水吸收二氧化碳填料塔设计

1、 设计方案简介

 1.1设计题目

试设计一座填料吸收塔，采用清水吸收混于空气中的二氧化碳气体。混合气体的处理量为____1600____m3/h，其中含二氧化碳为___9%_____（体积分数），混合气体的进料温度为25℃。要求：二氧化碳的回收率达到___98%_____。

 1.2 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。

  1.3 填料的选择

   因为用水作吸收剂，同时CO2不作为产品，故采用纯溶剂。

     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。

     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。

 20℃，常压

2、工艺计算

 2.1 基础物性数据

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，298K                                     时水的有关物性数据如下：

密度ρL=998.2kg/m   粘度μL=0.836×10-3Pa·s=3.6kg/(m·h)

表面张力бL=72.6dyn/cm=9406kg/h3

CO2在水中的扩散系数为DL =1.77×10-9m2/s=6.372×10-6m2/h

   混合气体的平均摩尔质量为

               Mvm=∑yiMi=0.09×44＋0.91×29=30.35

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=0.044 m2/h

   由手册查得20℃时CO2在水中的亨利系数E=1.44×10-5 kPa

   相平衡常数为m=

   溶解度系数为H=

出塔气相摩尔比为Y2=0.09×(1-0.98)=1.978×10-3

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=1.4L/V=1.4×59.55=1950.30

          L=1950.30×59.55=116140.37kmol/h

         ∵V (Y1-Y2) = L (X1-X2)

         ∴X1= 5.0×10-5

2.2填料塔的工艺尺寸计算

   采用Eckert通用关联图计算泛点气速

   气相质量流量为 WV=1600×1.241=1985.6kg/h

   液相质量流量可近似按纯水的流量计算

   即WL=116140.37×18.02=2092849.47kg/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=0.204  K=1.75

计算得uF =0.054m/s

取u=0.8uF=0.8×0.054=0.0432m/s

    由3.62m

    圆整塔径，取D=3.8m

    泛点率校核 u=

               ﹪=72.6％(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=3800mm合理

   Y=mX1=1421.5×5.0×10-5=0.0711

   Y=mX2=0

   脱因系数为 S==0.729

   气相总传质单元数

  NOG=

      ==9.811

    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 

=0.753

吸收系数由下式计算

质量通量为=175.177

              =6.1410-3kmol/(m3·h·kPa)

吸收系数由下式计算

   =2.179m/h

查常见填料的形状系数表得     

     =0.795kmol/(m3·h·kPa)

     =217.403 kmol/(m3·h·kPa)

    u/uF=72.6％>50﹪

 由 

 得=1.737kmol/(m3·h·kPa)

 得=238.846kmol/(m3·h·kPa)

    = 0.087kmol/(m3·h·kPa)

HOG= 

  = 0.596m

Z=HOG NOG=9.811×0.596=5.848m

得Z′=1.25×5.848=7.31m

取填料层高度为Z′=7.4m

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=8×3800=30400mm>7400mm

故需2分段,每段3.7m高。

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=0.0432 m/s时,

所以,压降

（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

布液点数为n=0.785×3.82×140=1586.9≈1587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.

图二 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,

  =

  =0.073 m

 设计取

液体分布器的安装一般高于填料层表面150~300 mm (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200 mm 左右。

3、辅助设备的计算及选型

   3.1 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。

   3.2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，本设计选用创层板。

3.3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3800mm，因此可选用升气管式再分布器，分布外径3880mm，升气管数80。

3.4气体和液体的进出口装置

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0.8~1.5 m/s（必要时可加大）。

选气体流速为15 m/s 由VS=1600/3600=0.444 m3/s 代入上公式得d=195mm圆整之后，气体进出口管径为d=205mm

选液体流速为2.0 m/s，由VS=116140.37×18.02／（3600×998.2）=0.582m3/s ,若分4个不同的管道进入,代入上公式得 d=304 mm,圆整之后液体进出口管径为d=315 mm

（2）底液出口管径：选择 d= 260 mm

（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3米，所以塔的附属空间高度可以取6.7米。

4、 设计一览表

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。

6、 参考文献

[1] 陈敏恒，丛德兹. 化工原理(上、下册)(第二版). 北京：化学工业出版社，2000

[2] 大连理工大学化工原理教研室. 化工原理课程设计. 大连：大连理工大学出版社，1994

[3] 柴诚敬，刘国维，李阿娜. 化工原理课程设计. 天津：天津科学技术出版社，1995

7、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，9.81 m/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。 

8、附图

生产工艺流程图 

主体设备设计条件图