中北大学水吸收二氧化碳填料塔设计.doc

1、 设计方案简介 1.1设计题目试设计一座填料吸收塔，采用清水吸收混于空气中的二氧化碳气体。混合气体的处理量为_3000_m3/h，其中含二氧化碳为_1.5%_（体积分数）。要求：二氧化碳的回收率达到_90%_。 1.2 设计方案的确定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。 1.3 填料的选择 1.3.1 吸收剂的选择吸收剂必须具备的条件：（1） 对被吸收的气体溶质的溶解度要大，选择性要好；（2） 蒸气压必须小，粘度低，不宜发泡；（3） 具有良好的化学稳定性和热稳定性，不易燃，不易爆，安全可靠（4） 对设备的腐蚀性小，尽可能无毒无污染（5） 廉价易得 故综合考虑选用水作吸收剂，同时CO2不作为产品，故采用纯溶剂。 1.3.2 装置流程的确定 水吸收二氧化碳属于低浓度气体的吸收，因为二氧化碳在水中的溶解度比较大，并且用水吸收二氧化碳属于物理吸收过程，所以在常温常压下操作即可达到满意的效果。为了确定二氧化碳的回收率，本次操作采用逆流操作：气相自塔底进入由塔顶排除，液相自塔顶进入由塔底排除，即逆流操作。逆流操作的特点是：传质平均推动力大，传质速率快，分离效率高，吸收剂利用率高。工业生产中多采用逆流操作。其工艺流程为：混合气在常温常压下进入吸收塔底后，经过气体分布装置，与塔顶下来的由泵提升的吸收剂逆流接触，将二氧化硫吸收。 1.3.3 填料的类型与选择 工业塔常用的散装填料主要有Dn16Dn25Dn38Dn50Dn76等几种规格。同类填料，尺寸越小，分离效果越高，但阻力增加，通量减小，填料费用也增加很多。而大尺寸的填料塔应用于小直径塔中，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。 阶梯环的塔径与填料公称直径比值D/d的推荐值为D/d8根据计算得知DN50的聚丙烯塑料阶梯环填料最佳。 1.3.4 操作温度与压力的确定 20，常压, 吸收剂用量为最小用量的1.5倍。2、填料吸收塔的工艺计算 2.1 基础物性数据 2.1.1 液相物性的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，20 时水的有关物性数据如下：(1) 密度L=998.2kg/m (2) 粘度L=0.83610-3Pas=3.6kg/(mh)(3) 表面张力L=72.6dyn/cm=940896kg/h3(4) CO2在水中的扩散系数为DL =1.7710-9m2/s=6.37210-6m2/h 2.1.2 气相物性的数据 混合气体的平均摩尔质量为 Mvm=yiMi=0.015440.98529=29.225混合气体的平均密度 vm= 1.215kg/m3 混合气体粘度近似取空气粘度，手册20空气粘度为 V=1.8110-5Pas=0.065kg/(mh) 查手册得CO2在空气中的扩散系数为 DV=0.044 m2/h2.1.3 气液相平衡数据 由手册查得20时CO2在水中的亨利系数E=1.44105 kPa 相平衡常数为M= 溶解度系数为H= 因相平衡常数较大，经反复核算决定采用七塔并联吸收2.2 物料衡算 进塔气相摩尔比为Y1= 回收率为=90% 出塔气相摩尔比为Y2=0.01523(1-0.9)=1.52310-3 进塔惰性气相流量为V= 该吸收过程为低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比按下式计算即 （对于纯溶剂吸收过程，进塔液组成为 X2=0 （取操作液气比为 L/V=1.51279.35=1919.025 L=1919.025122.9=2.36105kmol/h V (Y1-Y2) = L (X1-X2) X1= 7.1410-62.3.2 填料层高度计算1传质单元数的计算 Y=mX1=1421.57.1410-6=0.0101 Y=mX2=0 脱因系数为 S=0.74 气相总传质单元数 NOG= =3.47 2.传质单元高度的计算 气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算 查聚丙烯阶梯环临界表面张力值表得 c=33dyn/cm=427680kg/h2附表：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, mN /m56617333407520液体质量通量为 UL=2.35105气体的质量通量UV=201.5 =0.7908解得=90.31吸收系数由下式计算 =5.2610-3kmol/(m3hkPa)吸收系数由下式计算 =0.0414m/h 查常见填料的形状系数表得 附表：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 =0.7149kmol/(m3hkPa) =4.3379 kmol/(m3hkPa) u/uF=78.150 由 得=1.8635kmol/(m3hkPa) 得=5.0288kmol/(m3hkPa) = 0.1753kmol/(m3hkPa)HOG= = 0.383mZ=HOG NOG=3.470.383=1.3278mZ=(1.21.5) Z;取Z=1.4 Z得Z=1.41.3278=1.86m取填料层高度为Z=2m查散装填料分段高度推荐值表对于阶梯环填料 hmax6m取 则h=82000=16000mm8000mm计算得填料层高度为2000mm，故不需分段。2.3填料塔的结构设计 2.3.1塔径计算 采用Eckert通用关联图计算泛点气速 气相质量流量为 WV=30001.215=3645kg/h 液相质量流量可近似按纯水的流量计算 即WL=23600018.02=4.253106kg/h Eckert通用关联图横坐标为 因为数值太大，不适宜用Eckert通用关联图计算泛点气速 用贝恩-霍根关联式计算泛点气速 其中： 泛点气速，m/s g重力加速度，9.81m2/s 填料总比表面积，m2/m3 填料层空隙率，m3/m3 A=0.204 K=1.75 计算得 =3.42410-3 uF =0.0585m/s=210.6m/h对于散装填料，其泛点率的经验值=0.50.85设取u=0.8uF=0.80.0585=0.0468m/s=168.5m/h 由4.76m 圆整塔径，取D=4.8m泛点率校核： =78.1(在允许范围内)0.71 Umin经校核可知，塔径D=4.8m合理。2.2.2塔高 填料塔的高度主要取决于填料层的高度，为了保证工程上的可靠性，计算出来的填料层高度还应该加上20%左右的裕度。塔的总高由填料层高度加上各种附属部件的高度及塔顶、塔底的空间高度。 塔顶空间高度是指塔填料层以上，应有足够的高度以使随气流携带的液滴能够从气相分离出来，减少塔出口气体中液体的夹带量。这段高度为填料层上方到塔顶封头之间的垂直距离，一般去1.21.5m. 塔底空间高度是指填料层最底部到塔底封头之间的垂直距离。该空间应保证塔底料液维持一定的高度，以防止气体外泄，一般可取液体的停留时间35分钟。 2.2.3 填料层压降计算由于 所以只能按照另一种方法计算填料层压降,根据图曲线通过散装填料压降曲线查出压降查通用关联图得: u=0.0468m/s ，P/Z= 18Pa/m填料层压降为P=181.86=30.2Pa3液体分布器建简要设计3.1液体分布器的选型由于该吸收塔液相负荷比较大，而气相负荷相对比较低，所以选择用槽式液体分布器。3.2分布点密度计算按照Eckert 建议值，D1200时，喷淋点密度为42点/m2,因为该塔也想负荷比较大，设计取喷淋点密度为76点/m2。布液点数为 N=1374点按分布点集合均匀与流量均匀的原则，进行布点设计。设计结果为二级槽一共设置13道，在槽侧面开孔，槽宽度为10cm。槽高度为20cm,两槽中心距离为20cm。分布点采用三角形排列。布液点示意图，如图。3.3布液计算 由Ls=d02n 取=0.6，H=200mm d0=0.0304m设计取d0= 30mm。 表六 Eckert的散装填料塔分布点密度推荐值塔径,mm分布点密度,点/ m2塔截面D=400330D=750170D1200424、填料塔的附属装置 4.1 填料支承设备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。这里选用梁式气体喷射型支承板。 3.2填料压紧装置 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。3.3液体再分布器-升气管式液体再分布器在离填料顶面一定距离处，喷淋的液体便开始向塔壁偏流，然后沿塔壁下流，塔中心处填料的不到好的润湿，形成所谓的“干锥体”的不正常现象，减少了气液两相的有效接触面积。因此每隔一定的距离设置液体再分布装置，以克服此现象。由于塔径为4800mm，因此可选用升气管式再分布器，分布外径3880mm，升气管数80。3.4气体和液体的进出口装置管道的公称通径758090100120130140160185205235260315（1）气体和液体的进出口直径的计算由公式 Vs 为流体的体积流量，m3/su 为适宜的流体流速，m/s .常压气体进出口管气速可取1020m/s；液体进出口速度可取0.81.5 m/s（必要时可加大）。选气体流速为18 m/s 由VS=3000/3600=0.833 m3/s 代入上公式得d=243mm圆整之后，气体进出口管径为d=260mm选液体流速为1.6 m/s，由VS=23600018.02（3600998.2）=1.18m3/s ,若分4个不同的管道进入,代入上公式得 d=96.9 mm,圆整之后液体进出口管径为d=100 mm（2）底液出口管径：选择 d= 100 mm（3）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考虑到气相接管所占的空间高度，底部空间高度可取4米，所以塔的附属空间高度可以取6米。4、 设计一览表课程设计名称水吸收CO2填料吸收塔的设计操作条件操作温度 20摄氏度操作压力：常压物性数据液相气相液体密度998.2kg/m3混合气体平均摩尔质量29.225kg/kmol液体粘度3.6kg/(m h)混合气体的平均密度1.215kg/m3液体表面张力940896混合气体的粘度0.065kg/(mh)CO2在水中的扩散系数6.37210-6m2/hCO2在空气中的扩散系数0.044m2/h重力加速度1.27108m/h气相平衡数据CO2在水中的亨利系数E相平衡常数m溶解度系数H1.44105 kpa1421.50.0003847kmol/kPam3物料蘅算数据Y1Y2X1X2惰性气体流量V液相流量L最小液气比操作液气比0.015230.0015230.000007140122.9kmol/ h236000 kmol/ h1279.351919.03工艺数据气相质量流量液相质量流量塔径气相总传质单元数气相总传质单元高度填料层高度填料层压降364542530004.8m3.470.383m2.0m30.2pa填料塔附件除沫器液体分布器填料限定装置填料支承板液体再分布器丝网式二级槽式床层限制版分块梁式升气管式第七章 课程设计评论本次课程设计是在生产实习后进行的，是对化学工程的过程设计及设备的选择的一个深层次的锻炼，也是对实际操作的一个加深理解。在设计过程中遇到的问题主要有：（1）未知条件的选取；(2)文献检索的能力；（3）对吸收过程的理解和计算理论的运用；（4）对实际操作过程中设备的选择和条件的最优化；（5）对工艺流程图的理解以及绘制简单的流程图和设备结构；（6）还有一些其他的问题，例如计算的准确度等等。当然，在本次设计中也为自己再次重新的复习化工这门学科提供了一个动力，对化工设计过程中所遇到的问题也有了一个更深的理解。理论和实际的结合也是本次设计的重点，为日后从事相关工作打下了一定的基础。最后，深感要完成一个设计是相当艰巨的一个任务，如何细节的出错都有可能造成实际操作中的经济损失甚至生命安全。设计中问题的评价：(1)对于吸收塔基本尺寸的确定以及数据来源，物性参数，合适取值范围的确定要按具体的实际设计情况来定。(2)对于吸收塔填料装置的材料属性，以及经济效益要综合考虑工艺的可能性又要满足实际操作标准。(3)对于吸收塔的温度的确定，由吸收的平衡关系可知，温度降低可增加溶质组分的溶解度，对于压力的确定，选择常压，减少工作设备的负荷。 通过参与此次课程设计，首先，自我体会到了如何将课本的知识运用到生产生活实际中；其次，由于刚开始时对课程设计的了解不深，致使自身没能很好的通过查阅资料了解到相关的一些信息，从而使得这次课程设计用时过长，并且没能及时地与老师进行沟通，使得在前期的数据处理上与真实值出现较大的出入，而在另一方面也表现出自身对填料塔的吸收过程相关知识要点没能很好的掌握。 在绘制图纸过程中，前期由于数据的更改及操作方式的不熟练，导致较多时间的浪费，而在对网上相关课题的参考并与同学间进行了相互探讨的基础上后，逐渐得出能满足此次设计所需装置的相关示意图。最后，在此感谢孙老师前期对我们在数据处理过程中遇到问题时进行及时的辅导。6、 参考文献1 陈敏恒，丛德兹. 化工原理(上、下册)(第二版). 北京：化学工业出版社，20002 大连理工大学化工原理教研室. 化工原理课程设计. 大连：大连理工大学出版社，19943 柴诚敬，刘国维，李阿娜. 化工原理课程设计. 天津：天津科学技术出版社，19951 陈兰英 李功样 .化工单元操作过程与设备上册 . 广州 ： 华南理工大学出版社 ，2010年8月2 陈兰英 李功样 . 化工单元操作过程与设备下册 . 广州 ： 华南理工大学出版社 ，2010年8月3 陈兰英 李功样 .常用化工单元设备设计第二版 . 广州：华南理工大学出版社，2009年8月（1）林大均，于传浩，杨静化工制图高等教育出版社2007.8（2）贾绍义，柴诚敬化工原理课程设计天津大学出版社2002.8（3）杨祖荣化工原理化学工业出版社2009.67、主要符号说明at填料的总比表面积，m2/m3aW填料的润湿比表面积，m2/m3d填料直径，m；D塔径，m；DL液体扩散系数，m2/s；Dv气体扩散系数，m2/s ； g重力加速度，9.81 m/s2 ； h填料层分段高度，m； HETP关联式常数； hmax允许的最大填料层高度，m； HB塔底空