二氧化碳填料塔吸收.docx
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二氧化碳填料塔吸收
化工原理课程设计
说明书
设计题目:
C02的填料塔吸收
设计者:
班级化学10901姓名日期2012.07.06
院(系):
化学与环境工程学院
任务书
(1)设计题目
试设计一座填料吸收塔,用于脱除混合气体中的C02,混合
气体的处理量为3500m3/h,其中溶质体积分数为7%.要求塔顶排
放的气体中含溶质低于0.02%.采用清水吸收,吸收剂的用量为
汕用量的1.5倍。
(2)操作条件
1•操作压力为常压,操作温度为20摄氏度。
2.填料类型选用聚丙烯阶梯环填料,规格自选。
3.工作日历每年300天,每天24小时运行。
(3)设计内容
1.吸收塔的物料衡算。
2.吸收塔的工艺尺寸计算。
3.填料层压降计算。
4.吸收塔接管尺寸的计算。
5.绘制吸收塔的条件单。
6.对设计过程的详述和有关问题的讨论。
(4)设计基础数据
20°C下C02在水中的亨利系数为E=144*106pa
前言
吸收塔不断结构简单,而且流体通过填料层的压降减小,易于用耐腐蚀材料制造,所以它特别适合用于处理量小,有腐蚀性的物料及要求降小的场合。
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进入,流过填料的空隙,在填料层中与液体逆流接触传质。
因为气液两相组成沿塔高继续变化,所以填料塔属连续接触式的气液传质设备。
填料塔内除充填填料以外,还需安装一些必要的附件,设计时对这方面如重视不够,会造成操作过程中气液分布不均、阻力过大、过早发生液泛等情况,对塔通过能力和效率的不利影响颇大,在选择填料规格时要进行反复试算,以选出最适合的规格。
本次设计内容是根据一定处理量及一定的分离要求设计一个用水吸收二氧化硫的填料吸收塔,其中填料的类型已给出,要求设计者自拟设计方案并写出计算过程及画出设计图。
一、填料塔主体设计方案的确定1
1.1装置流程的确定1
1.2填料规格的选择1
1.3基础物料数据1
二、填料塔工艺尺寸的计算3
2.1塔径的计算3
2.2填料塔高度的计算和分段4
2.3填料层压降的计算6
2.4吸收塔管径的计算7
三、填料塔内件的类型及设计8
3.1管内件的类型8
3.2塔内件的设计8
四、填料设计结果一览表和符号说明9
4.1填料塔设计一览表9
4.2符号说明9
五,参考文献10
六•设计中问题的评价10
七.设计体会11
附件1塔设备设计图12
附件2阶梯环的物性数据13
附件3塔设备流程图13
一,填料塔主体设计方案的确定
1.1装置流程的确定
水吸收二氧化碳属于低浓度气体的吸收,因为二氧化碳在水中的溶解度比较大,并且用水吸收二氧化碳属于物理吸收过程,所以在常温常压下操作即可达到满意的效果。
为了确定二氧化碳的回收率,本次操作采用逆流操作:
气相自塔底进入由塔顶排除,液相自塔顶进入由塔底排除,即逆流操作。
逆流操作的特点是:
传质平均推动力大,传质速率快,分离效率高,吸收剂利用率高。
工业生产中多采用逆流操作。
其工艺流程为:
混合气在常温常压下进入吸收塔底后,经过气体分布装置,与塔顶下来的由泵提升的吸收剂逆流接触,将二氧化硫吸收。
1.2填料规格的选择
工业塔常用的散装填料主要有Dnl6\Dn25\Dn38\Dn50\Dn76等几种规格。
同类填料,尺寸越小,分离效果越高,但阻力增加,通量减小,填料费用也增加很多。
而大尺寸的填料塔应用于小直径塔中,又会产生液体分布不良及严重的壁流,使塔的分离效率降低。
阶梯环的塔径与填料公称直径比值D/d的推荐值为D/d>8根据计算得知Dn38的阶梯环最佳。
1.3基础物料数据
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纯水的物性数
据。
由[4]查的20°C时水的有关物性数据如下:
(1)Pl二998.2kg/m3
(2)粘度:
旳=0,OOlPa.s二3.6kg/(m.h)
(3)表面张力:
J=72.6dyn/cm=940896kg/h3
(4)20°CC02:
Dl=6.372*10_6m7h
(5)20°CCO2:
Dc=O.044cm7s
(6)屮二1.45
2.气相物性数据
(1)二氧化碳平均摩尔质量为
化J=1.977畑/屛
(2)混合气体的平均密度
(3)混合气体的粘度可近似为空气的粘度。
由[1]查的20C时,
空气的粘度
竝二0,0065kg/(m.h)
3,C02的亨利系数
E=144*106pa
相平衡常数
M二E/P二144*106/1.013*105二1421
因相平衡常数较大,经反复核算决定采用七塔并联吸收
4.物料衡算
(1)进塔气相摩尔比为
亠=丄£乙=007526
1-)\1-0.07
(2)出塔气相摩尔比为
(3)进塔惰性气体流量为
G3500*273.15
7-(22.4273.15+20
*(1-0.07))/7=19.3414m///?
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。
因为是纯溶剂吸收过程,进塔液相组成XfO,即
Y-Y
W".76
2丿mm
厶
9
=2207.635
7min
得L=2207.635*19.34二4.2699*10“
二,填料塔工艺尺寸的计算
2.1塔径的计算
(1)空塔气速的确定——泛点气速法
对于散装填料,其泛点率的经验值沪。
小侦
设上=0.8
IlF
根据贝恩(Bain)霍根(Hougen)关联式
=A-K
IW,,丿
IP/
lg
m;(132.5"1.258)
Till0.913JIWOO;
U7.
*1.005°2=0.204-1.75*
"7・686*10Y丫
”1.2508)
1625.4丿
<1000丿
s
计算得
w;.=2.289*10-3
其中:
叫泛点气速,m/s
g——重力加速度,9.81m2/s
a'填料总比表面积,m2/m3
£——填料层空隙率,m3/m3
气相的质量流率:
WV二(3500*1.2508)/7=625.4kg/h液相的质量流率:
WL二4.269护疔*18二7.69*2kg/hA=0.204;K=l.75
去u/uF=0.8u=137.79m/h
4*3500
D=\1=2.15
代入数据得Y3.14*137.99
圆整后得D二2.加
(2)塔径的核算
a,泛点速率的校核u=131.60
—=0.764>0.5
知0.764<0.8
b,根据填料规格校核
D/d二2200/38二57.89>8,所以符合要求
经过以上校核,填料塔直径设计为D=2.2m合理。
2.2填料塔高度的计算和分段
3.
1•传质单元数的计算
解得Ng二13.559
2.传质单元高度的计算
气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算:
查聚丙烯阶梯环临界表面张力值表得
be二33dyn/cm=427680kg/h2
液体的质量通量
矶=
nD2
7.686*105*4
3.14*2.22
=2.02*105^/(/h2./?
)
5二72.6dvn/cm=940896kg/h3
20°CCQ:
DL二6.372*10-6m2/h
20°CCQ:
DG二0.044cn)2/s
屮二1.45
气体的质量通量
吸收系数由下式计算
二2.943m/h
kLa=kLayA=2.943*59.625*1.45°4=203.594kmol/(m'hkpa)二16549
上=0.764>0.5
因为"f所以需要校正
K:
a=1+2.6—-0.5KLa
"丿」
K;a=[1+2.6x(0.764-0.5)22]x203.594=231.86如“//(in\h.kpa)
心0=6;«4=丘《4=也四*231・86=12881・1
rr£M,L18
4.填料层高度的计算
Y
r—=5.pio-5
—屮_0.07
-m一1.421*10’
=4.926*10-5
解得人=11.2m
取Z=15m
4.填料层的分段
对于阶梯环散装填料的分段高度推荐值为h/D二旷15
hma:
.W6m
所以每段高度取5m分为3段
2.3填料层压降的计算
散装填料的压降值可由埃克特通用关联图计算。
计算时,先根
据气液负荷及有关物性数据,求出横坐标%」几丿值。
再根据操作
"0P0.Pv.“0.2
空塔气速u用有关物性数据,求出纵坐标丁瓦£值。
通过作图得出交点,读出过交点的等压线数值,即得出每米填料层压降值。
Z\0.5
只=匹色=43.46》10
所以不能以埃克特通用关联图计算
气体流速"=0d=O.O366m/s
3600
由“-曲线可大致得
A/;/z=12Pa/m
所以△〃二12*15二180P&
2.4吸收塔管径的计算
•般管道为圆形,d为内径,水流速为0.5〜3ni/s
常压下气体流速10~30m/s
气体出口直径d2=di=76mm
取©83*3.5的无缝钢管合适
喷液出口直径dFd3=301mm
取©310*4.5的无缝钢管合适
三,填料塔内件的类型及设计
3.1管内件的类型
填料塔的内件主要有填料塔支撑装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体手机再分布装置等。
合理的选择和设计塔内件,对保证填料塔的正常操作及优良的传质性能十分重要。
3.2塔内件的设计
1.液体分布器设计的要求:
(1)液体分布均匀
(2)操作弹性大
(3)自由截面积大
(4)其他
2.液体分布器布液能力的计算
(1)重力型液体分布器布液能力的计算
(2)压力型液体分布器布液能力的计算
注:
(1)本设计任务液相负荷较大,可选用管式液体分布器;且填料层不高,可不设计液体在分布器。
(2)塔径及液体负荷不大,可采用较简单的栅板型支撑板及压板。
其他塔附件及气液出口装置计算与选择此处从略。
四.填料设计结果一览表和符号说明
4.1填料塔设计一览表
表1填料塔设计一览表
塔径
2.2m
填料层高度
15m
填料规格
聚丙烯阶梯环DN38
操作液气比
2207.635
压降
180Pa
惰性气体流量
19.341kmol/h(单塔)
4.2符号说明
表2符号说明
E——亨利系数
ui气体的粘度,kg/(m.h)
M——平衡常数
E——水的密度和液体的密度之比
P/
g——重力加速度,m7s(9.81m7s二1.27*108m/h)pv>P/分别为气体和液体的密度,kg/m3
肌、肌分别为气体和液体的质量流量,kg/h
kG
气相总体积传质系数,kmol/(m3,s)
Z——
—填料层高度,m
NOG-
——气相总传质单元数
KG-
-分压差表不推动力的总传质系数,kmol/(m2,s.kpa)
鑫
单位体积填料的润湿面积,m2/m3
填料总比表面积,m2/m3
£
—填料层空隙率,m2/m3
R——
气体吊数,kN.m/(kmol.K)
%
-一二氧化硫在空气中的扩散系数及在水中的扩散系数,m2/h
五,
参考文献
[1]付家新,王为国等.化工原理课程设计.化学工业出版社,2006
[2]谭天恩等.化工原理(第三版)上册.北京:
化学工业出版社,2010
[3]谭天恩等.化工原理(第三版)下册.北京:
化学工业出版社,2010
[4]《化学工程手册》编辑委员会,化学工程手册一一气液传质设备
[5]刘乃鸿等《现代填料塔技术指南》天津,中国石化出版社1998
[6]徐崇嗣等《塔填料产品及技术手册》北京,化学工业出版社1995
[7]姚玉英《化工原理,下册》天津大学出版社1999
六•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。
七.设计体会
刚拿到任务说明书时,一脸茫然,第一次接触到这个陌生的东西,面对大量繁琐的计算,我只看得到一页页的公式数字,至于它到底代表什么有什么意义却完全不理解,直到后来在老师的一次次答疑下才逐渐明白公式的意义。
计算的过程也不是一帆风顺,特别是对于塔数的计算,算的塔径远远大于2.2米,后来多次试算才找到了以7塔并联的方式,对于数据的处理过程中多次因为单位没有转换而导致计算错误。
比如在计算液相传质系数时就直接把g=9.81带入算式,结果算的结果偏差很多,后来经过转换后才发现此处的g=1.27x10s,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,感觉它非常实用,可以在以后学习中发挥很大的作用,这也是一个不小的收获。
附件1塔设备设计
技术特性表
序号
名称
指标
護方式
1
操作压力
101.3Kpa
n法兰连接
2
操作温度
293K
3
工作介质
水、空气、C02
文丝扣连接
3法兰连接
4
填料形式
阶梯环
5
填料咼度
15m
T法兰连接
6
塔径
2.2m
S法兰连接
文丝扣连接文丝扣连接
3法兰连接
占法兰连接
毬兰连接
序号
图号
名称
数量
材料
备注
1
除沬器
1
2
液体分布器
1
3
填料压紧与限位装置
3
4
填料支據装置
3
5
气体入口分布管
1
6
丝网过滤器
1
填料塔设刃
卜工艺条件图
比例
图号
设计
日期2012.1.6
长江大学化学
制图
日期2012.7.6
与环境工程学
审核
日期2012.7.6
化学10901
附件2阶梯环的物性数据
填料
名称
规格(直径X高
X厚)/mm
材质及
堆积方
式
比表面积
/m2.m3
空隙率
/m3/ms
湿填料
因子何
阶梯
25X12.5X1.4
塑料乱堆
223
0.90
172
阶梯
38.5X19X1
塑料乱堆
132.5
0.91
115
附件3塔设备流程图
温度计
塔顶取样器
0
温度计
缓冲器
排入地沟
风机
塔底取样
8
液体再分布器
离心泵
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- 二氧化碳 填料 吸收