水吸收变换气的填料塔装置设计.doc

1 水吸收变换气的填料塔装置设计 1 前言 填料塔不但结构简单 且流体通过填料层的压降较小 易于用耐腐蚀材料制造 所以它特别适 用于处理量小 有腐蚀性的物料及要求压降小的场合 液体自塔顶经液体分布器喷洒于填料顶部 并在填料的表面呈膜状流下 气体从塔底的气体口送入 流过填料的空隙 在填料层中与液体逆流 接触进行传质 因气液两相组成沿塔高连续变化 所以填料塔属连续接触式的气液传质设备 1 2 设计方案的确定 2 1 操作条件的确定操作条件的确定 2 1 1 吸收剂的选择 因为用水作吸收剂 同时 CO2不作为产品 故采用纯溶剂 2 1 2 装置流程的确定 用水吸收 CO2属于中等溶解度的吸收过程 故为提高传质效率 选择用逆流吸收流程 2 1 3 填料的类型与选择 用不吸收 CO2的过程 操作温度低 但操作压力高 因为工业上通常选用塑料散装填料 在塑 料散装填料中 塑料阶梯填料的综合性能较好 故此选用 DN38 聚丙烯塑料阶梯环填料 2 1 4 操作温度与压力的确定 30 1 6MPa 绝 3 工艺计算 3 1 基础物性数据基础物性数据 3 1 1 液相物性数据 对于低浓度吸收过程 溶液的物性数据可近似取水的物性数据 查得 2 303K 时水的有关物性 数据如下 密度 995 7kg m 粘度 0 801 10 3Pa s 2 87kg m h 表面张力 71 2mn cm 922752kg h3 CO2在水中的扩散系数为 DL 2 31 10 9m2 s 8 316 10 6m2 h 3 1 2 气相物性数据 2 混合气体的平均摩尔质量为 Mvm yiMi 0 28 44 0 025 28 0 472 2 0 223 28 20 208kg kmol 混合气体的平均密度 3 1600 20 208 12 835 8 314 303 vm PMvm kg m RT 混合气体粘度近似取空气粘度 手册 30 空气粘度为 5 V 1 86 100 0668 pa skgm h 查手册 3 得 CO2在空气中的扩散系数为 522 V D1 66 10 0 060 msmh 由手册查得 30 时 CO2在水中的亨利系数 E 188MPa 相平衡常数为 m 5 117 6 1 188 P E 溶解度系数为 H 43 5 995 7 2 94 10 1 88 1018 s kmolmkPa EM 3 2 物料衡算物料衡算 进塔气相摩尔比为 Y1 389 0 28 0 1 28 0 出塔气相摩尔比为 Y2 0 5 0 00503 1000 5 进塔惰性气相流量为 V hkmol 84 115 28 01 303 273 4 22 4000 该吸收过程为低浓度吸收 平衡关系为直线 最小液气比按 12 min12 YYL VYmX 对于纯溶剂吸收过程 进塔液组成为 X2 0 12 min12 0 3890 00503 115 98 0 389 117 50 YYL VYmX 取操作液气比为 L V 1 8 L V min 1 6 115 98 185 57 L 185 57 115 84 21496 43kmol h V Y1 Y2 L X1 X2 X1 115 84 0 389 0 00503 0 00207 21496 43 3 3 填料塔的工艺尺寸计算填料塔的工艺尺寸计算 3 3 1 塔径计算 采用 Eckert 通用关联图计算泛点气速 3 气相质量流量为 WV 4000 12 835 51340kg h 液相质量流量可近似按纯水的流量计算 即 WL 21496 43 18 02 387365 67kg h Eckert 通用关联图横坐标为 0 50 5 387365 6712 835 0 857 51340995 7 VL VL W W 查埃克特通用关联图得 2 0 2 0 024 VFF L L u g 查表 3 1 散装填料泛点填料因子平均值得 1 115 F m 0 20 2 0 0240 024 9 81 995 7 0 408 115 1 12 835 0 801 L F FVL g um s 取 u 0 8uF 0 8 0 408 0 3264m s 由 44 4000 3600 2 08 3 14 0 3264 S V Dm u 圆整塔径 取2 1D m 泛点率校核 u 2 4000 3600 0 321 0 785 2 1 m s 在允许范围内 0 321 100 78 68 0 408 F u u 填料规格校核 2100 55 2368 38 D d 液体喷淋密度校核 4 取最小润湿速率为 LW min 0 08m3 m h 查表 3 2 塑料阶梯环特性数据表得 型号为 DN38 的阶梯环的比表面积 at 132 5m2 m3 Umin LW minat 0 08 132 5 10 6m3 m2 h U min 2 387365 67 995 7 112 37 0 785 2 1 U 经校核可知 填料塔直径 D 2100mm 合理 表 3 1 散装填料泛点填料因子平均值 填料因子 1 m 填料类型 DN16DN25DN38DN50DN76 金属鲍尔环410 117160 金属环矩鞍 170150135120 金属阶梯环 160140 塑料鲍尔环55028018414092 4 塑料阶梯环 260170127 瓷矩鞍1100550200226 瓷拉西环1300832600410 表 3 2 塑料阶梯环特性数据 填料名称规格 直径 高 厚 mm材质及堆积方式比表面积 m2 m3空隙率 m3 m3湿填料因子 m 1 阶梯环25 12 5 1 4塑料乱堆2230 90172 阶梯环38 5 19 1塑料乱堆132 50 91115 3 3 2 填料层高度计算 Y mX1 117 5 0 00207 0 243 Y mX2 0 1 2 脱因系数为 S 117 5 115 84 0 633 21496 43 mV L 气相总传质单元数 NOG 12 22 1 ln1 1 YY SS SYY 10 3890 ln 1 0 633 0 633 1 0 6330 005030 9 18 气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算 0 10 20 750 05 22 2 1 exp1 45 wcLtLL tLtLLLLt aU aUU aaga 查表 3 3 常见材质的临界表面张力值表得 c 33dyn cm 427680kg h2 液体质量通量为 2 2 387365 67 111895 57 0 785 2 1 L Ukgmh 0 050 2 0 750 1 22 28 427680111895 57111895 57132 5111895 57 1 exp1 45 922752132 5 2 87995 71 27 10995 7 922752 132 5 w t a a 0 68 吸收系数由下式计算 RT Da Da U K Vt VV V Vt V G 3 17 0 237 0 质量通量为 2 2 4000 12 835 14830 22 0 785 2 1 V Ukgmh 0 71 3 14830 220 0668132 5 0 060 0 237 132 5 0 066812 835 0 0608 314 303 G K 5 0 0607kmol m3 h kPa 吸收系数由下式计算 3 12 13 2 0095 0 L L LL L LW L L g Da U K 1 3 2 31 2 8 6 111895 572 872 87 1 27 10 0 0095 0 68 132 5 2 87995 7 8 316 10995 7 L K 2 10m h 1 1 WGG aKaK 查表 3 4 常见填料的形状系数表得 45 1 1 1 WGG aKaK 1 13 0 0607 0 68 132 5 1 458 23 kmolmh kPa 0 40 4 2 10 0 68 132 5 1 45219 53 LLW K aK ah u uF 78 68 50 aK u u aK G F G 4 1 5 05 91aK u u aK L F L 2 2 5 06 21 得 1 4 3 1 9 50 7868 0 58 2321 84 G K akmolmh kPa 得 2 2 1 2 60 7868 0 5219 53256 10 L K ah 3 11 0 0750 1111 21 840 000294 256 1 G GL K akmlmh kPa K aHK a HOG 2 115 84 0 28 0 0750 1600 0 785 2 1 YG VV m K aK aP Z HOGNOG 0 28 9 18 2 5704m 得 Z 1 5 2 5704 3 8556m 取填料层高度为 Z 4m 查表 3 5 散装填料分段高度推荐值表 对于阶梯环填料 hmax 6m15 8 D h 取 h D 8 则 h 8 2100 16800mm 计算得填料层高度为 4000mm 6000mm 故不需分段 表 3 3 常见材质的临界表面张力值 材质碳瓷玻璃聚丙烯聚氯乙烯钢石蜡 表面张力 56617333407520 6 mN m 表 3 4 常见填料塔的形状系数 填料类型球形棒形拉西环弧鞍开孔环 值0 720 7511 191 45 表 3 5 散装填料分段高度推荐值 填料类型h DHmax m 拉西环2 5 4 矩鞍5 8 6 鲍尔环5 10 6 阶梯环8 15 6 环矩鞍5 15 6 3 4 填料层压降计算填料层压降计算 散装填料的压降值可由埃克特通用关联图计算 计算时 先根据气液负荷及有关物性数据 求 出横坐标值 再根据操作空塔气速 U 用有关物性数据 求出纵坐标 50 L V V L W W 值 通过作图得出交点 读出过交点的等压线数值 即得出每米填料层压降值 2 0 2 VP L L u g 用埃克特通用关联图计算压降时 所需填料因子与液体喷淋点密度有关 为了工程计算的方便 5 常采用与液体喷淋密度无关的压降填料因子平均值 埃克特通用关联图横坐标为 0 857 50 L V V L W W 查表 3 6 散装填料压降填料因子平均值表得 1 116 m P 22 0 20 2 0 321116 1 12 835 0 8010 015 9 81995 7 VP L L u g 查通用关联图得 P Z 410Pa m 填料层压降为 P 410 4 1640Pa 查此图时 一定要看好 最好用两个直角板找到横坐标和纵坐标的交点 在估计出合理的等压 线数值 表 3 6 散装填料压降填料因子平均值 7 填料因子 1 m 填料类型 DN16DN25DN38DN50DN76 金属鲍尔环306 11498 金属环矩鞍 13893 47136 金属阶梯环 11882 塑料鲍尔环34323211412562 塑料阶梯环 17611689 瓷矩鞍环700215140160 瓷拉西环1050576450288 3 5 吸收塔接管尺寸计算吸收塔接管尺寸计算 一般管道为圆形 d 为内径 水流速为 0 5 3m s 常压下气体流速 10 30m s 则气体进口直径 1 44 4000 218 3 14 3600 20 V dmm u 气体出口直径 d2 d1 220mm 喷液进口直径 3 44 387365 67 995 7 525 3 14 3600 0 5 V dmm u 喷液出口直径 d4 d3 540mm 排液口直径 d5 d3 2 270mm 泵的选型由计算结果可以选用 IS100 80 125 型的泵 3 6 附属设备附属设备 3 6 1 除雾沫器 穿过填料层的气体有时会夹带液体和雾滴 因此需在塔顶气体排出口前设置除沫器 以尽量除 去气体中被夹带的液体雾沫 CO2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 丝网除雾沫器 一般取丝网厚度 H 100 150mm 气体通过除沫器的压降约为 120 250pa 通过丝网除沫器的最大速 995 7 12 835 0 0850 744 12 835 LG G ukm s 实际气速为最大气速的 0 75 0 8 倍 所以实际气速 u 0 75 0 744 0 558m s 3 6 2 液体分布器简要设计 8 1 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 故选用槽式液体分布器 2 液体再分布器 本设计任务液相负荷不大 可选用排管式液体分布器 且填料层不高 可不设液体再分布器 3 6 3 填料支承装置 填料支承结构用于支承塔内填料及其所持有的气体和液体的重量之装置 对填料的基本要求是 有足够的强度以支承填料的重量 提供足够的自由截面以使气液两相流体顺利通过 防止在此产生 液泛 有利于液体的再分布 耐腐蚀 易制造 易装卸等 常用填料支承板有栅板式和气体喷射式 此设计塔径及液体负荷不大 可采用较简单的栅板型支承板及压板 3 6 4 填料限定装置 为防止在上升气流的作用下填料床层发生松动或者跳动 需在填料层上方设置填料压紧装置 对于塑料散装填料 本设计选用创层限制板 3 6 5 塔附属高的确定 塔的附属空间高度主要包括塔的上部空间高度 安装液体分布器和液体再分度器所需的空间高 度 塔的底部空间高度以及塔的群坐高度 塔的上部空间高度是指塔填料层以上 应有一足够的空 间高度 以使随气流携带的液滴能够从气相中分离出来 该高度一般取 1 2 1 5 安装液体再分布器 所需的塔空间高度依据所用分布器的形式而定一般需要 1 1 5m 的高度 塔的底部空间高度是指塔底最下一块塔板到塔底封头之间的垂直距离 该空间高度含釜液所占 的高度及釜液面上方的气液分离高度的两部分 釜液所占空间高度的确定是依据塔的釜液流量以及 釜液在塔内的停留时间确定出空间容积 然后根据该容积和塔径计算出塔釜所占的空间高度 塔底液相液相停留时间按 1min 考虑 则塔釜液所占空间为 1 2 1 60 21496 43 18 1 88 0 785 3600 995 7 2 1 hm 考虑到气相接管所占的空间高度 底部空间高度可取 2m 以塔的附属空间高度可以取 4 2m 3 6 6 人孔 公称压力公称直径密封面型标准号 常压450mm平面 FS HG21515 95 9 4 设计结果汇总 物性数据 气相平衡数据 物料蘅算数据 工艺数据 填料塔附件 液相气相 液体密度995 7kg m3 混合气体平均 摩尔质量 20 208kg kmol 液体粘度2 87kg m h 混合气体的平 均密度 12 835kg m3 液体表面张力922752kg h3 混合气体的粘 度 0 0668kg mh CO2在水中的扩散系 数 8 316 10 6m2 h CO2在空气中 的扩散系数 m2 h 重力加速度1 27 108m h CO2在水中的亨利系数 E kpa 相平衡常数 m 溶解度系数 H kmol kPam3 1 88 103117 50 000294 Y1Y2X1X2 气相流量 G kmol h 液相流量 L kmol h 最小液气比操作液气比 0 3890 005030 002070115 8421496 43115 98185 57 气相质量流量 kg h 液相质量流量 kg h 塔径 m 气相总传质单 元数 气相总传质单 元高度