水吸收变换气中CO2的填料塔设计

1、化工原理课程设计说明书设计题目：水吸收变换气中CO2的填料塔设计指导教师.学生姓名系别班级学号日期：设计成绩：日期：化工原理课程设计任务书（吸收装置设计）（一）设计题目：水吸收变换气中 CO2的填料塔设计（二）设计任务及操作条件1.气体处理量 1510m3/h2.进塔气体组成组成CO2COH2N2CH4合计Vol%28。8422.5158。785。174。7100.03.出塔气体中 CO2 含量 1%（vol%）。4.水洗塔底压强 1.8Mpa（绝）。5.吸收温度 30Co6.进塔水中含 CO2 量 25ml/l。7.水洗饱和度 70%.（三）设计内容1 .设计方案的确定及流程说明.2 .填料

2、吸收塔的塔径、填料层高度或塔斯社高及填料层压降计算。3 .填料塔附属结构的选型与设计。4 .吸收塔工艺流程图.5 .填料吸收塔与液体分布器工艺条件图。（四）设计基础数据1.各种气体的溶解度（1m3水在总压为 101。3kPa（绝压）下溶解的气体量，Nm3）温度，cCO2COH2N2CH4250.7590。021420.017500.014100.03006260。7380。021100.017420。02052270.7180。020800.017310。02901280.6990.020510。01720P0.02852290。6820。020240.017090.02806300。6650

3、.019980。016990。013190。027622.不同分压、温度时 CO2在水中的深解度，Nm3/m3水分压PX101.3kpa1（绝）C1020300.50。61r0.440。331.01.200.880。653。03.53一 2。581。915.05.714。163.1010.010.717。85.81（五）.课程要求1.要求每组成员共同进行查阅资料，在计算、绘图中进行分工合作2.要求在1月24日前完成说明书的编写和绘图过程。3。要求每人上交一份说明书，每组一份图纸.（六）设计时间：2011/1/62011/1/20（七）摘要填料时填料塔气液接触的原件， 填料性能的优劣直接决定着填

4、料塔的操作性能和传质效率填料塔的特点是：i构简单，压降小，填料种类多，具有良好的耐腐蚀性能，特别是在处理容易、产品产生泡沫的物料和真空操作时，有其独特的优越性.本文设计的是水吸收换器中CO2的填料塔设计关键词：散装填料，填料塔，液体分布器，填料层目录前言错误！未定义书签。第 1 章概述 11.1 填料塔的结构原理 11。2 填料塔的结构和功能 21。3 填料塔的操作范围 3第 2 章设计方案的确定 42。1 操作条件的确定 42.1 .1 吸收剂的选择 42.1.1.2 装置流程的确定 42.1.3 填料的类型与选择 42.1.4 操作温度与压力的确定 42.2 基础物性数据 42.3 。1

5、液相物性数据 42.4 。2 气相物性数据 42.5 物料衡算 52。4 填料塔的工艺尺寸计算 72。4.1 塔径计算 72。4.2 填料层高度计算 10第 3 章填料层压降计算 133。1 液体分布装置 143。1。1 液体分布器的选型 143。1。2 分布点密度计算 153。1.3 布液计算 153 .2 液体再分布装置 163。3 填料支撑装置 163。4 气体的入塔分布 163。5 吸收塔接管尺寸计算 174 .6 附属设备 17第 4 章附表 18第 5 章设计结果概要或设计一览表 20第 6 章评价 20结束语 21参考文献 21致谢 22第1章概述填料塔不但结构简单，且流体通过填

6、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。1填料塔的结构原理填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动.液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置（小直

7、径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液流量逐渐增大，这种现象称为壁流。壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质效率下降.因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布装置。液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降

8、小，持液量小，操作弹性大等优点。填料塔也有一些不足之处，如填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面，使传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂精储不太适合等。1.2填料塔的结构和功能填料塔由外壳、填料、填料支承、液体分布器、中间支承和再分布器、气体和液体进出口接管等部件组成，塔外壳多采用金属材料，也可用塑料制造.填料是填料塔的核心，它提供了塔内气液两相的接触面，填料与塔的结构决定了塔的性能。填料必须具备较大的比表面，有较高的空隙率、良好的润湿性、耐腐蚀、一定的机械强度、密度小、价格低廉等。常用的填料有拉西环、鲍尔环、弧鞍形和矩鞍形填料，20世纪80年

9、代后开发的新型填料如QH-1型扁环填料、八四内弧环、刺猬形填料、金属板状填料、规整板波纹填料、格栅填料等，为先进的填料塔设计提供了基础。填料塔适用于快速和瞬间反应的吸收过程，多用于气体的净化.该塔结构简单，易于用耐腐蚀材料制作，气液接触面积大，接触时间长，气量变化时塔的适应性强，塔阻力小，压力损失为300700Pa,与板式塔相比处理风量小，空塔气速通常为0.51.2m/s,气速过大会形成液泛，喷淋密度68m3/(m2,h)以保证填料润湿， 液气比控制在210L/m3.填料塔不宜处理含尘量较大的烟气，设计时应克服塔内气液分布不均的问题。填料塔的工作原理，示意图填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有

10、填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。1。3填料塔的操作范围当液体量一定时，若气体量很小，传质过程主要靠扩散进行，传质效果不好；气体量很大，将会导致液泛发生.当气体量一定时，若液体量很小，会有部分填料得不到润湿，传质效果不好;若液体量很大，将会导致液泛发生.最大气体量或最大液体量，可以根据泛点气速来估计；最小气体量和最小液体量必须根据经验来确定。来体再分布器塔顶取样离心泵R洋入地沟塔底取件第2章设计方案的确定2。1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

11、产品，故采用纯溶剂。2。1。2装置流程的确定用水吸收属CO?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。逆流操作：气相自塔底进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出，此即逆流操作。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操作温度：30C,操作压力：1.8MPa2.2基础物性数据2。2。1液相物性数据对于低浓度吸收过程，溶液的物

12、性数据可近似取水的物性数据查得,30C时水的有关物性数据如下：密度为p=995。7kg/m3粘度为(i=801.5X106pas=2.8854kg/(mh);表面张力为 6=72.6dyn/cm=940896kg/h3CO2在水中的扩散系数为DL=1。77X109m2/s=6.372X10-6m2/h2.3。2气相物性数据混合气体的平均摩尔质量为Mvm=Z2yiMi其中y1=0。2884y2=0.0251y3=0。5878y4=0.0517y5=0.0470Mvm1=44.01kg/molMvm2=28.01kg/molMvm3=2.02kg/molMvm4=28。02kg/molMvm5=1

13、6.04kg/mol则Mvm=2ZyiMi=002884X44。01+0.0251X28.01+0.5878X2。02+0.0517X28。02+0.0470X16。04=16.7854kg/mol混合气体的平均密度_PMvmpvm-RT混合气体粘度近似取空气粘度，查化工原理手册30C空气粘度为V=18.6X10-6pas=0.06696kg/(mh)查手册得CO2在空气中的扩散系数为_2._2.DV=0.134cm/s=0.048m/h由手册查得30c时CO2在水中的亨利系数为E=1.88X105kPa相平衡常数为E1.88105m=P1800溶解度系数为2。3物料衡算进塔气相摩尔比为Y1=

14、y0.28840.40531y110.2884出塔气相摩尔比为28841Y2=Y(1A)=0。4053X1(100%)=0。0141104.44v23H=EMs995.71.8810518.020.0002939kmol/(m3kPa)(L)丫丫2Y丫2VminXX?0.7丫mX2进塔液组成为X2=0。0002LY1Y20.40530.0141/-155.45Vmin0.7Y1/mX20.70.4053/104.440.0002取操作液气比为：1。5L/V=1。5L/V=105X155。45=233.18L=233.18X43。22=10077.82kmol/h=181400。8kg/h因为：

15、V(Y1Y2)=L(X1X2)V(丫Y2)743.22(0.40530.0141)所以：X1=-X20.00020.001478L10077.82操作线根据操作线方程式Y=233。17X-0.0466由上式公式求的操作线绘于图如下图:XVB(Y2LS10077.82SX2)=VB43.22(0.014110077.8243.220.0002)2.4填料塔的工艺尺寸计算2.4.1塔径计算填料塔直径以混合气体处理量及所选适宜气速按下式计算:式中VS操作条件下混合气体流量，m3/s；u适宜空塔气，m/s；u=安全系数xuf,uf为泛点气速，m/s。采用Eckert通用关联图计算泛点气速气相质量流量为

16、WV=1510X11。9937=18110.49kg/h液相质量流量可近似按纯水的流量计算即WL=10077。82X18.02=181602。4kg/h操作线Eckert通用关联图横坐标为0.5WLVWV其中WL=i8i602.4kg/hwv=18110.49kg/hpv=11.9937kg/m3pL=995kg/m30.5则也181602.4、wvL18110.490.511.9937995.71。101查埃克特通用关联图得2UFFV0.2LgL0.022查表（散装填料泛点填料因子平均值）得:填料类型填料因子，1/mDN16DN25DN38DN50DN76金属鲍尔环410-117160-金属

17、划、矩鞍-170150135120金属阶梯环-一160140-塑料鲍尔环55028018414092塑料阶梯环一260170127一瓷矩鞍1100550200226一瓷拉四划、1300832600410一表 21 散装填料泛点填料因子平均值F170m1UF0.022gL0.21.FVL0.0229.18995.7:17011.99371020.31m/s取u=0。7UF=0.7X0.31=0。22m/s4Vs41510/3600由D.s1.56mu3.140.22v214圆整塔径，取D=1.6m泛点率校核1510/3600-20.7851.6填料规格校核：D1560d38液体喷淋密度校核：取最

18、小润湿速率为3(Lw)min=0.08m/(mh)查塑料阶梯环特性数据表得：表2-2塑料阶梯环特性数据表公称直径DNmm外径 X 高 X 厚dh,mm比表面积a2/3m/m空隙率个数n3m堆积密度Pkg/m3干填料因子m12525X12.5X1.4228908150097。83123838x19X1132.5912720057。51755050X25X1。5114.292。71074054。81437676X38X39092.9342068。4112型号为DN25的阶梯环的比表面积at=132。5m2/m33.2.、Umin=(Lw)minat=0.08X132。5=10。6m/(mh)式中

19、Umin最小喷淋密度，m3/(m2h);at填料的总比表面积，m2/m3。其中LWmin=0。08m3/(mh)一 181602.4/995.7U=290.76Umin0.7851.60.21m/su0.21UF0.31100%=67.74%(在允许范围内)41.058LWmin最小润湿速率，m3/(mh);经校核可知，塔径D=1600mm合理2.4。2填料层高度计算Y尸mXi=104.44X0。0023=0.24Y2=mX2=104.44X000002=0.02脱因系数为气相总传质单元数10.240.02ln(10.448)0.4481.3510.4480.09320.02N=0.746x1

20、035=1。007E0,Ne为实际板数，E0为全塔板效率，一般取值范围约为10%60%Ne取E0为0.6Ne=NxEo=1o007x0.6=0.604气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算查常见材质的临界表面张力值表得表 2-3 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，dyn/cm56617333407520c=33dyn/cm=427680kg/h2液体质量通量为：S=mV104.4443.2210077.820.448NOG=-In11SU 丫1丫2丫2丫2NA1NOGAlnAS10.4481InSIn0.4480.746所以取Ne=1awa1exp1.450

21、.75cUL0.1LatLUELLat0.050.2LLatDV溶质在气体中的扩散系数，m2/s;R通用气体常数，(m3kPa)/kmolK;T系统温度，K;at填料的总比表面积,其中Uv0.06696kg/(mh)R8.314(m3kpa)/(kmolK)m2/m3ov995.7kg/m3Dv0.048m2/sT303Kat132.5m2/m3则质量通量为:UV151011.9937一一20.7851.6_,，2、9011.986kg/(mh)KG0.71/3c”9011.9860.06696132.50.0480.237132.50.0669611.99370.0488.3143033=0

22、.037175kmol/m3hkPa吸收系数由下式计算2/31/21/3KL0.0095ULLg224aWLLDLL式中 UL液体的质量通量，kg/(m2h)；L液体的粘度，kg/(mh)1Pas3600kg/(mh);L液体的密度，kg/m3；DL溶质在液体中的扩散系数，m2/s;吸收系数由下式计算:=0.682气膜吸收系数由下式计算:气体的粘度，kg/(mh)1Pas3600kg/(mh);气体的密度，kg/m3;UL181602.4-20.7851.62290367.44kg/(mh)awat4276801exp1.459408960.7590367.44132.52.88540.12_

23、90367.44132.5995.71.27100.05290367.440.2995.7940896132.5V2-220.7KGUV0.237V1/3atDVatVVDVRT式中UV气体的质量通量,kg/(m2h);R通用气体常数，（m3kPa）/kmolK;T系统温度，303K;g1.27108m/h=1o58m/h式中L液体的表面张力，kg/h21dyn/cm12960kg/h2C填料材质的临界表面张力，kg/h21dyn/cm12960kg/h2；填料形状系数。1.43,0.67470.55,069.24kmo/mhkPa2,20.67470.51656617493/h111kGHk

24、La1119.240.0002939174.930.0511km1/m3hkPa口 VV43.22awg其中UL填料的润湿比表面积，m2/m3;重力加速度，1.27108m/h.90367.44kg/(m2h)uL2.8854kg/(mh)3995.7kg/m3DL6.372106m2/s8.314(m3kpa)/(kmolK)T303K则 kL0.009590367.442/32.88541/2o1/32.88541.271080.682132.52.8854995.76.372106995.7KGaKGaW1.1v2-25查常见填料的形状系数表得11KGaKGaW1.450.0371750

25、.682132.51.451.15.06kmol/(m3hkPa)kLakLaU/UF=67Ow0.41.580.682132.51.450474%50%165.66/hv2-26kGa1.49.50.5LaUFkLa12.60.5UF2.2KLa得Qa19.5得a12.6aaHOG=亍0.260mKYaKGaP0.051118000.7851.62式中H溶解度系数，kmol/(m3/kPa);塔截面积，m2Z=HOGNOG=0。260X1。35=0。35m式中HOG气相总传质单元高度，m；NOG气相传质单元数.得Z=1.25X1.36=0。44m取填料层高度为Z=1m查散装填料分段高度推荐值

26、表表 24 散装填料分段高度推荐值填料类型h/Dhmax拉西环2。5平主管一侧引入，通过支管上的小孔向填料层喷淋。由于液体的最大负荷低于25m3/(m2h),按照设计参考数据可提供良好的液体分布：主管直径一一-50mm,支管排数-5,排管外缘直径-760mm,最大体积流量-一-12.5m3/h 排管式喷淋器采用塑料制造。3。1.2分布点密度计算为了使液体初始分布均匀，原则上应增加单位面积上的喷淋点数。但是，由于结构的限制，不可能将喷淋点设计得很多。根据Eckert建议，当 D750mm 时，每 60cm2塔截面设一个喷淋点。则总布液孔数为：n0.7851.62120239.6240 点图 3-

27、1 槽式液体在分布器二级槽的布液点示意图3。1。3布液计算由 LS-d；n2gH4式中Ls液体流量，m3/s;n开孔数目132(分布点数目)；孔流系数，通常取 0.550.60；d0孔径，1.6m;H开孔上方的液位高度，13m。取 0.55,H160mm4LSn42gH410077.82/(995.73600)；3.141320.5529.810.160.022m设计取d022mm3。2液体再分布装置实践表明，当喷淋液体沿填料层向下流动时，不能保持喷淋装置所提供的原始均匀分布状态，液体有向塔壁流动的趋势。因而导致壁流增加、填料主体的流量减小，影响了流体沿塔横截面分布的均匀性，降低传质效率。所以

28、，设置再分布装置是十分重要的。可选用多孔盘式再分布器.分布盘上的孔数按喷淋点数确定，孔径为3。6mm。为了防止上一填料层来的液体直接流入升气管，应在开气管上设帽盖。它的设计数据如下：分布盘外径一-785mm,升气管数量-6。3.3填料支撑装置填料支撑装置对于保证填料塔的操作性能具有重大作用。采用结构简单、自由截面较大、金属耗用量较小的栅板作为支撑板.为了改善边界状况，可采用大间距的栅条，然后整砌一、二层按正方形排列的瓷质十字环，作为过渡支撑，以取得较大的孔隙率.由于采用的是 38mm 的填料，所以可用 75mm 的十字环。塔径 D1600mm,设计栅板由两块组成。且需要将其搁置在焊接于塔壁的支

29、持圈或支持块上。分块式栅板，每块宽度为400mm,每块重量不超过700N,以便从人孔进行装卸。3.4气体的入塔分布设计位于塔底的进气管时，主要考虑两个要求：压力降要小和气体分布要均匀。由于填料层压力降较大，减弱了压力波动的影响，从而建立了较好的气体分布；同时，本装置由于直径较小，可采用简单的进气分布装置。v3-3由于对排放的净化气体中的液相夹带要求不严，可不设除液沫装置3.5吸收塔接管尺寸计算一般管道为圆形为内径，水流速为0053m/s常压下气体流速1030m/s则气体进口直径di4V416800.141m,u;3.14360030气体出口直径d2=d1=141mm4V4181400.8/99

30、5.7喷放进口直径d3.,u3.1436000.21喷液出口直径 d4=d3=550mm排液口直径d5=d3/2=275mm3.6附属设备(1)本设计任务液相负荷不大，可选用排管式液体分面器，且填料层不高，可不设液体再分布器.(2)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。0.55m埃克特通用关图第4章附表图 4-1 埃克特通用关联图填料名称规格（直径 X 高x 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25X12。5X1。4塑料乱堆2230。90172阶梯环38。5X19X1塑料乱堆132.50.91115阶梯填料的特性参数主要符号说明

31、A填料层的有效传质比表面枳aw填料层的润滑比表面积A吸收因数，无因次D填料直径dt填料当量直径D扩散系数。塔径E亨利系数G重力加速度H溶解度系数HG气相传质单兀局度HL液相传质单兀局度ut液泛速度KG气膜吸收系数S解吸因子U空塔速度填料因子第5章设计结果概要或设计一览表项目符号单位计算数据项目符号单位操作压力PMPa1.8塔径Dm1.6操作温度TK303脱因系数S0。8混合气体的平均密度pvmkg/m311.9937气相总传质单元数NOG1o7混合气体粘度gVkg/(mh)0。06696填料层高度Zm0.11CO2 在空气中的扩散系数DVm2/h0。048填料层压降PkPa0。5CO2在水中的

32、亨利系数EkPa1。88X105总布液孔数Nd132相平衡常数m104。44布液计算d0mm6进塔气相摩尔比Yi0。4053气体进口直径d1mm0.141出塔气相摩尔比Y20。0932气体出口直径d2mm0o1,进塔惰性气相流量Vkmol/h48。09喷液进口直径d3mm0.19液相摩尔流量Lkmol/h6084喷液出口直径d4mm274进塔液组成X20.0002排液口直径d5mm137出塔液组成Xi0.00227第6章评价设计中问题的评价: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。1。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。2。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.结束语刚拿到任务说明书时， 一脸茫然， 大家都是第一次接触到这个的东西， 面对大量繁琐的计算， 我的头都大了，其中我得了一个很不合理的数据，经过反复查找，才发现前面有个小数点弄错了，我深深体会到了科学需要的严谨性。在设计课程报告时，要输入大量的公