原创CO2吸收净化系统的设计及三维模拟毕业论文.docx

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原创CO2吸收净化系统的设计及三维模拟毕业论文

毕业设计

CO2吸收净化系统的设计

及三维模拟

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

北京石油化工学院

毕业设计（论文）任务书

学院（系、部）机械工程学院专业环境工程班级环07-1

学生姓名指导教师职称朱玲副教授

1.毕业设计（论文）题目

CO2吸收净化系统的设计及三维模拟

2.任务起止日期：

2011年2月21日至2011年6月10日

3.毕业设计（论文）的主要内容与要求

（含课题简介、任务与要求、预期培养目标、原始数据及应提交的成果）

课题简介：

电厂燃煤烟气所排放的CO2会造成温室效应和全球气候变化，引发严重的环境问题。

化学吸收法处理烟气中的CO2是一种简单、高效的净化技术，已经逐步得到推广应用。

本课题的内容包括：

对CO2化学吸收工艺中主要设备吸收塔，热交换器、气提塔进行设计计算，对其泵和风机等辅助系统进行计算选型。

同时使用UG软件对所设计的系统进行三维模拟。

通过该设计可提高学生综合运用所学知识的能力，培养学生的独立思考和解决问题的能力，提高学生的综合能力、科研水平和创新意识。

原始数据：

（1）处理量：

150m3d

（2）CO2浓度：

9%

（3）净化效率：

95%以上。

应提交的成果：

1.检索资料：

中文文献不少于12篇，英文文献不少于4篇；

2.开题报告或文献综述；

3.英文文献原件及其翻译后的文件；

4.有关设计的至少3张A0图纸或者相当于3张A0图纸的图量；

5.毕业设计论文。

4.主要参考文献

（1）有关CO2脱除方面的书籍；

（2）有关吸收塔、气提塔设计方面的书籍；

（3）有关热交换器设计方面的书籍；

（4）有关机械设计和绘图方面的书籍。

（5）有关UG、CAD绘图方面的书籍；

5.进度计划及指导安排

第1周校内外文献查阅，撰写文献综述；

第2-3周翻译与本题目有关英文资料，撰写开题报告；

第4周进行化学吸收工艺的总体设计；

第5周CO2吸收系统的物料平衡计算、吸收塔基本设计参数计算；

第6周热交换系统的计算；

第7周CO2分离系统的物料平衡计算、气提塔基本设计参数计算；

第8周管道、泵和风机等辅助系统设备的选型与计算；仪器、仪表的选用；

第9周管路的设计；

第10-11周系统的三维模拟设计；

第12周按照标准绘CAD图；

第13周手工绘制图纸；

第14周撰写论文；检查全部图纸；

第15周整理资料，根据指导教师意见修改论文；根据评阅教师意见，进一步修改论文，制作幻灯片，准备答辩；

第16周答辩。

任务书审定日期年月日系（教研室）主任（签字）

任务书批准日期年月日教学院（系、部）院长（签字）

任务书下达日期年月日指导教师（签字）

计划完成任务日期年月日学生（签字）

摘要

电厂燃煤烟气所排放的CO2会造成温室效应和全球气候变化，引发严重的环境问题。

因此控制CO2的排放已成为应对气候变暖的最重要的技术路线之一。

可以采取多种控制技术控制锅炉烟气中CO2的排放，本文着重介绍了应用广泛的化学吸收工艺技术。

本论文主要对CO2化学吸收法的基本原理、反应机理、工艺流程、应用设备、存在的问题及解决措施作简要的介绍；对CO2处理系统工艺进行了设计；对化学吸收主体设备进行计算设计，主要包括填料、筒体、塔内件（液体分布装置、填料支承装置、除沫器）；对辅助设备进行计算选型；通过UG（UnigraphicsNX）对实验系统进行三维模拟。

关键词：

二氧化碳吸收，填料塔，设计，UnigraphicsNX

Abstract

Carbondioxideemissionfromcoal-firedpowerplantfluewouldcausethegreenhouseeffectandglobalclimatechangeandseriousenvironmentalproblems.Thereforecontroltheemissionsofcarbondioxidedioxide.Thistextemphasizestointroducethechemicalabsorptionprocesstechnologyofcarbondioxidewhichisappliedextensively.

Thearticleintroducesthebasicprinciplesofthechemicalabsorptionprocesstechnologyofcarbondioxide,reactionmechanism,process,applicationandtheproblemspresentedandsolutionstothem.Thetreatmentsystemofcarbondioxideisdesigned.Adetailedcountanddesigntothechemicalabsorptionofthecarbondioxideismade,mainlyincludingpacking,internals（liquiddistributiondevice,packingsupportingdevice,misteliminator）.Theselectionofauxiliaryequipmentismadebydetailedcalculated.Three-dimensionalsimulationoftheexperimentalsystemisfinishedbyUG（UnigraphicsNX）.

Keywords：

Carbondioxideabsorption;Packedtower;Design;UnigraphicsNX

第一章前言

1.1引言

全球变暖是当今人类面临的严峻挑战，是国际社会公认的全球性环境问题。

全球变暖的主要原因是大气中温室气体的急剧、持续增加。

大量的观测和研究表明[1]，大气中的CO2浓度已显著增加，目前已经远远超出工业化前几千年来的浓度值，其中CO2浓度从工业化前约280mLm3增加到2005年的379mLm3。

由于CO2排放量很大且降解时间长，对全球温室气体的贡献最大。

CO2气体在大气中含量的急剧增加，正是工业时代以来全球变暖的主因。

联合国政府间气候变化委员会曾经发布报告指出，如果全球气温上升幅度超过1.5°C，则全球20%～30%的动植物种将面临灭绝。

如果气温上升3.5°C以上，则有40%～70%的物种将面临灭绝。

因此，防止全球气候变暖，刻不容缓，特别是要减少CO2气体的排放量。

这些温室气体就像一张张开的塑料大棚罩在了大地上，阳光可以通过它们进入大地，但大地的热量却被它们隔绝，散发不到大气之中，因此造成气候变暖，而且这种温室气体越多，地球气候变暖就会更加加剧[2]。

IPCC第三次评估报告指出，大气中CO2的浓度稳定在不同水平所造成的影响是不同的，见表1-1。

表1-1大气中不同CO2浓度所造成的影响[3]

减排情景

CO2浓度（μLL）

CO2当前浓度（μLL）

CO2浓度成峰年

2050年全球CO2排放变化（相当于2000年），%

全球平均温度较工业革命前的增加量°C

只考虑热膨胀条件下全球平均海平面较工业革命前的上升量m

1

350~400

445~490

2000~2015

-85~-50

2.0~2.4

0.4~1.4

2

400~440

490~535

2000~2020

-60~-30

2.4~2.8

0.5~1.7

3

440~485

535~590

2010~2030

-30~+5

2.8~3.2

0.6~1.9

4

485~570

590~710

2020~2060

+10~+60

3.2~4.0

0.6~2.4

5

570~660

710~855

2050~2080

+25~+85

4.0~4.9

0.8~2.9

6

660~790

855~1130

2060~2090

+90~+140

4.9~6.1

1.0~3.7

2005年大气中温室气体浓度为370μLL左右，若要求2050年温度上升不超过2°C（与2000年相比），温室气体浓度必须控制在450～550μLL，今后10～20年达到峰值，然后以每年1%～3%的速率下降。

到2050年，全球温室气体排放比2000年大约降低25%，发达国家在2050年前绝对排放量减少60%～80%（与2000年相比），发展中国家在2050年的排放量与1990年相比，增长幅度不应超过25%。

按现在的一些发展趋势，温室气体不断排放将带来一些不可避免的危害[4]：

1.导致冰川融化，使海平面上升

从1978年开始，美国科学家就开始利用卫星技术记录北极海冰覆盖的面积，科学家最先发现的是面积的变化。

通过对比这些记录，科学家注意到，从1979年到2006年间，一年的每个月份海冰覆盖的面积都呈下降趋势，其中最明显的是在9月份，平均每年减少约10万m2。

海冰的面积在2007年达到了最低点。

除此之外，内陆一些长年积雪的山脉，也因温室效应，降雪量减少等原因，雪线面积不断的上升，有些长年积雪的冰川，也开始消融，河流因此而来水减少或枯竭，给下游人口的生产、生活和社会经济发展带来困难。

2.极端天气现象增多

“全球变暖”会影响大气环流，继而改变全球的降水量分布。

有些地区的降水量会增大，导致洪涝和风暴潮灾害增多。

2008年，南方持续了近一个月的冰雪灾害，使当地人民群众的生产、生活、社会经济发展受到严重影响，造成了巨大的经济损失。

2009年的11月份北方和南方的部分地区再次遭受到极端天气的影响，造成交通、生产、生活上的不便。

3.对全球农业的影响日益严重：

由于“全球变暖”影响到了大气环流，使全球的水循环发生了变化，在有些地区的表现是降水量明显多于往年，甚至发生洪涝灾害，农作物受灾，发生地质灾害等；而在有些地区则表现为高温和干旱。

高温蒸干了地表水，部分河流、湖泊干涸，就连人、畜的饮用水都得不到保证。

在有些地区，冬季的气温较高形成“暖冬”，有些害虫在冬季得以“安全过冬”，而在来年的农业生产中，害虫将大量繁殖，与人类争抢粮食等作物。

近年来，中国也已经从科学和社会发展等多方面认识到了气候变化的巨大影响，并且开始进行着积极的应对。

在2009年12月7日～18日召开的哥本哈根世界气候大会上，中国政府公布了中国控制温室气体排放具体行动目标。

这些目标是在11月25日举行的国务院常务会议上通过的。

会议决定，“到2020年我国单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%～45%，作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划，并制定相应的国内统计、监测、考核办法。

会议还决定，通过大力发展可再生能源、积极推进核电建设等行动，到2020年我国非化石能源占一次能源消费的比重达到15%左右；通过植树造林和加强森林管理，森林面积比2005年增加4000万公顷，森林蓄积量比2005年增加13亿立方米。

这是我国根据国情采取的自主行动，是我国为全球应对气候变化做出的巨大努力”。

目前，我国CO2排放总量占世界总排放量13%，减排压力较大，为积极应对温室气体的形势，人类必须采取行动，减少温室气体排放。

1.2研究意义

温室气体尤其是CO2的排放逐年上升，成为全球气候变化的罪魁祸首。

如果不采取有效措施控制温室气体排放，那么人类的发展将因此而受到极大影响。

我国CO2的排放量仅次于美国，居全球第二。

导致这种状况的主要原因是我国能源资源的不均衡及消费结构的不合理，煤炭资源约占我国资源总量的75%左右，煤炭消费占能源消费总量的65%以上，而且以煤炭为主的能源消费结构短期内很难改变，加上我国的人口总数仍将继续增长，因此能源消费和温室气体排放的增长不可避免，能源供应和能源环境问题仍将是制约我国经济发展的突出问题之一。

由于人口、资源和环境的限制，我国的经济发展必须走低资源消耗、低能耗、低碳经济的发展道路，把节能减排与可再生能源的发展结合起来，大力发展高效、节能、清洁技术，依靠科技创新走低碳经济之路，大幅降低温室气体的排放，为我国经济的协调可持续发展提供保障[5]。

作为发展中国家，我国在温室气体减排上付出了实际行动，成立了应对控制温室气体排放的相关机构，制定了节能减排、应对气候变化的一系列政策。

我们相信，只要全人类共同努力，减少温室气体排放，缓解全球气候变化的目标是可以实现的。

1.3二氧化碳主要来源

CO2被许多人认为是温室效应的元凶，是一种有害的废气，人为二氧化碳排放的主要来源是能源生产和交通运输中的化石燃料燃烧。

土地用途的改变和森林采伐也释放更多CO2到环境。

1.发电：

多数电厂使用的能源为化石燃料，使用化石燃料发电所排放的CO2，约占全球排放量的36%。

2.运输：

运输工具使用化石燃料所排放的CO2约占全球排放量的24%，以汽车为主要来源。

3.工业：

若不包括电力的使用，工业在全球CO2排放量中约占18%。

未来，随着开发中国家的经济成长，CO2的排放量会大幅提升。

4.建筑物：

建筑物使用电力和燃料来产生冷暖气、照明和动力，其中住宅CO2排放量约占全球的8%。

5.森林：

根据联合国粮农组织报告显示，在1980年代砍伐掉的森林，所减少对大气中CO2的吸存能力，约占人为碳排放总量的四分之一。

6.呼吸作用：

动植物的呼吸作用都会产生CO2。

其中，在所有排放CO2的行业中，电力工业是排放量最多的行业之一。

减少电力工业CO2排放对控制总排放量的减少具有特殊的重要意义。

1.4二氧化碳的应用

CO2是很好的资源，是植物进行光和作用的必须原料，在工业、农业、化工等领域有很广泛的应用[6]。

1.为农业提供服务

作为一种廉价的原料CO2在农业上可用于蔬菜、瓜果的保鲜贮藏，在现代化仓库里常充入CO2，用CO2贮藏的食品由于缺氧和CO2本身的抑制作用，可有效地防止食品中细菌、霉菌、虫子生长，避免变质和有害健康的过氧化物产生，并能保鲜和维持食品原有的风味和营养成分，CO2不会造成谷物中药物残留和大气污染。

用CO2通入大米仓库24h，能使99%的虫子死亡，延长了粮食和蔬菜的保存期。

把CO2引入蔬菜温室直接施用CO2作肥料，利用植物根部吸收CO2，可以增进植物的光合作用，能增加蔬菜的生长速度，缩短其生长周期，促进农作物生长，增加产量，提高温室的经济效益。

固态的CO2即“干冰”，主要用作致冷剂，用飞机在高空喷撒“干冰”，可以使空气中水蒸气冷凝，形成人工降雨，能解决久旱无雨，庄稼失收的问题。

2.为工业服务

在轻工业上，生产碳酸饮料、啤酒、汽水等都需要CO2。

除此还可以用于有机合成各种化工原料，除了成熟的化工利用以外也可以生产甲醛、加氢合成二甲醚、或者利用环氧丙烷、CO2和甲醇催化合成碳酸二甲酯等，现在又研究成功了许多新的工艺方法，例如合成甲酸及其衍生物，合成天然气、乙烯、丙烯等低级烃类，合成甲醇、壬醇、草酸及其衍生物、丙酯及芳烃的烷基化，合成高分子单体及进行二元或三元共聚，制成了一系列高分子材料等，另外，利用CO2代替传统的农药作杀虫剂，也在研究之中。

在工业上CO2是很好的致冷剂。

它不仅冷却速度快，操作性能好，不浸湿产品，不会造成二次污染，而且投资少，人力省。

利用CO2保护电弧焊接，既可避免金属表面氧化，又提高焊接速度。

3.其他用途

（1）用于医疗：

人体呼吸的有效刺激因素，它通过对人体外化学感受器的刺激，兴奋呼吸中抠。

如果一个人长时间吸入纯氧，体内CO2浓度过低，可导致呼吸停止。

因此，临床上把5%CO2与95%氧气的混合气体应用于一氧化碳中毒、溺水、休克、碱中毒的治疗和麻醉上的应用。

（2）用于实验室：

在实验室里，“干冰”与乙醚等易挥发液体混合，可以提供-77°C左右的低温浴；同时国外普遍利用CO2进行食品、饮料、油料、香料、药物等加工萃取。

（3）用于地下开采：

CO2作为油田注入剂，可有效地驱油和提高石油的采油率；也可用于注入地下难于开采的煤层，使煤层气化，获得化工所需的合成气体等。

因此如何吸收净化CO2以及对其进行综合利用是现如今广大环境科技工作者面临的重要课题。

1.5二氧化碳的吸收方法

CO2的处理技术一般分可为从大气中分离固定和从燃放气中分离回收两大类。

现阶段，从大气中分离固定CO2技术主要有生物法，而从燃放气中分离回收CO2技术主要有物理法、化学法和物理-化学法等。

1.5.1物理法

物理法包括物理溶剂吸收法、膜分离法、低温蒸馏法和吸附法。

1.5.2物理吸收法

采用水、甲醇、碳酸丙烯酸脂等作为吸收剂，利用CO2在这些溶剂中的溶解度随压力而变化的原理来吸收的方法[7]。

1.水洗法应用最早，具有流程简单、运行可靠、溶剂水廉价易得等优点，但其设备庞大、电耗高、产品纯度低并造成污染等特点，一般不采用。

2.低温甲醇法应用较早，具有流程简单、运行可靠外，能耗比水洗法低，产品纯度较高，但是为获得吸收操作所需低温需设置制冷系统，设备材料需用低温钢材，因此装置投资较高。

3.碳酸丙烯酯法（简称PC法）是近年来中小型氨厂常用脱碳和回收CO2的方法。

它具有溶液无毒、浓溶液对碳钢腐蚀性小，能耗比甲醇法低等优点，缺点是PC溶剂循环量大，造成溶剂损耗大，操作费用较高。

典型的物理吸收法有环丁砜法、N-甲基吡咯烷酮法、聚乙二醇二甲醚法（Selexol法）、低温甲醇法（Rectisol法）、碳酸丙烯酯法（Flour法）等。

其关键在于吸收剂的选择，要求吸收剂必须对CO2的溶解度大、选择性好、沸点高、无腐蚀、无毒性以及性能稳定[8]。

1.环丁砜法：

由环丁砜一、