水吸收變換氣中CO2的填料塔設(shè)計

PAGE22PAGE22化工原理課程設(shè)計說明書設(shè)計題目：水吸收變換氣中CO2的填料塔設(shè)計指導(dǎo)教師學(xué)生姓名系別班級學(xué)號日期：設(shè)計成績：日期：化工原理課程設(shè)計任務(wù)書(吸收裝置設(shè)計)設(shè)計題目：水吸收變換氣中CO2的填料塔設(shè)計設(shè)計任務(wù)及操作條件氣體處理量1510m3/h進塔氣體組成組成CO2COH2N2CH4合計Vol%28.8422.5158.785.174.7100.0出塔氣體中CO2含量1%（vol%）。水洗塔底壓強1.8Mpa（絕）。吸收溫度30℃進塔水中含CO2量25ml/l.水洗飽和度70%。設(shè)計內(nèi)容設(shè)計方案的確定及流程說明。填料吸收塔的塔徑、填料層高度或塔斯社高及填料層壓降計算。填料塔附屬結(jié)構(gòu)的選型與設(shè)計。吸收塔工藝流程圖。填料吸收塔與液體分布器工藝條件圖。設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)各種氣體的溶解度

（1m3水在總壓為101.3kPa(絕壓)下溶解的氣體量，Nm溫度，℃CO2COH2N2CH4250.7590.021420.017500.014100.03006260.7380.021100.017420.02052270.7180.020800.017310.02901280.6990.020510.017200.02852290.6820.020240.017090.02806300.6650.019980.016990.013190.027622.不同分壓、溫度時CO2在水中的深解度，Nm3/m3水分壓P×101.3kpa-1（絕）℃1020300.50.610.440.331.01.200.880.653.03.532.581.915.05.714.163.1010.010.717.85.81（五）．課程要求1．要求每組成員共同進行查閱資料，在計算、繪圖中進行分工合作。2.要求在1月24日前完成說明書的編寫和繪圖過程。3.要求每人上交一份說明書，每組一份圖紙。（六）設(shè)計時間：2011/1/6-2011/1/（七）摘要填料時填料塔氣液接觸的原件，填料性能的優(yōu)劣直接決定著填料塔的操作性能和傳質(zhì)效率。填料塔的特點是：結(jié)構(gòu)簡單，壓降小，填料種類多，具有良好的耐腐蝕性能，特別是在處理容易、產(chǎn)品產(chǎn)生泡沫的物料和真空操作時，有其獨特的優(yōu)越性。本文設(shè)計的是水吸收換器中CO2的填料塔設(shè)計關(guān)鍵詞：散裝填料，填料塔，液體分布器，填料層陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書目錄前言 1第1章概述 21.1填料塔的結(jié)構(gòu)原理 21.2填料塔的結(jié)構(gòu)和功能 31.3填料塔的操作范圍 4第2章設(shè)計方案的確定 52.1操作條件的確定 52.1．1吸收劑的選擇 52.1.2裝置流程的確定 52.1.3填料的類型與選擇 52.1.4操作溫度與壓力的確定 52.2基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù) 52.2.1液相物性數(shù)據(jù) 52.2.2氣相物性數(shù)據(jù) 52.3物料衡算 62.4填料塔的工藝尺寸計算 72.4.1塔徑計算 72.4.2填料層高度計算 9第3章填料層壓降計算 133.1液體分布裝置 143.1.1液體分布器的選型 143.1.2分布點密度計算 143.1.3布液計算 153.2液體再分布裝置 153.3填料支撐裝置 153.4氣體的入塔分布 163.5吸收塔接管尺寸計算 163.6附屬設(shè)備 16第4章附表 17第5章設(shè)計結(jié)果概要或設(shè)計一覽表 19第6章評價 20結(jié)束語 21參考文獻 22致謝 23第1章概述填料塔不但結(jié)構(gòu)簡單，且流體通過填料層的壓降較小，易于用耐腐蝕材料制造，所以它特別適用于處理量小，有腐蝕性的物料及要求壓降小的場合。液體自塔頂經(jīng)液體分布器噴灑于填料頂部，并在填料的表面呈膜狀流下，氣體從塔底的氣體口送入，流過填料的空隙，在填料層中與液體逆流接觸進行傳質(zhì)。因氣液兩相組成沿塔高連續(xù)變化，所以填料塔屬連續(xù)接觸式的氣液傳質(zhì)設(shè)備。1.1填料塔的結(jié)構(gòu)原理填料塔是以塔內(nèi)的填料作為氣液兩相間接觸構(gòu)件的傳質(zhì)設(shè)備。填料塔的塔身是一直立式圓筒，底部裝有填料支承板，填料以亂堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安裝填料壓板，以防被上升氣流吹動。液體從塔頂經(jīng)液體分布器噴淋到填料上，并沿填料表面流下。氣體從塔底送入，經(jīng)氣體分布裝置（小直徑塔一般不設(shè)氣體分布裝置）分布后，與液體呈逆流連續(xù)通過填料層的空隙，在填料表面上，氣液兩相密切接觸進行傳質(zhì)。填料塔屬于連續(xù)接觸式氣液傳質(zhì)設(shè)備，兩相組成沿塔高連續(xù)變化，在正常操作狀態(tài)下，氣相為連續(xù)相，液相為分散相。當液體沿填料層向下流動時，有逐漸向塔壁集中的趨勢，使得塔壁附近的液流量逐漸增大，這種現(xiàn)象稱為壁流。壁流效應(yīng)造成氣液兩相在填料層中分布不均，從而使傳質(zhì)效率下降。因此，當填料層較高時，需要進行分段，中間設(shè)置再分布裝置。液體再分布裝置包括液體收集器和液體再分布器兩部分，上層填料流下的液體經(jīng)液體收集器收集后，送到液體再分布器，經(jīng)重新分布后噴淋到下層填料上。填料塔具有生產(chǎn)能力大，分離效率高，壓降小，持液量小，操作彈性大等優(yōu)點。填料塔也有一些不足之處，如填料造價高；當液體負荷較小時不能有效地潤濕填料表面，使傳質(zhì)效率降低；不能直接用于有懸浮物或容易聚合的物料；對側(cè)線進料和出料等復(fù)雜精餾不太適合等。1.2填料塔的結(jié)構(gòu)和功能填料塔由外殼、填料、填料支承、液體分布器、中間支承和再分布器、氣體和液體進出口接管等部件組成，塔外殼多采用金屬材料，也可用塑料制造。填料是填料塔的核心，它提供了塔內(nèi)氣液兩相的接觸面，填料與塔的結(jié)構(gòu)決定了塔的性能。填料必須具備較大的比表面，有較高的空隙率、良好的潤濕性、耐腐蝕、一定的機械強度、密度小、價格低廉等。常用的填料有拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、弧鞍形和矩鞍形填料，20世紀80年代后開發(fā)的新型填料如QH—1型扁環(huán)填料、八四內(nèi)弧環(huán)、刺猬形填料、金屬板狀填料、規(guī)整板波紋填料、格柵填料等，為先進的填料塔設(shè)計提供了基礎(chǔ)。填料塔適用于快速和瞬間反應(yīng)的吸收過程，多用于氣體的凈化。該塔結(jié)構(gòu)簡單，易于用耐腐蝕材料制作，氣液接觸面積大，接觸時間長，氣量變化時塔的適應(yīng)性強，塔阻力小，壓力損失為300～700Pa，與板式塔相比處理風量小，空塔氣速通常為0．5～1．2m/s，氣速過大會形成液泛，噴淋密度6～8m3／(m2，h)以保證填料潤濕，液氣比控制在2～10L／m3。填料塔不宜處理含塵量較大的煙氣，設(shè)計時應(yīng)克服塔內(nèi)氣液分布不均的問題。填料塔的工作原理，示意圖填料塔的塔身是一直立式圓筒，底部裝有填料支承板，填料以亂堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安裝填料壓板，以防被上升氣流吹動。液體從塔頂經(jīng)液體分布器噴淋到填料上，并沿填料表面流下。1.3填料塔的操作范圍當液體量一定時，若氣體量很小，傳質(zhì)過程主要靠擴散進行，傳質(zhì)效果不好；氣體量很大，將會導(dǎo)致液泛發(fā)生。當氣體量一定時，若液體量很小，會有部分填料得不到潤濕，傳質(zhì)效果不好；若液體量很大，將會導(dǎo)致液泛發(fā)生。最大氣體量或最大液體量，可以根據(jù)泛點氣速來估計；最小氣體量和最小液體量必須根據(jù)經(jīng)驗來確定。第2章設(shè)計方案的確定2.1操作條件的確定2.1．1吸收劑的選擇因為用水作吸收劑，同時不作為產(chǎn)品，故采用純?nèi)軇?.1.2裝置流程的確定用水吸收屬于中等溶解度的吸收過程，故為提高傳質(zhì)效率，選擇用逆流吸收流程。逆流操作:氣相自塔底進入由塔頂排出，液相自塔頂進入由塔底排出，此即逆流操作。逆流操作的特點是，傳質(zhì)平均推動力大，傳質(zhì)速率快，分離效率高，吸收劑利用率高。2.1.3填料的類型與選擇用不吸收的過程，操作溫度低，但操作壓力高，因為工業(yè)上通常選用塑料散裝填料，在塑料散裝填料中，塑料階梯填料的綜合性能較好，故此選用DN38聚丙烯塑料階梯環(huán)填料。2.1.4操作溫度與壓力的確定操作溫度：30℃，操作壓力：1.82.2基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)2.2.1液相物性數(shù)據(jù)對于低濃度吸收過程，溶液的物性數(shù)據(jù)可近似取水的物性數(shù)據(jù)查得，30℃密度為ρ=995.7kg/粘度為μ=801.5×10-6=2.8854kg/；表面張力為б=72.6dyn/cm=940896kg/h3CO2在水中的擴散系數(shù)為DL=1.77×10-9m2/s=6.372×102.2.2氣相物性數(shù)據(jù)混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為Mvm=∑yiMi＜2-1＞其中y1=0.2884y2=0.0251y3=0.5878y4=0.0517y5=0.0470Mvm1=44.01kg/molMvm2=28.01kg/molMvm3=2.02kg/molMvm4=28.02kg/molMvm5=16.04kg/mol則Mvm=∑yiMi=0.2884×44.01＋0.0251×28.01+0.5878×2.02+0.0517×28.02+0.0470×16.04=16.7854kg/mol混合氣體的平均密度ρvm=其中P=1800PaMvm=16.7854kg/molR=8.314J·mol-1·K-1T=(273+30)=303k則ρvm=kg/m3＜2-2＞混合氣體粘度近似取空氣粘度，查化工原理手冊30℃μV=18.6×10-6=0.06696kg/查手冊得CO2在空氣中的擴散系數(shù)為DV=0.134cm2/s=0.048m2由手冊查得30℃時COE=1.88×105kPa相平衡常數(shù)為m=＜2-3＞溶解度系數(shù)為H=＜2-4＞2.3物料衡算進塔氣相摩爾比為Y1=＜2-5＞出塔氣相摩爾比為Y2==0.4053×[1-(％)]=0.0141＜2-6＞進塔惰性氣相流量為V=＜2-7＞該吸收過程為低濃度吸收，平衡關(guān)系為直線，最小液氣比按下式計算，即＜2-8＞進塔液組成為X2=0.0002＜2-9＞取操作液氣比為：1.5L/V=1.5L/V=1.5×155.45=L=233.18×43.22=10077.82kmol/h=181400.8因為：V(Y1-Y2)=L(X1-X2)所以：X1=＜2-10＞操作線根據(jù)操作線方程式=Y=233.17X-0.0466由上式公式求的操作線繪于圖如下圖：2.4填料塔的工藝尺寸計算2.4.1塔徑計算填料塔直徑以混合氣體處理量及所選適宜氣速按下式計算：式中VS──操作條件下混合氣體流量，m3/s;u──適宜空塔氣，m/s；u=安全系數(shù)×uf，，uf為泛點氣速，m/s。采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計算泛點氣速氣相質(zhì)量流量為WV=1510×11.9937=18110.49kg/h液相質(zhì)量流量可近似按純水的流量計算即WL=10077.82×18.02=181602.4kg/hEckert通用關(guān)聯(lián)圖橫坐標為＜2-11＞其中wL=181602.4kg/hwV=18110.49kg/hρv=11.9937kg/m3ρL=995kg/m則1.101查?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖得＜2-12＞查表（散裝填料泛點填料因子平均值）得：表2—1散裝填料泛點填料因子平均值填料類型填料因子，1625385076金屬鮑爾環(huán)410-117160-金屬環(huán)矩鞍-170150135120金屬階梯環(huán)--160140-塑料鮑爾環(huán)55028018414092塑料階梯環(huán)-260170127-瓷矩鞍1100550200226-瓷拉西環(huán)1300832600410-＜2-13＞取u=0.7uF=0.7×0.31=0.22由＜2-14＞圓整塔徑，取D=1.泛點率校核u=﹪=67.74％(在允許范圍內(nèi))＜2-15＞填料規(guī)格校核：液體噴淋密度校核：取最小潤濕速率為（LW）min=0.08m3/查塑料階梯環(huán)特性數(shù)據(jù)表得：表2—2塑料階梯環(huán)特性數(shù)據(jù)表公稱直徑外徑×高×厚比表面積空隙率％個數(shù)堆積密度干填料因子2525×12.5×1.4228908150097.83123838×19×1132.5912720057.51755050×25×1.5114.292.71074054.81437676×38×39092.9342068.4112型號為DN25的階梯環(huán)的比表面積at=132.5m2/mUmin=(LW)minat=0.08×132.5=10.6m3/＜2-16＞式中最小噴淋密度，；最小潤濕速率，；填料的總比表面積，。其中=0.08m3/U=＜2-17＞經(jīng)校核可知，塔徑D=162.4.2填料層高度計算Y=mX1=104.44×0.0023=0.24Y=mX2=104.44×0.0002=0.02脫因系數(shù)為S=＜2-18＞氣相總傳質(zhì)單元數(shù)NOG=＜2-19＞=N=0.746x1.35=1.007,Ne為實際板數(shù)，E0為全塔板效率，一般取值范圍約為10%--60%取E0為0.6Ne=NxEo=1.007x0.6=0.604所以取Ne=1氣相總傳質(zhì)單元高度采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計算＜2-20＞查常見材質(zhì)的臨界表面張力值表得表2—3常見材質(zhì)的臨界表面張力值材質(zhì)碳瓷玻璃聚丙烯聚氯乙烯鋼石蠟表面張力，56617333407520c=33dyn/cm=427680kg/h2液體質(zhì)量通量為：＜2-21＞吸收系數(shù)由下式計算：=0.682＜2-22＞氣膜吸收系數(shù)由下式計算：＜2-23＞式中氣體的質(zhì)量通量，;氣體的粘度，[]；氣體的密度，；溶質(zhì)在氣體中的擴散系數(shù)，；通用氣體常數(shù)，；系統(tǒng)溫度，；填料的總比表面積，。其中則質(zhì)量通量為：=0.037175吸收系數(shù)由下式計算＜2-24＞式中液體的質(zhì)量通量，;液體的粘度，[]；液體的密度，；溶質(zhì)在液體中的擴散系數(shù)，；通用氣體常數(shù)，；系統(tǒng)溫度，303；填料的潤濕比表面積，；重力加速度，。其中則=1.58m/h＜2-25＞查常見填料的形狀系數(shù)表得＜2-26＞u/uF=67.74％>50﹪式中液體的表面張力，填料材質(zhì)的臨界表面張力，；填料形狀系數(shù)。得＜2-27＞得＜2-28＞HOG=＜2-29＞式中溶解度系數(shù)，；塔截面積，Z=HOGNOG=0.260×1.35=0.35m＜2-30式中氣相總傳質(zhì)單元高度，；氣相傳質(zhì)單元數(shù)。得Z′=1.25×1.36=0.44取填料層高度為Z′=1查散裝填料分段高度推薦值表表2—4散裝填料分段高度推薦值填料類型拉西環(huán)2.5≤4m矩鞍5-8≤6m鮑爾環(huán)5-10≤6m階梯環(huán)8-15≤6m環(huán)距鞍8-15≤6m對于階梯環(huán)填料hmax≤6m取h/D=8則h=8×1600=12800mm計算得填料層高度為100mm0第3章填料層壓降計算散裝填料的壓降值可由埃克特通用關(guān)聯(lián)圖計算。計算時，先根據(jù)氣液負荷及有關(guān)物性數(shù)據(jù)，求出橫坐標值。再根據(jù)操作空塔氣速U用有關(guān)物性數(shù)據(jù)，求出縱坐標值。通過作圖得出交點，讀出過交點的等壓線數(shù)值，即得出每米填料層壓降值。用?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖計算壓降時，所需填料因子與液體噴淋點密度有關(guān)，為了工程計算的方便，常采用與液體噴淋密度無關(guān)的壓降填料因子平值。埃克特通用關(guān)聯(lián)圖橫坐標為=1.1＜3-1＞查散裝填料壓降填料因子平均值表3—1散裝填料壓降填料因子平均填料類型填料因子，1625385076金屬鮑爾環(huán)306-11498-金屬環(huán)矩鞍-13893.47136金屬階梯環(huán)--11882-塑料鮑爾環(huán)34323211412562塑料階梯環(huán)-17611689-瓷矩鞍700215140160-瓷拉西環(huán)1050576450288-通用關(guān)聯(lián)圖得：P/Z=107.91Pa/m填料層壓降為△P=107.91×1=107.9Pa查此圖時，一定要看好，最好用兩個直角板找到橫坐標和縱坐標的交點，在估計出合理的等壓線數(shù)值。3.1液體分布裝置3.1.1液體分布器的選型液體在塔頂?shù)某跏季鶆驀娏?，是保證填料塔達到預(yù)期分離效果的重要條件。液體分布裝置的安裝位置，須高于填料層表面200mm,以提供足夠的自由空間，讓上升氣流不受約束地穿過分布器。根據(jù)該物系性質(zhì)，可選用目前應(yīng)用較為廣泛的多孔型布液裝置中的排管式噴淋器。多孔型布液裝置能提供足夠均勻的液體分布和空出足夠大的氣體通道（自由截面一般在70%以上），也便于制成分段可拆結(jié)構(gòu)。液體引入排管噴淋器的方式采用液體由水平主管一側(cè)引入，通過支管上的小孔向填料層噴淋。由于液體的最大負荷低于，按照設(shè)計參考數(shù)據(jù)可提供良好的液體分布：主管直徑50mm,支管排數(shù)5,排管外緣直徑760mm，最大體積流量12.5排管式噴淋器采用塑料制造。3.1.2分布點密度計算為了使液體初始分布均勻，原則上應(yīng)增加單位面積上的噴淋點數(shù)。但是，由于結(jié)構(gòu)的限制，不可能將噴淋點設(shè)計得很多。根據(jù)Eckert建議，當時，每塔截面設(shè)一個噴淋點。則總布液孔數(shù)為：點圖3—1槽式液體在分布器二級槽的布液點示意圖3.1.3布液計算由＜3-2＞式中液體流量，；開孔數(shù)目132（分布點數(shù)目）；孔流系數(shù)，通常?。豢讖?，1.6；開孔上方的液位高度，1--3。取，＜3-3＞設(shè)計取3.2液體再分布裝置實踐表明，當噴淋液體沿填料層向下流動時，不能保持噴淋裝置所提供的原始均勻分布狀態(tài)，液體有向塔壁流動的趨勢。因而導(dǎo)致壁流增加、填料主體的流量減小，影響了流體沿塔橫截面分布的均勻性，降低傳質(zhì)效率。所以，設(shè)置再分布裝置是十分重要的?？蛇x用多孔盤式再分布器。分布盤上的孔數(shù)按噴淋點數(shù)確定，孔徑為3.6mm。為了防止上一填料層來的液體直接流入升氣管，應(yīng)在升氣管上設(shè)帽蓋。它的設(shè)計數(shù)據(jù)如下：分布盤外徑785mm，升氣管數(shù)量6.3.3填料支撐裝置填料支撐裝置對于保證填料塔的操作性能具有重大作用。采用結(jié)構(gòu)簡單、自由截面較大、金屬耗用量較小的柵板作為支撐板。為了改善邊界狀況，可采用大間距的柵條，然后整砌一、二層按正方形排列的瓷質(zhì)十字環(huán)，作為過渡支撐，以取得較大的孔隙率。由于采用的是的填料，所以可用的十字環(huán)。塔徑，設(shè)計柵板由兩塊組成。且需要將其擱置在焊接于塔壁的支持圈或支持塊上。分塊式柵板，每塊寬度為400mm，每塊重量不超過700N，以便從人孔進行裝卸。3.4氣體的入塔分布設(shè)計位于塔底的進氣管時，主要考慮兩個要求：壓力降要小和氣體分布要均勻。由于填料層壓力降較大，減弱了壓力波動的影響，從而建立了較好的氣體分布；同時，本裝置由于直徑較小，可采用簡單的進氣分布裝置。由于對排放的凈化氣體中的液相夾帶要求不嚴，可不設(shè)除液沫裝置。3.5吸收塔接管尺寸計算一般管道為圓形，d為內(nèi)徑，水流速為0.5～3m/s常壓下氣體流速10～30m/s則氣體進口直徑＜3-4＞氣體出口直徑d2=d1=141噴液進口直徑＜3-5＞噴液出口直徑d4=d3=550排液口直徑d5=d3/2=2753.6附屬設(shè)備（1）本設(shè)計任務(wù)液相負荷不大，可選用排管式液體分面器，且填料層不高，可不設(shè)液體再分布器。（2）塔徑及液體負荷不大，可采用較簡單的柵板型支承板及壓板。第4章附表?？颂赝ㄓ藐P(guān)圖圖4—1?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖填料名稱規(guī)格（直徑×高×厚）/mm材質(zhì)及堆積方式比表面積/m2.m3空隙率/m3/m3濕填料因子/m-1階梯環(huán)25×12.5×1.4塑料亂堆2230.90172階梯環(huán)38.5×19×1塑料亂堆132.50.91115階梯填料的特性參數(shù)主要符號說明А填料層的有效傳質(zhì)比表面積aW填料層的潤滑比表面積A吸收因數(shù)，無因次D填料直徑dt填料當量直徑D擴散系數(shù)。塔徑E亨利系數(shù)G重力加速度H溶解度系數(shù)HG氣相傳質(zhì)單元高度HL液相傳質(zhì)單元高度ut液泛速度KG氣膜吸收系數(shù)S解吸因子U空塔速度φ填料因子第5章設(shè)計結(jié)果概要或設(shè)計一覽表項目符號單位計算數(shù)據(jù)項目符號單位計算數(shù)據(jù)操作壓力PMPa1.8塔徑Dm1..6 1600操作溫度TK303脫因系數(shù)S0.83 0.77混合氣體的平均密度ρvmkg/m311.9937氣相總傳質(zhì)單元數(shù)NOG1.73 1.732.97混合氣體粘度μVkg/0.06696填料層高度Zm0.11 3000CO2在空氣中的擴散系數(shù)DVm2/h0.048填料層壓降△PkPa0.576 323.73CO2在水中的亨利系數(shù)EkPa1.88×105總布液孔數(shù)Nd132 240相平衡常數(shù)m104.44布液計算dmm6 617進塔氣相摩爾比Y10.4053氣體進口直徑dmm0.141 134出塔氣相摩爾比Y20.0932氣體出口直徑dmm0.141 134進塔惰性氣相流量Vkmol/h48.09噴液進口直徑d3mm0.19 274液相摩爾流量Lkmol/h6084噴液出口直徑d4mm274 274進塔液組成X20.0002排液口直徑d5mm137 137出塔液