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1、1、1.1 目的要求1、化工原理课程设计是化工类专业必须要修的一门课，同时也是每一位设计化工类机械设备的基础，是培养化工设计能力的重要环节，它具有非常重要的作用。2、化工原理课程设计涉及本门课程的主要内容，通过课程设计学生不仅巩固和深化了有关化工过程及设备方面的知识，而且可用它们去分析和解决化工设备在操作、安装、检修等方面的实际问题，以增强学生理论联系实际的观点。3、通过化工原理课程设计使学生建立工程观点和经济观点，使学生具有辨证的科学思维方法。4、通过查阅技术资料、选用公式、搜集数据、讨论工艺参数与结构尺寸间的相互影响等，培养学生分析问题和解决问题的能力。5、提高学生文字表达能力及掌握撰写技
2、术文件的能力。1.2 填料塔结构及原理塔体：一般取为圆筒形，可由金属、塑料或陶瓷制成，金属筒体内壁常衬以防腐材料。 填料：大致可分为散装填料和规整填料两大类，是传热和传质的场所。塔内件：包括填料支承与压紧装置、液体与气体分布器、液体再分布器以及气体除沫器等。操作原理：液体经塔顶喷淋装置均匀分布于填料上，依靠重力作用沿填料表面自上而下流动，并与在压强差推动下穿过填料空隙的气体相互接触，发生传热和传质。2、塔设计任务及内容混合气体处理量为：2400 m3/h（标准状态）。 混合气体的组成：空气0.92；氨气0.08（均为摩尔分数）要求尾气组成：空气0.995；氨气0.05混合气体温度25，101.
3、3Kpa3、确定设计方案3.1吸收剂的选择 根据所要处理的混合气体为空气氨混合气体，可采用水为吸收剂，氨在其中溶解度大，且水廉价易得，物理化学性能稳定，选择性好，符合吸收过程对吸收剂的基本要求。 3.2吸收流程该吸收过程可采用简单的一步吸收流程，以混合气体原有的状态即25和101.33Kpa条件下进行吸收，原则流程如图所示。该填料塔中，氨气和空气混合后，经由填料塔的下侧进入填料塔中，与从填料塔顶流下的清水逆流接触，在填料的作用下进行吸收。经吸收后的混合气体由塔顶排除，吸收了氨气的水 由填料塔的下端流出。 主要设计吸收塔部分，再生塔部分暂不设计。3.3塔填料选择塔填料是填料塔中气液接触的基本构件
4、，其性能的优越是决定填料塔操作性能的主要因素。填料类型很多，根据装填方式不同，可分为散装填料和规整填料。目前常用的是散装填料，下面只介绍散装填料：散装填料是一个个具有几何形状和尺寸的颗粒体，一般以随机方式堆积在塔内。根据其结构特点可分为环形，鞍形，环鞍形及球形填料。几种较典型和成熟的散装填料如下：1 拉西环填料：拉西环填料是最早提出的工业填料,其结构为外径与高度相等的圆环,可以用陶器,塑料,金属等材质制造.拉西环填料的气液分布较差,传质效率低,阻力大,通量小,目前工业上也很少应用。 2鲍尔环填料：鲍尔环是在拉西环的基础上改进而得.其结构为在拉西环的侧壁上开出两排长方形的窗孔,被切开的环壁的一侧
5、仍和壁面相连,另一侧相环内弯曲,形成内伸的舌叶,诸舌叶的侧边在环中心相搭可以用陶器,塑料,金属等材质制造. 鲍尔环由于环壁开空孔,大大提高了环内空间的利用效率,气体阻力小,液体的分布均匀,与拉西环相比,其通量可以增加50%以上,传质效率可以增加30%左右. 鲍尔环是目前应用最广的填料之一。3阶梯环填料：阶梯环是对鲍尔环的改进.与鲍尔环相比, 阶梯环高度减少了一半,并在一端增加了一个锥形翻边. 阶梯环的综合性能优于鲍尔环,成为目前使用的环行填料中最为优良的一种。4弧鞍填料：其形状如同马鞍，一般采用瓷质材料制成。它的特点是表面全部敞开，不发内外，液体在表面两侧均匀流动，表面利用率高，流道呈弧形，流
6、动阻力小。但缺点是易发生套叠，使表面重合。5矩鞍填料：堆积时不回发生套叠，液体分布均匀。一般采用瓷质材料制成，其性能优于拉西环。6环矩鞍填料：环矩鞍填料是兼顾环形和鞍形结构特点而设计出的一种新型填料，它一般由金属材料制成。其综合性能优于鲍尔环和阶梯环。填料的材质1. 陶器填料：陶器填料具有良好的耐腐蚀性及耐热性,一般能耐氢氟酸以外的常见的各种无机酸,有机酸的腐蚀,对强碱介质,可以选用耐用碱配方制造的耐碱陶器填料.2. 金属填料：金属填料可以用多种材质制成, 金属材质的选择主要根据物系的腐蚀性和 金属材料的耐腐蚀性来综合考虑. 金属填料可以制成薄壁结构,与同种类型的陶器,塑料填料相比较,它的通量
7、大,体阻力小,并且具有很高的抗冲击性能,能在高温,高压,高冲击强度下使用,工业应用主要以金属填料为主.3. 塑料填料：塑料填料的耐腐蚀性能较好,可以耐一般的无机酸,碱和有机溶剂的腐蚀.其耐温性良好,同时塑料填料具有质量较轻,价廉,耐冲击,不易破碎等优点,多用于吸收,解吸,萃取,除尘等装置中.但是他的缺点是表面润湿性能差,在某些特殊场合,需要对其表面进行处理,以提高表面润湿性能.填料规格通常,散装填料与规格填料的规格表示方法不同,选择的方法亦不尽相同,现分别加以介绍.散装填料规格的选择 散装填料的规格通常指填料的公称直径.工业塔常用的散装填料主要有DN16, DN25, DN38, DN50,
8、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的推荐值列于下表:塔径与填料公称直径的比值D/d的推荐表填料种类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/d8应予指出,一座填料塔可以选用同种类型.同一规格的填料,也可选用同种类型.不同规格的填料;可以选用同种类型的填料,也可以选用不同类型的填料;有的塔段可选用归整填料,而有的塔段可选用散
9、装填料.设计时应灵活掌握,根据技术经济统一的原则来选用填料的规格。该过程处理量不大，所用的塔径不会太大，以采用填料塔较为适宜，并可选用以下三种塑料阶梯环填料，它们的主要性能参数如下：A=0.204塑料阶梯环填料公称直径（mm）孔隙率()比表面积0。a(/m)干填料因子（/m）DN50500.927114.2143.3DN38380.91132.5175.8DN25250.9228312.84、工艺计算 4、1吸收剂用量的计算 41.1相平衡常数的确定 由溶解度曲线可确定溶质在气、液相主体中浓度的关系如下表：（25，1atm）x00.0870.1450.1880.229 0.2530.2810.
10、2980.3080.323y00.0990.1970.2960.3950.4930.5920.6910.7890.888由此得到气液平衡图：氨气在混合气体中的分压为：在25，1atm下氨气在水中的溶解度为87.5g/1000gH2O则此时，氨气的液相浓度为：所以， 由此可得相平衡常数： 所以， 41.2吸收剂用量进塔气相摩尔比为：出塔气相摩尔比为： 对于纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为：（清水）混合气体的平均摩尔质量为：混合气体流量：惰性气体流量：最小液气比：分别取实际液气比为最小液气比的1.2、1.5、1.7倍，则可得吸收剂用量，算法以1.7倍为例。则不同倍数下的吸收剂用量如下表：倍数L（km
11、ol/h）qmL(kg/h)qVL(m3/h)1.2104.57581882.3651.8821.5130.71982352.9562.3521.7148.14912666.6842.6674、2塔径的计算 4、2、1塔径 计算过程以倍数为1.7和以公称直径为50mm的塑料阶梯环为例说明。对低浓度吸收过程，溶液的物性参数可近似取纯水的物性数据，混合气体的黏度可近似取为空气的黏度。空气和水的物性常数如下： 空气： 水： 混合气体的密度：混合气体的质量流量 ：采用贝恩-霍根泛点关联式计算泛点速度：其中：公称直径为50mm的塑料阶梯环填料，关联常数所以，取 圆整后为 所以塔的总截面积为 所以，不同倍
12、数不同填料下的如下表： 填料倍数DN50DN38DN251.24.5694.1263.0941.54.3723.9482.9601.74.2603.8472.884不同倍数不同填料下的如下表： 填料倍数DN50DN38DN251.22.7422.4751.8561.52.6232.3681.7761.72.5562.3081.730不同倍数不同填料下圆整后的D如下表： 填料倍数DN50DN38DN251.20.60.60.71.50.60.60.71.70.60.70.84、2、2液体喷淋密度校核 公称直径为50mm的塑料阶梯环填料 取最小润湿速率为 液气比为最小液气比的1.7倍 所以，符合要
13、求。液气比为最小液气比的1.5倍 所以，不符合要求。液气比为最小液气比的1.2倍 所以，不符合要求。公称直径为38mm的塑料阶梯环填料 取最小润湿速率为 液气比为最小液气比的1.7倍 6.954所以，不符合要求。液气比为最小液气比的1.5倍 8.352所以，不符合要求。液气比为最小液气比的1.2倍 6.681所以，不符合要求。公称直径为25mm的塑料阶梯环填料 取最小润湿速率为 液气比为最小液气比的1.7倍 5.324所以，不符合要求。液气比为最小液气比的1.5倍 5.324所以，不符合要求。液气比为最小液气比的1.2倍4.908所以，不符合要求。通过比较，取液气比为最小液气比的1.7倍，公称直径为50mm的塑料阶梯环填料。 填料规格校核： ， 所以，符合要求。综上，塔径4、3填料层的计算
