四川大学化工原理课程设计

四川大学化工原理课程设计0四川大学化工学院化工原理课程说明书题目：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：过程装备与控制工程年级：09级学生姓名：刘勇学号：0843082121指导老师:曹丽淑设计时间:2011年12月16日至2012年1月6日四川大学化工原理课程设计1目录第一章设计任务...................................................3第二章设计流程的选择.............................................4第三章吸收塔的设计计算...........................................53.1气液平衡关系...............................................63.2确定吸收剂的用量...........................................63.3计算热效应.................................................73.4塔径的计算.................................................83.4.1混合气体的密度........................................83.4.2填料的选择............................................83.4.2计算塔径...............................................................................113.5喷淋密度的校核....................................................................................123.6总传质系数XKa计算.........................................133.7填料层高度的计算...........................................143.8填料层阻力计算.............................................16第四章附属设备的选型和计算......................................164.1液体喷淋装置..............................................164.2液体再分布器..................................................................................184.3塔附属高度......................................................................................194.4填料支撑板................................................194.5填料限定装置..............................................204.6气体入口装置..............................................204.7除沫装置.........................................................................................204.8封头......................................................214.9泵的选择.........................................................................................21第五章设计结果概览.............................................23四川大学化工原理课程设计2第六章设计评价..................................................25主要符号说明.......................................................27参考文献...........................................................28第一章设计任务四川大学化工原理课程设计3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目的和意义：在合成氨工艺中，由任何含碳原料制得的原料气（半水煤气）都含有相当量的二氧化碳，这些二氧化碳在进入合成工序以前必须清除干净，因为在合成过程中为高温高压，在高压下，二氧化碳很容易化成干冰，会堵塞设备和管道，给操作带来很大的危害；另外，二氧化碳的存在还会使氨合成的催化剂中毒，而且还给清除少量一氧化碳过程带来困难，同时二氧化碳又是制造尿素、碳酸氢铵、纯碱和干冰的重要原料。因此，合成氨生产中，二氧化碳的脱除极其回收利用往往是脱碳过程的双重目的。已知数据（一）气体混合物：1.组成（V%）：2CO10.8%,2H65%,2N21%,4CH0.5%,CO2.6%,2O0.1%2.气体量：40003/Nmh3.温度：30C4.压力：17003/KNm（二）气体出口要求（V%）：2CO0.55%（三）吸收剂：水四川大学化工原理课程设计4第二章设计流程的选择吸收装置的流程主要有一下几种：（1）逆流吸收：气体自塔底进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出，此即逆流操作。（2）并流操作：气液两相均从他塔顶流向塔底，此即并流操作。（3）吸收剂部分再循环操作：在逆流操作系统中，用泵将吸收塔排出的液体部分冷却后与新鲜吸收剂一同送回塔内。（4）多塔串联操作：若设计的填料层高度过大，或者由于所处理的物料等原因需经常清理填料，为了便于维修，可把填料层分装在几个串联的塔内，每个吸收塔通过的吸收剂和气体量都相等。各种操作的优缺点比较如下表1所示：逆流并流部分回流多塔串联操作优点传质推动力比较大，传质速率快，分离效率高。吸收剂利用率高，可降低吸收塔所需的传质面积。当平衡曲线较平坦，流向对推动力影响不大；被处理气体不需要吸收很完全；吸收剂用量特别大时使用。提高他的液体喷淋密度，控制塔内的温升，提高吸收剂的使用率，特别适用于相平衡常数很小的情况下。降低单个塔的填料层高度，便于维修缺点液体的下流受到上升气体的作用力，因此限制了吸收塔所允许的液体流速和气体流速。相同分离程度下，平均推动力下，所需要的传质面积大较逆流操作的平均推动力要低，且需设置循环泵，操作费用增加。操作因塔内需要留较大空间，输液，喷淋，支撑板等辅助装置增加，使设备投资加大。综合上面的分析，因二氧化碳属难溶气体，进出塔的吸收率较高，即要求处理吸收的较为完全，为了减少设备的投资，所以从工艺技术和经济两方面综合考虑，初步采用单塔逆流操作吸收流程。当然工业生产中一般工艺流程都涉及吸收和解吸联合流程，虽然本设计中吸收剂为水，价值不高，极易得到，所吸收的溶质为二氧化碳，无毒，直接排放对环境的影响不大，但作为一个完整的工艺流程还是必需有的，整个工艺流程图如下图所示：四川大学化工原理课程设计5四川大学化工原理课程设计6第三章吸收塔的设计计算3.1气液平衡关系本设计题目的操作压力为17002/KNm，属于高压，因此压力影响产生对理想气体定律的偏差需进行校核。由《化工原理（上册）》附录四，查得：2CO的临界温度Tc=31.1C，临界压力Pc=7.38Mpa求得：对比温度：Tr=TTc=15.2731.3115.27330=0.9964，对比压力：Pr=2304.038.77.1MpaMpaPPc由《物理化学》58页，图2-2-5普遍化逸度系数图，查得：=0.92则可得逸度：KPaKpapf156492.01700由《物理化学》64页，表2-4-1，查得T=30C时2CO在水为溶剂的亨利常数E=Pa910188.0，20.12010564.110188.069PaPafEmXXXXXmmXY20.119120.120)20.1201(120.120)1(13.2确定吸收剂的用量已知1y=0.108，2y=0.0055：1211.0108.01108.01Y，0055.00055.010055.02Y惰性气体的摩尔流量：V=29.159)1(4.2240001yKmol/h最大出口浓度4111max11099.820.11920.120YYXX该吸收过程属于低浓度吸收，最小液汽比可按下式计算即：对于纯吸收过程，进塔液相组成为2X=0；59.1281099.80055.01211.042max121minXXYYVL四川大学化工原理课程设计7由于min()(1.1~2)()LLVV，实际液气比，取1.3，1.5，1.8倍三组数据计算；第一组：167.16759.1283.13.1min1VLVLhkmolVL/03.26628167.1671，4121111092.6167.1670055.01211.0VLYYX；第二组：885.19259.1285.15.1min2VLVLhkmolVL/65.30724885.1922，4221211099.5885.1920055.01211.0VLYYX；第三组：462.23159.1288.18.1min3VLVLhkmolVL/58.36869462.2313，4321311099.4462.2310055.01211.0VLYYX；3.3计算热效应水吸收二氧化碳的量：hkmolYYVGA/41.18)0055.01211.0(29.159)(21查《化工原理设计导论》图4-5，得到CO2的溶解热为：q=106kcal/kg查《化工原理》上册附录，用内插法得T=30C时水的比热容为：Cp=4.174kJ/(kg·k)根据公式18444.18ALCptGq，可得：444.1818AGqtLCp；Ct1179.0174.41803.2662818.41064441.181四川大学化工原理课程设计8Ct1155.0174.41865.3072418.41064441.182Ct1130.0174.41858.3686918.41064441.183，上述计算可知，三组数据的溶液温度变化都很小，可视为等温吸收。3.4塔径的计算3.4.1混合气体的密度由各组分浓度计算平均摩尔质量：kmolkgM/772.12%1.032%6.228%5.016%2128%652%8.1044由《化工原理（上册）》附录四，查得各组分的临界压力和临界温度为：2CO：Tc=31.1C,Pc=7.38Mpa，2H：Tc=-239.9C,Pc=1.30MPa2N：Tc=-147.13C,Pc=3.39Mpa，4CH：Tc=-82.15C,Pc=4.62MPaCO：Tc=-140.2C,Pc=3.50Mpa，2O：Tc=-118.82C,Pc=5.04MPa求得假临界压力：62.4%5.039.3%2130.1%6538.7%8.10cii