化工原理与化工设备课程设计文档格式.docx
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3.7.5气体进出口装置与排液装置（20
3.8吸收塔的流体力学参数的计算（21
3.8.1吸收塔的压力降（21
3.8.2吸收塔的泛点率（23
3.8.3气体动能因子（23
3.9附属设备的计算与选择（23
3.9.1离心泵的选择与计算（23
3.9.2进出管工艺尺寸的计算举例（24
工艺设计计算结果汇总与主要符号说明（25
化工机械设备部分（28
1设计条件（28
1.1塔体与裙座的机械设计条件如下:
（28
2按计算压力计算塔体与封头厚度（28
2.1塔体厚度计算:
2.2封头厚度计算（29
3塔设备的质量载荷计算（29
3.1筒体圆筒、封头和裙座质量01m（29
3.2塔内构件质量（29
3.3平台、扶梯质量
03m................................................................................................303.4操作时物料质量
04m................................................................................................303.5附件质量
am.............................................................................................................303.6充水质量wm（30
4风载荷与风弯矩计算（31
4.1风载荷计算（31
4.2风弯矩计算（32
5地震弯矩计算（33
6各种载荷引起的轴向应力（34
6.1计算压力引起的轴向拉应力
1σ.............................................................................346.2操作质量引起的轴向压应力
2δ..............................................................................346.3最大弯矩引起的轴向应力3σ（35
7塔体与裙座危险截面的强度与稳定校核（36
7.1塔体的最大组合轴向拉应力校核（36
7.2塔体与裙座的稳定校核（36
7.3各危险截面强度与稳定校核汇总（37
8水压试验时各种载荷引起的应力（39
8.1试验压力和液柱静压力引起的环向应力（39
8.1.1塔体水压试验（39
8.1.2试验压力引起的轴向应力（39
8.1.3最大质量引起的轴向应力（39
8.1.4弯矩引起的轴向应力（39
8.2水压试验时应力校核（39
8.2.1筒体环向应力校核（39
8.2.2最大组合轴向拉应力校核（40
8.2.3最大组合轴向压应力校核（40
9、基础环设计（40
9.1基础环尺寸（40
9.2基础环的应力校核（40
9.3基础环的厚度（41
10、地脚螺栓计算（42
10.1地脚螺栓承受的最大拉应力（42
10.2地脚螺栓的螺纹小径（42
11、开孔及补强（43
11.1.开孔设计（43
11.2.开孔补强（43
12、设计结果评价及总结（43
附录A主要符号说明（44
参考文献（44
化工原理与化工设备课程设计说明书
学生:
指导教师:
梅丽
班级:
2011级励志班专业:
应用化学
化工原理与化工设备课程设计任务书
专业应用化学班级2011级班设计人
课程设计任务书
1、设计题目:
水吸收丙酮过程填料吸收塔的设计;
试设计一座填料吸收塔,用于脱除混于空气中的丙酮气体。
生产能力:
在101.3kPa、25℃的操作条件下,丙酮含量为5%（摩尔分数的混合气以0.521m3/s的流量（1875.6m3/h进入吸收塔,要求塔内的吸收率达到98%。
（其他参数自行根据实际条件进行合理确定
2、工艺操作条件:
（1操作平均压力常压
（2操作温度t=25℃
（3填料类型及规格自选。
3、设计任务:
设计方案简介:
根据设计任务书所提供的条件和要求,通过对现有生产现场调查或对现有资料的分析对比,选定适宜的设备附件类型。
设备的工艺设计计算:
包括工艺参数的选定、物料衡算、塔设备的工艺尺寸计算及结构设计。
设备的机械设计计算:
包括强度设计和结构设计。
设备工艺条件图,包括设备的主要工艺尺寸、技术特性表和管口表。
设备结构装配详图,按化工设备装配图的要求绘制完成。
1吸收简介
1.1吸收技术概况
在化工生产中,经常要处理各种原料、中间产物、粗产品。
这些物料几乎都是混合物,而且大部分都是均相物系,往往不能满足生产要求,需
要把它们分离成较为纯净的物质。
为了实现这种分离,常利用均相物系中
不同组分的某种性质差异,使其中的一种组分（或几种组分,在分离设备
所提供的两相物系界面上,通过充分的接触,从一相转移到另一相,其它
组分仍保留在原物系中,从而实现了分离。
这种分离是物质在相际间的转
移过程,即物质传递过程,也是化工生产中的单元操作。
吸收就是这种以
物质分离为目的的单元操作。
吸收是用来分离气体混合物的,是利用混合气体中各组分在吸收剂中的溶解度的差异而实现分离的操作。
在吸收过程中,混合气体与合适的
液体吸收剂在吸收设备中充分接触,气体中易溶解的组分被溶解,不能溶
解的组分仍保留在气相中,这样混合气体就实现了分离。
吸收剂将混合气体中溶质组分吸收后所得到的溶液是混合溶液,在生产中常需要使溶质从吸收后的溶液中重新释放出来,实现最终分离,而
液相的吸收剂有可得以再生重新使用。
这种使溶质组分从溶液中脱出的
过程称为解吸,是吸收的逆过程,也是一种通过相际间传质而实现物质分
离的单元操作。
在化工生产中,吸收和解吸是常用的联合操作,共同构成
了一个完整的工艺流程。
1.2塔设备在化工生产中的作用和地位
塔设备是化学工业、石油工业、石油化工等生产中最重要的设备之一。
在塔设备中能进行的单元操作有:
精馏、吸收、解吸、气体的增浓
及冷却等。
吸收设备有多种形式,但以塔式最为常见。
按气、液两相接触方式的不同可将吸收设备分为级式接触和微分接触两大类。
在级式接触设备中,气体与液体逐级逆流接触。
气体自下而上通过板上小孔,在
每一板上与溶剂接触,其中可溶组分被部分的溶解。
气体每上升一块塔
板,其可溶组分的浓度阶越式的降低;
溶剂逐板下降,其可溶组分的浓
度则阶越式的升高。
但是,在级式接触过程中所进行的吸收过程仍可不
随时间而变,为定态连续过程。
在微分接触设备中,液体自塔顶均匀流下,气体通过填料间的空隙上升与液体做连续接触,气体中的可溶组分不断的被吸收,其浓度自下
而上连续的降低;
液体则相反,其中可溶组分的浓度则有上而下连续的
增高。
化工生产中吸收主要用于回收或捕获气体混合物中的有用物质,以制取产品;
还用于出去工艺气体中的有害成分,使气体净化,以便进一
步加工处理;
或除去工业放空尾气中的有害物,以免污染空气。
实际过程往往同时兼有净化和回收的双重目的。
2设计方案简介
吸收过程的设计方案主要包括吸收剂的选择、吸收流程的选择、解吸方法选择、设备类型选择、操作参数的选择等内容.
2.1吸收剂的选择
在填料吸收塔的设计中,选择合适的吸收剂,对物系的有效分离、流程的确定、溶剂的用量或循环量、设备的尺寸大小等都有至关重要的影响,也直接决定了分离操作的经济效益。
对吸收剂的选择,一般遵循以下原则:
（一对溶质的溶解度大
选用溶解度大的溶剂,可大大降低溶剂用量,溶剂的循环量和再生处理量都随之减小,这意味着日常操作费用的降低。
在吸收剂同样用量的情况下,完成一定的分离任务,选用溶解度大的溶剂,则可减小吸收设备的尺寸,从而降低设备费用。
（二对溶质有较高的吸收选择性
对溶质有较高的选择性,即吸收剂应对溶质有较大的溶解度,而对其他组分则溶解度要小,这样不但可以减小惰性气体组分的损失,还可以提高解吸后溶质气体的纯度.
（三不易挥发
吸收剂在操作条件下应具有较低的蒸气压,避免吸收过程中吸收剂的损失,提高吸收过程的经济性.
（四再生性能好
由于在吸收剂再生过程中,一般要对其进行升温或气提等处理,能量消耗较大,因而,吸收剂再生性能的好坏,对吸收过程能耗的影响极大,选用具有良好再生性能的吸收剂,往往能有效地降低过程的能量消耗.
以上四个方面是选择吸收剂时应考虑的主要问题,其次,还应注意所选择的吸收剂应具有良好的物理、化学性能和经济性.其良好的物理性能主要指吸收剂的粘要小,不易发泡,以保证吸收剂具有良好的流动性能和分布性能.良好的化学性能主要指其具有良好的化学稳定性和热稳定性,以防止在使用中发生变质,同时要求吸收剂尽可能无毒、无易燃易爆性,对相关设备无腐蚀性（或较小的腐蚀性.吸收剂的经济性主要指应尽可能选用廉价易得的溶剂.
综上所述,选择水作为吸收剂吸收丙酮.
2.2吸收工艺流程的确定
2.2.1吸收工艺流程
工业上使用的吸收流程多种多样,可以从不同角度进行分类,从所选用的吸收剂的种类看,有仅用一种吸收剂的一步吸收流程和使用两种吸收剂的两步吸收流程,从所用的塔设备数量看,可分为单塔吸收流程和多塔吸收流程,从塔内气液两相的流向可分为逆流吸收流程、并流吸收流程等基本流程,此外,还有用于特定条件下的部分溶剂循环流程。
（一一步吸收流程和两步吸收流程
一步流程一般用于混合气体溶质浓度较低,同时过程的分离要求不高,选用一种吸收剂即可完成任务的情况。
若混合气体中溶质浓度较高且吸收要求也高,难以用一步吸收达到规定的吸收要求,但过程的操作费用较高,从经济性的角度分析不够适宜时,可以考虑采用两步吸收流程。
（二单塔吸收流程和多塔吸收流程
单塔吸收流程是吸收过程中最常用的流程,如过程无特别需要,则一般采用单塔吸收流程。
若过程的分离要求较高,使用单塔操作时,所需要的塔体过高,或采用两步吸收流程时,则需要采用多塔流程（通常是双塔吸收流程
（三逆流吸收与并流吸收
吸收塔或再生塔内气液相可以逆流操作也可以并流操作,由于逆流操作具有传质推动力大,分离效率高（具有多个理论级的分离能力的显著优点而广泛应用。
工程上,如无特别需要,一般均采用逆流吸收流程。
（四部分溶剂循环吸收流程
由于填料塔的分离效率受填料层上的液体喷淋量影响较大,当液相喷淋量过小时,将降低填料塔的分离效率,因此当塔的液相负荷过小而难以充分润湿填料表面时,可以采用部分溶剂循环吸收流程,以提高液相喷淋量,改善踏的操作条件。
综上所述,采用单塔逆流吸收能满足分离要求.
2.2.2吸收工艺流程图及工艺过程说明
图1吸收与解吸流程
2.3吸收塔设备及填料的选择
2.3.1吸收塔的设备选择
按气液两相接触的方式不同可将吸收设备分为级式接触设备与微分接触设备两大类。
板式吸收塔是典型的级式接触设备,气体与液体逐级逆流接触。
气体自下而上通过板上小孔逐板上升,在每一板上与溶剂接触,其中可溶组分被部分地溶解。
在此类设备中,气体每上升一块板,其可溶组分的浓度阶越式地降低;
溶剂逐板下降,其可溶组分的浓度阶越式地升高。
但是,在级式接触过程中所进行的吸收过程仍可不随时间而变,为定态连续过程。
填料吸收塔是常用的微分接触设备。
液体呈膜状沿壁流下,此为壁塔或降膜塔。
更常见的是在塔内充以诸如瓷环之类的填料,液体自塔顶均匀淋下并沿填料表面下流,气体通过填料间的空隙上升与液体做连续的逆流接触。
在这类设备中,气体中的可溶组分不断地被吸收,其浓度自下而上连续地降低;
液体则相反,其可溶组分的浓度则由上而下连续地增高。
对于吸收过程,能够完成其分离任务的塔设备有多种,如何从众多的塔设备中选出合适的类型是进行工艺设计的首要工作.而进行这一项工作则需对吸收过程进行充分的研究后,并经多方案对比方能得到较满意的结果.一般而言,吸收用塔设备与精馏过程所需要的塔设备具有相同的原则要求,即用较小直径的塔设备
完成规定的处理量,塔板或填料层阻力要小,具有良好的传质性能,具有合适的操作弹性,结构简单,造价低,易于制造、安装、操作和维修等.
但作为吸收过程,一般具有操作液气比较大大的特点,因而更适用于填料塔.此外,填料塔阻力小,效率高,有利于过程节能,所以对于吸收过程来说,以采用填料塔居多.但在液体流率很低难以充分润湿填料,或塔径过大,使用填料塔不经济的情况下,以采用板式塔为宜.
2.3.2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,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.
2.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。
3.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。
38聚丙烯塑料阶梯环填料,有关特综合考虑以上各个因素,本设计中选用D
N
性数据如下表:
3吸收塔的工艺计算
3.1基础物性数据3.1.1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,25℃时水的有关物性数据如下:
密度为08.997=Lρkg/m3
粘度为8937.0=LμmP=3.217kg/（m·
h表面张力为255.45/718632/Ldyncmkgh==ζ查手册得25时丙酮在水中的扩散系数为:
52621.65105.9410/LDmsmh--=⨯=⨯
3.1.2气相物性数据
混合气体的平均摩尔质量为
kmolMyMiiVm/45.302995.05805.0=⨯+⨯==∑
混合气体的平均密度为
3/245.1298
314.845
.303.101mkgRTPMVmVm=⨯⨯==
ρ混合气体的粘度可近似取为空气的粘度,查手册得25时空气的黏度为:
18.350.06606/（vpaskgmh=⋅=⋅μμ
由手册查得,1atm0时丙酮在空气中的扩散系数为:
420.10910/Dms-=⨯
则25时丙酮在空气中的扩散系数为:
41.812273.1525101.3
0.10910（
（0.04608/273.1515101.3
vDms-+=⨯⨯⨯=+
3.1.3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]
211.5EkPa=
相平衡常数为
211.53
2.088101.3
EmP===
溶解度系数:
LSHEMρ==3997.080.262/（.211.518.02kmolkPam=⨯
3.2物料衡算
回收率
98.005
.005.0%1002
121=-=⨯-yyyy所以001.02=y
回流比取1.5倍最小回流比
1212min121
（1.6（1.61.61.62.0880.983.217eyymyyLL
GGxxy--====⨯⨯=-气体处理量hkghmG/122.2335/6.18753==可得出吸收剂用量为7582.141/Lkgh=全塔物料衡算:
1212（（GyyLxx-=-可得10.01509x=
3.3填料塔的工艺尺寸的计算3.3.1塔径的计算
填料塔直径的计算采用式子D=
计算计算塔径关键是确定空塔气速,采用泛点气速法确定空塔气速.泛点气速是填料塔操作气速的上限,填料塔的操作空塔气速必须小于泛点气速才能稳定操作.泛点气速（/fums的计算可以采用EcKert通用关联图查图计算,但结果不准确,且不能用于计算机连续计算,因此可采用贝恩-霍根公式计算:
210.20.2583lg[（（]（（f
tGGLLLGL
uaWAKgWρρμερρ=-式中29.81/gm
s=23132.5/tamm=
3
/2450.191
.0m
kgG==ρε
997.0
8/Lkgmρ=0.2041.75
0.893
7.7582.141/
2335.122/
LLGAKmpasWkghWkghμ=====代入以上数据解得泛点气速2.9369/fums=取0.61.7621/fuums==则塔径
0.6134Dm=
==圆整后取0.65650Dmmm==
3.3.2泛点率校核
2
1875.6/3600
1.571/3.140.654ums=
=⨯
1.571100%53.5%
2.9369
fufu=
=⨯=f在50%-80%之间,所以符合要求.
3.3.3填料规格校核有
65017.1838
Dd==>
即符合要求.3.3.4液体喷淋密度校核
对于直径不超过75mm的散装填料塔,取最小润湿速率为:
（（hmmLw⋅=/08.03min
本设计中填料塔的喷淋密度为:
32
22
7582.14122.93/（.0.785997.080.7850.65
nLUmmhD===⨯⨯最小喷淋密度:
32minmin（0.08132.510.6/（wtULammh=⋅=⨯=⋅
minUU>
说明填料能获得良好的润湿效果.
经以上校核可知,填料塔直径选用D=600mm能较好地满足设计要求。
3.4填料塔填料高度计算3.4.1传质单元高度计算
传质过程的影响因素十分复杂,对于不同的物系、不同的填料及不同的流动状况与操作条件,传质单元高度迄今为止尚无通用的计算方法和计算公式.目前,在进行设计时多选用一些准数关联式或经验公式进行计算,其中应用较普遍的是修正的恩田（Onde公式:
⎪⎭
⎪⎬⎫⎪⎩
⎪
⎨⎧⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛⎪⎪⎭
⎫⎝⎛⎪⎪⎭
⎝⎛--=-2
.0205
.0221
.075
.045.1exp1tLLLLtLLtLLCtwaUgaUaUaaσρρμσσ查]
1[
13-5得
240518400cdyncmhkgσ==液体质量通量为
7582.14122858.43/（.0.7850.65
LUkgmh==⨯0.050.750.12280.22
51840022858.4322858.43132.51.45934934.4132.53.21732997.081.27101exp0.491822858.43997.08934934.4132.5Wt
aa-⎧⎫⎛⎫⨯⎛⎫⎛⎫
-⎪⎪⎪
⎪⎪⨯⨯⨯⎝⎭⎝⎭⎪⎪
⎝⎭=-=⎨⎬⎛⎫⎪⎪⎪⎪⎪
⨯⨯⎝⎭⎩⎭
230.491865.19/Wtaamm==
气膜吸收系数有下式计算:
气体质量通量为:
1875.61.24507039.86/（.0.7850.65
VUkgmh⨯==⨯10.7
1
0.7
2117039.860.06606132.50.046080.237132.50.066061.24500.046088.3142980.06617（...
VVtVGtVVVuaDkcaDRTkmolmhkpaμμρ---⎛⎫⎛⎫⎛⎫=⎪
⎪⎪⎝⎭⎝⎭
⎝⎭
⨯⎛⎫⎛⎫⎛⎫
=⨯⨯⨯⎪⎪⎪⨯⨯⨯⎝⎭⎝⎭⎝⎭
=
液膜吸收系数由下式计算:
21
0.5
20.5
8
60.00957039.863.2173.2171.27100.009565.193.217997.084.39210997.080.5703（/
LLLLWLLLLUgkaDmhμμμρρ---⎛⎫⎛⎫
⎛⎫=⎪⎪
⎪⎝⎭
⎝⎭⎛⎫
⨯⨯⎛⎫⎛⎫
=⨯⨯⨯⎪
⎪⎪
⨯⨯⨯⎝⎭⎝⎭
=由
1.1ψ=wGGakak,查[1]14-5得
46.1=ψ
则
1.11.130.0661765.191.466.541/（..GGwkakakmolmhkpa=ψ=⨯⨯=
0.40.40.570365.191.4643.254/LLwk
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