完整版过程工程原理毕业课程设计.docx
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完整版过程工程原理毕业课程设计
过程工程原理课程设计
题目
姓名
学号
专业班级
指导教师
分院
完成日期
过程工程原理课程设计任务书
姓名：
学号：
班级：
1.设计题目：
吸收氨过程填料塔的设计
试设计一座填料吸收塔，用于脱除混于空气中的氨气。
混合气体的处理量为3.9万Nm3），与同种类型、同种规格的陶瓷、塑料填料相比，它的通量大、气体阻力小，且具有很高的抗冲击性能，能在高温、高压、高冲击强度下使用，工业应用主要以金属填料为主。
（3）塑料填料。
塑料填料的材质主要包括聚丙烯、聚乙烯及聚氯乙烯等，国内一般多采用聚丙烯材质。
塑料填料的耐腐蚀性能较好，可耐一般的无机酸、碱和有机溶剂的腐蚀。
其耐温性良好，可长期在100℃以下使用。
聚丙烯填料在低温（低于0℃）时具有冷脆性，在低于0℃的条件下使用要谨慎，可选用耐低温性能好的聚氯乙烯填料。
塑料填料具有轻质、廉价、耐冲击、不易破碎等优点，多用于吸收、解吸、萃取、除尘等装置中。
塑料填料的缺点是表面润湿性能较差，在某些特殊应用场合，需要对其表面进行处理，以提高表面润湿性能。
所以本次课设选用聚丙烯填料。
1.4.4填料规格的选择
通常，散装填料与规整填料的规格标示方法不同，选择地方法亦不尽相同。
①散装填料规格的选择。
散装填料的规格通常是指填料的公称直径。
工业塔常用的散装填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等几种规格。
同类填料，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。
而大尺寸的填料应用于小塔径中，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。
本次考虑到参考数据多比较利于接下来的计算，以及以上所说的一些原因，综合考虑之下选择了50mm。
②规整填料规格的选择。
工业上常用规整填料的型号和规格的表示方法很多，国内习惯用比表面积表示，主要有125、150、250、350、500、700等几种规格。
同种类型的规整填料，其比表面积越大，传质效率越高，但阻力增加，通量减小，填料费用也明显增加。
选用时应从分类要求、通量要求、场地要求、物料性质及设备投资、操作费用等方面综合考虑，使所选填料既能满足工艺要求，又具有经济合理性。
应当指出，一座填料塔可以选用同种类型、同一规格的填料，也可以使用同种类型、不同规格的填料；可以选用同种类型的填料，也可以选用不同类型的填料；有的塔段可选用规整填料，而有的塔段可选用散装填料。
综上所述选用50mm聚丙烯阶梯环塔填料，其主要性能参数可查下表1为：
比表面积a：
114.2
空隙率：
0.927
干填料因子：
表1国内阶梯环特性数据
材质
外径
d，mm
外径×高×厚
d×H×δ
比表面积
at，m2m3
空隙率
ε，m3m3
个数
n，个m3
堆积密度
ρp，kgm3
干填料因子
atε3，m-1
填料因子
Φ，m-1
塑
料
25
38
50
76
25×17.5×1.4
38×19×1
50×30×1.5
76×37×3
228
132.5
114.2
89.95
0.90
0.91
0.927
0.929
81500
27200
9980
3420
97.8
57.5
76.8
68.4
313
175.6
143.1
112
240
120
80
72
1.4.5工艺流程图
2 工艺计算
2.1基础物性数据
2.1.1液相物性的数据
得20℃下的水的物性数据为：
水：
表面张力为：
σL=72.6dyncm=940896kgcm=12960）
由于g为重力加速度=
（1）
液体质量通量为
气体质量通量为
所以，
气膜吸收系数由下式计算：
查知，0，101.3下，在空气中的扩散系数
由，
则293，101.3下，在空气中的扩散系数为
液相扩散系数
液膜吸收系数由下式计算：
表4各类填料的形状系数
填料类型
球
棒
拉西环
弧鞍
开孔环
Ψ值
0.72
0.75
1
1.19
1.45
查表4得：
则
由
得，
则
——气膜体积吸收系数，；
——液膜体积吸收系数，；
由
HOG——气相传质单元高度，m
——塔截面积，m2
由
采用上述方法计算出填料层高度后，应留出一定的安全系数。
根据设计经验，填料层的设计高度一般为
本次设计选的是1.3，所以
Z——填料层高度，m
设计取填料层高度为：
安全系数为
对于阶梯环填料，
前一个不满足，所以因满足将填料层分为2段设置，每段3.5m，两段间设置一个液体再分布器。
2.2.3填料层压降计算
采用Eckert通用关联图计算填料层压降
横坐标为：
表5散装填料的压降填料因子平均值
填料类型
填料因子
DN16
DN25
DN38
DN50
DN76
金属鲍尔环
306
—
114
98
—
金属环矩鞍
—
138
93.4
71
36
金属阶梯环
—
—
118
82
—
塑料鲍尔环
343
232
114
125
62
塑料阶梯环
—
176
116
89
—
瓷矩环
700
215
140
160
—
瓷拉西环
1050
576
450
288
—
由上所知，DN50的塑料阶梯环的
纵坐标为：
图2通用压降关联图
查图2得，
填料层压降为：
2.2.4吸收塔接管口径的计算
常压塔气体进出口管气速可取10～40ms（高压塔气速低于此值）；液体进出口管气速可取0.5～3ms（必要时可加大些）。
管径依所选气速决定后，应按标准管规格进行圆整，并规定其厚度。
气体进气口气速取35ms，液体进液口流速取1.5ms
气体进出口管直径：
液体流量：
液体进出口管直径：
查表得按标准管规格进行圆整后得，气体进口出管直径D1=660mm，厚度为10mm
液体进出管直径D2=108mm，壁厚为4mm。
校正液体进出口速度：
校正气体进出口速度：
3辅助设备的计算及选型
3.1填料的支撑装置
支承板要能承担板上的填料重力和填料的持液量，其开孔面积要求接近与填料的孔隙率，必要时要等于100%的塔截面。
支承板的结构型式很多，常用的有升气管型。
升气管可以是圆筒形、圆锥形或将板冲制成瓦楞形。
在这种结构下，气相可通过气升官上升，液相则通过小孔流下。
本设计的支承板采用栅板，因为本设计中塔的直径较大，所以可在栅板上放置一层十字隔板的填料，上面再堆放拉西环。
栅板、栅条缝宽应取0.6—0.8填料外径。
3.2填料压紧装置
为防止在上升气流的作用下填料床层发生松动或跳动，需在填料层上方设置填料压紧装置。
填料压紧装置有压紧栅板、压紧网板、金属压紧器等不同的类型。
对于散装填料，可选用压紧网板，也可选用压紧栅板，本次设计中选用的是压紧栅板。
在其下方，根据填料的规格敷设一层金属网，并将其与压紧栅板固定。
为防止在填料压紧装置处压降过大甚至发生液泛，要求填料压紧装置的自由截面积应大于70%。
为了便于安装和检修，填料压紧装置不能与塔壁采用连续固定方式，对于大塔用支耳固定。
3.3液体分布器与再分布器装置
3.3.1液体分布器
本次设计中选用的是重力型排管式液体分布器，装置可见图3，它的液体推动力是重力。
图3重力型排管式液体分布器
具体参数见表6
塔径mm
主管直径mm
支管排数
管外缘直径mm
最大体积流量（）
2200
100
7
1940
78
3.3.2液体再分布器
填料塔设计中一般需考虑每平方米塔板上有30个以上的喷淋点，对于高真空的塔，使用填料尺寸又比较大的情况，则每平方米塔板按45个以上的喷淋点考虑，对于精密型的填料，则要求更多。
喷淋装置的结构型式很多。
常用的液体分布器有管式喷淋器、莲蓬式喷洒器。
根据情况，在此设计中，我选用的是管式喷淋器。
管式喷淋器中又包括弯管式、缺口式、多孔排管式、多孔盘管式。
弯管式和缺口式一般用于小塔（），而多孔排管式和多孔盘管式用于大塔。
所以根据需要，此次选择的是每平方有42个喷淋点的多孔排管式喷淋器，见图4。
在管底钻3排直径为4mm的小孔，孔的总截面面积大致与进液管面积相等。
图4多孔排管式喷淋器
喷淋点数：
n=0.785×2.22×42=160点
3.4除沫装置
气流离开填料层时往往会夹带大量的雾沫，不仅损耗大量的吸收剂，同时为出他气体的后处理带来不便。
除沫器是用来除去由塔顶排除的气体夹带的雾沫，常安装在液体分布器的上方。
常见的除沫器有折板除沫器、丝网除沫器、填料除沫器等。
本次设计选用的是丝网除沫器。
丝网除沫器是由金属或塑料丝织物卷成盘形或圆筒形而成。
其除雾沫效率高，可除去5um液滴，压降小于，但造价高，且不宜用于气、液中含有粘结物或固体物的场合，一面除沫器发生堵塞。
丝网除沫器的设计计算主要有以下三个参数：
1.通过除沫器的气速。
气体通过除沫器的流速直接影响到除沫器的分离效率，一般用下式计算：
上式中为气体通过除沫器的流速，ms；K为系数，一般取0.08~0.11；分别为气体、液体的密度，kg
2.除沫器的直径。
除沫器的直径由处理的气量和气速所决定，由下式计算：
3.除沫器的高度。
主要保证除沫器有足够的拦液表面和气液停留时间。
除沫器由直径0.076~0.4mm的金属丝网构成时，除沫器高度一般取100~150mm；当由直径为0.005~0.03mm的合成纤维丝网组成时，除沫器高度一般取50mm。
此设计中选择除沫器的高度为50mm。
3.5封头
选择的是碳素钢及低合金钢制碟形封头
图5碟形封头
具体为公称直径为2200mm，曲率半径（球面R=2000mm，这便r=330mm），封头高度为497mm，壁厚为10mm，直边高度为40mm，质量为434kg
塔顶和塔底都需要，所以要2个。
3.6离心泵及风机的选型
3.6.1离心泵的选择
（1）、塔高的计算
塔顶封头加法兰0.5mm，液体分布器到液体再分布器1m，液体再分布器到填料层1m，填料层高度7m，塔底塔底空间高度初定为2.5m，填料支撑板等小部件初设1m，则塔总高为15m左右。
（2）、离心泵的选用（通过流量和扬程来选离心泵）
流量：
安全系数选为1.2，则L=50.08
扬程公式：
因为m，，，
所以
乘上一个安全系数1.5，则H=18.8m
表7
泵型号
流量
扬程m
转速
汽蚀余量m
泵效率
%
轴功率
kw
配带功率kw
50
20
2900
3.0
75
3.63
5.5
3.6.2风机的选型
全风压计算：
乘上一个安全系数1.3，则
风量：
乘上一个安全系数1.5，则
根据全风压和风量按表[9]选择G6-51-1No-14D锅炉离心送风机,具体参数如下：
转速为1450（）,全压8270Pa，流量70700,内效率78%，内功率208Kw，轴功率212Kw，所需功率244Kw，电动机型号Y355-4380V，电动机功率250Kw，联轴器型号95074，联轴器的风机轴105210mm，联轴器电动机轴100210mm，滚动轴承型号SKF632422324ccw33
3.7人孔
为检查压力容器在使用过程中是否发生裂纹、变形、腐蚀等缺陷，塔里容器应开设检查孔，检查孔包括人孔和手孔。
3.7.1人孔的型式
图6人孔的型式
表8人孔所需配件
件号
标准编号
名称
数量
材料
1
筒节
1
Q235-AF
2
法兰
1
Q235-AF
3
垫片
1
石棉橡胶板
4
盖
1
Q235-AF
5
GBT5783
螺栓
见尺寸表
8.8级
6
GBT6170
螺母
见尺寸表
8级
7
把手
2
Q235-AF
表9尺寸表
本设计中选用的是公称直径DN为450mm的人孔，需要设计两个人孔。
3.8法兰的选择
由于本设计中对压力要求不高，所以可以选用甲型平焊法兰。
选择公称直径为650mm、200mm、110mm的法兰，其中650mm是进气口的法兰；200mm的选两个，分别是塔顶和塔底的法兰；110是排液口的法兰。
4设计一览表
吸收塔类型：
聚丙烯阶梯环吸收填料塔
混合气处理量：
39000m3h
名称
工艺参数
物料名称
清水
混合气体
操作压力，kPa
101.3
101.3
操作温度，℃
20
20
流体密度，kgm3
998.2
1.183
黏度，kg（m*h）
3.6
0.065
表面张力，kgh
940896
427680（聚乙烯）
流量，kgh
44283.25
46137
流速，ms
1.48
33.69
接管尺寸（直径）
108
660
塔径，mm
2200
填料层高度，mm
7000
压降，KPa
5.242
操作液气比
0.959
分布点数
160
5对本设计的评述
经过三四周的努力，水吸收氨填料塔课程设计基本完成，在不断地计算不断地修改以及不断地验算之后，终于见到了自己的成果。
在整个设计过程中，我们运用的很多以前学过的知识。
特别是上学期学的化工原理。
在上学期看来，化工原理这门课理论太强了，导致我们理解起来有些困难。
知识也只是粗略的懂一点，很多细节还是不明白。
通过这个学期的课程设计我又弄懂了很多当年没有深究的问题。
课程设计中我也遇到了很多问题，比如说一些公式到底怎么来的，不同的公式该用到什么地方都要深思熟虑，用错一点点会使最后的结果偏离地特别大。
有些都会大到超出了圆整的范围。
这使得我又不得不又一次从头开始检查，看哪个地方公式用错了，或是哪个地方数据代错了。
整个设计的过程绝大部分数据都是有书可查，有标准可参照的。
所以代数据这方面倒是没有遇上特别大的麻烦。
本次课程设计内容包括吸收剂的选择、填料的选择、填料塔的工艺尺寸的计算、填料层压降的计算等等。
目的主要是使我们对化学工艺原理有一定的感性和理性认识；对水吸收氨等方面的相关知识做进一步的理解；培养和锻炼我们的思维实践能力，使我们的理论知识与实践充分地结合，做到不仅具有专业知识，而且还具有较强的实践能力，能自主分析问题和解决问题。
在自主完成设计的过程中，我学会了很多，例如如何使用画工艺流程图的软件，如何运用一些比较好的软件以及资料使设计变得更加完美。
虽然设计的时候感觉很麻烦老是要去翻一些书，去网上找一些自己需要的资料，但是看到自己的成果还是相当开心的。
希望自己在以后的学习以及工作生活中也像做设计一样，不管遇到什么困难都要先思考，然后自己想办法解决，不要老想着依靠别人。
6参考文献
[1]王志魁,刘丽英.化工原理[M].第4版.化学工业出版社:
323
[2]王志魁,刘丽英.化工原理[M].第4版.化学工业出版社:
334
[3]汪镇安.化工工艺设计[M].第三版.化学工业出版社：
2-703
[4]贾绍义,柴诚敬.化工单元操作课程设计[M].天津大学出版社:
155
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