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1、 煤化工课程设计煤化工课程设计 ( 20142015 年度第 1 学期) 名 称： 煤化工课程设计 院 系： 环境学院 班 级： 应化 1001 学 号： 201105020208 学生姓名： 设计周数： 1 周 成 绩： 日期：2015 年 2 月 16 日 煤化工煤化工课程设计课程设计 3 任任 务务 书书 1、设计目的设计目的 通过对气态污染物净化系统的工艺设计，初步掌握气态污染物净化系统设计的基本方法。培养 学生利用所学理论知识，综合分析问题和解决实际问题的能力、绘图能力、以及正确使用设计手册 和相关资料的能力。 二、设计任务二、设计任务 试设计常压填料塔，采用逆流操作，以水为吸收剂，
2、吸收混合气中的丙酮。 三、设计资料三、设计资料 1）混合气（空气，丙酮蒸汽）处理量为 1500m3/h，温度为 35； 2）进塔混合气物性可近似看作空气物性，比如密度等； 3）进塔混合气含丙酮体积分数为 1.5 %，要求达到的丙酮回收率为 90%； 4）操作压力为常压，101.325 kPa。 5）进塔吸收剂为清水； 6）吸收操作为等温吸收，温度为 35。 7）气液平衡曲线：t=1545时，丙酮溶于水其亨利常数 E(kPa)可用下式计算：lgE=9.171- 2040/(t+273) 8）液气比倍数请自己选定。 9）气速 u=0.77uF范围。(填料在矩鞍环、阶梯环、拉西环和鲍尔环中自行选用)
3、 10）kG=1.79510-3kmol/(m2skPa)；kL=1.8110-4m/s。 四、设计内容和要求四、设计内容和要求 1）研究分析资料。 2）净化设备的计算，请计算出塔高、塔径、压降等，并校核。 3）编写设计计算书。设计计算书的内容应按要求编写，即包括与设计有关的阐述、说明及计算。 要求内容完整，叙述简明，层次清楚，计算过程详细、准确，书写工整，装订成册。设计计算书应 包括目录、前言、正文及参考文献等。 4）设计图纸。包括工艺流程图、塔器剖面结构图。应按比例绘制，标出设备、零部件等编号，并 附明细表，即按工程制图要求。图纸幅面、图线等应符合国家标准；图面布置均匀；符合制图规范 要求
4、。有能力的同学采用计算机 AUTOCAD 制图。 五、设计进度安排五、设计进度安排 下达任务书后，开始进行课程设计计算。 1 周内提交完成的课程设计说明书及图纸。 安排时间进行答辩。答辩时请携带纸张与笔答辩时请携带纸张与笔。 目录 前言前言.- 1 - 第一部分第一部分 丙酮填料塔的设计丙酮填料塔的设计.- 1 - 一设计任务.- 1 - 二设计资料.- 1 - 三设计流程的选择.- 2 - 四吸收塔填料的选择.- 2 - 五设计塔工艺的选择.- 4 - 5.1.1 液相物性数据.- 4 - 5.1.2 气相物性数据.- 4 - 5.1.3 气液相平衡数据.- 4 - 5.2 物料衡算.- 5
5、 - 5.3 填料塔的工艺尺寸的计算.- 6 - 5.3.1 塔径的计算.- 6 - 5.3.2 填料层高度计算.- 7 - 5.4 填料层压降的计算.- 9 - 第二部分第二部分 设计总结设计总结.- 9- 符号说明符号说明.- - 参考文献参考文献.- - 前言 在化工、炼油、医药、食品及环境保护等工业部门，塔设备是一种重要的单元操 作设备。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。它广泛用于蒸馏、吸收、萃取、等单元操作，随着石油、化工的迅速 发展，塔设备的合理造型设计将越来越受到关注和重视。塔设备有板式塔和填料塔两 种形式，下面我们就填料塔展开叙述。
6、填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 0.6 至 0.7m 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。 气体吸收过程是化工生产中常用的气体混合物的分离操作，其基本原理是利用气 体混合物中各组分在特定的液体吸收剂中的溶解度不同，实现各组分分离的单元操作。 板式塔和填料塔都可用于吸收过程，此次设计用填料塔作为吸收的主设备。 第一部分 丙酮填料塔的设计 一设计任务一设计任务 设计常压填料塔，
7、采用逆流操作，以水为吸收剂，吸收混合气中的丙酮。 二、设计资料二、设计资料 1）混合气（空气，丙酮蒸汽）处理量为 1500m3/h，温度为 35； 2）进塔混合气物性可近似看作空气物性，比如密度等； 3）进塔混合气含丙酮体积分数为 1.5 %，要求达到的丙酮回收率为 90%； 4）操作压力为常压，101.325 kPa。 5）进塔吸收剂为清水； 6）吸收操作为等温吸收，温度为 35。 7）气液平衡曲线：t=1545时，丙酮溶于水其亨利常数 E(kPa)可用下式计算： lgE=9.171-2040/(t+273) 8）液气比倍数请自己选定。 9）气速 u=（0.60.8）uF 范围。 10）kG
8、=1.79510-3kmol/(m2skPa)；kL=1.8110-4m/s。 三设计流程的选择 采用常规逆流操作流程，流程如下： 四吸收塔填料的选择 塑料填料的材质主要包括聚丙烯（PP） ，聚乙烯（PE）及聚氯乙稀（PVC）等，国 内一般多采用聚丙烯材质。塑料填料的耐腐蚀性能好，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 的条件下使用要慎重，可选用耐低温性能好的聚氯乙稀填 料。塑料填料具有质轻，价廉，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差，在某些
9、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。 聚丙烯阶梯环具有压降低，通量大，效率高，负荷弹性性大，抗污性好等特性。 广泛应用于合成氨厂脱碳、脱硫系统、原油分离常减压装置，各种分离装置，例如甲 醇分离，有机酸分离等吸收及脱吸塔。 表 4-1 聚丙烯阶梯环特性参数 散装填料的规格通常是指填料的公尺直径。工业塔常用的散装填料主要有、 16 N D 、等几种规格。同类填料，尺寸越小，分离效率越高；但 25 N D38 N D50 N D76 N D 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直径塔中，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。因此，对塔
10、径与填料尺寸 的比值要有一定的规定。 表 4-2 常用填料的塔径与填料公称直径比值 D/d 的推荐值 填料种类D/d 的推荐值 拉西环 鞍环 鲍尔环 阶梯环 环矩鞍 D/d2025 D/d15 D/d1015 D/d8 D/d8 同种类型的规整填料，其表面积越大，传质效率越高，但阻力增加，通量减小， 填料费用也明显增加。选用时应从分离要求，通量要求，场地条件，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。 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
11、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 4-3 填料尺寸与塔径的对应关系 塔径/mm填料尺寸/mm 规格 DHMM比表面积 m2/m3空隙率 m3/m3堆积个数 m-1堆积重量 ykg/m3填料因子 /3m-1 168.913700.85299136135.6602.5 2517.51.02280.908150065.2312.8 38191.2132.50.912720054.5175.8 50251.5114.20.9271200048143.1 76382.690
12、0.929342051.3112.3 D250 250D900 D900 2025 2538 5080 设计题目根据以上的设计原则和后面的计算得，采用塑料阶梯环38 的填料。 N D 五吸收塔的工艺计算五吸收塔的工艺计算 5.1.1 液相物性数据 对低浓度吸收过程，溶液的物性数据。由化工原理1查得 35时水的有关数 据如下： 密度： 3 kg/m 粘度： 0.72252.6/() L mpa skgm h 表面张力： 22 70.4/912384/ L g skg h 5.1.2 气相物性数据 混合气体的平均摩尔质量： 0.015 580.985 2929.435 / vmi My Mig m
13、ol 混合气体的平均密度： 3 101.325 29.435 1.165/ 8.314 308 vm vm PM kg m RT 5.1.3 气液相平衡数据 根据气液平衡曲线：t=1545时，丙酮溶于水其亨利常数 E(kPa)可用下式计算： lgE=9.171-2040/(t+273) 得常压下 35时，丙酮在水中的亨利系数为：352.877EKpa 相平衡常数： 352.877 =3.48 101.325 E m P 溶解度系数： 3 994 0.156/() 352.877 18.02 L s HkmolKpa m EM 5.2 物料衡算 如下图所示，全塔物料衡算是一个定态操作逆流式接触的
14、吸收塔，各个符号表示 的意义如下： V惰性气体流量，Kmol/h； L纯吸收剂流量，Kmol/h； Y1、Y2进出吸收塔气体的摩尔比； X1、X2进出塔液体中溶质质量的摩尔比 进塔气体摩尔比： 1 1 1 0.015 0.0152 11 0.015 y Y y 出塔气体摩尔比： 2 2 2 0.15% 0.0015 11 0.15% y Y y 进塔空气相流量： 1500273 (1 0.015)58.46/ 22.427335 Vkmol h 该吸收塔过程属最低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算，即： 12 min 1 2 () YYL Y V X m 对于纯溶剂吸收过程，进塔
15、液相组成： ； 0 2 X min 0.01520.0015 ()3.137 0.0152 0 3.48 L V 取操作液气比： min 1.6()1.6 3.1375.019 LL VV 58.46 5.019293.41/Lkmol h)()( 2121 XXLYYV 1 58.46(0.01520.0015) 0.0027 293.41 X 5.3 填料塔的工艺尺寸的计算 5.3.1 塔径的计算 采用埃克特通用关联图计算泛点气速： 气相质量流量： 1500 1.1651747.5/ V kg h 液相质量流量课近似按纯水的流量计算，即： 293.41 18.025287.248/ L k
16、g h 图 2 Eckert 关联图 埃克特通用关联图的横坐标： 0.50.5 5287.248 1.165 ()()()0.1036 1747.5994 VL VL 查化工原理课程设计3得： ； 2 0.2 0.14 VF L L u g 1 175.8m ； 0.20.2 0.140.14 9.81 994 2.667/ 175.8 1 1.165 0.7225 L F VL g um s 取 ；0.730.6 2.6671.6/ F uum s 由 ； 圆整塔径，取 ； 44 1500 3600 0.576 3.14 1.6 S V Dm u 0.6Dm 泛点率校核： ； 2 1500
17、3600 1.474/ 1 3.14 0.6 4 um s （在允许范围内） 1.474 100%55.26% 2.667 F u u 填料规格校核： ； 600 15.798 38 D d 喷淋密度的校核： 因填料尺寸小于 75mm， 取最小润湿速率：hmmLV/08 . 0 )( 3 min 查化工原理课程设计3得该填料的比表面积：； 23 132.5/ t amm ； 32 minmin ()0.08 132.510.6/ wt ULammh ； min2 2 2 / 18.70 0.785 LL D L UU D 经以上校核可知，填料塔在直径选用 D=600 mm 合理。 5.3.2
18、填料层高度计算 ； ； * 11 3.48 0.00270.0094YmX0 2 * 2 mXY 脱因系数为： ； 3.48 58.46 0.69 293.41 mV S L 气相总传质单元数为： ； * 12 * 22 110.01520 ln(1)ln(1 0.69)0.694.33 11 0.690.00150 OG YY NSS SYY 气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算： ，查化工原理课程设计 22 0.750.10.050.2 2 1 exp 1.45()()()() wcLtLL tLtLLLLt aUaUU aaga A 3得： ； 2 /427680/33hkgcmd
19、yn c 液体质量通量为：； 2 2 5287.248 18699.81/() 0.785 0.6 L Ukgmh 22 0.750.10.050.2 28 42768018699.8118699.81132.518699.81 1 exp 1.45()()()()0.432 912384132.5 2.69941.27 10994 912384 132.5 w t a a 由 查化工原理课程设计3得 ； 1.1 GGW k ak a1.45 则； 1.131.13 3600 1.795 100.432 132.5 1.45556.636/() GGw k ak akmolmh Kpa ； 0
20、.440.41 3600 1.81 100.432 132.5 1.4543.274 LLw k ak ah ；55.26%50% F u u 由 ；得： ak u u ak G F G 4 . 1 5 . 05 . 91ak u u ak L F L 2 . 2 5 . 06 . 21 ； 1.43 1 9.5(0.55260.5) 556.636642.276/() G kakmolmh Kpa ； 2.21 12.6(0.55260.5) 43.27443.447 L kah 则 ； 3 11 6.707/() 1111 642.2760.156 43.447 G GL k akmolm
21、h Kpa k aHk a 由 ； 2 58.46 0.304 6.707 101.325 0.785 0.6 OG YG VV Hm K aK aP 由 得 ；0.304 4.331.316 OGOG ZHNm 1.31.3 1.3161.711ZZm 设计填料层高度为 2m。 查化工原理课程设计3得：对于阶梯环填料 ，取； 158 D h mmh6 max 8 D h 8 6004800hmm 计算得填料层高度为 2000mm，故不需分段。 5.3.3 填料塔附属高度的计算 一个完整的吸收塔，除了填料高度外，还有其他附属高度，因此塔高的计算还包 括塔附属高度的计算。 塔填料层上部的高度：可
22、取。塔底空间高度取 0.3m。 1 h0.5m 塔的附属总高为： 。 312 0.50.30.8hhhm 所以塔的总高： 3 0.822.8hhzm 5.4 填料层压降的计算 采用埃克特通用关联图计算填料层压降： 横坐标： ，查化工原理课程设计3得：； 0.5 ()()0.1036 LL VV 1 116m 纵坐标： ； 22 0.20.2 1.6175.8 11.165 0.72250.05 9.8994 V L L u g 查化工原理课程设计3得： ；45 9.81441.45/P Zpa m 填料层压降为： 441.45 2882.9Ppa 第二部分 设计总结 这次设计总体来说还比较合理
23、，各项设计结果均符合设计要求，详见设计结果总 汇表及填料塔配图。由于该类型填料塔的一些物性参数均非化工手册中未能查到的确 切数据，是通过分析计算得到的，这给计算带来了一定的误差。 这次课程设计，自己收获颇多。课程设计可谓是理论联系实际的桥梁，是我们学 习化工设计基础的初步尝试。通过课程设计，使我们能综合运用本课程和前修课程的 基本知识，进行融会贯通的独立思考，在规定的时间内完成了指定的化工设计任务， 从而得到了化工程序设计的初步训练。通过课程设计，使我们更加深刻的了解了工程 设计的基本内容，掌握化工设计的程序和方法，培养了我们分析和解决工程实际问题 的能力。同时，通过课程设计，还可以使我们树立
24、正确的设计思想，培养实事求是， 严肃认真，高度负责的工作作风。 综上所述，这次课程设计对自己来说是一个提高的过程。在做课程设计的过程中， 几次频繁的去图书馆找寻资料，不仅让自己现在能够熟悉查阅文献资料，还丰富了自 己的课外知识。这个星期内，同学之间热烈讨论，各寝室间交流密切，极大增进了同 学之间的友谊，这可算上是此次课程设计的额外收获。对于化工单元操作，从开始的 陌生到现在的一知半解，有自己的努力，也有很多他人的帮助。 表 5-1 填料设计总表 表 5-2 吸收塔的吸收剂表 意义及符号结果 混合气体处理量 G 1500 3 /ms 气液相平衡常数 m3.48 进塔气相摩尔比 Y10.0152
25、出塔气相摩尔比 Y20.0015 进塔液相摩尔比 X10.0027 出塔液相摩尔比 X20 最小液气比 min (/)L V 3.137 混合气体平均试量M29.435 混合气体的密度 L 1.165 3 /Kg m 吸收剂用量 L293.41/kmol h 吸收剂粘度 L 0.7225mpa s 意义及符号结果 填料直径 P d 38mm 填料比表面积 t a 132.5m2/m3 散装填料干填料因子平均值175.8(1/m) 表 5-3 塔设备计算表 意义及符号结果 塔径 D0.6m 塔高 H2.8 m 填料层高Z2m 填料塔上部高度 h10.5m 填料塔下部高度 2 h 0.3 m 气相
26、总传质单元高度 OG H 0.304 m 气相总传质单元数 OG N 4.33 空塔气速 f u2.667m/s 泛点率 f55.26% 符号说明 英文字母英文字母 A填料层的有效传质比表面积（m/m） aw填料层的润滑比表面积 m/m A吸收因数;无因次 D填料直径，mm； df填料当量直径，mm D扩散系数，m/s；塔径; m; E亨利系数，KPa G重力加速度，9.81m/s2; H溶解度系数，kmol /(m.KPa) HG气相总传质单元高度，m HL液相传质单元高度，m HOG气相总传质单元高度，m HOL液相总传质单元高度，m kG气膜吸收系数, kmol /(m.s.KPa) k
27、L液膜吸收系数, kmol /(m.s.KPa) M相平衡常数无因次 NOG气相总传质系数，无因次 NOL液相总传质系数,无因次 P总压，KPa P分压，KPa R气体通用常数，kJ/(kmol.K) S解吸因子 T温度，0C U空塔速度，m/s uf液泛速度，m/s V惰性气体流量，kmol/s wv混合气体体积流量，m3/s 填料因子， m-1 下标下标 L液相的 G气相的 V混合气流量 kmol/s V混合气质量流量 X溶质组分在液相中的摩尔分率 无因次 X溶质组分在气相中的摩尔比 无因次 Y溶质组分在液相中的摩尔分率 无因次 YY溶质组分在气相中的摩尔比 无因次 Z填料层高度 m 希腊字母希腊字母 粘度 Pa.s 密度 kg/m3 表面张力 N/m M平均的，对数平均的 min m a x 最 大 的 最小的 2塔底 1塔顶 max最大的 参考文献：参考文献： 1.1.丙酮丙酮- -水相平衡常数水相平衡常数 汤金石主编.化工原理课程设计.北京：化学工业出版社，1990. 2.2.填料塔的设计填料塔的设计 赵毅 李守信主编，有害气体控制工程 北京;化学工业出版社，2001 3.3.填料塔附属设备的设计填料塔附属设备的设计 汤金石主编.化工原理课程设计.北京：化学工业出版社，1990 .4.化学工程手册化学工程手册