中北大学课程设计模板

1、中北大学课 程 设 计 说 明 书学生姓名： 学号： 学院： 专业： 题目： 设计湿法吸收混合气体中CO2的填料塔 指导老师： 职称： 2013年 12 月 12 日课程设计任务书1、设计目的和要求化工原理课程设计是化工原理教学过程中重要的实践环节，要求培养学生的查阅资料、选用经验公式、数据处理、图表设计、化工制图、计算机应用等综合能力。在设计过程中，要树立严谨的设计思想和实事求是的设计作风。设计由学生独立完成，教师起指导作用。学生在设计中遇到问题可以和教师进行讨论，教师进行提示和启发，由学生自已去解决问题，学生负责计算结果准确性和可靠性。2、设计内容和要求（依据指导老师给定题目填写） 内容：

2、设计湿法吸收混合气体中的CO2的填料塔 气体处理量：5000Nm3/h； 气体组成(体积）：CO2(20%),其余为惰性气体 设计温度：常压； 设计压力：101.325kpa 吸收剂：碳酸二乙酯 设计指标：吸收率90%3、设计工作任务及工作量的要求（1）简述所用的工艺流程和主体设备。（2）进行物料衡算和热量衡算。（3）主体设备的计算设计。（4）辅助设备的确定和选型。（5）绘制带控制点的工艺流程图。（6）绘制主体设备的装配图。（7）撰写设计说明书。设计过程要求思路清楚，计算方法正确，计算公式及相关数据需注明来源，图表绘制规范。课程设计任务书4、课程设计主要成果形式（1）设计说明书（2）带控制点的

3、工艺流程图（3）主体设备装配图5、主要参考文献（1）大连理工大学化工原理教研室，化工原理课程设计，大连理工大学出版社，1994.（2）谭天恩主编化工原理上册，化学工业出版社，2006.8.（3）贾绍义主编化工原理课程设计，天津大学出版社，2002.8.（4）卢焕章等石油化工基础数据手册，化学工业出版社，1982.（5）柴诚敬等编化工原理课程设计，天津科学技术出版社,1994.（6）国家医药管理局上海医药设计院编化工工艺设计手册（第二版），化学工业出版社，1996. （7）贺匡国主编化工容器及设备简明设计手册（第二版），化学工业出版社，2002. （8）郑晓梅主编化工制图, 化学工业出

4、版社，2002.（9）化学工程手册编委会编化学工程手册（第二版），化学工业出版社，1996.6、工作计划及进度安排序号时间完成内容112.812.10查阅资料、收集数据。212.1012.14工艺方案的确定及工艺草图。312.1412.16详细计算和设计。412.1612.19撰写设计说明书。512.1912.20绘制图纸。612.2012.21提交成果及答辩。主任审查意见： 年 月 日设计说明书 目录1 设计方案简介1.1 设计方案的选择1.2 填料的设计与选择1.3 设计步骤中北大学设计说明书1 设计方案简介备注1.1 方案的确定1.11 流程装置的确定 用碳酸二乙酯吸收二氧化碳属高溶解度

5、的吸收过程，为提高传质效率和分离效率，所以，本实验选用逆流吸收流程。1.12 吸收剂的选择 吸收剂对混合气体中的被吸收组分要有良好地选择性和较大的吸收能力，而对混合气体中的同时对其他组分不吸收，且挥发度要低。根据本设计要求，选择用碳酸二乙酯作吸收剂，且二氧化碳不作为产品，故采用纯溶剂。1.13 操作过程的压力与温度 根据课题要求及相关资料的数据，确定了设计温度与设计压力 设计温度：20 设计压力：101.325kpa1.2 填料的选择与确定 在化学工业中，经常需要将气体混合物中的各个组分加以分离，其主要目的是回收气体混合物中的有用物质，以制取产品，或除去工艺气体中的有害成分，使气体净化，以便进

6、一步加工处理，或除去工业放空尾气中的有害成分，以免污染空气。吸收操作是气体混合物分离方法之一，它是根据混合物组分在某一种溶剂中溶解度不同而达到分离的目的。 随着温室效应的日益增强，二氧化碳作为主要的温室气体，它的排放与吸收引起了全球范围的关注，二氧化碳对大气环境会造成破坏和污染，因此，为了避免含二氧化碳的混合气体直接排入大气而造成空气污染，需要采用一定方法对含二氧化碳的混合气体进行吸收，本次化工原理课程设计的目的是根据设计要求采用填料吸收塔吸收的方法来净化含有二氧化碳的混合气体，使其达到排放标准。设计采用填料塔进行吸收操作是因为填料可以提供巨大的气液传质面积而且填料表面具有良好的湍流状况，从而

7、使吸收过程易于进行，而且，填料塔还具有结构简单、压降低、填料易用耐腐蚀材料制造等优点，从而可以使吸收操作过程节省大量人力和物力本方案选用聚丙烯阶梯环作为填料设计填料塔填料的选择包括确定填料的种类，规格及材料。填料的种类主要从传质效率，通量，填料层的压降来考虑，填料规格的选择常要符合填料的塔径与填料公称直径比值D/d。填料的材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。根据本设计的要求，选择用陶瓷散装填料。在陶瓷散装填料中，陶瓷阶梯环填料的综合性能较好，故选用DN50聚丙烯阶梯环填料。（0.28元每个，数据来自阿里巴巴2013.12.13最新数据）1.3 设计工艺流程步骤  1.31

8、60;   查询物性数据 1.32      物料衡算 1.33    确定吸收剂最小用量 1.34       操作气速u=nuF (n=0.50.85) 1.35      计算填料塔径D 1.36       校核操作气速u<nuF，反之调整n值重复第四步操作 1.37    

9、  校核Umin<吸收剂用量，反之则调整塔径D 1.38      确定填料层高度Z 1.39     填料层压降的计算1.310       辅助设备设计二：工艺计算2.1 液相物性数据 因为是低浓度吸收过程，因此溶液的物数性质可用碳酸二乙酯的基本物理数据代替，25碳酸二乙酯基本数据如下： 密度=0.96897g/cm3 粘度=0.7461×103Pa·S=2.685kg/（m·h）（冯丽梅;碳酸二

10、乙酯相关体系的物性测定及混合液体粘度的估算D;天津大学;2006年)CO2在碳酸二乙酯中扩散系数 0.95 混合气体的平均摩尔质量为 Mvm=0.2*48+29*0.8=32.8 混合气体的平均密度为 vm=32.8/22.4=1.464kg/m3 混合气体的粘度可近似取为空气的粘度，查手册得25空气的粘度为v=1.84*10(-5) Ns/m22.3 常压下25时CO2在碳酸二乙酯中的亨利系数为 E=4.6523MPa（桂霞 高压下CO_2在几种物理吸收剂中的溶解度测定） 相平衡常数m=E/P=4.6523Mpa/101.3kpa=45.9302.4 物料衡算 进入吸收塔气体流率 Vm= 5

11、000*1.464/32.8=223.17 Kmolh 进口混合气CO2流率=223.17*0.2=44.63 Kmolh 被吸收的CO2=44.63*0.9=40.167Kmolh 出口处混合气体C02流速=44.63-40.167=4.463Kmolh 空气流量 223.17-44.63=178.54Kmolh 进塔气相摩尔比为 Y1=44.63/178.54=0.250 出塔气相摩尔比为Y2=4.463/178.54=0.025 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min= 对纯溶剂吸收过程，进塔液相组成为 X2=0 (L/V)min=(0.250-0.02

12、5)/(0.250/48-0)=43.2取操作液气比为 (L/V)=1.2 min=1.2*43.2=51.84 L=51.84*223.17=11569.13Kmolh V(Y1-Y2)=L(X1-X2) X1=V(Y1-Y2)/L+X2=0.0043三; 填料塔的工艺尺寸的计算 3.1 塔径计算 气相质量流量为 wv=5000*1.464=7320kg/h 液相质量流量可近似按碳酸二乙酯的流量计算，即 WL=11569.13*118.13=590650kg/h 查资料，由贝恩霍根关联式计算泛点气速： 10 =A1.75 查资料的孔隙率e =0.927 A=0.2943 液体粘度 所以 uF

13、=2.3m/s 取u=0.8uF=0.8*2.3m/s=1.84m/s 由D= = （4*223.17*32.8/3.14*1.84*3600*1.464)=0.98m 圆整塔径D=1m 泛点率校核： u= =1.464m/s =1.464/1.84=0.795在允许范围内（50%-80%） 填料规格校核： = 1200/50=24>8液体喷淋密度校核： Umin=at（LW）min取最小润湿速度为 （Lw）min=2.2×105 m3/(m·s)=0.08 m3/(m·h)查常用散装填料的特性参数表， 得 at=108.8 m2/m3Umin=（Lw）mi

14、n at=108.8×2.2×105×3600=8.6 m3/m2·hU= =9.96Umin经以上校核可知，填料塔直径选用D=1200mm是合理的3.2 填料层高度计算 Y1*=mX1=45.930*0.0043=0.197 Y2*=mX2=0 脱吸因数为 S= 0.669气相总传质单元数为 = 3.72气相总传单元高度采用修正的思田关联式计算： 查表得sc =33dyn/cm=427680 kg/h2液体质量通量为 UL= =9937.70 kg/(m2·h)气膜吸收系数由下式计算 KG=0.237 气体质量通量为 Uv= 常见填料的形状系

15、数填料类型球  形棒  形拉西环弧  鞍开孔环值0.720.7511.191.45 液膜吸收系数有下式计算： =.0553 由kG=kGw1.1 查表得 =1.45 则kG=0.147 KL= KLw0.4=0.553 由kG= kGw ，KL= KLw则kG= KL= 由 m由 Z= HoGNoG=0.342×3.72=1.272 m，得 Z=1.25 ×1.272=1.6 m设计取填料高度为 Z=5m常见材质的临界表面张力 材质碳瓷玻 璃聚丙烯聚氯乙烯钢石 蜡表面张力56617333407520查表，对于阶梯填料， h

16、D=24 H= HoGNoG =6000mm计算得填料层高度为6000 mm,故不需要分段。3.3 填料层压降计算采用Eckert通用关联图计算填料层压降。横坐标为：纵坐标为：查图得， =98 ×2.10=205.8Pa/m填料层压降为 P=205.8×6=1234.8 Pa3.4 液体分布器简要设计 （1）液体分布器的选型 该吸收塔的塔径为1200mm，因此，根据各种液体分布器的适用范围选取槽式分布器。（2）分布点密度计算按Eckert建议值，D1200时，喷淋点密度为60点/m2，所以，塔径为1200mm时，布液点数为： n=0.785×1.22×6

17、0=482.3383点按分布点几何均匀与流量均匀原则进行布点设计，设计结果为：二级槽工设15道，在槽面开孔，槽宽为80mm，两槽中心距为160mm，分布点采用三角形排列，实际设计布点数为380点。（3） 布液计算：由 取=0.6 H=160mm 取30。4 辅助设备的计算及选型 1填料支撑结构填料支承结构应满足3个基本条件：使起液能顺利通过.设计时应取尽可能大的自由截面。要有足够的强度承受填料的重量，并考虑填料孔隙中的持液重量。要有一定的耐腐蚀性能。填料支承装置的作用是支承塔内的填料，常用填料装置有栅板型、孔管型、驼峰型等。支承装置的选择，主要的依据是塔径、填料种类及型号、塔体及填料的材质、气

18、液流率等。 本设计根据需要，选择孔管型支承装置。 2填料压紧装置 填料上方安装压紧装置可防止在气流的作用下填料床层发生松动和跳动。填料压紧装置分为填料压板和床层限制板两大类，每类又有不同的型式。填料压板自由放置于填料层上端，靠自身重量将填料压紧。它适用于陶瓷、石墨等制成的易发生破碎的散装填料。床层限制板用于金属、塑料等制成的不易发生破碎的散装填料及所有规整填料。床层限制板要固定在塔壁上，为不影响液体分布器的安装和使用，不能采用连续的塔圈固定，对于小塔可用螺钉固定于塔壁，而大塔则用支耳固定。本设计中填料塔在填料装填后于其上方安装了填料压紧栅板。3. 液体再分布器装置液体在乱堆填料层内向下流动时，

19、有偏向塔壁流动的现象，偏流往往造成塔中心的填料不被润湿，降低表面利用率。对于此填料塔而言，由于塔径为1200mm，填料层高度为6000mm，为了提干塔效率，故将其填料分为三层，每层填料约为2000mm，根据再分布器各种规格的使用范围，最简单的液体再分布装置为截锥式再分布器。截锥式再分布器结构简单，安装方便。4. 除沫装置除沫装置安装在液体再分布器上方，用以除去出气口气流中的液滴。由于氨气溶于水中易于产生泡沫为了防止泡沫随出气管排出，影响吸收效率，采用除沫装置，根据除沫装置类型的使用范围，该填料塔选取丝网除沫器。5填料塔接管尺寸计算为防止流速过大引起管道冲蚀，磨损，震动和噪音，液体流速一般不超过

20、3m/s ，气体流速一般不超过100m/s。管径计算公式：常用管道的公称通径、外径、壁厚公称通径（mm）管子外径(mm)常用无缝钢管壁厚m10143151832025325323.532383.540453.550573.580894（1） 管径的计算 选 v=60ms ， 则有 得 =29.3mm根据管道的公称通径、外径、壁厚表得，公称通径=32mm，=2.5mm无缝钢管， 管子外径D=38mm 则 管子内径 d=D-2=38-2×2.5=33mm（2） 底液出口管径： 选 v=2ms 则 根据管道的公称通径，外径，壁厚表，得公称通径=20mm，=2mm碳钢板

21、， 管子外径D=25mm 则 管子内径 d=D-2=25-2×2=21mm（3） 塔顶气体出口管径 选 v=90m/s 则=73.7mm，根据管道的公称通径，外径，壁厚表，得公称通径=80mm，=3mm钢管， 管子外径D=89mm则 管子内径 d=D-2=89-2×3=83mm （4）泵的选型就计算的结果可以选用：50-32-125型的泵（四）设计结果汇总吸收塔类型：阶梯环吸收填料塔混合气处理量：2400m3/h工艺参数名称管程管壳物料名称碳酸二乙酯二氧化碳气体操作压力，KPa101.3101.3操作温度，2020流速，m/s2液体密度，kg/m3968.971.

22、373流量，kg/h7320590650塔径，mm1200填料层高度，mm6000压差，KPa1234.8操作液气比51.84分布点数380黏度，kg/(mh)2.6850.0184表面张力，kg/cm96897（六）对设计过程的评述和有关问题的讨论经过了一周多时间的课程设计，现在终于完成了这次的课程设计要求，在终于有了一点的心得。本设计的任务是用碳酸二乙酯吸收混合气体中CO2的填料吸收塔的设计。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。本设计中，由于开始指导老师已经给出气体处理量等一系列基本数据，因此在后面的数据处理方面

23、已经有着及其良好的基础。但就是如此，课程设计中依旧出现了许多问题。首先，在计算泛点速率时，查阅资料发现资料上多用贝恩（Bain）霍根（Hougen）关联式计算泛点气速的，但贝恩（Bain）霍根（Hougen）关联式我并不清楚，因此在计算泛点速率时又将贝恩（Bain）霍根（Hougen）关联式的林林总总进行学习，这才将泛点速率计算出来。 在填料的选择中，我查了以往的课题研究资料，发现从速据上计算，用DN50计算结果比较好，虽然在同类填料中，尺寸越小的，分离效率越高，但它的阻力将增加，通量减小，填料费用也增加很多。用DN50计算所得的D/d值也符合阶梯环的推荐值。 解决了上面的问题之后就是通过查找

24、手册之类的书籍来确定辅助设备的选型，我们选择孔管型支承装置作为填料支撑，选压紧栅板作为填料压紧装置。本设计我们所设计的填料塔产能大，分离效率高，持液量小，填料塔结构较为简单，造价适合。不过，它的操作范围小，填料润湿效果差，当液体负荷过重时，易产生液泛，不宜处理易聚合或含有固体悬浮物的物料等。（七）课程设计心得在上学年，我们学习了化工原理这一课程，化工原理是化学工程专业的一门重要的专业基础课，它的内容是讲述化工单元操作的基本原理、典型设备的结构原理、操作性能和设计计算。化工单元操作是组成各种化工生产过程、完成一定加工目的的基本过程，其特点是化工生产过程中以物理为主的操作过程，包括流体流动过程、传

25、热过程和传质过程。在这里面，我们主要学习了流体输送、流体流动、机械分离、传热、传质过程导论、吸收、蒸馏、气-液传质设备，以及干燥等。这次课程设计是对我们整个大学四年所学知识的一次检验，平时我们更多的学习的是理论上的抽象的知识，在动手能力和实践能力方面比较欠缺，这对我们走上社会后尽快适应工作很不好。因此，学校在本学期安排了 这次课程设计，它具有较强的实践操作性和很大的综合性，要求我们综合运用几年来所学的各门课程的知识，尤其是流体力学，工程热力学，化工原理，过程设备设计和过程控制技术等。这不仅仅让我们重新复习了前面所学的知识，更让我们在实际运用中找到了各门课程的内在联系，使我们把几年来所学课程用一

26、根线联系了起来，使整个大学知识形成了一个网络和体系。以前不知道学习各们课程到底有甚摸作用，在本次课程设计中我深刻的的体会到了课本知识的作用和实际应用价值。设计中所有的思路、步骤、方法、具体的实施和操作，都要由我们自己讨论和解决。这中间很多问题一个人解决不了，于是我们几个题目相似的同学在一起商量，集思广益，经过大家的努力，最终使问题得到了很好的解决。所以这次设计不但锻炼了我们的动手能力，让我们熟练掌握了填料吸收塔的设计过程和步骤，学会了使用化工方面相关工具书的查阅和使用，也锻炼了我们团结协作的精神，我想这对我们以后会很有好处。（八）参考文献1贾绍义柴诚敬化工原理课程设计天津：天津科技技术出版社，20022大连理工大学等化工容器与设计手册北京：化学工业出版社，1989*3匡国柱，史启才等化工单元过程及设备课程设计北京：化学工业出社，20024陈敏恒等化工原理北京：化学工业出版社，2004 5化学工