二氧化碳吸收塔设计可编辑修改word版.docx
- 文档编号:25355888
- 上传时间:2023-06-07
- 格式:DOCX
- 页数:22
- 大小:193.56KB
二氧化碳吸收塔设计可编辑修改word版.docx
《二氧化碳吸收塔设计可编辑修改word版.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《二氧化碳吸收塔设计可编辑修改word版.docx(22页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
二氧化碳吸收塔设计可编辑修改word版
《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
.
附图(工艺流程简图、主体设备设计条件图)
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
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=1⨯10-3Pa·s=3.0kg/(m·h)
表面张力σL=72.6dyn/cm=940896kg/h3
CO2在水中的扩散系数为DL=1.77×10-9m2/s=6.372×10-6m2/h
5.1.2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=
PMvmRT
=101.3⨯30.05
8.314⨯298
=1.23kg/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/h
5.1.3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
m=E
P
=1.44⨯103
101.3
=1421.5
溶解度系数为H=
E
s
=998.2
1.44⨯103⨯18.02
=0.03845kmol/(m3·kPa)
5.2物料衡算
进塔气相摩尔比为Y1
=y11-y1
=0.07
1-0.07
=0.075
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=950⨯273(1-0.07)=36.13kmol/h
22.4298
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
LY1-Y2
()min=
1-X
m2
对于纯溶剂吸收过程,进塔液组成为X2=0
LY1-Y20.075-0.00375
()min==
1-X
m2
取操作液气比为L=1.5L
0.075-0
1421.5
=1350.425
V
L=1.5L
(V)min
V=73186.28kmol/h
(V)min
因为V(Y1-Y2)=L(X1-X2)
所以X=36.13⨯(0.075-0.00375)=3.52⨯10-5
173186.28
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/h
Eckert通用关联图横坐标为WL(V)0.5=1318816.77⨯(1.23)0.5=1040.78
WVL
1180.8
998.2
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:
⎡u2a⎤
W11
lg⎢F(t)(V)0.2⎥=A-K
(L)4(V)8
L
⎣g3L⎦
WVL
其中A=0.204K=1.75
⎡u2
114.2
1.23
0.2⎤
1318816.771
1.231
lg⎢F⨯(
⎢⎣9.81
0.9273
)⨯(
998.2
)⨯1
⎥=0.204-1.75⨯(
⎥⎦
1180.8
)4(
)8
998.2
计算得uF=0.063m/s
取u=0.7uF=0.7×0.063=0.044m/s
由D===2.76m
泛点率校核:
u=0.043=68.25%(在允许范围内)
uF0.063
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·h
1318816.77
U=998.2=214.67>Umin
0.785⨯2.82
经校核可知,塔径D=2.8m合理。
5.3.2填料层高度计算
1
Y*=mX1=1421.5×3.52×10-5=0.05
2
Y*=mX2=0
脱因系数为S=mV=1421.5⨯36.13=0.702
L73186.28
气相总传质单元数:
1⎡
N=ln⎢1-S
Y*-Y*⎤
12⎥S
OG1-S⎣
1⎡
Y-Y*
⎦
0.075-0⎤
=1-0.702ln⎢⎣(1-0.072)⨯0.00375-0⎥⎦+0.702=3.796
气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算:
a⎧⎪
⎛⎫0.75⎛U
⎫0.1⎛
U2a
⎫-0.05⎛U2
⎫0.2⎫⎪
w=1-exp⎨-1.45çc⎪
çL⎪
çLt⎪
çL⎪⎬
at⎪⎩⎝L⎭
⎝atL⎭
⎝LLat⎭
⎝LLat⎭⎪⎭
查常见材质的临界表面张力值表得
σc=33dyn/cm=427680kg/h2
材质
碳
瓷
玻璃
聚丙烯
聚氯乙烯
钢
石蜡
表面张力,mN/m
56
61
73
33
40
75
20
附表:
常见材质的临界表面张力值
液体质量通量为
UL=214288.44kg/(m2·h)
a⎧⎪
⎛427680⎫0.75⎛214288.44⎫0.1⎛214288.442⨯114.2⎫-0.05⎛
214288.442
⎫0.2⎫⎪
w=1-exp⎨-1.45ç⎪ç
⎪ç⎪
ç⎪⎬
at⎝940896⎭
⎝114.2⨯3.6⎭
ç998.22⨯1.72⨯108⎪ç998.2⨯940896⨯114.2⎪
⎪⎩
aw=0.77
at
⎝⎭⎝
⎭⎪⎭
吸收系数由下式计算:
0.71
⎛UV⎫⎛V⎫3⎛atDV⎫
KG=0.237⨯ça⎪
çD⎪çRT⎪
⎝tV⎭⎝VV⎭⎝⎭
质量通量为UV
=950⨯1.23=189.86
0.785⨯2.82
kg/(m2∙h)
K=0.237⨯⎛
189.86
⎫0.7⎛
0.065
1
⎫3⎛114.2⨯0.044⎫
ç⎪
G114.2⨯0.065
ç⎪
1.23⨯0.044
ç8.314⨯293⎪
⎝⎭⎝⎭⎝⎭
=5⨯10-3kmol/(m3·h·kPa)
吸收系数由下式计算:
2
-11
⎛UL
⎫3⎛L
⎫2⎛Lg⎫3
KL=0.0095ça
⎪ç⎪ç⎪
D
⎝WL⎭⎝LL⎭⎝L⎭
2-11
⎛214288.44
⎫3⎛
3.6
⎫2⎛3.6⨯1.27⨯108⎫3
KL=0.0095ç0.77⨯114.2⨯3.6⎪ç998.2⨯1.78⨯10-9⎪ç
⎪
998.2
⎝⎭⎝
=1.189m/h
查常见填料的形状系数表得
=1.45
⎭⎝⎭
附表:
常见填料塔的形状系数
填料类型
球形
棒形
拉西环
弧鞍
开孔环
Ψ值
0.72
0.75
1
1.19
1.45
KGa=KGaW1.1=5⨯10-3⨯0.77⨯114.2⨯1.451.1
=0.66kmol/(m3·h·kPa)
KLa=KLaW0.4=0.04⨯0.77⨯114.2⨯1.450.4
=4.08kmol/(m3·h·kPa)
u/uF=66.17%>50﹪
'⎡⎛u
⎫1.4⎤
由KGa=⎢1+9.5çu
-0.5⎪⎥KGa
⎣⎢⎝F
⎭⎥⎦
'⎡⎛u
⎫2.2⎤
KLa=⎢1+2.6çu
-0.5⎪⎥KLa
⎣⎢⎝F⎭⎥⎦
得KG
'a=[1+9.5⨯(0.6825-0.5)1.4]⨯0.66=1.24kmol/(m3·h·kPa)
L
得K'a=[1+2.6⨯(0.6825-0.5)2.2]⨯4.08=4.18kmol/(m3·h·kPa)
KGa=
1=1
1+11+1
=0.142kmol/(m3·h·kPa)
'HK'
1.24
0.03845⨯4.18
HOG=
V=
KYa
V=
KGaP
36.13
0.142⨯101.3⨯0.785⨯2.82
=0.4m
Z=HOGNOG=0.4×1.5m
得Z′=1.4×1.5=2.1m
取填料层高度为Z′=2m
查散装填料分段高度推荐值表
对于阶梯环填料h
D
=8~15
hmax≤6m取
h=8D
则h=8×800=6400mm
计算得填料层高度为2100mm,故不需分段。
6.填料层压降计算
通过散装填料压降曲线查出压降查通用关联图得:
△P/Z=12Pa/m
填料层压降为△P=12×2.1=25.2Pa
7.液体分布器建简要设计
7.1液体分布器的选型
由于该吸收塔液相负荷比较大,而气相负荷相对比较低,所以选择用槽式液体分布器。
7.2分布点密度计算
按照Eckert建议值,D≥1200时,喷淋点密度为42点/m2,因为该塔也想负荷
比较大,设计取喷淋点密度为76点/m2。
布液点数为N=0.785⨯2.82⨯76≈472点
按分布点集合均匀与流量均匀的原则,进行布点设计。
设计结果为二级槽
一共设置13道,在槽侧面开孔,槽宽度为10cm。
槽高度为20cm,两槽中心距离为20cm。
分布点采用三角形排列。
布液点示意图,如图。
7.3布液计算
由2
Ls=d0nϕ
4
取ϕ=0.6,△H=200mm
1
1⎛4⨯1318816.77⎫2
⎛4Ls
ç⎪
998.2⨯3600
d0=ç⎪
=ç⎪
=0.028mm
çn2gH⎪ç3.14⨯472⨯0.62⨯9.81⨯0.2⎪
⎝⎭ç⎪
⎝⎭
设计取d0=28mm。
8.吸收塔接管尺寸计算
一般工程计算时,水管路压力常见为0.0-0.6MPa,水在水管中的流速为1-3m/s
水的质量流速:
WL=1318816.77kg水的流量:
QL=1318816.77
998.2⨯3600
=0.367m3/s
取流速为uL=1.5m/s0.785×D2水管×1.5=0.367
计算得D水管=0.558m取D水管=0.56m
空气的流量为QL=950m3/h取流速为20m/s
0.785×D2空气管×20=
950
3600
D空气管=0.129m取D空气管=0.14m
9.要符号说明
9.1
填料名
称
规格(直径×高×厚)
/mm
材质及堆
积方式
比表面积
/m2.m3
空隙率
/m3/m3
湿填料因
子/m-1
阶梯环
25×12.5×1.4
塑料乱堆
223
0.90
172
阶梯环
20×25×1.5
塑料乱堆
114.2
0.927
115
料的特性参数
9.2
А
填料层的有效传质比表面积
dt
填料当量直径
aW
填料层的润滑比表面积
D
扩散系数、塔径
A
吸收因数,无因次
E
亨利系数
D
填料直径
g
重力加速度
H
溶解度系数
KG
气膜吸收系数
HG
气相传质单元高度
S
解吸因子
HL
液相传质单元高度
u
空塔速度
ut
液泛速度
φ
填料因子
符号说明
设计中问题的评价:
(1)对于吸收塔基本尺寸的确定以及数据来源,物性参数,合适取值范围的确定要按具体的实际设计情况来定。
(2)对于吸收塔填料装置的材料属性,以及经济效益要综合考虑工艺的可能性又要满足实际操作标准。
(3)对于吸收塔的温度的确定,由吸收的平衡关系可知,温度降低可增加溶质组分的溶解度,对于压力的确定,选择常压,减少工作设备的负荷。
设计体会
刚拿到任务说明书时,一脸茫然,大家都是第一次接触到这个陌生的东西,面对大量繁琐的计算,我的头都大了,其中我得了一个很不合理的数据,经过反复查找,才发现前面有个小数点弄错了,我深深体会到了科学需要的严谨性。
在设计课程报告时,要输入大量的公式,我自学了一点公式编辑器的知识,感觉它非常有用,今后有时间还得好好学学。
我会好好对待以后的每一次设计,让老师满意。
参考文献
(1)林大均,于传浩,杨静《化工制图》高等教育出版社2007.8
(2)贾绍义,柴诚敬《化工原理课程设计》天津大学出版社2002.8
(3)杨祖荣《化工原理》化学工业出版社2009.6
流程简图
主体设备设计条件图
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 二氧化碳 吸收塔 设计 编辑 修改 word