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1、化工原理课程设计课 题:设计水吸收半水煤气体混合物中的二氧化碳的填料吸收塔设计者：王涛学 号： 1043082002指导老师：曹丽淑目录第一章 设计任务？?1.1 设计题目？?1.2 设计任务及操作条件？?1.3 设计容？?？ 第二章 设计方案？?2.1 设计流程的选择及流程图？? 第三章 填料塔的工艺设计？?3.1 气液平衡关系？?4?3.2 吸收剂用量?3.3 计算热效应?3.4 定塔径?3.5 喷淋密度的校核?3.6 体积传质系数的计算?3.7 填料层高度的计算?3.8 附属设备的选择? 第四章 设计结果概要? 第五章 设计评价 ?第一早设计任务1.1、设计题目设计水吸收半水煤气体混合物
2、中的二氧化碳的填料吸收塔1.2、设计任务及操作条件（一）气体混合物1.组成（如表1所示）：组分CO14N 2CH 4COO 2进塔气体（V%10.965.3210.52.20.12. 气体量：4700NrV h3. 温度：30 C, , 24. 压力：1800KN/ m（二）气体出 口要求（V%: COK 0.63%（三）吸收剂：水1.3、设计容设计说明书一份，其容包括：1. 目录2. 题目及数据3. 流程图4. 流程和方案的选择说明与论证5. 吸收塔的主要尺寸的计算，注明计算依据的公式、数据的来源6. 附属设备的选型或计算7. 设计评价8. 设计结果9. 参考文献第二章设计方案2.1、吸收流
3、程的选择及流程图本设计混合原料气溶质浓度不高，同时过程分离要求不高，选用一种吸收剂 （水）一步流程即可完成吸收任务。由于逆流操作传质推动力大，这样可减少 设备尺寸，并且能提高吸收率和吸收剂使用效率，故选择逆流吸收。由于本任 务吸收后的CO要用以合成尿素，则需对吸收后的溶液解吸以得到 CQ同时溶剂 也可循环使用。1-吸收塔；2-富液泵；3-贫液泵；4-解吸塔第三章填料塔的工艺设计3.1、气液平衡关系由于此操作在高压下进行，高压环境对理想气体定律有偏差，故需对压力 进行校核：由化工原理设计导论查得CO的临界温度Tc=304K临界压力Pc=7.38MPaT303.15则其对比温度Tr= 耐=歸=0.
4、9716P18对比压力Pr= （PC爲=気=.2200查化工原理设计导论图2-4得在此温度压力下：逸度系数丫 = 0.92则逸度 f=p 丫 =1800X 0.92=1656KPa查化工原理下册得 CO2气体在30r时溶于水的亨利系数 E=188000KPa相平衡常数m= E = 課 =113.5266f 1656则可得在此条件下气液平衡关系为：Y=mX113.5266X1+( 1- m)X = 1- 112.5266X3.2、吸收剂用量进塔CO摩尔分数：y讦10.9%=0.109y0 109进塔CO摩尔比：丫1=匕= E =0.1223出塔CO摩尔分数：y 2=0.63%=0.00630.0
5、063出塔 CQ摩尔比：丫2=丘=0063 =0.0063 混合气体体积流量：q v=4700N?/h混合气体中惰性气体流量、，47003才(1-0.109 ) =.9509Kmol / h出塔液相浓度最大值：Xmax-Y10.1223113.5266-( 1- 113.5266)=0.0010则最小液气比：LY1- Y20.1223- 0.0063(V)min=XPX2 =0.0010=116.00001m- (1- m)Y1对于纯水吸收过程：茨=0由 V = (1.12)取 L11=1.3Lmin=1.3 X 116.0000 X .9509=28192.1957Kmol / hL21=1
6、.5Lmin=1.5 X 116.0000 X .9509=32529.4566Kmol / hL31=1.8Lmin=1.8 X 116.0000 X .9509=39035.3479Kmol / h 则由物料衡算公式V(Y1-Y2)=L(X 1-X2):V(Y1- Y2)11=.9509 XQ.1223- 0.0063)28192.1957=0.0007721_=0.00067=0.00056V(Y1- Y2) = .9509 x (0.1223- 0.0063 )L32529.4566V(Y1- Y2).9509 X (0.1223- 0.0063 )31=L39035.3479以下计算
7、以第一组数据(L11,Xn)为例3.3、计算热效应水吸收 CO2的量：G=V(Y1-Y2)=.9509 X( 0.1223-0.0063 ) =21.6863Kmol / h查化工原理设计导论图4-5得CO2的溶解热q=97Kcal / Kg查化工原理上册附录 5,得水的Cp=4.174KJ/( Kg - K)贝U由 LX 18X CpXA t=GAX 44X qX 4.18/口21.6863X44X97X4.18,。得：At 1=28192.1957X18 X4.174 = 0.1827 C 同理可求得At 2=0.1583 C,At3=0.1319 Co由于At, At2 , At3均小于
8、1C。所以温度变化不大,故此过程可视为等温吸收过程。3.4、确定塔径a.确定混合气体的密度混合气体平均摩尔质量：查化工原理上册附录4得各组分的临界压力Pc与临界温度Tc：（如表二所 示）COH2CHCO0 2Po(MPa)7.381.30：3.394.623.505.04Tc (K)30433.3126191133155各组分临界压力与临界温度（表二）混合气体的平均摩尔质量：M=0.109 X 44+0.653 X 2+0.21 X 28+0.005 X 16+0.022 X 28+0.1 X 32=12.7100Kg/Kmol混合气体假临界压Flm=0.109 X 7.38+0.653 X
9、1.30+0.21 X 3.39+0.005 X 4.62+0.022 X 3.50+0.001 X 5.04=2.4470MFa混合气体假临界温度：Tcm=0.109 X 304+0.653 X 33.3+0.21 X 126+0.005 X 191+0.022 X 133+0.001 X 155=85.3769KT 303.15则对比温度 Tr= = 85 3769 =3.5507F1.8对比压力Pr=pcm=存=.7356由化工原理设计导论图2-1得压缩系数Z=1PM1800X12.71003混合气体密度 p v=ZRT = =9.0772Kg/mb.确定填料：选择塑料鲍尔环填料，规格：
10、外径X高X厚(mm)=38x 38 X 1干填料因子3=220 m1比表面积a=155n2/m3关联系数A=0.0942C.计算泛点空塔气速Uf：由化工原理上册附录查得吸收剂水在30 C的液体粘度：卩 L=0.8007mPa- s混合气体质量流速： G=M V=12.7100X4700/22.4=2666.8304 Kg/h吸收剂质量流速：Gn= M L=18X 28192.1957=507459.5226Kg/h。同理可求得 G2i=585530.2188 Kg/h , GL3i=702636.2622Kg/h由 Bain-Hougen 关联式：|g 鳥 PL 飞严=2.75(善)- (PV
11、)代入数据:lg 謠2209.0817995.7027521962.40.8007. =0.0942-1.750.2590772(995.7 )0.125求得：uf1 =0.0785m/s，同理可求得u f2 =0.0675m/s, Uf3 =0.0552m/sd.取 U=0.8 Uf ,贝血 1 =0.8 Uf =0.8 X 0.0785=0.0628m/s,同理可得，U2=0.0540m/s, U3=0.0442m/s该操作条件下气体体积流量：4700x(30+273.15)x101 3253VS=273.15x1800x3600=0.08 1 6m/ s4VT /4 X0.0816一丿贝
12、D 1 =y?7=q.14 X0.0628 =1.2866m圆整后(化工原理设计导论p123) ：D=1.3m,同理可得，D2=1.4m, D3=1.6m3.5、喷淋密度的校核对于直径小于76mm勺环形填料，其最低润湿率L W=0.08n?(m -h)则最小喷淋密度U min=Lw a=0.08 X 155=12.4帚？(用-h)G 114X507459.522632十亍一/ 口Ul =冷=995 7X3 14 X1 32 =384.1639 m ?(m 巾) 5in，同理可得， P LX U2=382.2039m?(m h) Umin， U3=351.1498m?(m h) Umin 故符合
13、要求。3.6、体积传质系数的计算由于传质阻力主要集中在液相，即此过程为液膜控制过程，则有KL - kL故此处计算液相传质系数k L即可.采用恩田式计算：液相扩散系数(化工原理设计导论式2- 36)：填料材质的临界表面力：c 3332103600填料总比表面积:液相流率：4GL114 X507459.52262WL1 = n=卄悟 =382511.9833 Kg/( & h)，同理可得,DL =1.173X10 13(?M )0.5TTLF61.173 X10 13 x(2.6X18).5 X303.150.8007 X0.03406x10-9m/sVL2=380560.3918Kg/( n?
14、-h)，由化工原理附录知：水在30C时,W3=349639.8598 K0(吊)水的表面力 b l=72.6 X 10 3N/ m= 940896kg/h2水的黏度:5l=80.07 10 Pa s=2.8825Kg/(m ?h)重力加速度：g9.81 36002 127137600 %2水的密度：p L =995.7 k%3填料湿润表面积（参考书目式6-40）:aw1 = ? 1 - ? x? -a ?075 ? ?10-1? ?1 ?- 0.05? ?1 20 21.45( .L)0(?1?) ( ?12?) ( ? )02 =155 X 1 -0 1427680 0 7538251198
15、33 01 X. 1 -45( 94089X( 155x2.8825)X382511.9833x155995.72x 127137601-0.05382511.98332X(9957X940896X10.255)=127.2645mf?mf同理可得，a w2=127.1668m2?m3,aw3=125.5274m2?m?由此可得液相传质系数(参考书目式6-46)W 2312 g ；3? ?1 = kL 0.0095 LL凹W04aw LLDLL2382511.9833=0.0095 X()1272645X28825，12.8825-亠X (-6)995.7 X 8.3182 X10-6712.
16、8825 X 127137600 3 X(995.7)04X 1.36 .=4.2437? /h同理可得，？ ?2 =4.2315m/h,? ?3 =4.0338m/h即：K|_1 kn , K_2 kL2, Kl3 kL3,又C沪甘= 厂=55.3167Kmol/m总传质系数：K x1 =Kl1 Cm = 3.7526 X9957=234.7475kmol?(n2 h),同理可得,K2=234.0726kmol?(m -h),K3=223.1365 kmol?(m )3.7、填料层高度的计算1 1 2 1 2 塔的截面积 一D2得： Q 1 = - nD =； n X 1.3 = 1.326
17、7m ,同理，有444Q 2=1.5386 m2,Q 3=2.0096 mL28192.1957十_ 小传质单兀高度：H OL1 = KxawQ = 234.7475X127.2645X1.3267 = 0.71 13m，同理可得，HOL2=0.7103m,HoL3=0.6935m传质单元数N OL的计算：（对数平均推动力法）由气液平衡方程丫=113.5266x1- 112.5266x,并带入丫2：113.5266X?0.0063=仁2 5266X? ? X2=0.0000551AXi = X? - Xi =0.0010-0.00077=0.00023AX2 = X?- X2 =0.00005
18、51-0=0.0000551AX 1- Ax2000023- 00000551AXmi=-ax-=GW023=0.0001224，同理可得，AXm2=0.0001536,In(梟)In(55T)AX m3=0.0001853r0.00077- 0贝UNL1=却=聞 = 6.2908，同理可得，Nol2=4.3620 , Nol3=3.0221故：填料层高度 Z1 = HbL1 Nol1 = 0.7113 X 6.2908 = 4.4746m,同理可得，Z2=3.0982m,Z3=2.0958m以同样方法计算另外两组数据，求得后列总结为下表：L(Kmol / h)X1Uf (m/s)u(m/s)
19、D(m)Z(m)28192.19570.000770.07850.06281.34.474632529.45660.000670.06750.05401.43.098239035.34790.000560.05520.04421.62.0958部分主要数据（表三）经综合考虑以上三种液气比所需的设备费和操作费，最终选择第一组。3.8计算填料层阻力：由此可以确定填料层高度 h=1.2 X乙=1.2 X 4.4746m=5.4m2666.83042气体质量流速：G v = 2666.8304kg/h= 1 326650 =2010.1989kg?(ni )507459.52269吸收剂的质量流量：L
20、=507459.5226 kg/h= 1326650 =382511.9833kg?(m2 h)p L=995.7kg/ m10 6液体密度:气体密度:p v=9.0772 kg/ mt 1.210.96710 2由公式P10 L 得：PL10 L=1.21X10-6 X 5.4 X2010.19892(9.0772 ) X20.967X10X382511.983310995.7=15085.8604pa3.9、附属设备的选择a.液体喷淋装置：a.1设计思路：在填料塔液体的分布对对操作起着非常重要的作用，即使选择了合适的填 料，如果液体分布不良，必然减小填料的有效润湿表面，减小气液两相的有 效
21、接触面积，直接影响塔的分离效率。为了减少由于液体不良分布引起的放 大反应，充分发挥填料的效率，必须在填料塔中安装液体分布装置，把液体 均匀地分布于填料层顶部液体初始分布的质量不仅影响填料的传质效率，而 且还会对填料的操作弹性产生影响。所以塔顶喷淋装置的设计既要要求结构 简单，又要将液体均匀地喷洒在填料上，操作时本上不宜赌赛不产生过细的 雾滴。且由于操作塔径为1.3m，故采用盘式液体分布器。a.2设计计算：液体进出口管径:液体进出管接口： dL18 X28192.1957995.7=509.6510用/11由于是泵输送，所以取u l= 2.5m?s则:4L4X509.6510d L = Uu L
22、 = 3.14X2.5X3600 = 0.2686m按照热轧无缝钢管标准(GB8163-87),液体进出管接口尺寸?299mm X15mm 无缝钢管 ？299mnX 15mm的径：d= 299- 15 X2 = 269mm 校验液体进出管接口速度：4L4 X509.6510亠液体在官中的头际流速：u L=肓2 = 2 = 4923 R?S,故选用?299mm X 15mn钢管分布板直径：分布板直径 D=0.8 X 分布板开孔数： 且液体流量：L=0.1416n?/s流量系数 0.6盘上小孔直径d00.008m板上液体高度H 6D 1_3m则孔数:n=0.785 V2gRd0.14160.785
23、X0.6X0.0082x “2x1.3x9.81x=2279其结构图如图2和图3所示:01300盘式液体分布器筛孔式（图2）JQ oddHMQddqoaccDo 30o o CCCC喷头俯视图（图3）b.填料支撑板：填料支撑装置的作用是支撑塔的填料和塔上的持液量，同时又能保证气液两相 顺利通过。支撑板应有足够的机械强度和耐腐蚀能力。栅板式支撑装置是有竖立 的扁钢条焊接而成。扁钢条的间距应为填料外径的0.60.7倍。为防止填料从栅 板条间空隙漏下，在装填料时，先在栅板上铺上一层孔眼小于填料直径的粗金属 丝网。其结构如图4所示：栅板式支撑装置（图 4）C.气体入口装置：填料塔的气体进口既要防止液体
24、倒灌，更要有利于气体的均匀分布。本设 计采用进气管伸到塔中心位置，管端切成 45度向下斜口或切成向下切口，使气 流折转向上。其结构图如图5所示：气体进出管接口直径:气体入口装置(图 5)dv=293.6286m/s厂303.15 X101.325且V S = 4700 X 273.15X1800因为操作压力为P=1800KN/A,属高压操作，贝U uv取20m/s,/ 曰4X293.6286得：dv =込.14 X3600X20 = 0.0721m液体进出管接口:dL且，L18 X28192.1957995.73=509.6510m/h4L/ 4X509.6510取 UL=2.5m/s得: d
25、 l = 匕 14X25X3600 = 0.2686mnu l由化工原理上册附录知：按照热轧无缝钢管标准(GB8163-87)气体进出管接口尺寸选 83mnX5mm液体进出管接口尺寸 299mrX 15mm校验气体进出管接口速度：气体进出管接口尺寸选 ？83mm X5mm选择验算：？83mm X5m无缝钢管的径：d=83-5 X 2 = 73mm气体在管中的实际流速：u4Vsv = 72 =nd v4X293.628623.14x0.0732x3600=19.4976m?s校验液体进出管接口速度:液体在管中的实际流速：u4L4X509.6510nd 2 = 3600x3.14x0.2692 =
26、 2.49 23 m?sd.圭寸头:封头为压力容器的主要受压元件，此处采用椭圆形封头，其由半个椭球和 具有一定高度的圆筒形壳体组成，此圆筒形壳体高度一般称为直边高度设置直边 高度的目的是为了避免在封头和圆筒形壳体相交的这一结构不连续处出现焊缝， 从而避免焊缝边缘应力问题。在制造难以程度上，由于椭圆形封头的深度较浅，冲压成形较易，是目前国广泛应用的中低压容器的封头形式。如图6封头结构图（图6）由化工原理课程设计导论JB1154-73查表知:当塔径 D=1.3m时，h=40mmmmH=325mm泵的选择:由 299mM 15mm,ul =2.4923ms卩L = 0.8007 X 10-3Pa ?
27、s算得雷诺数:Re =dLuL P LU L0.269 X2.4923X995.70.8007X10-=833703查化工原理（上册）P65表2.3得新的无缝钢管的绝对粗糙度0.2 mm 0.2dL= 269 =0.00074查化工原理(上册)P64图2.13得 0.017且取塔高Z=4.5+1.5+0.325 X 2=6.65m 取I 15m 取局部阻力系数LX1828192.1957X1830.17 0.75 2 1.67qv = 3600p L = 995.7X3600 = 0.14 1 6m/s? HL = ?- + ? + Kcv2，其中 K12g16162d；2d1216d2d2由
28、于管壁相当于管径很小，所以d2d1 = 0.269m因此得Hl2d2Cv(1800- 101.325) X1000995.7X9.81+ 6.65 +158X(0017x0269+1.67)9.81 X3.142x0.2692X0.14162=180.6153mH额=Hl X1.1 = 1806153 X 1.1 = 198.6768m所以选择ZA200-400A型离心泵：扬程203mHO,流量850m?h第四章设计结果概要4.1主要符号说明（如表 4）:T温度，CP压强，KPa ;E 亨利系数，KPa;m相平衡常数，无因次；L吸收液量 kmol/hV气体量u空塔速度，m/s ;UF液泛速度，
29、m/s ;a t 填料层的有效传质比表面积 （m2/m3）aw填料层的润滑比表面积m2/m3;kL 液膜吸收系数m/h;Hl液相传质单兀咼度，m;填料因子，m-1 ;修正系数，无因次g重力加速度，kg/（m2.h）;Nl液相传质单兀数，无因次；d填料直径，mG 惰性气体流量，kmol/h密度kg/ m3符号说明（表4）4.2主要数据汇总（如表 5）:设计名 称水吸收水煤气混合物中的二氧化碳的填吸收呀操作条 件操作温度30 r操作压力1800 KN/m2物料衡算数据YY2XX进塔气相流量进塔液相流量0.12230.00630.000770209.8214kmol/h28192.1957kmol/
30、h工艺数据塔径填料层高度填料HdlNOl1.3m4.5m塑料鲍尔环环Dg38 H0.71136.2908填料塔附属设备液体喷淋装 置填料支 承板气体入口装置封头泵盘式液体分 布器栅板式 支撑装 置管式分布结构椭圆形ZA200-400A 型离心泵主要数据汇总（表五）参考文献： 洪沅化工原理设计导论科技大学.1991.4 朱家骅，叶世超，夏素兰等.化工原理.科学.2005.6 匡国柱，史启才.化工单元过程及设备课程设计.化学工业.2002.1 王国胜.化工原理课程设计.理工大学.2005.2 英南，玉兰.常用化工单元设备的设计.华东理工大学.2005.4 压力容器使用技术丛书编写委员会.压力容器设
31、计知识.化学工业.2005.10 化学工程手册编写委会组织.化学工程手册第6篇.化学工业.1989第五章：设计评价通过参与此次课程设计，首先，自我体会到了如何将课本的知识运用到生产 生活实际中；其次，由于刚开始时对课程设计的了解不深， 致使自身没能很好的 通过查阅资料了解到相关的一些信息，从而使得这次课程设计用时过长，并且没 能及时地与老师进行沟通，使得在前期的数据处理上与真实值出现较大的出入， 而在另一方面也表现出自身对填料塔的吸收过程相关知识要点没能很好的掌握。本设计中的数据来源，物性参数，合适取值围的确定都是查阅相关质料来确 定的，其准确性相对较高。填料及与塔相关的附属设备都是选用的常用
32、装置， 塔 高与塔径都在合理取值围之，其综合经济效益也较理想。本次化工原理课程设计历时两周，是学习化工原理以来第一次独立的工业设 计。在设计过程中不仅要考虑理论上的可行性， 还要考虑生产上的安全性和经济 合理性。这学期的化工原理学习中，我对于吸收塔的认识是很有限的，我们所遇 到的吸收塔的计算也仅限于书上的例题和为了考试做的一些资料，它们都是简化的或者局部的计算，而这次的课程设计让我接触到完完整整的吸收计算和一些辅 助设备的计算。让我感觉到，光是平时学习的容对于在工程方面的应用是远远不 够的，这需要我们平时自觉的培养自己的自学能力， 设计中我学会了离开老师进 行自主学习，参看多本指导书，完善自己
33、的设计。通过本次课程设计的训练，让我对自己的专业有了更加感性和理性的认 识，这对我们的继续学习是一个很好的指导方向， 我们了解了工程设计的基本容， 掌握了化工设计的主要程序和方法，增强了分析和解决工程实际问题的能力。 同 时，通过课程设计，还使我们树立确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高 度负责的工作作风，加强工程设计能力的训练和培养严谨求实的科学作风更尤为 重要。最后，此次的课程设计过程中，由于刚开始对课程设计了解不深，在设计 中也遇到很多问题，这里要感谢曹老师对我们的教导与帮助，感谢同学们的相互 帮助，通过本次设计，我对吸收塔有了更深一层次的认识， 体会到了如何把课本 所学运用到设计中，并且初步了解到了工业设计过程，是一次很不错的锻炼过程。 让我在课程设计时认识到团队的力量，同时也得到了很多快乐。