《化工原理》課程設計 苯和氯苯的精餾塔塔設計

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1、 大慶師范學院 《化工原理》課程設計說明書 設計題目 學生姓名 指導老師 學 院 專業(yè)班級 完成時間 目 錄 第一節(jié) 前言 5 1.1 填料塔的主體結構與特點 5 1.2 填料塔的設計任務及步驟 5 1.3 填料塔設計條件及操作條件 5 第二節(jié) 填料塔主體設計方案的確定 6 2.1 裝置流程的確定 6 2.2 吸收劑的選擇 6 2.3填料的類型與選擇 6 2.3.1 填料種類的選擇 6 2.3.2 填料規(guī)格的選擇 6

2、 2.3.3 填料材質(zhì)的選擇 7 2.4 基礎物性數(shù)據(jù) 7 2.4.1 液相物性數(shù)據(jù) 7 2.4.2 氣相物性數(shù)據(jù) 7 2.4.3 氣液相平衡數(shù)據(jù) 8 2.4.4 物料橫算 8 第三節(jié) 填料塔工藝尺寸的計算 9 3.1 塔徑的計算 9 3.2 填料層高度的計算及分段 10 3.2.1 傳質(zhì)單元數(shù)的計算 10 3.2.3 填料層的分段 12 3.3 填料層壓降的計算 12 第四節(jié) 填料塔內(nèi)件的類型及設計 13 4.1 塔內(nèi)件類型 13 4.2 塔內(nèi)件的設計 13 4.2.1 液體分布器設計的基本要求： 13 4.2.2 液體分布器布液能力的計算 13

3、 注： 14 1填料塔設計結果一覽表 14 2 填料塔設計數(shù)據(jù)一覽 14 3 參考文獻 15 4 后記及其他 16 附件一：塔設備流程圖 16 附件二：塔設備設計圖 17 大慶師范學院本科學生 化工原理課程設計任務書 設計題目 苯和氯苯的精餾塔塔設計 系（院）、專業(yè)、年級 化學化工學院、化學工程與工藝專業(yè)、08級化工四班 學 生 姓 名

4、 學號 指導教師姓名 下發(fā)日期 任務起止日期： 2010 年日6 月 21 日 至 2010 年 7 月 20 設計條件： 1. 氣體混合氣成分： 空氣和氨； 2. 進塔混合氣含氨量：6.0％(體積分數(shù))； 3. 混合氣體流量：6000； 4. 回收率：99％。 操作條件： 1. 操作溫度：293 K； 2. 混合

5、氣體壓力：101.3Pa； 設計任務： 完成填料吸收塔的工藝設計，填料的選擇及有關附屬設備的設計，繪制塔填料吸收塔工藝流程圖、設備圖，編寫設計說明書。 任務下達人（簽字） 教研室主任： 年 月 日 任務接受人（簽字） 第一節(jié) 前言 1.1 填料塔的主體結構與特點 結構： 圖1-1 填料塔結構圖 填料塔不但結構簡單，且流體通過填料層的壓降較小，易于用耐腐蝕材料制造，所以她特別適用于處理量肖，有腐蝕性的物料及要求壓降小的場合。液體自塔頂經(jīng)液體分布器噴灑于填料頂部，

6、并在填料的表面呈膜狀流下，氣體從塔底的氣體口送入，流過填料的空隙，在填料層中與液體逆流接觸進行傳質(zhì)。因氣液兩相組成沿塔高連續(xù)變化，所以填料塔屬連續(xù)接觸式的氣液傳質(zhì)設備。 1.2 填料塔的設計任務及步驟 設計任務：用水吸收空氣中混有的氨氣。 設計步驟：（1）根據(jù)設計任務和工藝要求，確定設計方案; （2）針對物系及分離要求，選擇適宜填料； （3）確定塔徑、填料層高度等工藝尺寸（考慮噴淋密度）； （4）計算塔高、及填料層的壓降； （5）塔內(nèi)件設計。 1.3 填料塔設計條件及操作條件 1. 氣體混合物成分：空氣和氨 2. 空氣中氨的含量: 6.0% （體積含量即為摩爾含量

7、） 3. 混合氣體流量6000m3/h 4. 操作溫度293K 5. 混合氣體壓力101.3KPa 6. 回收率99 % 7. 采用清水為吸收劑 8. 填料類型：采用聚丙烯鮑爾環(huán)填料 第二節(jié) 精餾塔主體設計方案的確定 2.1 裝置流程的確定 本次設計采用逆流操作：氣相自塔低進入由塔頂排出，液相自塔頂進入由塔底排出，即逆流操作。 逆流操作的特點是：傳質(zhì)平均推動力大，傳質(zhì)速率快，分離效率高，吸收劑利用率高。工業(yè)生產(chǎn)中多采用逆流操作。 2.2 吸收劑的選擇 因為用水做吸收劑，故采用純?nèi)軇? 2-1 工業(yè)常用吸收劑 溶質(zhì) 溶劑 溶質(zhì) 溶劑 氨 水、硫酸

8、丙酮蒸汽 水 氯化氫 水 二氧化碳 水、堿液 二氧化硫 水 硫化氫 堿液、有機溶劑 苯蒸汽 煤油、洗油 一氧化碳 銅氨液 2.3填料的類型與選擇 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)整填料兩大類。 2.3.1 填料種類的選擇 本次采用散裝填料。散裝填料根據(jù)結構特點不同，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。鮑爾環(huán)是目前應用較廣的填料之一，本次選用鮑爾環(huán)。 2.3.2 填料規(guī)格的選擇 工業(yè)塔常用的散裝填料主要有Dn16\Dn25\Dn38\ Dn76等幾種規(guī)格。同類填料，尺寸越小，分離效率越高，但阻力增加，通量減小，填料費用也

9、增加很多。而大尺寸的填料應用于小直徑塔中，又會產(chǎn)生液體分布不良及嚴重的壁流，使塔的分離效率降低。因此，對塔徑與填料尺寸的比值要有一規(guī)定。 常用填料的塔徑與填料公稱直徑比值D/d的推薦值列于。 表3-1 填料種類 D/d的推薦值 拉西環(huán) D/d20~30 鞍環(huán) D/d15 鮑爾環(huán) D/d10~15 階梯環(huán) D/d>8 環(huán)矩鞍 D/d>8 2.3.3 填料材質(zhì)的選擇 工業(yè)上，填料的材質(zhì)分為陶瓷、金屬和塑料三大類 聚丙烯填料在低溫（低于0度）時具有冷脆性，在低于0度的條件下使用要慎重，可選耐低溫性能良好的聚氯乙烯填料。 綜合以上：選擇塑料鮑爾環(huán)散裝填料 Dn50

10、 2.4 基礎物性數(shù)據(jù) 2.4.1 液相物性數(shù)據(jù) 對低濃度吸收過程，溶液的物性數(shù)據(jù)可近似取純水的物性數(shù)據(jù)。由手冊查得 20 ℃水的有關物性數(shù)據(jù)如下： 1. 2. 3. 表面張力為: 4. 5. 6. 2.4.2 氣相物性數(shù)據(jù) 1. 混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為 (2-1) 2. 混合氣體的平均密度 由 (2-2) R=8.314 3. 混合氣體黏度可近似取為空氣黏度。查手冊得20時，空氣的黏度 注： 1 1Pa..s=1kg/m.s 2.4.3 氣液相平衡數(shù)據(jù) 由手冊查得

11、，常壓下，20時，NH在水中的亨利系數(shù)為 E=76.3kpa 在水中的溶解度: H=0.725kmol/m 相平衡常數(shù)： (2-3) 溶解度系數(shù): (2-4) 2.4.4 物料橫算 1. 進塔氣相摩爾比為 (2-5) 2. 出他氣相摩爾比為 (2-6) 3. 進塔惰性氣體流量: (2-7) 因為該吸收過程

12、為低濃度吸收，平衡關系為直線，最小液氣比按下式計算。即： (2-8) 因為是純?nèi)軇┪者^程，進塔液相組成 所以 選擇操作液氣比為 （2-9） L=1.2676356234.599=297.3860441kmol/h 因為V(Y1-Y2)=L(X1-X2) X1 第三節(jié) 填料塔工藝尺寸的計算 填料塔工藝尺寸的計算包括塔徑的計算、填料能高度的計算及分段 3.1 塔徑的計算 1. 空塔氣速的確定——泛點氣速法 對于散裝填料，其泛點率的經(jīng)驗值u/u

13、=0.5~0.85 貝恩（Bain）—霍根（Hougen）關聯(lián)式 ，即： =A-K （3-1） 即： 所以：/9.81（100/0.917）（1.1836/998.2）=0.246053756 UF=3.974574742m/s 其中： ——泛點氣速，m/s; g ——重力加速度，9.81m/s WL=5358.89572㎏/h WV=7056.6kg/h A=0.0942； K=1.75； 取u=0.7 =2.

14、78220m/s （3-2） 圓整塔徑后 D=0.8m 1. 泛點速率校核： m/s 則在允許范圍內(nèi) 2. 根據(jù)填料規(guī)格校核：D/d=800/50=16根據(jù)表3-1符合 3. 液體噴淋密度的校核： (1) 填料塔的液體噴淋密度是指單位時間、單位塔截面上液體的噴淋量。 (2) 最小潤濕速率是指在塔的截面上，單位長度的填料周邊的最小液體體積流量。對于直徑不超過75mm的散裝填料，可取最小潤濕速率。 （3-3）

15、 （3-4） 經(jīng)過以上校驗，填料塔直徑設計為D=800mm 合理。 3.2 填料層高度的計算及分段 （3-5） （3-6） 3.2.1 傳質(zhì)單元數(shù)的計算 用對數(shù)平均推動力法求傳質(zhì)單元數(shù) （3-7） （3-8） = =0.006895 3.2.2 質(zhì)單元高度的計算

16、 氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關聯(lián)式計算： （3-9） 即：αw/αt =0.37404748 液體質(zhì)量通量為： =WL/0.7850.80.8=10666.5918kg/(㎡?h) 氣體質(zhì)量通量為： =600001.1761/0.64=14045.78025kg/(㎡?h) 氣膜吸收系數(shù)由下式計算： （3-10） =0.237(14045.78025100.622810-5)0.7(0.062280.0811.1761) 0.3(1000.0818.314293) =0.15215902

17、9kmol/(㎡h kpa) 液膜吸收數(shù)據(jù)由下式計算： (3-11） =0.566130072m/h 因為 0.152150.37401.451.1100 （3-12） =8.565021kmol/(m3 h kpa) =0.566131000.374041.450.4 （3-13） =24.56912/h 因為： =0.8346 所以需要用以下式進行校正： （3-14） =[1＋9.

18、5(0.69999－0.5)1.4] 8.56502=17.113580 kmol/(m3 h kpa) （3-15） =[1＋ 2.6 (0.6999－0.5)2.2] 24.569123=26.42106/h （3-16） =1(117.1358+10.72526.4210) =9.038478 kmol/(m3 h kpa) （3-17）

19、 =234.5999.03847101.30.7850.64 =0.491182 m （3-18） =0.4911829.160434=4.501360m,得 =1.44.501=6.30m 3.2.3 填料層的分段 對于鮑爾環(huán)散裝填料的分段高度推薦值為h/D=5~10。 h=5800～10800=4～8 m 計算得填料層高度為7000mm，，故不需分段 3.3 填料層壓降的計算 取 Eckert (通用壓降關聯(lián)圖)；將操作氣速(＝2.8886m/s)

20、 代替縱坐標中的查表，DG50mm塑料鮑爾環(huán)的壓降填料因子＝125代替縱坐標中的． 則縱標值為： =0.1652 (3-19) 橫坐標為： =0.02606 (3-20) 查圖得 981Pa/m (3-21) 全塔填料層壓降 =9817=6867 Pa 至此，吸收塔的物科

21、衡算、塔徑、填料層高度及填料層壓降均已算出。 第四節(jié) 填料塔內(nèi)件的類型及設計 4.1 塔內(nèi)件類型 填料塔的內(nèi)件主要有填料支撐裝置、填料壓緊裝置、液體分布裝置、液體收集再分布裝置等。合理的選擇和設計塔內(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。 4.2 塔內(nèi)件的設計 4.2.1 液體分布器設計的基本要求： （1）液體分布均勻 （2）操作彈性大 （3）自由截面積大 （4）其他 4.2.2 液體分布器布液能力的計算 （1）重力型液體分布器布液能力計算 （2）壓力型液體

22、分布器布液能力計算 注：(1)本設計任務液相負荷不大，可選用排管式液體分布器；且填料層不高，可不設液體再分布器。 (2)塔徑及液體負荷不大，可采用較簡單的柵板型支承板及壓板。其它塔附件及氣液出口裝置計算與選擇此處從略。 注： 1填料塔設計結果一覽表 塔徑 0.8m 填料層高度 7m 填料規(guī)格 50mm鮑爾環(huán) 操作液氣比 1.2676356 1.7倍最小液氣比 校正液體流速 2.78220/s 壓降 6867 Pa 惰性氣體流量 234.599kmol/h 2 填料塔設計數(shù)

23、據(jù)一覽 E—亨利系數(shù)， —氣體的粘度，1.73=6228 —平衡常數(shù) 0.7532 —水的密度和液體的密度之比 1 —重力加速度， 9.81 =1.27 —分別為氣體和液體的密度，1.1836；998.2； =5358.89572㎏/h =7056.6kg/h—分別為氣體和液體的質(zhì)量流量 —氣相總體積傳質(zhì)系數(shù)， —填料層高度， —塔截面積， —氣相總傳質(zhì)單元高度， —氣相總傳質(zhì)單元數(shù) —以分壓差表示推動力的總傳質(zhì)系數(shù)， —單位體積填料的潤濕面積

24、100 91.7% —以分壓差表示推動力的氣膜傳質(zhì)系數(shù)， —溶解度系數(shù)，0.725 —以摩爾濃度差表示推動力的液摩爾傳質(zhì)系數(shù)， —氣體常數(shù)， —氨氣在空氣中中的擴散系數(shù)及氨氣在水中的擴散系數(shù); 液體質(zhì)量通量為： =WL/0.7850.80.8=10666.5918kg/(㎡?h) 氣體質(zhì)量通量為： =600001.1761/0.64=14045.78025kg/(㎡?h)  3 參考文獻 [1] 夏清.化工原理（下）[M]. 天津:天津大學出版社, 2005. [2] 賈紹義,柴誠敬. 化工原理課程設計[M]. 天津:天津大學出版社, 2002.

25、 [3] 華南理工大學化工原理教研室著．化工過程及設備設計[M]．廣州: 華南理工大學出版社, 1986. [4] 周軍.張秋利 化工AutoCAD制圖應用基礎 。北京. 化學工業(yè)出版社。 4 后記及其他 1、通過本次課程設計，使我對從填料塔設計方案到填料塔設計的基本過程的設計方法、步驟、思路、有一定的了解與認識。在課程設計過程中,使我加深了對課本知識的認識，也鞏固了所學到的知識。此次課程設計按照設計任務書、指導書、技術條件的要求進行。同學之間相互討論，整體設計基本滿足使用要求，但是在設計指導過程中也發(fā)現(xiàn)一些問題，發(fā)現(xiàn)自己的基礎知識不牢。。 2、 本次設計得到很多老師的指

26、導，特別感謝化工原理——李衛(wèi)宏老師、化工熱力學——劉海燕老師、化工制圖——張浩老師、化工工藝——錢慧娟老師等幫助。 附件一：塔設備流程圖 附件二：塔設備設計圖 ut2ApOdfXXc02GyBKsKCWw97MrqqWhoj5TL15Zt6jIPYytYCummtARp3v1N5luizi3xh3BhWYreKO8d9g7nmZQoWPJeTLDrw08gVS8DsDQQYGC3cE7moO2tLF0Jf1gK74IUXyBmtIVR97CkrfVqULT5fn2t6MpJR6rbzVPSortZvIj5NB5ndVvSr4iWr1TwLFKgLSPzuh

27、RjQ3CmZU98eUOuijdLSZqPmvrw9zKupxf8WFUG9l2G9277g2rTipa1YpCZEuqxpKBhtVDCooQOzxUz3vJrZmOcijyM62zchmeooTYes8EBMm932tbz2Yo09RtsZEYS8Zrd2Yktj8l6jEAzVAjnfbtryLvsm6oFbfToXVRFFn7OwIYgJlamkUNXJYbz5Rrb7r4VsuR9zpfZFMfsjhcfCA37lNW2VVLRKN7R8psz1BN6oRic5hU5Z6HCxAYqyNPOG8duYbAwqSl20CSg06Dh2sM8HLtgPkIcSkrgOPDpuHBj1L

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32、jurNFJ3TxyfclZiEePtwFJthphEipDFNqnR2HjQKV2DzWtMPDJQkBcXmovdsjqCTJagjMdLsKPgaD2s0H0vmZGAHt36gyUEZ7UmANk1ndREuBeqdgrx0venqGnsyIB2ilq3SIQrNL4m56t7Z8Y8da5K0KUpn5Nzg4JvjdtfFHyt82AoGQkXo4VBLmLEiy2P7HtHBho07rCfttxodYDPPdtQsO7wxD0J6fKKlGm4woDzplhtRr2XgqN13hqy59zU1GegDyQniHNTaVSieueFQcYfUCJwd3vk5I7YKmhunDmIZ