化工机械基础填料塔设计方案

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1、 1 化工机械基础填料塔设计方案 务及操作条件 混合气 (空气、 处理量： 2600 3/ 进塔混合气含 % (体积分数 )；温度 :20； 进塔吸收剂 (清水 )的温度 :20； 收率： 96%； 操作压力为常压 a。 料的选择 塔填料是填料塔的核心构件，它提供了气、液两相相接触传质与传热的表面，其性能优劣是决定填料塔操作性能的主要因素。填料的比表面积越大，气液分布也就越均匀，传质效率也越高，它与塔内件一起决定了填料塔的性 质。因此，填料的选择是填料塔设计的重要环节。塔填料的选择包括确定填料的种类、规格及材料。 散装填料是一个个具有一定几何形状和尺寸的颗粒体，一般以随机的方式堆积在塔内，又称

2、为乱堆填料或颗粒填料。散装填料根据结构特点不同，可分为环形填料、鞍形填料、环鞍形填料及球形填料等。 塑料填料的材质主要包括 聚丙烯、聚乙烯及聚氯乙烯等，国内一般多采用聚丙烯材质。塑料填料的耐腐蚀性能较好，可耐一般的无机酸、碱和有机溶剂的腐蚀。其耐温性良好，可长期在 100以下使用。 设计选用填料塔，填料为散装聚丙烯 梯环填料。 国内阶梯环特性数据 材质 外径 d， 径 高 厚 d H 比表面积 m2/隙率 ， m3/数 n，个 /积密度 p， kg/填料因子 3， 料因子 ， 料 25 38 50 25 8 19 1 50 30 28 1500 27200 9980 13 40 120 80

3、2 76 76 37 3 420 12 72 2. 工艺尺寸计算 础物性数据 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。由手册查的，20水的有关物性数据如下： 密度： 1 =度： L=S =S= m h） 表面张力： L =40 896气在水中的扩散系数： 10-9 m2/s=103600 m2/h=10h 相物性的数据 混合气体平均摩尔质量： 17+29=合气体的平均密度： 00 (293)=合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册的 20空气的粘度： V=10 5s= m h） 查手册得氨气在 20空气中扩散系数： s=m2/s 液相平衡数据 20C 下氨在水中的

4、溶解度系数： )/( k p m o ,常压下 20 时 亨利系数：=( 相平衡常数： 物料衡算 3 进塔气相摩尔比： 1y1 y = 1 =塔气相摩尔比： 1（ 1 ） = 1 =塔惰性气相流量： V=2600 273（ 273+20）（ 1 =h 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： （2121m Y 对纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为 ， 则 （ (0)=操作液气比为最小液气比 ，则 因此 L=h 由全塔物料衡算得： V（ =L（ 得 ( 料塔的工艺尺寸的计算 径的计算 混合气体的密度： 333 /1 6 33 1 0 塔径 气相质量流量为 ： V =26

5、00 032h 液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即 : L =512 /h 4 塑料阶梯环特性数据据如下 用贝恩 霍根关联式计算泛点气速： =81 查 表 得 比表面积： A= =得： 81 = 因此计算得 ： s 取 u =s =s 由 D=V = （ 42600 3600）（ 圆整塔径，取 D=用的标准塔径为 400、 500、 600、 700、 800、 1000、1200、 1400、 1600、 2000、 2200） 8 泛点率校核 : u=2600 3600 (s 100 =在允许范围内） 填料规格校核： D d=500 50=108 5 液体喷淋密度校核： 因填料为 50

6、5径与填料尺寸之比大于 8，固取最小润湿速度为（ mh)，查常用散装填料的特性参数表，得 h U= =以上校核可知，填料塔直径选用 D= 500合理的。 料层 高度计算 查表知， 0C ， 100 ，3o 由23)( ，则 293 k ， 100 ，3： /1 9 7 32 9 3)(1 0 0 1( 2230 液相扩散系数： /9 脱吸因数 ： S=L=相总传质单元数： 0 0 0 *22*21 G 气相总传单元高度采用修正的思田关联式计算： )()()()( 液体质量通量为 (h 气体质量通量为 600 (h 气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算： 6 )()()()(1 不同材质的

7、 材质 钢 陶瓷 聚乙烯 聚氯乙烯 碳 玻璃 涂石蜡的表面 表面张力， N/m 103 75 61 33 40 56 73 20 查表知， 2/427680/33 y )()()()(1 气膜吸收系数由下式计算： )()( 液膜吸收系数由下式计算： )()( k 查下表得： ,各类填料的形状系数 填料类型 球 棒 拉西环 弧鞍 开孔环 值 00 =50 ， 由 )得 由 由 Z=7 设计取填料层高度： 5m，查表，对于阶梯环填料， ,158 m a x 设计 填料层高度： 。 料层压降计算 采用 用关联图计算填料层压降，横坐标为： 0 2 8 0 0 已知： 189 坐标为 2 通用压降关联图

8、 查图上图得： P Z=100 m 填料层压降为： P=5=905(体分布器简要设计 8 液体分布器的选型：该吸收塔液相负荷较大，而气相负荷相对较低。故选用槽式分布器。 分布点密度计算： 按 议值， D=400 时，喷淋点的密度为 330 点 D=750 时，喷淋点的密度为 170 点 计取喷淋密度为 280 点 则总布液孔数为： n=80=55 ， 实际总布液孔数： 54 点， 布液计算： 由 24 2取 ， 60 ，d s 0 0 6 83 则 ， 因此可知填料塔设计条件如下： 填料塔类型 聚丙烯阶梯环吸收填料塔 混合气体处理量（ m3/h） 2600 塔径 D（ m） 料层高度 Z（ m

9、） 5 气相总传质单元高度（ m） 相总传质单元数 点气速（ m/s） 降（ 作压力（ 100 操作温度（） 20 填料直径（ 25 孔隙率 料比表面积 a( /223 9 二、工艺计算 第 1 章 填料塔的设计数据 1 塔体内径 500高近似取 H=8000 2 计算压力 计温度 t=20 3 设置地区 :基本风压值 400N/ 2m ，地震设防烈度为 8 度，场地土类： I 类，设计地震分组：第二组，设计基本 地震加速度为 4 填料层开设一个手孔，手孔的公称直径有 50 50种，安装手孔 505 塔外保温层厚度为 s =100温材料密度 2 =3003m 。 6 塔体与封头材料选用 16

10、t =170 =170 s=345 =10 7 群座材料选用 8 塔体与群座对接焊接，塔体焊接接头系数 。 9 塔体与封头厚度附加量 C=2 第 2 章 计算塔体和封头厚度 体厚度计算 ct iC 2 (由于工程上最小厚度为 3取 考 虑 厚 度 附 加 量 C=2负偏差 因此 10 23 经圆整，取 。 头厚度计算 封头取标准椭圆形封头 第 3 章 塔设备质量载荷 体圆筒、封头、群座质量01 6008751 m （ 封头质量： m （ 群座质量： m（ 032101 注：（ 1）塔体圆筒总高度为 H=8m （ 2）查得 度 6圆筒质量为 75kg/m； （ 3）查得 度 6椭圆形封头质量为

11、m（封头曲面深度 850125边高度 50 （ 4）群座高度 1500厚度按 6）。 段内件质量02 设计温度可知，填料选择金属半环填料 02m= 2 （查得金属半环填料密度为 3m ） 温层质量03 03222 22224 = 3 0 0300 0 2 11 + 23 0 (其中，03m为封头保温层质量， 台、扶梯质量04 212224 22 0= 8401 5 2 =619.3(注：手册查得平台质量： 1500 2m ；笼式扶梯质量 40Fq kg/m；笼式扶梯总高： 8m；平台数量： n=1。 作时物料质量 110205 4 =0 1 80 1 注：物料密度 1 =3m ；封头容积 30

12、16.0 ；填料层高度0h 5m；填料塔板层数 N=1；塔板上液层高度 件质量 0897(2 (量汇总 全塔操作质量/ 6 105040302010 ea 全塔最小质量/ 6 4030201m i n ea 水压试验时最大质量 / 6 30504030201m a x 12 第 4 章 风载荷与风弯矩计算 1 2 段为例计算风载荷 2P 2P = 62220121 10 N） 式中 1K 圆筒形容器， 1K = 处 基 本 风 压 值 ， 0q=400N/ 2m 2f 表得 ： 2f =l 2l =4500 得 2 =T 等直径、等 厚度圆截面 塔： 1T =30 10 0 0 0 6 18

13、0 0 35 = 据自振周期 1T ，查得： =z 得3z=2K 12K =1+2122=1+=笼式扶梯与塔顶管线成 90 ， 取以下 a， b 式中较大者 a. 2322 图 2 b. 2 22 43 13 3K=40000， 0022 004500100090012234 a. 2512 b. 3 1 2200400400200512 取3712mm 2 (N) 计算段风载荷汇总 计算段 20/ 平台数 4K 1 1500 400 0 1112 7940 2 4500 400 1 400 1712 3000 400 400 1712 5 章 风弯矩计算 14 截面 0 222 543215

14、2121100300045001500(45001500( 截面 11 222 5432532322= 23 0 0 04 5 0 4 424 5 0 0 +64615 =10 7 截面 2 222 5435434332210 6 15 第 6 章 地震弯矩计算 地震弯矩计算时，为了便于分析、计算，可化简图。 取第一振型脉动增大系数为 则衰减指数 塔得总高度 H=8m 全塔操作质量 重力加速度 2/81.9 地震影 响系数 m a 查得 （设防烈度 8 级） 查得 3.0 1 0 7 计算截面距地面高度 h： 0面： h=0 1面： h=900面： h=1500震弯矩计算可用以下方法： 截面

15、0 3 16 100 3516/ = )/( 0000 M =(6 截面 1 14101758 = = )/( )/(61111 E 截面 2 14101758 = = )/( )/(62222 E 第 7 章：各种载荷引起的轴向应力 算压力引起得轴向拉应力 1 ae 其中、 )(426 17 作质量引起的轴向压应力 2 截面 0-0 令群座厚度为 16效厚度 )(426 ；A 截面 1( 其中， 4 6 1110 ；相关标准得道27290截面 2( 2 0220222 其中 8 2 6 1220 ； 。 大弯矩引起的轴向应力3)(a a 其中， 0000m a x 88000000m a x

16、 )/( 8 Z 24 18 截面 1(00 11m a 其中， )/(1111m a x w )/(77111111m a x 得相关标准得：1248000 面 2-2 07 8 a 其中， )/(2222m a x w )/(66222222m a x 24第 8 章 塔体和群座危险截面的强度与稳定校核 体的最大组合轴向拉应力校核 截面 2体得最大轴向拉应力发生在正常操作时得 2面上。其中 ； 1 ； K= )(2 0 411 7 。 19 )(a x a x ， 满足要求。 体与群座的稳定校核 截面 2体 2面上得最大组合轴向应力 a x )(192204,192m i nm i a x

17、 ，满足要求。 其中， 0 0 1 5 00 9 9 查得（ 16 20 ） B=160 70 ， K= 截面 1体 1面上得最大组合轴向压应力 M P a x )(i a x M P a ， 满足要求。 其中， A= 0 0 1 0 00 9 9 查得 20 B=125 13 ， K=20 截面 0体 0面上的最大组合轴向压应力 M P a x a x )( 51 5 0m i nm i n M P ， 满足要求。 其中， B=125 113 ； K=危险截面强度与稳定校核汇总 项目 计算危险截面 21 0体与群座有效厚度 ，4 4 4 截面以上得操作质量 0820 计算截面面积 2/ 62

18、807920A=6280 计算截面得抗弯截面系数 3/ 7850001248000Z=785000 最大弯矩 / 最大允许轴向拉应力 t / 204 最大允许轴向压应力 /92 150 150 204 计算压力引起得轴向拉应力 1 / 0 作质量引起的轴向压应力 2 大弯矩引起的轴向应力 3大组合轴向拉应力 大组合轴向压应力 度校核 22 满足要求 稳定性校核 00 ，11 ，22 ， 满足要求 第九章塔体的水压试验 压试验时各种载荷引起的应力 22 )( P 液柱静压力 )(1 2 P 液柱静压力 = )( P )( 01 2 )(a P aD )( P 压试验时应力校核 )( 013 4

19、P M P 满足要求。 )( 03 4 P M P a x 满足要求。 23 )(a x M P a )(1 2 01 2 1m i i a x M P a ， ； 满足要求。 第 10 章 基础环设计 础环尺寸 取 00300500300 0 03 0 0 础环的应力校核 m a a xm a a x ， 其中， )(471 0 2222 )(74444 （ 1） )( a xm a x M P （ 2） a a x )( 24 取以上较大者 。选用 75 号混凝土，由表查得其许用应力： M P m a x ，满足要求。 础环的厚度 1 4 0 ， 假设螺栓直径为 表查得 l=120 b/l

20、=146/120=，由表查得 )( 9 81 4 4 6 4 6 2m a x )(2m a x 取其中较大值，故 b 圆整后取 1第 11 章地脚螺栓计算 脚螺栓的最大拉应力 i 注： /00 ， 00 ， 37100.5 25 （ 1）4 7 1 0 i )( （ 2） M 00000 =4 7 1 0 0 0 9 77 =(取以上最大值， 脚螺栓根径 0B ，选取地脚螺栓个数 n=18； = 1472 。 d 7 10 0 21 注： 2 由表查得 根径 ，故选用 18 个 足要求。 第 12 章填料塔辅助构件 填料塔在传质形式上是一种连续气液式传质设备。辅助构件由喷淋装置、填料、分布器

21、、再分布器、支撑板、填料压板等部件组成。 喷淋装置 喷琳装置一般有喷洒型、溢流型、冲击型等。本 设计采用的是冲击型。 对直径稍大的填料塔（例如塔径在 300可以采用环管多孔喷洒器。 附录：参考文献 1马江全、冷一欣 化工原理课程设计第二版 2011 26 2李凤华 于士君 化工原理（第二版） 3刁玉玮 ,王立业 喻健良 . 化工设备机械基础（第六版） 大连：大连理工大学出版社 4林大均，于传浩，杨静等编 等教育出版社， 2007 5椭圆标准封头 6中国行业标准异形筒体和封头 . 后记 27 经过了近两周时间的课程设计，现在终于完成了这次的课程设计。 我们的化工机械设备基础课程设计是清水吸收氨过

22、程填料塔的设计，这是关于吸收中填料塔的设计。填料塔是以塔内装有大量的填料为相接触构件的气液传质设备。填料塔的结构较简单，压降低，填料易用耐腐蚀材料制造等优点。 通过这次的课程设计，让我从中体会到很多。课程设计是我们在校大学生必须经过的一个过程，通过课程设计的锻炼，可以为我们即将来的毕业设计打下坚实的基础！使我充分理解到化工原理课程的重要性和实用性，更特别是对各方面的了解和设计，对实际单元操作设计中所涉 及的各个方面要注意问题都有所了解。 通过这次对填料吸收塔的设计，培养了我们的能力：首先培养了我们查阅资料，选用公式和数据的能力，其次还可以从技术上的可行性与经济上的合理性两方面树立正确的设计思想，分析和解决工程实际问题的能力，最后熟练应用计算机绘图的能力以及用简洁文字，图表表达设计思想的能力。不仅让我将所学的知识应用到实际中，而且对知识也是一种巩固和提升充实。在老师和同学的帮助下，及时的按要求完成了设计任务，通过这次课程设计，使我获得了很多重要的知识，同时也提高了自己 的实际动手和知识的灵活运用能力。