化工原理课程设计——水吸收二氧化碳吸收塔

1、化工原理课程设计 题 目 水吸收二氧化碳吸收塔 学院 化学工程学院 专业 安全工程 学生姓名 学号 年级 指导教师 曹丽淑 二一六年七月五日目录题目及数据3流程图.3流程和方案的选择说明与论证.4吸收塔主要尺寸的计算.6附属设备的选型或计算.14设计评价.18设计结果概览19参考文献.20题目及数据1. 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。2. 数据：（一） 气体混合物1） 组成(V%)：CO2 11%，H2 65.6%，N2 21%，CH4 0.5%,CO 3%,O2 0.1%2） 气体组成:3800Nm3/h3） 温度：304） 压力:1800KN/m2（二） 气体出

2、口要求(V%)：CO2 0.62%（三） 吸收剂：水流程图水吸收CO2工艺流程图1-吸收塔；2-富液泵；3-贫液泵；4-解吸塔流程和方案的选择说明与论证1. 塔设备：填料塔。2. 吸收剂：水。3 装置流程的确定：对于单塔，气体和液体接触的吸收流程有逆流和并流两种方式。在逆流操作下，两相传质平均推动力最大，可以减少设备尺寸，提高吸收率和吸收剂使用效率，因此逆流优于并流。因此，本设计采用逆流。4. 填料的选择：填料是填料塔的核心构件，它提供了塔内气-液两相接触而进行传质或传热的表面，与塔的结构一起决定了填料塔的性能。现代填料大体可分为实体填料和网体填料两大类，而按照装填方式可分为乱堆填料盒规整填料

3、。对塔内填料的一般要求是：具有较大的比表面积和较高的空隙率，较低的压降，较高的传质效率；操作弹性大，还要考虑经济合理。1)散装填料散装填料是一个个具有一定集合形状和尺寸的颗粒体一般以随机的方式堆积在塔内的，又称为乱堆填料和颗粒填料。散装填料根据结构特点不同，又可分为环形填料、鞍形填料、和环鞍的填料等。以下是典型的散装填料：a.拉西环填料：拉西环填料是最早提出的工业填料，其结构为外径与高度相等的圆环，可用陶瓷、塑料、金属等材质制成。拉西环填料的气液分布较差、传质效率低、阻力大、通量小，目前工业上用得较少。b.鲍尔环填料：鲍尔环是在拉西环的基础上改进而得。其结构为在拉西环的侧壁上开出两排长方形的窗

4、口，被切开的环壁的一侧仍与壁面相连，另一侧向环内弯曲，形成内伸的舌叶诸舌叶的侧边与环中间相搭，可用陶瓷、塑料、金属制造鲍耳环由于环内开孔，大大提高了环内空间及环内表面的利用率气流阻力小，液体分布均匀。与拉西环相比通量可提高50%以上，传质效率提高30%左右。鲍尔环是目前应用较广的填料之一。c.阶梯环填料：阶梯环是对鲍尔环的改进。鲍尔环相比阶梯环高度减少了一半，并在一端增加了一个锥形的翻边由于高径比减少，使得气体绕填料外外壁的平均路径大为缩短，减少了气体通过填料层的阻力。锥形翻边不仅提高了填料的机械强度，而且使填料之间由线接触为主变为点接触为主，这样不但增加了填料层之间的空隙，同时成为液体沿填料

5、表面流动的汇集分散点，可以促进液膜的表面更新。有利于传质效率的提高。阶梯环的综合性能优于鲍尔环，成为目前环形填料中最为优良的一种。2)规整填料规整填料是按一定的的几何图形排列，整齐堆砌的填料。规整填料种类很多，根据其几何结构分为格栅填料、波纹填料、脉冲填料。工业上使用的绝大多数规整填料为波纹填料。波纹填料按结构分为网波纹填料和板波纹填料可用陶瓷、塑料、金属制造。a.金属丝波纹填料：是网波纹填料的主要形式，是由金属丝制成。其特点是压降低、分离效率高，特别适用于精密精馏及真空精馏装置，为难分离物系、热敏性的精馏提供了有效的手段。尽管造价高，但因性能优越仍得到了广泛的应用。b.金属板波纹填料：是板填

6、料的主要形式，该填料的波纹板片上冲压有许多4mm6mm的小孔，可起到粗分配板片上的液体、加强横向混合的作用。波纹板片上扎成细小沟纹，可起到细分配板片上的液体、增强表面润湿性能的作用。金属孔板波纹填料强度高，耐腐蚀性强，特别适用于大直径塔及气液负荷较大的场合。波纹填料的优点是结构紧凑，阻力小，传质效率高，处理能力大，比表面积大。其缺点是不适用于处理粘度大、易聚合或有悬浮物的物料，且装卸、清洗困难、造价高。拉西环鲍尔环弧鞍形填料矩鞍形填料网环波纹填料结构阶梯环金属鞍环本次吸收过程中，操作温度低，气体通量不大，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

7、，故此选用塑料阶梯环填料。 阶梯环吸收塔主要尺寸计算1. 气液平衡关系1） 高压下因压力影响产生对理想气体定律的偏差需对压力进行校核。由物理化学查得CO2的临界温度TC=30.98，临界压力PC=7.375MPa，由题所致，温度T=30，压力P=1800KN/m2，因此求得：对比温度Tr=T/TC=(30+273.15)/(30.98+273.15)=0.997对比压力Pr=P/PC=1800/(7.375*1000)=0.244。查化工原理设计导论图2-4得，在Tr=0.997，Pr=0.244情况下，=0.325f=p*=1800*0.325=585kPa2） m=E/f，当T=30时，E

8、CO2=1.65*105KPa，所以，m=E/f=E/(P)=(1.65*105)/585=282.051-2823） Y=mX/1+(1-mX)=282X/(1-282X)2.确定吸收剂用量1)由题可知y1=0.11，y2=0.0062，所以，Y1=y1/(1-y1)=0.11/(1-0.11)=0.124，Y2=y2/(1-y2)=0.0062/(1-0.0062)=0.00624；V=3800/22.4*(1-0.11)=150.982mol/h。2)Y1=282X1*/(1-282X1*)=0.124，所以，X*=3.912*10-4-X1，max3)因为，Lmin(X1,max-X2

9、)=V(Y1-Y2)，由题干可知，吸收剂为清水，因此X2=0，且Y1=0.124，Y2=0.00624，X1，max=3.912*10-4，V=150.982，所以，Lmin=V(Y1-Y2)/(X1,max-X2)=150.982(0.124-0.00624)/(3.912*10-4-0)=45448.200所以，(L/V)min=45448.200/150.982=301.0174） 由于L/V=(1.12.0)L/V，取L1=1.3Lmin，即(Y1-Y2)/(X1,1-0)=1.3(L/V)min，所以，X1,1=V(Y1-Y2)/(1.3Lmin)=150.982(0.117-0.0

10、0624)/(1.3*45448.200)=2.830*10-4；同理，取L1=1.5Lmin，X2,1=2.453*10-4； 取L1=1.8Lmin，X3,1=2.044*10-4。3.计算热效率1)水吸收二氧化碳的量：GA=V(Y1-Y2)=150.982(0.124-0.00624)=17.7802)查化工原理设计导论图4-5因T=30，压力约为18大气压，所以q=100.5kcal/kg3)查化工原理上册附录， 30时水的Cp为4.1744)L*18*Cp*t=17.780*44*q*4.18，所以，当L=1.3Lmin时，t=(17.780*44*100.5*4.18)/(1.3*

11、45448.200*18*4.174)=0.074<1；同理，当L=1.5Lmin时，t=0.064<1； 当L=1.8Lmin时，t=0.053<1，综上，溶液的温度变化很小，视为等温吸收。4 定塔径1） 查物理化学附录得： H2(65.6%)：PC=1.297，TC=-239.9； N2(21%)：PC=3.39，TC=-147.0； CH4(0.5%)：PC=4.596，TC=-82.62； CO(3%)：PC=3.449，TC=-140.23； 02(0.1%)：PC=5.043，TC=-118.57； CO2(11%)：PC=7.375，TC=30.98，则，Pc,

12、m=yiPci=1.297*0.656+3.39*0.21+4.596*0.005+3.499*0.022+5.043*0.002+7.375*0.105=2.447Tc,m=yiTci=-239.9*0.656-147.0*0.21-82.62*0.005-140.23*0.022-118.57*0.002+30.98*0.105=-118.7272） Pr,m=P/Pc,m= 0.695，Tr,m=T/Tc,m=3.531，查化工原理设计导论图2-1，得，Z=0.9853） M=yiMi=0.105*44+0.656*2+0.21*28+0.005*16+0.022*28+0.002*32

13、=12.5724） 所以，V=(P M)/(ZRT)=(1800*12.572)/(0.985*8.314*298.15)=9.2685） 填料的选择：塑料阶梯环 规格(直径*高*厚)mm：50*30*1.5；比表面积：121.5(m2*m-1)；干填料因子：159；A：0.2046） 计算uf：根据化工原理设计导论4-4公式，lg(uf2*a*vL2)/(g*3*L)=A-1.75(WL/WV)0.25*(V/L)0.125。其中，WL=L*M,WV=标况0.067*3600*9.268。a.L=1.3L1,uf=0.0494,VS=V标*(273+30)/273*101.3/1800/36

14、00=0.067。当u=0.6uf时，D=(4VS/)=1.649-1.7；当u=0.85uf时，D=1.385-1.4。b.L=1.5L1和L=1.8L1时，塔径变的更大,分别为L=1.5L1:当u=0.6uf时,D=1.779-1.8,当u=0.85uf时,D=1.495-1.5; L=1.8L1:当u=0.6uf时,D=1.968-2.0,当u=0.85uf时,D=1.654-1.7。Dmin/d=30>8,合理。规格：38.5*19*1；比表面积：133；干填料因子：175.6；A：0.204。当L=1.3L1时，uf=0.0470，当u=0.6uf时，D=1.691-1.7，当

15、u=0.85uf时，D=1.420-1.5，L=1.5L1和L=1.8L1时，塔径变的更大，同上。Dmin/d=39>8，合理。 规格：25*17.5*1.4；比表面积：228；干填料因子：313；A=0.204。当L=1.3L1时，uf=0.0352,当u=0.6uf时，D=1.953-2.0，当u=0.85uf时，D=1.641-1.7，L=1.5L1和L=1.8L1时，塔径变的更大，同上。Dmin/d=68>8，合理。 规格：50*25*1.5；比表面积：114.2；干填料因子：143；A=0.204。当L=1.3L1时，uf=0.0551, 当u=0.6uf时，D=1.60

16、6-1.7，当u=0.85uf时，D=1.350-1.4；L=1.5L1和L=1.8L1时，塔径变的更大,分别为L=1.5L1:uf=0.0474,当u=0.6uf时,D=1.723-1.8，,当u=0.85uf时,D=1.456-1.5；L=1.8L1:uf=0.0387,当u=0.6uf时,D=1.917-2.0，当u=0.85uf时，D,1.610-1.7。Dmin=28>8，更合理。综上，选用规格为：50*25*1.5的填料最为合理。5 喷淋密度的校核根据化工原理课程设计导论P133，选用50mm直径的填料，所以LW>=0.08，取L=0.08，a=114.2，此时，U=L

17、W*a=0.08*114.2=9.136,Lmin=(45448.200*1.3*18)/(996.95*0.785*1.72)=470.210>U，故满足最小喷淋密度的要求。6 KXa的计算1） 采用恩田式计算出aw，kL恩田修正式：下面几个式子联立， ,由于液膜控制，KL近似为kL。将其中涉及的物理量带入，g = 9.81 m/s2 ；c查表可知为33mN/m=0.033N/m;UL=WL/=L*M/, 30时水,at=114.2；密度为 L=995.87 kg/m3；粘度为 L=0.8015*10-3Pas；表面张力为L=71.18.mN/m=0.07118N/m,查表知=1.45

18、，30时二氧化碳在水中的扩散系数DL=1.942*10-9m2/s。所以：当L=1.3L1时，aw=114.199；当L=1.5L1时，aw=114.199；当L=1.8L1时，aw=114.199。将aw的值代入中，求得：当L=1.3L1时，kL=0.000884；当L=1.5L1时，kL=0.000887；当L=1.8L1时，kL=0.000848。2)因为CM=n/V=L/ML=995.87/18=55.326,且KXaw=KLCMaw，所以，当L=1.3L1时，KXaw=55.326*114.199*0.000884=5.585；当L=1.5L1时，KXaw=5.604；当L=1.8L

19、1时，KXaw=5.358。7.填料层高度的计算1)HOL=L/(KXaW)=(45448.200*1.3/3600)/(5.585*1.539)=1.909(L=1.3L1)HOL=L/(KXaW)=(45448.200*1.5/3600)/(5.604*1.767)=1.912(L=1.5L1)HOL=L/(KXaW)=(45448.200*1.8/3600)/(5.358*2.270)=1.866(L=1.8L1)2)NOL=(X1-X2)/XM,XM=(X1-X2)/(lnX1/X2)=5.884(L=1.3L1)；同理，NOL=4.063(L=1.5L1)；NOL=2.816(L=1

20、.8L1)。3)Z=NOL*HOL=1.907*5.884=11.221m(L=1.3L1);Z=7.748m(L=1.5L1)；Z=5.370m(L=1.8L1)。将塔高进行圆整,分别为11.2、7.7、5.4。4)整理以上数据得下表液气比1.323018.1682.830*10-40.05510.046841.411.21.526559.4252.453*10-40.04740.040291.57.71.831871.3092.044*10-40.03870.032901.75.4汇总比较，定L=1.5L1的为最佳方案。8.填料层阻力此外，h=3.2m，L=995.87kg/m3,L=21

21、12.586kg/m2·h,V=9.268kg/m3,GV=18336.079kg/m2·h,因此，P=155.917附属设备的选型或计算1. 液体喷淋装置液体分布器的作用：液体分布装置设于填料层顶部，用于将塔顶液体均匀分布在填料表面上，液体的分布装置性能对填料塔效率影响很大，特别是大直径、低填料层的填料塔，尤其需要性能良好的液体分布装置。液体分布装置的种类多样，有喷头式、盘式、管式、槽式、槽盘式等，工业应用以管式、槽式及槽盘式为主。我选择槽盘式，因为它不仅是近年新开发的新型液体分布器，而且它兼具集液、分液及分气三种作用，结构紧凑，气液分布均匀，阻力较小，操作弹性高达10：

22、1，适合用于各种液体喷淋量，近年来应用广泛在设计中优先选取。2. 填料支承板填料支承装置用于支承塔填料及其所持有的气体、液体的质量，同时起着气液流道及气体均布作用。故在 设计支承板是应满足下列三个基本条件：(1)自由截面与塔截面之比不小于填料的空隙率；(2)要有足够的强度承受填料重量及填料空隙的液体；(3)要有一定的耐腐蚀性。用竖扁钢制成的栅板作为支承板最为常用，如图中的(a)。栅板可以制成整块或分块的。一般当直径小于500mm时可制成整块；直径为600800mm时，可以分成两块；直径在9001200mm时，分成三块；直径大于1400mm时，分成四块；使每块宽度约在300400mm之间，以便拆

23、装。栅板条之间的距离应约为填料环外径的0.60.7。在直径较大的塔中，当填料环尺寸较小的，也可采用间距较大的栅板，先在其上布满尺寸较大的十字分隔瓷环，再放置尺寸较小的瓷环。这样，栅板自由截面较大，如图中的(c)所示。当栅板结构不能满足自由截面要求时，可采用如图中的(b)所示的升气管式支承板。气相走升气管齿缝，液相由小孔及缝底部溢流而下。这类支承板，有足够齿缝时，气相的自由截面积可以超过整个塔德横截面积，所以绝不会在此造成液泛。填料支承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

24、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D=1500mm，设计栅板由4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。本设计塔径D=1500mm，采用结构简单、自由截面较大、金属耗用量较小，由竖扁钢制成的栅板作为支承板，将其分成4块，栅板条之间的距离约为24.7mm。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，作为过渡支承，以取得较大的孔隙率。由于采用的是50mm的填料，所以可用75mm的十字环。(a)栅板 b)升气管式

25、 (c)十字隔板环层图为三种支承板3. 气体入口装置1)填料塔的气体进口既要防止液体倒灌，更要有利于气体的均匀分布。对500mm直径以下的小塔，可使进气管伸到塔中心位置，管端切成45度向下斜口或切成向下切口，使气流折转向上。对1.5m以下直径的塔，管的末端可制成下弯的锥形扩大器。气体出口既要保证气流畅通，又要尽量除去夹带的液沫。最简单的装置是除沫挡板(折板)，或填料式、丝网式除雾器。2)常压塔气体进出口管气速可取1020m/s(高压塔气速低于此值)；由于本次设计为高压，所以我们取进气口速度为10m/s液体进出口管气速可取0.81.5m/s(必要时可加大些)。管径依所选气速决定后，应按标准管规格

26、进行圆整，并规定其厚度。3)气体进气口气速取10m/s，因为是高压环境液体进液口流速取6m/s4)气体进出口管径：D1=(4*240.667/3.14/10/3600)=0.09228m=92.28mm5)液体流量： L=26559.425kmol/h=26559.425*18/995.87=480.052m3/h6)液体进出口管直径：D2=(4*479.460/3.14/6/3600)0.5=0.1682m=168.2mm7)按标准管规格进行圆整后得，气体进口出管直径D1=100mm，厚度为10mm 液体进出管直径D2=170mm，厚度为15mm。8)设计位于塔底的进气管时，主要考虑两个要求

27、：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，可不设去除液沫的装置。4.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避免在封头和圆筒形壳体相交的这一结构不连续处出现焊缝，从而避免焊缝边缘应力问题。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。选择封头的时候要根据填料塔的塔径，由于塔径圆整

28、后为1.5m，即1500mm，所以根据化工原理课程设计导论选择封头的公称直径为1500，该型号的其他数据分别为：曲面高度375mm，直边高度25、40、50mm，内表面积2.55、2.62、2.67m2，容积0.487、0.513、0.530m3，厚度为4mm，其标记为：封头Dg1500*4，IB115-73。5.泵的选择1） 流量Q=WL/L=478069.641/995.87=480.052m3/h2)管径的确定一般管道为圆形，根据吸收剂流量选择吸收剂输送管道半径为d=250mm计算出吸收剂流速u=479.460×43.14×3600×0.252=2.715m

29、/s则有：雷诺数Re=du=0.25×2.715×995.8780.07×10-5=845237.448选用=273×11mm的热轧无缝钢管(化工原理上P435)内径d=2732*11=251mm钢管粗糙度 相对粗糙度/d=0.35/251=0.0014查资料，湍流区有：1=1.74-2lg2d=1.74-2lg2×0.35250则有=0.021由流程图可知从泵出口到喷淋口有三个直角弯头，查资料知标准弯头的局部阻力系数=0.75，竖直与水平直管，根据以上数据取le=10m则有：hf=123+ledu2=9.41m扬程的计算列伯努力方程得：H=Z

30、+Pg+Hf=4+0.0043+9.41=13.414m综上，扬程为13.414m，流量为479.460m3/h由于本设计中吸收剂使用的是水，因而，可以采用清水泵(可用于输送各种工业用水以及物理性质、化学性质类似于水的其他液体)因为既简单又使用。通过计算可以得出，吸收塔所要求的压头不是很高，所以采用普通的单级单吸式即可，本设计中根据杨程、流量，选用的型号为IS200-150-315,其具体参数如下：转速n/(r/min)流量/m3/h扬程H/m效率轴功率/kW电机功率/kW必须汽蚀余量质量(泵/底座)/kg145046028.58044.6554.0262/295设计评价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都需要按具体的实际设计情况来定,最佳方案也要考虑到多方面因素,不可随便确定。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,综合各种因素选择最佳填料和规格形状。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,但高压却更利于吸收