四川大学化工原理吸收塔设计

化工原理设计1《化工原理》课程设计化工原理设计2目录第一章设计任务∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙31.1设计题目∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙31.2设计任务及操作条件∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙31.3设计内容∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙3第二章设计方案∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙42.1设计流程的选择及流程图∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙42.2填料的选择∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙4第三章填料塔的工艺设计∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙42.1气液平衡关系∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙42.2吸收剂用量∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙52.3计算热效应∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙52.4定塔径∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙62.5喷淋密度的校核∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙62.6体积传质系数的计算∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙72.7填料层高度的计算∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙72.8附属设备的选择∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙8第三章设计评价∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙9第四章设计结果概要∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙10第一章设计任务化工原理设计31.1、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1.2、设计任务及操作条件（一）气体混合物1.组成：组分CO2H2N2CH4COO2进塔气体（V%）10.765.3210.72.20.12.气体量：4500Nm3∕h3.温度：30°C4.压力：1700KN∕m2(二)气体出口要求（V%）：CO2≤0.58%(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9.参考文献化工原理设计4第二章设计方案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CO2要用以合成尿素，则需对吸收后的溶液解吸以得到CO2,同时溶剂也可循环使用。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2.2、填料的选择填料是填料塔的核心，是气液两相接触进行质、热传递的场所。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。由于本设计处理量不大，操作温度低，故选用塑料(聚乙烯)鲍尔环Dg38填料，其主要性能参数为：比表面积a：155m2∕m3孔隙率ε：0.89A:0.0942干填料因子aε3：220m-1第三章填料塔的工艺设计2.1、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CO2的临界温度Tc=304K，临界压力Pc=7.39MPa则其对比温度Tr=T(Tc+8)=303304+8=0.97对比压力Pr=P(Pc+8)=1773.9+8=0.21化工原理设计5查《化工原理设计导论》图2-4得在此温度压力下:逸度系数γ=0.92则逸度f=pγ=1700×0.92=1564KPa查《化工原理》得亨利系数E=188000KPa相平衡常数m=Ef=1880001564=120.2则可得在此条件下气液平衡关系为：Y=mX1+(1−m)X=120.2X1−119.2X2.2、吸收剂用量混合气体中惰性气体流量:V=450022.4×273303×1700101.3×（1-0.107）=2712.54Kmol∕h进塔CO2摩尔比：Y1=0.1071−0.107=0.1198出塔CO2摩尔比：Y2=0.00581−0.00580.00583X1*=X1max=Y1m=0.1198120.2=0.001对于纯水吸收过程：X2=0则（LV）min=Y1−Y2X1∗−X2=0.1198−0.005830.001=113.97由LV=(1.1~2)（LV）min：取L11=1.3Lmin=1.3×113.97×2712.54=401892.6Kmol∕hL21=1.5Lmin=1.5×113.97×2712.54=463722.3Kmol∕hL31=1.8Lmin=1.8×113.97×2712.54=556466.7Kmol∕h则由V(Y1-Y2)=L(X1-X2)：X11=V(Y1−Y2)L=2712.54×(0.1198−0.00583)401892.6=0.00077X21=V(Y1−Y2)L=2712.54×（0.1198−0.00583）463722.3=0.00067X31=V(Y1−Y2)L=2712.54×（0.1198−0.00583）556466.7=0.00056以下计算以第一组数据(L11,X11)为例2.3、计算热效应水吸收CO2的量：GA=V(Y1-Y2)=2712.54×（0.1198-0.00583）=309.154Kmol∕h查《化工原理设计导论》图4-5得CO2的溶解热q=97Kcal∕Kg查《化工原理》上册附录5，得水的Cp=4.174KJ∕（Kg·K）则由L×18×Cp×Δt=GA×44×q×4.18得：Δt=309.154×44×97×4.18401892.6×18×4.174=0.18°C由于温度变化不大，故此过程可视为等温吸收过程。2.4、定塔径混合气体平均摩尔质量：化工原理设计6M=0.107×44+0.653×2+0.21×28+0.007×14+0.022×28+0.001×32=12.64Kg/Kmol查《化工原理》上册附录4得各组分的临界压力Pc与临界温度Tc：CO2H2N2CH4CO02PC(MPa)7.381.303.394.623.505.04TC(K)30433.3126191133155则混合气体临界压力：Pcm=0.107×7.83+0.653×1.30+0.21×3.39+0.007×4.62+0.022×3.50+0.001×5.04=1.86MPa混合气体临界温度：Tcm=0.107×304+0.653×33.3+0.21×126+0.007×191+0.022×133+0.001×155=85.15K则对比温度Tr=TTc+8=30385.15+8=3.25对比压力Pr=PPc+8=1718.6+8=0.64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ρV=PMZRT=1700×12.641×8.314×303=8.53Kg/m3计算泛点空塔气速uf:吸收剂水在30°C的液体粘度：υL=0.8007mPa·s混合气体质量流速：GV=M·V=2712.54×12.64=34286.5Kg/h吸收剂质量流速：GL=M·L=18×401892.6=7234066.8Kg/h由公式：lg[uf2g·aε3·ρvρL·μL0.2]=A-1.75(GLGV)0.25·(ρVρL)0.125代入数据：lg[uf29.81·220·8.531000·0.80070.2]=0.0942-1.75(7234066.834286.5)0.25·(8.531000)0.125求得：uf=0.038m/s取u=0.8uf=0.8×0.038=0.0304m/s该操作条件下气体体积流量：Vs=450022.4×12.648.53×3600=0.0827m3/s则D=√4Vsπu=√4×0.08273.14×0.0304=1.86m圆整后（《化工原理设计导论》p123）:D=1.9m2.5、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LW=0.08m3(m·h)⁄则最小喷淋密度Umin=LW·a=0.08×155=12.4m3(m2·h)⁄U=GLρL×π×D24=4×7234066.81000×3.14×1.92=2552.7m3(m2·h)⁄＞Umin故符合要求。2.6、体积传质系数的计算化工原理设计7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KL≈kL故此处计算液相传质系数kL即可.采用恩田式计算：液相扩散系数（《导论》式2−36）：DL=1.173×10−13(ϕM)0.5TμLVm0.6=1.173×10−13(2.6×18)0.53030.807×0.0340.6=1.67×10−10m3/s液相流率：WL=4×7234066.83600×π×1.92=709.1Kg/(m2·s)填料湿润表面积（参考书目③式6-40）：aw=𝑎{1−𝑒x𝑝{−1.45(σ𝐶σ)0.75(𝑊𝐿𝑎𝜇𝐿）0.1（𝑊𝐿𝑎𝜌𝐿2𝑔）−0.05（𝑊𝐿2𝜌𝐿𝜎𝑎)0.2}}=155×{1−𝑒x𝑝{−1.45×(75×10−372×1