化工原理课程设计吸收塔

1、?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：+涛学号：1043082002指导老师：曹丽淑目录第一章设计任务？?？?？?？?？?？?？?？?？?？?？?？?？?？?？?？?？?？?？?1.1 设计题目？?？?1.2 设计任务及操作条件？?？?1.3 设计内容？?？?第二章设计方案？?？?2.1设计流程的选择及流程图？?？?？?？?？?？?？?？?？?？?？?？?？?？?？?第三章填料塔的工艺设计?3.1 气液平衡关系？?？?3.2 吸收剂用量？?？?3.3 计算热效应？?？?3.4 定塔径？?？?3.5 喷淋密度的校核?3.6 体积传质系数的计算？?？?

2、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？?？?？?第五章设计评价？?？?？'第一章设计任务1.1、 设计题目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CC2N2CH4CCC2进塔气体V%：10.9165.3210.52.20.12.气体量：4700Nm/h3.温度：30°C4.压力：1800KN/m2二气体出口要求V%:CGK0.63%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 .

3、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,同时过程别离要求不高,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,并且能提升吸收率和吸收剂使用效率,应选择逆流吸收.由于本任务吸收后的CO要用以合成尿素,那么需对吸收后的溶液解吸以得到CO,同时溶剂也可循环使用.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,

4、故需对压力进行校核：由?化工原理设计导论?查得CO的临界温度Tc=304K,临界压力Pc=7.38MPa那么其比照温度Tr=30誓=0.9716(Tc+8)304+8比照压力Pr=一=0.2200(Pc+8)73.8+8查?化工原理设计导论?图2-4得在此温度压力下：逸度系数丫=0.92M逸度f=p产1800X0.92=1656KPa查?化工原理?下册得CO2气体在30c时溶于水的亨利系数E=188000KPa相平衡常数m=E=188000-=113.5266f1656那么可得在此条件下气液平衡关系为：、,mX113.5266XY=1+(1-m)X1-112.5266X3.2、 吸收剂用量进塔

5、CC2摩尔分数：yi=10.9%=0.109进塔CO摩尔比：丫1=工=-0109-=0.12231-y11-0.109出塔CQ摩尔分数：y2=0.63%=0.0063出塔CO摩尔比：丫2=上=0.006321-y21-0.0063混合气体体积流量：qv=4700Nm3/h混合气体中惰性气体流量：V=翳X=0.0063(1-0.109)=186.9509Kmol/h22.4出塔液相浓度最大值：X*=Xma产Y1m-(1-m)Y10.1223113.5266-(1-113.5266)=0.0010对于纯水吸收过程：X2=0那么最小液气比：(L)min="=0.1223-0.0063=11

6、6.0000V,X?-X20.0010由V=卜12小min：取L11=1.3Lmin=1.3X116.0000X186.9509=28192.1957Kmol/hL21=1.5Lmin=1.5X116.0000X186.9509=32529.4566Kmol/hL31=1.8Lmin=1.8X116.0000X186.9509=39035.3479Kmol/h那么由物料衡算公式V(Y1-Y2)=L(X1-X2):=0.00077=0.00067=0.00056、,V(Y1-Y2)186.9509X(0.1223-0.0063)X11=L28192.1957、,V(Y1-Y2)186.9509X

7、(0.1223-0.0063)X21=L32529.4566_V(Y1-Y2)_186.9509X(0.1223-0.0063)31=L39035.3479以下计算以第一组数据(L11,Xn)为例3.3、 计算热效应水吸收CO2的量：G=V(Y-Y2)=186.9509X(0.1223-0.0063)=21.6863Kmol/h查?化工原理设计导论?图4-5得CO2的溶解热q=97Kcal/Kg查?化工原理?上册附录5,得水的Cp=4.174KJ/(Kg-K)那么由LX18XCpXAt=GAX44XqX4.1821.6863X44X97X4.18E-1=28192.1957X18X4.174=

8、1827C同理可求得A二0583C,At3=0.1319Co由于At1,At2,At3均小于1C.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COH2NCHCO02Pc(MPa)7.381.303.394.623.505.04Tc(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义44+0.653义2+0.21义28+0.005义16+0.022义28+0.1义32=12.7100Kg/Kmol混合气

9、体假临界压*0.109X7.38+0.653X1.30+0.21X3.39+0.005X4.62+0.022X3.50+0.001义5.04=2.4470MPa混合气体假临界温度：Tc卡0.109X304+0.653X33.3+0.21X126+0.005X191+0.022X133+0.001X155=85.3769K那么比照温度Tr=Tcm303.1585.3769=3.5507比照压力Pr=Pm=-=0.7356由?化工原理设计导论?图2-1得压缩系数Z=1、口人一人PM1800X12.71003混合气体留度pV=ZRT=1X8.314X303.15=9.0772Kg/mb.确定填料：选

10、择塑料鲍尔环填料,规格：外径X高X厚mm=38X38X1干填料因子-3=220m-1£比外表积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300C的液体粘度：N=0.8007mPas混合气体质量流速：G=MV=12.7100X4700/22.4=2666.8304Kg/h吸收剂质量流速：Gii=M-L=18X28192.1957=507459.5226Kg/h.G_31=702636.2622Kg/h同理可求得G,21=585530.2188Kg/h,._u2accG0.25由Bain-Hougen关联式：lg/下d2=A

11、-1.75(最)0.125代入数据：u21gU220求得：uf19.0817027521962.40.259.07720.125j.稼飞0.0942-1.75(2666T)("=0.0785m/s,同理可求得uf2=0.0675m/s,uf3=0.0552m/sd.取U=0.8uf,那么=0.8uf=0.8义0.0785=0.0628m/s,同理可得,(2=0.0540m/s,u3=0.0442m/s该操作条件下气体体积流量:Vs=4700x(30+273.15)x101.325273.15x1800x3600=0.0816m3/s/4X0.08163.14X0.0628=1.286

12、6m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勺环形填料,其最低润湿率LW=0.08m3?(mh)那么最小喷淋密度Umin=Lwa=0.08X155=12.4m3?(m2h)Ui=L=京;0"：；：2M3=384.1639m3?(m2-h)>Umin,同理可得,5yjj.''o.PLXU=382.2039m3?(m2h)>Umin,U3=351.1498m3?(m2h)>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

13、为液膜限制过程,那么有Kl-kL故此处计算液相传质系数kL即可.采用恩田式计算：DL=1.173x1013(?M)0.5T1.173x1013x(2.6x1(85x303.15也Vm0.60.8007X0.03,6=2.3106X10-9m2/s液相扩散系数(?化工原理设计导论?式2-36):液相流率：Wl1=笔1=公50745：；226=382511.9833Kg/(m2h),同理可得,兀L)1兀X1.3'W2=380560.3918Kg/(m2h),Wl3=349639.8598Kg/(m2h)由?化工原理?附录知：水在30c时,水的外表张力乳=72.6X10-3N/m=94089

14、6kg/h2填料材质的临界外表张力：c3310336002427680kgh2填料总比外表积：aa155m2m3水的黏度：ML=80.07105Pas=2.8825Kg/(m?h)重力加速度：g9.8136002127137600%2水的密度：pl=995.7kgm3cc一2(62填料湿润外表积参考书目式6-40:aw1=?1-22x矽.45刁0.75熊0“器°05=155X1-?x?-1.45X(427680-)0.75*(382511.9833J1940896155X2.8825'382511.9833X155-0.05382511.983320.2(995.72X127

15、137600)(995.7X940896X155=127.2645m2?m3同理可得,aw2=127.1668m2?m3,aw3=125.5274m2?m3由此可得液相传质系数参考书目?1=kL0.0095旦23awl工、126-46)13L382511.9833=0.0095X()1272645X2.8825)2.8825X(7'995.7X8.3182X10-61-2)X(2.8825X127137600995.713)X1.360.4=4.2437?/h同理可得,？?2=4.2315m/h,?=4.0338m/h即：Kl1=kL1,Kl2-kL2,Kl3=丸3,又CmJ=55.3

16、167Kmol/m3ML18总传质系数：Kxi=KliCm=3.7526X995.718=234.7475kmol?(m2h),同理可得,Kx2=234.0726kmol?(m2h)Kx3=223.1365kmol?(m2h)3.7、 填料层高度的计算塔的截面积1D2得：42=1.5386m2,0二4九八,X1.32=卜326=2,同理,有传质单元高度：Holi=Q3=2.0096m228192.1957Kxaw.=07113m同理可234.7475X127.2645X1.3267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气液平衡方程丫=三

17、等匚,并带入“1-112.5266x0.0063=113.5266X?X2=0.00005511-112.5266X22A*=X1-X1=0.0010-0.00077=0.00023A)2=X?-X2=0.0000551-0=0.0000551一,AX1-AX20.00023-0.0000551及1=1AX12=-0.00023、一二0.0001224,同理可得,AXm2=0.0001536,In(AI2)In(OT551-)m3=0.0001853贝UN°l1=-=0000114=6.2908,同理可得,Nol2=4.3620,nol3=3.0221AAm10.000114故：填料

18、层高度乙=Hol1-Nol1=0.7113X6.2908=4.4746m,同理可得,Z2=3.0982m,Z=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(Kmol/h)Xuf(m/s)u(m/s)D(m)Z(m)28192.19570.0007710.07850.0628r1.34.474632529.45660.000670.06750.05401.43.098239035.34790.000560.05520.04421.62.0958局部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,最终选择第一组3.8、 算填料层阻力：由此可以确定填料层高度h=1.2X

19、Z1=1.2X4.4746m=5.4m气体质量流速：Gv=2666.8304kg/h=等罢4-=2021.1989kg?(m2h)1.326650吸收剂的质量流量：L=507459.5226kg/h"57；：；蓝6=382511.9833kg?(m2h)液体密度：PL=995.7kg/m3气体密度：w=9.0772kg/m3t1.211060.967102由公式PTh包10工得：PVL10L=1.21X10-6X5.4X2021.19892(9.0772)义0.967X102X382511.983310995.7=15085.8604pa3.9、 附属设备的选择a.液体喷淋装置：a.

20、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,即使选择了适宜的填料,如果液体分布不良,必然减小填料的有效润湿外表,减小气液两相的有效接触面积,直接影响塔的别离效率.为了减少由于液体不良分布引起的放大反响,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：液体进出管接口：dLa.2.1液体进出口管径:4L,l=

21、18;鲁.1957=509.6510m3/hUL995.74X509.65103.14x2.5x3600由于是泵输送,所以取Ul=2.5m?s0.2686m根据热轧无缝钢管标准(GB8163-87),液体进出管接口尺寸?299mm乂15mm无缝钢管？299mmX15mm的内径：d=299-15X2=269mm,校验液体进出管接口速度：液体在管中的实际流速：Ul=4L4X509.65102一兀df3600x3.14x0.269万=2.4923m?s,应选用？299mmx15mm钢管a.2.2分布板直径：分布板直径D=0.8x1.3m=1040mma.2.3分布板开孔数：且液体流量：L=0.141

22、6m3/s流量系数0.6盘上小孔直径d00.008m板上液体高度H1Dm66=227916"那么孔数：n=上了0.785A/2gH0d00.14160.785X0.6X0.008:V2x1.3x9.81x其结构图如图2和图3所示:01300盘式液体分布器筛孔式图2au口口口口ccccQoddHMQddqoaDJDownDDln喷头俯视图图3b.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水平.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.为预防填料从栅板条间空隙漏下,在

23、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.具结构如图4所示：栅板式支撑装置图4C.气体入口装置：填料塔的气体进口既要预防液体倒灌,更要有利于气体的均匀分布.本设计采用进气管伸到塔中央位置,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:口、,303.15X101,325且VS=4700义=293,6286m/sS273.15X1800由于操作压力为P=1800KN/mf,属高压操作,那么Uv取20m/s,行：dv4X293.62863.14X3600X20-0,0721m液体进出管接口：dL且,L=18X2819

24、2.1957_995.7一509.6510m3/h取UL=2.5m/s得：dL4L4X509.6510兀ul3.14x2,5x36000.2686m由?化工原理?上册附录知：根据热轧无缝钢管标准(GB8163-87),气体进出管接口尺寸选小83mm<5mm液体进出管接口尺寸小299mm15mm校验气体进出管接口速度：气体进出管接口尺寸选？83mmX5mm,选择验算：？83mmX5mm无缝钢管的内径：d=83-5X2=73mm气体在管中的实际流速：Uv=鹭兀dv4X293.6286-3.14x0.0732x3600=19.4976m?s校验液体进出管接口速度:液体在管中的实际流速：Ul=4

25、L4X509.6510兀dL-3600x3.14x0.2692=2.4923m?s,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预防在封头和圆筒形壳体相交的这一结构不连续处出现焊缝,从而预防焊缝边缘应力问题.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=40mmmmH=325mm泵的选择：由小299mm<15mm,uL=2.

26、4923m,q=0.8007X10-3R?$算得雷诺s数:Re=diL=0.269乂2.4923；995=8337030.2mm.Re叱0.8007x103查?化工原理上册?P65表2.3得新的无缝钢管的绝对粗糙度dL署=0.00074查?化工原理上册?P64图2.13得0.017且取塔高Z=4.5+1.5+0.325<2=6.65m取l15m取局部阻力系数0.170.7521.67qvLX1828192.1957X183600PL995.7X3600=0.1416m3/sHl=?+?+Kqv2,其中K2g1652d216W2d1l16-d2d1壁相当于管径很小,所以d2=0.269m因

27、此得Hll8Zd乙2.2gd2qV(1800-101.325)X1000995.7X9.81+6.65+158><(0.017鼻+1.67)9.81x3.14x0.2692X0.14162=180.6153mH额=HlX1.1=180.6153X1.1=198.6768m所以选择ZA200-400A型离心泵：扬程203mO,流量850m3?h第四章设计结果概要4.1 主要符号说明如表4:T温度,CP压强,KPa;E了利系数,KPa;m相平衡常数,无因次；L吸收液室kmol/hV气体里u空塔速度,m/s;uF液泛速度,m/s;at填料层的后效传质比表回积m2/m3aw填料层的润滑比外

28、表积n2/m3;L一液膜吸收系数m/h;Hl液相传质单元高度,m;填料因子,m-1;修正系数,g重力加速度,kg/m2.h;无因次NL液相传质单元数,无因次；d填料直径,mG惰性气体流量,kmol/h密良kg/m3符号说明表44.2 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30C操作压力1800KN/m2物料衡算数据YiXiX?进塔气相流里进塔液相流量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®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?.化学工业出版社.2002.1王国胜.?化工原理课程设计?.大连理工大学出版社.2005.2陈英南,刘玉兰.?常用化工单元设备的设计?.华东理工大学出版社.2005.4压力容