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1、 《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..................................
2、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.....
3、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.......................
4、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...........................................
5、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
6、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 .
7、 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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、 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
14、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 =1421.5×3.5
15、2×10-5=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
16、 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
17、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
18、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
19、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u
20、L=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 0.92
21、7 115 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
22、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
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