水吸收变换气中CO2的填料塔设计

PAGE22PAGE22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)设计题目：水吸收变换气中CO2的填料塔设计设计任务及操作条件气体处理量1510m3/h进塔气体组成组成CO2COH2N2CH4合计Vol%28.8422.5158.785.174.7100.0出塔气体中CO2含量1%（vol%）。水洗塔底压强1.8Mpa（绝）。吸收温度30℃进塔水中含CO2量25ml/l.水洗饱和度70%。设计内容设计方案的确定及流程说明。填料吸收塔的塔径、填料层高度或塔斯社高及填料层压降计算。填料塔附属结构的选型与设计。吸收塔工艺流程图。填料吸收塔与液体分布器工艺条件图。设计基础数据各种气体的溶解度

（1m3水在总压为101.3kPa(绝压)下溶解的气体量，Nm温度，℃CO2COH2N2CH4250.7590.021420.017500.014100.03006260.7380.021100.017420.02052270.7180.020800.017310.02901280.6990.020510.017200.02852290.6820.020240.017090.02806300.6650.019980.016990.013190.027622.不同分压、温度时CO2在水中的深解度，Nm3/m3水分压P×101.3kpa-1（绝）℃1020300.50.610.440.331.01.200.880.653.03.532.581.915.05.714.163.1010.010.717.85.81（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：2011/1/6-2011/1/（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料塔的操作性能和传质效率。填料塔的特点是：结构简单，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，填料层陕西能源职业技术学院毕业设计说明书目录前言 1第1章概述 21.1填料塔的结构原理 21.2填料塔的结构和功能 31.3填料塔的操作范围 4第2章设计方案的确定 52.1操作条件的确定 52.1．1吸收剂的选择 52.1.2装置流程的确定 52.1.3填料的类型与选择 52.1.4操作温度与压力的确定 52.2基础物性数据 52.2.1液相物性数据 52.2.2气相物性数据 52.3物料衡算 62.4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 9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 143.1.3布液计算 153.2液体再分布装置 153.3填料支撑装置 153.4气体的入塔分布 163.5吸收塔接管尺寸计算 163.6附属设备 16第4章附表 17第5章设计结果概要或设计一览表 19第6章评价 20结束语 21参考文献 22致谢 23第1章概述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。1.1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馏不太适合等。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300～700Pa，与板式塔相比处理风量小，空塔气速通常为0．5～1．2m/s，气速过大会形成液泛，喷淋密度6～8m3／(m2，h)以保证填料润湿，液气比控制在2～10L／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。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。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：30℃，操作压力：1.82.2基础物性数据2.2.1液相物性数据对于低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取水的物性数据查得，30℃密度为ρ=995.7kg/粘度为μ=801.5×10-6=2.8854kg/；表面张力为б=72.6dyn/cm=940896kg/h3CO2在水中的扩散系数为DL=1.77×10-9m2/s=6.372×102.2.2气相物性数据混合气体的平均摩尔质量为Mvm=∑yiMi＜2-1＞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=16.04kg/mol则Mvm=∑yiMi=0.2884×44.01＋0.0251×28.01+0.5878×2.02+0.0517×28.02+0.0470×16.04=16.7854kg/mol混合气体的平均密度ρvm=其中P=1800PaMvm=16.7854kg/molR=8.314J·mol-1·K-1T=(273+30)=303k则ρvm=kg/m3＜2-2＞混合气体粘度近似取空气粘度，查化工原理手册30℃μV=18.6×10-6=0.06696kg/查手册得CO2在空气中的扩散系数为DV=0.134cm2/s=0.048m2由手册查得30℃时COE=1.88×105kPa相平衡常数为m=＜2-3＞溶解度系数为H=＜2-4＞2.3物料衡算进塔气相摩尔比为Y1=＜2-5＞出塔气相摩尔比为Y2==0.4053×[1-(％)]=0.0141＜2-6＞进塔惰性气相流量为V=＜2-7＞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＜2-8＞进塔液组成为X2=0.0002＜2-9＞取操作液气比为：1.5L/V=1.5L/V=1.5×155.45=L=233.18×43.22=10077.82kmol/h=181400.8因为：V(Y1-Y2)=L(X1-X2)所以：X1=＜2-10＞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：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×uf，，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WV=1510×11.9937=18110.49kg/h液相质量流量可近似按纯水的流量计算即WL=10077.82×18.02=181602.4kg/hEckert通用关联图横坐标为＜2-11＞其中wL=181602.4kg/hwV=18110.49kg/hρv=11.9937kg/m3ρL=995kg/m则1.101查埃克特通用关联图得＜2-12＞查表（散装填料泛点填料因子平均值）得：表2—1散装填料泛点填料因子平均值填料类型填料因子，1625385076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塑料阶梯环-260170127-瓷矩鞍1100550200226-瓷拉西环1300832600410-＜2-13＞取u=0.7uF=0.7×0.31=0.22由＜2-14＞圆整塔径，取D=1.泛点率校核u=﹪=67.74％(在允许范围内)＜2-15＞填料规格校核：液体喷淋密度校核：取最小润湿速率为（LW）min=0.08m3/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外径×高×厚比表面积空隙率％个数堆积密度干填料因子2525×12.5×1.4228908150097.83123838×19×1132.5912720057.51755050×25×1.5114.292.71074054.81437676×38×39092.9342068.4112型号为DN25的阶梯环的比表面积at=132.5m2/mUmin=(LW)minat=0.08×132.5=10.6m3/＜2-16＞式中最小喷淋密度，；最小润湿速率，；填料的总比表面积，。其中=0.08m3/U=＜2-17＞经校核可知，塔径D=162.4.2填料层高度计算Y=mX1=104.44×0.0023=0.24Y=mX2=104.44×0.0002=0.02脱因系数为S=＜2-18＞气相总传质单元数NOG=＜2-19＞=N=0.746x1.35=1.007,Ne为实际板数，E0为全塔板效率，一般取值范围约为10%--60%取E0为0.6Ne=NxEo=1.007x0.6=0.604所以取Ne=1气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算＜2-20＞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，56617333407520c=33dyn/cm=427680kg/h2液体质量通量为：＜2-21＞吸收系数由下式计算：=0.682＜2-22＞气膜吸收系数由下式计算：＜2-23＞式中气体的质量通量，;气体的粘度，[]；气体的密度，；溶质在气体中的扩散系数，；通用气体常数，；系统温度，；填料的总比表面积，。其中则质量通量为：=0.037175吸收系数由下式计算＜2-24＞式中液体的质量通量，;液体的粘度，[]；液体的密度，；溶质在液体中的扩散系数，；通用气体常数，；系统温度，303；填料的润湿比表面积，；重力加速度，。其中则=1.58m/h＜2-25＞查常见填料的形状系数表得＜2-26＞u/uF=67.74％>50﹪式中液体的表面张力，填料材质的临界表面张力，；填料形状系数。得＜2-27＞得＜2-28＞HOG=＜2-29＞式中溶解度系数，；塔截面积，Z=HOGNOG=0.260×1.35=0.35m＜2-30式中气相总传质单元高度，；气相传质单元数。得Z′=1.25×1.36=0.44取填料层高度为Z′=1查散装填料分段高度推荐值表表2—4散装填料分段高度推荐值填料类型拉西环2.5≤4m矩鞍5-8≤6m鲍尔环5-10≤6m阶梯环8-15≤6m环距鞍8-15≤6m对于阶梯环填料hmax≤6m取h/D=8则h=8×1600=12800mm计算得填料层高度为100mm0第3章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。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，常采用与液体喷淋密度无关的压降填料因子平值。埃克特通用关联图横坐标为=1.1＜3-1＞查散装填料压降填料因子平均值表3—1散装填料压降填料因子平均填料类型填料因子，1625385076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700215140160-瓷拉西环1050576450288-通用关联图得：P/Z=107.91Pa/m填料层压降为△P=107.91×1=107.9Pa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。3.1液体分布装置3.1.1液体分布器的选型液体在塔顶的初始均匀喷淋，是保证填料塔达到预期分离效果的重要条件。液体分布装置的安装位置，须高于填料层表面200mm,以提供足够的自由空间，让上升气流不受约束地穿过分布器。根据该物系性质，可选用目前应用较为广泛的多孔型布液装置中的排管式喷淋器。多孔型布液装置能提供足够均匀的液体分布和空出足够大的气体通道（自由截面一般在70%以上），也便于制成分段可拆结构。液体引入排管喷淋器的方式采用液体由水平主管一侧引入，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，按照设计参考数据可提供良好的液体分布：主管直径50mm,支管排数5,排管外缘直径760mm，最大体积流量12.5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，当时，每塔截面设一个喷淋点。则总布液孔数为：点图3—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＜3-2＞式中液体流量，；开孔数目132（分布点数目）；孔流系数，通常取；孔径，1.6；开孔上方的液位高度，1--3。取，＜3-3＞设计取3.2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，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，应在升气管上设帽盖。它的设计数据如下：分布盘外径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。由于采用的是的填料，所以可用的十字环。塔径，设计栅板由两块组成。且需要将其搁置在焊接于塔壁的支持圈或支持块上。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。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，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＜3-4＞气体出口直径d2=d1=141喷液进口直径＜3-5＞喷液出口直径d4=d3=550排液口直径d5=d3/2=2753.6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。第4章附表埃克特通用关图图4—1埃克特通用关联图填料名称规格（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阶梯填料的特性参数主要符号说明А填料层的有效传质比表面积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气相传质单元高度HL液相传质单元高度ut液泛速度KG气膜吸收系数S解吸因子U空塔速度φ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计算数据操作压力PMPa1.8塔径Dm1..6 1600操作温度TK303脱因系数S0.83 0.77混合气体的平均密度ρvmkg/m311.9937气相总传质单元数NOG1.73 1.732.97混合气体粘度μVkg/0.06696填料层高度Zm0.11 3000CO2在空气中的扩散系数DVm2/h0.048填料层压降△PkPa0.576 323.73CO2在水中的亨利系数EkPa1.88×105总布液孔数Nd132 240相平衡常数m104.44布液计算dmm6 617进塔气相摩尔比Y10.4053气体进口直径dmm0.141 134出塔气相摩尔比Y20.0932气体出口直径dmm0.141 134进塔惰性气相流量Vkmol/h48.09喷液进口直径d3mm0.19 274液相摩尔流量Lkmol/h6084喷液出口直径d4mm274 274进塔液组成X20.0002排液口直径d5mm137 137出塔液