二氧化碳吸收塔设计

《化工原理》课程设计水吸收二氧化碳填料塔设计学院医药化工学院专业精细化工班级姓名学号指导教师年月日目录概述.............................................................11.设计题目......................................................12.操作条件......................................................13.填料类型.......................................................14.设计内容.......................................................14.1吸收剂的选择.............................................14.2装置流程的确定...........................................14.3填料的类型与选择.........................................25.填料吸收塔的工艺尺寸的计算....................................25.1基础物性数据.............................................25.1.1液相物性数据...........................................25.1.2气相物性数据...........................................25.1.3气液相平衡数据.........................................25.2物料衡算.................................................25.3填料塔的工艺尺寸计算.....................................35.3.1塔径计算...............................................35.3.2填料层高度计算.........................................46.填料层压降计算.................................................67.液体分布器建简要设计...........................................77.1液体分布器的选型.........................................77.2分布点密度计算...........................................77.3布液计算.................................................78.吸收塔接管尺寸计算.............................................89.要符号说明......................................................89.1料的特性参数..............................................89.2符号说明..................................................8.附图（工艺流程简图、主体设备设计条件图）-1-概述填料塔不但结构简单，且流体通过填料层的压降较小，易于用耐腐蚀材料制造，所以它特别适用于处理量小，有腐蚀性的物料及要求压降小的场合。液体自塔顶经液体分布器喷洒于填料顶部，并在填料的表面呈膜状流下，气体从塔底的气体口送入，流过填料的空隙，在填料层中与液体逆流接触进行传质。因气液两相组成沿塔高连续变化，所以填料塔属连续接触式的气液传质设备。吸收操作在化学工业中是一种重要的分离方法，本次设计采用水吸收空气中的二氧化碳，处理流量为3800m3/h，其中进塔二氧化碳的体积分数为7%，二氧化碳的吸收率达到95％。吸收效果以减少对大气的污染，属于物理吸收。影响吸收的因素主要为溶质在吸收剂中的溶解度,其吸收速率主要决定于气相或液相与界面上溶质的浓度差，以及溶质从气相向液相传递的扩散速率。本设计本设计采用4个同类型的吸收塔并联，塔高8.4m，塔径2.9m，采用聚丙烯阶梯填料，具有通量大、阻力小、传质效率高等优点，可以达到较好的通过能力和分离效果。一般说来，完整的吸收过程应包括吸收和解吸两部分。在化工生产过程中，原料气的净化，气体产品的精制，治理有害气体，保护环境等方面都要用到气体吸收过程。填料塔作为主要设备之一，越来越受到青睐。1.设计题目试设计一座填料吸收塔，采用清水吸收混于空气中的二氧化碳气体。混合气体的处理量为3800m3/h，其中含二氧化碳为7%（体积分数），混合气体的进料温度为25℃。要求：二氧化碳的回收率达到95%。2.操作条件（1）操作压力：常压（2）操作温度：20℃（3）吸收剂用量为最小用量的1.5倍。3.填料类型公称直径为50mm的聚丙烯塑料阶梯环4.设计内容设计方案的确定4.1吸收剂的选择因为用水作吸收剂，同时CO2不作为产品，故采用纯溶剂。4.2装置流程的确定用水吸收CO2属于中等溶解度的吸收过程，故为提高传质效率，选择用逆-2-流吸收流程。由于处理的流量较大，所以用4个同类型的吸收塔并联工作。4.3填料的类型与选择用不吸收CO2的过程，操作温度低，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，故此选用DN50聚丙烯塑料阶梯环填料。4.4操作温度与压力的确定20℃，常压5.填料吸收塔的工艺尺寸的计算5.1基础物性数据5.1.1液相物性数据对于低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取水的物性数据查得，293K时水的有关物性数据如下：密度ρL=998.2kg/m粘度μL=3101Pa·s=3.0kg/(m·h)表面张力σL=72.6dyn/cm=940896kg/h3CO2在水中的扩散系数为DL=1.77×10-9m2/s=6.372×10-6m2/h5.1.2气相物性数据混合气体的平均摩尔质量为Mvm=∑yiMi=0.07×44＋0.93×29=30.05混合气体的平均密度为ρvm=298314.805.303.101RTPMvm1.23kg/m3混合气体粘度近似取空气粘度，手册20℃空气粘度为μv=1.81×10-5Pa·s=0.065kg/(m•h)查手册得CO2在空气中的扩散系数为Dv=1.8×10-5m2/s=0.044m2/h5.1.3气液相平衡数据由手册查得，常压下20℃时CO2在水中的亨利常数为E=144MP相平衡常数为3.101PEm3=1421.5溶解度系数为H=02.181044.12.998E3sM=0.03845kmol/(m.3·kPa)5.2物料衡算-3-进塔气相摩尔比为111y1yY075.007.0107.0回收率为η=95%出塔气相摩尔比为Y2=Y1（1-η）=0.075×(1-0.95)=0.00375进塔惰性气相流量为V=)07.01(2982734.22950=36.13kmol/h该吸收过程为低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比按下式计算，即2121minmXYYYVL）（对于纯溶剂吸收过程，进塔液组成为X2=0425.135005.1421075.000375.0075.0m2121minXYYYVL）（取操作液气比为5.1VLmin）（VLL=1.5min）（VLV=73186.28kmol/h因为V(Y1-Y2)=L(X1-X2)所以X1=51052.328.7318600375.0075.013.36）（5.3填料塔的工艺尺寸计算5.3.1塔径计算气相质量流量为WV=950×1.23=1180.8kg/h液相质量流量可近似按纯水的流量计算即WL=73186.28×18.02=1318816.77kg/hEckert通用关联图横坐标为78.1040)2.99823.1(8.118077.1318816)(5.05.0LVVLWW因为数值太大，不适宜用Eckert通用关联图计算泛点气速用贝恩-霍根关联式计算泛点气速：KAagLLVt2.032F))((ulg8141)()(LVVLWW其中A=0.204K=1.7575.1204.01)2.99823.1()927.02.114(81.9ulg2.032F8141)2.99823.1()8.118077.1318816(计算得uF=0.063m/s取u=0.7uF=0.7×0.063=0.044m/s-4-由0441.014.3360095044uVDS2.76m泛点率校核：063.0043.0uuF=68.25%（在允许范围内）液体喷淋密度校核，取最小润湿速率为（LW）min=0.08m3/m·h查塑料阶梯环特性数据表得：型号为DN50的阶梯环的比表面积at=114.2m2/m3Umin=(LW)minat=0.08×114.2=9.136m3/m2·hU=67.2148.2785.02.99877.13188162Umin经校核可知，塔径D=2.8m合理。5.3.2填料层高度计算Y1=mX1=1421.5×3.52×10-5=0.05Y2=mX2=0脱因系数为S=28.7318613.365.1421LmV=0.702气相总传质单元数:NOG=SYYYYSS22211ln11=702.0000375.00075.0)072.01(ln702.011=3.796气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算:2.0205.021.075.045.1exp1tLLLtLLtLLtLLctwaUaaUaUaa查常见材质的临界表面张力值表得σc=33dyn/cm=427680kg/h2附表：常见材质的临界表面张力值材质碳瓷玻璃聚丙烯聚氯乙烯钢石蜡表面张力,mN/m56617333407520-5-液体质量通量为UL=214288.44kg/(m2·h)2.0205.08221.075.0tw2.1149408962.99844.2142881072.12.9982.11444.2142886.32.11444.21428894089642768045.1exp1aatwaa=0.77吸收系数由下式计算:RTDaDaU237.0KVt31VVV7.0VtVG质量通量为2V8.2785.023.1950U=189.86hm/kg2293314.8044.02.114044.023.1065.0065.02.11486.189237.0K317.0G=510-3kmol/(m3·h·kPa)吸收系数由下式计算:31LL21LLL32LWLLgDaU0095.0K31821932L2.9981027.16.31078.12.9986.36.32.11477.044.2142880095.0K