1、 化工原理課程設計課 題: 設計水吸收半水煤氣體混合物中的二氧化碳的填料吸收塔 設計者： 王 濤 學 號： 1043082002 指導老師： 曹麗淑 目錄第一章 設計任務3 1.1設計題目3 1.2設計任務及操作條件3 1.3設計內容3第二章 設計方案4 2.1設計流程的選擇及流程圖4第三章 填料塔的工藝設計4 3.1氣液平衡關系4 3.2吸收劑用量5 3.3計算熱效應5 3.4定塔徑6 3.5噴淋密度的校核6 3.6體積傳質系數的計算7 3.7填料層高度的計算8 3.8附屬設備的選擇9第四章 設計結果概要15第五章 設計評價 17 第一章 設計任務1.1、設計題目設計水吸收半水煤氣體混合物中

2、的二氧化碳的填料吸收塔1.2、 設計任務及操作條件（一）氣體混合物1.組成（如表1所示）：組分CO2H2 N2 CH4CO O2進塔氣體（V%）10.9 65.3 21 0.5 2.2 0.12.氣體量：4700Nm3h3.溫度：30°C4.壓力：1800KNm2 (二)氣體出口要求（V%）：CO20.63% (三)吸收劑：水1.3、設計內容設計說明書一份，其內容包括：1. 目錄2. 題目及數據3. 流程圖4. 流程和方案的選擇說明與論證5. 吸收塔的主要尺寸的計算，注明計算依據的公式、數據的來源6. 附屬設備的選型或計算7. 設計評價8. 設計結果9. 參考文獻 第二章 設計方案2

3、.1、吸收流程的選擇及流程圖本設計混合原料氣溶質濃度不高，同時過程分離要求不高，選用一種吸收劑（水）一步流程即可完成吸收任務。由于逆流操作傳質推動力大，這樣可減少設備尺寸，并且能提高吸收率和吸收劑使用效率，故選擇逆流吸收。由于本任務吸收后的CO2要用以合成尿素，則需對吸收后的溶液解吸以得到CO2,同時溶劑也可循環使用。 水吸收CO2工藝流程圖(圖1)1- 吸收塔；2-富液泵；3-貧液泵；4-解吸塔 第三章 填料塔的工藝設計3.1、氣液平衡關系 由于此操作在高壓下進行,高壓環境對理想氣體定律有偏差,故需對壓力進行校核:由化工原理設計導論查得CO2的臨界溫度Tc=304K，臨界壓力Pc=7.38M

4、Pa則其對比溫度Tr= T(Tc+8) = 303.15304+8 =0.9716 對比壓力Pr= P(Pc+8) =1873.8+8 =0.2200 查化工原理設計導論圖2-4得在此溫度壓力下: 逸度系數=0.92 則逸度f=p=1800×0.92=1656KPa 查化工原理下冊得CO2氣體在30時溶于水的亨利系數E=188000KPa 相平衡常數m= Ef =1880001656 =113.5266則可得在此條件下氣液平衡關系為： Y= mX1+(1-m)X =113.5266X1-112.5266X3.2、吸收劑用量 進塔CO2摩爾分數：y1=10.9%=0.109進塔CO2摩

5、爾比：Y1= y11-y1= 0.1091-0.109 =0.1223出塔CO2摩爾分數：y2=0.63%=0.0063出塔CO2摩爾比：Y2=y21-y2= 0.00631-0.0063 =0.0063混合氣體體積流量：qv=4700Nm3/h混合氣體中惰性氣體流量:V=470022.4×（1-0.109）=186.9509Kmolh出塔液相濃度最大值: X1*=X1max= Y1m-1-mY1 = 0.1223113.5266-(1-113.5266) =0.0010 對于純水吸收過程：X2=0則最小液氣比：（LV）min= Y1-Y2X1*-X2 = 0.1223-0.0063

6、0.0010 =116.0000由LV = (1.12)（LV）min： 取L11=1.3Lmin=1.3×116.0000×186.9509=28192.1957Kmolh L21=1.5Lmin=1.5×116.0000×186.9509=32529.4566KmolhL31=1.8Lmin=1.8×116.0000×186.9509=39035.3479Kmolh 則由物料衡算公式V(Y1-Y2)=L(X1-X2)： X11= V(Y1-Y2)L = 186.9509×(0.1223-0.0063)28192.1957

7、 =0.00077 X21= V(Y1-Y2)L =186.9509×（0.1223-0.0063）32529.4566 =0.00067 X31= V(Y1-Y2)L =186.9509×（0.1223-0.0063）39035.3479 =0.00056以下計算以第一組數據(L11,X11)為例3.3、計算熱效應 水吸收CO2的量：GA=V(Y1-Y2)=186.9509×（0.1223-0.0063）=21.6863Kmolh查化工原理設計導論圖4-5得CO2的溶解熱q=97KcalKg查化工原理上冊附錄5，得水的Cp=4.174KJ（Kg·K）則

8、由L×18×Cp×t=GA×44×q×4.18 得：t1= 21.6863×44×97×4.1828192.1957×18×4.174=0.1827 同理可求得t2=0.1583，t3=0.1319。 由于t1，t2，t3均小于1。所以溫度變化不大，故此過程可視為等溫吸收過程。3.4、確定塔徑a.確定混合氣體的密度混合氣體平均摩爾質量：查化工原理上冊附錄4得各組分的臨界壓力Pc與臨界溫度Tc：（如表二所示）CO2H2N2CH4CO 02PC(MPa)7.381.303.394.623.

9、505.04TC (K)30433.3126191133155 各組分臨界壓力與臨界溫度（表二）混合氣體的平均摩爾質量：M=0.109×44+0.653×2+0.21×28+0.005×16+0.022×28+0.1×32=12.7100Kg/Kmol混合氣體假臨界壓Pcm=0.109×7.38+0.653×1.30+0.21×3.39+0.005×4.62+0.022×3.50+0.001×5.04=2.4470MPa 混合氣體假臨界溫度：Tcm=0.109×30

10、4+0.653×33.3+0.21×126+0.005×191+0.022×133+0.001×155=85.3769K則對比溫度Tr= TTcm =303.1585.3769 =3.5507 對比壓力Pr= PPcm = 1.82.4470 =0.7356由化工原理設計導論圖2-1得壓縮系數Z=1混合氣體密度V= PMZRT = 1800×12.71001×8.314×303.15 =9.0772Kg/m3b.確定填料：選擇塑料鮑爾環填料，規格：外徑×高×厚(mm)=38×38

11、15;1干填料因子a3=220 m-1比表面積a=155m2/m3關聯系數A=0.0942c.計算泛點空塔氣速uf: 由化工原理上冊附錄查得吸收劑水在30°C的液體粘度： L=0.8007mPa·s混合氣體質量流速：GV=M·V=12.7100×4700/22.4=2666.8304 Kg/h吸收劑質量流速：GL11= M·L=18×28192.1957=507459.5226Kg/h。同理可求得GL21=585530.2188 Kg/h，GL31=702636.2622Kg/h 由Bain-Hougen關聯式：lguf2g·

12、;a3·vL·L0.2=A-1.75GLGV0.25·VL0.125 代入數據： lguf29.81·220·9.0817995.7·0.80070.27521962.42666.83040.25·9.0772995.70.125 求得：uf1 =0.0785m/s，同理可求得uf2=0.0675m/s, uf3=0.0552m/sd.取U=0.8uf ， 則u1=0.8uf=0.8×0.0785=0.0628m/s,同理可得， u2=0.0540m/s, u3=0.0442m/s該操作條件下氣體體積流量：Vs=4

13、700x30+273.15x101.325273.15x1800x3600=0.0816m3/s則D1=4Vsu1=4×0.08163.14×0.0628 =1.2866m圓整后（化工原理設計導論p123）:D1=1.3m,同理可得，D2=1.4m，D3=1.6m3.5、噴淋密度的校核 對于直徑小于76mm的環形填料，其最低潤濕率LW=0.08m3(m·h) 則最小噴淋密度Umin=LW·a=0.08×155=12.4m3(m2·h) U1=GL11L××D124 =4×507459.5226995.7&

14、#215;3.14×1.32 =384.1639m3(m2·h)Umin，同理可得， U2=382.2039m3(m2·h)Umin，U3=351.1498m3(m2·h)Umin 故符合要求。3.6、體積傳質系數的計算由于傳質阻力主要集中在液相，即此過程為液膜控制過程，則有KLkL 故此處計算液相傳質系數kL即可.采用恩田式計算： 液相擴散系數（化工原理設計導論式2-36）： DL=1.173×10-13(M)0.5TLVm0.6 = 1.173×10-13×(2.6×18)0.5×303.150.80

15、07×0.0340.6 =2.3106×10-9m2/s 液相流率： WL1=4GL11D12=4×507459.5226×1.32=382511.9833 Kg/(m2·h)，同理可得， WL2=380560.3918 Kg/(m2·h)， WL3=349639.8598 Kg/(m2·h)由化工原理附錄知：水在30時，水的表面張力L=72.6×10-3N/m=940896kg/h2填料材質的臨界表面張力：填料總比表面積：水的黏度：L=2.8825Kg/(mh)重力加速度：水的密度：L= 填料濕潤表面積（參考書目

16、 式6-40）： aw1=a 1-exp-1.45(CL)0.75(WL1aL）0.1（WL1aL2g）-0.05（WL12La)0.2 =155× 1-exp-1.45×(427680940896)0.75×382511.9833155×2.88250.1×382511.9833×155995.72×127137600-0.05×382511.98332995.7×940896×1550.2 =127.2645m2m3同理可得，aw2=127.1668m2m3，aw3=125.5274m2m3

17、 由此可得液相傳質系數（參考書目 式6-46）同理可得，kL2=4.2315m/h, kL3=4.0338m/h 即：KL1kL1, KL2kL2, KL3kL3,又CM=LML=995.718=55.3167Kmol/m3 總傳質系數：Kx1=KL1CM=3.7526×995.718=234.7475kmol(m2·h),同理可得， Kx2=234.0726kmol(m2·h)， Kx3=223.1365 kmol(m2·h)3.7、填料層高度的計算塔的截面積得： 1=14D2=14×1.32=1.3267m2,同理，有 2=1.5386m2

18、， 3=2.0096m2 傳質單元高度：HOL1=LKxaw=28192.1957234.7475×127.2645×1.3267=0.7113m，同理可得， HOL2=0.7103m，HOL3=0.6935m 傳質單元數NOL的計算：（對數平均推動力法）由氣液平衡方程Y= 113.5266x1-112.5266x,并帶入Y2：0.0063= 113.5266X2*1-112.5266X2* X2*=0.0000551 X1=X1*-X1=0.0010-0.00077=0.00023 X2=X2*-X2=0.0000551-0=0.0000551 Xm1=X1-X2InX1

19、X2=0.00023-0.0000551In0.000230.0000551=0.0001224，同理可得，Xm2=0.0001536， Xm3=0.0001853 則NOL1=X1-X2Xm1=0.00077-00.000114=6.2908，同理可得，NOL2=4.3620，NOL3=3.0221 故：填料層高度Z1=HOL1·NOL1=0.7113×6.2908=4.4746m，同理可得，Z2=3.0982m， Z3=2.0958m以同樣方法計算另外兩組數據,求得后列總結為下表: L(Kmolh)X1uf(m/s)u(m/s)D(m)Z(m)28192.19570.0

20、00770.07850.06281.34.474632529.45660.000670.06750.05401.43.098239035.34790.000560.05520.04421.62.0958 部分主要數據（表三）經綜合考慮以上三種液氣比所需的設備費和操作費，最終選擇第一組。3.8計算填料層阻力：由此可以確定填料層高度h=1.2×Z1=1.2×4.4746m=5.4m氣體質量流速：GV=2666.8304kg/h=2666.83041.326650=2010.1989kg(m2·h)吸收劑的質量流量：L=507459.5226 kg/h=507459.5

21、2261.326650=382511.9833kg(m2·h)液體密度：L=995.7kg/m3 氣體密度：v=9.0772 kg/m3 由公式得： =1.21X10-6×5.4×(2010.198929.0772)×100.967×10-2×382511.9833995.7 =15085.8604pa3.9、附屬設備的選擇 a.液體噴淋裝置：a.1設計思路：在填料塔內液體的分布對對操作起著非常重要的作用，即使選擇了合適的填料，如果液體分布不良，必然減小填料的有效潤濕表面，減小氣液兩相的有效接觸面積，直接影響塔的分離效率。為了減少由于

22、液體不良分布引起的放大反應，充分發揮填料的效率，必須在填料塔中安裝液體分布裝置，把液體均勻地分布于填料層頂部液體初始分布的質量不僅影響填料的傳質效率，而且還會對填料的操作彈性產生影響。所以塔頂噴淋裝置的設計既要要求結構簡單，又要將液體均勻地噴灑在填料上，操作時本上不宜賭賽不產生過細的霧滴。且由于操作塔徑為1.3m，故采用盤式液體分布器。a.2設計計算：a.2.1液體進出口管徑：液體進出管接口： ,L=18×28192.1957995.7=509.6510m3/h由于是泵輸送，所以取uL=2.5ms則：dL=4LuL=4×509.65103.14×2.5×

23、3600=0.2686m按照熱軋無縫鋼管標準（GB8163-87），液體進出管接口尺寸299mm× 15mm, 無縫鋼管299mm×15mm的內徑：d=299-15×2=269mm, 校驗液體進出管接口速度：液體在管中的實際流速：uL=4LdL2 = 4×509.65103600x3.14x0.2692=2.4923 ms, 故選用299mm×15mm鋼管a.2.2分布板直徑：分布板直徑D1=0.8×1.3m=1040mma.2.3分布板開孔數：且液體流量：L=0.1416m3/s流量系數 盤上小孔直徑板上液體高度則孔數：n=L0.7

24、852gHd0 2 = 0.14160.785×0.6×0.0082x2x1.3x9.81x16 =2279其結構圖如圖2和圖3所示：盤式液體分布器 篩孔式（圖2）噴頭俯視圖（圖3）b. 填料支撐板：填料支撐裝置的作用是支撐塔內的填料和塔上的持液量，同時又能保證氣液兩相順利通過。支撐板應有足夠的機械強度和耐腐蝕能力。柵板式支撐裝置是有豎立的扁鋼條焊接而成。扁鋼條的間距應為填料外徑的0.60.7倍。為防止填料從柵板條間空隙漏下，在裝填料時，先在柵板上鋪上一層孔眼小于填料直徑的粗金屬絲網。其結構如圖4所示： 柵板式支撐裝置（圖4）C氣體入口裝置： 填料塔的氣體進口既要防止液體倒

25、灌，更要有利于氣體的均勻分布。本設計采用進氣管伸到塔中心位置，管端切成45度向下斜口或切成向下切口，使氣流折轉向上。其結構圖如圖5所示：氣體入口裝置（圖5）氣體進出管接口直徑： 且VS=4700×303.15×101.325273.15×1800 =293.6286m/s因為操作壓力為P=1800KN/m2，屬高壓操作，則uv取20m/s,得： dv=4×293.62863.14×3600×20=0.0721m液體進出管接口：且，L=18×28192.1957995.7=509.6510m3/h取uL=2.5m/s 得：dL

26、=4LuL=4×509.65103.14×2.5×3600=0.2686m由化工原理上冊附錄知：按照熱軋無縫鋼管標準（GB8163-87），氣體進出管接口尺寸選83mm×5mm；液體進出管接口尺寸299mm×15mm校驗氣體進出管接口速度：氣體進出管接口尺寸選83mm×5mm，選擇驗算：83mm×5mm無縫鋼管的內徑：d=83-5×2=73mm氣體在管中的實際流速：uv=4VSdv2=4×293.62863.14x0.0732x3600=19.4976ms校驗液體進出管接口速度：液體在管中的實際流速：uL

27、=4LdL2 = 4×509.65103600x3.14x0.2692=2.4923 ms,d. 封頭： 封頭為壓力容器的主要受壓元件，此處采用橢圓形封頭，其由半個橢球和具有一定高度的圓筒形殼體組成，此圓筒形殼體高度一般稱為直邊高度設置直邊高度的目的是為了避免在封頭和圓筒形殼體相交的這一結構不連續處出現焊縫，從而避免焊縫邊緣應力問題。在制造難以程度上，由于橢圓形封頭的深度較淺，沖壓成形較易，是目前國內廣泛應用的中低壓容器的封頭形式。如圖6 封頭結構圖（圖6）由化工原理課程設計導論JB1154-73查表知：當塔徑D=1.3m時，h=40mmmm，H=325mm泵的選擇：由299mm&#

28、215;15mm, uL=2.4923ms ,L=0.8007×10-3Pas算得雷諾數:Re=dLuLLL=0.269×2.4923×995.70.8007×10-3=833703查化工原理（上冊）P65表2.3得新的無縫鋼管的絕對粗糙度。 dL=0.2269=0.00074查化工原理（上冊）P64圖2.13得且取塔高Z=4.5+1.5+0.325×2=6.65m 取 取局部阻力系數 qv=L×183600L=28192.1957×18995.7×3600=0.1416m3/s HL=pg+z+Kqv2，其中，由

29、于管壁相當于管徑很小，所以d2 d1=0.269m 因此得 = 1800-101.325×1000995.7×9.81 + 6.65 + 8×（0.017×150.269+1.67）9.81×3.142×0.2692×0.14162 =180.6153m H額=HL×1.1=180.6153×1.1=198.6768m所以選擇ZA200-400A型離心泵：揚程203 mH2O，流量850m3h 第四章 設計結果概要4.1主要符號說明（如表4）：溫度，壓強，KPa ;亨利系數，KPa;相平衡常數，無因次;吸

30、收液量 kmol/hV氣體量空塔速度，m/s ;液泛速度，m/s ;t填料層的有效傳質比表面積（m²/m³）填料層的潤滑比表面積m²/m³；液膜吸收系數 m/h;液相傳質單元高度，m;填料因子， m-1 ; 修正系數，無因次重力加速度，kg/(m².h);液相傳質單元數，無因次;填料直徑，m；惰性氣體流量，kmol/h密度kg/ m³符號說明（表4）4.2主要數據匯總（如表5）： 設計名稱水吸收水煤氣混合物中的二氧化碳的填吸收呀操作條件操作溫度30操作壓力1800 KN/m2物料衡算數據Y1Y2X1X2進塔氣相流量進塔液相流量0.12230.00630.000770209.8214kmol/h28192.1957kmol/h工藝數據塔徑填料層高度填料HOLNOL1.3m4.5m塑料鮑爾環環Dg380.71136.2908填料塔附屬設備液體噴淋裝置填料支承板氣體入口裝置封頭泵盤式液體分布器柵板式支撐裝置管式分布結構橢圓形ZA200-400A型離心泵主要數據匯總 （表五）參考文獻： 張洪沅.化工原理設計導論.成都科技大學出版社.1991.4 朱家驊，葉世超，夏素蘭等.化工原理.科學出版社.2005.6 匡國柱，史啟才.化工單元過程及設備課程設計.化學工業出版社.2002.1