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氢氧化钠吸收二氧化碳填料塔设计.
氢氧化钠吸收二氧化碳填料塔设计
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。
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。
设计资料
混合气体(空气、二氧化碳)处理量为G=150kmol/h;
气体的平均分子量为32kg/mol;
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%;
操作压力为常压,1atm,即101.325kpa;
进塔吸收液采用加活性组分NaOH,和二氧化碳发生了快速不可逆的反应,化学反应式为:CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O 假定氢氧化钠浓度为CB=0.7kmol/m3;
假定吸收操作为等温吸收,温度为30摄氏度;
气液平横关系:H=8kmo/(m3.atm);
kGa=30kmol/(m3.atm);kLa=2.78*10-5s-1;
采用的液体流量L=700 kmol/h,液体总分子浓度为CT=56 kmol/m3,且假设不变;
可认为DA=.DB
设计方案的确定
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
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
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
进塔惰性气体流量
V=150*(1-0.001)=149.85kmol/h
气液平衡关系:H=8kmol/(atm.m3)=0.079kmol/kpa.m3
对于稀溶液,E和H有近似的关系:,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。
相平衡关系:m=E/P
该吸收过程为低浓度吸收,平衡关系为直线,最小液气比:,对于纯水吸收过程,X2=0,则,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。
塔底吸收液的组成
依据:可得:
=0+149.85/700*(0.001-0.0005)=0.0001
吸收塔操作线方程:=4.67X+0.0005
填料的选择
下表为国内金属鲍尔环特性数据
材质 外径 高*厚 比表面积 空隙率 个数 堆积密度 干填料因子 填料因子 金属 16 15*0.8 239 0.928 143000 216 299 400 38 38*0.8 129 0.945 13000 365 153 140 50 50*1 112.3 0.949 6500 395 131 300 选择外径为38mm,比表面积为129m2/m3,填料因子=140m-1
塔径的计算
采用Eckert通用图计算泛点气速
选用材料d=38mm
由于温度为30,故:Vm=(273+30)/273*22.4=24.8
横坐标:=0.092
查得纵坐标: 其中=1,则:
,带入数据得:=2.451m/s
,所以,=0.7*2.451=1.716m/s
确定操作气速
取安全系数为70%,
填料塔塔直径D
校核填料尺寸:D/d=900/38=23.78~15,所以填料规格合适。
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,故最小喷淋密度:Umin=0.08*129=10.32m3/m.h
操作喷淋密度:U=(700/56)/(/4*)=19.65Umin,满足最小喷淋密度的要求。
经上校算可知:选用D=900mm合理。
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:
带入数据得:CB=0.68-37.74PA
用此关系可求出塔底处:=0.68-37.74*0.001=0.642kmol/m3
计算一下塔顶和塔底的临界浓度:令DA=DB
则在塔顶:
==0.3 kmol/m3
在塔底:
=0.6 kmol/m3
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:
所以,填料层得:
设安全系数为1.2,则设计
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