1、化工原理课程设计说明书学 生： 指导教师： 班 级： 专 业： 应用化学 课程设计任务书1、 设计题目： 设计一个填料塔，回收混合气中的丙酮。进塔气在操作条件下(101.3kPa， 250C)的流量为 0.5+ (学号后两位) m3/s，其丙酮含量为5%(摩尔分数) ，要求塔内吸收率达 98%。(其它条件自行根据实际条件确定，但要合理)。要求：设计包括设备的工艺设计和机械设计1. 工艺设计包括塔的各部分尺寸计算、填料的选择、塔内各种辅助件的确定等内容；2. 机械设计包括塔的壁厚、补强，强度的校核等内容；3. 在设计过程确定吸收过程的控制过程；4. 设计包括设计说明书和设备装配图。1 概述与设计
2、方案的确定 .11.1 填料塔简述 .11.2 设计方案的确定 .11.2.1 装置流程的确定 .11.2.2 填料的选择 .21.2.3 吸收剂的选择 .31.3 操作参数的选择 .41.3.1 操作温度的选择 .41.3.2 操作压力的选择 .42.设计计算 .52.1 基础物性数据 .52.1.1 液相物性数据 .52.1.2 气相物性数据 .52.1.3 气液相平衡数据 .62.2 物料衡算 .62.3 填料塔的工艺尺寸的计算 .72.3.1 塔经的计算 .72.3.2 泛点率校核 .72.3.3 填料规格校核 .82.3.4 液体喷淋密度校核 .82.4 填料塔填料高度计算 .82.
3、4.1 传质单元高度计算 .82.4.2 传质单元数的计算 .102.4.3 填料层高度的计算 .102.4.4 填料塔附属高度计算 .102.5 填料层压降计算 .112.6.液体分部器计算和再分部器的选择和计算 .122.6.1 液体分布器的选型 .122.6.2 分布点密度计算 .122.6.2 液体保持管高度 .132.7 其他附属塔内件的选择 .142.7.1 液体分部器 .142.7.2 液体再分布器 .152.7.3 填料支承板 .152.7.4 料压板与床层限制板 .152.7.5 气体进出口装置与排液装置 .152.8 吸收塔的流体力学参数计算 .162.8.1 吸收塔的压力
4、降 .162.8.2 吸收塔的泛点率 .172.8.3 气体动能因子 .182.8.4 离心泵的选择与计算 .183.8.5 进出管工艺尺寸的计算 .18总结 .19工艺设计计算结果汇总与主要符号说明 .20化工机械设备部分 .23一、设计条件 .23二、按计算压力计算塔体与封头厚度 .23三、塔设备的质量载荷计算 .24四、风载荷与弯矩计算 .25五、地震弯矩计算 .27六、各种载荷引起的轴向应力 .28七、塔体与裙座危险截面的强度与稳定校核 .30八、塔体水压实验 .32九、水压试验时应力校核 .33十、基础环设计 .34十一、地脚螺栓承受的最大拉应力 .351化工原理部分1 概述与设计方
5、案的确定1.1 填料塔简述塔设备在化工、石油化工、生物化工、医药、食品等生产过程中广泛应用的汽液传质设备1。其作用实现气液相或液液相之间的充分接触，从而达到相际间进行传质及传热的过程。根据塔内气液接触部件的结构形式，可将塔设备分为两大类：板式塔和填料塔。板式塔内沿塔高度装有若干层塔板，液体靠重力作用由顶部逐板流向塔釜，并在各块板面上形成流动的液层，气体靠压强差推动，由塔底向上依次穿过各塔板上的液层而流向塔顶。气液两相在塔内进行逐级接触，两相组成沿塔高呈阶梯式变化。填料塔则在塔体内装填填料，液体由上而下流动中在填料上分布汇合，气体则在填料缝隙中向上流动。填料为气液传质提供了较大的气液接触面积。填
6、料塔的基本特点是结构简单，压力降小，传质效率高，便于采用耐腐蚀材料制造等，对于热敏性及容易发泡的物料，更显出其优越性。过去，填料塔多推荐用于 0.60.7m 以下的塔径。近年来，随着高效新型填料和其他高性能塔内件的开发，以及人们对填料流体力学、放大效应及传质机理的深入研究，使填料塔技术得到了迅速发展。1.2 设计方案的确定1.2.1 装置流程的确定吸收装置的流程主要有以下几种。塔内气液两相流动方式可以是逆流也可以是并流。通常采用逆流操作，气体自塔低通入，液体从塔顶洒下，因此溶液从塔底流出前与刚进入塔的气相接触，可使溶液的浓度尽量提高，经吸收后的气体从塔顶排除前与刚入塔的液体接触，又可使出塔气体
7、中溶质浓度尽量降低。在逆流操作下，在相同的进出口组成条件下，逆流吸收流程具有较大的平均传质推动力，可以减少设备尺寸，提高吸收率和吸收剂使用效率，可以实现多级理论级操作，气体净化程度较高，常在工业上应用。而并流吸收流程是气液两相均从塔顶流向塔底，只有一个理论级操作，气体净化程度不很高，但却可以避免塔的液泛现象。吸收剂部分再循环操作在逆流操作系统中，用泵将吸收塔排出液体的一部分冷却后与补充的新鲜吸收剂一同送回塔内，即为部分再循环操作。通常用于已下情况：当吸收剂用量较2小，为提高塔的液体喷淋密度；对于非等温吸收过程，为控制塔内的温升，需取出一部分热量。该流程特别适宜于平衡常数 m 很小的情况，通过吸
8、收液的部分再循环，提高吸收剂的使用效率。多塔串联操作若设计的填料层高度过大，或由于所处理物料等原因需经常清理填料，为便于维修，可把填料层分装在几个串联的塔内，每个吸收塔通过的吸收剂和气体量都相等，即为多塔串联操作。此种操作因塔内需留较大空间，输液，喷淋，支撑板等辅助装置增加，使设备投资加大。串并联混合操作若吸收处理的液量很大，如果用通常的流程，则液体在塔内的喷淋密度过大，操作气速势必很小（否则易引起液泛） ，塔的生产能力很低。实际生产中可采用气相作串联，液相作并联的混合流程；若吸收过程处理的液量不大而气相流量很大时，可采用液相作串联，气相作并联的混合流程。 根据以上述说和本设计条件应选择:逆流
9、吸收流程1.2.2 填料的选择填料的选择包括确定填料的种类、尺寸及材质等.所选填料既要满足生产工艺的要求,又要使设备投资和操作费用较低.并且各种填料的结构差异较大，具有不同的优缺点，因此在使用上应根据具体情况选择不同的塔填料。在选择塔填料时，应该考虑如下几个问题：1.填料种类的选择填料种类的选择要考虑分离工艺的要求,还要确保有较高的传质效率.除此之外,还应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料,这样可以使通量增大,塔的处理能力也增大.填料层压降是填料的主要应用性能,填料层的压降愈低,动力消耗就愈低,操作费用愈小.填料的操作性能主要指操作弹性、抗污堵性及抗热敏性等.所选填料应具有较大的操作弹性
10、,以保证塔内气液负荷发生波动时维持操作稳定.同时还应具有一定的抗污堵、抗热敏能力,以适应物料的变化及塔内温度的变化.32.填料尺寸的选择实践表明，填料塔的塔径与填料直径的比值应保持不低于某一下限值，以防止产生较大的壁效应，造成塔的分离效率下降。一般来说，填料尺寸大，成本低，处理量大，但是效率低，使用大于 50mm 的填料，其成本的降低往往难以抵偿其效率降低所造成的成本增加。所以，一般大塔经常使用 50mm 的填料。表 22 填料尺寸与塔径的对应关系塔径/ m填料尺寸/ mD300300D900D9002025253850803.填料材质的选择选择填料材质应根据吸收系统的介质以及操作温度而定，一
11、般情况下，可以选用塑料，金属，陶瓷等材料。对于腐蚀性介质应采用相应的抗腐蚀性材料，如陶瓷，塑料，玻璃，石墨，不锈钢等，对于温度较高的情况，应考虑材料的耐温性能。综合考虑以上各个因素,本设计中选用 DN38 聚丙烯塑料阶梯环填料,有关特性数据如下表:表 2-3 聚丙烯塑料阶梯环填料特性数据公称直径DN mm外径高厚 d h ,mm 比表面积 m 2/m3空隙率 %个数 n m-3堆积密度 p kg/m3干填料因子 m-138 38191.0 132.5 91 27200 57.5 1751.2.3 吸收剂的选择对于吸收操作，选择适宜的吸收剂，具有十分重要的意义。其对吸收操作过程的经济性有着十分重
12、要的影响。一般情况下，选择吸收剂，要着重考虑如下问题：1 对溶质的溶解度大。2 对溶质有较高的选择性。3.挥发度要低。4 再生性能好。5 吸收剂的黏度小，有利于气液两相接触良好，提高传质速率。6 吸收剂应具有良好化学稳定性好，不易燃，无腐蚀性，无毒，易得，廉价等特点。41.3 操作参数的选择1.3.1 操作温度的选择对于物理吸收而言,降低操作温度,对吸收有利.但低于环境温度的操作温度因其要消耗大量的制冷动力而一般是不可取的,所以一般情况下,取常温吸收较为有利.对于特殊条件的吸收操作必须采用低于环境的温度操作.对于化学吸收,操作温度应根据化学反应的性质而定,既要考虑温度对化学反应速度常数的影响,
13、也要考虑对化学平衡的影响,使吸收反应具有适宜的反应速度.对于再生操作,较高的操作温度可以降低溶质的溶解度,因而有利于吸收剂的再生1.3.2 操作压力的选择对于物理吸收,加压操作一方面有利于提高吸收过程的传质推动力而提高过程的传质速率,另一方面,也可以减小气体的体积流率,减小吸收塔径.所以操作十分有利.但工程上,专门为吸收操作而为气体加压,从过程的经济性角度看是不合理的,因而若在前一道工序的压力参数下可以进行吸收操作的情况下,一般是以前道工序的压力作为吸收单元的操作压力.对于化学吸收,若过程由质量传递过程控制,则提高操作压力有利,若为化学反应过程控制,则操作压力对过程的影响不大,可以完全根据前后
14、工序的压力参数确定吸收操作压力,但加大吸收压力依然可以减小气相的体积流率,对减小塔径仍然是有利的.对于减压再生(闪蒸)操作,其操作压力应以吸收剂的再生要求而定,逐次或一次从吸收压力减至再生操作压力,逐次闪蒸的再生效果要优于一次闪蒸效果.用水吸收丙酮属易溶气体的吸收过程为提高传质效率，选用逆流吸收过程。因用水作吸收剂，若丙酮不作为产品，则采用纯溶剂；若丙酮作为产品，则采用含一定丙酮的水溶液。现以纯溶剂为例进行设计。对于水吸收丙酮的过程，操作温度及操作压力较低，塑料可耐一般的酸碱腐蚀，所以工业上通常选用塑料散装填料。在塑料散装填料中，阶梯环填料气体通量大、流动阻力小、传质效率高，故此选用 DN38
15、 聚丙烯阶梯环填料。本设计采用水做吸收剂。 52.设计计算2.1 基础物性数据2.1.1 液相物性数据对低浓度吸收过程，溶液的物性资料可近似取纯水的物性数据。由手册 1 查得，25时水的有关物性资料如下：密度为 =997.08kg/m L3粘度为 =3.217 kg/(mh)897.0smPa表面张力为 25.4/71863/Ldynckgh 查手册 2 丙酮在水中的扩散系数为 ：式中 丙酮在水中的扩散系数，LD2msT温度，K；溶液的黏度， ；Pas容积的摩尔质量， ；BM/kgol溶质的摩尔体积，A3溶剂的缔合因子（水为 2.26）B查手册得 时丙酮在水中的扩散系数为15 921.50/D
16、ms则 时丙酮在水中的扩散系数为:291.8 92273.50.3.0()()/LD s 2.1.2 气相物性数据 混合气体的平均摩尔质量为=0.0558+0.9529=30.45/混合气体的平均密度为=101.330.458.314298=1.245/316/21/0.1.73BBAMT6混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，由化工原理（上册）附录五查得 25 空气的粘度为=1.835105=0.066/()由手册查得， 15时丙酮在空气中的扩散系数为1atm=0.1091042/则 时丙酮在空气中的扩散系数为:2541.8 273.50.30.19()()4608/2vDms扩散系数， ；V
17、2/msP总压强， ； PaT温度，K；分别为 AB 两种物质的摩尔质量，kg/kmol,ABM分别为 A，B 两物质的分子体积，, 3/mkol2.1.3 气液相平衡数据化工单元操作设计手册(化学工业部化学工程设计技术中心站主编)表 2-1 查得常压下 25时丙酮在水中的亨利系数为 4 =211.5相平衡常数为=211.53101.3=2.088溶解度系数： =997.043211.518=0.26/(3)2.2 物料衡算出塔丙酮含量: 2=1(1)=0.05(10.98)=0.001回流比=1.5()=1.51212=1.5(12)1 =1.52.0880.98=3.06936气体处理量 =0.5033/=1810.83/=1810.81.245=2254.45/可得出吸收剂用量为 =6919.71/全塔物料衡算： (12)=(12)可得 1=0.01596
