1023100528 岳宗朝.docx
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1023100528岳宗朝
化工原理课程设计
题目
水吸收二氧化碳过程填料塔设计
系（院）
化学与化工系
专业
应用化工技术
班级
2010级1班
学生姓名
岳宗朝
学号
1023100528
指导教师
贾冬梅
职称
副教授
二〇一二年六月十日
滨州学院
课程设计任务书
一、课题名称
水吸收二氧化碳填料塔设计
二、课题条件
原料：
水、二氧化碳
处理量：
8500m3/h
原料组成：
二氧化碳5.65%（体积分数）
混合气体的进料温度为20℃
操作压力：
常压
分离要求：
二氧化碳的回收率达到95.5%。
厂址：
滨州市
三、设计内容
1、设计方案的选定
2、精馏塔的物料衡算
3、塔板数的确定
4、填料塔的工艺条件及有关物性数据的计算
5、填料塔塔体工艺尺寸的计算
6、填料塔接管尺寸计算
7、绘制生产工艺流程图（带控制点、机绘，A4图纸）
8、绘制填料塔的总装置图（包括部分构件）（机绘，A4图纸）
9、撰写课程设计说明书一份
设计说明书的基本内容
（1）课程设计任务书
（2）目录
（3）设计计算与说明
（4）设计结果汇总
（6）小结
（7）参考文献
14、有关物性数据可查相关手册
15、注意事项
（1）写出详细计算步骤，并注明选用数据的来源
（2）每项设计结束后列出计算结果明细表
（3）设计最终需装订成册上交
四、进度计划
1.设计动员，下达设计任务书0.5天
2.收集资料，阅读教材，拟定设计进度1-2天
3.初步确定设计方案及设计计算内容5-6天
4.绘制总装置图2-3天
5.整理设计资料，撰写设计说明书2天
6.设计小结及答辩1天
目录
绪论1
设计方案的确定与选择3
1设计方案的确定3
2填料的选择3
2.1吸收剂的选择3
2.2装置流程的确定3
2.3填料的类型与选择3
2.4操作温度与压力的确定3
2.5流程图及流程说明3
第一章工艺计算5
1基础物性数据5
1.1液相物性的数据5
1.2气相物性的数据5
1.3气液相平衡数据5
1.4物料衡算5
2填料塔的工艺尺寸计算6
2.1塔径计算6
2.2填料层高度计算7
2.3填料层压降计算9
2.4液体分布器简要设计10
第二章辅助设备的计算及选型13
1填料支承设备13
2填料压紧装置13
3液体再分布器-------升气管式液体再分布器13
4气体和液体的进出口装置14
设计结果汇总16
后记18
参考文献18
主要符号说明19
附图21
绪论
在炼油、石油化工、精细化工、食品、医药及环保等部门，塔设备属于使用量大应用面广的重要单元设备。
塔设备广泛用于蒸馏、吸收、萃取、洗涤、传热等单元操作中。
所以塔设备的研究一直是国内外学者普遍关注的重要课题。
在化学工业中，经常需要将气体混合物中的各个组分加以分离，其主要目的是回收气体混合物中的有用物质，以制取产品，或除去工艺气体中的有害成分，使气体净化，以便进一步加工处理，或除去工业放空尾气中的有害成分，以免污染空气。
吸收操作是气体混合物分离方法之一，它是根据混合物中各组分在某一种溶剂中溶解度不同而达到分离的目的。
塔设备按其结构形式基本上可分为两类；板式塔和填料塔。
以前在工业生产中，当处理量大时多用板式塔，处理量小时采用填料塔。
近年来由于填料塔结构的改进，新型的、高负荷填料的开发，既提高了塔的通过能力和分离效能又保持了压降小、性能稳定等特点。
因此，填料塔已经被推广到大型气、液操作中，在某些场合还代替了传统的板式塔。
如今，直径几米甚至几十米的大型填料塔在工业上已非罕见。
随着对填料塔的研究和开发，性能优良的填料塔必将大量用于工业生产中。
综合考察各分离吸收设备中以填料塔为代表，填料塔技术用于各类工业物系的分离,虽然设计的重点在塔体及塔内件等核心部分,但与之相配套的外部工艺和换热系统应视具体的工程特殊性作相应的改进。
例如在DMF回收装置的扩产改造项目中,要求利用原常压塔塔顶蒸汽,工艺上可以在常压塔及新增减压塔之间采用双效蒸馏技术,达到降低能耗、提高产量的双重效果，在硝基氯苯分离项目中;改原多塔精馏、两端结晶工艺为单塔精馏、端结晶流程,并对富间硝基氯苯母液进行精馏分离,获得99%以上的间硝基氯苯,既提高产品质量,又取得了降低能耗的技术效果。
过程的优缺点：
分离技术就是指在没有化学反应的情况下分离出混合物中特定组分的操作。
这种操作包括蒸馏，吸收，解吸，萃取，结晶，吸附，过滤，蒸发，干燥，离子交换和膜分离等。
利用分离技术可为社会提供大量的能源，化工产品和环保设备，对国民经济起着重要的作用。
为了使6填料塔的设计获得满足分离要求的最佳设计参数（如理论板数、热负荷等）和最优操作工况（如进料位置、回流比等）,准确地计算出全塔各处的组分浓度分布（尤其是腐蚀性组分）、温度分布、汽液流率分布等,常采用高效填料塔成套分离技术。
而且,20世纪80年代以来,以高效填料及塔内件为主要技术代表的新型填料塔成套分离工程技术在国内受到普遍重视。
由于其具有高效、低阻、大通量等优点,广泛应用于化工、石化、炼油及其它工业部门的各类物系分离。
利用混合气体中各组分在同一种液体（溶剂）中溶解度差异而实现组分分离的过程称为气体吸收气体吸收是一种重要的分离操作，它在化工生产中主要用来达到以下几种目的。
（1）分离混合气体以获得一定的组分。
（2）除去有害组分以净化气体。
（3）制备某种气体的溶液。
一个完整的吸收分离过程，包括吸收和解吸两个部分。
典型过程有单塔和多塔、逆流和并流、加压和减压等。
设计方案的确定与选择
1设计方案的确定
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。
2填料的选择
2.1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。
2.2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。
2.3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。
2.4操作温度与压力的确定
20℃，常压
2.5流程图及流程说明
该填料塔中，二氧化碳和空气混合后，经由填料塔的下侧进入填料塔中，与从填料塔顶流下的清水逆流接触，在填料的作用下进行吸收。
经吸收后的混合气体由塔顶排除，吸收了二氧化碳的水由填料塔的下端流出。
流程如下图所示：
第一章工艺计算
1基础物性数据
1.1液相物性的数据
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=1.005×10-3Pa·s=3.6kg/（m·h）
表面张力бL=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
1.2气相物性的数据
混合气体的平均摩尔质量为Mvm=∑yiMi=0.0565×44＋0.9435×29=29.85
混合气体的平均密度ρvm=
1.241kg/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=0.044m2/h
1.3气液相平衡数据
由手册查得20℃时CO2在水中的亨利系数E=1.44×10-5kPa
相平衡常数为m=
溶解度系数为H=
1.4物料衡算
进塔气相摩尔比为Y1=
出塔气相摩尔比为Y2=.0599×（1-0.955）=2.696×10-3
进塔惰性气相流量为V=
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
（
对于纯溶剂吸收过程，进塔液组成为X2=0
（
取操作液气比为
L/V=1.4（L/V）min=1.4×1357.52=1900.53
L=1900.53×333.59=633997.80kmol/h
∵V（Y1-Y2）=L（X1-X2）
∴X1=
3.0×10-5
2填料塔的工艺尺寸计算
2.1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=8500×1.241=10548.5kg/h
液相质量流量可近似按纯水的流量计算
即WL=633997.80×18.02=11538759.96kg/h
Eckert通用关联图横坐标为
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
其中A=0.204K=1.75
计算得uF=0.0619m/s
取u=0.8uF=0.8×0.0619=0.050m/s
由
7.76m
圆整塔径，取D=7.8m
泛点率校核u=
﹪=79.16％（在允许范围内）
填料规格校核：
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/m3
Umin=（LW）minat=0.08×114.2=9.136m3/m2·h
U=
经以上校核可知，填料塔直径先用D=7800mm合理
2.2填料层高度计算
Y
=mX1=1421.5×3.0×10-5=0.0427
Y
=mX2=0
脱因系数为S=
=0.748
气相总传质单元数
NOG=
=
=7.333
气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算
查常见材质的临界表面张力值表得
σc=33dyn/cm=427680kg/h2
液体质量通量为
=0.790
吸收系数由下式计算
质量通量为
=220.87
7
=5.57
10-3kmol/（m3·h·kPa）
吸收系数由下式计算
=2.607m/h
查常见填料的形状系数表得
=0.781kmol/（m3·h·kPa）
=272.886kmol/（m3·h·kPa）
u/uF=79.16％>50﹪
由
得
=2.103kmol/（m3·h·kPa）
得
=320.037kmol/（m3·h·kPa）
=0.116kmol/（m3·h·kPa）
HOG=
=0.596m
Z=HOGNOG=7.333×0.596=4.37m
得Z′=1.5×4.37=6.118m
取填料层高度为Z′=6.2m
查散装填料分段高度推荐值表
对于阶梯环填料
hmax≤6m
取
则h=8×7800=62400mm>6200mm
故需2分段,每段3.1m高。
2.3填料层压降计算
由于
所以只能按照另一种方法计算填料层压降,根据图
曲线
可以大致看出,当u=0.050m/s时,
所以,压降
2.4液体分布器简要设计
（1）液体分布器的选型
该吸收塔液相负荷较大，而气相负荷相对较低，故选用槽式液体分布器。
（2）分布点密度计算
表六Eckert的散装填料塔分布点密度推荐值
塔径,mm
分布点密度,点/m2塔截面
D=400
330
D=750
170
D≥1200
42
按Eckert建议值，因该塔液相负荷较大，设计取喷淋点密度为140点/m2。
布液点数为n=0.785×7.82×140=6686.3≈6687点
按分布点几何均匀与流量均匀的原则，进行布点设计。
设计结果为：
二级槽共设七道，在槽侧面开孔，槽宽度为80mm，槽高度为210mm。
两槽中心矩为160mm。
分布点采用三角形排列，实际设计布点数为n=132点.
槽式液体分布器二级槽的布液点示意图
（3）布液计算
由重力型液体分布器布液能力计算
由
式中Ls——液体流量，m3/s；
n——开孔数目（分布点数目）；
φ——孔流系数，通常取φ＝0.55～0.60；
d0——孔径，m；
△H——开孔上方的液位高度，m。
取
=0.60，
=160mm,
=
=0.171m
设计取
液体分布器的安装一般高于填料层表面150~300mm（取决于操作弹性），槽式分布器主槽分槽高度均取210mm，主槽宽度为塔径的0.7~0.8，这里取塔径的0.7，分槽宽度由液体量及停留时间确定，最低液位为50mm为宜，最高液位由操作弹性塔内允许高度及造价确定，一般为200mm左右。
第二章辅助设备的计算及选型
1填料支承设备
填料支承结构用于支承塔内填料及其所持有的气体和液体的重量之装置。
对填料的基本要求是：
有足够的强度以支承填料的重量;提供足够的自由截面以使气液两相流体顺利通过，防止在此产生液泛；有利于液体的再分布；耐腐蚀，易制造，易装卸等。
常用填料支承板有栅板式和气体喷射式。
这里选用梁式气体喷射型支承板。
2填料压紧装置
为防止在上升气流的作用下填料床层发生松动或者跳动，需在填料层上方设置填料压紧装置。
对于塑料散装填料，本设计选用创层限制板。
3液体再分布器-------升气管式液体再分布器
在离填料顶面一定距离处，喷淋的液体便开始向塔壁偏流，然后沿塔壁下流，塔中心处填料的不到好的润湿，形成所谓的“干锥体”的不正常现象，减少了气液两相的有效接触面积。
因此每隔一定的距离设置液体再分布装置，以克服此现象。
由于塔径为7800mm，因此可选用升气管式再分布器，分布外径7880mm，升气管数80。
4气体和液体的进出口装置
管道的公称通径
75
80
90
100
120
130
140
160
185
205
235
260
315
400
455
（1）气体和液体的进出口直径的计算
由公式
Vs为流体的体积流量，m3/s
u为适宜的流体流速，m/s.
常压气体进出口管气速可取10~20m/s；液体进出口速度可取0.8~1.5m/s（必要时可加大）。
选气体流速为20m/s由VS=8500/3600=2.361m3/s代入上公式得d=388mm圆整之后，气体进出口管径为d=400mm
选液体流速为2.0m/s，由VS=633997.80×18.02／（3600×998.2）=3.211m3/s,若分4个不同的管道进入,代入上公式得d=452mm,圆整之后液体进出口管径为d=455mm
（2）底液出口管径：
选择d=400mm
（3）塔附属高的确定
塔的附属空间高度主要包括塔的上部空间高度，安装液体分布器和液体再分度器所需的空间高度，塔的底部空间高度以及塔的群坐高度。
塔的上部空间高度是指塔填料层以上，应有一足够的空间高度，以使随气流携带的液滴能够从气相中分离出来，该高度一般取1.2-1.5。
安装液体再分布器所需的塔空间高度依据所用分布器的形式而定一般需要1-1.5m的高度。
塔的底部空间高度是指塔底最下一块塔板到塔底封头之间的垂直距离。
该空间高度含釜液所占的高度及釜液面上方的气液分离高度的两部分。
釜液所占空间高度的确定是依据塔的釜液流量以及釜液在塔内的停留时间确定出空间容积，然后根据该容积和塔径计算出塔釜所占的空间高度。
塔底液相液相停留时间按1min考虑，则塔釜液所占空间为
考虑到气相接管所占的空间高度，底部空间高度可取4米，所以塔的附属空间高度可以取10.2米。
设计结果汇总
课程设计名称
水吸收CO2填料吸收塔的设计
操作条件
操作温度20摄氏度
操作压力：
常压
物性数据
液相
气相
液体密度
998.2
kg/m3
混合气体平均摩尔质量
30.35
kg/kmol
液体粘度
3.6
kg/（mh）
混合气体的平均密度
1.241
kg/m3
液体表面张力
940896
混合气体的粘度
0.065
kg/（mh）
CO2在水中的扩散系数
6.372×10-6
m2/h
CO2在空气中的扩散系数
0.044
m2/h
重力加速度
1.27×108
m/h
气相平衡数据
CO22在水中的亨利系数E
相平衡常数m
溶解度系数H
4.44×103kpa
1421.5
0.0003847kmol/kPam3
物料衡算数据
Y1
X1
X2
惰性气体流量V
液相流量L
最小液气比
操作液气比
0.0599
0.00003
0
333.59kmol/h
633997.80kmol/h
1357.52
1900.53
工艺数据
气相质量流量
液相质量流量
塔径
气相总传质单元数
气相总传质单元高度
填料层高度
填料层压降
10548.5
11538759.96
7.8m
7.333
0.496m
6.2m
93pa
填料塔附件
除沫器
液体分布器
填料限定装置
填料支承板
液体再分布器
丝网式
二级槽式
床层限制版
分块梁式
升气管式
后记
本次课程设计是在生产实习后进行的，是对化学工程的过程设计及设备的选择的一个深层次的锻炼，也是对实际操作的一个加深理解。
在设计过程中遇到的问题主要有：
（1）未知条件的选取；
（2）文献检索的能力；（3）对吸收过程的理解和计算理论的运用；（4）对实际操作过程中设备的选择和条件的最优化；（5）对工艺流程图的理解以及绘制简单的流程图和设备结构；（6）还有一些其他的问题，例如计算的准确度等等。
当然，在本次设计中也为自己再次重新的复习化工这门学科提供了一个动力，对化工设计过程中所遇到的问题也有了一个更深的理解。
理论和实际的结合也是本次设计的重点，为日后从事相关工作打下了一定的基础。
最后，深感要完成一个设计是相当艰巨的一个任务，如何细节的出错都有可能造成实际操作中的经济损失甚至生命安全。
参考文献
[1]柴诚敬.化工原理（下册）.天津:
天津科学技术出版社，修订版
[2]柴诚敬.化工原理（上册）.天津:
天津科学技术出版社，修订版
[3]冯新.化工热力学.北京:
化学工业出版社，2009.1
[4]熊洁羽.化工制图.北京：
化学工业出版社，2007.1
主要符号说明
at——填料的总比表面积，m2/m3
aW——填料的润湿比表面积，m2/m3
d——填料直径，m；
D——塔径，m；
DL——液体扩散系数，m2/s；
Dv——气体扩散系数，m2/s；
g——重力加速度，9.81m/s2；
h——填料层分段高度，m；
HETP关联式常数；
hmax——允许的最大填料层高度，m；
HB——塔底空间高度，m；
HD——塔顶空间高度，m；
HOG——气相总传质单元高度，m；
kG——气膜吸收系数，kmol/（m2·s·kPa）；
kL——液膜吸收系数，m/s；
KG——气相总吸收系数，kmol/（m2·s·kPa）；
Lb——液体体积流量，m3/h；
LS——液体体积流量，m3/s；
LW——润湿速率，m3/（m·s）；
m——相平衡常数，无因次；
n——筛孔数目；
NOG——气相总传质单元数；
P——操作压力，Pa；
△P——压力降，Pa；
u——空塔气速，m/s；
uF——泛点气速，m/s
u0.min——漏液点气速，m/s；
u′0——液体通过降液管底隙的速度，m/s；
U——液体喷淋密度，m3/（m2·h）
UL——液体质量通量，kg/（m2·h）
Umin——最小液体喷淋密度，m3/（m2·h）
Uv——气体质量通量，kg/（m2·h）
Vh——气体体积流量，m3/h；
VS——气体体积流量，kg/s；
wL——液体质量流量，kg/s；
wV——气体质量流量，kg/s；
x——液相摩尔分数；
X——液相摩尔比Z
y——气相摩尔分数；
Y——气相摩尔比；
Z——板式塔的有效高度，m；
填料层高度，m。
希腊字母
ε——空隙率，无因次；
μ——粘度，Pa·s；
ρ——密度，kg/m3；
σ——表面张力，N/m；
φ——开孔率或孔流系数，无因次；
Φ——填料因子，l/m；
ψ——液体密度校正系数，无因次。
下标
max——最大的；
min——最小的；
L——液相的；
V——气相的。
附图
生产工艺流程图
主体设备设计条件图
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