四川大学化工原理课程设计

——水吸收半水煤气体混合物中的二氧化碳的填料吸收的设计

设计者：        

指导教师：  

学院：     化学工程学院

专业：     过程装备与控制工程

学号：      

             

目录

一、          题目及数据

二、          流程图

三、          设计方案的确定

1.装置流程的确定    2.填料的选择

四、基础物性数据

1.液相物性数据  2.气相物性数据 3.气液相平衡数据

五、物料衡算

1.进出塔气相摩尔比、最小液气比  2.热效应计算

六、填料塔工艺尺寸计算

1.塔径的计算  2.填料高度计算

七、附属设备的选择

八。、参考文献

(一)题目及数据：

题目：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

数据：

气体混合物

1.组成（V%）：CO2 11%, H2 65%, N2 21%, CH4 0.5%,

              CO 2.2%, O2 0.3%

2.气体量：3600

3.温度：303K

4.压力：1700

      (二)气体出口要求(V%):CO2 0.66 %

      (三)吸收剂：水

（二）、流程

（三）设计方案的确定

1.装置流程的确定：

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。因为用水作为吸收剂，同时CO2不作为产品，故采用纯溶剂。

2.填料的选择：

对于水吸收CO2的过程，操作温度较低，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，塑料阶梯环填料的综合性能较好，故此选用聚丙烯塑料阶梯环填料。

（四）、基础物性数据

1.     液相物性数据

对低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似取纯水的物性数据。由手册查得，303K时水的有关物性数据如下：

密度为   =995.7

粘度为   =8Pa.s=2.88

表面张力为 =72.6dyn/cm=940896

CO2在水中的扩散系数为 

2.气相物性数据

混合气体的平均摩尔质量为

    ==

11%*44+65%*2+21%*28+0.5%*16+2.2%*28+0.30%*32=12.812

 假临界压力为

=

7380*11%+1300*65%+3390*21%+4600 *0.5%+3500*2.2%+5040*0.3%=2606.9kPa

 假临界温度为

   =

304.20*11%+33.20*65%+126.20*21%+190.6*0.5%+132.90*3.5%+154.60*0.3%=90.1K

 故而对比压力为 ==1700/2606.9=0.652

对比温度为  =3.363

查《化工原理设计导论》图2-1得 Z=0.98

混合气体的粘度的计算为

查四川大学版《化工原理》上册附录10可得在298K时各气体的粘度为：

所以该混合气体的粘度为：（根据《化工原理设计导论》）

得

CO2在空气中的扩散系数计算为：

查《化工原理设计导论》得：

二氧化碳：

混合气体

分子量：

303K，17bar下二氧化碳在混合气体中的扩散系数为：

3.气液相平衡数据

由手册查得，常压下303K时在水中的亨利系数为

E=1.88×

溶解度系数为

由手册查得CO2的临界压力

                 临界温度

故而对比温度

对比压力

根据《化工原理设计导论》图2-1查得  =0.92

逸度f=P=1700×0.92=1564kPa

所以

(五)物料衡算

1.进塔气相摩尔比为

出塔气相摩尔比为

进塔惰性气相流量为

进气处相平衡为

该吸收过程属于低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比可按下式

计算即：

对于纯吸收剂吸收过程，进塔液相组成为

=0

取操作液气比为1.3,1.5,1.8.

〔1〕=1.5时

﹙2﹚=1.3时，=147.86  L=21149.3 

﹙3﹚=1.8时, =204.73  L=29284   

2.热效应的计算

水吸收CO2的

由《化工原理设计导论》图4-5查得CO2的溶解热Q为106kcal/kg=443.66kj/kg

同时水的比热

由公式得：

(1)=1.5时，℃  小于1摄氏度

（2）=1.3时，℃

（3）=1.8时，℃

由此可知三种情况下该吸收过程均可等视为等温过程。

(六)填料塔的工艺尺寸的计算

1.塔径的计算

采用贝恩--霍根关联式计算泛点气速

气相质量流量为

液相质量流量可近似按纯水的流量计算，即

(1)=1.5时 

(2)=1.3时  kg/h

(3)=1.8时 

其中塑料阶梯环的参数如下：

A=0.204   K=1.75  

由得

(1)=1.5时

取

由

圆整塔径，取D=1.6m

泛点率校核：

填料规格校核：

液体喷淋密度校核

取最小润湿率为：

由天大版《化工原理课程设计》附录五查得

经上校核可知，填料塔直径选用D=1600mm合理。

(2)=1.3时    取  D=1.44m

圆整塔径，取D=1.5m  u=0.037m/s  (在允许范围内)

＞8 

经上校核可知，填料塔直径选用D=1500mm合理

(3)=1.8时    取  D=1.73m

圆整塔径，取D=1.8m     u=0.026m/s   (在允许范围内)

 

经上校核可知，填料塔直径选用D=1800mm合理

2.填料高度的计算

(1)=1.5时

脱吸系数为

气相传质单元数为

气相总传质单元高度采用修正的恩田关联公式计算：

由《化工原理课程设计》天津大学版表5-13

气膜吸收系数由下式计算：

气体质量通量为

液膜吸收系数由下式计算：

则 

   

则 

由 

由 

设计取填料高度为

查《化工原理课程设计》天大版表5-16，对于阶梯环填料，，

取  ，则

，故不需分段。

(2)=1.3,,,S=0.813,,       

   ＞50% 

     

   设计取填料高度 

(3)=1.8时，     S=0.587  

    

  

  ＞50% 

   Z=1.46m

  设计取填料高度为2m

通过比较，液气比在1.5时，流量、速度、塔径、高度以及溶质摩尔分数较合适，选这种方案

3、填料层压强计算

其中          

(七)附属设备的选择

a．填料支撑板：直径为1600mm，大于1400mm，分为四块，用栅板制成，选用梁式气体喷射支撑板。

b．液体喷淋装置：管式喷淋器、莲蓬式喷淋器、冲击式淋洒器

c．气体入口装置：通常将气体进口管端切成向下的斜面或作成向下的切口并一直伸到塔的内部

d．封头：选用标准椭圆封头（a=2b）

e．泵的选择： 选管径d=80mm 管壁厚度=3.5mm     

   查表选4B54A型泵

（八）、参考文献

《《化工原理设计导论》成都科技大学出版社

《《合成氨工学》》第2卷 姜圣阶 石油化学工业出版社

《《合成氨工艺》》赵育祥 化工出版社

《《化学工程》》第二册 化学工业出版社

《《化工原理课程设计》》天津大学、大连理工大学

《《化工原理》》上、下册，四川大学

《《物理化学》》上册，四川大学

《《化工工艺设计手册》》化学工业出版社