氢氧化钠吸收二氧化碳填料塔设计方案

氢氧化钠吸收二氧化碳填料塔设计

一、设计目的

通过对气态污染物净化系统的工艺设计，初步掌握气态污染物净化系统设计的基本方法。培养学生利用所学理论知识，综合分析问题和解决实际问题的能力、绘图能力、以及正确使用设计手册和相关资料的能力。

二、设计任务

试设计常压填料塔，采用逆流操作，以氢氧化钠为吸收剂，吸收混合气体中的二氧化碳。

三、设计资料

1)混合气体（空气、二氧化碳）处理量为G=150kmol/h；

2)气体的平均分子量为32kg/mol；

3)进塔混合气体含二氧化碳的体积分数为0.1%，要求降低到0.05%；

4)操作压力为常压，1atm，即101.325kpa；

5)进塔吸收液采用加活性组分N a OH，和二氧化碳发生了快速不可逆的反

应，化学反应式为：CO2+2N a OH=Na2CO3+H2O 假定氢氧化钠浓度为

C B=0.7kmol/m3;

6)假定吸收操作为等温吸收，温度为30摄氏度；

7)气液平横关系：H=8kmo/(m3.atm)；

8)k G a=30kmol/(m3.atm)；k L a=2.78*10-5s-1;

9)采用的液体流量L=700 kmol/h，液体总分子浓度为C T=56 kmol/m3，且

假设不变；

10)可认为D A=.D B

四、设计方案的确定

（1）吸收工艺流程

采用常规逆流操作流程，流程如下：混合气体进入吸收塔，与吸收剂逆流接触后混合气体得到净化，然后排放；吸收丙酮后的水，取样计算其组分的量，若符合国家相应的标准，则直接排入地沟，若不符合，待处理之后再排入地沟。

五、物料计算

1.进塔混合气体中各组分的量

近似取塔平均操作压力为101.3Kpa，故：

混合气体量=150*（273/（273+30））=135.15kmol/h

混合气体中二氧化碳=135.15*0.001=0.13515kmol/h

2混合气体进出塔组成

Y1=0.001/(1-0.001)=0.001

Y2=0.0005/(1-0.0005)=0.0005

3进塔惰性气体流量

V=150*（1-0.001）=149.85kmol/h

4气液平衡关系：H=8kmol/(atm.m3)=0.079kmol/kpa.m3

5 对于稀溶液，E 和H 有近似的关系：HM

E ρ

=

，式中：分子为溶液密度，M 为溶剂相对分子质量。对于低浓度吸收过程，溶液的物性数据可近似纯水的物性数据。 6 相平衡关系：m=E/P

7

该吸收过程为低浓度吸收，平衡关系为直线，最小液气比：

2121X

m

Y Y Y V L --=???

??,对于纯水吸收过程，X 2=0，则

m

Y Y Y V

L 12

1-=，根据生产

经验，取操作液气比（L/V ）=1.5(L/V)min 。设计资料所给吸收剂的量为L=700kmol/h ，无需计算。 8

塔底吸收液的组成

依据：()()2121X X L Y Y V -=-可得：

()2121;

Y Y L V

X X -+

==0+149.85/700*(0.001-0.0005)=0.0001 9

吸收塔操作线方程：()22Y X X V

L

Y +-=

=4.67X+0.0005 六、填料的选择

选择外径为38mm ，比表面积为129m 2/m 3，填料因子φ=140m -1 七、 塔径的计算

1. 采用Eckert 通用图计算泛点气速f μ

2.

选用材料d=38mm

由于温度为30，故：V m =(273+30)/273*22.4=24.8

横坐标：5

.037.995333.1333,18.24150561000700???

?????? ????÷?=S S V L =0.092

查得纵坐标：

115.02

.02=Φl v f μ?ρμ 其中L

ρρ?水

=

=1，则： 2

.0115.0l

V L f g μ?ρρμΦ=

，带入数据得：f μ=2.451m/s

()f μμ8.0~6.0=，所以，μ=0.7*2.451=1.716m/s

3. 确定操作气速q μ

取安全系数为70%，s m q /20.1716.1%70=?=μ 4. 填料塔塔直径D

m V D S

9.08616.03600

716.114.324

15044≈=????=

=

πμ

5. 校核填料尺寸：D/d=900/38=23.7>8~15，所以填料规格合适。

6. 校核润湿率和校核喷淋密度

由于填料直径小于75mm ，最小润湿率()h m m L W ./08.03min =，故最小喷淋密度：U min =0.08*129=10.32m 3/m.h

操作喷淋密度：U=(700/56)/(π/4*29.0)=19.65>U min ，满足最小喷淋密度的

要求。

经上校算可知：选用D=900mm 合理。

八、 填料层高度的计算

用高浓度的氢氧化钠吸收二氧化碳，物料衡算方程式：

()()2211B B T

A A C C C b P P P G

-?-=- 带入数据得：C B =0.68-37.74P A 用此关系可求出塔底处1B C ：1B C =0.68-37.74*0.001=0.642kmol/m 3 计算一下塔顶和塔底的临界浓度：令D A =D B 则在塔顶：

2kp c =2A L G

B A P k k D D b ????? ???=0.3 kmol/m

3

在塔底：

1kp c =0.6 kmol/m 3

由此可见，无论是塔顶还是塔底，活性组分的浓度都超过了临界浓度，化学反应发生在界面上，因此可以认为全塔内均有气膜控制。传质速率方程为：

A G A P a k a N ..=

所以，填料层得：

m m P d aP K d P G h A

P A

G p P P A a

A A 00.644.54

81..014.330150001

.00005.012≈=???

=

?=

设安全系数为1.2，则设计高度Z=1.2h=7.2m 九、 填料层压降的计算

用Eckert 通用图来确定：横坐标0.092（前面已经算出），将操作气速

q μ=1.20m/s 代替纵坐标中的f μ查表。已知填料因子Φ=140m -1，则纵坐标的值为：

{（1.20）2*140}/9.8*(1.3333/1000)*1=0.0273 查图可知：m pa Z P /2.19681.9*20/==? 则填料塔压降P ?=196.2*6=1172.2pa/m 十、 填料分层

查资料可知：鲍尔环10~5max

=???

?

?D Z ，Z 0

<=6

h/D=6.67>5，则全塔可分为三段，每段2米。

十一、 总高度H

填料塔的总塔高H 主要取决于填料层高度Z ，此外还需要考虑塔顶空间、塔底空间及再分布器的布置等。填料塔的总塔高H 可由下式进行计算：

H = H d + Z ? + (n-1) H f + H b 式中：H ——总塔高，m ；

Z ?——安全系数调整后的填料层高，m ； H f ——装配液体再分布器的空间高，m ； H d ——塔顶空间高（不包括封头部分），m ，一般取=0.8~1.4m ； H b ——塔底空间高（不包括封头部分），m ，一般取=1.2~1.5m ； n ——填料层分层数。

所以，H=1.2*6+2*1+1.2=10.4m 十二、 填料吸收塔的辅助设备

a) 液体分布器 液体分布器是用来改善液体在填料层内的壁流效应，每隔

一定高度的填料层设置一个分布器。本设计采用截锥式液体分布器。 b) 填料支撑结构

填料支撑结构应满足三个条件：使起夜能顺利通过，设计时应去最大的自由截面；要有足够的强度来承受填料的重量，并考虑填料孔隙率中的持夜得重量；具有一定的耐腐蚀性能。本设计采用了栅条式支撑装置。 c) 填料压紧装置

填料上方安装压紧装置可防止在气流的作用下填料层发生松动和跳跃的现象。填料压紧装置分为填料压板和床层限制板。填料压板可以自由放置在填料上方，靠自身重量将填料压紧。床层压板用于金属、塑料等制成的不易压碎的散装填料和规装填料。本设计在填料塔填料装填后置于填料压紧栅板。

d) 除沫装置

除沫装置安装在液体分布器的上方，用以出去出口气流中的液滴。除沫器采用丝网除雾器。

e) 喷雾装置 选用莲喷头式喷洒器。

十三、

参考资料：《有害气体控制工程》化学工业出版社。