第第頁(yè)共16頁(yè)水吸收二氧化碳常壓填料塔的工藝計(jì)算目錄TOC\o"1-3"\h\u20398摘要 196231引言 2245831.1設(shè)計(jì)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(jì)方案簡(jiǎn)介 3171372.1設(shè)計(jì)任務(wù) 3327332.2設(shè)計(jì)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(jì)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(jì) 6147903.3.1塔徑計(jì)算 6222603.3.2填料層高度計(jì)算 8201833.3.3填料層壓降計(jì)算 10238364液體分布器簡(jiǎn)要設(shè)計(jì) 11255874.1液體分布器的選型 11164294.2分布點(diǎn)密度計(jì)算 1120964.3布液計(jì)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(jìn)出口裝置 12158665.5液體進(jìn)出口裝置 12292665.6設(shè)計(jì)結(jié)果一覽表 12178106結(jié)論 1323597參考文獻(xiàn) 13摘要：溫室效應(yīng)導(dǎo)致全球極端氣候?yàn)?zāi)害，全球氣候變化現(xiàn)象日益頻繁，而溫室效應(yīng)對(duì)其貢獻(xiàn)最大的氣體是二氧化碳，減少人為的碳排放總量無(wú)疑是最為可行的解決辦法。本設(shè)計(jì)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(guò)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(guò)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(jì)通過(guò)對(duì)填料塔的整體設(shè)計(jì)，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(jì)背景從19世紀(jì)Arrhenius研究提出在人類(lèi)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中所產(chǎn)生的二氧化碳的排放會(huì)導(dǎo)致氣候逐漸變暖這一重要問(wèn)題，到二十世紀(jì)聯(lián)合國(guó)發(fā)布的首份“專(zhuān)門(mén)研究氣候改變的組織”這個(gè)報(bào)告主要呈現(xiàn)的是氣候變暖現(xiàn)象，還主要說(shuō)了現(xiàn)在的狀況和以后會(huì)發(fā)生的現(xiàn)象，針對(duì)全世界氣候變暖這個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題和人們的日常生活是分不開(kāi)的，從最開(kāi)始的研究到后來(lái)向世界公布，全世界用了長(zhǎng)達(dá)一百多年的時(shí)間才讓所有人接受這個(gè)結(jié)果REF_Ref20843\r\h[1]。按照《京都條約》，溫室氣體主要類(lèi)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(duì)比二氧化碳吸收紅輻射的效果，其他幾種類(lèi)型的氣體會(huì)更強(qiáng)，換句話(huà)說(shuō)，使地球變暖更多是因?yàn)槠渌麣怏w。但是，因?yàn)槎趸細(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(guó)目前正處在高速發(fā)展的新信息時(shí)期。資源環(huán)境、人口數(shù)量、技術(shù)發(fā)展水平、經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r以及當(dāng)前國(guó)際能源發(fā)展形式都決定了中國(guó)的碳排放在所難免的要經(jīng)歷一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。然而，能源開(kāi)采率、技術(shù)發(fā)展方向和發(fā)展路線(xiàn)的選擇都會(huì)深切影響全球二氧化碳排放與全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展質(zhì)量，并會(huì)對(duì)將來(lái)全球碳排放資源總量產(chǎn)生重大的影響。事實(shí)已經(jīng)表明，中國(guó)不能完全沿用守舊的工業(yè)化、城市化發(fā)展形式，更沒(méi)有辦法接受由此因素帶來(lái)的自然資源和生態(tài)環(huán)境的巨大壓力。因此，中國(guó)政府莊嚴(yán)承諾要積極發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)、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(guò)程的基礎(chǔ)性質(zhì)是將有害氣體和液體溶劑在一個(gè)密閉系統(tǒng)里不停止的反向流動(dòng)接觸。溶劑經(jīng)過(guò)升溫或低壓汽提塔來(lái)循環(huán)利用，同時(shí)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?zhuān)ㄗ畲罂赡苁?0%）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(wú)腐蝕，無(wú)毒溶劑降解除了對(duì)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(guò)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(dòng)；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(jìn)入，通過(guò)間隙從塔頂排出填料層，離開(kāi)填料層的氣體可以帶少許液體泡沫，必要時(shí)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(diǎn)REF_Ref21836\r\h[5]。填料塔的主要缺點(diǎn)是：填料的制造成本相對(duì)較高；當(dāng)液相負(fù)荷水平?jīng)]有達(dá)不到一定值時(shí)，填料表面會(huì)保持干燥，會(huì)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(jìn)、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(jí)接觸傳質(zhì)設(shè)備REF_Ref22277\r\h[7]，它由一個(gè)圓柱形塔體和若干個(gè)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(diǎn)，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(hù)和清洗方便等特點(diǎn)REF_Ref22447\r\h[8]。缺點(diǎn)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(duì)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(diǎn)REF_Ref22604\r\h[9]。綜上所述：本次設(shè)計(jì)采用填料塔。2設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介2.1設(shè)計(jì)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(qiáng)：一個(gè)大氣壓結(jié)果：二氧化碳的吸收率達(dá)到95%。2.2設(shè)計(jì)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(lài)于吸收劑來(lái)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(shí)，我們應(yīng)該側(cè)重于以下五個(gè)方面：(1)

溶解度吸附劑對(duì)溶質(zhì)組分的實(shí)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(duì)溶質(zhì)組分應(yīng)具有較好的綜合吸收能力，而對(duì)混合氣體中的其他組分則完全不吸收或吸收很少，否則無(wú)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(guò)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(dòng)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(mǎn)足其他要求，沒(méi)有腐蝕性、不容易燃和爆、不起泡、水的凝固點(diǎn)低、價(jià)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(lái)說(shuō)，大部分吸收劑都難以完全滿(mǎn)足上面的所有條件，所以我們?cè)谶x擇合適的溶劑時(shí)更應(yīng)該去考慮會(huì)產(chǎn)生怎樣的結(jié)果，再思考工藝條件和經(jīng)濟(jì)是否合理。因此本設(shè)計(jì)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?yàn)樗苄远趸驾^大，水吸收二氧化碳屬于過(guò)程自然吸收，因此在25℃一個(gè)大氣壓的條件下運(yùn)行可取得滿(mǎn)意的效果。為了可以更好確定CO2的實(shí)際吸收率，將逆流方式進(jìn)行操作作為本次采用的方法。氣相從塔底進(jìn)入，再?gòu)乃斉懦?，液相從塔頂進(jìn)入，再?gòu)乃着懦?，叫做逆流操作。逆流操作具有傳質(zhì)平均驅(qū)動(dòng)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(diǎn)。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(gè)大氣壓的條件下進(jìn)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(lái)的進(jìn)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(guò)程中，操作溫度低，但是操作的壓力高，因?yàn)楣I(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(jì)中。3填料吸收塔的工藝計(jì)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(guò)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(cè)，水在303K時(shí)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(kuò)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(cè)303K空氣粘度為：查得CO2在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)為：3.1.3氣液相平衡數(shù)據(jù)由手冊(cè)查得30℃時(shí)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(jìn)塔氣相摩爾比為出塔氣相摩爾比為進(jìn)塔惰性氣相流量為該吸收過(guò)程為低濃度吸收，平衡關(guān)系為直線(xiàn)，最小液氣比按下式計(jì)算，即對(duì)于純?nèi)軇┪者^(guò)程，進(jìn)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(rùn)，以確保填料表面能夠被液體充分濕潤(rùn)，適當(dāng)?shù)臍庖罕葢?yīng)考慮設(shè)備運(yùn)行成本和設(shè)備成本，結(jié)合經(jīng)濟(jì)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(huì)使操作線(xiàn)不平衡，從而增加推動(dòng)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(jì)3.3.1塔徑計(jì)算用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算泛點(diǎn)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(jì)算Eckert通用關(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)為：計(jì)算出的數(shù)據(jù)太大，用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計(jì)算泛點(diǎn)氣速不符合常理，所以用Bain-Haugen關(guān)聯(lián)式計(jì)算泛點(diǎn)氣速其中：uF——泛點(diǎn)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(diǎn)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(rùn)濕速率為：查塑料階梯環(huán)特性數(shù)據(jù)表得：型號(hào)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(jì)算傳質(zhì)單元數(shù)的計(jì)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(jì)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(jì)算液膜吸收系數(shù)由下式計(jì)算查常見(jiàn)填料的形狀系數(shù)表得表3-2常見(jiàn)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(jìn)行校核： 氣相總傳質(zhì)單元高度設(shè)計(jì)取填料層高度為查手冊(cè)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(jì)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?qǐng)Du→Δp曲線(xiàn)通過(guò)散裝填料壓降曲線(xiàn)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(jiǎn)要設(shè)計(jì)4.1液體分布器的選型選擇用槽式液體分布器是因?yàn)楸疚账合嘭?fù)荷比較大，而氣相負(fù)荷相對(duì)比較低。4.2分布點(diǎn)密度計(jì)算表4-1Eckert的散裝填料塔分布點(diǎn)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(shí)，噴淋點(diǎn)密度為42點(diǎn)/m2布液點(diǎn)數(shù)為：點(diǎn)分布點(diǎn)依照原則為幾何均勻與流量均勻，實(shí)行布點(diǎn)安排。4.3布液計(jì)算由取設(shè)計(jì)取5填料塔的附屬裝置5.1填料支承設(shè)備用來(lái)支承塔內(nèi)的填料和氣液計(jì)量裝置的構(gòu)件叫做填料支承結(jié)構(gòu)。對(duì)填料的基本整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guò)和讓液泛現(xiàn)象的不發(fā)生；能促進(jìn)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(guò)程中的填料床層不會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)或者跳動(dòng)的效果。關(guān)于塑料散裝填料，這個(gè)設(shè)計(jì)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(shí)，便開(kāi)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(chēng)作的“干錐體”的異?，F(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(gè)液體再分布器，這種現(xiàn)象就不會(huì)產(chǎn)生REF_Ref24974\r\h[14]。5.4氣體進(jìn)出口裝置壓力為101.325時(shí)取10～20m/s為氣體的進(jìn)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(jìn)出口管徑為d=205mm5.5液體進(jìn)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(jì)結(jié)果一覽表畢業(yè)設(shè)計(jì)名稱(chēng)水吸收二氧化碳常壓填料塔的設(shè)計(jì)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(kuò)散系數(shù)6.372×10-6m2/hCO2在水中的擴(kuò)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(jí)槽式床層限制版分塊梁式升氣管式6結(jié)論通過(guò)本次設(shè)計(jì)，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(jì)。通過(guò)查找文獻(xiàn)完成對(duì)填料塔的工藝參數(shù)計(jì)算，塔體結(jié)構(gòu)計(jì)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(jì)中，入手設(shè)計(jì)的時(shí)期選用了?？颂赝ㄓ藐P(guān)聯(lián)圖來(lái)計(jì)算泛點(diǎn)氣速，隨即我發(fā)現(xiàn)用查圖的方式來(lái)推算出的泛點(diǎn)氣速后實(shí)行液體噴淋密度進(jìn)行校核的時(shí)候，任意選取的填料規(guī)格的填料都不可以滿(mǎn)足條件，最后在對(duì)液體噴霧密度進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，發(fā)現(xiàn)雖然滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)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(jì)算法則，還發(fā)現(xiàn)采用Bain-Haugen計(jì)算出的結(jié)果有很大的差別。通過(guò)這個(gè)算法，我們認(rèn)為查圖計(jì)算得到結(jié)果不太嚴(yán)謹(jǐn)。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我不僅懂得了很多，而且還培養(yǎng)了獨(dú)立做事的能力，而且，認(rèn)真了解自己的學(xué)習(xí)其實(shí)是一個(gè)長(zhǎng)期積累的過(guò)程，以后的生活教育要不斷努力學(xué)習(xí)，努力培養(yǎng)自己。