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
1.3.1 吸收剂的选择
因为用水作吸收剂，同时CO2不作为产品，故采用纯溶剂。
1.3.2 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。
1.3.3 填料的类型与选择
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。
1.3.4 操作温度与压力的确定
20℃，常压
2、工艺计算 2.1 基础物性数据
2.1.1 液相物性的数据
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：
1
密度ρL=998.2kg/m 粘度μL=0.836×10Pa·s=3.6kg/(m·h)
3
表面张力бL=72.6dyn/cm=940896kg/h
CO2在水中的扩散系数为DL =1.77×10-9m2/s=6.372×10-6m2/h
-3
2.1.2 气相物性的数据
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=
PMvmRT?101.3?30.358.314?298?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
2.1.3 气液相平衡数据
-5
由手册查得20℃时CO2在水中的亨利系数E=1.44×10kPa 相平衡常数为m=
EP?1.44?10101.35?1421.5
溶解度系数为H=
?EMS?998.21.44?10?18.025?3.847?10?4kmol/(m?kPa)
32.1.4 物料衡算
进塔气相摩尔比为Y1=
0.091?0.09?0.0989
出塔气相摩尔比为Y2=0.0989×(1-0.98)=1.978×10-3
2
进塔惰性气相流量为V=
160022.4?273298(1?0.09)?59.55kmol/h
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
（ （
LV）min?Y1?Y2Y1/m?X2
对于纯溶剂吸收过程，进塔液组成为 X2=0 （（LV）min?Y1?Y2Y1/m?X2?0.0989?1.978?10?30.0989/1421.5?0?1393.07
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=
59.77?(0.0989?0.001978)116140.37? 5.0×10-5
2.2填料塔的工艺尺寸计算 2.2.1塔径计算
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
WL?V0.52092849.471.2410.5()??()?37.164 WV?L992.8998.2 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
3
11?uF2at?V?WL4?V80.2 lg?)()(3)()?L??A?K(W?g??VLL??
其中A=0.204 K=1.75
?u2114.21.2410.2 lg?F?()?()?139.810.927998.2??11?2092849.4741.2418)()??0.204?1.75?(1985.6998.2??
计算得uF =0.054m/s
取u=0.8uF=0.8×0.054=0.0432m/s 由D?4VS?4?1600/36003.14?0.0432?3.62m
?u
圆整塔径，取D=3.8m
泛点率校核 u=
填料规格校核：D?3800?76?8
d50uuF?0.0390.054?1001600/36000.785?2.82?0.039m/s
﹪=72.6％(在允许范围内)
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=
2092849.47/998.20.785?3.82?184.7?Umin
4
经以上校核可知，填料塔直径先用D=3800mm合理
2.2.2 填料层高度计算
Y1?=mX1=1421.5×5.0×10-5=0.0711 Y?=mX2=0 2 脱因系数为 S=
mVL?1421.5?59.55116140.37=0.729
气相总传质单元数
????Y1?Y2ln??1?S??S? NOG=?1?S?Y2?Y2?1 =
0.0989?0??ln?(1?0.0729)??0.0729?=9.811
1?0.7290.001978?0??1
气相总传质单元高度采用修正的恩田关联式计算
awat???c??1?exp??1.45????L??????0.75?UL??a??tL????0.12?ULat????a?LLt?????0.052?UL????a?LLt????0.2?? ???
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
UL?aw2092849.470.785?3.82?184629.52kg/(m?h)2?0.050.20.750.122????184629.52???427680??184629.52??184629.52?114.2?????1?exp??1.45?????28?998.2?940896?114.2??at940896??114.2?3.6??998.2?1.27?10??????????
awat=0.753
吸收系数由下式计算
5