化工原理課程設(shè)計(jì)--設(shè)計(jì)水吸收半水煤氣體混合物中的二氧化碳的填料吸收塔

1、<p>　　化工原理課程設(shè)計(jì)說明書</p><p>　　題目： 設(shè)計(jì)水吸收半水煤氣體混合物中的二氧化碳的填料吸收塔</p><p>　　專業(yè)： 過 程 裝 備 與 控 制 工 程 </p><p>　　年級(jí)： 2 0 1 1 級(jí) </p>&

2、lt;p><b>　　學(xué)生姓名 </b></p><p><b>　　學(xué)號(hào)： </b></p><p>　　指導(dǎo)老師: </p><p><b>　　設(shè)計(jì)時(shí)間: </b></p><p><b>　　目錄</b><

3、;/p><p>　　第一章設(shè)計(jì)任務(wù)3</p><p>　　第二章設(shè)計(jì)流程的選擇4</p><p>　　第三章吸收塔的設(shè)計(jì)計(jì)算5</p><p>　　3.1 氣液平衡關(guān)系6</p><p>　　3.2 確定吸收劑的用量6</p><p>　　3.3 計(jì)算熱效應(yīng)7</p&g

4、t;<p>　　3.4 塔徑的計(jì)算8</p><p>　　3.4.1 混合氣體的密度8</p><p>　　3.4.2 填料的選擇8</p><p>　　3.4.2 計(jì)算塔徑11</p><p>　　3.5噴淋密度的校核12</p><p>　　3.6總傳質(zhì)系數(shù)計(jì)算13</p&g

5、t;<p>　　3.7 填料層高度的計(jì)算14</p><p>　　3.8 填料層阻力計(jì)算16</p><p>　　第四章附屬設(shè)備的選型和計(jì)算16</p><p>　　4.1 液體噴淋裝置16</p><p>　　4.2 液體再分布器18</p><p>　　4.3 塔附屬高度19<

6、;/p><p>　　4.4 填料支撐板19</p><p>　　4.5 填料限定裝置20</p><p>　　4.6 氣體入口裝置20</p><p>　　4.7 除沫裝置20</p><p>　　4.8 封頭21</p><p>　　4.9 泵的選擇21</p>

7、<p>　　第五章 設(shè)計(jì)結(jié)果概覽23</p><p>　　第六章設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)25</p><p><b>　　主要符號(hào)說明27</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)28</b></p><p><b>　　第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p&

8、gt;<p>　　題目：設(shè)計(jì)水吸收半水煤氣體混合物中的二氧化碳的填料吸收塔</p><p><b>　　目的和意義：</b></p><p>　　在合成氨工藝中，由任何含碳原料制得的原料氣（半水煤氣）都含有相當(dāng)量的二氧化碳，這些二氧化碳在進(jìn)入合成工序以前必須清除干凈，因?yàn)樵诤铣蛇^程中為高溫高壓，在高壓下，二氧化碳很容易化成干冰，會(huì)堵塞設(shè)備和管道，給操作帶

9、來很大的危害；另外，二氧化碳的存在還會(huì)使氨合成的催化劑中毒，而且還給清除少量一氧化碳過程帶來困難，同時(shí)二氧化碳又是制造尿素、碳酸氫銨、純堿和干冰的重要原料。因此，合成氨生產(chǎn)中，二氧化碳的脫除極其回收利用往往是脫碳過程的雙重目的。</p><p><b>　　已知數(shù)據(jù)</b></p><p><b>　?。ㄒ唬怏w混合物：</b></p>

10、;<p>　　1.組成（V%）：10.2% ，，，</p><p>　　2.氣體量：4200</p><p>　　3.溫度：30 </p><p>　　4.壓力：1700 </p><p>　　（二）氣體出口要求（V%）： 0.65%</p><p><b>　?。ㄈ┪談核?lt;

11、/b></p><p>　　第二章 設(shè)計(jì)流程的選擇</p><p>　　吸收裝置的流程主要有一下幾種：</p><p>　?。?）逆流吸收：氣體自塔底進(jìn)入由塔頂排出，液相自塔頂進(jìn)入由塔底排出，此即逆流操作。</p><p>　　（2）并流操作：氣液兩相均從他塔頂流向塔底，此即并流操作。</p><p>　?。?）

12、吸收劑部分再循環(huán)操作：在逆流操作系統(tǒng)中，用泵將吸收塔排出的液體部分冷卻后與新鮮吸收劑一同送回塔內(nèi)。</p><p>　?。?）多塔串聯(lián)操作：若設(shè)計(jì)的填料層高度過大，或者由于所處理的物料等原因需經(jīng)常清理填料，為了便于維修，可把填料層分裝在幾個(gè)串聯(lián)的塔內(nèi)，每個(gè)吸收塔通過的吸收劑和氣體量都相等。</p><p>　　各種操作的優(yōu)缺點(diǎn)比較如下表1所示：</p><p>　　

13、綜合上面的分析，因二氧化碳屬難溶氣體，進(jìn)出塔的吸收率較高，即要求處理吸收的較為完全，為了減少設(shè)備的投資，所以從工藝技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面綜合考慮，初步采用單塔逆流操作吸收流程。當(dāng)然工業(yè)生產(chǎn)中一般工藝流程都涉及吸收和解吸聯(lián)合流程，雖然本設(shè)計(jì)中吸收劑為水，價(jià)值不高，極易得到，所吸收的溶質(zhì)為二氧化碳，無毒，直接排放對(duì)環(huán)境的影響不大，但作為一個(gè)完整的工藝流程還是必需有的，整個(gè)工藝流程圖如下圖所示：</p><p>　　第三章

14、吸收塔的設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p><b>　　3.1氣液平衡關(guān)系</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)題目的操作壓力為1700，屬于高壓，因此壓力影響產(chǎn)生對(duì)理想氣體定律的偏差需進(jìn)行校核。由《化工原理（上冊(cè)）》附錄四，查得：的臨界溫度Tc=31.1，臨界壓力Pc=7.38Mpa</p><p>　　求得：對(duì)比溫度：Tr== =0.9964，<

15、/p><p><b>　　對(duì)比壓力：Pr=</b></p><p>　　由《物理化學(xué)》58頁(yè)，圖2-2-5 普遍化逸度系數(shù)圖，查得：=0.925</p><p><b>　　則可得逸度：</b></p><p>　　由《物理化學(xué)》64頁(yè)，表2-4-1，查得T=30時(shí)在水為溶劑的亨利常數(shù)E=， </

16、p><p>　　3.2確定吸收劑的用量</p><p>　　已知=0.102，=0.0065：，</p><p>　　惰性氣體的摩爾流量：V=Kmol/h</p><p><b>　　最大出口濃度</b></p><p>　　該吸收過程屬于低濃度吸收，最小液汽比可按下式計(jì)算即：對(duì)于純吸收過程，進(jìn)塔液相

17、組成為=0；</p><p>　　由于，實(shí)際液氣比，取1.3，1.5，1.8倍三組數(shù)據(jù)計(jì)算；</p><p><b>　　第一組：</b></p><p><b>　　，</b></p><p><b>　?。?lt;/b></p><p><b>

18、　　第二組：</b></p><p><b>　　，</b></p><p><b>　??；</b></p><p><b>　　第三組：</b></p><p><b>　　，；</b></p><p><b&g

19、t;　　3.3計(jì)算熱效應(yīng)</b></p><p>　　水吸收二氧化碳的量：</p><p>　　查《化工原理設(shè)計(jì)導(dǎo)論》圖4-5，得到CO2的溶解熱為：q=106kcal/kg</p><p>　　查《化工原理》上冊(cè)附錄，用內(nèi)插法得T=30時(shí)水的比熱容為：Cp=4.174kJ/(kg·k)</p><p><b>

20、;　　根據(jù)公式，可得：；</b></p><p><b>　　，</b></p><p>　　上述計(jì)算可知，三組數(shù)據(jù)的溶液溫度變化都很小，可視為等溫吸收。</p><p><b>　　3.4塔徑的計(jì)算</b></p><p>　　3.4.1混合氣體的密度</p><p

21、>　　由各組分濃度計(jì)算平均摩爾質(zhì)量：</p><p>　　由《化工原理（上冊(cè)）》附錄四，查得各組分的臨界壓力和臨界溫度為：</p><p>　　：Tc=31.1, Pc=7.38Mpa ，：Tc=-239.9, Pc=1.30MPa</p><p>　?。篢c=-147.13, Pc=3.39Mpa ，：Tc=-82.15, Pc=4.62MPa<

22、;/p><p>　?。篢c=-140.2, Pc=3.50Mpa ，：Tc=-118.82, Pc=5.04MPa</p><p><b>　　求得假臨界壓力： </b></p><p><b>　　假臨界溫度：</b></p><p>　　由《工程熱力學(xué)》附圖1查得Z=1.03，</p>

23、;<p>　　3.4.2填料的選擇</p><p>　　1.填料類型的介紹：</p><p>　　填料是填料塔的核心構(gòu)件，它提供了塔內(nèi)氣-液兩相接觸而進(jìn)行傳質(zhì)傳熱的表面，與塔的結(jié)構(gòu)一起決定了填料塔的性能。現(xiàn)代工業(yè)填料塔大體可分為實(shí)體填料塔和網(wǎng)狀填料塔兩大類，而就裝填方式可分為散堆填料和規(guī)整調(diào)料。散裝填料是一個(gè)個(gè)具有一定幾何形狀和尺寸的顆粒體，一般以隨機(jī)的方式堆積在塔內(nèi)，又稱為

24、亂堆填料或顆粒填料。散裝填料根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，又可分為環(huán)形填料、鞍形填料、環(huán)鞍形填料及球形填料等?，F(xiàn)介紹幾種較為典型的散裝填料:</p><p>　　圖2：幾種常用填料形狀：（a）拉西環(huán)填料（b）鮑爾環(huán)填料（c）階梯環(huán)填料（d）抓繁填料（e）矩鞍填料（f）金用環(huán)矩鞍填料（g）多面球形填料（h）TRI球形填料（o）金屬板波紋填料（p）脈沖填料 </p><p>　　拉西環(huán)：拉西環(huán)填料于191

25、4年由拉西（F. Rashching）發(fā)明，為外徑與高度相等的圓環(huán)。拉西環(huán)填料的氣液分布較差，傳質(zhì)效率低，阻力大，通量小，目前工業(yè)上已較少應(yīng)用。</p><p>　　鮑爾環(huán)：是對(duì)拉西環(huán)的改進(jìn)，在拉西環(huán)的側(cè)壁上開出兩排長(zhǎng)方形的窗孔，被切開的環(huán)壁的一側(cè)仍與壁面相連，另一側(cè)向環(huán)內(nèi)彎曲，形成內(nèi)伸的舌葉，諸舌葉的側(cè)邊在環(huán)中心相搭。鮑爾環(huán)由于環(huán)壁開孔，大大提高了環(huán)內(nèi)空間及環(huán)內(nèi)表面的利用率，氣流阻力小，液體分布均勻。與拉西環(huán)相

26、比，鮑爾環(huán)的氣體通量可增加50%以上，傳質(zhì)效率提高30%左右。鮑爾環(huán)是一種應(yīng)用較廣的填料。</p><p>　　階梯環(huán)填料：是對(duì)鮑爾環(huán)的改進(jìn)，與鮑爾環(huán)相比，階梯環(huán)高度減少了一半并在一端增加了一個(gè)錐形翻邊。由于高徑比減少，使得氣體繞填料外壁的平均路徑大為縮短，減少了氣體通過填料層的阻力。錐形翻邊不僅增加了填料的機(jī)械強(qiáng)度，而且使填料之間由線接觸為主變成以點(diǎn)接觸為主，這樣不但增加了填料間的空隙，同時(shí)成為液體沿填料表面流

27、動(dòng)的匯集分散點(diǎn)，可以促進(jìn)液膜的表面更新，有利于傳質(zhì)效率的提高。階梯環(huán)的綜合性能優(yōu)于鮑爾環(huán)，成為目前所使用的環(huán)形填料中最為優(yōu)良的一種。</p><p>　　弧鞍填料：屬鞍形填料的一種，其形狀如同馬鞍，一般采用瓷質(zhì)材料制成?；“疤盍系奶攸c(diǎn)是表面全部敞開，不分內(nèi)外，液體在表面兩側(cè)均勻流動(dòng)，表面利用率高，流道呈弧形，流動(dòng)阻力小。其缺點(diǎn)是易發(fā)生套疊，致使一部分填料表面被重合，使傳質(zhì)效率降低?；“疤盍蠌?qiáng)度較差，容破碎，工業(yè)生

28、產(chǎn)中應(yīng)用不多。</p><p>　　矩鞍填料：將弧鞍填料兩端的弧形面改為矩形面，且兩面大小不等，即成為矩鞍填料。矩鞍填料堆積時(shí)不會(huì)套疊，液體分布較均勻。矩鞍填料一般采用瓷質(zhì)材料制成，其性能優(yōu)于拉西環(huán)。目前，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)應(yīng)用瓷拉西環(huán)的場(chǎng)合，均已被瓷矩鞍填料所取代。</p><p>　　金屬環(huán)矩鞍填料：環(huán)矩鞍填料（國(guó)外稱為Intalox）是兼顧環(huán)形和鞍形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而設(shè)計(jì)出的一種新型填料，該填料一

29、般以金屬材質(zhì)制成，故又稱為金屬環(huán)矩鞍填料。環(huán)矩鞍填料將環(huán)形填料和鞍形填料兩者的優(yōu)點(diǎn)集于一體，其綜合性能優(yōu)于鮑爾環(huán)和階梯環(huán)，在散裝填料中應(yīng)用較多。</p><p>　　2.填料材質(zhì)的介紹：</p><p>　　選塔填料時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)工藝的物料腐蝕性和操作溫度，確定填料用材。一般可選用塑料，金屬和陶瓷等。</p><p>　　常用于制作填料的塑料有：聚丙烯，聚乙烯，聚氯

30、乙烯及其增強(qiáng)塑料。其中聚丙烯使用最為普遍，一者耐腐蝕好，可耐一般無機(jī)酸，堿和有機(jī)溶劑，二者質(zhì)輕，易于注塑成型，價(jià)格低。塑料填料多用于操作溫度較低的吸收，解析，洗滌，除塵等過程，便于裝卸和重復(fù)使用，能節(jié)省設(shè)備的投資和操作費(fèi)用。</p><p>　　值得注意的是：塑料填料表面有憎水特性，這使之不易被水所潤(rùn)濕，因此，使用初期有效濕潤(rùn)比表面積小，傳質(zhì)效果差。改善的辦法是：一種進(jìn)行表面處理，以改善表面對(duì)工藝流體的潤(rùn)濕性能；

31、另一種是自然時(shí)效，經(jīng)10-15天操作可使填料的分離效率達(dá)到正常值。此外，使用，檢修時(shí)嚴(yán)防塑料填料超溫，蠕變甚至熔融及至于起火燃燒等現(xiàn)象發(fā)生。</p><p>　　金屬材質(zhì)主要是：碳鋼，鋁及合金0Cr13,1Cr13等低合金鋼及1Cr18Ni9Ti（不銹鋼）等。金屬填料多為薄金屬片沖壓制成，空隙率高，通量大，流動(dòng)阻力小，特別適用于真空解析或蒸餾。在某些場(chǎng)合下，金屬填料塔板式塔更為優(yōu)越，從而目前已有許多以金屬填料塔取

32、代板式塔，同時(shí)收到高產(chǎn)，優(yōu)質(zhì)，低能耗的經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　瓷質(zhì)填料歷史最悠久，具有很好的耐蝕性，應(yīng)用面最廣。一般能耐除氫氯酸以外常見的各種無機(jī)酸，有機(jī)酸以及各種有機(jī)溶劑的腐蝕。對(duì)強(qiáng)堿性介質(zhì)可選用耐堿配方制的耐堿瓷質(zhì)填料。瓷填料耐溫性能好，價(jià)廉，因此它仍為優(yōu)先考慮選用的填料材質(zhì)。其缺點(diǎn)是質(zhì)脆，易破碎。</p><p><b>　　3.填料的選擇：</b>&l

33、t;/p><p>　　在填料的選擇上主要考慮填料的流體力學(xué)性能和質(zhì)量傳遞性能，一般應(yīng)具有以下特點(diǎn)：1.具有較大的比表面積；2.表面潤(rùn)濕性能好，有效傳質(zhì)面積大；3.結(jié)構(gòu)上應(yīng)有利于氣液相的均勻分布；4.填料層內(nèi)的持液量適宜；5.具有較大的孔隙率，氣體通過填料時(shí)的壓降小，不易發(fā)生液泛現(xiàn)象。</p><p>　　基于上述考慮，結(jié)合本題設(shè)計(jì)，常溫高壓操作，水吸收二氧化碳，我初步選擇公稱直徑為50mm的聚

34、丙烯階梯環(huán)填料。選擇的原因是：（1）選擇填料的類型：階梯環(huán)是環(huán)形填料中綜合性能最優(yōu)的，具有較大的比表面積，較均勻的氣液相分布和較大的空隙率，因此分離效率較高且不易發(fā)生液泛。（2）選擇填料的材質(zhì)：選擇塑料是因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的塔高塔徑較大，需要的填料體積也較大，出于處理量較大，而聚丙烯價(jià)廉、普遍易得、易于裝卸且質(zhì)量較輕的考慮而選擇的。（3）選擇填料的尺寸：填料塔的塔徑與填料直徑的比值應(yīng)保持不低于某一值，防止產(chǎn)生較大的壁效應(yīng)，造成塔德分離率下降。一

35、般說來，填料的尺寸大，成本低，處理量大，但效率低。使用大于50mm的填料，其成本的降低往往難以抵償其效率降低所造成的成本增加，所以，一般大塔常使用50mm的填料，故在本設(shè)計(jì)中選用50mm的填料。</p><p>　　公稱直徑為50mm的聚丙烯階梯環(huán)填料的結(jié)構(gòu)特性參數(shù)如下表2所示：</p><p><b>　　3.4.3計(jì)算塔徑</b></p><p

36、>　　應(yīng)用散堆填料泛點(diǎn)氣速聯(lián)通關(guān)聯(lián)式：貝恩-霍根泛點(diǎn)關(guān)聯(lián)式：</p><p>　　其中：公稱直徑為50mm的聚丙烯階梯環(huán)填料=143.1，關(guān)聯(lián)常數(shù)A=0.204，物性常數(shù)：=8.3009，=995.7，</p><p><b>　　= </b></p><p><b>　　氣體質(zhì)量流量：</b></p>

37、<p><b>　　液體質(zhì)量流量：</b></p><p>　　由關(guān)聯(lián)式解得泛點(diǎn)速度： = 0.0536m/s，=0.0459m/s，=0.0374m/s</p><p>　　對(duì)于散裝填料，其泛點(diǎn)率的經(jīng)驗(yàn)值為：，取泛點(diǎn)率為0.7得氣速為：</p><p><b>　　， </b></p><

38、p>　　操作條件下的氣體流量：，</p><p>　　可由式 計(jì)算得塔徑：</p><p>　　由于計(jì)算出的塔徑不是整數(shù)，要按國(guó)家壓力容器公稱直徑標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整。圓整后可得填料塔直徑：,,。再核算操作空塔氣速：</p><p>　　由公式：，可得：， ，。</p><p>　　圓整后的泛點(diǎn)率分別為：， ，</p><

39、p>　　都在允許范圍以內(nèi)，校核合格。</p><p>　　3.5噴淋密度的校核</p><p>　　填料塔的液體噴淋密度是指單位時(shí)間，單位塔截面上液體的噴淋量，其計(jì)算式為：，其中為液體噴淋量。</p><p>　　由《化工原理》附錄五查得30時(shí)，水的密度為，則有：</p><p><b>　　第一組：</b>&l

40、t;/p><p><b>　　； </b></p><p><b>　　第二組：，</b></p><p><b>　　第三組：</b></p><p>　　對(duì)于散裝填料，其最小噴淋密度的計(jì)算式為：</p><p>　　其中是最小潤(rùn)濕速率，對(duì)于直徑不

41、超過75mm的散裝填料，可取最小潤(rùn)濕</p><p><b>　　代入上式可得：，</b></p><p>　　可知：，，，即實(shí)際噴淋密度都大于最小噴淋密度，液體噴淋密度驗(yàn)算合格。</p><p>　　3.6總傳質(zhì)系數(shù)計(jì)算</p><p>　　傳質(zhì)單元高度的計(jì)算采用修正的恩田（Onde）公式：</p>&l

42、t;p><b>　　其中：</b></p><p>　　由《化工原理》附錄五查得：30時(shí)水的表面張力：</p><p>　　由《化工原理課程設(shè)計(jì)》表4-6，查得聚丙烯的表面張力：</p><p>　　為液體質(zhì)量通量：由 計(jì)算得：</p><p><b>　　，</b></p>&

43、lt;p><b>　　，</b></p><p><b>　　為重力加速度，</b></p><p>　　代入上式可得填料的潤(rùn)濕比表面積：</p><p>　　是二氧化碳在水中的擴(kuò)散系數(shù)，由《化工原理》表2.7，查得30時(shí) 在水中的擴(kuò)散系數(shù)為</p><p><b>　　水

44、的黏度：= </b></p><p>　　填料形狀系數(shù)，由《化工原理課程設(shè)計(jì)》表4-7查得：</p><p>　　由于二氧化碳溶于水為液膜控制，因此</p><p>　　則可以求得液相傳質(zhì)系數(shù)如下：</p><p><b>　　第一組：</b></p><p><b>　　，

45、</b></p><p><b>　?。?lt;/b></p><p><b>　　第二組：</b></p><p><b>　?。?lt;/b></p><p><b>　　第三組：</b></p><p><b>　　

46、；</b></p><p>　　將得到的傳質(zhì)系數(shù)換算成以摩爾分?jǐn)?shù)差為推動(dòng)力的傳質(zhì)系數(shù)：</p><p><b>　　，</b></p><p><b>　　其中</b></p><p><b>　　則可得：</b></p><p><

47、b>　　；</b></p><p><b>　　；</b></p><p><b>　　；</b></p><p>　　3.7填料層高度的計(jì)算</p><p>　　液相總傳質(zhì)單元高度計(jì)算公式為：</p><p>　　其中：塔截面積 </p>

48、<p><b>　　∴</b></p><p>　　液相總傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)算： </p><p>　　由3.2的計(jì)算已知：， ，</p><p>　　代入平均液相推動(dòng)力計(jì)算式：</p><p><b>　　解得：，，；</b></p><p>　　由液相總傳質(zhì)單

49、元數(shù)的計(jì)算公式：， </p><p><b>　　得：</b></p><p>　　工藝計(jì)算得到的填料層高度：，由上述方法計(jì)算出填料層高度后，還應(yīng)留出一定的安全系數(shù)，即填料層的設(shè)計(jì)高度：：</p><p><b>　　∴，，</b></p><p><b>　　，，</b>&

50、lt;/p><p><b>　　，；</b></p><p>　　將三組數(shù)據(jù)匯總?cè)缦卤?比較：</p><p>　　由上表數(shù)據(jù)可知，在這三組數(shù)據(jù)中，第一組水的用量最小，塔徑最小，但填料層高度最高。從經(jīng)濟(jì)方面考慮來說，第一組數(shù)據(jù)的水用量的經(jīng)常費(fèi)用最少，而填料費(fèi)用和泵所需的功率應(yīng)較其他幾組要更高。但由于是采用塑料填料，價(jià)廉，且從吸收效率上來說，較小的塔

51、徑更有利于吸收過程的進(jìn)行。因此，我選用第一組數(shù)據(jù)，即選用液氣比為最小液氣比的1.3倍的一組數(shù)據(jù)。</p><p>　　3.8填料層阻力計(jì)算</p><p>　　計(jì)算氣體通過填料層的阻力損失，在于確定輸送氣體所需的能耗，或判斷在允許的壓降下塔內(nèi)能否進(jìn)行正常操作。</p><p><b>　　根據(jù)公式：</b></p><p&g

52、t;<b>　　，</b></p><p><b>　　其中，；</b></p><p><b>　　氣體質(zhì)量流速：，</b></p><p><b>　　液體質(zhì)量流速：，</b></p><p><b>　　填料層高度： </b>

53、;</p><p><b>　　∴填料層壓降為：</b></p><p>　　第四章 附屬設(shè)備的選型和計(jì)算</p><p><b>　　4.1液體噴淋裝置</b></p><p>　　液體初始分布器設(shè)置于填料塔內(nèi)填料層頂部，用于將塔頂液體均勻分布在填料表面上，液體初始分布器性能對(duì)填料塔效率影響很大

54、，特別對(duì)于大直徑，低填料層的塔，尤其需要性能良好的初始分布器。如果液體分布不良，必然減少填料的分離效率。逆流操作的填料塔，要求塔頂噴淋裝置既結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，又要將液體均勻的噴灑在填料上，操作時(shí)本身不易堵塞，不產(chǎn)生過細(xì)的霧滴。常見的幾種液體分布器如圖3所示。</p><p>　　圖3：液體分布器（a）噴頭式（b）盤式篩孔型（c）盤式溢流型（d）槽管式（e）環(huán)管式（f）槽式（g）槽盤式</p><p&g

55、t;　　液體分布器的性能主要由分布器的布液點(diǎn)密度，各布液點(diǎn)的布液均勻性決定，設(shè)計(jì)液體分布器主要是確定決定這些參數(shù)的結(jié)構(gòu)尺寸。就本設(shè)計(jì)而言，液體體積流量：</p><p>　　，考慮到液體流量較大，本人選用二級(jí)槽式溢流型分布器，如下圖所示：</p><p>　　槽式溢流型分布器適用于高液量和易堵塞場(chǎng)合，但其分布質(zhì)量不如槽式孔流型，常用于散堆填料塔中。其中，二級(jí)槽式分布器具有優(yōu)良的布液能力，結(jié)

56、構(gòu)簡(jiǎn)單，氣相阻力小，應(yīng)用較為廣泛。主要由主槽和分槽組成，液體物料由主槽上的加料管進(jìn)入主槽中，然后，通過主槽的布液結(jié)構(gòu)按比例分配到各支槽中，并通過各支槽上的布液結(jié)構(gòu)均勻的分布在填料層表面上。</p><p>　　主槽為矩形敞開槽，其長(zhǎng)度由塔徑和分槽的數(shù)量及間距決定，其高度由最大液體留下所需的液位高度決定。設(shè)計(jì)時(shí)一般應(yīng)使其保持在200—300mm之間。其寬度由槽內(nèi)液體流速?zèng)Q定，一般要求流速在0.24—0.30m/s之

57、間。</p><p>　　分槽的長(zhǎng)度有塔徑及排列情況而定，分槽的寬度主要由液體在槽內(nèi)的流速?zèng)Q定，其數(shù)值通常為30—60mm，分槽高度也由液相最大負(fù)荷下的液位高度決定。分槽高度大約為最大液位高度的1.25倍。</p><p>　　溢流堰口一般為倒三角形或矩形。由于三角形堰口隨液位的升高，液體流通面積加大，故這種開口形式具有較大的操作彈性，故在本設(shè)計(jì)中采用倒三角形堰口。</p>

58、<p>　　倒三角形堰溢流口夾角與液位高度間的關(guān)系：</p><p>　　其中：h為溢流口液位高度，考慮到液體流量較大，取；</p><p>　　為流量系數(shù)，一般可取，可解得倒三角形的溢流口夾角：</p><p>　　溢流型分布器安裝于填料表面的限定器以上，距填料表面距離約為50mm。</p><p><b>　　4.2液

59、體再分布器</b></p><p>　　液體沿填料層下流時(shí)，有逐漸向塔壁方向集中的趨勢(shì)，形成壁流效應(yīng)。壁流效應(yīng)造成填料層氣液分布不均勻，使傳質(zhì)效率降低。因此，設(shè)計(jì)中，每隔一定的填料層高度，需要設(shè)置液體收集再分布器裝置，即將填料層分段。</p><p>　　對(duì)于散裝填料，根據(jù)《化工原理課程設(shè)計(jì)》表4-9可查得一般推薦的分離段高度值，對(duì)于填料類型為階梯環(huán)，其填料層高度與塔徑之比為h

60、/D=8—15處分段，而本設(shè)計(jì)中,故不用分段，也無需液體再分布器。</p><p><b>　　4.3塔附屬高度</b></p><p>　　塔的附屬空間高度包括上部空間高度，安裝液體分布器和液體再分布器所需的空間高度，塔底部空間高度以及塔裙座高度。</p><p>　　塔上部空間高度是指塔內(nèi)填料層以上，應(yīng)有足夠的空間高度，以使氣流攜帶的液滴能

61、夠從氣相中分離出來，該高度一般取1.2—1.5m，由于本設(shè)計(jì)采用二級(jí)槽式溢流型分布器，安裝分布器的所需高度較大，取1.5m。由于本設(shè)計(jì)中不涉及再分布器，因此不占高度空間?？紤]到氣相接管所占的空間高度,底部空間高度可取2m。所以塔的附屬高度可以取3.5m，因此本設(shè)計(jì)中吸收塔的總高度為：</p><p><b>　　。</b></p><p><b>　　4.4

62、 填料支撐板</b></p><p>　　填料支承裝置的作用是支承填料以及填料層內(nèi)液體的重量，同時(shí)保證氣液兩相順利通過。一般情況下填料支承裝置應(yīng)滿足如下要求：</p><p>　?。?）足夠的強(qiáng)度和剛度，以支持填料及所持液體的重量（持液量），并考慮填料空隙中的持液量，以及可能加于系統(tǒng)的壓力波動(dòng)，機(jī)械震動(dòng)，溫度波動(dòng)等因素。（2）足夠的開孔率（一般要大于填料的空隙率），以防止首先在

63、支撐處發(fā)生液泛；為使氣體能順利通過，對(duì)于普通填料塔，支承件上的流體通過的自由截面積為填料面的50%以上，且應(yīng)大于填料的空隙率。此外，應(yīng)考慮到裝上填料后要將支承板上的截面堵去一些，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)取盡可能大的自由截面。自由截面太小，在操作中會(huì)產(chǎn)生攔液現(xiàn)象。增加壓強(qiáng)降，降低效率，甚至形成液泛。（3）結(jié)構(gòu)上應(yīng)有利于氣液相的均勻分布，同時(shí)不至于產(chǎn)生較大的阻力（一般阻力不大于20Pa）；（4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工制造安裝和維修。（5）要有一定的耐腐蝕性

64、。</p><p>　　常用的填料支承裝置有柵板形、孔管型、駝峰形及各種具有氣升管結(jié)構(gòu)的支承板。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中選用駝峰型支承裝置。選擇原因是：駝峰形支撐板裝置適合于散堆填料支撐，一般用于直徑在1.5m以上的大塔，本設(shè)計(jì)中的塔徑為1.7m，選用較為合適。此種支撐裝置具有氣體流通自由截面積率大，阻力小，承載能力強(qiáng)，氣液兩相分布效果好等優(yōu)點(diǎn)。</p><p&g

65、t;　　4.5 填料限定裝置</p><p>　　為保證填料塔在工作狀態(tài)西填料床層能夠穩(wěn)定，防止高氣相負(fù)荷或負(fù)荷突然變動(dòng)時(shí)填料層發(fā)生松動(dòng)，破壞填料層結(jié)構(gòu)，甚至造成填料流失，必須在填料層頂部設(shè)置填料限定裝置。</p><p>　　填料限定裝置可分為兩類，一類是放置于填料上端，僅靠自身重力將填料壓緊的填料限定裝置，成為填料壓板。另一類是將填料限定裝置固定在塔壁上，稱為床層限定板。填料壓板常用于

66、陶瓷填料，以免陶瓷發(fā)生移動(dòng)撞擊，造成填料破碎。床層限定版多用于金屬和塑料填料，以防止由于填料膨脹，改變其初始堆積狀態(tài)而造成的流體分布不均勻現(xiàn)象。</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中，由于是采用塑料填料，故只需采用質(zhì)量較輕的床層限定板，根據(jù)一般值，取每平方米300N計(jì)算，本設(shè)計(jì)中所需的限定板重量為：</p><p>　　4.6 氣體入口裝置</p><p>　　一般來說，

67、實(shí)現(xiàn)氣相均勻分布相對(duì)容易一些，故氣體入塔的分布裝置也相對(duì)簡(jiǎn)單一些。但對(duì)于大塔徑低壓降填料塔來說，設(shè)置性能良好的氣相分布裝置仍然是十分重要的。</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中，由于塔徑為1.7m，較小，故采用進(jìn)氣管末端制成向下彎的喇叭形擴(kuò)大口，或制成多環(huán)管式分布器。</p><p><b>　　4.7 除沫裝置</b></p><p>　　氣體在

68、塔頂離開填料層時(shí)，帶有大量的液沫和霧滴，為回收這部分液體，常需在塔頂設(shè)置除沫器，常用的除沫器有如下幾種：折流板式除沫器，旋轉(zhuǎn)板式除沫器，絲網(wǎng)除沫器。</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中，選擇最常用的絲網(wǎng)除沫器，這種除沫器由金屬絲網(wǎng)卷成高度為的盤狀，可捕集以上的微小霧滴。氣體通過除沫器的壓降約為，絲網(wǎng)除沫器直徑由氣體通過絲網(wǎng)的最大氣速?zèng)Q定。 </p><p><b>　　4.8 封頭&

69、lt;/b></p><p>　　采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭。查國(guó)標(biāo)JB/T4729-94可知該封頭是由1/4橢圓線和平行于回轉(zhuǎn)軸的短直線光滑的連接而成的，故它由半個(gè)橢圓球和一個(gè)高度為h0,的圓柱短節(jié)（稱它為封頭的直邊部分）構(gòu)成。</p><p>　　由《化工原理設(shè)計(jì)導(dǎo)論》表4-8續(xù)表，可查得以內(nèi)徑為公稱直徑的橢圓封頭的尺寸，選用封頭尺寸如下：公稱直徑為，曲面高度，直邊高度，內(nèi)表面積，容積。&

70、lt;/p><p><b>　　4.9 泵的選擇</b></p><p>　　入口水的體積流量為：</p><p>　　，由《化工原理》（上冊(cè)）表3.3可知，水在管道中的常用流速范圍在。因此，先初步取流速?？伤愕盟韫軆?nèi)徑為：</p><p>　　由《化工原理》（上冊(cè)）附錄21查得，選取采用普通熱軋無縫鋼管，外徑為273mm

71、，壁厚為6.5mm，則可得內(nèi)徑為：，則管中實(shí)際流速為：</p><p>　　可求得管中的雷諾數(shù)：</p><p>　　可知Re>4000，處于湍流區(qū)</p><p>　　由《化工原理》（上冊(cè)）表2.3查得具有輕微腐蝕的無縫鋼管的絕對(duì)粗糙度，∴相對(duì)粗糙度</p><p>　　由《化工原理》（上冊(cè)）圖2.13，可查得， </p&g

72、t;<p>　　局部阻力損失：三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)截止閥全開，</p><p>　　則，管路總壓頭損失為：</p><p>　　其中長(zhǎng)度近似取為塔高：，將數(shù)據(jù)代入得：</p><p>　　由水進(jìn)口到出口截面列伯努利方程有：</p><p><b>　　∴ </b></p><p><b&

73、gt;　　體積流量有：</b></p><p>　　由《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》第19章，選擇泵的型號(hào)為ZA200-400A</p><p>　　第五章 設(shè)計(jì)結(jié)果概覽</p><p><b>　　第六章 設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)</b></p><p>　?。?）從最后的計(jì)算結(jié)果來看，塔高9.26在正常范圍內(nèi)，即可證明在一開始初

74、步選用的單塔逆流吸收操作是合理的。逆流操作傳質(zhì)推動(dòng)力比較大，傳質(zhì)速率快，分離效率高，吸收劑利用率高，可降低吸收塔所需的傳質(zhì)面積。若采用并聯(lián)操作，塔高必然增加，吸收劑用量也會(huì)加大，從而增加成本。由于處理量并未很大，也無需多塔串聯(lián)。</p><p>　　（2）本設(shè)計(jì)為吸收塔配有解析塔和回收裝置，既脫除了二氧化碳，又得到了由一定純度的二氧化碳，做工業(yè)上的其他用途，如二氧化碳又是制造尿素、碳酸氫銨、純堿和干冰的重要原料。

75、故二氧化碳的回收方案很合理。</p><p>　?。?）本設(shè)計(jì)中，由于考慮到在高壓操作條件下，實(shí)際氣體對(duì)理想氣體偏差，而進(jìn)行了一系列的計(jì)算，后計(jì)算結(jié)果得出其壓縮因子Z很小，即與理想氣體相差很小</p><p>　?。?）在選定液氣比用量時(shí)，取最小液氣比的1.3、1.5、1.8倍分別進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出塔高塔徑后，比較三組數(shù)據(jù)。由于考慮到：1.3倍最小液氣比計(jì)算出的塔高塔徑更為合理，更大的塔徑其

76、內(nèi)部氣液分布不如小塔徑分布得均勻；且液氣比小，其吸收劑的用量小，也更加經(jīng)濟(jì)，因此得出液氣比為最小液氣比的1.3倍時(shí)的計(jì)算結(jié)果最佳，而被采用。</p><p>　　（5）填料的選擇在本設(shè)計(jì)中至關(guān)重要：填料類型選擇了環(huán)形填料中綜合性能較優(yōu)的階梯環(huán)，主要是考慮到其氣液擾動(dòng)能力更強(qiáng)，孔隙率更大，由于本設(shè)計(jì)中的液體流量較大，故這一方面為重點(diǎn)考慮。填料材質(zhì)選擇了最常用也最常見的聚丙烯材料，主要是考慮到其價(jià)廉，質(zhì)輕，但其表面的

77、潤(rùn)濕性能較差。填料尺寸也選用了很常見的50mm：由于填料的尺寸大，成本低，處理量大，但效率低，因此綜合考慮50mm為最優(yōu)。</p><p>　　由于本人缺乏經(jīng)驗(yàn)和一些專業(yè)常識(shí)，并不了解在特定的高壓下水吸收二氧化碳，什么因素應(yīng)該成為考慮重點(diǎn)，一般選用什么填料等，因此在選用填料這一環(huán)節(jié)比較薄弱。</p><p>　　（6）考慮到各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的復(fù)雜情況，為了確保生產(chǎn)任務(wù)的完成，提高設(shè)計(jì)的

78、可靠性和安全性：在計(jì)算出理論高度后都填乘以了1.25的安全系數(shù)而得到實(shí)際填料層高度；在選擇泵時(shí)也都是選擇了流量和揚(yáng)程都大于理論值的離心泵。</p><p>　?。?）在選擇液體分布裝置時(shí)，主要考慮到本設(shè)計(jì)中高液量，易堵塞的情況，而選定了二級(jí)槽式溢流型分布器，這樣的分布器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，以裝卸，選用應(yīng)該較為合理。</p><p>　　分布器中槽的寬度、高度、長(zhǎng)度、數(shù)量、溢流口夾角和排布等，由于由塔

79、徑、液相負(fù)荷、噴淋點(diǎn)數(shù)、液體在槽內(nèi)流速、氣相流通截面積等因素決定，需要全面協(xié)調(diào)后確定，較為復(fù)雜，故在本設(shè)計(jì)中并未深入討論，僅做了簡(jiǎn)單的計(jì)算了初步的溢流槽液位高度和溢流口夾角。</p><p>　　（8）在本設(shè)計(jì)中，塔的直徑和管道的直徑，都在計(jì)算出數(shù)值后以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了圓整和重新校核，采用的所有設(shè)備零件都是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，不用特制，更加易得且方面維修和拆換。</p><p>　?。?）本設(shè)計(jì)在計(jì)算

80、過程中采用了大量的經(jīng)驗(yàn)式和經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，由于不同的經(jīng)驗(yàn)式很多，故每種算法之間肯定存在偏差，且與實(shí)際情況也肯定存在一定的偏差。</p><p><b>　　主要符號(hào)說明</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1.《化工原理》第二版上下冊(cè) 葉世超 夏素蘭 易美桂 科學(xué)出版社</p>

81、<p>　　2.《化工原理課程設(shè)計(jì)》 王國(guó)勝 大連理工大學(xué)出版社</p><p>　　3.《工程熱力學(xué)》 第二版 畢明樹 馮殿義 馬連湘 化工工業(yè)出版社</p><p>　　4.《化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì)》 匡國(guó)柱 史啟才 主編 化學(xué)工業(yè)出版社</p><p>　　5.《化工原理課程設(shè)計(jì)》 馬江權(quán) 冷一欣 等編 中國(guó)石化出版社</p>