸收液的密度，kg/m3；g重力加速度，g=9.81kg/（m2 s）。將p L=1191.1kg/m3, g=9.81kg/（m 2 s）, n b=0.85 代入式（5-11）并整理得優(yōu)化后 _, 八:=二三 7 = 6：二二三二 7；二；三二（5-12）其中 ；二二 二一二、：二：三： 上士 二二二二二二（5-13）

30、離心泵揚(yáng)程可用下式計(jì)算H = AW + &黑那72.991m（5-14）式中 Z離心泵升揚(yáng)高度，為填料層高度h0與位高余量（由用戶(hù)估算）之和， m，A Z=2h0；八一一送液管道的摩擦系數(shù)，無(wú)因次；l送液管道的總長(zhǎng)度，等于填料層高度h0與管長(zhǎng)余量（由用戶(hù)估算）之 和，m，取 l=h0；Z le送液管道的總阻力當(dāng)量長(zhǎng)度，m,按兩個(gè)閘閥兩個(gè)90°彎頭計(jì)；d送液管道的管徑，m；取0.15muL吸收液在輸液管內(nèi)的流速，m/s。代入相關(guān)數(shù)據(jù)并整理得H = 2h(j - AhD+(0il5x35x2-0.15x9x2)xu.L2X?nSlX0n15=2h0 -AxulX(1id4-13.

31、2)2.943(5-15)駕普=(4.85019 x Lj m/s=>13,12893m/s（5-16）其中送液管道的摩擦系數(shù)人可以根據(jù)下式計(jì)算(5-17)式中e管材壁面粗糙度，m,不同管材取值見(jiàn)表5-3；取0.15mmRe雷諾數(shù)，無(wú)因次，、 =二，其中p L為吸收液粘度，Pas。R = dHLpL = -gm ;= s1027.21088 X uL 1063800,645(5-18)' 也D.D022D5口v 70.1 X=0.1 X fo.ooi-V 30.02071(5-19)表5-3各種新管材壁面粗糙度的約值材料鋼或熟鐵e/mm0.050.2表5-4管件和閥門(mén)的阻力系數(shù)及

32、當(dāng)量長(zhǎng)度數(shù)據(jù)名稱(chēng)阻力系數(shù)z當(dāng)量長(zhǎng)度與 管徑之比le/d名稱(chēng)阻力系數(shù)z當(dāng)量長(zhǎng)度與 管徑之比 le/d彎頭，450.3517標(biāo)準(zhǔn)閥彎頭，900.7535全開(kāi)6.0300三通150半開(kāi)9.5475回彎頭1.575角閥，全開(kāi)2.0100管接頭0.042止逆閥活接頭0.042球式70.03500閘閥搖板式2.0100全開(kāi)0.179水表，盤(pán)式7.0350半開(kāi)4.5225jlp-Vf3n672X106-bf-frfc-NfCpe0(5-20)式中af、bf風(fēng)機(jī)的經(jīng)驗(yàn)回歸系數(shù)，無(wú)因次;ff風(fēng)機(jī)型式或材質(zhì)校正系數(shù)，無(wú)因次;四、風(fēng)機(jī)年折舊和維修費(fèi)及操作費(fèi)用fc折舊率，取1/3； p風(fēng)機(jī)風(fēng)壓，Pa；Vf氣體的體積流

33、量，m3/h，“JPg4S 3 /5/3« .ion < o s n_二=二二丁 二;151221'Nf風(fēng)機(jī)的軸功率，kW。風(fēng)機(jī)的軸功率按下式計(jì)算(5-21)式中，n f風(fēng)機(jī)的效率。取0.75。序號(hào)型式回歸系數(shù)適用范圍備注afbf風(fēng)壓X風(fēng)量轉(zhuǎn)數(shù)/ (r/min)3.672X10634-62-114005700.300.250.247.50.0344.529001450防爆校正系數(shù)ff3.74.48500.414.5-3014504.4風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓 p包括氣體通過(guò)吸收塔填料層的壓降 pT、通過(guò)液體噴淋裝置和液 體再分布器的壓降、通過(guò)填料支承板的壓降、通過(guò)除沫器的壓降以及氣體

34、入塔、 出塔的局部壓降，其中 pT是主要組成部分。_;7 =- G ( ,二二(5-22)三=:二二三，二二一三二三(5-23)式中G氣體的質(zhì)量流量，kg/(m2 s)；p G氣體的密度，kg/m3。由于氣體通過(guò)其他裝置的壓降不易求得，可以近似認(rèn)為二二二，二-，二為校正系 數(shù)，通常取1.11.2,這里取1.15。綜上，可得J4 = 66.29841 X一 3744 X NfNf = 1.06076x l0-s xApTApT = 2203.74689(5-24)優(yōu)化尼_J4 >2462830.10 7E五、吸收劑費(fèi)用一三二:(5-25)式中L0吸收劑用量，kg；L1吸收劑損失量，kg；C

35、pw吸收劑的價(jià)格，元/kg。取9.2元/kgLD = 1191,1xxD2xliD = 935,48775 x hD x D再求解損失量L1合成氨的轉(zhuǎn)化率為8=29.13%, PC的損耗量L猿2kg/tNH3。原料氣中 VN2=55000X 15%=8250Nm3/h=8250X 7200=59400000Nm3/a 氮?dú)廪D(zhuǎn)化量%皿= 772465.1786 kmol/a氨合成量mNH2 X Kg X MNh3 2 X 772465.1786 X 1710001000=26263L81607tPC損耗量Ll = L- X = 2 X 26263.81607 = 52527.63214kgf5

36、= 9,2 X (935.48775 X hD XD2+ 52527.63214)二 8608.4873 XhD X D2 + 483254.2157Is優(yōu)比號(hào)167985 工 39 元（5-26）綜合以上5類(lèi)費(fèi)用可得總費(fèi)用，一 =1： = 5 =二二-二元，即式（5-1）優(yōu)化后得到J1=67575.06元J2=126834.81 元J3=2696093.22 元J4=22882.67 元J5=1178351.26 兀J=4091737.02 元(附：k=1.110000,L=2.731521,D=2.674688,Nol=10.222486,H=10.956693j1=66508.11113

37、3,j2=123124.828423,j3=2724503.413693,j4=22032.480960,j5=1158019.302398,J=4094188.136607)第六節(jié)校核一、塔直徑與塔中填料直徑之比塔直徑與塔中填料直徑之比：2.8CL05=56 >8二、液體噴淋密度最小噴淋密度： 其中：Lwmin：最小潤(rùn)濕速率，Lwmin=0.12m3/(m h)；aj填料的比表面，m2/m3；代入數(shù)據(jù)得：UmLn = 0.08 X 103 = 8.24m3/(m2 h)2.70689X 102.09X36001191.1xx2.82實(shí)際噴淋密度:=135,644 5 m3/(m2 ,

38、h)min比較可知：三、強(qiáng)度校核 筒體材料的厚度計(jì)算選用低合金鋼20R查相關(guān)的數(shù)據(jù)得出：在32 下，此鋼材的許用應(yīng)力 。卜=133MPa。采用帶墊板的單面對(duì)接焊縫，局部無(wú)損傷，故焊縫系數(shù)。=0.85 考慮到單面腐蝕，(認(rèn)為腐蝕速度為0.15mm/a),腐蝕余量Cjl.Omm,鋼板厚度負(fù)偏差C =0.8mm。1由相應(yīng)的計(jì)算公式得pDi(1.1x 2.5)x 2,8x 1000.8d - -i r ir:F C2 = t-7t=：+ 1,0 = 34.48mm2crt , p 2 X 133 X 0,85 1.1X 2.5)名義厚度：6 n=36mmC1=0.8mm圓整值：=二一二一二.二三6 一

39、 "=三一二三二二二:二:二有效厚度：5.=二 一 一：=1一二二 一 _：二"三一二二一二二二"二:二:二封頭厚度的計(jì)算選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓型封頭(a=2b)，厚度：pl(1.1 X 2.5) X 2,8 X 10005d 二次亦一 0即+,2" 2X133X 0.85-0.5 X (1.1 X 2,5) + 1,0 = 35,26mm名義厚度：6 n=36mm塔體的強(qiáng)度與穩(wěn)定計(jì)算：(1)填料層高度：二二子二K： (2)塔的高度：i=Un質(zhì)量載荷計(jì)算：(1)、塔體與裙座的質(zhì)量：= g (陰 一 D) h口 p = £ X 0,20290 X 17.7

40、34X 7860 = 22212.25kg(2)、人孔，法蘭，接管等附件的質(zhì)量：m2 = 02m=4442.45kg(3)、內(nèi)構(gòu)件的質(zhì)量:m3 = 0,5m 二=11106.13kg(4)、保溫層材料(厚度為100mm)的質(zhì)量(p保溫=500kg/m3)：®D + 0,2)=-D=-(hD-3)-p模溫=6795.11kg(5)、扶梯，平臺(tái)的質(zhì)量：m5 = 0,4mL = 8884.9kg(6)、操作時(shí)塔內(nèi)物料質(zhì)量：me = . Df - (hD - 3)- Pl = 10S062.46kg(7)、充水質(zhì)量(32時(shí) 0H2o=995kg/m3):叫=/KDn + 0.2)2- -(h

41、D-3)-pHl0 = 13522.27kg(8)、塔器操作質(zhì)量:i=fi叫=工曬=161503.3kgi=l(9)、塔器的最大質(zhì)量：巾皿日工=巾)= 66963.11kg(10)、塔器的最小質(zhì)量：mmiTl = mL + m2 + 0,2mE + m4 + m5 = 44555.94kg塔體的風(fēng)載荷和風(fēng)力矩：(1)、風(fēng)力矩的計(jì)算公式R =K1=0.7風(fēng)振系數(shù) K2i=1.7查得合肥地區(qū)的基本風(fēng)壓值q 0 = 30 義 10 -5 MPa = 300N / m 2-.塔段項(xiàng)目-.1234塔段長(zhǎng)度/m0551010151517.734基本風(fēng)壓/pa300高度變化系數(shù)f0.801.001.141.

42、25空氣動(dòng)力系數(shù)K10.7風(fēng)振系數(shù)K21.7扶梯附加寬度/mm400操作平臺(tái)附加寬度/mm350塔設(shè)備計(jì)算段有效直 徑/mm3786風(fēng)載荷pi5406.416758.017704.134619.10(2)、總彎矩的計(jì)算:l(一Mi-i = P，+ P l.+攻 I 2 i+1I 則由圖計(jì)算每一段的總彎矩得: 圖中(0-0)截面的風(fēng)彎矩:=236103.535Nm=127181.310N-m瞎口 = Po + PiD + yj+Ps (1口 + k +寧圖中(1-1)截面的風(fēng)彎矩咻t 二 Pi亍 + p±(L + 寧)+ p?(l圖中(2-2)截面的風(fēng)彎矩:= 48670.134N-m

43、圖中(3-3)截面的風(fēng)彎矩:MT = pE = 6314.310N-m(3)、塔的自振周期計(jì)算:=90.33hDmDhD=90.33 x 17.734 x22212.25 X 17.7342x 105x l0£x 0,0342 x 2.8a=2.6s(4)、地震載荷計(jì)算查得：a= 0.23(設(shè)計(jì)地震裂度為7級(jí))，T = 0.4(2類(lèi)場(chǎng)地土遠(yuǎn)震)maxg地震影響系數(shù)：結(jié)構(gòu)綜合影響系數(shù)C = 0.5， )二三二二二”，可不考慮高震型影響。Z-:塔體的強(qiáng)度與穩(wěn)定校核:(1)、塔體危險(xiǎn)截面的軸向應(yīng)力計(jì)算:pDj福2.75 X 2.84x0.0342=56.29MPa161503.3x9.81

44、 _ . .nx 2,8x0.0342 = 5,266MPa最大彎矩引起的軸向應(yīng)力。3 ：取風(fēng)彎矩和地震彎矩較大來(lái)算M 0-0 maxM 1-1max4,221 X10e651641.1651641.10 = 0.785DSe = 0,785 X 2.82 X 0.0342 = 3,096MPa(2)、塔體危險(xiǎn)截面抗壓強(qiáng)度及軸向穩(wěn)定性計(jì)算：該截面上的最大軸向壓縮應(yīng)力發(fā)生在空塔時(shí)：o =o+0 V kmax23K 0(式中：= 133MPa)由于三、二二 Fa ， 二二二二”二二二弋；、二二二二二二 X ，-K組合系數(shù)；K=1.2= CF2 - CFa = 5.266 - 3.096 = 8.3

45、62MPa < KH"因此，塔體危險(xiǎn)截面(1-1)滿(mǎn)足抗壓強(qiáng)度及軸向穩(wěn)定條件。塔底截面(1-1)抗拉強(qiáng)度的校核：3 =叼一0 +叫M K時(shí)0塔底截面(1-1)的最大拉應(yīng)力：仃 =仃1 仃工仃m = 56.29 5.266 3.096=54.12MPa < 1.2 X 133 X 0.8 = 127.68MPa由上可得，該截面滿(mǎn)足抗拉強(qiáng)度要求。由以上的各項(xiàng)計(jì)算可知，在各種不同危險(xiǎn)情況下，塔體壁厚?。?n = 36mm可以滿(mǎn)足整個(gè)塔體的強(qiáng)度，剛度和穩(wěn)定性的要求。閨裙座的強(qiáng)度和穩(wěn)定計(jì)算、校核： 裙座底部0-0截面的軸向應(yīng)力計(jì)算:161530.3x 9.81工=5.004MPa

46、nx 2,8X 0,036236103.535% - 0.785DSe=1.122MPa 0.785 X 2.82 X 0.0342抗壓強(qiáng)度及軸向穩(wěn)定性驗(yàn)算：%= 4+叫=6.126MPa< 對(duì)仃了LLLE3oi-nJ.K組合系數(shù)；K=1.2因此，裙座底部0-0截面滿(mǎn)足抗壓強(qiáng)度及軸向穩(wěn)定性條件裙座焊縫強(qiáng)度校核。水壓試驗(yàn)時(shí)塔的強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算： (1)、水壓試驗(yàn)時(shí)塔體1 -1截面的強(qiáng)度校核：。% + p0 )工 0.9。T2b 巾sep = 1.25 p = 3.125 MPa, p' = 0.014MPa,、= 143.34MPa0.9。= 235 義 0.9 = 211.5 M

47、PasaT < 0.9as所以，筒體厚度滿(mǎn)足水壓試驗(yàn)的強(qiáng)度要求。(2)、水壓試驗(yàn)時(shí)裙座底部0-0截面強(qiáng)度和軸向穩(wěn)定要求：0.3MrD mg 0,3x236103.53566963.11x9.81仃=1巴史汨=1= 7 S70MP3-0.785D?8e nDiSe - 0.785 X 2,8s X 0,0342 n x 2.8 X 0.0342 -1由于。<。，所以，裙座底部0-0截面強(qiáng)度和軸向穩(wěn)定性能滿(mǎn)足水壓試驗(yàn)時(shí) 的要求。”基礎(chǔ)環(huán)板的設(shè)計(jì)： (1)、基礎(chǔ)環(huán)板內(nèi)外徑的確定：外徑：二二二二二：一三二6 二二三二二一三二6 二三二6:二:二=三二6:二內(nèi)徑：D：二 D： - 二：二二二

48、一二：=二三三二二二，.二 5 二二(2)、基礎(chǔ)環(huán)板厚度的設(shè)計(jì)：由于該塔較高，塔底裙座采用加筋結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)環(huán)板采用40個(gè)均勻分布的地腳螺 栓固定，取筋板的厚度為50mm，則基礎(chǔ)環(huán)上筋板間的距離為:nx 311650 = 194.73mm基礎(chǔ)環(huán)的外伸寬度:3116-(2656-2X 50)=180mm兩筋板間的基礎(chǔ)環(huán)部分的長(zhǎng)寬比: bISOb2iO3IC-D0,7的（,巾一D孟）+ n（瓊山一口東）161530.3x 9.810.3x236103.5350.785 X(3.1162-2,656=) + nx (3,1164 工656") = °18234MPa查矩形板力矩計(jì)算表

49、，得出：M5 = 0,138（；4 口 口此40 X 3.116M5 = 0.13S X 0.8234X ISO3 = 3681,6N/mm基礎(chǔ)環(huán)板采用Q235A鋼，則其厚度為：毀©6 x 3681.61- 3 = 15.56mm取nini（十）地腳螺栓的設(shè)計(jì): 計(jì)算塔設(shè)備作用在迎風(fēng)面?zhèn)然A(chǔ)上的最小應(yīng)力，根據(jù)以下式子:口minS/二成%-唯）0,785（0-0236103.53544555.94x9.81=00MPa n X (31164 - 26564) 0.785 X (3116= - 2656s- 32 3116由于。B<0設(shè)備不會(huì)傾倒，所以不必采用地價(jià)地腳螺栓予以固定。

50、第七節(jié)小結(jié)本次化工原理課程設(shè)計(jì)，我們小組的任務(wù)是對(duì)碳酸丙烯酯（PC）吸收合成氨 原料氣中二氧化碳（CO2）的脫碳過(guò)程填料吸收塔的設(shè)計(jì)。在為期三周的時(shí)間里， 碳酸丙烯酯吸收二氧化碳填料塔設(shè)計(jì)-26 -在老師的帶領(lǐng)和幫助、我們小組的團(tuán)隊(duì)合作下，終于圓滿(mǎn)地完成了任務(wù)。第一周剛開(kāi)始，主要是查找有關(guān)二氧化碳在碳酸丙烯酯中的溶解度平衡數(shù)據(jù) 資料，并進(jìn)行計(jì)算和擬合，最終得到平衡曲線(xiàn)和平衡方程；然后根據(jù)化工原理上 所學(xué)知識(shí)，得到操作線(xiàn)方程；再根據(jù)所查資料上的經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)其他參數(shù)進(jìn)行初 步計(jì)算，得到一系列單關(guān)聯(lián)式。當(dāng)然還有畫(huà)圖。第二周是進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要是根據(jù)第一周的成果進(jìn)行整理、編程和反饋計(jì) 算，并最終得到合

51、理的優(yōu)化結(jié)果。這一周還完成了流程圖的繪制。第三周是校核驗(yàn)算，主要是對(duì)強(qiáng)度、風(fēng)載、地震等因素的校核。這一周還包 括裝配圖的繪制、寫(xiě)說(shuō)明書(shū)和答辯?？偟膩?lái)說(shuō)，這次課程設(shè)計(jì)中，我負(fù)責(zé)主要的計(jì)算和寫(xiě)說(shuō)明書(shū)，也參與資料的 查找，我們組長(zhǎng)負(fù)責(zé)autoCAD畫(huà)圖，另一組員負(fù)責(zé)資料查詢(xún)和輔助計(jì)算，分工還 是比較合理的。同時(shí)本次課程設(shè)計(jì)讓我受益匪淺，首先，它讓我更加深刻地認(rèn)識(shí)到團(tuán)隊(duì)合作 的重要性和必要性，因?yàn)橐粋€(gè)人的精力和能力是有限的，只有互相幫助和互相學(xué) 習(xí)才有共同的提高。其次它讓我懂得了對(duì)待學(xué)習(xí)、工作應(yīng)該有一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度， 尤其有化工行業(yè)中，注意細(xì)節(jié)，也許就是決定成敗的關(guān)鍵。最后，感謝劉雪霆老師和吳翠明老師這

52、三個(gè)星期以來(lái)對(duì)我們給予的幫助和支 持！第八節(jié)優(yōu)化程序與運(yùn)行結(jié)果優(yōu)化程序：#include "stdio.h"#include "math.h"void main()(double l,Wl,d,uf,aw,kl,kxa,hol,ho,ws,lt,nb,j,j1,j2,j3,j4,j5;double y,x,xe,k,n,X,YNol,m,x1,X1;double ul,re,xy,h,q,p1,nf;for(k=1.00;k<=2.00;k=k+0.01)(n=k*5.15433;X1=0.08245/k+0.00002;x1=X1/(1+X1);Nol=0.0;for(x=0.00002;x<=x1;x=x+0.00001)(X=x/(1-x);Y=n*X-0.0001031*k+0.00604;y=Y/(1+Y);xe=(3.9382-sqrt(15.50942-0.0776*y)/0.