水吸收变换气中CO2的填料塔设计.doc
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水吸收变换气中CO2的填料塔设计
摘要
填料时填料塔气液接触的原件，填料性能的优劣直接决定着填料塔的操作性能和传质效率。
填料塔的特点是：
结构简单，压降小，填料种类多，具有良好的耐腐蚀性能，特别是在处理容易、产品产生泡沫的物料和真空操作时，有其独特的优越性。
本文设计的是水吸收换器中CO2的填料塔设计
关键词：
散装填料，填料塔，液体分布器，填料层
目录
前言 1
第1章概述 2
1.1填料塔的结构原理 2
1.2填料塔的结构和功能 3
1.3填料塔的操作范围 4
第2章设计方案的确定 5
2.1操作条件的确定 5
2.1．1吸收剂的选择 5
2.1.2装置流程的确定 5
2.1.3填料的类型与选择 5
2.1.4操作温度与压力的确定 5
2.2基础物性数据 5
2.2.1液相物性数据 5
2.2.2气相物性数据 5
2.3物料衡算 6
2.4填料塔的工艺尺寸计算 7
2.4.1塔径计算 7
2.4.2填料层高度计算 9
第3章填料层压降计算 13
3.1液体分布装置 14
3.1.1液体分布器的选型 14
3.1.2分布点密度计算 14
3.1.3布液计算 15
3.2液体再分布装置 15
3.3填料支撑装置 15
3.4气体的入塔分布 16
3.5吸收塔接管尺寸计算 16
3.6附属设备 16
第4章附表 17
第5章评价 19
结束语 20
参考文献 21
致谢 22
21
陕西能源职业技术学院毕业设计说明书
前言
毕业设计是教学中综合性和实践性较强的环节，是理论联系实际的桥梁，是使学生体察工程实际问题复杂性、学习化工设计基本知识的初次尝试。
通过设计，要求学生能综合利用本课程和前修课程的基本知识，进行融会贯通的独立思考，在规定的时间内完成指定的化工设计任务，从而得到化工工程设计的初步训练。
通过设计，要求学生了解化工设计的基本内容，掌握化工设计的程序和方法，培养学生分析和解决化工厂实际问题的能力。
同时，通过毕业设计，还可以使学生树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度责任感的工作作风。
毕业设计是增强工程观念，培养提高学生独立工作能力的有益实践。
第1章概述
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。
1.1填料塔的结构原理
填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。
填料塔的塔身
是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。
填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。
液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。
气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。
填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。
当液体沿填料层向下流动时，有逐渐向塔壁集中的趋势，使得塔壁附近的液流量逐渐增大，这种现象称为壁流。
壁流效应造成气液两相在填料层中分布不均，从而使传质效率下降。
因此，当填料层较高时，需要进行分段，中间设置再分布装置。
液体再分布装置包括液体收集器和液体再分布器两部分，上层填料流下的液体经液体收集器收集后，送到液体再分布器，经重新分布后喷淋到下层填料上。
填料塔具有生产能力大，分离效率高，压降小，持液量小，操作弹性大等优点。
填料塔也有一些不足之处，如填料造价高；当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面，使传质效率降低；不能直接用于有悬浮物或容易聚合的物料；对侧线进料和出料等复杂精馏不太适合等。
1.2填料塔的结构和功能
填料塔由外壳、填料、填料支承、液体分布器、中间支承和再分布器、气体和液体进出口接管等部件组成，塔外壳多采用金属材料，也可用塑料制造。
填料是填料塔的核心，它提供了塔内气液两相的接触面，填料与塔的结构决定了塔的性能。
填料必须具备较大的比表面，有较高的空隙率、良好的润湿性、耐腐蚀、一定的机械强度、密度小、价格低廉等。
常用的填料有拉西环、鲍尔环、弧鞍形和矩鞍形填料，20世纪80年代后开发的新型填料如QH—1型扁环填料、八四内弧环、刺猬形填料、金属板状填料、规整板波纹填料、格栅填料等，为先进的填料塔设计提供了基础。
填料塔适用于快速和瞬间反应的吸收过程，多用于气体的净化。
该塔结构简单，易于用耐腐蚀材料制作，气液接触面积大，接触时间长，气量变化时塔的适应性强，塔阻力小，压力损失为300～700Pa，与板式塔相比处理风量小，空塔气速通常为0．5～1．2m/s，气速过大会形成液泛，喷淋密度6～8m3／（m2，h）以保证填料润湿，液气比控制在2～10L／m3。
填料塔不宜处理含尘量较大的烟气，设计时应克服塔内气液分布不均的问题。
填料塔的工作原理，示意图
填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。
填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。
液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。
1.3填料塔的操作范围
当液体量一定时，若气体量很小，传质过程主要靠扩散进行，传质效果不好；气体量很大，将会导致液泛发生。
当气体量一定时，若液体量很小，会有部分填料得不到润湿，传质效果不好；若液体量很大，将会导致液泛发生。
最大气体量或最大液体量，可以根据泛点气速来估计；最小气体量和最小液体量必须根据经验来确定。
第2章设计方案的确定
2.1操作条件的确定
2.1．1吸收剂的选择
因为用水作吸收剂，同时不作为产品，故采用纯溶剂。
2.1.2装置流程的确定
用水吸收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。
逆流操作:
气相自塔底进入由塔顶排出，液相自塔顶进入由塔底排出，此即逆流操作。
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。
2.1.3填料的类型与选择
用不吸收的过程，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DN38聚丙烯塑料阶梯环填料。
2.1.4操作温度与压力的确定
操作温度：
30℃，操作压力：
1.8
2.2基础物性数据
2.2.1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，30℃时水的有关物性数据如下：
密度为ρ=995.7kg/m
粘度为μ=801.5×10-6=2.8854kg/；
表面张力为б=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
2.2.2气相物性数据
混合气体的平均摩尔质量为
Mvm=∑yiMi＜2-1＞
其中y1=0.2884y2=0.0251y3=0.5878y4=0.0517y5=0.0470Mvm1=44.01
Mvm2=28.01Mvm3=2.02Mvm4=28.02Mvm5=16.04
则Mvm=∑yiMi
=0.2884×44.01＋0.0251×28.01+0.5878×2.02+0.0517×28.02+0.0470×16.04
=16.7854
混合气体的平均密度
ρvm=
其中P=1800PaMvm=16.7854R=8.314T=（273+30）=303k
则ρvm=kg/m3＜2-2＞
混合气体粘度近似取空气粘度，查化工原理手册30℃空气粘度为
μV=18.6×10-6=0.06696kg/
查手册得CO2在空气中的扩散系数为
DV=0.134cm2/s=0.048m2/h
由手册查得30℃时CO2在水中的亨利系数为
E=1.88×105kPa
相平衡常数为
m=＜2-3＞
溶解度系数为
H=＜2-4＞
2.3物料衡算
进塔气相摩尔比为Y1 =＜2-5＞
出塔气相摩尔比为
Y2==0.4053×[1-（％）]=0.0932＜2-6＞
进塔惰性气相流量为
V=＜2-7＞
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（＜2-8＞
对于纯溶剂吸收过程，进塔液组成为X2=0
＜2-9＞
取操作液气比为：
L/V=1.4L/V=1.4×33.29=46.61
L=112.588×37.21=4189.4kmol/h
因为：
V（Y1-Y2）=L（X1-X2）
所以：
X1=＜2-10＞
2.4填料塔的工艺尺寸计算
2.4.1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=1300×11.9937=15591.81kg/h
液相质量流量可近似按纯水的流量计算
即WL=4189.4×18.02=75492.988kg/h
Eckert通用关联图横坐标为＜2-11＞
其中wL=1300kg/hwV=5492.9787kg/hρv=11.9937kg/m3ρL=995
则
查埃克特通用关联图得
＜2-12＞
查表（散装填料泛点填料因子平均值）得：
表2—1散装填料泛点填料因子平均值
填料类型
填料因子，
16
25
38
50
76
金属鲍尔环
410
-
117
160
-
金属环矩鞍
-
170
150
135
120
金属阶梯环
-
-
160
140
-
塑料鲍尔环
550
280
184
140
92
塑料阶梯环
-
260
170
127
-
瓷矩鞍
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