化工原理課程設(shè)計(jì) 吸收塔

1、 化工原理課程設(shè)計(jì)課 題: 設(shè)計(jì)水吸收半水煤氣體混合物中的二氧化碳的填料吸收塔 設(shè)計(jì)者： 王 濤 學(xué) 號(hào)： 1043082002 指導(dǎo)老師： 曹麗淑 目錄第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)3 1.1設(shè)計(jì)題目3 1.2設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件3 1.3設(shè)計(jì)內(nèi)容3第二章 設(shè)計(jì)方案4 2.1設(shè)計(jì)流程的選擇及流程圖4第三章 填料塔的工藝設(shè)計(jì)4 3.1氣液平衡關(guān)系4 3.2吸收劑用量5 3.3計(jì)算熱效應(yīng)5 3.4定塔徑6 3.5噴淋密度的校核6 3.6體積傳質(zhì)系數(shù)的計(jì)算7 3.7填料層高度的計(jì)算8 3.8附屬設(shè)備的選擇9第四章 設(shè)計(jì)結(jié)果概要15第五章 設(shè)計(jì)評(píng)價(jià) 17 第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)1.1、設(shè)計(jì)題目設(shè)計(jì)水吸收半水煤氣體混合物中

2、的二氧化碳的填料吸收塔1.2、 設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件（一）氣體混合物1.組成（如表1所示）：組分CO2H2 N2 CH4CO O2進(jìn)塔氣體（V%）10.9 65.3 21 0.5 2.2 0.12.氣體量：4700Nm3h3.溫度：30°C4.壓力：1800KNm2 (二)氣體出口要求（V%）：CO20.63% (三)吸收劑：水1.3、設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份，其內(nèi)容包括：1. 目錄2. 題目及數(shù)據(jù)3. 流程圖4. 流程和方案的選擇說(shuō)明與論證5. 吸收塔的主要尺寸的計(jì)算，注明計(jì)算依據(jù)的公式、數(shù)據(jù)的來(lái)源6. 附屬設(shè)備的選型或計(jì)算7. 設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)8. 設(shè)計(jì)結(jié)果9. 參考文獻(xiàn) 第二章 設(shè)計(jì)方案2

3、.1、吸收流程的選擇及流程圖本設(shè)計(jì)混合原料氣溶質(zhì)濃度不高，同時(shí)過(guò)程分離要求不高，選用一種吸收劑（水）一步流程即可完成吸收任務(wù)。由于逆流操作傳質(zhì)推動(dòng)力大，這樣可減少設(shè)備尺寸，并且能提高吸收率和吸收劑使用效率，故選擇逆流吸收。由于本任務(wù)吸收后的CO2要用以合成尿素，則需對(duì)吸收后的溶液解吸以得到CO2,同時(shí)溶劑也可循環(huán)使用。 水吸收CO2工藝流程圖(圖1)1- 吸收塔；2-富液泵；3-貧液泵；4-解吸塔 第三章 填料塔的工藝設(shè)計(jì)3.1、氣液平衡關(guān)系 由于此操作在高壓下進(jìn)行,高壓環(huán)境對(duì)理想氣體定律有偏差,故需對(duì)壓力進(jìn)行校核:由化工原理設(shè)計(jì)導(dǎo)論查得CO2的臨界溫度Tc=304K，臨界壓力Pc=7.38M

4、Pa則其對(duì)比溫度Tr= T(Tc+8) = 303.15304+8 =0.9716 對(duì)比壓力Pr= P(Pc+8) =1873.8+8 =0.2200 查化工原理設(shè)計(jì)導(dǎo)論圖2-4得在此溫度壓力下: 逸度系數(shù)=0.92 則逸度f(wàn)=p=1800×0.92=1656KPa 查化工原理下冊(cè)得CO2氣體在30時(shí)溶于水的亨利系數(shù)E=188000KPa 相平衡常數(shù)m= Ef =1880001656 =113.5266則可得在此條件下氣液平衡關(guān)系為： Y= mX1+(1-m)X =113.5266X1-112.5266X3.2、吸收劑用量 進(jìn)塔CO2摩爾分?jǐn)?shù)：y1=10.9%=0.109進(jìn)塔CO2摩

5、爾比：Y1= y11-y1= 0.1091-0.109 =0.1223出塔CO2摩爾分?jǐn)?shù)：y2=0.63%=0.0063出塔CO2摩爾比：Y2=y21-y2= 0.00631-0.0063 =0.0063混合氣體體積流量：qv=4700Nm3/h混合氣體中惰性氣體流量:V=470022.4×（1-0.109）=186.9509Kmolh出塔液相濃度最大值: X1*=X1max= Y1m-1-mY1 = 0.1223113.5266-(1-113.5266) =0.0010 對(duì)于純水吸收過(guò)程：X2=0則最小液氣比：（LV）min= Y1-Y2X1*-X2 = 0.1223-0.0063

6、0.0010 =116.0000由LV = (1.12)（LV）min： 取L11=1.3Lmin=1.3×116.0000×186.9509=28192.1957Kmolh L21=1.5Lmin=1.5×116.0000×186.9509=32529.4566KmolhL31=1.8Lmin=1.8×116.0000×186.9509=39035.3479Kmolh 則由物料衡算公式V(Y1-Y2)=L(X1-X2)： X11= V(Y1-Y2)L = 186.9509×(0.1223-0.0063)28192.1957

7、 =0.00077 X21= V(Y1-Y2)L =186.9509×（0.1223-0.0063）32529.4566 =0.00067 X31= V(Y1-Y2)L =186.9509×（0.1223-0.0063）39035.3479 =0.00056以下計(jì)算以第一組數(shù)據(jù)(L11,X11)為例3.3、計(jì)算熱效應(yīng) 水吸收CO2的量：GA=V(Y1-Y2)=186.9509×（0.1223-0.0063）=21.6863Kmolh查化工原理設(shè)計(jì)導(dǎo)論圖4-5得CO2的溶解熱q=97KcalKg查化工原理上冊(cè)附錄5，得水的Cp=4.174KJ（Kg·K）則

8、由L×18×Cp×t=GA×44×q×4.18 得：t1= 21.6863×44×97×4.1828192.1957×18×4.174=0.1827 同理可求得t2=0.1583，t3=0.1319。 由于t1，t2，t3均小于1。所以溫度變化不大，故此過(guò)程可視為等溫吸收過(guò)程。3.4、確定塔徑a.確定混合氣體的密度混合氣體平均摩爾質(zhì)量：查化工原理上冊(cè)附錄4得各組分的臨界壓力Pc與臨界溫度Tc：（如表二所示）CO2H2N2CH4CO 02PC(MPa)7.381.303.394.623.

9、505.04TC (K)30433.3126191133155 各組分臨界壓力與臨界溫度（表二）混合氣體的平均摩爾質(zhì)量：M=0.109×44+0.653×2+0.21×28+0.005×16+0.022×28+0.1×32=12.7100Kg/Kmol混合氣體假臨界壓Pcm=0.109×7.38+0.653×1.30+0.21×3.39+0.005×4.62+0.022×3.50+0.001×5.04=2.4470MPa 混合氣體假臨界溫度：Tcm=0.109×30

10、4+0.653×33.3+0.21×126+0.005×191+0.022×133+0.001×155=85.3769K則對(duì)比溫度Tr= TTcm =303.1585.3769 =3.5507 對(duì)比壓力Pr= PPcm = 1.82.4470 =0.7356由化工原理設(shè)計(jì)導(dǎo)論圖2-1得壓縮系數(shù)Z=1混合氣體密度V= PMZRT = 1800×12.71001×8.314×303.15 =9.0772Kg/m3b.確定填料：選擇塑料鮑爾環(huán)填料，規(guī)格：外徑×高×厚(mm)=38×38

11、15;1干填料因子a3=220 m-1比表面積a=155m2/m3關(guān)聯(lián)系數(shù)A=0.0942c.計(jì)算泛點(diǎn)空塔氣速uf: 由化工原理上冊(cè)附錄查得吸收劑水在30°C的液體粘度： L=0.8007mPa·s混合氣體質(zhì)量流速：GV=M·V=12.7100×4700/22.4=2666.8304 Kg/h吸收劑質(zhì)量流速：GL11= M·L=18×28192.1957=507459.5226Kg/h。同理可求得GL21=585530.2188 Kg/h，GL31=702636.2622Kg/h 由Bain-Hougen關(guān)聯(lián)式：lguf2g·

12、;a3·vL·L0.2=A-1.75GLGV0.25·VL0.125 代入數(shù)據(jù)： lguf29.81·220·9.0817995.7·0.80070.27521962.42666.83040.25·9.0772995.70.125 求得：uf1 =0.0785m/s，同理可求得uf2=0.0675m/s, uf3=0.0552m/sd.取U=0.8uf ， 則u1=0.8uf=0.8×0.0785=0.0628m/s,同理可得， u2=0.0540m/s, u3=0.0442m/s該操作條件下氣體體積流量：Vs=4

13、700x30+273.15x101.325273.15x1800x3600=0.0816m3/s則D1=4Vsu1=4×0.08163.14×0.0628 =1.2866m圓整后（化工原理設(shè)計(jì)導(dǎo)論p123）:D1=1.3m,同理可得，D2=1.4m，D3=1.6m3.5、噴淋密度的校核 對(duì)于直徑小于76mm的環(huán)形填料，其最低潤(rùn)濕率LW=0.08m3(m·h) 則最小噴淋密度Umin=LW·a=0.08×155=12.4m3(m2·h) U1=GL11L××D124 =4×507459.5226995.7&

14、#215;3.14×1.32 =384.1639m3(m2·h)Umin，同理可得， U2=382.2039m3(m2·h)Umin，U3=351.1498m3(m2·h)Umin 故符合要求。3.6、體積傳質(zhì)系數(shù)的計(jì)算由于傳質(zhì)阻力主要集中在液相，即此過(guò)程為液膜控制過(guò)程，則有KLkL 故此處計(jì)算液相傳質(zhì)系數(shù)kL即可.采用恩田式計(jì)算： 液相擴(kuò)散系數(shù)（化工原理設(shè)計(jì)導(dǎo)論式2-36）： DL=1.173×10-13(M)0.5TLVm0.6 = 1.173×10-13×(2.6×18)0.5×303.150.80

15、07×0.0340.6 =2.3106×10-9m2/s 液相流率： WL1=4GL11D12=4×507459.5226×1.32=382511.9833 Kg/(m2·h)，同理可得， WL2=380560.3918 Kg/(m2·h)， WL3=349639.8598 Kg/(m2·h)由化工原理附錄知：水在30時(shí)，水的表面張力L=72.6×10-3N/m=940896kg/h2填料材質(zhì)的臨界表面張力：填料總比表面積：水的黏度：L=2.8825Kg/(mh)重力加速度：水的密度：L= 填料濕潤(rùn)表面積（參考書(shū)目

16、 式6-40）： aw1=a 1-exp-1.45(CL)0.75(WL1aL）0.1（WL1aL2g）-0.05（WL12La)0.2 =155× 1-exp-1.45×(427680940896)0.75×382511.9833155×2.88250.1×382511.9833×155995.72×127137600-0.05×382511.98332995.7×940896×1550.2 =127.2645m2m3同理可得，aw2=127.1668m2m3，aw3=125.5274m2m3

17、 由此可得液相傳質(zhì)系數(shù)（參考書(shū)目 式6-46）同理可得，kL2=4.2315m/h, kL3=4.0338m/h 即：KL1kL1, KL2kL2, KL3kL3,又CM=LML=995.718=55.3167Kmol/m3 總傳質(zhì)系數(shù)：Kx1=KL1CM=3.7526×995.718=234.7475kmol(m2·h),同理可得， Kx2=234.0726kmol(m2·h)， Kx3=223.1365 kmol(m2·h)3.7、填料層高度的計(jì)算塔的截面積得： 1=14D2=14×1.32=1.3267m2,同理，有 2=1.5386m2

18、， 3=2.0096m2 傳質(zhì)單元高度：HOL1=LKxaw=28192.1957234.7475×127.2645×1.3267=0.7113m，同理可得， HOL2=0.7103m，HOL3=0.6935m 傳質(zhì)單元數(shù)NOL的計(jì)算：（對(duì)數(shù)平均推動(dòng)力法）由氣液平衡方程Y= 113.5266x1-112.5266x,并帶入Y2：0.0063= 113.5266X2*1-112.5266X2* X2*=0.0000551 X1=X1*-X1=0.0010-0.00077=0.00023 X2=X2*-X2=0.0000551-0=0.0000551 Xm1=X1-X2InX1

19、X2=0.00023-0.0000551In0.000230.0000551=0.0001224，同理可得，Xm2=0.0001536， Xm3=0.0001853 則NOL1=X1-X2Xm1=0.00077-00.000114=6.2908，同理可得，NOL2=4.3620，NOL3=3.0221 故：填料層高度Z1=HOL1·NOL1=0.7113×6.2908=4.4746m，同理可得，Z2=3.0982m， Z3=2.0958m以同樣方法計(jì)算另外兩組數(shù)據(jù),求得后列總結(jié)為下表: L(Kmolh)X1uf(m/s)u(m/s)D(m)Z(m)28192.19570.0

20、00770.07850.06281.34.474632529.45660.000670.06750.05401.43.098239035.34790.000560.05520.04421.62.0958 部分主要數(shù)據(jù)（表三）經(jīng)綜合考慮以上三種液氣比所需的設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)，最終選擇第一組。3.8計(jì)算填料層阻力：由此可以確定填料層高度h=1.2×Z1=1.2×4.4746m=5.4m氣體質(zhì)量流速：GV=2666.8304kg/h=2666.83041.326650=2010.1989kg(m2·h)吸收劑的質(zhì)量流量：L=507459.5226 kg/h=507459.5

21、2261.326650=382511.9833kg(m2·h)液體密度：L=995.7kg/m3 氣體密度：v=9.0772 kg/m3 由公式得： =1.21X10-6×5.4×(2010.198929.0772)×100.967×10-2×382511.9833995.7 =15085.8604pa3.9、附屬設(shè)備的選擇 a.液體噴淋裝置：a.1設(shè)計(jì)思路：在填料塔內(nèi)液體的分布對(duì)對(duì)操作起著非常重要的作用，即使選擇了合適的填料，如果液體分布不良，必然減小填料的有效潤(rùn)濕表面，減小氣液兩相的有效接觸面積，直接影響塔的分離效率。為了減少由于

22、液體不良分布引起的放大反應(yīng)，充分發(fā)揮填料的效率，必須在填料塔中安裝液體分布裝置，把液體均勻地分布于填料層頂部液體初始分布的質(zhì)量不僅影響填料的傳質(zhì)效率，而且還會(huì)對(duì)填料的操作彈性產(chǎn)生影響。所以塔頂噴淋裝置的設(shè)計(jì)既要要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，又要將液體均勻地噴灑在填料上，操作時(shí)本上不宜賭賽不產(chǎn)生過(guò)細(xì)的霧滴。且由于操作塔徑為1.3m，故采用盤式液體分布器。a.2設(shè)計(jì)計(jì)算：a.2.1液體進(jìn)出口管徑：液體進(jìn)出管接口： ,L=18×28192.1957995.7=509.6510m3/h由于是泵輸送，所以取uL=2.5ms則：dL=4LuL=4×509.65103.14×2.5×

23、3600=0.2686m按照熱軋無(wú)縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)（GB8163-87），液體進(jìn)出管接口尺寸299mm× 15mm, 無(wú)縫鋼管299mm×15mm的內(nèi)徑：d=299-15×2=269mm, 校驗(yàn)液體進(jìn)出管接口速度：液體在管中的實(shí)際流速：uL=4LdL2 = 4×509.65103600x3.14x0.2692=2.4923 ms, 故選用299mm×15mm鋼管a.2.2分布板直徑：分布板直徑D1=0.8×1.3m=1040mma.2.3分布板開(kāi)孔數(shù)：且液體流量：L=0.1416m3/s流量系數(shù) 盤上小孔直徑板上液體高度則孔數(shù)：n=L0.7

24、852gHd0 2 = 0.14160.785×0.6×0.0082x2x1.3x9.81x16 =2279其結(jié)構(gòu)圖如圖2和圖3所示：盤式液體分布器 篩孔式（圖2）噴頭俯視圖（圖3）b. 填料支撐板：填料支撐裝置的作用是支撐塔內(nèi)的填料和塔上的持液量，同時(shí)又能保證氣液兩相順利通過(guò)。支撐板應(yīng)有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕能力。柵板式支撐裝置是有豎立的扁鋼條焊接而成。扁鋼條的間距應(yīng)為填料外徑的0.60.7倍。為防止填料從柵板條間空隙漏下，在裝填料時(shí)，先在柵板上鋪上一層孔眼小于填料直徑的粗金屬絲網(wǎng)。其結(jié)構(gòu)如圖4所示： 柵板式支撐裝置（圖4）C氣體入口裝置： 填料塔的氣體進(jìn)口既要防止液體倒

25、灌，更要有利于氣體的均勻分布。本設(shè)計(jì)采用進(jìn)氣管伸到塔中心位置，管端切成45度向下斜口或切成向下切口，使氣流折轉(zhuǎn)向上。其結(jié)構(gòu)圖如圖5所示：氣體入口裝置（圖5）氣體進(jìn)出管接口直徑： 且VS=4700×303.15×101.325273.15×1800 =293.6286m/s因?yàn)椴僮鲏毫镻=1800KN/m2，屬高壓操作，則uv取20m/s,得： dv=4×293.62863.14×3600×20=0.0721m液體進(jìn)出管接口：且，L=18×28192.1957995.7=509.6510m3/h取uL=2.5m/s 得：dL

26、=4LuL=4×509.65103.14×2.5×3600=0.2686m由化工原理上冊(cè)附錄知：按照熱軋無(wú)縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)（GB8163-87），氣體進(jìn)出管接口尺寸選83mm×5mm；液體進(jìn)出管接口尺寸299mm×15mm校驗(yàn)氣體進(jìn)出管接口速度：氣體進(jìn)出管接口尺寸選83mm×5mm，選擇驗(yàn)算：83mm×5mm無(wú)縫鋼管的內(nèi)徑：d=83-5×2=73mm氣體在管中的實(shí)際流速：uv=4VSdv2=4×293.62863.14x0.0732x3600=19.4976ms校驗(yàn)液體進(jìn)出管接口速度：液體在管中的實(shí)際流速：uL

27、=4LdL2 = 4×509.65103600x3.14x0.2692=2.4923 ms,d. 封頭： 封頭為壓力容器的主要受壓元件，此處采用橢圓形封頭，其由半個(gè)橢球和具有一定高度的圓筒形殼體組成，此圓筒形殼體高度一般稱為直邊高度設(shè)置直邊高度的目的是為了避免在封頭和圓筒形殼體相交的這一結(jié)構(gòu)不連續(xù)處出現(xiàn)焊縫，從而避免焊縫邊緣應(yīng)力問(wèn)題。在制造難以程度上，由于橢圓形封頭的深度較淺，沖壓成形較易，是目前國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的中低壓容器的封頭形式。如圖6 封頭結(jié)構(gòu)圖（圖6）由化工原理課程設(shè)計(jì)導(dǎo)論JB1154-73查表知：當(dāng)塔徑D=1.3m時(shí)，h=40mmmm，H=325mm泵的選擇：由299mm&#

28、215;15mm, uL=2.4923ms ,L=0.8007×10-3Pas算得雷諾數(shù):Re=dLuLLL=0.269×2.4923×995.70.8007×10-3=833703查化工原理（上冊(cè)）P65表2.3得新的無(wú)縫鋼管的絕對(duì)粗糙度。 dL=0.2269=0.00074查化工原理（上冊(cè)）P64圖2.13得且取塔高Z=4.5+1.5+0.325×2=6.65m 取 取局部阻力系數(shù) qv=L×183600L=28192.1957×18995.7×3600=0.1416m3/s HL=pg+z+Kqv2，其中，由

29、于管壁相當(dāng)于管徑很小，所以d2 d1=0.269m 因此得 = 1800-101.325×1000995.7×9.81 + 6.65 + 8×（0.017×150.269+1.67）9.81×3.142×0.2692×0.14162 =180.6153m H額=HL×1.1=180.6153×1.1=198.6768m所以選擇ZA200-400A型離心泵：揚(yáng)程203 mH2O，流量850m3h 第四章 設(shè)計(jì)結(jié)果概要4.1主要符號(hào)說(shuō)明（如表4）：溫度，壓強(qiáng)，KPa ;亨利系數(shù)，KPa;相平衡常數(shù)，無(wú)因次;吸

30、收液量 kmol/hV氣體量空塔速度，m/s ;液泛速度，m/s ;t填料層的有效傳質(zhì)比表面積（m²/m³）填料層的潤(rùn)滑比表面積m²/m³；液膜吸收系數(shù) m/h;液相傳質(zhì)單元高度，m;填料因子， m-1 ; 修正系數(shù)，無(wú)因次重力加速度，kg/(m².h);液相傳質(zhì)單元數(shù)，無(wú)因次;填料直徑，m；惰性氣體流量，kmol/h密度kg/ m³符號(hào)說(shuō)明（表4）4.2主要數(shù)據(jù)匯總（如表5）： 設(shè)計(jì)名稱水吸收水煤氣混合物中的二氧化碳的填吸收呀操作條件操作溫度30操作壓力1800 KN/m2物料衡算數(shù)據(jù)Y1Y2X1X2進(jìn)塔氣相流量進(jìn)塔液相流量0.12230.00630.000770209.8214kmol/h28192.1957kmol/h工藝數(shù)據(jù)塔徑填料層高度填料HOLNOL1.3m4.5m塑料鮑爾環(huán)環(huán)Dg380.71136.2908填料塔附屬設(shè)備液體噴淋裝置填料支承板氣體入口裝置封頭泵盤式液體分布器柵板式支撐裝置管式分布結(jié)構(gòu)橢圓形ZA200-400A型離心泵主要數(shù)據(jù)匯總 （表五）參考文獻(xiàn)： 張洪沅.化工原理設(shè)計(jì)導(dǎo)論.成都科技大學(xué)出版社.1991.4 朱家驊，葉世超，夏素蘭等.化工原理.科學(xué)出版社.2005.6 匡國(guó)柱，史啟才.化工單元過(guò)程及設(shè)備課程設(shè)計(jì).化學(xué)工業(yè)出版社.2002.1