化工原理課程設(shè)計---碳酸丙烯酯吸收二氧化碳填料塔設(shè)計

1、<p><b>　　化工原理課程設(shè)計?</b></p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　化工原理課程設(shè)計任務(wù)書-------------------------------------------------------------------2</p><p>　　摘要----------

2、-------------------------------------------------3</p><p>　　前言-----------------------------------------------------------4</p><p>　　第一節(jié) 概述---------------------------------------------------5<

3、;/p><p>　　第二節(jié) 塔填料的選擇-------------------------------------------5</p><p>　　第三節(jié) 吸收操作中的氣液平衡-----------------------------------6</p><p>　　一 氣液平衡數(shù)據(jù)---------------------------------------

4、----6</p><p>　　二 平衡線方程---------------------------------------------6</p><p>　　第四節(jié) 填料吸收塔的工藝計算-----------------------------------7</p><p>　　一 物料衡算與操作線方程----------------------------

5、-------7</p><p>　?、?物料衡算--------------------------------------------7</p><p>　　㈡ 操作線方程------------------------------------------7</p><p>　　二 最小吸收劑用量與吸收劑用量--------------------------

6、---7</p><p>　　㈠ 最小吸收劑用量--------------------------------------7</p><p>　?、?吸收劑用量------------------------------------------8</p><p>　　三 塔徑計算------------------------------------------

7、-----8</p><p>　?、?泛點(diǎn)氣速uf與塔徑D的計算---------------------------8</p><p>　　㈡ 塔徑的圓整------------------------------------------10</p><p>　?、?填料塔噴淋密度的校核--------------------------------10</

8、p><p>　　四 填料層高度的計算---------------------------------------10</p><p>　?、?有效比表面積αw-------------------------------------11</p><p>　　㈡ 填料層高度和塔高------------------------------------11</p&

9、gt;<p>　　第五節(jié) 費(fèi)用的計算---------------------------------------------12</p><p>　　一 吸收塔塔體和平臺扶梯年折舊及維修費(fèi)用-------------------12</p><p>　　二 吸收塔填料年折舊費(fèi)用-----------------------------------14</p>

10、;<p>　　三 離心泵年折舊和維修費(fèi)用及操作費(fèi)用-----------------------14</p><p>　　四 風(fēng)機(jī)年折舊和維修費(fèi)及操作費(fèi)用---------------------------19</p><p>　　五 吸收劑費(fèi)用---------------------------------------------21</p><

11、;p>　　第六節(jié) 校核---------------------------------------------------23</p><p>　　一 塔直徑與塔中填料直徑之比-------------------------------23</p><p>　　二 液體噴淋密度-------------------------------------------23<

12、/p><p>　　三 強(qiáng)度校核-----------------------------------------------23</p><p>　?、?筒體材料的厚度計算----------------------------------24</p><p>　?、?封頭厚度計算----------------------------------------24&l

13、t;/p><p>　?、?塔體的強(qiáng)度與穩(wěn)定計算--------------------------------24</p><p>　　⑴ 填料層高度---------------------------------------24</p><p>　?、?塔的高度-----------------------------------------24</p>

14、<p>　　㈣ 質(zhì)量載荷計算----------------------------------------24</p><p>　?、?塔體與裙座的質(zhì)量---------------------------------24</p><p>　?、?人孔、法蘭、接管等附件的質(zhì)量---------------------24</p><p>　?、?內(nèi)構(gòu)

15、件的質(zhì)量-------------------------------------24</p><p>　?、?保溫層材料的質(zhì)量---------------------------------24</p><p>　　⑸ 扶梯、平臺的質(zhì)量---------------------------------25</p><p>　　⑹ 操作時塔內(nèi)物料質(zhì)量-------

16、------------------------25</p><p>　　⑺ 充水質(zhì)量-----------------------------------------25 </p><p>　?、?塔器操作質(zhì)量-------------------------------------25</p><p>　?、?塔器的最大質(zhì)量----------

17、-------------------------25</p><p>　?、?塔器的最小質(zhì)量-----------------------------------25</p><p>　?、?塔體的風(fēng)載荷和風(fēng)力矩--------------------------------25</p><p>　?、?風(fēng)力矩的計算公式----------------------

18、-----------25</p><p>　?、?總彎矩的計算-------------------------------------26</p><p>　?、?塔的看自振周期計算-------------------------------26</p><p>　?、?地震載荷的計算-----------------------------------26&

19、lt;/p><p>　?、?塔體的強(qiáng)度與穩(wěn)定校核--------------------------------27</p><p>　?、?塔體危險截面的軸向應(yīng)力計算-----------------------27</p><p>　?、?載體危險截面抗壓強(qiáng)度及軸向穩(wěn)定性計算-------------27</p><p>　　㈦ 裙座的強(qiáng)度和

20、穩(wěn)定計算、校核--------------------------28</p><p>　?、?水壓試驗時塔的強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗算----------------------28</p><p>　?、?水壓試驗時塔體1-1截面的強(qiáng)度校核-----------------28</p><p>　?、?水壓試驗時裙座底部0-0截面強(qiáng)度和軸向穩(wěn)定要求-----28</

21、p><p>　?、?基礎(chǔ)環(huán)板的設(shè)計--------------------------------------29</p><p>　　⑴ 基礎(chǔ)環(huán)板內(nèi)外徑的確定-----------------------------29</p><p>　?、?基礎(chǔ)環(huán)板厚度的設(shè)計-------------------------------29</p><p>

22、;　?、?地腳螺栓的設(shè)計--------------------------------------29</p><p>　　小結(jié)---------------------------------------------------30</p><p>　　優(yōu)化程序與運(yùn)行結(jié)果-------------------------------------30</p><p&g

23、t;　　符號說明-------------------------------------------------------36</p><p>　　參考文獻(xiàn)-------------------------------------------------------39</p><p>　　化工原理課程設(shè)計成績單-------------------------------------

24、----40</p><p>　　化工原理課程設(shè)計任務(wù)書</p><p>　　化工學(xué)院 化學(xué)工程與工藝 專業(yè) 07-1 班 學(xué)生 夏劍鋒</p><p>　　設(shè)計題目：碳酸丙烯酯(PC)脫除合成氨原料氣中CO2填料塔的設(shè)計</p><p>　　設(shè)計時間：2010.05.10～2010.05.29</p><p>　　指

25、導(dǎo)老師：劉雪霆老師</p><p>　　設(shè)計任務(wù)及操作條件：</p><p>　　合成氨原料氣量 55000 Nm3/h。</p><p>　　原料氣組成（摩爾分率）：</p><p>　　CO2 CO H2 N2 CH4</p><p>　　30% 3% 49% 15% 3

26、% </p><p>　　出塔凈化氣中：CO2≤0.6%（摩爾分率）。</p><p>　　再生PC中含CO2≤2×10-5（摩爾分率）。</p><p><b>　　操作溫度32℃。</b></p><p>　　操作壓力2.5MPa。</p><p><b>　　設(shè)計成果&l

27、t;/b></p><p><b>　　設(shè)計說明書一份</b></p><p>　　帶控制點(diǎn)的工藝流程圖（3#圖紙）1張；</p><p>　　填料吸收塔的裝配圖（1#圖紙）1張。</p><p>　　碳酸丙烯酯（PC）脫除合成氨原料氣中CO2填料塔的設(shè)計</p><p><b>

28、　　摘要</b></p><p>　　[中文摘要] 本設(shè)計中二氧化碳（CO2）氣體吸收為高濃度吸收，所用吸收劑為碳酸丙烯酯（PC），塔填料為金屬鮑爾環(huán)（DN50）。經(jīng)優(yōu)化計算后得最佳液氣比為最小液氣比的1.10倍，填料吸收塔塔高17.734m，塔徑2.8m，總傳質(zhì)單元數(shù)為10.625。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 吸收劑 填料吸收塔 優(yōu)化 鮑爾環(huán)</p>

29、<p>　　[English Abstract] In this design,the absorption of carbon dioxide(CO2) is a kind of high concentration absorption,in which the absorbant is propylene carbonate(PC) and the filler utillized within this design

30、 is called Pall ring whose nominal diameter is 50 millimeters.After optimizing and calculating,we have figured out that the best liquid-gas rate is 1.10 times of the minimum liquid-gas rate.We also worked out that the pa

31、cked and absorbing tower is 17.734 meters high and its diameter is 2.8 </p><p>　　Key Words: absorbent packed andabsorbing tower optimize Pall ring</p><p><b>　　前言</b></p>

32、<p>　　氣體凈化是工業(yè)上重要的過程之一。隨著各工業(yè)過程的要求不同，有的需要對原料氣體進(jìn)行凈化處理，有的需要對生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的氣體進(jìn)行凈化，有的需要對尾氣進(jìn)行凈化等。</p><p>　　在合成氨生產(chǎn)中，由于制氣原料主要碳和含碳化合物，經(jīng)制氣和一氧化碳變換后，變換氣中除含有對氨合成有用的氫氣等，同時還含有二氧化碳、一氧化碳、甲烷、硫化氫等對氨合成有害的雜質(zhì)組分。在這些雜質(zhì)組分中又以二氧化碳的含量最

33、高。如在生產(chǎn)過程中，不及時將二氧化碳從變換氣中除去，將會使后續(xù)工序無法正常進(jìn)行。</p><p>　　脫除原料氣中大量二氧化碳的方法主要分為三大類：化學(xué)吸收法、物理化學(xué)法和物理吸收法。本次設(shè)計中主要運(yùn)用物理吸收法。則以下主要介紹物理吸收法。</p><p>　　物理吸收法是指吸收劑并不與二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的一類脫碳方法。它是基于不同壓力下的二氧化碳在吸收劑中有不同的平衡溶解度這種性質(zhì)而發(fā)

34、展起來的。這類方法中的吸收劑大多為有機(jī)溶劑，它們普遍具有溶解二氧化碳量大的特點(diǎn)，尤其是在加壓時。此外吸收劑的再生大多不必加熱，僅通過簡單的降壓或常溫氣提（惰性氣體吹洗）。</p><p>　　本次課程設(shè)計中，用碳酸丙烯酯（PC）作為吸收劑來吸收合成氨原料氣里的二氧化碳，是單組分高濃度物理吸收過程。</p><p>　　碳酸丙烯酯為環(huán)狀有機(jī)碳酸酯類化合物，在常溫下為略帶芳香味的液體，純凈時無

35、色透明，分子式為C4H6O3，摩爾質(zhì)量為102.09㎏/kmol，密度略大與水。它對二氧化碳、硫化氫及一些有機(jī)硫具有較大的溶解能力，而對氫氣、氮?dú)狻⒁谎趸?、甲烷、氧氣等的溶解度要小得多。如以氫氣在碳酸丙烯酯中的溶解度為基?zhǔn)，則同樣溫度與壓力下二氧化碳的溶解度為氫氣的130倍左右，硫化氫為氫氣的420倍左右。由于不同氣體在同一溶劑中溶解度差別很懸殊，這就為該溶劑用于氣體混合物的分離奠定了理論基礎(chǔ)。</p><p>

36、;　　碳酸丙烯酯的穩(wěn)定性較好，在工業(yè)上連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)十余年后仍不影響其吸收效率。溶劑在吸收了二氧化碳和硫化氫等酸性氣體后，對普通碳鋼的腐蝕性仍較低，因此在工業(yè)上可用普通碳鋼作為主要設(shè)備的材質(zhì)。</p><p>　　用碳酸丙烯酯作為吸收劑來吸收合成氨原料氣中的二氧化碳的方法與其他脫碳方法相比，在凈化度相同的情況下，也以碳酸丙烯酯法的能耗和可比操作費(fèi)最低。</p><p><b>　　概述

37、</b></p><p>　　碳酸丙烯酯（PC）吸收合成氨原料氣中二氧化碳（CO2）屬高濃度吸收過程，為提高傳質(zhì)效率和分離效率，所以要，本設(shè)計選用逆流吸收流程，氣體由填料塔塔底進(jìn)，吸收劑由塔頂進(jìn)，這樣平均推動力大，吸收劑利用率高，分離程度高，完成一定分離任務(wù)所需傳質(zhì)面積小。涉及的設(shè)備主要是填料塔、離心泵和風(fēng)機(jī)等，其中填料塔主要包括塔體、塔填料和塔內(nèi)件三大部分。本設(shè)計討論有關(guān)填料吸收塔的設(shè)計，即選定流程

38、方案、填料類型，計算塔徑及填料層高度并對塔的輔助結(jié)構(gòu)（內(nèi)件）進(jìn)行選型與估算，同時優(yōu)化使總費(fèi)用最小。</p><p><b>　　塔填料的選擇</b></p><p>　　塔填料的選擇是填料塔設(shè)計最重要的環(huán)節(jié)之一，一般要求塔填料具有較大的通量，較低的壓降，較高的傳質(zhì)效率，嵵，操作彈性大，性能穩(wěn)定，能滿足物系的腐蝕性、污堵性、熱敏性等特殊要求。填料的強(qiáng)度要高，便于塔的拆裝

39、、檢修，并且價格要低廉。</p><p>　　為此，填料應(yīng)具有較大的比表面積，較高的空隙率，結(jié)構(gòu)要敞開，死角空隙小，液體的再分布性能好，填料的類型、尺寸、材質(zhì)選擇適當(dāng)。</p><p>　　現(xiàn)代工業(yè)填料按形狀和結(jié)構(gòu)可分為顆粒型填料和規(guī)整填料兩大類型。</p><p>　　對顆粒填料，尺寸直接影響塔的操作和設(shè)備投資。一般同類型填料隨尺寸減小分離效率提高，但填料層對氣流

40、的阻力增加，通量減少，對具有一定生產(chǎn)能力的塔，填料的投資費(fèi)用將增加；而較大尺寸的填料用于小直徑塔中，將產(chǎn)生氣液分布不良、氣流短路和嚴(yán)重的液體壁流等問題，降低塔的分離效率。</p><p>　　本設(shè)計中我們這一組選擇用散裝金屬鮑爾環(huán)填料，規(guī)格為</p><p>　　公稱直徑DN=50mm，外徑×高×厚（d×h×δ/mm）50×50×

41、0.9 </p><p>　　比表面積αt(m2/m3)=103 空隙率ε=0.95m3/m3 個數(shù)6200m-3 </p><p>　　堆積密度ρp=355kg/m3 干填料因子 =120m-1 濕填料因子Φ=66 m-1</p><p>　　相關(guān)規(guī)定有鮑爾環(huán)的徑比D/d的下限為10～15（最小不低于8），且當(dāng)D≥900mm時，選用50～

42、76mm的填料。</p><p>　　吸收操作中的氣液平衡</p><p><b>　　氣液平衡數(shù)據(jù)</b></p><p>　　表格1 CO2在碳酸丙烯酯中溶解度數(shù)據(jù)</p><p>　　注：數(shù)據(jù)區(qū)αCO2的單位為Nm3/m3。</p><p><b>　　二、平衡線方程<

43、/b></p><p>　　將表中的溶解度α換算成二氧化碳（CO2）在碳酸丙烯酯（PC）中的平衡摩爾分率xe：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p><b>　　而</b></p><p><b>　　(3-2)</b></p>&

44、lt;p>　　通過以上數(shù)據(jù)及轉(zhuǎn)換公式可擬合出CO2在PC中的平衡線：</p><p><b>　　而得到平衡線方程：</b></p><p>　　y* = -0.0194x2 + 3.9382x + 2×10-6 (3-3)</p><p><b>　　或</b></p><

45、p><b>　　(3-4)</b></p><p>　　填料吸收塔的工藝計算</p><p>　　一、物料衡算與操作線方程</p><p><b>　　物料衡算</b></p><p>　　逆流吸收塔，以惰性氣體和吸收劑為基準(zhǔn)，物料衡算式為：</p><p><b

46、>　　(4-1)</b></p><p>　　式中，GB——不含溶質(zhì)的惰性氣體流量，kmol/s；</p><p>　　LS——吸收劑流量，kmol/s；</p><p>　　Y、X——?dú)庀嗪鸵合嗟哪柋取?lt;/p><p><b>　　(4-2)</b></p><p>　　下標(biāo)

47、：1——塔底；2——塔頂。</p><p><b>　　操作線方程</b></p><p><b>　　(4-3)</b></p><p>　　二、最小吸收劑用量與吸收劑用量</p><p><b>　　最小吸收劑用量</b></p><p><b

48、>　　(4-4)</b></p><p>　　式中，X1*——為與Y1平衡的液相組成，摩爾比；</p><p>　　(LS)min——最小吸收劑用量，kmol/s。</p><p><b>　　代入有數(shù)據(jù)得：</b></p><p>　　并且由y1、式(3-4)和式(4-2)可得</p>

49、<p>　　代入式(4-4)得最小液氣比為</p><p><b>　　最小吸收劑用量</b></p><p><b>　　收劑用量</b></p><p>　　吸收劑的用量直接影響吸收塔的尺寸、塔底液相組成及操作費(fèi)用，故應(yīng)從設(shè)備費(fèi)、操作費(fèi)及工藝要求權(quán)衡決定。</p><p><b&

50、gt;　　一般經(jīng)驗數(shù)據(jù)</b></p><p><b>　　(4-5)</b></p><p>　　其中k=1.1～2.0，通過優(yōu)化得到k=1.10。</p><p><b>　　三、塔徑計算</b></p><p>　　填料塔直徑依混合氣體處理量及所選適宜氣速按下式計算：</p&

51、gt;<p><b>　　(4-6)</b></p><p>　　式中 V——操作條件下混合氣體積流量，m3/s；</p><p>　　u——適宜空塔氣速，m/s。</p><p>　　由上式可見，計算塔徑的核心問題是確定空塔氣速，主要方法為泛點(diǎn)氣速法。</p><p>　　泛點(diǎn)氣速uf 與塔徑D的計算&

52、lt;/p><p>　　填料塔的泛點(diǎn)氣速與氣液流量、物系性質(zhì)及填料類型、尺寸等因素有關(guān)，其計算方法有很多，本設(shè)計選擇用Bain及Hougen關(guān)聯(lián)式，對金屬鮑爾環(huán)填料有：</p><p><b>　　(4-7)</b></p><p>　　式中，L’、G’——液、氣相的質(zhì)量流率， kg/h；</p><p>　　μL——吸收劑

53、的粘度，mPa·s；</p><p>　　——干填料因子，m-1；</p><p>　　g——重力加速度，kg/(m2·s)；</p><p>　　ρG——混合氣的平均密度，kg/m3；</p><p>　　ρL——吸收劑的密度，kg/m3；</p><p>　　32℃時，吸收劑碳酸丙烯酯（PC）的

54、相關(guān)物性：</p><p>　　ML=102.09kg/kmol，密度ρL =1191.1kg/m3，粘度 </p><p>　　進(jìn)塔氣的平均摩爾質(zhì)量</p><p><b>　　混合氣的平均密度</b></p><p>　　進(jìn)塔混合氣的質(zhì)量流量</p><p><b>　　吸收劑的質(zhì)

55、量流量</b></p><p><b>　　干填料因子</b></p><p><b>　　重力加速度 </b></p><p>　　g=9.81 kg/(m2·s)</p><p>　　將有關(guān)數(shù)據(jù)代入(4-7)可得下述關(guān)系：</p><p><

56、;b>　　(4-8)</b></p><p><b>　　即 </b></p><p><b>　　(4-9)</b></p><p><b>　　并取適宜的空塔氣速</b></p><p><b>　　(4-10)</b><

57、;/p><p><b>　　混合氣體積流量</b></p><p>　　∴塔徑 (4-11)</p><p><b>　?。ǘ┧降膱A整</b></p><p>　　由以上方法計算出的塔徑應(yīng)按壓力容器公稱直徑標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整。一般塔徑在1m以內(nèi)時，按100mm增值計；塔徑超過1m時，

58、按200mm增值定塔徑。</p><p>　　通過優(yōu)化得到D=2.667m，圓整后得到D=2.8m。</p><p>　?。ㄈ┨盍纤娏苊芏鹊男：?lt;/p><p><b>　　最小噴淋密度</b></p><p><b>　　(4-12)</b></p><p>　　式中

59、Umin——最小噴淋密度，m3/(m2·h)，一般為5～12 m3/(m2·h);</p><p>　　LW,min——最小潤濕速率，m3/(m·h)，對直徑≤75mm的環(huán)形填料及直徑≤50mm的柵板填料，可取為0.08 m3/(m·h)；對超過上述尺寸的填料，可取為0.12 m3/(m·h)；對規(guī)整填料，可以從有關(guān)的填料手冊中查到。</p><

60、;p><b>　　∴ </b></p><p>　　四、填料層高度的計算</p><p>　　填料層高度的計算需聯(lián)解物料衡算、傳質(zhì)速率和相平衡三種關(guān)系。常用方法有傳質(zhì)單元數(shù)法和等板高度法，本設(shè)計采用傳質(zhì)單元數(shù)法求解填料層高度。且本設(shè)計中PC吸收CO2屬高濃度氣體的吸收。</p><p><b>　　有效比表面積αW</

61、b></p><p><b>　　(4-13)</b></p><p>　　式中，αW、αt——單位體積填料層的潤濕表面及比表面積，m2/m3；</p><p>　　σ、σC——液體的表面張力及填料材質(zhì)的臨界表面張力，N/m2；</p><p>　　LG——液相的質(zhì)量流率，kg/(m2·s)。</p

62、><p>　　本設(shè)計中σC=75mN/m2，σ=41.457 mN/m2，αt=103m-1</p><p><b>　　(4-14)</b></p><p><b>　　代入相關(guān)數(shù)據(jù)整理得</b></p><p><b>　　(4-15)</b></p><p

63、><b>　　填料層高度和塔高</b></p><p>　　液相傳質(zhì)系數(shù) (4-16)</p><p>　　將有關(guān)參數(shù)值 μL=0.002205Pa·s，ρL=1191.1kg/m3，g=9.81kg/(m2·s)，ψ=1.45及液相擴(kuò)散系數(shù)DL=1.16137×10-9m2/s代入上式并整理可得</p

64、><p><b>　　(4-17)</b></p><p><b>　　校正后</b></p><p><b>　　(4-18)</b></p><p><b>　　(4-19)</b></p><p>　　且有

65、</p><p><b>　　∴總傳質(zhì)單元度 </b></p><p><b>　　(4-20)</b></p><p>　　總傳質(zhì)單數(shù) (4-21)</p><p><b>　　填料層高度</b></p>

66、;<p><b>　　(4-22)</b></p><p><b>　　塔高 </b></p><p><b>　　(4-23)</b></p><p>　　通過優(yōu)化得到 NOL=10.625，h0=11.353m。</p><p><b>　　第

67、五節(jié) 費(fèi)用的計算</b></p><p><b>　　系統(tǒng)的年總費(fèi)用</b></p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中 J1——吸收塔塔體和平臺扶梯年折舊及維修費(fèi)用；</p><p>　　J2——填料年折舊費(fèi)用；</p><p>

68、;　　J3——離心泵年折舊和維修費(fèi)用及操作費(fèi)用；</p><p>　　J4——風(fēng)機(jī)年折舊和維修費(fèi)及操作費(fèi)用；</p><p>　　J5——吸收劑費(fèi)用。</p><p>　　以上各費(fèi)用的單位均為元/a。 </p><p>　　一、吸收塔塔體和平臺扶梯年折舊及維修費(fèi)用</p><p><b>　?。?-2）<

69、;/b></p><p>　　式中 Fm——材質(zhì)因子，無因次，其值見表5-1；</p><p>　　WS——吸收塔塔體質(zhì)量，kg；</p><p>　　D——吸收塔塔內(nèi)徑，m；</p><p>　　Lt——吸收塔的切線長度，m；取Lt=1.5h0 </p><p>　　Fc——設(shè)備年折舊率，取1/3；<

70、/p><p>　　Me——匯率，Me=6.8273元/美元 （2010年05月14日數(shù)據(jù)）</p><p>　　WS可以按照以下公式計算</p><p><b>　　（5-3）</b></p><p>　　式中 TS——吸收塔的塔壁厚度，m；一般取TS≈5mm；</p><p>　　ρ——吸收塔的材

71、料密度，kg/m3；若為碳鋼，則ρ=7860kg/m3；</p><p>　　該式計算范圍為：塔體質(zhì)量為1930～445000kg，直徑在0.91～6.4m，Lt為8.23～12.19m。</p><p>　　表5-1 材質(zhì)因子 </p><p>　　將Fm=1，F(xiàn)c=1/3，Me=6.8273代入式（5-2）并整理得</p><p>&l

72、t;b>　?。?-4）</b></p><p>　　再將Ts=0.005m，ρ=7860kg/m3代入式（5-3）并整理得</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　其中 (5-6)</p><p&

73、gt;　　二、吸收塔填料年折舊費(fèi)用</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　式中 h0——吸收塔填料層高度，m；</p><p>　　Cpa——填料單價，元/m3。取6000元/m3</p><p>　　將有關(guān)參數(shù)值 Cpa=6000，F(xiàn)c=1/3代入式（5-7）并整理得</p>

74、<p><b>　　(5-8)</b></p><p>　　三、離心泵年折舊和維修費(fèi)用及操作費(fèi)用</p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　　式中 b0、b1、b2、b3——分別為離心泵的經(jīng)驗回歸系數(shù)，無因次；</p><p>　　fb——離心泵的校正系數(shù)，無因

75、次；</p><p>　　Nb——離心泵的軸功率，kW；</p><p>　　Cpe——電價，0.52元/(kW·h)；</p><p>　　θ——離心泵年操作時間，h/a。取300×24=7200h/a</p><p>　　不同離心泵回歸系數(shù)和校正系數(shù)見表5-2</p><p>　　表5-2

76、一般離心泵的回歸系數(shù)及適用范圍</p><p>　　將Fc=1/3，b0=2.5779，b1=0，b3=0.3737，b3=-0.03997，fb=1.10，Cpe=0.52，θ=7200代入式（5-9）并整理得</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　離心泵的軸功率可按下式計算</p><p&

77、gt;<b>　?。?-11）</b></p><p>　　式中 Q——吸收液的體積流量，m3/s；</p><p>　　ηb——離心泵的效率；取0.85</p><p>　　H——離心泵的揚(yáng)程，m；</p><p>　　ρL——吸收液的密度，kg/m3；</p><p>　　g——重力加速度，

78、g=9.81kg/(m2·s)。</p><p>　　將ρL=1191.1kg/m3，g=9.81 kg/(m2·s)，ηb=0.85代入式（5-11）并整理得</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　其中 (5-13)</p><p>　　離心泵揚(yáng)

79、程可用下式計算</p><p><b>　　(5-14)</b></p><p>　　式中ΔZ——離心泵升揚(yáng)高度，為填料層高度h0與位高余量（由用戶估算）之和，m，取ΔZ=2h0；</p><p>　　λ——送液管道的摩擦系數(shù)，無因次；</p><p>　　l——送液管道的總長度，等于填料層高度h0與管長余量（由用戶估算

80、）之和，m，取l=h0；</p><p>　　Σle——送液管道的總阻力當(dāng)量長度，m，按兩個閘閥兩個90°彎頭計；</p><p>　　d——送液管道的管徑，m；取0.15m</p><p>　　uL——吸收液在輸液管內(nèi)的流速，m/s。</p><p>　　代入相關(guān)數(shù)據(jù)并整理得</p><p><b&g

81、t;　　(5-15)</b></p><p><b>　?。?-16）</b></p><p>　　其中送液管道的摩擦系數(shù)λ可以根據(jù)下式計算</p><p><b>　　(5-17)</b></p><p>　　式中 e——管材壁面粗糙度，m，不同管材取值見表5-3；取0.15mm<

82、;/p><p>　　Re——雷諾數(shù)，無因次， ,其中μL為吸收液粘度，Pa·s。</p><p><b>　　(5-18)</b></p><p><b>　　(5-19)</b></p><p>　　表 5-3 各種新管材壁面粗糙度的約值</p><p>　　表 5-

83、4 管件和閥門的阻力系數(shù)及當(dāng)量長度數(shù)據(jù)</p><p>　　四、風(fēng)機(jī)年折舊和維修費(fèi)及操作費(fèi)用</p><p><b>　　(5-20)</b></p><p>　　式中 af、bf——風(fēng)機(jī)的經(jīng)驗回歸系數(shù)，無因次；</p><p>　　ff——風(fēng)機(jī)型式或材質(zhì)校正系數(shù)，無因次；</p><p>　　f

84、c——折舊率，取1/3；</p><p>　　Δp——風(fēng)機(jī)風(fēng)壓，Pa；</p><p>　　Vf——?dú)怏w的體積流量，m3/h ， ；</p><p>　　Nf——風(fēng)機(jī)的軸功率，kW。</p><p>　　風(fēng)機(jī)的軸功率按下式計算</p><p><b>　　(5-21)</b></p>

85、<p>　　式中，ηf——風(fēng)機(jī)的效率。取0.75。</p><p>　　風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓Δp包括氣體通過吸收塔填料層的壓降ΔpT、通過液體噴淋裝置和液體再分布器的壓降、通過填料支承板的壓降、通過除沫器的壓降以及氣體入塔、出塔的局部壓降，其中ΔpT是主要組成部分。</p><p><b>　　(5-22)</b></p><p><b

86、>　　(5-23)</b></p><p>　　式中 G’——?dú)怏w的質(zhì)量流量，kg/(m2·s)；</p><p>　　ρG——?dú)怏w的密度，kg/m3。</p><p>　　由于氣體通過其他裝置的壓降不易求得，可以近似認(rèn)為 ， 為校正系數(shù)，通常取1.1～1.2，這里取1.15。</p><p><b>　

87、　綜上，可得</b></p><p><b>　　(5-24)</b></p><p><b>　　五、吸收劑費(fèi)用</b></p><p><b>　?。?-25）</b></p><p>　　式中 L0——吸收劑用量，kg；</p><p>

88、;　　L1——吸收劑損失量，kg；</p><p>　　Cpw——吸收劑的價格，元/kg。取9.2元/kg</p><p><b>　　再求解損失量L1</b></p><p>　　合成氨的轉(zhuǎn)化率為ω=29.13%，PC的損耗量L損=2kg/tNH3。</p><p>　　原料氣中VN2=55000×15%=8

89、250Nm3/h=8250×7200=59400000Nm3/a</p><p><b>　　氮?dú)廪D(zhuǎn)化量</b></p><p><b>　　氨合成量</b></p><p><b>　　PC損耗量</b></p><p><b>　　∴</b>

90、</p><p><b>　?。?-26）</b></p><p>　　綜合以上5類費(fèi)用可得總費(fèi)用， ，即式（5-1）。</p><p>　　優(yōu)化后得到 J1=67575.06元</p><p>　　J2=126834.81元</p><p>　　J3=2696093.22元</p>

91、<p>　　J4=22882.67元</p><p>　　J5=1178351.26元</p><p>　　J=4091737.02元</p><p>　?。ǜ剑簁=1.110000,L=2.731521,D=2.674688,Nol=10.222486,H=10.956693</p><p>　　j1=66508.111133

92、,j2=123124.828423,j3=2724503.413693,j4=22032.480960,j5=1158019.302398,,J=4094188.136607）</p><p><b>　　第六節(jié) 校核</b></p><p>　　一、塔直徑與塔中填料直徑之比</p><p>　　塔直徑與塔中填料直徑之比：</p>

93、<p><b>　　二、液體噴淋密度</b></p><p><b>　　最小噴淋密度：</b></p><p>　　其中：LW,min：最小潤濕速率，LW,min=0.12m3/(m·h)；</p><p>　　at：填料的比表面，m2/m3；</p><p><b&g

94、t;　　代入數(shù)據(jù)得：</b></p><p><b>　　實際噴淋密度：</b></p><p><b>　　比較可知：</b></p><p><b>　　三、強(qiáng)度校核</b></p><p>　?、?筒體材料的厚度計算</p><p>　

95、　選用低合金鋼20R查相關(guān)的數(shù)據(jù)得出：在32℃下，此鋼材的許用應(yīng)力 [σ]t=133MPa。采用帶墊板的單面對接焊縫，局部無損傷，故焊縫系數(shù)5考慮到單面腐蝕，（認(rèn)為腐蝕速度為0.15mm/a），腐蝕余量C2=1.0mm，鋼板厚度負(fù)偏差C1=0.8mm。</p><p><b>　　由相應(yīng)的計算公式得</b></p><p>　　名義厚度：δn=36mm C

96、1=0.8mm</p><p><b>　　圓整值： </b></p><p><b>　　有效厚度： </b></p><p><b>　　封頭厚度的計算</b></p><p>　　選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓型封頭（a=2b），厚度： </p><p>　　名

97、義厚度： δn=36mm</p><p>　?、?塔體的強(qiáng)度與穩(wěn)定計算：</p><p>　?。?）填料層高度： </p><p>　?。?）塔的高度 ： </p><p><b>　?、?質(zhì)量載荷計算：</b></p><p>　　(1)、塔體與裙座的質(zhì)量：</p><p

98、>　　(2)、人孔，法蘭，接管等附件的質(zhì)量：</p><p>　　(3)、內(nèi)構(gòu)件的質(zhì)量：</p><p>　　(4)、保溫層材料(厚度為100mm)的質(zhì)量(ρ保溫=500kg/m3)：</p><p>　　(5)、扶梯，平臺的質(zhì)量:</p><p>　　(6)、操作時塔內(nèi)物料質(zhì)量:</p><p>　　(7)、充

99、水質(zhì)量(32℃時ρH2O=995kg/m3):</p><p>　　(8)、塔器操作質(zhì)量：</p><p>　　(9)、塔器的最大質(zhì)量：</p><p>　　(10)、塔器的最小質(zhì)量：</p><p>　?、?塔體的風(fēng)載荷和風(fēng)力矩：</p><p>　　(1)、風(fēng)力矩的計算公式</p><p>

100、　　K1=0.7 風(fēng)振系數(shù)K2i=1.7</p><p>　　查得合肥地區(qū)的基本風(fēng)壓值 </p><p><b>　　、總彎矩的計算：</b></p><p>　　則由圖計算每一段的總彎矩得：</p><p>　　圖中(0-0)截面的風(fēng)彎矩： </p><p>　　圖中 (1-1)截面

101、的風(fēng)彎矩</p><p>　　圖中 (2-2)截面的風(fēng)彎矩：</p><p>　　圖中（3-3）截面的風(fēng)彎矩：</p><p>　　(3)、塔的自振周期計算：</p><p>　　(4)、地震載荷計算</p><p><b>　　查得：</b></p><p>　　地震影響

102、系數(shù)： </p><p>　　結(jié)構(gòu)綜合影響系數(shù)， ,可不考慮高震型影響。</p><p>　?、?塔體的強(qiáng)度與穩(wěn)定校核：</p><p>　　(1)、塔體危險截面的軸向應(yīng)力計算：</p><p>　　最大彎矩引起的軸向應(yīng)力：</p><p>　　取風(fēng)彎矩和地震彎矩較大來算</p><p&

103、gt;　　(2)、塔體危險截面抗壓強(qiáng)度及軸向穩(wěn)定性計算：</p><p>　　該截面上的最大軸向壓縮應(yīng)力發(fā)生在空塔時：</p><p><b>　　（式中： ）</b></p><p><b>　　由于 ，</b></p><p>　　K——組合系數(shù)；K=1.2</p><p&

104、gt;　　因此，塔體危險截面(1-1)滿足抗壓強(qiáng)度及軸向穩(wěn)定條件。</p><p>　　塔底截面(1-1)抗拉強(qiáng)度的校核：</p><p>　　塔底截面（1-1）的最大拉應(yīng)力:</p><p>　　由上可得，該截面滿足抗拉強(qiáng)度要求。</p><p>　　由以上的各項計算可知，在各種不同危險情況下，塔體壁厚?。?lt;/p><p

105、>　　可以滿足整個塔體的強(qiáng)度，剛度和穩(wěn)定性的要求。</p><p>　?、?裙座的強(qiáng)度和穩(wěn)定計算、校核： </p><p>　　裙座底部0-0截面的軸向應(yīng)力計算： </p><p>　　抗壓強(qiáng)度及軸向穩(wěn)定性驗算：</p><p>

106、;　　K——組合系數(shù)；K=1.2</p><p>　　因此，裙座底部0-0截面滿足抗壓強(qiáng)度及軸向穩(wěn)定性條件裙座焊縫強(qiáng)度校核。</p><p>　?、?水壓試驗時塔的強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗算：</p><p>　　(1)、水壓試驗時塔體 截面的強(qiáng)度校核：</p><p>　　所以，筒體厚度滿足水壓試驗的強(qiáng)度要求。</p><p>

107、;　　(2)、水壓試驗時裙座底部0-0截面強(qiáng)度和軸向穩(wěn)定要求：</p><p>　　由于 ，所以，裙座底部0-0截面強(qiáng)度和軸向穩(wěn)定性能滿足水壓試驗時的要求。 </p><p>　?、?基礎(chǔ)環(huán)板的設(shè)計：</p><p>　　(1)、基礎(chǔ)環(huán)板內(nèi)外徑的確定：</p><p><b>　　外徑：</b></p>

108、<p><b>　　內(nèi)徑： </b></p><p>　　(2)、基礎(chǔ)環(huán)板厚度的設(shè)計：</p><p>　　由于該塔較高，塔底裙座采用加筋結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)環(huán)板采用40個均勻分布的地腳螺栓固定，取筋板的厚度為50mm，則基礎(chǔ)環(huán)上筋板間的距離為：</p><p>　　基礎(chǔ)環(huán)的外伸寬度： </p><p>　　兩筋板間

109、的基礎(chǔ)環(huán)部分的長寬比：</p><p>　　查矩形板力矩計算表，得出：</p><p>　　基礎(chǔ)環(huán)板采用Q235—A鋼，則其厚度為：</p><p><b>　　取</b></p><p>　?、?地腳螺栓的設(shè)計：</p><p>　　計算塔設(shè)備作用在迎風(fēng)面?zhèn)然A(chǔ)上的最小應(yīng)力，根據(jù)以下式子：<

110、;/p><p>　　由于設(shè)備不會傾倒，所以不必采用地價地腳螺栓予以固定 。</p><p><b>　　第七節(jié) 小結(jié)</b></p><p>　　本次化工原理課程設(shè)計，我們小組的任務(wù)是對碳酸丙烯酯（PC）吸收合成氨原料氣中二氧化碳（CO2）的脫碳過程填料吸收塔的設(shè)計。在為期三周的時間里，在老師的帶領(lǐng)和幫助、我們小組的團(tuán)隊合作下，終于圓滿地完成了任務(wù)

111、。</p><p>　　第一周剛開始，主要是查找有關(guān)二氧化碳在碳酸丙烯酯中的溶解度平衡數(shù)據(jù)資料，并進(jìn)行計算和擬合，最終得到平衡曲線和平衡方程；然后根據(jù)化工原理上所學(xué)知識，得到操作線方程；再根據(jù)所查資料上的經(jīng)驗公式，對其他參數(shù)進(jìn)行初步計算，得到一系列單關(guān)聯(lián)式。當(dāng)然還有畫圖。</p><p>　　第二周是進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，主要是根據(jù)第一周的成果進(jìn)行整理、編程和反饋計算，并最終得到合理的優(yōu)化結(jié)果。這

112、一周還完成了流程圖的繪制。</p><p>　　第三周是校核驗算，主要是對強(qiáng)度、風(fēng)載、地震等因素的校核。這一周還包括裝配圖的繪制、寫說明書和答辯。</p><p>　　總的來說，這次課程設(shè)計中，我負(fù)責(zé)主要的計算和寫說明書，也參與資料的查找，我們組長負(fù)責(zé)autoCAD畫圖，另一組員負(fù)責(zé)資料查詢和輔助計算，分工還是比較合理的。</p><p>　　同時本次課程設(shè)計讓我受

113、益匪淺，首先，它讓我更加深刻地認(rèn)識到團(tuán)隊合作的重要性和必要性，因為一個人的精力和能力是有限的，只有互相幫助和互相學(xué)習(xí)才有共同的提高。其次它讓我懂得了對待學(xué)習(xí)、工作應(yīng)該有一個嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，尤其有化工行業(yè)中，注意細(xì)節(jié)，也許就是決定成敗的關(guān)鍵。</p><p>　　最后，感謝劉雪霆老師和吳翠明老師這三個星期以來對我們給予的幫助和支持！</p><p>　　第八節(jié) 優(yōu)化程序與運(yùn)行結(jié)果</p&g

114、t;<p><b>　　優(yōu)化程序：</b></p><p>　　#include "stdio.h"</p><p>　　#include "math.h"</p><p>　　void main()</p><p><b>　　{</b><

115、;/p><p>　　double l,Wl,d,uf,aw,kl,kxa,hol,ho,ws,lt,nb,j,j1,j2,j3,j4,j5;</p><p>　　double y,x,xe,k,n,X,Y,Nol,m,x1,X1;</p><p>　　double ul,re,xy,h,q,p1,nf;</p><p>　　for(k=1.00;

116、k<=2.00;k=k+0.01)</p><p><b>　　{ </b></p><p>　　n=k*5.15433;</p><p>　　X1=0.08245/k+0.00002;</p><p>　　x1=X1/(1+X1);</p><p><b>　　Nol=0.0;&

117、lt;/b></p><p>　　for(x=0.00002;x<=x1;x=x+0.00001)</p><p><b>　　{ </b></p><p>　　X=x/(1-x);</p><p>　　Y=n*X-0.0001031*k+0.00604;</p><p>　　y=Y/

118、(1+Y);</p><p>　　xe=(3.9382-sqrt(15.50942-0.0776*y))/0.0388;</p><p>　　m=0.00001/(xe-x);</p><p>　　Nol=Nol+m;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　l=2.46083

119、*k;</p><p>　　uf=pow(10,(0.36568-1.09158*pow(k,0.25)));</p><p>　　d=1.12175*sqrt(1/uf);</p><p>　　Wl=129.98502*l/(d*d);</p><p>　　aw=103-103*exp(-0.85921*pow(Wl,0.4));</

120、p><p>　　kl=0.0004283*pow(Wl/aw,(2/3));</p><p>　　kxa=12.54659*kl*(aw);</p><p>　　hol=1.27323955*l/(kxa*d*d);</p><p>　　ho=1.2*hol*Nol;</p><p>　　lt=ho*1.5;</p&

121、gt;<p>　　ws=123.46459*d*(lt+0.8116*d);</p><p>　　j1=2.27577*(exp(6.488+0.21887*log(ws)+0.02297*log(ws)*log(ws))+1017*pow(d,0.7396)*pow((lt),0.206841));</p><p>　　j2=1570.79633*ho*d*d;</p

122、><p>　　ul=4.85023*l;</p><p>　　re=81027.211*ul;</p><p>　　xy=0.1*pow(0.001+68/re,0.23);</p><p>　　h=2*hol+(hol+13.2)*xy*ul*ul/2.943+205.39696;</p><p>　　q=0.08571

123、*l;</p><p>　　nb=13.74670*q*h;</p><p>　　j3=0.36667*pow(10,2.5779+0.3737*log10(nb)*log10(nb)-0.03997*log10(nb)*log10(nb)*log10(nb))+3744*nb;</p><p>　　p1=2203.74472*pow(d,-1.6)*ho;<

124、/p><p>　　nf=0.00106*p1;</p><p>　　j4=66.29841*pow((p1),0.41)+3744*nf;</p><p>　　j5=8608.4873*d*d*ho+483254.2157;</p><p>　　j=j1+j2+j3+j4+j5;</p><p>　　printf(&quo

125、t;k=%f D=%f Nol=%f H=%f J=%f\n",k,d,Nol,ho,j);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　運(yùn)行結(jié)果：</b></p><p>　　k=1.00000

126、0 D=2.587296 Nol=24.294574 H=25.097525 J=4763944.065956</p><p>　　k=1.010000 D=2.595407 Nol=19.395619 H=20.108579 J=4438125.952703</p><p>　　k=1.020000 D=2.603483 Nol=17.118723 H=17.810

127、808 J=4305333.708501</p><p>　　k=1.030000 D=2.611525 Nol=15.601983 H=16.289413 J=4227953.271015</p><p>　　k=1.040000 D=2.619534 Nol=14.461316 H=15.150472 J=4177767.984979</p><p