水吸收丙酮填料塔设计(化工课程设计).docx

化工设计任务书（一）设计题目：水吸收丙酮填料塔设计（二）设计任务及操作条件1）气体处理量2200Nm3/h2）进塔气体含丙酮1.82%（Vol）,相对湿度70%,湿度35。C3）进塔吸收剂（清水）的温度25。C水洗4）丙酮吸收率95%5）操作压强：常压（三）设备内容1 .设计方案确实定及流程说明2 .填料塔的塔径、塔高及填料层压降的计算3 .填料塔附属结构的选型及设计4 .塔的机械强度校核5 .设计结果列表或设计一览表6 .填料塔的装配图7 .对设计结果的自我评价、总结与说明（四）设计主要参考书1柴诚敬等，化工原理课程设计，天津科学技术出版社2潘国昌等，化工设备设计，清华大学出版社3顾芳珍，化工设备设计根底，天津大学出版社，19974化工设备设计中心站，材料与零部件，上海科学技术出版社，19825化学工业部化工设计公司主编，化工工艺算图第一册常用物料物性数据，化学工业出版社，19826机械设计手册，化学工业出版社，19827茅晓东，典型化工设备机械设计指导，华东理工大学出版社，19958刁玉玮，化工设备机械根底，大连理工大学出版社9贺匡国，简明化工设备设计手册，化工出版社10GB150-89钢制压力容器（全国压力容器标准委员会）学苑出版社化原局部设计计算（一）设计方案确实定用水吸收丙酮属易溶气体的吸收过程为提高传质效率，选用逆流吸收过程。因用水作吸收剂，假设丙酮不作为产品，那么采用纯溶剂；假设丙酮作为产品，那么采用含一定丙酮的水溶液。现以纯溶剂为例进行设计。（二）填料的选择对于水吸收丙酮的过程，操作温度及操作压力较低，塑料可耐一般的酸碱腐蚀，所以工业上通常选用塑料散装填料。在塑料散装填料中，阶梯环填料气体通量大、流动阻力小、传质效率高，故此选用Ds38聚丙烯阶梯环填料。（三）根底物性数据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1查得，25时水的有关物性数据如下：密度为pL=991.OSkgZm3粘度为4=0.8937加Ps=3.2173依l（mh）外表张力为<jl=72.1Adyn/cm=934934.4依/h2查手册2丙酮在水中的扩散系数为：3OL式中2丙酮在水中的扩散系数，m2sT温度，K；溶液的黏度，PcisMh容积的摩尔质量，kg/Ianol：Ua溶质的摩尔体积，nr,/kmol%溶剂的缔合因子（水为2.26）2 .气相物性数据混合气体的平均摩尔质量为混合气体的平均密度为混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，由化工原理（上册）附录五查得30空气的粘度为查手册并计算得丙酮在空气中的扩散系数为Dv扩散系数，m2siP总压强，PaxT温度，K；Ma.MB分别为AB两种物质的摩尔质量，kg/kmol；u.11分别为A,B两物质的分子体积，nt,/kmol3 .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25C时丙酮在水中的亨利系数为4相平衡常数为溶解度系数：（四）物料衡算进塔气相摩尔比为出塔气相摩尔比为CpA丙酮的回收率（95%）进塔惰性气体流量为该吸收过程属低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式计算，即对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为由题意知，操作液气比为35进塔气体体积流量Vs=VO=2200×P To308.15273.15=2481.9 M3h（五）填料塔的工艺尺寸的计算1.塔径计算采用Eckert通用关联图计算泛点气速。气相质量流量为液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即Eckert通用关联图的横坐标为查通用关联图得查散装填料泛点填料因子平均值表得%=170mI由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2-5查得=1u=0.7F=0.7×2.909=2.037m/sO168g0fPv22.909m/6,八瓯4×2481.9/3600由D=J-=J=0.66muV3.14×2.037圆整塔径，取。=0.7Z泛点率校核：填料规格校核：液体喷淋密度校核：取最小润湿速率为查常用5散装填料的特性参数表得化原下册表35查得经以上校核可知，填料塔直径选用O=600%合理。2.填料层高度计算Y*=mx1=2.088×0.00689=0.0439丫；=nX2=0脱吸因数为气相总传质单元数为气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算：查常见材质的临界便面张力值表得6水外表张力为b=72.14dyn/cm=934934.4/h2比表面积：q=1325/(聚氯乙烯)水粘度为l=0.8937s=3.217依/(mh)液体质量通量为气膜吸收系数由下式计算：气体质量通量为液膜吸收系数由下式计算：=0.0095(-%(上一)%(区%4PLDLPl= 0.0095x(13429.860.4214x132.5x3.2173)%x3.21731997.08 × 5.94 × IO-6：3.2173×L27×10x X997.08=0.5373僧/人kGa=kGay查常见填料的形状系数表得“=1.45(开孔环)那么kca=kciawyu=0.08945×0.4214×132.5×1.45,=7.516kmol(m2hkPa)由kGa=1+9.5(-0.5)l4kGa,kLa=1+2.6(-0.5)22kLa得UF'Uf=1+2.6×(O.615-0.5广2勺=38.33%那么HOG= 0.472机96.43KaKraP.5.243×101.3×0.785×0.72YG由Z=HnrNnr=0.472×6.364=3.004，.C/CjCA-7设计取填料层高度为Z,=4776mZ7=5-8,11m6,h=8×700=5600mm,填料层高度400OWmh二5600mm,故不需分段。D(六)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查散装填料压降填料因子平均值表得纵坐标为查埃克特通用关联图得填料层压降为(七)液体分布器简要设计1、液体分布器的选型液体负荷A=15.84n较小，应选用排管式喷淋器2、分布点密度计算按ECkert建议值，D为700mm时，可取n=246点/n?7喷淋密度=246X(0.785X0.72)=70,得布液点数n=70,布液计算：由LS=""J2g/式中4)：小孔直径，mn：布液点个数，个“：孔流系数(雷诺数大于IO(X)的情况下，可取0.600.62)g：重力加速度，ms2h：液位高度，m取=0.60,AH=160wn那么因为液体负荷较小，所以可采用排管式喷淋器得布液点数n=70,喷淋密度=70/(0.785X0.72)=246点?查手册8塔直径主管直径排数（支管）排管外缘直径最大流量m3h7005046607支承板型号支承板外径支承板分块数支承板圈厚度支承板圈宽度梁型气体喷68021040射式支承板进气管：进出口气速按1215ns设计取14ms计算：查手册得：用一般中低压无缝钢管：0273x10液体进料管：流速按35计算化机局部一、设计条件塔体与裙座的机械设计条件如下：（1）塔体内径。j=700m,塔高取H=9000mm:圆筒：7425mm,裙座：1400mm（2）计算压力E=O.1013MR/,设计温度t=35°C（3）设置地区：根本风压值%=300%?，地震设防烈度为8度，场地土壤：II类，设计地震分组第二组，设计根本地震加速度为040g（4）塔内装有塑料聚氯乙烯阶梯环散堆填料4.0m,填料密度为57.5kgm3（5）在卸料口处和塔顶各加一个圆形平台。平台宽度：B=800mm,高度H=100Ommo（6）在裙座上开一个检查孔，在填料层下端、进气管上部开两个手孔，裙座高度取1400mm,圆筒形。（7）塔体与封头材料选用Q235-B,其=3MPa,x=235MPa,E=1.9×105MPa。（8）裙座材料选用Q235-B,b'=113M"（9）塔体与封头对接焊接，塔体焊接接头系数=085（10）塔体、封头与裙座壁厚附加量C=2mm.二、按计算压力计算塔体与封头厚度1、塔体厚度计算：考虑到壁厚附加量C=2mm,运输、安装等，经圆整。取相。2、封头厚度计算采用标准椭圆封头：考虑到壁厚附加量C=2mm,运输、安装等，经圆整取三、塔设备的质量载荷计算1、筒体圆筒、封头和裙座质量为说明：（1）塔体圆筒总高度HO=7.425m（2）查得DN=700mm,厚度8mm的圆筒质量为139kgm查得DN=700mm,厚度8mm的封头质量为37.7kg（封头曲面深度175mm,直边高度25mm）。（4）裙座高度140Omm,（厚度按8mm计）。2、塔内构件质量说明：支承装置近似按筛板塔盘质量计算为65kgm23、平台、扶梯质量m说明：由手册查得，平台质量：%,=150依/22,笼式扶梯质量：qF=40kgm,笼式扶梯总高%=9m,平台数量：n=2.4、操作时物料质量m04说明：为:圆筒部分釜液深度，封头容积匕.：0.055机3,持液系数为0.025、附件质量机“按经验取附件质量为九=0.25%n=335依6、充水质量mWrnw=?DjHoPw÷NFPW=0.785×（0.7）2×7.425×997.08+2×997.08X0.055=2957依7、各种质量载荷汇总（将全塔分成3段）塔段011-223合计塔段长度70070076009000手孔与平台数1O34填料层OO11%97.31351107.71340心169169%282814501461%55452507m'a24.333.8276.93355529022957149.6251.83410.63812各塔段最小质量149.6196.82868.43170全塔操作质量=wo÷z2+w4+w11=3812全塔最小质量min=m°÷°2/2+/Wa=3170水压试验时最大质量W,nax=zl+w02÷加。3+?，=6262四、风载荷与风弯矩计算In风载荷计算查表得，Kl=O.7,%=3OON112,6,=1.7(塔高H20m时，取=1.7)设笼式扶梯与塔顶管线布置成90°,取以下两式中的较大者：式中：式中：式中：(1)¾=716+2×0+400+421=1537,(2)=716+2×0+421+584+2×0=1721取两者中的较大值，故取(1)式中的。拇二1721所以A=0.7x1.7x300x1.00x7600x1721x1(64669N同理各段风载荷计算结果计算段Iinm%(Z-m平台数旦mmDeimm2NN/m217003000.71.71.000.700111627927003000.71.71.001.4001116279376003000.71.71.009.02421172146692、风弯矩计算截面00五、Mr)吟+*+?+&+4+9700(700 A(= 279×- + 279×700 + -l + 4669×l 700 + 700 +截面22地震弯矩计算7600)截面1= 2.4669 ×107TV取第一振型阻尼比（脉动增大系数）为。=0.02那么衰减指数9 +吃I= 0.9 +0.05 0.020.5 ÷5 X 0.02= 0.95塔的总高度H=9000mm全塔操作质量mo=3816.6kg重力加速度g=9.8ImZs2地震影响系数=72o.y-71（-57;,）10查手册得ntt=0.24（设防烈度8级，设计基本地震加速度0.4Og）查手册得7；=0.4计算截面距地面高度h：00截面：h=011截面：h=700mm22截面：h=l400mm地震弯矩计算截面00截面11截面22六、各种载荷引起的轴向应力1、计算压力引起的轴向拉应力?其中，e=n-C=8-2=6mm2、操作质量弓I起的轴向压应力当截面0一一0截面11式中”r=3812-149.6=3662.4依,Aw为手孔截面的截面积，按下式计算得：Ain=16185三2工（4”=万（0+用）4-24（3-2£）其中，B取300,L取100）截面22式中3、最大弯矩引起的轴向应力截面OO其中截面11其中截面22其中七、塔体与裙座危险截面的强度与稳定校核1、塔体的最大组合轴向拉应力校核截面22塔体的最大组合轴向拉应力发生在正常操作时的22截面上。其中满足要求。2、塔体与裙座的稳定校核截面2一一2塔体22截面上的最大组合轴向压应力满足要求。其中截面11塔体11截面上的最大组合轴向压应力满足要求。其中,A =陪吟 0.0016Rie 350/6查图得，4=137MPa,=113MPa（Q235-民常温）截面00塔体0一一0截面上的最大组合轴向压应力满足要求。其中各危险截面强度与稳定校核汇总工程计算危险截面001122塔体与裙座有效厚度e/mm666截面以上的操作质量喏7版38123662.43410.6计算截面面积A''/mm2131881618513188计算截面的抗弯截面系数23.07×IO529.6×IO523.08×IO5Z,/mm3最大弯矩2.4669×IO7!2.118×1071.7422×107最大允许轴向拉应力KMl115.3%最大允许轴向压应力/MPaKB164.4164.4164KM135.6135.6135.6计算J起的1应b1/力出力引轴向拉力4Pa0O2.95操作质量引起的轴向压应力i-i/MPa2.842.222.54最大弯矩引起的轴向压应力,/MPa10.967.137.69最大组合轴向拉应力FJMPa8.1最大组合轴向压应力丈JMPa13.239.3510.23强度与稳定性校核强度哈K满足要求稳定性典min-L=KB,K,-,-l=minKB,K司J2-2maxmin-必=KB,K明满足要求满足要求满足要求八、塔体水压试验水压试验时各种教荷引起的应力1、试验压力和液柱静压力引起的环向应力2 .试验压力引起的轴向应力3 .最大质量引起的轴向应力4 .弯矩引起的轴向应力九、水压试验时应力校核1、筒体环向应力校核满足要求。1、最大组合轴向拉应力校核满足要求。2、最大组合轴向压应力校核满足要求。九、根底环设计根底环尺寸2、根底环的应力校核8陷I Zb跑 03C° + %4 ' Zb其中Aft=(-Djb=0.785×(9002-5002)=4.396×105mm2Zb=-但出竺”) = 6.472,* WM32。32x900(l)%axmog 2.4669 ×107 3812 x 9.81Zh 6.472×107 4.396×105=0.47 MPa(2)b>max0.3 Mr)+ MaxgZbAb0.3 × 2.4669 × IO7 +0 6262×9.81716.472 XIO74.396 ×105=0.254MRZ取以上两者中的较大值z,max=OAlMPa,选用75号混凝土，其许用应力为Ra=3.5MPa,bmax=MlMPa<Ra=35MPa,满足要求。3、根底环的厚度根底环材料的许用应力为按有筋板时计算根底环厚度：11圆整后取a=16mm（基础环最小厚度为6M十、地脚螺栓计算1、地脚螺栓承受的最大拉应力(1) =3170×9.8l4.396 × IO5+%ng24669xWZbAb6.472×IO7F+O25<i + <b-砥g1.21X1 Cf + 0.25 X 2.4669 X1076.472 ×1073812x9.814.396 ×105= 0.197 MPo取较大值q=0.3IMPa2、地脚螺栓的螺纹小径>0,选取地脚螺栓个数n=16zch=147MPa,C=3n查得M24的螺栓的螺纹小径4=20.752mm,应选用16个M24的地脚螺栓完全满足要求。参考文献：1J.A迪安主编，兰氏化学手册M.北京：科学出版社，2003年2时钧，汪家鼎，陈敏恒等主编，化学工程手册第二版上卷M,北京：化学工业出版社，1996.1。3姚玉英.化工原理：上册，下册M.天津：天津科学技术出版社，2009年。4化学工业部化工设计公司主编，化工工艺算图第一册常用物料物性数据，化学工业出版社，1982o5张受谦.化工手册：上卷加.济南：山东科学技术出版社，1986年。6匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计M.北京：化学工业出版社，2008年。7贾绍仪，柴诚敬.化工原理课程设计M.天津：天津大学出版社，2002年。8路秀林，王者相编，塔设备M.北京：化学工业出版社，2004.19中国石化化工工艺设计手册（第三版）化学工业出版社2003.710董大勤，化工设备机械根底M北京：化学工业出版社。2009.111刁玉玮王立业喻健良M化工设备机械根底,大连理工出版社，1988.8