化工原理课程设计 吸收塔

1、化工原理设计 化工原理课程设计课 题: 设计水吸收半水煤气体混合物中的二氧化碳的填料吸收塔 设计者： 王 涛 学 号： 1043082002 指导老师： 曹丽淑 目录第一章 设计任务3 1.1设计题目3 1.2设计任务及操作条件3 1.3设计内容3第二章 设计方案4 2.1设计流程的选择及流程图4第三章 填料塔的工艺设计4 3.1气液平衡关系4 3.2吸收剂用量5 3.3计算热效应5 3.4定塔径6 3.5喷淋密度的校核6 3.6体积传质系数的计算7 3.7填料层高度的计算8 3.8附属设备的选择9第四章 设计结果概要15第五章 设计评价 17 第一章 设计任务1.1、设计题目设计水吸收半水煤

2、气体混合物中的二氧化碳的填料吸收塔1.2、 设计任务及操作条件（一）气体混合物1.组成（如表1所示）：组分CO2H2 N2 CH4CO O2进塔气体（V%）10.9 65.3 21 0.5 2.2 0.12.气体量：4700Nm3h3.温度：30°C4.压力：1800KNm2 (二)气体出口要求（V%）：CO20.63% (三)吸收剂：水1.3、设计内容设计说明书一份，其内容包括：1. 目录2. 题目及数据3. 流程图4. 流程和方案的选择说明与论证5. 吸收塔的主要尺寸的计算，注明计算依据的公式、数据的来源6. 附属设备的选型或计算7. 设计评价8. 设计结果9. 参考文献 第二章

3、 设计方案2.1、吸收流程的选择及流程图本设计混合原料气溶质浓度不高，同时过程分离要求不高，选用一种吸收剂（水）一步流程即可完成吸收任务。由于逆流操作传质推动力大，这样可减少设备尺寸，并且能提高吸收率和吸收剂使用效率，故选择逆流吸收。由于本任务吸收后的CO2要用以合成尿素，则需对吸收后的溶液解吸以得到CO2,同时溶剂也可循环使用。 水吸收CO2工艺流程图(图1)1- 吸收塔；2-富液泵；3-贫液泵；4-解吸塔 第三章 填料塔的工艺设计3.1、气液平衡关系 由于此操作在高压下进行,高压环境对理想气体定律有偏差,故需对压力进行校核:由化工原理设计导论查得CO2的临界温度Tc=304K，临界压力Pc

4、=7.38MPa则其对比温度Tr= T(Tc+8) = 303.15304+8 =0.9716 对比压力Pr= P(Pc+8) =1873.8+8 =0.2200 查化工原理设计导论图2-4得在此温度压力下: 逸度系数=0.92 则逸度f=p=1800×0.92=1656KPa 查化工原理下册得CO2气体在30时溶于水的亨利系数E=188000KPa 相平衡常数m= Ef =1880001656 =113.5266则可得在此条件下气液平衡关系为： Y= mX1+(1-m)X =113.5266X1-112.5266X3.2、吸收剂用量 进塔CO2摩尔分数：y1=10.9%=0.109

5、进塔CO2摩尔比：Y1= y11-y1= 0.1091-0.109 =0.1223出塔CO2摩尔分数：y2=0.63%=0.0063出塔CO2摩尔比：Y2=y21-y2= 0.00631-0.0063 =0.0063混合气体体积流量：qv=4700Nm3/h混合气体中惰性气体流量:V=470022.4×（1-0.109）=186.9509Kmolh出塔液相浓度最大值: X1*=X1max= Y1m-1-mY1 = 0.1223113.5266-(1-113.5266) =0.0010 对于纯水吸收过程：X2=0则最小液气比：（LV）min= Y1-Y2X1*-X2 = 0.1223-

6、0.00630.0010 =116.0000由LV = (1.12)（LV）min： 取L11=1.3Lmin=1.3×116.0000×186.9509=28192.1957Kmolh L21=1.5Lmin=1.5×116.0000×186.9509=32529.4566KmolhL31=1.8Lmin=1.8×116.0000×186.9509=39035.3479Kmolh 则由物料衡算公式V(Y1-Y2)=L(X1-X2)： X11= V(Y1-Y2)L = 186.9509×(0.1223-0.0063)2819

7、2.1957 =0.00077 X21= V(Y1-Y2)L =186.9509×（0.1223-0.0063）32529.4566 =0.00067 X31= V(Y1-Y2)L =186.9509×（0.1223-0.0063）39035.3479 =0.00056以下计算以第一组数据(L11,X11)为例3.3、计算热效应 水吸收CO2的量：GA=V(Y1-Y2)=186.9509×（0.1223-0.0063）=21.6863Kmolh查化工原理设计导论图4-5得CO2的溶解热q=97KcalKg查化工原理上册附录5，得水的Cp=4.174KJ（Kg

8、83;K）则由L×18×Cp×t=GA×44×q×4.18 得：t1= 21.6863×44×97×4.1828192.1957×18×4.174=0.1827 同理可求得t2=0.1583，t3=0.1319。 由于t1，t2，t3均小于1。所以温度变化不大，故此过程可视为等温吸收过程。3.4、确定塔径a.确定混合气体的密度混合气体平均摩尔质量：查化工原理上册附录4得各组分的临界压力Pc与临界温度Tc：（如表二所示）CO2H2N2CH4CO 02PC(MPa)7.381.303.39

9、4.623.505.04TC (K)30433.3126191133155 各组分临界压力与临界温度（表二）混合气体的平均摩尔质量：M=0.109×44+0.653×2+0.21×28+0.005×16+0.022×28+0.1×32=12.7100Kg/Kmol混合气体假临界压Pcm=0.109×7.38+0.653×1.30+0.21×3.39+0.005×4.62+0.022×3.50+0.001×5.04=2.4470MPa 混合气体假临界温度：Tcm=0.109&#

10、215;304+0.653×33.3+0.21×126+0.005×191+0.022×133+0.001×155=85.3769K则对比温度Tr= TTcm =303.1585.3769 =3.5507 对比压力Pr= PPcm = 1.82.4470 =0.7356由化工原理设计导论图2-1得压缩系数Z=1混合气体密度V= PMZRT = 1800×12.71001×8.314×303.15 =9.0772Kg/m3b.确定填料：选择塑料鲍尔环填料，规格：外径×高×厚(mm)=38×

11、;38×1干填料因子a3=220 m-1比表面积a=155m2/m3关联系数A=0.0942c.计算泛点空塔气速uf: 由化工原理上册附录查得吸收剂水在30°C的液体粘度： L=0.8007mPa·s混合气体质量流速：GV=M·V=12.7100×4700/22.4=2666.8304 Kg/h吸收剂质量流速：GL11= M·L=18×28192.1957=507459.5226Kg/h。同理可求得GL21=585530.2188 Kg/h，GL31=702636.2622Kg/h 由Bain-Hougen关联式：lguf2

12、g·a3·vL·L0.2=A-1.75GLGV0.25·VL0.125 代入数据： lguf29.81·220·9.0817995.7·0.80070.2=0.0942-1.757521962.42666.83040.25·9.0772995.70.125 求得：uf1 =0.0785m/s，同理可求得uf2=0.0675m/s, uf3=0.0552m/sd.取U=0.8uf ， 则u1=0.8uf=0.8×0.0785=0.0628m/s,同理可得， u2=0.0540m/s, u3=0.0442m/

13、s该操作条件下气体体积流量：Vs=4700x30+273.15x101.325273.15x1800x3600=0.0816m3/s则D1=4Vsu1=4×0.08163.14×0.0628 =1.2866m圆整后（化工原理设计导论p123）:D1=1.3m,同理可得，D2=1.4m，D3=1.6m3.5、喷淋密度的校核 对于直径小于76mm的环形填料，其最低润湿率LW=0.08m3(m·h) 则最小喷淋密度Umin=LW·a=0.08×155=12.4m3(m2·h) U1=GL11L××D124 =4×

14、;507459.5226995.7×3.14×1.32 =384.1639m3(m2·h)Umin，同理可得， U2=382.2039m3(m2·h)Umin，U3=351.1498m3(m2·h)Umin 故符合要求。3.6、体积传质系数的计算由于传质阻力主要集中在液相，即此过程为液膜控制过程，则有KLkL 故此处计算液相传质系数kL即可.采用恩田式计算： 液相扩散系数（化工原理设计导论式2-36）： DL=1.173×10-13(M)0.5TLVm0.6 = 1.173×10-13×(2.6×18)0

15、.5×303.150.8007×0.0340.6 =2.3106×10-9m2/s 液相流率： WL1=4GL11D12=4×507459.5226×1.32=382511.9833 Kg/(m2·h)，同理可得， WL2=380560.3918 Kg/(m2·h)， WL3=349639.8598 Kg/(m2·h)由化工原理附录知：水在30时，水的表面张力L=72.6×10-3N/m=940896kg/h2填料材质的临界表面张力：填料总比表面积：水的黏度：L=2.8825Kg/(mh)重力加速度：水的

16、密度：L= 填料湿润表面积（参考书目 式6-40）： aw1=a 1-exp-1.45(CL)0.75(WL1aL）0.1（WL1aL2g）-0.05（WL12La)0.2 =155× 1-exp-1.45×(427680940896)0.75×382511.9833155×2.88250.1×382511.9833×155995.72×127137600-0.05×382511.98332995.7×940896×1550.2 =127.2645m2m3同理可得，aw2=127.1668m2m

17、3，aw3=125.5274m2m3 由此可得液相传质系数（参考书目 式6-46） kL1=0.0095×382511.98331272645X2.882523×2.8825995.7×8.3182×10-6-12×2.8825×127137600995.713×1.360.4=4.2437m/h同理可得，kL2=4.2315m/h, kL3=4.0338m/h 即：KL1kL1, KL2kL2, KL3kL3,又CM=LML=995.718=55.3167Kmol/m3 总传质系数：Kx1=KL1CM=3.7526

18、5;995.718=234.7475kmol(m2·h),同理可得， Kx2=234.0726kmol(m2·h)， Kx3=223.1365 kmol(m2·h)3.7、填料层高度的计算塔的截面积得： 1=14D2=14×1.32=1.3267m2,同理，有 2=1.5386m2， 3=2.0096m2 传质单元高度：HOL1=LKxaw=28192.1957234.7475×127.2645×1.3267=0.7113m，同理可得， HOL2=0.7103m，HOL3=0.6935m 传质单元数NOL的计算：（对数平均推动力法）由

19、气液平衡方程Y= 113.5266x1-112.5266x,并带入Y2：0.0063= 113.5266X2*1-112.5266X2* X2*=0.0000551 X1=X1*-X1=0.0010-0.00077=0.00023 X2=X2*-X2=0.0000551-0=0.0000551 Xm1=X1-X2InX1X2=0.00023-0.0000551In0.000230.0000551=0.0001224，同理可得，Xm2=0.0001536， Xm3=0.0001853 则NOL1=X1-X2Xm1=0.00077-00.000114=6.2908，同理可得，NOL2=4.3620

20、，NOL3=3.0221 故：填料层高度Z1=HOL1·NOL1=0.7113×6.2908=4.4746m，同理可得，Z2=3.0982m， Z3=2.0958m以同样方法计算另外两组数据,求得后列总结为下表: L(Kmolh)X1uf(m/s)u(m/s)D(m)Z(m)28192.19570.000770.07850.06281.34.474632529.45660.000670.06750.05401.43.098239035.34790.000560.05520.04421.62.0958 部分主要数据（表三）经综合考虑以上三种液气比所需的设备费和操作费，最终选择

21、第一组。3.8计算填料层阻力：由此可以确定填料层高度h=1.2×Z1=1.2×4.4746m=5.4m气体质量流速：GV=2666.8304kg/h=2666.83041.326650=2010.1989kg(m2·h)吸收剂的质量流量：L=507459.5226 kg/h=507459.52261.326650=382511.9833kg(m2·h)液体密度：L=995.7kg/m3 气体密度：v=9.0772 kg/m3 由公式得： =1.21X10-6×5.4×(2010.198929.0772)×100.967

22、15;10-2×382511.9833995.7 =15085.8604pa3.9、附属设备的选择 a.液体喷淋装置：a.1设计思路：在填料塔内液体的分布对对操作起着非常重要的作用，即使选择了合适的填料，如果液体分布不良，必然减小填料的有效润湿表面，减小气液两相的有效接触面积，直接影响塔的分离效率。为了减少由于液体不良分布引起的放大反应，充分发挥填料的效率，必须在填料塔中安装液体分布装置，把液体均匀地分布于填料层顶部液体初始分布的质量不仅影响填料的传质效率，而且还会对填料的操作弹性产生影响。所以塔顶喷淋装置的设计既要要求结构简单，又要将液体均匀地喷洒在填料上，操作时本上不宜赌赛不产生

23、过细的雾滴。且由于操作塔径为1.3m，故采用盘式液体分布器。a.2设计计算：a.2.1液体进出口管径：液体进出管接口： ,L=18×28192.1957995.7=509.6510m3/h由于是泵输送，所以取uL=2.5ms则：dL=4LuL=4×509.65103.14×2.5×3600=0.2686m按照热轧无缝钢管标准（GB8163-87），液体进出管接口尺寸299mm× 15mm, 无缝钢管299mm×15mm的内径：d=299-15×2=269mm, 校验液体进出管接口速度：液体在管中的实际流速：uL=4LdL2

24、= 4×509.65103600x3.14x0.2692=2.4923 ms, 故选用299mm×15mm钢管a.2.2分布板直径：分布板直径D1=0.8×1.3m=1040mma.2.3分布板开孔数：且液体流量：L=0.1416m3/s流量系数 盘上小孔直径板上液体高度则孔数：n=L0.7852gHd0 2 = 0.14160.785×0.6×0.0082x2x1.3x9.81x16 =2279其结构图如图2和图3所示：盘式液体分布器 筛孔式（图2）喷头俯视图（图3）b. 填料支撑板：填料支撑装置的作用是支撑塔内的填料和塔上的持液量，同时又能

25、保证气液两相顺利通过。支撑板应有足够的机械强度和耐腐蚀能力。栅板式支撑装置是有竖立的扁钢条焊接而成。扁钢条的间距应为填料外径的0.60.7倍。为防止填料从栅板条间空隙漏下，在装填料时，先在栅板上铺上一层孔眼小于填料直径的粗金属丝网。其结构如图4所示： 栅板式支撑装置（图4）C气体入口装置： 填料塔的气体进口既要防止液体倒灌，更要有利于气体的均匀分布。本设计采用进气管伸到塔中心位置，管端切成45度向下斜口或切成向下切口，使气流折转向上。其结构图如图5所示：气体入口装置（图5）气体进出管接口直径： 且VS=4700×303.15×101.325273.15×1800

26、=293.6286m/s因为操作压力为P=1800KN/m2，属高压操作，则uv取20m/s,得： dv=4×293.62863.14×3600×20=0.0721m液体进出管接口：且，L=18×28192.1957995.7=509.6510m3/h取uL=2.5m/s 得：dL=4LuL=4×509.65103.14×2.5×3600=0.2686m由化工原理上册附录知：按照热轧无缝钢管标准（GB8163-87），气体进出管接口尺寸选83mm×5mm；液体进出管接口尺寸299mm×15mm校验气体进出

27、管接口速度：气体进出管接口尺寸选83mm×5mm，选择验算：83mm×5mm无缝钢管的内径：d=83-5×2=73mm气体在管中的实际流速：uv=4VSdv2=4×293.62863.14x0.0732x3600=19.4976ms校验液体进出管接口速度：液体在管中的实际流速：uL=4LdL2 = 4×509.65103600x3.14x0.2692=2.4923 ms,d. 封头： 封头为压力容器的主要受压元件，此处采用椭圆形封头，其由半个椭球和具有一定高度的圆筒形壳体组成，此圆筒形壳体高度一般称为直边高度设置直边高度的目的是为了避免在封头和

28、圆筒形壳体相交的这一结构不连续处出现焊缝，从而避免焊缝边缘应力问题。在制造难以程度上，由于椭圆形封头的深度较浅，冲压成形较易，是目前国内广泛应用的中低压容器的封头形式。如图6 封头结构图（图6）由化工原理课程设计导论JB1154-73查表知：当塔径D=1.3m时，h=40mmmm，H=325mm泵的选择：由299mm×15mm, uL=2.4923ms ,L=0.8007×10-3Pas算得雷诺数:Re=dLuLLL=0.269×2.4923×995.70.8007×10-3=833703查化工原理（上册）P65表2.3得新的无缝钢管的绝对粗糙

29、度。 dL=0.2269=0.00074查化工原理（上册）P64图2.13得且取塔高Z=4.5+1.5+0.325×2=6.65m 取 取局部阻力系数 qv=L×183600L=28192.1957×18995.7×3600=0.1416m3/s HL=pg+z+Kqv2，其中，由于管壁相当于管径很小，所以d2 d1=0.269m 因此得 = 1800-101.325×1000995.7×9.81 + 6.65 + 8×（0.017×150.269+1.67）9.81×3.142×0.2692&

30、#215;0.14162 =180.6153m H额=HL×1.1=180.6153×1.1=198.6768m所以选择ZA200-400A型离心泵：扬程203 mH2O，流量850m3h 第四章 设计结果概要4.1主要符号说明（如表4）：温度，压强，KPa ;亨利系数，KPa;相平衡常数，无因次;吸收液量 kmol/hV气体量空塔速度，m/s ;液泛速度，m/s ;t填料层的有效传质比表面积（m²/m³）填料层的润滑比表面积m²/m³；液膜吸收系数 m/h;液相传质单元高度，m;填料因子， m-1 ; 修正系数，无因次重力加速度，k

31、g/(m².h);液相传质单元数，无因次;填料直径，m；惰性气体流量，kmol/h密度kg/ m³符号说明（表4）4.2主要数据汇总（如表5）： 设计名称水吸收水煤气混合物中的二氧化碳的填吸收呀操作条件操作温度30操作压力1800 KN/m2物料衡算数据Y1Y2X1X2进塔气相流量进塔液相流量0.12230.00630.000770209.8214kmol/h28192.1957kmol/h工艺数据塔径填料层高度填料HOLNOL1.3m4.5m塑料鲍尔环环Dg380.71136.2908填料塔附属设备液体喷淋装置填料支承板气体入口装置封头泵盘式液体分布器栅板式支撑装置管式分布结构椭圆形ZA200-400A型离心泵主要数据汇总 （表五）参考文献： 张洪沅.化工原理设计导论.成都科技大学出版社.1991.4 朱家骅，叶世超，夏素兰等.化工原理.科学出版社.2005.6 匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计.化学