《水吸收二氧化碳常壓填料塔的工藝計算》5800字（論文）

第第頁共16頁水吸收二氧化碳常壓填料塔的工藝計算目錄TOC\o"1-3"\h\u20398摘要 196231引言 2245831.1設(shè)計背景 273751.2化學(xué)溶劑與物理溶劑的比較 2192941.3填料塔的結(jié)構(gòu)及填料特性 3218711.3.1填料塔的結(jié)構(gòu) 3268041.3.2填料塔與板式塔的特性 36162設(shè)計方案簡介 3171372.1設(shè)計任務(wù) 3327332.2設(shè)計方案的確定 459402.2.1吸收劑的選擇 4188922.2.2裝置流程的確定 4244142.2.3填料的選擇 443563填料吸收塔的工藝計算 4104493.1基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù) 5169503.1.1液相物性的數(shù)據(jù) 569183.1.2氣相物性的數(shù)據(jù) 5105733.1.3氣液相平衡數(shù)據(jù) 5238783.2物料衡算 5271643.3填料塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計 6147903.3.1塔徑計算 6222603.3.2填料層高度計算 8201833.3.3填料層壓降計算 10238364液體分布器簡要設(shè)計 11255874.1液體分布器的選型 11164294.2分布點密度計算 1120964.3布液計算 11197745填料塔的附屬裝置 11197785.1填料支承設(shè)備 12113635.2填料壓緊裝置 12193025.3液體再分布器——升氣管式液體再分布器 12274825.4氣體進出口裝置 12158665.5液體進出口裝置 12292665.6設(shè)計結(jié)果一覽表 12178106結(jié)論 1323597參考文獻 13摘要：溫室效應(yīng)導(dǎo)致全球極端氣候災(zāi)害，全球氣候變化現(xiàn)象日益頻繁，而溫室效應(yīng)對其貢獻最大的氣體是二氧化碳，減少人為的碳排放總量無疑是最為可行的解決辦法。本設(shè)計用填料塔作為水吸收二氧化碳的主要裝置，在塔的里面填充一些像階梯環(huán)這樣的填料，通過的液體從塔的頂部均勻的噴灑在階梯環(huán)上面再流下，液體與經(jīng)過填料之間的空位上升的氣體做不間斷的逆流接觸操作。本設(shè)計通過對填料塔的整體設(shè)計，利用清水吸收混合于空氣中的二氧化碳?xì)怏w，使得二氧化碳的回收率達(dá)到95%。關(guān)鍵詞：二氧化碳；吸收；填料塔1引言1.1設(shè)計背景從19世紀(jì)Arrhenius研究提出在人類經(jīng)濟活動中所產(chǎn)生的二氧化碳的排放會導(dǎo)致氣候逐漸變暖這一重要問題，到二十世紀(jì)聯(lián)合國發(fā)布的首份“專門研究氣候改變的組織”這個報告主要呈現(xiàn)的是氣候變暖現(xiàn)象，還主要說了現(xiàn)在的狀況和以后會發(fā)生的現(xiàn)象，針對全世界氣候變暖這個關(guān)鍵問題和人們的日常生活是分不開的，從最開始的研究到后來向世界公布，全世界用了長達(dá)一百多年的時間才讓所有人接受這個結(jié)果REF_Ref20843\r\h[1]。按照《京都條約》，溫室氣體主要類型包括以下幾種氣體：甲烷、二氧化碳、氧化亞氮和氫氟碳化物、全氟化碳以及六氟化硫REF_Ref21278\r\h[2]，這些氣體可以直接造成“溫室效應(yīng)”并加重地面覆蓋植物的破壞程度，所以人們都認(rèn)為全球氣候變暖是這些氣體造成的。由以上那些氣體分子能夠分析出，對比二氧化碳吸收紅輻射的效果，其他幾種類型的氣體會更強，換句話說，使地球變暖更多是因為其他氣體。但是，因為二氧化碳?xì)怏w濃度在大氣下比其他氣體濃度要高得多，所以由上述可總結(jié)出主要是二氧化碳導(dǎo)致的氣候變暖。中國目前正處在高速發(fā)展的新信息時期。資源環(huán)境、人口數(shù)量、技術(shù)發(fā)展水平、經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r以及當(dāng)前國際能源發(fā)展形式都決定了中國的碳排放在所難免的要經(jīng)歷一個漫長的過程。然而，能源開采率、技術(shù)發(fā)展方向和發(fā)展路線的選擇都會深切影響全球二氧化碳排放與全球經(jīng)濟發(fā)展質(zhì)量，并會對將來全球碳排放資源總量產(chǎn)生重大的影響。事實已經(jīng)表明，中國不能完全沿用守舊的工業(yè)化、城市化發(fā)展形式，更沒有辦法接受由此因素帶來的自然資源和生態(tài)環(huán)境的巨大壓力。因此，中國政府莊嚴(yán)承諾要積極發(fā)展低碳經(jīng)濟、走低碳發(fā)展的道路。1.2化學(xué)溶劑與物理溶劑的比較溶劑吸收法分離過程的基礎(chǔ)性質(zhì)是將有害氣體和液體溶劑在一個密閉系統(tǒng)里不停止的反向流動接觸。溶劑經(jīng)過升溫或低壓汽提塔來循環(huán)利用，同時釋放出純度很高的CO2。這些溶劑可能是化學(xué)溶劑，也可能是物理溶劑。表1-1化學(xué)溶劑與物理溶劑吸收的定性比較化學(xué)溶劑物理溶劑高回收率的可能性約99%有高回收率的可能性高純度的可能性約99.99%較低的濃度，約96%普通壓力高容量所需的高壓中等壓力低溫冷卻（-50℃至5℃）可用的溶劑多更嚴(yán)格的溶劑列表溶劑被稀釋（最大可能是50%）可能用純?nèi)軇┐鬅崃啃枨螅ㄕ魵猓┙祲航馕?，更少的能量損失，只能是電能腐蝕（添加抑制劑）可能無腐蝕，無毒溶劑降解除了對二氧化硫敏感，溶劑穩(wěn)定通常需要不銹鋼如果低溫，則需要特種鋼適用于低濃度、低壓、燃燒后，傳統(tǒng)電廠適用于高濃度高壓、采用燃燒處理的新一代發(fā)電廠1.3填料塔的結(jié)構(gòu)及填料特性1.3.1填料塔的結(jié)構(gòu)填料塔主要由圓柱形的塔體和堆放在塔內(nèi)的填料構(gòu)成等。液體從塔頂通過液體分布器均勻噴灑在塔的橫截面上，并沿填料表面向下流動；如果填料層高，則需要將填料分層，并在每層填料之間設(shè)置液體再分布裝置，從上部收集液體并使液體在橫截面上均勻分布，氣體從塔底進入，通過間隙從塔頂排出填料層，離開填料層的氣體可以帶少許液體泡沫，必要時在塔頂安裝消泡裝置REF_Ref21484\r\h[3]。1.3.2填料塔與板式塔的特性填料塔是一種傳質(zhì)設(shè)備，它利用塔內(nèi)填料作為氣液兩相接觸構(gòu)件REF_Ref21630\r\h[4]。填料塔具有生產(chǎn)效率高、分離效果好、壓降小、持液量小、操作方便等優(yōu)點REF_Ref21836\r\h[5]。填料塔的主要缺點是：填料的制造成本相對較高；當(dāng)液相負(fù)荷水平?jīng)]有達(dá)不到一定值時，填料表面會保持干燥，會有效降低傳質(zhì)效率；不能直接用于懸浮或易聚合的材料；不適合側(cè)進、側(cè)出等復(fù)雜精餾REF_Ref22094\r\h[6]。板式塔是氣液相或液液相系統(tǒng)的一種大型分級接觸傳質(zhì)設(shè)備REF_Ref22277\r\h[7]，它由一個圓柱形塔體和若干個以一定距離水平安裝在塔內(nèi)的塔板組成。由于其結(jié)構(gòu)特點，板式塔具有生產(chǎn)能力大、塔板效率穩(wěn)定、操作方便、制造成本低、維護和清洗方便等特點REF_Ref22447\r\h[8]。缺點主要是：裝置構(gòu)造復(fù)雜，塔板阻力大但是生產(chǎn)效率低。在板波紋規(guī)整填料出現(xiàn)以后，兩種塔相對比，在同樣的生產(chǎn)條件下填料塔具有壓降更低、處理能力更大和持液量更小等諸多優(yōu)點REF_Ref22604\r\h[9]。綜上所述：本次設(shè)計采用填料塔。2設(shè)計方案簡介2.1設(shè)計任務(wù)主要設(shè)備：填料吸收塔原料：清水、混合于空氣中的CO2氣體混合器處理量：2000m3/h二氧化碳在原料中的含量比：4%（體積分?jǐn)?shù)）操作溫度：30℃操作壓強：一個大氣壓結(jié)果：二氧化碳的吸收率達(dá)到95%。2.2設(shè)計方案的確定2.2.1吸收劑的選擇氣體溶質(zhì)的溶解直接依賴于吸收劑來達(dá)到吸收的目的，所以，吸收操作效果的優(yōu)劣主要是看吸收劑品質(zhì)的好壞。所以，在采用吸收劑時，我們應(yīng)該側(cè)重于以下五個方面：(1)

溶解度吸附劑對溶質(zhì)組分的實際溶解度較大，有利于提高吸附劑的吸收率，減少吸附劑的用量；(2)

選擇性一般情況下，吸附劑對溶質(zhì)組分應(yīng)具有較好的綜合吸收能力，而對混合氣體中的其他組分則完全不吸收或吸收很少，否則無法直接有效分離；(3)

揮發(fā)度要低在規(guī)定的操作溫度下，吸收劑蒸汽壓應(yīng)較低，以減少吸收和循環(huán)過程中吸收劑的揮發(fā)損失；(4)

粘度

在規(guī)定的操作溫度下，吸附劑的粘度越低，在塔內(nèi)的流動性能越好，傳質(zhì)率和傳熱率都將大大提高；(5)其他選定的吸收劑還應(yīng)滿足其他要求，沒有腐蝕性、不容易燃和爆、不起泡、水的凝固點低、價格適中以及化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定等其他要求REF_Ref22999\r\h[10]。通常來說，大部分吸收劑都難以完全滿足上面的所有條件，所以我們在選擇合適的溶劑時更應(yīng)該去考慮會產(chǎn)生怎樣的結(jié)果，再思考工藝條件和經(jīng)濟是否合理。因此本設(shè)計把清水當(dāng)做吸收劑。2.2.2裝置流程的確定

二氧化碳在水中的被吸收是低濃度吸收，因為水溶性二氧化碳較大，水吸收二氧化碳屬于過程自然吸收，因此在25℃一個大氣壓的條件下運行可取得滿意的效果。為了可以更好確定CO2的實際吸收率，將逆流方式進行操作作為本次采用的方法。氣相從塔底進入，再從塔頂排出，液相從塔頂進入，再從塔底排出，叫做逆流操作。逆流操作具有傳質(zhì)平均驅(qū)動力大，傳質(zhì)通量大，分離效果好，從多方面考慮效果最好等優(yōu)點。且化工操作基本都采用逆流操作。

逆流操作加工流程為：混合氣在25℃一個大氣壓的條件下進入吸收塔底后，經(jīng)由氣體分布裝置由泵提升的吸收劑與塔頂下來的進行逆流接觸，將CO2吸收REF_Ref23374\r\h[11]。2.2.3填料的選擇在水吸收CO2的過程中，操作溫度低，但是操作的壓力高，因為工業(yè)上大多采用塑料散裝填料，而在塑料散裝填料中，塑料階梯填料具有更好的綜合性能，所以將DN50聚丙烯塑料階梯環(huán)填料選用在本次設(shè)計中。3填料吸收塔的工藝計算3.1基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)3.1.1液相物性的數(shù)據(jù)在低濃度的吸收過程中，溶液的物性數(shù)據(jù)與水的物性數(shù)據(jù)相差不大。根據(jù)手冊，水在303K時的有關(guān)物性數(shù)據(jù)如下：密度：粘度：表面張力為CO2在水中的擴散系數(shù)為3.1.2氣相物性的數(shù)據(jù)混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為：混合氣體的平均密度為：空氣粘度與混合氣體粘度較接近，手冊303K空氣粘度為：查得CO2在空氣中的擴散系數(shù)為：3.1.3氣液相平衡數(shù)據(jù)由手冊查得30℃時CO2在水中的亨利系數(shù)相平衡常數(shù)為溶解度系數(shù)為3.2物料衡算進塔氣相摩爾比為出塔氣相摩爾比為進塔惰性氣相流量為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，即對于純?nèi)軇┪者^程，進塔液組成為在填料吸收塔中，填料層的表面必須被液體濕潤，以確保填料表面能夠被液體充分濕潤，適當(dāng)?shù)臍庖罕葢?yīng)考慮設(shè)備運行成本和設(shè)備成本，結(jié)合經(jīng)濟效益，確定合理的氣液比，普遍選用1.1～1.5倍的最小液氣比。增大液氣比會使操作線不平衡，從而增加推動力，便于物料吸收。取操作液氣比為3.3填料塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計3.3.1塔徑計算用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計算泛點氣速氣相質(zhì)量流量為液相質(zhì)量流量近似按純水的流量計算Eckert通用關(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)為：計算出的數(shù)據(jù)太大，用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計算泛點氣速不符合常理，所以用Bain-Haugen關(guān)聯(lián)式計算泛點氣速其中：uF——泛點氣速，m/sg——重力加速度，9.81m2/sat——填料總比表面積，m2/m3ε——填料層空隙率，m3/m3表3-1貝恩-霍根關(guān)聯(lián)式中的A、K值由圓整塔徑，取D=4.7m泛點率校核：（在允許范圍內(nèi)）填料規(guī)格校核：液體噴淋密度校核取最小潤濕速率為：查塑料階梯環(huán)特性數(shù)據(jù)表得：型號為DN50的階梯環(huán)的比表面積at=114.2m2/m3經(jīng)校核可知，塔徑D=4.7m合理。3.3.2填料層高度計算傳質(zhì)單元數(shù)的計算脫因系數(shù)為氣相總傳質(zhì)單元數(shù)采用修正的恩田關(guān)聯(lián)式計算氣相總傳質(zhì)單元高度：查聚丙烯階梯環(huán)臨界表面張力值表得液體質(zhì)量通量為氣體質(zhì)量通量為解得aw=99.13m2/m3氣膜吸收系數(shù)由下式計算液膜吸收系數(shù)由下式計算查常見填料的形狀系數(shù)表得表3-2常見填料的形狀系數(shù)氣膜體積吸收分系數(shù)液膜體積吸收分系數(shù)因修正的恩田公式只適用于的情況，當(dāng),則應(yīng)按下式進行校核： 氣相總傳質(zhì)單元高度設(shè)計取填料層高度為查手冊得，關(guān)于階梯環(huán)填料，h/D=8～15，hmax≤6m取h/D=8，則可得出填料層高為12000mm，所以分為兩段，每段高為6m。3.3.3填料層壓降計算由于＞10因此只可以使用另一種形式算出填料層壓降，按照圖u→Δp曲線通過散裝填料壓降曲線查出壓降通用關(guān)聯(lián)圖得：當(dāng)所以，壓降4液體分布器簡要設(shè)計4.1液體分布器的選型選擇用槽式液體分布器是因為本吸收塔液相負(fù)荷比較大，而氣相負(fù)荷相對比較低。4.2分布點密度計算表4-1Eckert的散裝填料塔分布點密度建議值依照Eckert推薦值，因本塔的液相負(fù)荷較大，當(dāng)D≥1200時，噴淋點密度為42點/m2布液點數(shù)為：點分布點依照原則為幾何均勻與流量均勻，實行布點安排。4.3布液計算由取設(shè)計取5填料塔的附屬裝置5.1填料支承設(shè)備用來支承塔內(nèi)的填料和氣液計量裝置的構(gòu)件叫做填料支承結(jié)構(gòu)。對填料的基本整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求是：可以承受填料的所有重量，而且可以供給充足的自由截面，確保氣相和液相成功通過和讓液泛現(xiàn)象的不發(fā)生；能促進液體的再分布；不易腐化，易制作，易裝卸等REF_Ref23913\r\h[12]。這里我們選用分塊梁式支承板。5.2填料壓緊裝置在填料層上方設(shè)置填料壓緊裝置就可以達(dá)到在氣流上升的過程中的填料床層不會產(chǎn)生松動或者跳動的效果。關(guān)于塑料散裝填料，這個設(shè)計選擇床層限制板REF_Ref24540\r\h[13]。5.3液體再分布器——升氣管式液體再分布器噴灑的液體在距離塔頂還有一定的距離時，便開始慢慢向塔壁偏流，隨即跟著塔壁下流，塔中央的填料還保持著干燥，由此產(chǎn)生一種我們稱作的“干錐體”的異常現(xiàn)象，導(dǎo)致氣液兩相之間的有效接觸面積減少了，所以需要每隔一段間距就安裝一個液體再分布器，這種現(xiàn)象就不會產(chǎn)生REF_Ref24974\r\h[14]。5.4氣體進出口裝置壓力為101.325時取10～20m/s為氣體的進出口管氣速REF_Ref25376\r\h[15]；選15m/s為氣體流速由代入上公式即可得到d=197圓整之后，氣體進出口管徑為d=205mm5.5液體進出口裝置水及一般液體的流速范圍為1～3m/s，選用圓形管道。以d為管道內(nèi)徑，選液體流速為2.0，，取整：d=21mm其中：Vs為流體的體積流量，m3/su為適宜的流體流速，m/s5.6設(shè)計結(jié)果一覽表畢業(yè)設(shè)計名稱水吸收二氧化碳常壓填料塔的設(shè)計操作條件操作溫度30℃操作壓力：常壓物性數(shù)據(jù)液相氣相液體密度995.7kg/m3混合氣體平均摩爾質(zhì)量29.6kg/kmol液體粘度3kg/(m·h)混合氣體的平均密度1.19kg/m3液體表面張力933120kg/h2混合氣體的粘度0.067kg/(m·h)CO2在水中的擴散系數(shù)6.372×10-6m2/hCO2在水中的擴散系數(shù)0.5698m2/h重力加速度9.8m/h氣相平衡數(shù)據(jù)二氧化碳在水中的亨利系數(shù)E相平衡常數(shù)m溶解度系數(shù)H1.88×105kpa1855.90.000294kmol(m3·kpa)物料衡算數(shù)據(jù)Y1Y2X1X2惰性氣體流量V液相流量L最小液氣比操作液氣比0.0420.00210.000015077.228kmol/h205000kmol/h1765.492648.235工藝數(shù)據(jù)氣相質(zhì)量流量液相質(zhì)量流量塔徑氣相總傳質(zhì)單元數(shù)氣相總傳質(zhì)單元高度填料層高度填料層壓降238036941004.7m5.141.54m12m120Pa/m填料塔附件除沫器液體分布器填料限定裝置填料支承板液體再分布器絲網(wǎng)式二級槽式床層限制版分塊梁式升氣管式6結(jié)論通過本次設(shè)計，完成了混合氣體處理量在2000m3/h，其中含二氧化碳為4%（體積分?jǐn)?shù)），30℃，常壓，且要求二氧化碳的回收率達(dá)到95%的填料塔設(shè)計。通過查找文獻完成對填料塔的工藝參數(shù)計算，塔體結(jié)構(gòu)計算，例如：填料塔的塔徑、塔高以及繪制填料塔所需要的精確參數(shù)。在本文的設(shè)計中，入手設(shè)計的時期選用了?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖來計算泛點氣速，隨即我發(fā)現(xiàn)用查圖的方式來推算出的泛點氣速后實行液體噴淋密度進行校核的時候，任意選取的填料規(guī)格的填料都不可以滿足條件，最后在對液體噴霧密度進行驗證時，發(fā)現(xiàn)雖然滿足了設(shè)計要求，但是仍然需要增大處理量，才可以達(dá)到更好高的處理效果。另一方面，利用Bain-Haugen相關(guān)計算法則，還發(fā)現(xiàn)采用Bain-Haugen計算出的結(jié)果有很大的差別。通過這個算法，我們認(rèn)為查圖計算得到結(jié)果不太嚴(yán)謹(jǐn)。在整個設(shè)計過程中，我不僅懂得了很多，而且還培養(yǎng)了獨立做事的能力，而且，認(rèn)真了解自己的學(xué)習(xí)其實是一個長期積累的過程，以后的生活教育要不斷努力學(xué)習(xí)，努力培養(yǎng)自己。