课程设计填料塔.doc

概述 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。 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0.60.7m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。 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。水吸收丙酮填料塔设计一 设计任务和操作条件 混合气（空气、丙酮蒸气）处理量1500m³h; 进塔混合气含丙酮体积分数1.82%；相对湿度70%；温度35； 进塔吸收剂（清水）的温度为27.7； 丙酮回收率95%； 操作压力为常压。二 设计方案的确定 （1）吸收工艺流程采用常规逆流操作流程流程如下： 流程说明:混合气体进入吸收塔，与水逆流接触后，得到净化气排放；吸收丙酮后的水，经取样计算其组分的量，若其值符合国家废水排放标准，则直接排入地沟，若不符合，待处理之后再排入地沟。三 物料计算 （1）进塔混合气中各组分的量近似取塔平均操作压力为101.3kPa,故：混合气量=1500×=66.96kmolh混合气中丙酮量=66.96×0.0182=1.08kmolh=1.22=70.76h查附录，35饱和水蒸气为5623.4Pa，则相对湿度为70%的混合气中含水蒸气量= =0.0404kmol（水气）kmol（空气+丙酮）混合气中水蒸气的含量= =2.6kmolh=2.6×18=46.8h混合气中空气量=66.96-1.22-2.6=63.14kmolh=63.14×29=1831.06h （2）混合气进出塔（物质的量）组成已知：，则 （3）混合气进出塔（物质的量比）组成若将空气与水蒸气视为惰气，则 惰气量n=63.14+2.6=65.74kmolh m=1831.06+46.8=1877.86h =0.0186kmol（丙酮）kmol（惰气） 0.000928kmol（丙酮）kmol（惰气） （4）出塔混合气量出塔混合气量n=65.74+1.22×0.05=65.801kmolhm=1877.86+70.76×0.05=1881.4h四 热量衡量 热量衡量为计算液相温度的变化以判断是否为等温吸收过程。假设丙酮溶于水放出的热量全被水吸收，且忽略气相温度变化及塔的散热损失（塔保温良好）。 查化工工艺算图第一册，常用物料物性数据，得丙酮的微分溶解热（丙酮蒸气冷凝热及对水的溶解热之和）： Hd均=30230+10467.5=40697.5KJKmol 吸收液平均比热容=75.366 KJ（Kmol.）,通过下式计算 = 对低组分气体吸收，吸收液组成很低时，依惰性组分及比摩尔浓度计算方便，故上式可写成 ： 即可在X=0.000之间，设系列X值，求出相应X组成下吸收液的温度，计算结果列于表（1）第1，2列中。由表中数据可见，液相X变化0.001时，温度升高0.54，依此求取平衡线。表（1） 各液相浓度下的吸收液温度及平衡数据X/E/kPam（=E/p）×0.00025.00211.52.0880.0000.00125.54217.62.1482.1480.00226.08223.92.2104.4200.00326.62230.12.2726.8160.00427.16236.92.3389.3520.00527.70243.72.40612.0250.00628.24250.62.47414.8440.00728.78257.72.54417.8080.00829.32264.962.61620.928 注：1.与气相称平衡的液相=0.0072,故取=0.008； 2.平衡关系符合亨利定律，与液相平衡的气相含量可用=mX表示； 3.吸收剂为清水，x=0，X=0; 4近似计算中也可视为等温吸收。五 气液平衡曲线 当x<0.01，t=1545时，丙酮溶于水其亨利系数E可用下式计算： =9.1712040（t+273） 查化学工艺算图第一册.常用物料特性数据，由前设X值求出液温，通过上式计算相应E值，且m=，分别将相应E值及相平衡常数m值列于表4-16中的第3，4列。由=mX求取对应m及X时的气相平衡组成，结果列于表中4-16中第5列。根据X-数据，绘制X-Y平衡曲线0E，如图1所示。六 吸收剂（水）的用量 由图1查出，当=0.0186，=0.0072,依下式式计算最小吸收剂用量。=161.36kmolh=1.12.0 取故 =1.5×161.36=242.04kmolh=4356.72h七 塔底吸收液根据式 有 八 操作线依操作线方程式 得 Y =X+0.000928=4.172X+0.000928九 塔径计算 塔底气液负荷大，依塔底条件(混合气35)，101.325kPa，查表可知，吸收液27.16计算。 u =（0.60.8） （1）采用Eckert通用关联图法(图2)计算泛点气速塔底混合气流量1831.06+70.76+46.81949kgh吸收液流量4356.72+1.22×0.95×58=4424kgh图2 通用压降关联图 进塔混合气密度×1.15kg (混合气浓度低，可近似视为空气的密度)吸收液密度997.6kg/吸收液黏度0.958mPa·s经计算，选DG50mm塑料鲍尔环。查化工原理教材附录可得，其填料因子=120，比表面积A106.4关联图的横坐标值 ()1/2=()1/2 =0.0771由图2查得纵坐标值为0.13 即0.2=0.2=0.0140=0.13故液泛气速=3.047m/s (2)操作气速 u0.50.5×3.0471.5235m/s (3)塔径 = 0.59 m=590mm取塔径为600mm。 (4)核算操作气速 U=1.474m/s< (5)核算径比 D/d600/5012，满足鲍尔环的径比要求。 (6)喷淋密度校核 依Morris等推专，d75mm约环形及其它填料的最小润湿速率(MWR)为0.08(m·h),故：最小喷淋密度0.08×106.48.512 /(m2·h)因 15.45/(.h)故满足最小喷淋密度要求。十 填料层高度计算 计算填料层高度，即：Z(1)传质单元高度计算=，其中=本设计采用（恩田式）计算填料润湿面积aw作为传质面积a，依改进的恩田式分别计算及，再合并为和。 列出备关联式中的物性数据气体性质(以塔底35，101.3kPa空气计)：1.15 kg/ (前已算出)；0.01885× (查附录)；109×（依翻Gilliland式估算)。液体性质(以塔底277水为准)：997.6 kg/；0.958×Pa·s；71522×Nm(查化工原理附录）；=1.1864× (以式计算)，式中为溶质在常压沸点下的摩尔体积，为溶剂的分子量，为溶剂的缔合因子。气体与液体的质量流速：=4.28=1.92塑料鲍尔环(乱堆)特性：50mm0.05m;A106.4;=40dy/cm=40×10-3 N/m;查化学工程手册，第12篇，气体吸收，有关形状系数，=1.45。依式 =-1.45（）0.75（）0.1（）-0.05（）0.2=0.379 故 =0.379×106.4=40.3256 依式=0.0095()2/3()-1/2()1/30.4=1.89×10-4依式= 5.23()0.7()13()() =2.26×10-3kmol/(m2·s·kPa)故 =1.89××40.3256=0.00762(L/s)=2.26×10-3×40.3256=0.000911kmol/(m2·s·kPa) (2)计算，而，H=。由于在操作范围内，随液相组成和温度的增加，m (E)亦变，故本设计分为两个液相区间，分别计算和 区间I X0.0050.003(为（）) 区间X0.0030 (为（）)由表1知236.9kPa , =0.234kmol/(·kPa)=220.78 kPa, =0.251kmol/(·kPa) (I) =(I)=6.029×10-46.171×10-4=6.109×10-2=6.252×10-2 (3)计算=10.58m= =10.34m （4）传质单元数组成X0.0050.0030.0030Y0.0217880.0134440.0134440.000928Y*0.01202570.00681270.00681270据下式计算 NOG=Y()=0.0029 （5）填料层高度Z计算 Z= =1.058×1.03+1.034×4.3=5.5m 取6m十一 填料层压降计算取图2(通用压降关联图)横坐标值0.07652(前已算出)；将操作气速(1.5235m/s) 代替纵坐标中的查表，DG50mm塑料鲍尔环的压降填料因子120代替纵坐标中的则纵标值为： ×()×(0.958)0.2=0.02197查图2得 P1=30mm水柱/m填料全塔填料层压降 =6×30=180mm/水柱=1765.6Pa至此，吸收塔的物科衡算、塔径、填料层高度及填料层压降均已算出。关于吸收塔的物料计算总表和塔设备计算总表此处从略。十二 填料吸收塔的附属设备 1、填料支承板分为两类：气液逆流通过平板型支承板，板上有筛孔或栅板式;气体喷射型，分为圆柱升气管式的气体喷射型支承板和梁式气体喷射型支承板。 2、填料压板和床层限制板在填料顶部设置压板和床层限制板。有栅条式和丝网式。 3、气体进出口装置和排液装置 填料塔的气体进口既要防止液体倒灌，更要有利于气体的均匀分布。对500mm直径以下的小塔，可使进气管伸到塔中心位置，管端切成45度向下斜口或切成向下切口，使气流折转向上。对1.5m以下直径的塔，管的末端可制 成下弯的锥形扩大器。气体出口既要保证气流畅通，又要尽量除去夹带的液  沫。最简单的装置是除沫挡板（折板），或填料式、丝网式除雾器。液体出口装置既要使塔底液体顺利排出，又能防止塔内与塔外气体串通，常压吸收塔可采用液封装置。注：(1)本设计任务液相负荷不大，可选用排管式液体分布器；且填料层不高，可不设液体再分布器。 (2)塔径及液体负荷不大，可采用较简单的栅板型支承板及压板。其它塔附件及气液出口装置计算与选择此处从略。十三 填料塔的设计结果概要项 目数 据备 注混合气摩尔流率kmol/h66.96清水密度kg/m3997.625清水摩尔流量kmol/h242.04清水质量流量kg/h4356.72泛点气速m/s3.047泛点率0.5塔径m0.6喷淋密度m3/m2h15.45全塔填料层压降Pa1765.6吸收剂出口浓度0.004相平衡常数2.56气相浓度对数平均值0.008096X（1）0.0050.003气相浓度对数平均值0.0029X（2）0.0030传质单元数1.03传质单元数4.3实际气速m/s1.5235气相传质单元高度m1.058X（1）气相传质单元高度m1.034X（2）填料层高度m6十四 主要符号说明E亨利系数， 气体的粘度，Pa/s 平衡常数 水的密度和液体的密度之比 重力加速度， 分别为气体和液体的密度， kg/分别为气体和液体的质量流量，气相总体积传质系数， kmol/·s填料层高度，m 塔截面积，m2气相总传质单元高度，m 气相总传质单元数以分压差表示推动力的总传质系数，kmol/(m2·s·kPa)单位体积填料的润湿面积 , 以分压差表示推动力的气膜传质系数，kmol/(m2·s·kPa)溶解度系数，kmol/(m2·kPa)以摩尔浓度差表示推动力的液摩尔传质系数，气体通过空塔截面的质量流速，kg/(m2·s)气体常数， 8.314J/mol·K 溶质在气相中的扩散系数， 十五 参考文献1 匡国柱，史启才编著. 化工单元过程及设备课程设计.化学工业出版社,20022 王明辉编著.化工单元过程课程设计. 化学工业出版社, 20073 时钧,汪国鼎,余国琮,陈敏恒编著.学工程手册. 化化学工业出版社, 19964 冷士良,陆清,宋志轩编著. 化工单元操作及设备. 化学工业出版社, 20075 王红林,陈砺,编著. 化工设计. 华南理工大学出版社, 20056 涂晋林,吴志泉编著. 化工工业中的吸收操作. 华南理工大学出版社, 19947 潘国昌, 郭庆丰编著. 化工设备设计. 清华大学出版社, 19968 蔡纪宁，张秋翔主编. 化工设备机械基础. 化学工业出版社, 2003结束语 时光飞逝，一转眼，课程设计已接近的尾声.说起课程设计，我认为最重要的就是做好设计的预习，认真的研究老师给的题目，其次，老师对题目的讲解要一丝不苟的去听去想，因为只有都明白了，做起设计就会事半功倍，如果没弄明白，就迷迷糊糊的去选题目做设计，到头来一点收获也没有。在这三周来，也暴露了自己很多问题，第一、不够细心比如由于粗心大意算错了数据，由于对课本理论的不熟悉导致一时手足无措。第二，是在学习态度上，这次课设是对我的学习态度的一次检验。我的第一大心得体会就是作为一名设计人员，要求具备的首要素质绝对应该是严谨。我们这次实习所遇到的多半问题多数都是由于我们不够严谨。第三，在做人上，我认识到，无论做什么事情，只要你足够坚强，有足够的毅力与决心，有足够的挑战困难的勇气，就没有什么办不到的。在这次难得的课程设计过程中我锻炼了自己的思考能力和动手能力。再次感谢老师的辅导以及同学的帮助，是他们让我有了一个更好的认识，无论是学习还是生活，生活是实在的，要踏实走路。课程设计时间虽然很短，但我学习了很多的东西，使我眼界打开，感受颇深。求塔总高：1） 塔顶封头H() =Di=×600=150mm2） 封头底到溢流器H()1.5m3） 填料层高6m4） 再分器1.5m5） 由填料层底部到进气管0.7mWL=0.00123m3W总=460=0.2956m3椭圆型封头体积V总V圆筒=V总-V封头=0.2956-0.0449=0.2507圆筒液面高h0=0.8867m裙座H=3mH总=0.150+6+1.5+1.5+0.7+0.3+0.8867+3+0.025=14.06m分液能力： d:孔径 n：孔数 d：取3-10mm n：7 ：孔流量系数 取0.60.8 h：分布器工作液头 m 液柱 ：分布器压降，Pa属多孔型分布器分块多梁式承板塔径D（mm）板外径D1（mm）分块数近似重量（N）600588210070068821408007882180床层限制板P=300Pa分布器：筛孔盘式分布器塔径D（mm）分布盘直径 mm周环高度 mm液体负荷的适用范围6005201750.5-26.07006101750.6-30.08007001750.7-35.0再分布器：多孔盘式再分布器D（mm）分布盘外径D1（mm）600585700685800785丝网除沫器 上装式DN（mm）H（mm）H1（mm）D（mm）m，kg5001002105005.96001002106007.770010021862023.080010021872027.2质量校核：=6mm 壁厚附加量取2mm=-2=4mm（1） 圆筒质量塔体圆筒总高度：H0=14.06-3-0.175=10.885m公称直径为DN=700mm的圆筒的质量钢板质量为90kg/m 厚度为6mm圆筒质量m1=90×10.885=979.65kg钢 钢=7.85g/ 计算得=1123 kg（2）封头质量查DN=600mm 壁厚6mm 椭圆型封头质量为21kg=2×21=42kg（3）裙座质量 s=269.01kg（4）塔内构件质量(限制板，分布器，在分布器，支承装置，除沫装置)再分布器：32.5kg分布器：30.5kg限制板300Pa 15.36kg 限制板15.36×2=30.72kg除沫器 27.2kg分块的梁式支撑板塔径板外径分块数重量6005882100/9.81=10.19鲍尔环： 堆积=67.7kg/m3/4D2×6×67.7=114.85kgmo2=32.5+30.5+27.2+10.19+114.85=215.4kg塔人孔，法兰管：ma=0.25=0.25×127.86=319kg（5）平台，扶梯质量=/4(0.612+20.9)0.2-0.6122=1161.26kg平台单位质量，150kg/ ：扶梯高度，1000mm B：平台宽度：笼式扶梯单位质量，40kg/m n：平台数量，2 ：保温层厚度，mm（6）操作时的物料质量=1986.3kg封头容积： =0.0449 塔釜深度： =0.88857m =997.6 （7）充水质量=3157.8操作质量： = 1290.66+215.24+0+1161.26+1986.3+319.2+0=4972.66kg全塔最小质量： =1290.66+0.2×215.4+0+1161.26+319.2+0=2814.168kg全塔最大质量： =1290.66+215.24+0+1161.26+319.2+0+3157.8=6144.16kg四 塔的自振周期计算五 地震载荷计算查表得：（设计地震烈度为8度）查表得： （2类场地土，近震）地震影响系数：结构综合影响系数：H/ =14060/600=23.433>15 必须考虑高振型影响确定危险截面，0-0截面为裙座底截面，1-1截面为裙座人孔处截面，2-2截面为裙座与塔底焊缝处截面计算危险截面的地震弯矩0-0截面1-1截面2-2截面普通无缝钢管：GB/T 8163-99系列1 系列3外径壁厚/mm外径壁厚/mm100.253.5140.254.013.50.254.0180.255.0170.255.0220.4.07.0210.406.025.40.407.0270.407.0300.408.0340.408.0350.409.0421.010451.012481.012541.014601.016进液：取流速u1=1.5m/s D1=32.089mm Di取34mm,壁厚取0.6mm.进气：u2取15m/s D2=188.06mm Di=194mm,壁厚=8mm出液管：L出=4356.72kg/h=1.21×10-3m3/s u=1.5m/s Di=32.1mm 壁厚取0.4mm Di取34mm Ls=4356.72kg/s=0.072816m3/min 4分钟内V=4 Ls=0.29126 m3 Di=0.6m H=886.7mm水压试验：（1）试验水压和液柱静压力引起的环向应力液柱静压力=rH=1000*14.06=0.1406MPa（2）试验压力引起的轴向拉应力（3）最大质量引起的轴向压应力（4）弯矩引起的轴向应力（水压试验时应力校核）（5）筒体环向应力校核0.9= 满足要求(6)最大组合轴向压应力校核 (查化基书图160 MnR 30) 得B=147.5MPat=170 K=1.2=minKB,K t=min177,204=177MPa 取二者中值较大者所以=177MPa所以< 满足要求风载荷基本风压q0=350N/m2(1) 风振系数 塔段号12345计算截面距地面高度/m0.9351014.06脉动影响系数 (B类)0.720.720.720.720.79振型系数0.020.060.230.591.00风压高度变化系数(B类)1.001.001.001.001.14Kzi=1+1.0301.0891.3421.8982.433H1t/H=0.9/14.06=0.0640.1 Z1=0.02H2t/H=3/14.06=0.2130.2 Z2=0.06H3t/H=5/14.06=0.3560.4 Z3=0.23H4t/H=10/14.06=0.7110.7 Z4=0.59H5t/H=1 Z5=1T1=0.8079sq 0T12=350×0.80792=228.45KZ1=1+2.068KZ2=1+2.068×0.72×0.06/1.00=1.089KZ3=1+2.068×0.72×0.23/1.00=1.342KZ4=1+2.068×0.72×0.59/1.00=1.898KZ5=1+2.068×0.79×1/1.14=2.433(2)有效直径 设笼式扶梯与塔顶管线成90° 取平台构件的投影面积则取下式计算值中较大者=612+ 1234590021002000500040600050000k3400塔段123450.71.7(N/)3501.001.001.001.001.149002100200050004060/mm10121012151210121012/N379.3482885.1461259.4962107.491950.86Pi=K1Kziq0filiDei×10-6De1=1012 P1=0.7×1.7×350×1×900×1012×10-6=379.3482NDe2=1012 P1=0.7×1.7×350×1×2100×1012×10-6=885.146NDe3=1012 P1=0.7×1.7×350×1×2000×1012×10-6=1259.496NDe4=1012 P1=0.7×1.7×350×1×5000×1012×10-6=2107.49NDe1=1012 P1=0.7×1.7×350×1.14×4060×1012×10-6=1950.86N塔设备作为悬臂梁,在风载荷作用下发生弯曲变形,任意计算截面I-I处的风弯矩为:()0-0截面=379.348×900/2+885.146×(900+2100/2)+1259.496×(900+2100+2000/2)+2107.49×(900+2100+2000+5000/2)+1950.86×(900+2100+2000+5000+4060/2)=43209746.1N.mm1-1截面=40456346.7 N.mm2-2截面=28359466.8 N.mm3-3截面=18983270.8 N.mm4-4截面 N.mm基础环设计1. 基础环尺寸取=+300=600+300=900mm=-300=600-300=300mm2.基础环的应力校核 取二者中较大者（1）（2）取0.7616MPa选用75号混凝土 其许用应力Ra=3.5MPa<Ra=3.5MPa 满足要求2. 基础环厚度按有筋板时计算基础环厚度设地脚螺栓直径为 l=120mm则 b/l=1.2167螺栓根d1=20.752mm查表9-29（439页）近似b/l=1.22Mx=-1373.42N.mmMy=1228.31 N.mm取二者绝对值较大者 即（取Mx，My中绝对值较大的）基础环厚度 取=10mm3,.地脚螺栓计算（1）地脚螺栓承受的最大拉应力 取其中较大值取二者中较大者 所以=（2）地脚螺栓直径因为>0，故此塔设备必须安装地脚螺栓D=3.14×600=1884mmn=1884/120=15.7取地脚螺栓个数 n=16 地脚螺栓材料的许用应力=147MPa查表9-30 （439页） 取地脚螺栓为故选用16个的地脚螺栓 满足要求各种在和引起的轴向应力1. 计算压力引起的轴向拉应力2. 操作质量引起的轴向应力0-0截面1-1截面其中式中：裙座人孔处截面的截面积， ：裙座人孔截面处裙座壳的内直径，mm ：人孔或较大管线引出孔加强管的长度，mm : 人孔或较大管线引出孔加强管的厚度，mm2-2截面3. 最大弯矩引起的轴向应力（1）0-0截面=1.25CZmax=0.5 结构综合系数max=0.45（设计地震烈度为8级）1=（Tg/T1）×Zmax=（0.3/0.8079）0.9×0.45=0.1845=16/35CZm0gH=16/35×0.1845×0.5×4972.66×9.81×14060=2.8924××107=1.25=3.6155×107=+0.25+Me=3.6155×+0.25×4.6210×+0=（2）1-1截面=+Me=40.456346.7N。mm=2.6333×107=1.25=3.2916×107取最大值=4.3030×107Zsm为检查孔截面系数W=（3）2-2截面=+Me=2.8360×107=2.0336×107N.mm=1.25=2.5420×107Z=0.785×6002×4=1130400mm2取最大值=塔体和裙座危险截面的强度与稳定校核1. 截面2-2塔体的最大组合轴向拉应力发生在正常操作时2-2截面上其中 K=1.2 K=1.2*170*0.85=173.4MPa< K=173.4MPa 满足要求2. 塔体与裙座的稳定校核其中 查图得（16MnR，30） B=147.5MPa t=170MPa，K=1.2cr=minKB,K t=min177,204=177MPa 满足要求3. 截面1-1 塔体1-1截面上的最大组合轴向应力cr=minKB,K t=min177,204=177MPaA=0.00125 B=147.5MPa t=170MPa，K=1.2<cr177MPa截面0-0满足要求各种危险截面强度和稳定校核汇总项目计算危险截面0-01-12-2塔体与裙座有效壁厚/mm444截面以上的操作质量/kg4972.664891.664702.66计算截面面积/753691647536计算截面的抗弯截面系数1130400301771.3541130400最大弯矩/4.7708×107403030×107302510×107最大允许轴向拉应力/MPa173.4计算压力引起的轴向压应力KB177204操作质量引起的轴向压应力6.47325.23656.1217最大弯矩引起的轴向应力42.20147.826534.8813最大弯矩引起的轴向拉应力-26.7629最大弯矩引起的轴向压应力4836732147.826534.8813强度与稳定校核强度-<K t满足要求稳定性< cr=minKB，K t<cr= minKB，K t<c= minKB，K tr