化工原理课程设计 吸收塔

1、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王 涛学 号：.指导老师：曹丽淑第一章 设计任务31.1 设计题目1.2 设计任务及操作条件31.3 设计内容3第二章 设计方案432.1 设计流程的选择及流程图4第三章 填料塔的工艺设计43.1 气液平衡关系43.2 吸收剂用量53.3 计算热效应53.4 定塔径63.5 喷淋密度的校核63.6 体积传质系数的计算73.7 填料层高度的计算83.8 附属设备的选择9第四章 设计结果概要15.专业资料.第五章 设计评价17第一章 设计任务1.1、设计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.专业资料.1.2、 设计任务及操作条件（

2、一）气体混合物1.组成（如表 1 所示）：22242（V%）2.气体量：4700Nm h33.温度：30C4.压力：1800KNm2二气体出口要求（V%）：CO 0.63%2三吸收剂：水1.3、设计内容设计说明书一份，其内容包括：1. 目录2. 题目及数据3. 流程图4. 流程和方案的选择说明与论证5. 吸收塔的主要尺寸的计算，注明计算依据的公式、数据的来源6. 附属设备的选型或计算7. 设计评价8. 设计结果9. 参考文献.专业资料.第二章 设计方案.专业资料.2.1、吸收流程的选择及流程图本设计混合原料气溶质浓度不高，同时过程分离要求不高，选用一种吸收剂（水）一步流程即可完成吸收任务。由于

3、逆流操作传质推动力大，这样可减少设备尺寸，并且能提高吸收率和吸收剂使用效率，故选择逆流吸收。由于本任务吸收后的CO 要用以合成尿素，则需对吸收后的溶液解吸以得到CO ,同时溶22剂也可循环使用。水吸收 CO (图1)21- 吸收塔；2-富液泵；3-贫液泵；4-解吸塔第三章 填料塔的工艺设计3.1、气液平衡关系由于此操作在高压下进行,高压环境对理想气体定律有偏差,故需对压力进行校核:由化工原理设计导论查得 CO 的临界温度 Tc=304K，临界压力2Pc=7.38MPa.专业资料.则其对比温度 Tr= T. =0.97168=()对比压力 Pr= P = =0.2200.8)查化工原理设计导论图

4、 2-4得在此温度压力下:逸度系数= 0.92则逸度 f=p=18000.92=1656KPa查化工原理下册得CO2气体在 30时溶于水的亨利系数 E=188000KPa相平衡常数 m= E = =113.5266f则可得在此条件下气液平衡关系为：Y= .)X.3.2、吸收剂用量进塔 CO 摩尔分数：y =10.9%=0.10921y.进塔 CO 摩尔比：Y =0.1223=121y.1出塔 CO 摩尔分数：y =0.63%=0.006322y.出塔 CO 摩尔比：Y =0.0063222y.2混合气体体积流量：q =4700Nm /h3v混合气体中惰性气体流量:V=（1-0.109）=186

5、.9509Kmolh.4出 塔 液 相 浓 度 最 大 值 : X =X =.11max.)=0.0010对于纯水吸收过程：X =02则最小液气比：（L） = = . =116.0000minV0.1由L = (1.12)（L） ：minVV.专业资料.取 L =1.3L =1.3116.0000186.9509=28192.1957Kmolh11minL =1.5L =1.5116.0000186.9509=32529.4566Kmolh21minL =1.8L =1.8116.0000186.9509=39035.3479Kmolh31min则由物料衡算公式 V(Y -Y )=L(X -X

6、 1212X =) =.) =0.0007711L.X =) =0.00067=0.0005621L.X =) =.31L以下计算以第一组数据(L ,X )为例11 113.3、计算热效应水吸收CO2的量：G =V(Y -Y )=186.9509（0.1223-0.0063）=21.6863KmolA12h查化工原理设计导论图 4-5 得 CO2的溶解热 Kg查化工原理上册附录5，得水的 Cp=4.174KJ则由 L18Cpt=GA44q4.18得：t = . =0.1827 同理可求得t2=0.1583，1.t =0.1319。由于t ，t ，t 均小于 1。所以温度变化不大，3123故此过

7、程可视为等温吸收过程。3.4、确定塔径a.确定混合气体的密度.专业资料.混合气体平均摩尔质量：查化工原理上册附录 4 得各组分的临界压力 P 与临界温度 T：（如表二所cc示）CO7.38304CO3.50133222421.3033.33.391264.621915.04155CT (K)C各组分临界压力与临界温度（表二）混合气体的平均摩尔质量：M=0.109 44+0.653 2+0.21 28+0.005 16+0.022 28+0.1 32=12.7100Kg/Kmol混合气体假临界压P =0.1097.38+0.6531.30+0.213.39+0.0054.62+0.0223.50

8、+0.001cm5.04=2.4470MPa混合气体假临界温度：T =0.109304+0.65333.3+0.21126+0.005191+0.022133+0.001cm155=85.3769K则对比温度 T= T =. =3.5507rcm.专业资料.对比压力 Pr= P = .8 =0.7356.由化工原理设计导论图 2-1得压缩系数 Z=1混合气体密度 = = . =9.0772Kg/m3.Vb.确定填料：选择塑料鲍尔环填料，规格：外径高厚(mm)=38381干填料因子a=220 m-13比表面积 a=155m2/m3关联系数 A=0.0942c.计算泛点空塔气速 u :f由化工原理

9、上册附录查得吸收剂水在30C的液体粘度：L混合气体质量流速：G =MV=12.71004700/22.4=2666.8304 Kg/hV吸收剂质量流速：G = ML=1828192.1957=507459.5226Kg/h。L11同理可求得 G =585530.2188 Kg/h，G =702636.2622Kg/hL21L31.25(L.2由：lgaG .2=A-1.75( )fLg3 GV代入数据：lg 2.4 .25(.0.8007 =0.0942-1.75( ) ).7.2220f.7求得：u =0.0785m/s，同理可求得u =0.0675m/s,u =0.0552m/sd. 取

10、U=0.8 u=0.8 u =0.8 0.0785=0.0628m/s, 同 理 可 得 ，f，则u1f.专业资料.=0.0540m/s,u =0.0442m/su23该操作条件下气体体积流量：= .=0.0816m3/s.则D = = . =1.2866ms1.1圆整后（化工原理设计导论 p123）:D =1.3m,同理可得，D =1.4m，12D =1.6m33.5、喷淋密度的校核对于直径小于 76mm 的环形填料，其最低润湿率L =0.08m3(mh)W则最小喷淋密度U =L a=0.08155=12.4m(m h)32WU = = . =384.1639m，同理可得，(m h)U321

11、D12.2L42=382.2039m3(m2hU故符合要求。，U =351.1498m3(m2hU33.6、体积传质系数的计算由于传质阻力主要集中在液相，即此过程为液膜控制过程，则有KLkL故此处计算液相传质系数k 即可.L采用恩田式计算：液相扩散系数（化工原理设计导论式 236）：D.13(.5T =.13.0.5. =2.310610 m9 2/s=L0.6.0.6 VmL液相流率： W.5226=382511.9833 Kg/(m2 h)，同理可=2.21得，W =380560.3918Kg/(m2h， L3=349639.8598Kg/(m2h).专业资料. m32Lkg： 33 10

12、 3600 42768032h2cm2： a a 155m3t = 80.07 10 Pa s)5Lm： g 9.81 3600 1271376002h2kg =995.7Lm3填料湿润表面积（参考书目 式 6-40）：.1.2a 1 1 1 ） （ 1 ） （ 1).2= x . ( )( 2 L.11 1= 155 x . ( .382511.155.)0() .2) 382511.98332995.940896(382511.9833155)(995.2=127.2645m m23同理可得，a =127.1668m m=125.5274m m23，a23由此可得液相传质系数（参考书目 式

13、 6-46）2 11Wg323= k 0.0095 LLDL0.4aLwLLLL23382511.98330= .()1272645X2.8825121322 .136.4) .() (9957.9957 8 6. .4= ./h =4.2315m/h, =4.0338m/h同理可得，即：K kL1,K kL2,K k,又C = =.=55.3167Kmol/m3LML.专业资料.总传质系数 ：K =K C.7=234.7475kmol (m= 3.75262h),同理可 M得，K =234.0726kmol (m=223.1365kmol (mh)h)， K223.7、填料层高度的计算11D

14、411.32 =1.3267m2,同理，有4=2 = D得：214=1.5386m ， =2.0096m2223传质单元高度 ：HL.= 0.7113m，同理可K a x w得， H =0.7103m，H =0.6935m传质单元数N 的计算：（对数平均推动力法）由气液平衡方程 Y= . ,并带入 Y ：2.0.0063= .=0.0000551 22.2X=0.0010-0.00077=0.0002311=X X1XX= X X 0.0000551-0=0.0000551222 .= 0.0001224 ， 同 理 可 得 ，12(1.()20.X =0.0001536， X =0.0001

15、853则 NX X.00.=4.3620 ，= 6.2908 ， 同 理 可 得 ， N12N =3.0221故：填料层高度Z =HN = 0.71136.2908 = 4.4746m，同理可得，1Z =3.0982m，Z =2.0958m23以同样方法计算另外两组数据求得后列总结为下表:.专业资料.L(Kmolh) 28192.1957 32529.4566 39035.3479u(m/s)0.06280.05400.044210.00077 0.07850.00067 0.06750.00056 0.05524.47463.09822.09581.6部分主要数据（表三）经综合考虑以上三种液

16、气比所需的设备费和操作费，最终选择第一组。3.8 计算填料层阻力：由此可以确定填料层高度 h=1.2Z =1.24.4746m=5.4m1气体质量流速V.=2010.1989kg(m=2666.8304kg/h=2h)1.吸收剂的质量流量：L=507459.5226 .=382511.9833kg(m2h)1.液体密度： 3气体密度： =9.0772 3Lv6 0.967 102TLLGG22=1.21X10 5.4由公式P h( )10 得：P h( )106VVLLTTVV.2)9.10.967102382511.995.7=15085.8604pa.专业资料.3.9、附属设备的选择a.液

17、体喷淋装置：a.1 设计思路：在填料塔内液体的分布对对操作起着非常重要的作用，即使选择了合适的填料，如果液体分布不良，必然减小填料的有效润湿表面，减小气液两相的有效接触面积，直接影响塔的分离效率。为了减少由于液体不良分布引起的放大反应，充分发挥填料的效率，必须在填料塔中安装液体分布装置，把液体均匀地分布于填料层顶部液体初始分布的质量不仅影响填料的传质效率，而且还会对填料的操作弹性产生影响。所以塔顶喷淋装置的设计既要要求结构简单，又要将液体均匀地喷洒在填料上，操作时本上不宜赌赛不产生过细的雾滴。且由于操作塔径为 1.3m，故采用盘式液体分布器。a.2 设计计算：a.2.1液体进出口管径：4L液体

18、进出管接口：d.7 = 509.6510m3/h uLL由于是泵输送，所以取u= 2.5m sL则：d .= = 0.2686mL.L.专业资料.按照热轧无缝钢管标准（GB8163-87），液体进出管接口尺寸299mm15mm, 无缝钢管299mm的内径：d = 299152 = 269mm,校验液体进出管接口速度：液体在管中的实际流速：u.= 2.4923 ms,=L2.2L故选用299mm15mm 钢管a.2.2分布板直径：分布板直径 D =0.81.3m=1040mm1a.2.3分布板开孔数：且液体流量：L=0.1416m3/s流量系数 0.6盘上小孔直径板上液体高度d 0.008m01

19、H D 6m6则孔数：n=L0.=2279.22 1. x .06其结构图如图 2 和图 3 所示：.专业资料. 图.专业资料.图填料支撑板：填料支撑装置的作用是支撑塔内的填料和塔上的持液量，同时又能保证气液两相顺利通过。支撑板应有足够的机械强度和耐腐蚀能力。栅板式支撑装置是有竖立的扁钢条焊接而成。扁钢条的间距应为填料外径的0.60.7倍。为防止填料从栅板条间空隙漏下，在装填料时，先在栅板上铺上一层孔眼小于填料直径的粗金属丝网。其结构如图 4 所示：.专业资料.图气体入口装置：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。本设计采用进气管伸到塔中心位置，管端切成 45 度向下斜口

20、或切成向下切口，使气流折转向上。其结构图如图 5 所示：图V气体进出管接口直径：d s uvv.专业资料.且V.= 4700= 293.6286m/sS因为操作压力为 P=1800KN/m2，则 u 取 20m/s,v得： d .= 0.0721m4Lv.液体进出管接口：d uLL且，L = .= 509.6510m3/h.7取 u =2.5m/s 得：d .= = 0.2686mLL.L由化工原理上册附录知：按照热轧无缝钢管标准（GB8163-87），气体进出管接口尺寸选83mm5mm；液体进出管接口尺寸299mm15mm校验气体进出管接口速度：气体进出管接口尺寸选83mm5mm，选择验算：

21、83mm5mm无缝钢管的内径：d=83-52 = 73mm气体在管中的实际流速：uS2v.=19.4976ms=v2. 校验液体进出管接口速度：液体在管中的实际流速：u.= 2.4923 ms,=L2.2Ld. 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。如图 6.专业资料.封头结构图（图 6）由化工原理

22、课程设计导论JB1154-73查表知：当塔径 D=1.3m 时，h=40mmmm，H=325mm泵的选择：由299mm15mm, u诺数:.P, = 0.8007103 s算得雷=LaLsRe = d u .=833703=L LLL.3查化工原理（上册）P65 表 2.3 得新的无缝钢管的绝对粗糙度 mm。.2=0.00074L查化工原理（上册）P64 图 2.13 得 0.017且取塔高 Z=4.5+1.5+0.3252=6.65m 取 l m取局部阻力系数qL.= 0.1416m3/s0.170.7521.67vL.专业资料. l 1 d2dH= + +Kq 2，其中由于K ，Lv2g

23、2dd222221管壁相当于管径很小，所以2 d = 0.269m 因此得1 l P dH Z q2Vgg dL22.= . + 6.65 +.0.14162.9.2.2H = H 1.1= 180.61531.1198.6768mL额所以选择 ZA200-400A型离心泵：扬程 203mH O，流量 850m h32第四章 设计结果概要4.1主要符号说明（如表T相平衡常数，;V气体量muuFw填料层的润滑比表面积m/maak 液膜吸收系数 m/h;H 液相传质单元高度，m;LL.专业资料. 填料因子， m-1 ; 修正系数，无因次.gdL惰性气体流量，kmol/h 密度 kg/ G符号说明（

24、表 4）4.2主要数据汇总（如表操作条 操作温度 30物料衡算数据进塔气相流量12120.00630.00077 0 209.8214kmol/h 28192.1957kmol/hOLOL1.3m 4.5mgZA200-400A型布器支撑装离心泵.专业资料.置主要数据汇总 （表五）参考文献： 张洪沅.化工原理设计导论.成都科技大学出版社.1991.4 朱家骅，叶世超，夏素兰等.化工原理.2005.6 匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计.化学工业出版社.2002.1 王国胜.化工原理课程设计.大连理工大学出版社.2005.2 陈英南，刘玉兰.常用化工单元设备的设计.华东理工大学出版社.2005.4 压力容器使用技术丛书编写委员会 .压力容器设计知识 .化学工业出版社.2005.10.专业资料. 化学工程手册编写委会组织 .化学工程手册 第 6 篇.化学工业出版社.1989第五章：设计评价通过参与此次课程设计，首先，自我体会到了如何将课本的知识运用到生.专业资料.产生活实际中；其次，由于刚开始时对课程设计的了解不深 ，致使自身没能很好的通过查阅资料了解到相关的一些