化工原理課程設(shè)計(jì) 吸收塔

1、設(shè)計(jì)水吸收半水煤氣體混合物中的二氧化碳的填料吸收塔王 濤學(xué) 號：.指導(dǎo)老師：曹麗淑第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)31.1 設(shè)計(jì)題目1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件31.3 設(shè)計(jì)內(nèi)容3第二章 設(shè)計(jì)方案432.1 設(shè)計(jì)流程的選擇及流程圖4第三章 填料塔的工藝設(shè)計(jì)43.1 氣液平衡關(guān)系43.2 吸收劑用量53.3 計(jì)算熱效應(yīng)53.4 定塔徑63.5 噴淋密度的校核63.6 體積傳質(zhì)系數(shù)的計(jì)算73.7 填料層高度的計(jì)算83.8 附屬設(shè)備的選擇9第四章 設(shè)計(jì)結(jié)果概要15.專業(yè)資料.第五章 設(shè)計(jì)評價17第一章 設(shè)計(jì)任務(wù)1.1、設(shè)計(jì)題目設(shè)計(jì)水吸收半水煤氣體混合物中的二氧化碳的填料吸收塔.專業(yè)資料.1.2、 設(shè)計(jì)任務(wù)及操作條件（

2、一）氣體混合物1.組成（如表 1 所示）：22242（V%）2.氣體量：4700Nm h33.溫度：30C4.壓力：1800KNm2二氣體出口要求（V%）：CO 0.63%2三吸收劑：水1.3、設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)說明書一份，其內(nèi)容包括：1. 目錄2. 題目及數(shù)據(jù)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(jì)算，注明計(jì)算依據(jù)的公式、數(shù)據(jù)的來源6. 附屬設(shè)備的選型或計(jì)算7. 設(shè)計(jì)評價8. 設(shè)計(jì)結(jié)果9. 參考文獻(xiàn).專業(yè)資料.第二章 設(shè)計(jì)方案.專業(yè)資料.2.1、吸收流程的選擇及流程圖本設(shè)計(jì)混合原料氣溶質(zhì)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(wù)。由于

3、逆流操作傳質(zhì)推動力大，這樣可減少設(shè)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(wù)吸收后的CO 要用以合成尿素，則需對吸收后的溶液解吸以得到CO ,同時溶22劑也可循環(huán)使用。水吸收 CO (圖1)21- 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(shè)計(jì)3.1、氣液平衡關(guān)系由于此操作在高壓下進(jìn)行,高壓環(huán)境對理想氣體定律有偏差,故需對壓力進(jìn)行校核:由化工原理設(shè)計(jì)導(dǎo)論查得 CO 的臨界溫度 Tc=304K，臨界壓力2Pc=7.38MPa.專業(yè)資料.則其對比溫度 Tr= T. =0.97168=()對比壓力 Pr= P = =0.2200.8)查化工原理設(shè)計(jì)導(dǎo)論圖

4、 2-4得在此溫度壓力下:逸度系數(shù)= 0.92則逸度 f=p=18000.92=1656KPa查化工原理下冊得CO2氣體在 30時溶于水的亨利系數(shù) E=188000KPa相平衡常數(shù) m= E = =113.5266f則可得在此條件下氣液平衡關(guān)系為：Y= .)X.3.2、吸收劑用量進(jìn)塔 CO 摩爾分?jǐn)?shù)：y =10.9%=0.10921y.進(jìn)塔 CO 摩爾比：Y =0.1223=121y.1出塔 CO 摩爾分?jǐn)?shù)：y =0.63%=0.006322y.出塔 CO 摩爾比：Y =0.0063222y.2混合氣體體積流量：q =4700Nm /h3v混合氣體中惰性氣體流量:V=（1-0.109）=186

5、.9509Kmolh.4出 塔 液 相 濃 度 最 大 值 : X =X =.11max.)=0.0010對于純水吸收過程：X =02則最小液氣比：（L） = = . =116.0000minV0.1由L = (1.12)（L） ：minVV.專業(yè)資料.取 L =1.3L =1.3116.0000186.9509=28192.1957Kmolh11minL =1.5L =1.5116.0000186.9509=32529.4566Kmolh21minL =1.8L =1.8116.0000186.9509=39035.3479Kmolh31min則由物料衡算公式 V(Y -Y )=L(X -X

6、 1212X =) =.) =0.0007711L.X =) =0.00067=0.0005621L.X =) =.31L以下計(jì)算以第一組數(shù)據(jù)(L ,X )為例11 113.3、計(jì)算熱效應(yīng)水吸收CO2的量：G =V(Y -Y )=186.9509（0.1223-0.0063）=21.6863KmolA12h查化工原理設(shè)計(jì)導(dǎo)論圖 4-5 得 CO2的溶解熱 Kg查化工原理上冊附錄5，得水的 Cp=4.174KJ則由 L18Cpt=GA44q4.18得：t = . =0.1827 同理可求得t2=0.1583，1.t =0.1319。由于t ，t ，t 均小于 1。所以溫度變化不大，3123故此過

7、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.專業(yè)資料.混合氣體平均摩爾質(zhì)量：查化工原理上冊附錄 4 得各組分的臨界壓力 P 與臨界溫度 T：（如表二所cc示）CO7.38304CO3.50133222421.3033.33.391264.621915.04155CT (K)C各組分臨界壓力與臨界溫度（表二）混合氣體的平均摩爾質(zhì)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P =0.1097.38+0.6531.30+0.213.39+0.0054.62+0.0223.50

8、+0.001cm5.04=2.4470MPa混合氣體假臨界溫度：T =0.109304+0.65333.3+0.21126+0.005191+0.022133+0.001cm155=85.3769K則對比溫度 T= T =. =3.5507rcm.專業(yè)資料.對比壓力 Pr= P = .8 =0.7356.由化工原理設(shè)計(jì)導(dǎo)論圖 2-1得壓縮系數(shù) Z=1混合氣體密度 = = . =9.0772Kg/m3.Vb.確定填料：選擇塑料鮑爾環(huán)填料，規(guī)格：外徑高厚(mm)=38381干填料因子a=220 m-13比表面積 a=155m2/m3關(guān)聯(lián)系數(shù) A=0.0942c.計(jì)算泛點(diǎn)空塔氣速 u :f由化工原理

9、上冊附錄查得吸收劑水在30C的液體粘度：L混合氣體質(zhì)量流速：G =MV=12.71004700/22.4=2666.8304 Kg/hV吸收劑質(zhì)量流速：G = ML=1828192.1957=507459.5226Kg/h。L11同理可求得 G =585530.2188 Kg/h，G =702636.2622Kg/hL21L31.25(L.2由：lgaG .2=A-1.75( )fLg3 GV代入數(shù)據(jù)：lg 2.4 .25(.0.8007 =0.0942-1.75( ) ).7.2220f.7求得：u =0.0785m/s，同理可求得u =0.0675m/s,u =0.0552m/sd. 取

10、U=0.8 u=0.8 u =0.8 0.0785=0.0628m/s, 同 理 可 得 ，f，則u1f.專業(yè)資料.=0.0540m/s,u =0.0442m/su23該操作條件下氣體體積流量：= .=0.0816m3/s.則D = = . =1.2866ms1.1圓整后（化工原理設(shè)計(jì)導(dǎo)論 p123）:D =1.3m,同理可得，D =1.4m，12D =1.6m33.5、噴淋密度的校核對于直徑小于 76mm 的環(huán)形填料，其最低潤濕率L =0.08m3(mh)W則最小噴淋密度U =L a=0.08155=12.4m(m h)32WU = = . =384.1639m，同理可得，(m h)U321

11、D12.2L42=382.2039m3(m2hU故符合要求。，U =351.1498m3(m2hU33.6、體積傳質(zhì)系數(shù)的計(jì)算由于傳質(zhì)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(jì)算液相傳質(zhì)系數(shù)k 即可.L采用恩田式計(jì)算：液相擴(kuò)散系數(shù)（化工原理設(shè)計(jì)導(dǎo)論式 236）：D.13(.5T =.13.0.5. =2.310610 m9 2/s=L0.6.0.6 VmL液相流率： W.5226=382511.9833 Kg/(m2 h)，同理可=2.21得，W =380560.3918Kg/(m2h， L3=349639.8598Kg/(m2h).專業(yè)資料. m32Lkg： 33 10

12、 3600 42768032h2cm2： a a 155m3t = 80.07 10 Pa s)5Lm： g 9.81 3600 1271376002h2kg =995.7Lm3填料濕潤表面積（參考書目 式 6-40）：.1.2a 1 1 1 ） （ 1 ） （ 1).2= x . ( )( 2 L.11 1= 155 x . ( .382511.155.)0() .2) 382511.98332995.940896(382511.9833155)(995.2=127.2645m m23同理可得，a =127.1668m m=125.5274m m23，a23由此可得液相傳質(zhì)系數(shù)（參考書目 式

13、 6-46）2 11Wg323= k 0.0095 LLDL0.4aLwLLLL23382511.98330= .()1272645X2.8825121322 .136.4) .() (9957.9957 8 6. .4= ./h =4.2315m/h, =4.0338m/h同理可得，即：K kL1,K kL2,K k,又C = =.=55.3167Kmol/m3LML.專業(yè)資料.總傳質(zhì)系數(shù) ：K =K C.7=234.7475kmol (m= 3.75262h),同理可 M得，K =234.0726kmol (m=223.1365kmol (mh)h)， K223.7、填料層高度的計(jì)算11D

14、411.32 =1.3267m2,同理，有4=2 = D得：214=1.5386m ， =2.0096m2223傳質(zhì)單元高度 ：HL.= 0.7113m，同理可K a x w得， H =0.7103m，H =0.6935m傳質(zhì)單元數(shù)N 的計(jì)算：（對數(shù)平均推動力法）由氣液平衡方程 Y= . ,并帶入 Y ：2.0.0063= .=0.0000551 22.2X=0.0010-0.00077=0.0002311=X X1XX= X X 0.0000551-0=0.0000551222 .= 0.0001224 ， 同 理 可 得 ，12(1.()20.X =0.0001536， X =0.0001

15、853則 NX X.00.=4.3620 ，= 6.2908 ， 同 理 可 得 ， N12N =3.0221故：填料層高度Z =HN = 0.71136.2908 = 4.4746m，同理可得，1Z =3.0982m，Z =2.0958m23以同樣方法計(jì)算另外兩組數(shù)據(jù)求得后列總結(jié)為下表:.專業(yè)資料.L(Kmolh) 28192.1957 32529.4566 39035.3479u(m/s)0.06280.05400.044210.00077 0.07850.00067 0.06750.00056 0.05524.47463.09822.09581.6部分主要數(shù)據(jù)（表三）經(jīng)綜合考慮以上三種液

16、氣比所需的設(shè)備費(fèi)和操作費(fèi)，最終選擇第一組。3.8 計(jì)算填料層阻力：由此可以確定填料層高度 h=1.2Z =1.24.4746m=5.4m1氣體質(zhì)量流速V.=2010.1989kg(m=2666.8304kg/h=2h)1.吸收劑的質(zhì)量流量：L=507459.5226 .=382511.9833kg(m2h)1.液體密度： 3氣體密度： =9.0772 3Lv6 0.967 102TLLGG22=1.21X10 5.4由公式P h( )10 得：P h( )106VVLLTTVV.2)9.10.967102382511.995.7=15085.8604pa.專業(yè)資料.3.9、附屬設(shè)備的選擇a.液

17、體噴淋裝置：a.1 設(shè)計(jì)思路：在填料塔內(nèi)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。為了減少由于液體不良分布引起的放大反應(yīng)，充分發(fā)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(zhì)量不僅影響填料的傳質(zhì)效率，而且還會對填料的操作彈性產(chǎn)生影響。所以塔頂噴淋裝置的設(shè)計(jì)既要要求結(jié)構(gòu)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(chǎn)生過細(xì)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(shè)計(jì)計(jì)算：a.2.1液體進(jìn)出口管徑：4L液體

18、進(jìn)出管接口：d.7 = 509.6510m3/h uLL由于是泵輸送，所以取u= 2.5m sL則：d .= = 0.2686mL.L.專業(yè)資料.按照熱軋無縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)（GB8163-87），液體進(jìn)出管接口尺寸299mm15mm, 無縫鋼管299mm的內(nèi)徑：d = 299152 = 269mm,校驗(yàn)液體進(jìn)出管接口速度：液體在管中的實(shí)際流速：u.= 2.4923 ms,=L2.2L故選用299mm15mm 鋼管a.2.2分布板直徑：分布板直徑 D =0.81.3m=1040mm1a.2.3分布板開孔數(shù)：且液體流量：L=0.1416m3/s流量系數(shù) 0.6盤上小孔直徑板上液體高度d 0.008m01

19、H D 6m6則孔數(shù)：n=L0.=2279.22 1. x .06其結(jié)構(gòu)圖如圖 2 和圖 3 所示：.專業(yè)資料. 圖.專業(yè)資料.圖填料支撐板：填料支撐裝置的作用是支撐塔內(nèi)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(yīng)有足夠的機(jī)械強(qiáng)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(yīng)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(wǎng)。其結(jié)構(gòu)如圖 4 所示：.專業(yè)資料.圖氣體入口裝置：填料塔的氣體進(jìn)口既要防止液體倒灌，更要有利于氣體的均勻分布。本設(shè)計(jì)采用進(jìn)氣管伸到塔中心位置，管端切成 45 度向下斜口

20、或切成向下切口，使氣流折轉(zhuǎn)向上。其結(jié)構(gòu)圖如圖 5 所示：圖V氣體進(jìn)出管接口直徑：d s uvv.專業(yè)資料.且V.= 4700= 293.6286m/sS因?yàn)椴僮鲏毫?P=1800KN/m2，則 u 取 20m/s,v得： d .= 0.0721m4Lv.液體進(jìn)出管接口：d uLL且，L = .= 509.6510m3/h.7取 u =2.5m/s 得：d .= = 0.2686mLL.L由化工原理上冊附錄知：按照熱軋無縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)（GB8163-87），氣體進(jìn)出管接口尺寸選83mm5mm；液體進(jìn)出管接口尺寸299mm15mm校驗(yàn)氣體進(jìn)出管接口速度：氣體進(jìn)出管接口尺寸選83mm5mm，選擇驗(yàn)算：

21、83mm5mm無縫鋼管的內(nèi)徑：d=83-52 = 73mm氣體在管中的實(shí)際流速：uS2v.=19.4976ms=v2. 校驗(yàn)液體進(jìn)出管接口速度：液體在管中的實(shí)際流速：u.= 2.4923 ms,=L2.2Ld. 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(shè)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(jié)構(gòu)不連續(xù)處出現(xiàn)焊縫，從而避免焊縫邊緣應(yīng)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(nèi)廣泛應(yīng)用的中低壓容器的封頭形式。如圖 6.專業(yè)資料.封頭結(jié)構(gòu)圖（圖 6）由化工原理

22、課程設(shè)計(jì)導(dǎo)論JB1154-73查表知：當(dāng)塔徑 D=1.3m 時，h=40mmmm，H=325mm泵的選擇：由299mm15mm, u諾數(shù):.P, = 0.8007103 s算得雷=LaLsRe = d u .=833703=L LLL.3查化工原理（上冊）P65 表 2.3 得新的無縫鋼管的絕對粗糙度 mm。.2=0.00074L查化工原理（上冊）P64 圖 2.13 得 0.017且取塔高 Z=4.5+1.5+0.3252=6.65m 取 l m取局部阻力系數(shù)qL.= 0.1416m3/s0.170.7521.67vL.專業(yè)資料. l 1 d2dH= + +Kq 2，其中由于K ，Lv2g

23、2dd222221管壁相當(dāng)于管徑很小，所以2 d = 0.269m 因此得1 l P dH Z q2Vgg dL22.= . + 6.65 +.0.14162.9.2.2H = H 1.1= 180.61531.1198.6768mL額所以選擇 ZA200-400A型離心泵：揚(yáng)程 203mH O，流量 850m h32第四章 設(shè)計(jì)結(jié)果概要4.1主要符號說明（如表T相平衡常數(shù)，;V氣體量muuFw填料層的潤滑比表面積m/maak 液膜吸收系數(shù) m/h;H 液相傳質(zhì)單元高度，m;LL.專業(yè)資料. 填料因子， m-1 ; 修正系數(shù)，無因次.gdL惰性氣體流量，kmol/h 密度 kg/ G符號說明（

24、表 4）4.2主要數(shù)據(jù)匯總（如表操作條 操作溫度 30物料衡算數(shù)據(jù)進(jìn)塔氣相流量12120.00630.00077 0 209.8214kmol/h 28192.1957kmol/hOLOL1.3m 4.5mgZA200-400A型布器支撐裝離心泵.專業(yè)資料.置主要數(shù)據(jù)匯總 （表五）參考文獻(xiàn)： 張洪沅.化工原理設(shè)計(jì)導(dǎo)論.成都科技大學(xué)出版社.1991.4 朱家驊，葉世超，夏素蘭等.化工原理.2005.6 匡國柱，史啟才.化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計(jì).化學(xué)工業(yè)出版社.2002.1 王國勝.化工原理課程設(shè)計(jì).大連理工大學(xué)出版社.2005.2 陳英南，劉玉蘭.常用化工單元設(shè)備的設(shè)計(jì).華東理工大學(xué)出版社.2005.4 壓力容器使用技術(shù)叢書編寫委員會 .壓力容器設(shè)計(jì)知識 .化學(xué)工業(yè)出版社.2005.10.專業(yè)資料. 化學(xué)工程手冊編寫委會組織 .化學(xué)工程手冊 第 6 篇.化學(xué)工業(yè)出版社.1989第五章：設(shè)計(jì)評價通過參與此次課程設(shè)計(jì)，首先，自我體會到了如何將課本的知識運(yùn)用到生.專業(yè)資料.產(chǎn)生活實(shí)際中；其次，由于剛開始時對課程設(shè)計(jì)的了解不深 ，致使自身沒能很好的通過查閱資料了解到相關(guān)的一些