水吸收二氧化碳填料塔课程设计

《化工原理课程设计》报告

年级 专业 设计者姓名设计单位 完成日期

07级 生物工程

2009年11 月 15日

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设计任务书

（一） 设计题目

试设计一座填料吸收塔，用于脱除混于空气中的CO2，混合气体的处理为1500m3/h,其中CO2 27﹪。要求塔板排放气体中含CO2低于0.6％，采用清水进行吸收。

（二） 操作条件

常压，28℃

（三） 填料类型

选用聚丙烯阶梯环填料，填料规格自选

（四） 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、 填料层压降的计算 4、 吸收塔接管尺寸的计算 5、 绘制吸收塔的结构图

6、 对设计过程的评述和有关问题的讨论 7、 参考文献 8、 附表

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目录

一、概述 ··········································································· 4 二、计算过程 ····································································· 4

1. 操作条件的确定 ······················································· 4 1.1吸收剂的选择…………………………………………….4 1.2装置流程的确定………………………………………...4 1.3填料的类型与选择………………………………………4 1.4操作温度与压力的确定 ······································ 4 2. 有关的工艺计算 ······················································· 5

2.1基础物性数据……………………………………………5 2.2物料衡算 ························································ 6 2.3填料塔的工艺尺寸的计算 ··································· 6 2.4填料层降压计算 ·············································· 11

2.5吸收塔接管尺寸的计算………………………………..12

2.6附属设备……………………………………………… ..12 三、评价………………………………………………………………...13

四、参考文献………………………………………………...13 五、附表………………………………………………………14

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一、 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。

二、 设计方案的确定 (一) 操作条件的确定

1．1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。 1．2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。

1．3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DN聚丙烯塑料阶梯环填料。

1．4操作温度与压力的确定 28℃，常压

4

（二）填料吸收塔的工艺尺寸的计算 2．1基础物性数据 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水的物性数据 查得，301K时水的有关物性数据如下：

密度ρ=998.2kg/m 粘度μ=0.836×10Pa·s=3.0kg/(m·h)

-3

表面张力б=72.6dyn/cm=9406kg/h

3

CO2在水中的扩散系数为DL =1.77×10-9m2/s=6.372×10-6m2/h

②气相物性数据

混合气体的平均摩尔质量为

Mvm=∑yiMi=0.27×44＋0.73×29=33.05

PMvm101.333.051.338kg/m3 混合气体的平均密度ρvm= RT8.314301 混合气体粘度近似取空气粘度，手册28℃空气粘度为 μV=1.78×10-5Pa·s=0.0kg/(m•h) 查手册得CO2在空气中的扩散系数为 DV=1.8×10-5m2/s=0.065m2/h

由手册查得28℃时CO2在水中的亨利系数E=180kPa 相平衡常数为m=

E1801.78 P101.3 溶解度系数为H=2.2物料衡算

EMs998.23.08104kmol/(m3•kPa) 51.81018 进塔气相摩尔比为Y1=

0.270.0277 10.275

出塔气相摩尔比为Y2=0.0227×0.006=1.662×10-4 进塔惰性气相流量为V=

1500273(10.27)44.34kmol/h 22.4301 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（

Y1Y2L）min VY1/mX2 对于纯溶剂吸收过程，进塔液组成为X2=0

Y1Y2L0.02771.662104 （（）min1.77

VY1/mX20.0277/1.780 取操作液气比为L/V=1.5L/V=1.5×1.77=2.655 L=2.655×44.34=117.72kmol/h ∵V(Y1-Y2)=L(X1-X2)

44。34(0.02771.662104)0.0104 ∴X1=

117.222.3填料塔的工艺尺寸计算 ①塔径计算

采用Eckert通用关联图计算泛点气速 气相质量流量为 WV=1500×1.338=2007kg/h 液相质量流量可近似按纯水的流量计算 即WL=117.72×18.02=2121.31kg/h Eckert通用关联图横坐标为

WLV0.52121.311.3380.5()()0.0234 WVL2007998.2uFFV0.2••L0.226 查埃克特通用关联图得gL 查表（散装填料泛点填料因子平均值）得F260m1

6

uF0.226gL0.2FVL0.2269.81998.22.552m/s 0.226011.3381 取u=0.8uF=0.8×2.522=2.0176m/s 由D4VSu41500/36000.513m

3.142.0176 圆整塔径，取D=0.6m 泛点率校核 u=

1500/36002.12m/s 20.7850.6u2.12100﹪=84.18％(在允许范围内) uF2.522 填料规格校核：

D600248 d25 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DN25的阶梯环的比表面积 at=228 m2/m3 Umin=(LW)minat=0.08×228=18.24m3/m2·h U=

2121。31/998.27.51Umin

0.7850.62 经校核可知，塔径D=600mm不合理 经反复校核仍得不出合理的D值 经综合考虑，取操作液气比为

LL15()min151.7726.55 VV L=26.5×117.22=3112.2kmol/h

44。32(0.02771.662104)0.0004 X1=

3112.2 此时气相质量流量为WV=1500×1.338=2007kg/h

7

此时液相质量流量为WL=3112.2×18.02=56081.8kg/h Eckert通用关联图横坐标为

WLV0.556081。81.3380.5()()0.76 WVL2007998.2 查埃克特通用关联图得

uFFV0.2••L0.035 gL 改选型号为D38的阶梯环

查表（散装填料泛点填料因子平均值）得F170m1 uF0.035gL0.2FVL0.0359.81998.21.228m/s 0.217011.3381 取u=0.8uF=0.8×1.228=0.982m/s 由D4VSu41500/36000.74m

3.140.982 圆整塔径，取D=0.8m 泛点率校核 u=

1500/36000.83m/s 20.7850.8u0.83100﹪=84.52％(在允许范围内) uF0.982 填料规格校核：

D800218 d25 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DN38的阶梯环的比表面积

at=132.5m2/m3

Umin=(LW)minat=0.08×132.5=10.6m3/m2·h

8

U=

56081.8/998.2111.8Umin

0.7850.82 经以上校核可知，填料塔直径先用D=800mm合理 ②填料层高度计算

Y1=mX1=1.78×0.0004=0.000712 Y2=mX2=0 脱因系数为 S=

mV1.7844.340.0254 L3112.2 气相总传质单元数

Y1Y21ln1SS NOG=1SY2Y2 =

10.02770ln(10.0254)0.0254 410.02541.6662100 =5.223

气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算

caw1exp1.45atL0.75ULatL0.12ULataLLt0.052ULaLLt0.2

查常见材质的临界表面张力值表得 c=33dyn/cm=427680kg/h2 液体质量通量为

UL56081.82111627.79kg/(m•h)20.7850.80.050.20.750.12aw111627.792427680111627.79111627.79132.51exp1.45998.29406132.5at9406132.53.0998.221.72108 =0.502 吸收系数由下式计算

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UV KG0.237atV0.7VDVV1/3atDV RT 质量通量为UV15001.33823994.82kg/m•h 20.7850.83994.820.0 KG0.237132.50.01.3380.0650.71/3132.50.065 8.314301 = 0.237×73.53×0.4×0.004

= 0.0623kmol/(m3·h·kPa)

吸收系数由下式计算

UL KL0.0095aWL2/3LDLL1/2LgL1/3

111627.79KL0.00950.5132.53.02/33.06998.26.372101/23.01.2710998.281/3 =1.1m/h

1.1 KGaKGaW 查常见填料的形状系数表得

1.45

KGaKGaW1.1

0.06230.654132.51.451.16.973kmol/(m3•h•kPa)

KLaKLaW0.41.10.5132.51.450.4103.092/h

u/uF=66.17％>50﹪

1.4u KGa19.5u0.5KGa F2.2uKLa12.6u0.5KLa F1.43 得KGa19.50.66170.56.97312.141kmol/m•h•kPa

 10

2.2 得KLa12.60.66170.5103.092107.96/h KGa11KG1HKLa11112.1410.725107.9610.53kml/m3•h•kPa

HOG=

VV44.340.083m 2KYaKGaP10.53101.30.7850.8Z=HOGNOG=0.083×5.223=0.434m 得Z′=1.5×0.434=0.6503m 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8~15 hmax≤6m D取h/D=8 则h=8×800=00mm 计算得填料层高度为2000mm，故不需分段

2.4填料层压降计算

散装填料的压降值可由埃克特通用关联图计算。计算时，先

W根据气液负荷及有关物性数据，求出横坐标LWVVL0。5值。

再根据操作空塔气速U用有关物性数据，求出纵坐标

u2PV0.2值。通过作图得出交点，读出过交点的等压••LgL线数值，即得出每米填料层压降值。用埃克特通用关联图计算压降时，所需填料因子与液体喷淋点密度有关，为了工程计算的方便，常采用与液体喷淋密度无关的压降填料因子平均值。

埃克特通用关联图横坐标为

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WLWVVL0。5=0。468

查散装填料压降填料因子平均值表得

P116m1

查通用关联图得：△P/Z=298.6Pa/m 填料层压降为△P=298.6×1=298.6Pa

查此图时，一定要看好，最好用两个直角板找到横坐标和纵坐标的交点，在估计出合理的等压线数值。

2.5吸收塔接管尺寸计算

一般管道为圆形，d为内径，水流速为0.5～3m/s 常压下气体流速 10～30m/s 则气体进口直径 d14Vu41500134mm

3.14360030 气体出口直径 d2=d1=134mm 喷液进口直径 d34Vu456081.8/998.2200mm

3.1436000.5 喷液出口直径 d4=d3=200mm 排液口直径 d5=d3/2=100mm 2.6附属设备

（1）本设计任务液相负荷不大，可选用排管式液体分面器，

且填料层不高，可不设液体再分布器。

（2）塔径及液体负荷不大，可采用较简单的栅板型支承板及

压板。

三、评价

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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。希望老师对我这次的表现认可。 四、参考文献

1、《化学工程手册》编辑委员会，化学工程手册——气液传质设备

2、贾绍义，紫诚敬《化工原理课程设计》天津大学出版社，2002 3、刘乃鸿等《现代填料塔技术指南》天津，中国石化出版社1998 4、徐崇嗣等《塔填料产品及技术手册》北京，化学工业出版社

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1995

5、姚玉英《化工原理，下册》天津大学出版社1999 五，附表

埃克特通用关图

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填料名称 阶梯环 25×12.5×1.4 塑料乱堆 223 0.90 172 规格（直径×高×厚）材质及堆积/mm 方式 比表面积23/m.m 空隙率33 /m/m湿填料因子-1/m 阶梯环 38.5×19×1 塑料乱堆 132.5 0.91 115 阶梯填料的特性参数 主要符号说明

А aW A D dt D E G H HG HL ut KG 填料层的有效传质比表面积 填料层的润滑比表面积 吸收因数，无因次 填料直径 填料当量直径 扩散系数。塔径 亨利系数 重力加速度 溶解度系数 气相传质单元高度 液相传质单元高度 液泛速度 气膜吸收系数 15

S U φ

解吸因子 空塔速度 填料因子 16