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1、 煤化工課程設(shè)計(jì) ( 20142015 年度第 1 學(xué)期) 名 稱： 煤化工課程設(shè)計(jì) 院 系： 環(huán)境學(xué)院 班 級(jí)： 應(yīng)化 1001 學(xué) 號(hào)： 201105020208 學(xué)生姓名： 設(shè)計(jì)周數(shù)： 1 周 成 績(jī)： 日期：2015 年 2 月 16 日 煤化工課程設(shè)計(jì) 3 任 務(wù) 書 1、設(shè)計(jì)目的 通過對(duì)氣態(tài)污染物凈化系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)，初步掌握氣態(tài)污染物凈化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法。培養(yǎng) 學(xué)生利用所學(xué)理論知識(shí)，綜合分析問題和解決實(shí)際問題的能力、繪圖能力、以及正確使用設(shè)計(jì)手冊(cè) 和相關(guān)資料的能力。 二、設(shè)計(jì)任務(wù) 試設(shè)計(jì)常壓填料塔，采用逆流操作，以水為吸收劑，吸收混合氣中的丙酮。 三、設(shè)計(jì)資料 1）混合氣（空氣，
2、丙酮蒸汽）處理量為 1500m3/h，溫度為 35； 2）進(jìn)塔混合氣物性可近似看作空氣物性，比如密度等； 3）進(jìn)塔混合氣含丙酮體積分?jǐn)?shù)為 1.5 %，要求達(dá)到的丙酮回收率為 90%； 4）操作壓力為常壓，101.325 kPa。 5）進(jìn)塔吸收劑為清水； 6）吸收操作為等溫吸收，溫度為 35。 7）氣液平衡曲線：t=1545 時(shí)，丙酮溶于水其亨利常數(shù) E(kPa)可用下式計(jì)算：lgE=9.171- 2040/(t+273) 8）液氣比倍數(shù)請(qǐng)自己選定。 9）氣速 u=0.77uF 范圍。( 填料在矩鞍環(huán)、階梯環(huán)、拉西環(huán)和鮑爾環(huán)中自行選用) 10）k G=1.79510-3kmol/(m2skPa)
3、；k L=1.8110-4m/s。 四、設(shè)計(jì)內(nèi)容和要求 1）研究分析資料。 2）凈化設(shè)備的計(jì)算，請(qǐng)計(jì)算出塔高、塔徑、壓降等，并校核。 3）編寫設(shè)計(jì)計(jì)算書。設(shè)計(jì)計(jì)算書的內(nèi)容應(yīng)按要求編寫，即包括與設(shè)計(jì)有關(guān)的闡述、說明及計(jì)算。 要求內(nèi)容完整，敘述簡(jiǎn)明，層次清楚，計(jì)算過程詳細(xì)、準(zhǔn)確，書寫工整，裝訂成冊(cè)。設(shè)計(jì)計(jì)算書應(yīng) 包括目錄、前言、正文及參考文獻(xiàn)等。 4）設(shè)計(jì)圖紙。包括工藝流程圖、塔器剖面結(jié)構(gòu)圖。應(yīng)按比例繪制，標(biāo)出設(shè)備、零部件等編號(hào)，并 附明細(xì)表，即按工程制圖要求。圖紙幅面、圖線等應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)；圖面布置均勻；符合制圖規(guī)范 要求。有能力的同學(xué)采用計(jì)算機(jī) AUTOCAD 制圖。 五、設(shè)計(jì)進(jìn)度安排 下達(dá)任
4、務(wù)書后，開始進(jìn)行課程設(shè)計(jì)計(jì)算。 1 周內(nèi)提交完成的課程設(shè)計(jì)說明書及圖紙。 安排時(shí)間進(jìn)行答辯。答辯時(shí)請(qǐng)攜帶紙張與筆。 目錄 前言 .- 1 - 第一部分 丙酮填料塔的設(shè)計(jì) .- 1 - 一設(shè)計(jì)任務(wù) .- 1 - 二設(shè)計(jì)資料 .- 1 - 三設(shè)計(jì)流程的選擇 .- 2 - 四 吸收塔填料的選擇 .- 2 - 五設(shè)計(jì)塔工藝的選擇 .- 4 - 5.1.1 液相物性數(shù)據(jù) .- 4 - 5.1.2 氣相物性數(shù)據(jù) .- 4 - 5.1.3 氣液相平衡數(shù)據(jù) .- 4 - 5.2 物料衡算 .- 5 - 5.3 填料塔的工藝尺寸的計(jì)算 .- 6 - 5.3.1 塔徑的計(jì)算 .- 6 - 5.3.2 填料層高度計(jì)
5、算 .- 7 - 5.4 填料層壓降的計(jì)算 .- 9 - 第二部分 設(shè)計(jì)總結(jié) .- 9- 符號(hào)說明 .- - 參考文獻(xiàn) .- - 前言 在化工、煉油、醫(yī)藥、食品及環(huán)境保護(hù)等工業(yè)部門，塔設(shè)備是一種重要的單元操 作設(shè)備。其作用實(shí)現(xiàn)氣液相或液液相之間的充分接觸，從而達(dá)到相際間進(jìn)行傳質(zhì) 及傳熱的過程。它廣泛用于蒸餾、吸收、萃取、等單元操作，隨著石油、化工的迅速 發(fā)展，塔設(shè)備的合理造型設(shè)計(jì)將越來越受到關(guān)注和重視。塔設(shè)備有板式塔和填料塔兩 種形式，下面我們就填料塔展開敘述。 填料塔的基本特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壓力降小，傳質(zhì)效率高，便于采用耐腐蝕材料制 造等，對(duì)于熱敏性及容易發(fā)泡的物料，更顯出其優(yōu)越性。過去，填料
6、塔多推薦用于 0.6 至 0.7m 以下的塔徑。近年來，隨著高效新型填料和其他高性能塔內(nèi)件的開發(fā)，以及人 們對(duì)填料流體力學(xué)、放大效應(yīng)及傳質(zhì)機(jī)理的深入研究，使填料塔技術(shù)得到了迅速發(fā)展。 氣體吸收過程是化工生產(chǎn)中常用的氣體混合物的分離操作，其基本原理是利用氣 體混合物中各組分在特定的液體吸收劑中的溶解度不同，實(shí)現(xiàn)各組分分離的單元操作。 板式塔和填料塔都可用于吸收過程，此次設(shè)計(jì)用填料塔作為吸收的主設(shè)備。 第一部分 丙酮填料塔的設(shè)計(jì) 一設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)常壓填料塔，采用逆流操作，以水為吸收劑，吸收混合氣中的丙酮。 二、設(shè)計(jì)資料 1）混合氣（空氣，丙酮蒸汽）處理量為 1500m3/h，溫度為 35； 2）進(jìn)
7、塔混合氣物性可近似看作空氣物性，比如密度等； 3）進(jìn)塔混合氣含丙酮體積分?jǐn)?shù)為 1.5 %，要求達(dá)到的丙酮回收率為 90%； 4）操作壓力為常壓，101.325 kPa。 5）進(jìn)塔吸收劑為清水； 6）吸收操作為等溫吸收，溫度為 35。 7）氣液平衡曲線：t=1545時(shí)，丙酮溶于水其亨利常數(shù) E(kPa)可用下式計(jì)算： lgE=9.171-2040/(t+273) 8）液氣比倍數(shù)請(qǐng)自己選定。 9）氣速 u=（0.60.8）uF 范圍。 10）kG=1.79510-3kmol/(m2skPa)；kL=1.8110-4m/s。 三設(shè)計(jì)流程的選擇 采用常規(guī)逆流操作流程，流程如下： 四吸收塔填料的選擇 塑
8、料填料的材質(zhì)主要包括聚丙烯（PP ） ，聚乙烯（ PE）及聚氯乙?。≒VC ）等，國 內(nèi)一般多采用聚丙烯材質(zhì)。塑料填料的耐腐蝕性能好，可耐一般的無機(jī)酸，堿和有機(jī) 溶劑的腐蝕。其耐溫性良好，可長(zhǎng)期在 100以下使用，聚丙烯填料在低溫（低于 0） 時(shí)具有冷脆性，在低于 0 的條件下使用要慎重，可選用耐低溫性能好的聚氯乙稀填 料。塑料填料具有質(zhì)輕，價(jià)廉，耐沖擊，不易破碎等優(yōu)點(diǎn)，多用于吸收，解吸，萃取， 除塵等裝置中。塑料填料的缺點(diǎn)是表面潤濕性能差，在某些特殊應(yīng)用場(chǎng)合，需要對(duì)其 表面進(jìn)行處理，以提高表面潤濕性能。 聚丙烯階梯環(huán)具有壓降低，通量大，效率高，負(fù)荷彈性性大，抗污性好等特性。 廣泛應(yīng)用于合成氨
9、廠脫碳、脫硫系統(tǒng)、原油分離常減壓裝置，各種分離裝置，例如甲 醇分離，有機(jī)酸分離等吸收及脫吸塔。 表 4-1 聚丙烯階梯環(huán)特性參數(shù) 散裝填料的規(guī)格通常是指填料的公尺直徑。工業(yè)塔常用的散裝填料主要有 、16ND 、 、 、 等幾種規(guī)格。同類填料，尺寸越小，分離效率越高；但25ND3850N76D 阻力增加，通量減小，填料費(fèi)用也增加很多。而大尺寸的填料應(yīng)用于小直徑塔中，又 會(huì)產(chǎn)生液體分布不良及嚴(yán)重的壁流，使塔的分離效率降低。因此，對(duì)塔徑與填料尺寸 的比值要有一定的規(guī)定。 表 4-2 常用填料的塔徑與填料公稱直徑比值 D/d 的推薦值 填料種類 D/d 的推薦值 拉西環(huán) 鞍環(huán) 鮑爾環(huán) 階梯環(huán) 環(huán)矩鞍
10、D/d2025 D/d15 D/d1015 D/d8 D/d8 同種類型的規(guī)整填料，其表面積越大，傳質(zhì)效率越高，但阻力增加，通量減小， 填料費(fèi)用也明顯增加。選用時(shí)應(yīng)從分離要求，通量要求，場(chǎng)地條件，物料性質(zhì)及設(shè)備 投資，操作費(fèi)用等方面綜合考慮，使所選填料既能滿足工藝要求，又具有經(jīng)濟(jì)合理性。 填料尺寸的選擇 實(shí)踐表明，填料塔的塔徑與填料直徑的比值應(yīng)保持不低于某一 下限值，以防止產(chǎn)生較大的壁效應(yīng)，造成塔的分離效率下降。一般來說，填料尺寸大， 成本低，處理量大，但是效率低，使用大于 50mm 的填料，其成本的降低往往難以抵 償其效率降低所造成的成本增加。所以，一般大塔經(jīng)常使用 50mm 的填料。 表
11、4-3 填料尺寸與塔徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系 塔徑/ m填料尺寸/ m 規(guī)格 DHMM 比表面積 m 2/m3 空隙率 m 3/m3 堆積個(gè)數(shù) m -1 堆積重量 ykg/m 3 填料因子 / 3m-1 168.91 370 0.85 299136 135.6 602.5 2517.51.0 228 0.90 81500 65.2 312.8 38191.2 132.5 0.91 27200 54.5 175.8 50251.5 114.2 0.927 12000 48 143.1 76382.6 90 0.929 3420 51.3 112.3 D250 250D900 D900 2025 2538 5
12、080 設(shè)計(jì)題目根據(jù)以上的設(shè)計(jì)原則和后面的計(jì)算得，采用塑料階梯環(huán) 38 的填料。ND 五吸收塔的工藝計(jì)算 5.1.1 液相物性數(shù)據(jù) 對(duì)低濃度吸收過程，溶液的物性數(shù)據(jù)。由化工原理 1查得 35時(shí)水的有關(guān)數(shù) 據(jù)如下： 密度： 3kg/m 粘度： 0.725.6/()Lpaskgh 表面張力： 224/91384 5.1.2 氣相物性數(shù)據(jù) 混合氣體的平均摩爾質(zhì)量： 0.158.92.435/vmiMy gmol 混合氣體的平均密度： 3246/.PkRT 5.1.3 氣液相平衡數(shù)據(jù) 根據(jù)氣液平衡曲線：t=1545時(shí)，丙酮溶于水其亨利常數(shù) E(kPa)可用下式計(jì)算： lgE=9.171-2040/(t
13、+273) 得常壓下 35時(shí)，丙酮在水中的亨利系數(shù)為： 352.87EKpa 相平衡常數(shù)： .=410mP 溶解度系數(shù)： 3940.156/()352.87.LsHkmolKpaEM 5.2 物料衡算 如下圖所示，全塔物料衡算是一個(gè)定態(tài)操作逆流式接觸的吸收塔，各個(gè)符號(hào)表示 的意義如下： V 惰性氣體流量，Kmol/h； L 純吸收劑流量，Kmol/h； Y1、Y 2 進(jìn)出吸收塔氣體的摩爾比； X1、X 2 進(jìn)出塔液體中溶質(zhì)質(zhì)量的摩爾比 進(jìn)塔氣體摩爾比： 10.5.12yY 出塔氣體摩爾比： 20.5%.011y 進(jìn)塔空氣相流量： 273(0.15)8.46/.4Vkmolh 該吸收塔過程屬最低
14、濃度吸收，平衡關(guān)系為直線，最小液氣比可按下式計(jì)算，即： 12min()YLVX 對(duì)于純?nèi)軇┪者^程，進(jìn)塔液相組成： ； 02Xmin0.152.()3.17348LV 取操作液氣比： min1.6().3175.9LV 58.40924/kolh )()(2121LY 158.46(02.15)0.2793X 5.3 填料塔的工藝尺寸的計(jì)算 5.3.1 塔徑的計(jì)算 采用?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖計(jì)算泛點(diǎn)氣速： 氣相質(zhì)量流量： 150.6174.5/Vkgh 液相質(zhì)量流量課近似按純水的流量計(jì)算，即： 293.48.27.8/L kgh 圖 2 Eckert 關(guān)聯(lián)圖 ?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)： 0.50.5
15、287.416()()369VL 查化工原理課程設(shè)計(jì) 3得： ； 20.2VFLug17.8m ；0.2 0.2.14.14986/75675LFVgu s 取 ；.3.6./Fms 由 ； 圓整塔徑，取 ；4103.576.4SDu0.6Dm 泛點(diǎn)率校核： ；21.4/. s （在允許范圍內(nèi)）1470%5.6.6Fu 填料規(guī)格校核： ；.983Dd 噴淋密度的校核： 因填料尺寸小于 75mm， 取最小潤濕速率： hmLV/08.)(3min 查化工原理課程設(shè)計(jì) 3得該填料的比表面積： ；215ta ；32minin()0.812.506/wtULah ；min22 /.7.LDU 經(jīng)以上校核
16、可知，填料塔在直徑選用 D=600 mm 合理。 5.3.2 填料層高度計(jì)算 ； ；*13.48027.94YmX02*2mXY 脫因系數(shù)為： ；385.6.1VSL 氣相總傳質(zhì)單元數(shù)為： ； *12110.152ln()ln(69).694.30.OGYNS 氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計(jì)算： ，查化工原理課程設(shè)計(jì) 220.750.10.50.1exp.4()()()wcLtLt Lt taUagA 3得： ；2/68/3hkmdync 液體質(zhì)量通量為： ；2257.41869./()0L kmh2.750. 0.50.28423169.81exp.()()( )4329138.7
17、435wta 由 查化工原理課程設(shè)計(jì) 3得 ；.GWk. 則 ；1. 31. 360.7510.42.56./()wa kmolhKpa ；0.440.413.8.327Lwk h ；5.26%Fu 由 ； 得： akuakGFG4.1 50.91 akuLFL2. 506.21 ；1.4 3.(26)6.34.7/()kmolhKp ；2. 1105Lka 則 ；3 16.70/()642.70.5643.GL kolhpakHa 由 ；28.34.1.2.70.6OGYGV mKP 由 得 ；0.3436ZNm 1.71Z 設(shè)計(jì)填料層高度為 2m。 查化工原理課程設(shè)計(jì) 3得：對(duì)于階梯環(huán)填料
18、 ，取 ；158D hm6ax8Dh8604hm 計(jì)算得填料層高度為 2000mm，故不需分段。 5.3.3 填料塔附屬高度的計(jì)算 一個(gè)完整的吸收塔，除了填料高度外，還有其他附屬高度，因此塔高的計(jì)算還包 括塔附屬高度的計(jì)算。 塔填料層上部的高度：可取 。塔底空間高度取 0.3m。1h0.5m 塔的附屬總高為： 。323.8 所以塔的總高： .8.hz 5.4 填料層壓降的計(jì)算 采用?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖計(jì)算填料層壓降： 橫坐標(biāo)： ，查化工原理課程設(shè)計(jì) 3得： ；0.5()136LV 16m 縱坐標(biāo)： ； 220. 0.275.81.675994Lug 查化工原理課程設(shè)計(jì) 3得： ；./PZpa 填料
19、層壓降為： 41.528.Ppa 第二部分 設(shè)計(jì)總結(jié) 這次設(shè)計(jì)總體來說還比較合理，各項(xiàng)設(shè)計(jì)結(jié)果均符合設(shè)計(jì)要求，詳見設(shè)計(jì)結(jié)果總 匯表及填料塔配圖。由于該類型填料塔的一些物性參數(shù)均非化工手冊(cè)中未能查到的確 切數(shù)據(jù)，是通過分析計(jì)算得到的，這給計(jì)算帶來了一定的誤差。 這次課程設(shè)計(jì)，自己收獲頗多。課程設(shè)計(jì)可謂是理論聯(lián)系實(shí)際的橋梁，是我們學(xué) 習(xí)化工設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的初步嘗試。通過課程設(shè)計(jì)，使我們能綜合運(yùn)用本課程和前修課程的 基本知識(shí)，進(jìn)行融會(huì)貫通的獨(dú)立思考，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成了指定的化工設(shè)計(jì)任務(wù)， 從而得到了化工程序設(shè)計(jì)的初步訓(xùn)練。通過課程設(shè)計(jì)，使我們更加深刻的了解了工程 設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容，掌握化工設(shè)計(jì)的程序和方法
20、，培養(yǎng)了我們分析和解決工程實(shí)際問題 的能力。同時(shí)，通過課程設(shè)計(jì)，還可以使我們樹立正確的設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)實(shí)事求是， 嚴(yán)肅認(rèn)真，高度負(fù)責(zé)的工作作風(fēng)。 綜上所述，這次課程設(shè)計(jì)對(duì)自己來說是一個(gè)提高的過程。在做課程設(shè)計(jì)的過程中， 幾次頻繁的去圖書館找尋資料，不僅讓自己現(xiàn)在能夠熟悉查閱文獻(xiàn)資料，還豐富了自 己的課外知識(shí)。這個(gè)星期內(nèi)，同學(xué)之間熱烈討論，各寢室間交流密切，極大增進(jìn)了同 學(xué)之間的友誼，這可算上是此次課程設(shè)計(jì)的額外收獲。對(duì)于化工單元操作，從開始的 陌生到現(xiàn)在的一知半解，有自己的努力，也有很多他人的幫助。 表 5-1 填料設(shè)計(jì)總表 表 5-2 吸收塔的吸收劑表 意義及符號(hào) 結(jié)果 混合氣體處理量 G 1
21、500 3/ms 氣液相平衡常數(shù) m 3.48 進(jìn)塔氣相摩爾比 Y1 0.0152 出塔氣相摩爾比 Y2 0.0015 進(jìn)塔液相摩爾比 X1 0.0027 出塔液相摩爾比 X2 0 最小液氣比 min(/)LV3.137 混合氣體平均試量 M29.435 混合氣體的密度 L1.165 3/Kgm 吸收劑用量 L 29.41kolh 吸收劑粘度 075pas 意義及符號(hào) 結(jié)果 填料直徑 Pd38mm 填料比表面積 ta132.5m2/m3 散裝填料干填料因子平均值 175.8(1/m) 表 5-3 塔設(shè)備計(jì)算表 意義及符號(hào) 結(jié)果 塔徑 D 0.6m 塔高 H 2.8 m 填料層高 Z2m 填料塔
22、上部高度 h1 0.5m 填料塔下部高度 2 0.3 m 氣相總傳質(zhì)單元高度 OG 0.304 m 氣相總傳質(zhì)單元數(shù) N4.33 空塔氣速 fu2.667m/s 泛點(diǎn)率 f 55.26% 符號(hào)說明 英文字母 A 填料層的有效傳質(zhì)比表面積（m/m） aw 填料層的潤滑比表面積 m/m A 吸收因數(shù);無因次 D 填料直徑，mm； df 填料當(dāng)量直徑，mm 擴(kuò)散系數(shù)，m/s ；塔徑; m; E 亨利系數(shù)，KPa G 重力加速度，9.81m/s 2; H 溶解度系數(shù)，kmol /(m.KPa) HG 氣相總傳質(zhì)單元高度，m HL 液相傳質(zhì)單元高度，m HOG 氣相總傳質(zhì)單元高度，m HOL 液相總傳質(zhì)
23、單元高度，m kG 氣膜吸收系數(shù), kmol /(m.s.KPa) kL 液膜吸收系數(shù), kmol /(m.s.KPa) M 相平衡常數(shù)無因次 NOG 氣相總傳質(zhì)系數(shù)，無因次 NOL 液相總傳質(zhì)系數(shù),無因次 P 總壓，KPa P 分壓，KPa R 氣體通用常數(shù)，kJ/(kmol.K) S 解吸因子 T 溫度， 0C U 空塔速度，m/s uf 液泛速度，m/s V 惰性氣體流量，kmol/s wv 混合氣體體積流量，m 3/s 填料因子， m-1 下標(biāo)L 液相的 G 氣相的V 混合氣流量 kmol/s 混合氣質(zhì)量流量 X 溶質(zhì)組分在液相中的摩爾分率 無因次 X 溶質(zhì)組分在氣相中的摩爾比 無因次 Y 溶質(zhì)組分在液相中的摩爾分率 無因次 Y Y溶質(zhì)組分在氣相中的摩爾比 無因次 Z 填料層高度 m 希臘字母 粘度 Pa.s 密度 kg/m3 表面張力 N/m M 平均的，對(duì)數(shù)平均的 min m a x 最 大 的 最小的 2 塔底 1 塔頂 max 最大的 參考文獻(xiàn)： 1.丙酮-水相平衡常數(shù) 湯金石主編.化工原理課程設(shè)計(jì).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1990. 2.填料塔的設(shè)計(jì) 趙毅 李守信主編，有害氣體控制工程 北京;化學(xué)工業(yè)出版社，2001 3.填料塔附屬設(shè)備的設(shè)計(jì) 湯金石主編.化工原理課程設(shè)計(jì).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1990 .4.化學(xué)工程手冊(cè)
吸收塔課程設(shè)計(jì)
