化工原理课程设计 苯和氯苯的精馏塔塔设计

大庆师范学院化工原理课程设计说明书设计题目 学生姓名 指导老师 学 院 专业班级 完成时间 目 录第一节前言51.1填料塔的主体结构与特点51.2填料塔的设计任务及步骤51.3填料塔设计条件及操作条件5第二节 填料塔主体设计方案的确定62.1装置流程的确定62.2 吸收剂的选择62.3填料的类型与选择62.3.1 填料种类的选择62.3.2 填料规格的选择62.3.3 填料材质的选择72.4 基础物性数据72.4.1 液相物性数据72.4.2 气相物性数据72.4.3 气液相平衡数据82.4.4 物料横算8第三节 填料塔工艺尺寸的计算93.1 塔径的计算93.2 填料层高度的计算及分段103.2.1 传质单元数的计算103.2.3 填料层的分段123.3 填料层压降的计算12第四节填料塔内件的类型及设计134.1 塔内件类型134.2 塔内件的设计134.2.1 液体分布器设计的基本要求：134.2.2 液体分布器布液能力的计算13注：141填料塔设计结果一览表142 填料塔设计数据一览143 参考文献154 后记及其他16附件一：塔设备流程图16附件二：塔设备设计图17大庆师范学院本科学生化工原理课程设计任务书设计题目 苯和氯苯的精馏塔塔设计 系（院）、专业、年级 化学化工学院、化学工程与工艺专业、08级化工四班 学 生 姓 名 学号 指导教师姓名 下发日期 任务起止日期： 2010 年日6 月 21 日 至 2010 年 7 月 20设计条件：1. 气体混合气成分： 空气和氨；2. 进塔混合气含氨量：6.0(体积分数)； 3. 混合气体流量：6000；4. 回收率：99。操作条件：1. 操作温度：293 K；2. 混合气体压力：101.3Pa；设计任务：完成填料吸收塔的工艺设计，填料的选择及有关附属设备的设计，绘制塔填料吸收塔工艺流程图、设备图，编写设计说明书。 任务下达人（签字）教研室主任：年 月 日任务接受人（签字）第一节 前言1.1 填料塔的主体结构与特点结构：图1-1 填料塔结构图填料塔不但结构简单，且流体通过填料层的压降较小，易于用耐腐蚀材料制造，所以她特别适用于处理量肖，有腐蚀性的物料及要求压降小的场合。液体自塔顶经液体分布器喷洒于填料顶部，并在填料的表面呈膜状流下，气体从塔底的气体口送入，流过填料的空隙，在填料层中与液体逆流接触进行传质。因气液两相组成沿塔高连续变化，所以填料塔属连续接触式的气液传质设备。1.2 填料塔的设计任务及步骤设计任务：用水吸收空气中混有的氨气。 设计步骤：（1）根据设计任务和工艺要求，确定设计方案;（2）针对物系及分离要求，选择适宜填料；（3）确定塔径、填料层高度等工艺尺寸（考虑喷淋密度）；（4）计算塔高、及填料层的压降；（5）塔内件设计。1.3 填料塔设计条件及操作条件1. 气体混合物成分：空气和氨2. 空气中氨的含量: 6.0% （体积含量即为摩尔含量）3. 混合气体流量6000m3/h4. 操作温度293K5. 混合气体压力101.3KPa6. 回收率99 %7. 采用清水为吸收剂8. 填料类型：采用聚丙烯鲍尔环填料第二节 精馏塔主体设计方案的确定2.1 装置流程的确定本次设计采用逆流操作：气相自塔低进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出，即逆流操作。逆流操作的特点是：传质平均推动力大，传质速率快，分离效率高，吸收剂利用率高。工业生产中多采用逆流操作。2.2 吸收剂的选择因为用水做吸收剂，故采用纯溶剂。2-1 工业常用吸收剂溶质 溶剂溶质溶剂氨水、硫酸丙酮蒸汽水氯化氢水二氧化碳水、碱液二氧化硫水硫化氢碱液、有机溶剂苯蒸汽煤油、洗油一氧化碳铜氨液2.3填料的类型与选择填料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。2.3.1 填料种类的选择本次采用散装填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。鲍尔环是目前应用较广的填料之一，本次选用鲍尔环。2.3.2 填料规格的选择工业塔常用的散装填料主要有Dn16Dn25Dn38 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，对塔径与填料尺寸的比值要有一规定。常用填料的塔径与填料公称直径比值D/d的推荐值列于。表3-1填料种类D/d的推荐值拉西环D/d2030鞍环D/d15鲍尔环D/d1015阶梯环D/d8环矩鞍D/d82.3.3 填料材质的选择工业上，填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类聚丙烯填料在低温（低于0度）时具有冷脆性，在低于0度的条件下使用要慎重，可选耐低温性能良好的聚氯乙烯填料。综合以上：选择塑料鲍尔环散装填料 Dn502.4 基础物性数据2.4.1 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 20 水的有关物性数据如下：1. 2. 3. 表面张力为:4. 5. 6. 2.4.2 气相物性数据1. 混合气体的平均摩尔质量为 (2-1)2. 混合气体的平均密度由 (2-2)R=8.314 3. 混合气体黏度可近似取为空气黏度。查手册得20时，空气的黏度注： 1 1Pa.s=1kg/m.s2.4.3 气液相平衡数据由手册查得，常压下，20时，NH在水中的亨利系数为 E=76.3kpa在水中的溶解度: H=0.725kmol/m相平衡常数： (2-3) 溶解度系数: (2-4) 2.4.4 物料横算1. 进塔气相摩尔比为 (2-5) 2. 出他气相摩尔比为 (2-6) 3. 进塔惰性气体流量: (2-7) 因为该吸收过程为低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比按下式计算。即： (2-8)因为是纯溶剂吸收过程，进塔液相组成所以 选择操作液气比为 （2-9）L=1.2676356234.599=297.3860441kmol/h因为V(Y1-Y2)=L(X1-X2) X1第三节 填料塔工艺尺寸的计算填料塔工艺尺寸的计算包括塔径的计算、填料能高度的计算及分段3.1 塔径的计算1. 空塔气速的确定泛点气速法对于散装填料，其泛点率的经验值u/u=0.50.85贝恩（Bain）霍根（Hougen）关联式 ，即：=A-K （3-1）即： 所以：/9.81（100/0.917）（1.1836/998.2）=0.246053756 UF=3.974574742m/s其中：泛点气速，m/s;g 重力加速度，9.81m/sWL=5358.89572/h WV=7056.6kg/hA=0.0942； K=1.75；取u=0.7 =2.78220m/s （3-2） 圆整塔径后 D=0.8m1. 泛点速率校核： m/s 则在允许范围内2. 根据填料规格校核：D/d=800/50=16根据表3-1符合3. 液体喷淋密度的校核：(1) 填料塔的液体喷淋密度是指单位时间、单位塔截面上液体的喷淋量。(2) 最小润湿速率是指在塔的截面上，单位长度的填料周边的最小液体体积流量。对于直径不超过75mm的散装填料，可取最小润湿速率。 （3-3） （3-4）经过以上校验，填料塔直径设计为D=800mm 合理。3.2 填料层高度的计算及分段 （3-5） （3-6） 3.2.1 传质单元数的计算用对数平均推动力法求传质单元数 （3-7） （3-8） = =0.0068953.2.2 质单元高度的计算气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算： （3-9）即：w/t =0.37404748液体质量通量为： =WL/0.7850.80.8=10666.5918kg/(h)气体质量通量为： =600001.1761/0.64=14045.78025kg/(h)气膜吸收系数由下式计算： （3-10） =0.237(14045.78025100.622810-5)0.7(0.062280.0811.1761)0.3(1000.0818.314293)=0.152159029kmol/(h kpa)液膜吸收数据由下式计算： (3-11）=0.566130072m/h因为0.152150.37401.451.1100 （3-12）=8.565021kmol/(m3 h kpa) =0.566131000.374041.450.4 （3-13） =24.56912/h因为： =0.8346所以需要用以下式进行校正： （3-14） =19.5(0.699990.5)1.4 8.56502=17.113580 kmol/(m3 h kpa) （3-15） =1 2.6 (0.69990.5)2.2 24.569123=26.42106/h （3-16） =1(117.1358+10.72526.4210) =9.038478 kmol/(m3 h kpa) （3-17） =234.5999.03847101.30.7850.64=0.491182 m （3-18）=0.4911829.160434=4.501360m,得 =1.44.501=6.30m3.2.3 填料层的分段对于鲍尔环散装填料的分段高度推荐值为h/D=510。h=580010800=48 m计算得填料层高度为7000mm，故不需分段3.3 填料层压降的计算取 Eckert (通用压降关联图)；将操作气速(2.8886m/s) 代替纵坐标中的查表，DG50mm塑料鲍尔环的压降填料因子125代替纵坐标中的则纵标值为：=0.1652 (3-19) 横坐标为： =0.02606 (3-20)查图得 981Pa/m (3-21)全塔填料层压降 =9817=6867 Pa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。第四节 填料塔内件的类型及设计4.1 塔内件类型填料塔的内件主要有填料支撑装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体收集再分布装置等。合理的选择和设计塔内件，对保证填料塔的正常操作及优良的传质性能十分重要。4.2 塔内件的设计 4.2.1 液体分布器设计的基本要求： （1）液体分布均匀 （2）操作弹性大 （3）自由截面积大（4）其他4.2.2 液体分布器布液能力的计算 （1）重力型液体分布器布液能力计算 （2）压力型液体分布器布液能力计算注：(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。 注：1填料塔设计结果一览表塔径0.8m填料层高度7m 填料规格50mm鲍尔环操作液气比1.2676356 1.7倍最小液气比校正液体流速2.78220/s压降6867 Pa惰性气体流量234.599kmol/h2 填料塔设计数据一览E亨利系数， 气体的粘度，1.73=6228 平衡常数 0.7532 水的密度和液体的密度之比 1 重力加速度， 9.81 =1.27 分别为气体和液体的密度，1.1836；998.2； =5358.89572/h =7056.6kg/h分别为气体和液体的质量流量气相总体积传质系数， 填料层高度， 塔截面积，气相总传质单元高度， 气相总传质单元数以分压差表示推动力的总传质系数，单位体积填料的润湿面积 100 91.7%以分压差表示推动力的气膜传质系数，溶解度系数，0.725以摩尔浓度差表示推动力的液摩尔传质系数，气体常数，氨气在空气中中的扩散系数及氨气在水中的扩散系数; 液体质量通量为： =WL/0.7850.80.8=10666.5918kg/(h)气体质量通量为： =600001.1761/0.64=14045.78025kg/(h)3 参考文献1 夏清.化工原理（下）M. 天津:天津大学出版社, 2005.2 贾绍义,柴诚敬. 化工原理课程设计M. 天津:天津大学出版社, 2002.3 华南理工大学化工原理教研室著化工过程及设备设计M广州: 华南理工大学出版社, 1986.4 周军.张秋利 化工AutoCAD制图应用基础 。北京. 化学工业出版社。4 后记及其他 1、通过本次课程设计，使我对从填料塔设计方案到填料塔设计的基本过程的设计方法、步骤、思路、有一定的了解与认识。在课程设计过程中,使我加深了对课本知识的认识，也巩固了所学到的知识。此次课程设计按照设计任务书、指导书、技术条件的要求进行。同学之间相互讨论，整体设计基本满足使用要求，但是在设计指导过程中也发现一些问题，发现自己的基础知识不牢。2、 本次设计得到很多老师的指导，特别感谢化工原理李卫宏老师、化工热力学刘海燕老师、化工制图张浩老师、化工工艺钱慧娟老师等帮助。附件一：塔设备流程图附件二：塔设备设计图