课程设计填料塔

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1500mh; 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=66.960.0182=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=2.618=46.8h混合气中空气量=66.96-1.22-2.6=63.14kmolh=63.1429=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+1.220.05=65.801kmolhm=1877.86+70.760.05=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x0.01，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 =1.5161.36=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+1.220.9558=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0.958mPas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 u0.50.53.0471.5235m/s (3)塔径 = 0.59 m=590mm取塔径为600mm。 (4)核算操作气速 U=1.474m/s15 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=1.2110-3m3/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=3500.80792=228.45KZ1=1+2.068KZ2=1+2.0680.720.06/1.00=1.089KZ3=1+2.0680.720.23/1.00=1.342KZ4=1+2.0680.720.59/1.00=1.898KZ5=1+2.0680.791/1.14=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=K1Kziq0filiDei10-6De1=1012 P1=0.71.73501900101210-6=379.3482NDe2=1012 P1=0.71.735012100101210-6=885.146NDe3=1012 P1=0.71.735012000101210-6=1259.496NDe4=1012 P1=0.71.735015000101210-6=2107.49NDe1=1012 P1=0.71.73501.144060101210-6=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=379.348900/2+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=3.5MPa0，故此塔设备必须安装地脚螺栓D=3.14600=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）0.90.45=0.1845=16/35CZm0gH=16/350.18450.54972.669.8114060=2.8924107=1.25=3.6155107=+0.25+Me=3.6155+0.254.6210+0=（2）1-1截面=+Me=40.456346.7N。mm=2.6333107=1.25=3.2916107取最大值=4.3030107Zsm为检查孔截面系数W=（3）2-2截面=+Me=2.8360107=2.0336107N.mm=1.25=2.5420107Z=0.78560024=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=1.2cr177MPa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/4.7708107403030107302510107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 tcr= minKB，K tc= minKB，K tr