1、化工原理课程设计设计题目：清水吸收氨气的填料塔装置设计专 业：应用化学 学生姓名： 学生学号： 院 级 班： 指导老师： 前言：课程设计是比较综合性和实践性较强的教学环节，是理论联系实际的桥梁，是使学生体察工程实际问题复杂性、学习化工设计基本知识的初次尝试。通过课程设计，要求学生能综合利用本课程和前修课程的基本知识，进行融会贯通的独立思考，在规定的时间内完成指定的化工设计任务，从而得到化工工程设计的初步训练。通过课程设计，要求学生了解工程设计的基本内容，掌握化工设计的程序和方法，培养学生分析和解决工程实际问题的能力。同时，通过课程设计，还可以使学生树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高
2、度责任感的工作作风。课程设计是增强工程观念，培养提高学生独立工作能力的有益实践。经过学习,我知道，填料塔吸收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。工程实践表明 ,合理的系统工艺和塔体设计 ,是保证净化效果的前提。这次课程设计我把聚丙烯阶梯填料应用于水吸收氨过程的工艺设计以及工程问题。目录第一章 绪论 .5第二章 填料塔的设计内容和设计条件 .62.1 填料塔的主体结构与特点62.3 填料塔的设计任务62.3 填料塔的设计条件6第三章 填料塔的设计方案.7 3.1 吸收剂的选择73.2 装置流程图的确定及流程说明73.3 填料的类型与选择83.3.1 填料种类
3、的选择83.3.2 填料规格的选择83.3.3 填料材质的选择93.3.4 填料尺寸的选择93.4 基础物性数据93.4.1 液相物性数据93.4.2 气相物性数据103.4.3 气液平衡数据10第四章 填料塔的工艺计算.104.1 物料衡算，确定塔顶、塔底的气液流量和组成114.2 塔径的计算124.3 填料层高度的计算144.4 填料层压降的计算16第五章 填料塔内件的类型及设计.175.1 塔内件类型175.2 塔内件的设计175.2.1 填料支撑件的设计175.2.2 填料床层压板和限制器的设计175.2.3 液体分布器的设计185.2.4 液体收集再分布器的设计19第六章 吸收塔塔体
4、材料的选择196.1 吸收塔塔体材料196.2 吸收塔的内径196.3 壁厚的计算196.4 强度校核20第七章 封头的选型依据，材料及尺寸规格.207.1 封头的选型：标准的椭圆封头207.2 封头材料的选择207.3 封头的高207.4 封头的壁厚21第八章 液体的喷淋装置.21第九章 除沫装置.229.1 设计气速的计算229.2 丝网盘的直径229.3 丝网层厚度 H 的确定22第十章 管结构.2310.1 气体和液体的进出的装置2310.2 填料卸出口2310.3 塔体各开孔补强设计23第十一章 填料塔高度的确定（除去支座）.2411.1 吸收高度2511.2 支持圈高度2511.3
5、 栅板高度2511.4 支持板高度2511.5 液体再分布装置高度2511.6 液体喷淋装置高度2511.7 塔底除雾沫器高度2511.8 塔底段高度2511.9 封头高度26第十二章 塔体总设备总质量2612.1 塔体的质量2612.2 封头的质量2612.3 填料质量2612.4 内部结构及其它附件总质量2712.5 水压试验的质量27第十三章 容器的支座与焊接27第十四章 设计一览表27第十五章 主要符号说明28第十六章 总结29第十七章 参考文献30第一章 绪论填料塔属于化工单元操作中蒸馏（精馏）、吸收等的过程设备。物料在填料塔中的传质、分离主要是分散在填料表面进行。填 料 塔 是 以
6、 塔 内 的 填 料 作 为 气 液 两 相 间 接 触 构 件 的 传 质 设 备 填 料 塔 的 塔身 是 一 直 立 式 圆 筒 ， 底 部 装 有 填 料 支 承 板 ， 填 料 以 乱 堆 或 整 砌 的 方 式 放 置在 支 承 板 上 。 填 料 的 上 方 安 装 填 料 压 板 ， 以 防 被 上 升 气 流 吹 动 。 液 体 从 塔 顶经 液 体 分 布 器 喷 淋 到 填 料 上 ， 并 沿 填 料 表 面 流 下 。 气 体 从 塔 底 送 入 ， 经 气 体分 布 装 置 （ 小 直 径 塔 一 般 不 设 气 体 分 布 装 置 ） 分 布 后 ， 与 液 体 呈
7、 逆 流 连 续 通过 填 料 层 的 空 隙 ， 在 填 料 表 面 上 ， 气 液 两 相 密 切 接 触 进 行 传 质 。 填 料 塔 属 于连 续 接 触 式 气 液 传 质 设 备 ， 两 相 组 成 沿 塔 高 连 续 变 化 ， 在 正 常 操 作 状 态 下 ，气 相 为 连 续 相 ， 液 相 为 分 散 相 。 当 液 体 沿 填 料 层 向 下 流 动 时 ， 有 逐 渐 向 塔 壁 集 中 的 趋 势 ， 使 得 塔 壁 附 近的 液 流 量 逐 渐 增 大 ， 这 种 现 象 称 为 壁 流 。 壁 流 效 应 造 成 气 液 两 相 在 填 料 层 中分 布 不
8、均 ， 从 而 使 传 质 效 率 下 降 。 因 此 ， 当 填 料 层 较 高 时 ， 需 要 进 行 分 段 ，中 间 设 置 再 分 布 装 置 。 液 体 再 分 布 装 置 包 括 液 体 收 集 器 和 液 体 再 分 布 器 两 部分 ， 上 层 填 料 流 下 的 液 体 经 液 体 收 集 器 收 集 后 ， 送 到 液 体 再 分 布 器 ， 经 重 新分 布 后 喷 淋 到 下 层 填 料 上 。 填 料 塔 具 有 生 产 能 力 大 ， 分 离 效 率 高 ， 压 降 小 ， 持 液 量 小 ， 操 作 弹 性 大等 优 点 。填 料 塔 也 有 一 些 不 足 之
9、 处 ， 如 填 料 造 价 高 ； 当 液 体 负 荷 较 小 时 不 能 有 效地 润 湿 填 料 表 面 ， 使 传 质 效 率 降 低 ； 不 能 直 接 用 于 有 悬 浮 物 或 容 易 聚 合 的 物料 ； 对 侧 线 进 料 和 出 料 等 复 杂 精 馏 不 太 适 合 等 。规整填料塔的分离性能取决于内件，即填料、分布器、收集器等。同时也取决于许多参数，如气体负荷、液体负荷、物料性质、操作压力、填料湿润性能和液体分布不均匀等等。至今不能由填料的几何形状来精确计算塔的分离性能，需要通过填料塔的理论和不同条件下通过试验塔来测定准确数据。可根据资料以一级近似程度确定塔的尺寸和需要
10、的填料高度。1、规整填料2、支撑栅板3、液体收集器4、集液环5、多级槽式液体分布器6、填料压圈7、支撑栅板8、蒸汽入口管9、塔底10、至再沸器循环管11、裙座12、底座环第二章 填 料 塔 的 设 计 内 容和 设 计 条 件2.1填料塔的主体结构与特点结构：图 1-1 填料塔结构图填料塔不但结构简单，且流体通过填料层的压降较小，易于用耐腐蚀材料制造，所以她特别适用于处理量肖，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，并在填料的表面呈膜状流下，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行传质。因气液两相组成沿塔高连续变化，所以填料塔属连续接
11、触式的气液传质设备。2.2填料塔的设计任务设计任务：完成填料塔的工艺设计与计算，有关附属设备的设计和选型，绘制吸收系统的工艺流程图和填料塔装置图，编写设计说明书。2.3填料塔的设计条件设计条件：1、气体混合物成分：空气和氨；2、氨的含量： 4.5（体积）；3、混合气体流量： 4000m3/h；4、操作温度：293K；5、混合气体压力：101.3KPa；6、回收率： 99.8。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 体气 体液 体第三章 填料塔的设计方案 填料塔具有结构简单、容易加工、生产能力大、压降小、吸收效果好、
12、操作弹性大等优点，所以在工业吸收操作中被广泛应用。在这次课程设计中，有很多操作条件，所以我们需要准确的设计好填料塔的每一部分。3.1吸收剂的选择：因为用水做吸收剂，故采用纯溶剂。如下工业常用吸收剂溶质 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3.2装置流程图的确定及流程说明装置流程图的确定：本次设计采用逆流操作：气相自塔低进入由塔顶排出，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，分离效率高，吸收剂利用率高。工业生产中多采用逆流操作。流程说明：该填料
13、塔中，氨气和空气混合后，经由填料塔的下侧进入填料塔中，与从填料塔顶流下的清水逆流接触，在填料的作用下进行吸收。经吸收后的混合气 体由塔顶排除，吸收了氨气的水 由填料塔的下端流出。（如下图所示）3.3填料的类型与选择填料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。填料的选择主要根据以下几个方面来考虑：1.比表面积要大，有较高的传质效率。2.有较大的通量。3.填料层的压降小。4.填料的操作性能好。5.液体的再分布性能要好。6.要有足够的机械强度。7.价格低廉。填料的选取包括确定其种类、规格、及材质等。3.3.1 填料种类的选择颗粒填料包括拉稀环、鲍尔环、阶梯环等，规整填料主要有
14、波纹填料、格栅填料、绕卷填料等。本次课程设计采用散装填料。鲍尔环是目前应用较广的填料之一，本次选用鲍尔环。3.3.2 填料规格的选择工业塔常用的散装填料主要有 Dn16Dn25Dn38 Dn76 等几种规格。同类料，尺寸越小，分离效率越高，但阻力增加，通量减小，填料费用也增加很多。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重的壁流，使塔的分离效率降低。因此，对塔径与填料尺寸的比值要有一规定。常用填料的塔径与填料公称直径比值 D/d 的推荐值列于。如下表：填料种类 D/d 的推荐值拉西环 D/d 2030鞍环 D/d 15鲍尔环 D/d 1015阶梯环 D/d8环矩鞍 D/d83.3
15、.3 填料材质的选择工业上，填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。塑料材质主要有聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等，其特点是耐腐蚀性能好，质量轻，价格适中，但耐温性及湿润性较差。金属材质有碳钢、铝钢和铝合金等，多用于操作温度较高而无显著腐蚀性的操作。陶瓷材质的材料耐腐蚀性较好，耐湿性强，价格便宜，但易破损。由于聚丙烯填料在低温（低于 0 度）时具有冷脆性，在低于 0 度的条件下使用要慎重，所以本次课程设计我们选耐低温性能良好的聚氯丙烯填料。综合以上：选择塑料鲍尔环散装填料 Dn503.3.4填料尺寸的选择径比 D/d 有一个下限值（一般为 10） ，若径比低于此下限值时，塔壁附近的填料层孔隙率大而不均
16、匀，气流易走短路、液体壁流加剧。 综上，由于该过程处理量不大，所用的塔直径不会太大，可选用 38mm 聚丙烯阶梯环塔填料，其主要性能参数如下：比表面积 a：132.5 32/m空隙率 ：0.91填料因子 ：153.4 基础物性数据3.4.1 液相物性数据对低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。由手册查得 20 水的有关物性数据如下：1. =998.2Kg/ 32. 粘度： =0.001Pa.s=3.6Kg/m.h3. =72.6dyn/cm=940896Kg/ 24. 20 : H=0.725Kmol/ .kpa3 35. 20 ： =7.34 /h3 10626. 20 ：
17、=0.225c /s= /h3 2 0.08123.4.2 气相物性数据1. 混合气体的平均摩尔质量为0.617.340.928.1vmiMy2. 混合气体的平均密度由 3.28.63149VvmPkgmRT得：R=8.314 /Kakmol3. 混合气体黏度可近似取为空气黏度。查手册得 20 时，空气的黏度C551.73062810/vpskgh注： 1Pa.s=1kg/m.s2/Nkg 21/PaNs3.4.3 气液相平衡数据由手册查得，常压下，20 时，NH 在水中的亨利系数为 E=76.3kpa0C3在水中的溶解度:H=0.725kmol/m032HC时 ,相平衡常数： 0.7532EmP溶解度系数： 398.2/761.020.LSHEMkmolpa第四章 填料塔的工艺计算概述：整个工艺计算过程包括以下几点：
