二氧化碳吸收塔设计.doc

《化工原理》课程设计

水吸收二氧化碳填料塔设计

学 院 医药化工学院
专 业 精细化工
班 级
姓 名
学 号
指导教师

年 月 日

- 11 -

目 录
概述.............................................................1
1. 设计题目......................................................1
2. 操作条件......................................................1
3.填料类型.......................................................1
4.设计内容.......................................................1
4.1吸收剂的选择.............................................1
4.2装置流程的确定...........................................1
4.3填料的类型与选择.........................................2
5.填料吸收塔的工艺尺寸的计算......................... ...........2
5.1基础物性数据.............................................2
5.1.1液相物性数据...........................................2
5.1.2气相物性数据...........................................2
5.1.3气液相平衡数据.........................................2
5.2物料衡算.................................................2
5.3填料塔的工艺尺寸计算.....................................3
5.3.1塔径计算...............................................3
5.3.2填料层高度计算.........................................4
6.填料层压降计算.................................................6
7.液体分布器建简要设计...........................................7
7.1液体分布器的选型.........................................7
7.2分布点密度计算...........................................7
7.3布液计算.................................................7
8. 吸收塔接管尺寸计算.............................................8
9.要符号说明......................................................8
9.1料的特性参数..............................................8
9.2符号说明..................................................8
.
附图（工艺流程简图、主体设备设计条件图）

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。吸收操作在化学工业中是一种重要的分离方法，本次设计采用水吸收空气中的二氧化碳，处理流量为3800m3/h，其中进塔二氧化碳的体积分数为7%，二氧化碳的吸收率达到95％。吸收效果以减少对大气的污染，属于物理吸收。影响吸收的因素主要为溶质在吸收剂中的溶解度,其吸收速率主要决定于气相或液相与界面上溶质的浓度差，以及溶质从气相向液相传递的扩散速率。本设计本设计采用4个同类型的吸收塔并联，塔高8.4m，塔径2.9m，采用聚丙烯阶梯填料，具有通量大、阻力小、传质效率高等优点，可以达到较好的通过能力和分离效果。一般说来，完整的吸收过程应包括吸收和解吸两部分。在化工生产过程中，原料气的净化，气体产品的精制，治理有害气体，保护环境等方面都要用到气体吸收过程。填料塔作为主要设备之一，越来越受到青睐。

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3800 m3/h，其中含二氧化碳为7%（体积分数），混合气体的进料温度为25℃。要求：
二氧化碳的回收率达到95% 。

2. 操作条件
（1）操作压力： 常压 （2）操作温度：20℃
（3）吸收剂用量为最小用量的1.5倍。

3.填料类型
公称直径为50mm的聚丙烯塑料阶梯环

4.设计内容
设计方案的确定
4.1吸收剂的选择
因为用水作吸收剂，同时CO2不作为产品，故采用纯溶剂。

4.2装置流程的确定
用水吸收CO2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。由于处理的流量较大，所以用4个同类型的吸收塔并联工作。

4.3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DN50聚丙烯塑料阶梯环填料。

4.4操作温度与压力的确定
20℃，常压

5.填料吸收塔的工艺尺寸的计算
5.1基础物性数据

5.1.1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，293K时水的有关物性数据如下：
密度ρL=998.2kg/m 粘度μL= Pa·s=3.0kg/(m·h)
表面张力σL=72.6 dyn/cm=940896 kg/h3
CO2在水中的扩散系数为DL= 1.77×10-9 m2/s=6.372×10-6 m2/h

5.1.2气相物性数据
混合气体的平均摩尔质量为
Mvm=∑yiMi=0.07×44＋0.93×29=30.05
混合气体的平均密度为 ρvm=1.23kg/m3
混合气体粘度近似取空气粘度，手册20℃空气粘度为
μv=1.81×10-5Pa·s=0.065kg/(m•h)
查手册得CO2在空气中的扩散系数为
Dv=1.8×10-5m2/s=0.044m2/h

5.1.3气液相平衡数据
由手册查得，常压下20℃时CO2在水中的亨利常数为
E=144MP
相平衡常数为 =1421.5
溶解度系数为H= =0.03845kmol/(m.3·kPa)

5.2物料衡算
进塔气相摩尔比为 回收率为η=95%
出塔气相摩尔比为Y2= Y1（1-η）=0.075×(1-0.95)=0.00375
进塔惰性气相流量为V==36.13kmol/h
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=1.5V=73186.28kmol/h
因为V(Y1-Y2)=L(X1-X2)
所以X1=

5.3填料塔的工艺尺寸计算
5.3.1塔径计算
气相质量流量为 WV=950×1.23=1180.8kg/h
液相质量流量可近似按纯水的流量计算
即WL=73186.28×18.02=1318816.77kg/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A=0.204 K=1.75

计算得uF =0.063m/s
取u=0.7uF=0.7×0.063=0.044m/s
由 2.76 m
泛点率校核：
=68.25%（在允许范围内）
液体喷淋密度校核，取最小润湿速率为（LW）min=0.08m3/m·h
查塑料阶梯环特性数据表得：
型号为DN50的阶梯环的比表面积 at=114.2 m2/m3
Umin=(LW)minat=0.08×114.2=9.136m3/m2·h

U=> Umin
经校核可知，塔径D=2.8m合理。

5.3.2填料层高度计算
Y=mX1=1421.5×3.52×10-5=0.05
Y=mX2=0
脱因系数为 S==0.702
气相总传质单元数:
NOG=
==3.796

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
σc=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 /m
56
61
73
33
40
75
20

液体质量通量为
UL=214288.44kg/(m2·h)
=0.77
吸收系数由下式计算:

质量通量为=189.86

=510-3kmol/(m3·h·kPa)

吸收系数由下式计算:

=1.189m/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
Ψ值
0.72
0.75
1
1.19
1.45

=0.66 kmol/(m3·h·kPa)

=4.08 kmol/(m3·h·kPa)
u/uF=66.17％>50﹪
由

得=1.24kmol/(m3·h·kPa)
得=4.18kmol/(m3·h·kPa)
=0.142 kmol/(m3·h·kPa)
HOG==0.4m
Z=HOGNOG=0.4× 1.5m
得Z′=1.4×1.5=2.1m
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 hmax≤6m取 则h=8×800=6400mm
计算得填料层高度为2100mm，故不需分段。

6.填料层压降计算
通过散装填料压降曲线查出压降查通用关联图得: △P/Z= 12 Pa/m
填料层压降为△P=12×2.1=25.2Pa

7.液体分布器建简要设计
7.1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。

7.2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=472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。

7.3布液计算
由Ls=d02nϕ
取ϕ=0.6，△H=200mm
d0===0.028mm
设计取d0= 28mm。

8. 吸收塔接管尺寸计算
一般工程计算时，水管路压力常见为0.0-0.6MPa，水在水管中的流速为1-3m/s
水的质量流速：WL=1318816.77kg水的流量: QL=0.367m3/s
取流速为uL=1.5m/s 0.785×D2水管×1.5=0.367
计算得D水管=0.558m 取D水管=0.56m

空气的流量为QL=950m3/h 取流速为20m/s
0.785×D2空气管×20= D空气管=0.129m 取 D空气管=0.14m

9.要符号说明
9.1料的特性参数
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
223
0.90
172
阶梯环
20×25×1.5
塑料乱堆
114.2
0.927
115

9.2符号说明
А
填料层的有效传质比表面积
dt
填料当量直径
aW
填料层的润滑比表面积
D
扩散系数、塔径
A
吸收因数，无因次
E
亨利系数
D
填料直径
g
重力加速度
H
溶解度系数
KG
气膜吸收系数
HG
气相传质单元高度
S
解吸因子
HL
液相传质单元高度
u
空塔速度
ut
液泛速度
φ
填料因子

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。

设计体会
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陌生的东西，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，要输入大量的公式，我自学了一点公式编辑器的知识，感觉它非常有用，今后有时间还得好好学学。我会好好对待以后的每一次设计，让老师满意。

参考文献
（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2009.6

流程简图

主体设备设计条件图