碳酸丙烯酯(pc)脱碳填料塔的设计

碳酸丙烯酯（PC）脱碳填料塔设计目录化工原理设计任务书3一、设计目的3二、设计任务3三、设计条件3四、基础数据4五、设计内容5一、计算前的准备61CO2在PC中的溶解度关系62PC密度与温度的关系73PC蒸汽压的影响84PC的粘度8二、物料衡算81各组分在PC中的溶解量82雾沫夹带量NM3/M3PC93溶液带出的气量NM3/M3PC94出脱碳塔净化气量105计算PC循环量106验算吸收液中CO2残量为015NM3/M3PC时净化气中CO2的含量107出塔气体的组成11三、热量衡算121混合气体的定压比热容12PVC2液体的比热容13PL3CO2的溶解热14SQ4出塔溶液的温度141LT5最终的衡算结果汇总15四、设备的工艺与结构尺寸的设计计算161确定塔径及相关参数15五、填料层高度的计算18六、填料层的压降26七、附属设备及主要附件的选型25八，塔总高计算28九、设计概要表29十、对本设计的评价与总结28参考文献28化工原理课程设计任务书一、化工原理课程设计目的、任务1培养学生查阅资料选用公式和搜索数据的能力2培养学生在填料吸收塔、精馏塔设计时，既考虑技术上的先进性和可行性，又考虑经济上的合理性并注意操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想。3培养学生能迅速准确的对填料塔进行工艺设计计算的能力4培养学生能用简洁的文字清晰的图表来表达自己设计思想的能力二、设计任务碳酸丙烯脂（PC）脱出CO2气体填料吸收塔设计三、设计条件1、混合气（变换气）处理量40000NM3/H2、进塔混合气体成分原始数据表（均为体积，下同3、进塔吸收剂（碳酸丙烯酯PC）入塔浓度，自定；4、气液两相的入塔均选定为305、出塔净化气中CO2浓度066、操作压力16MPA进塔变换气CO2COH2N2合计体积百分数,29015472223100组分分压，MPA04640024075503571600组分分压，KGF/CM2473502457701363816319原始数据表四、基础数据1碳酸丙烯酯（PC）的物理性质正常沸点，（）蒸汽压133321PA粘度，MPAS分子量303820502040102427616210209温度，（）015254055（KG/M3）122412071198118411692比热计算式CKJ/G10891TCP3CO2在碳酸丙烯酯（PC）中的溶解度温度T，（）252673784050亨利系数E10131KPA81138171017103512084CO2在碳酸丙烯酯（PC）中的溶解热可近似按下式计算（以表示）2COH67187459IIBBHKJ/KMOL,2CO5其他物性数据可查化工原理附录五、化工原理课程设计主要内容1、工艺及设备设计（1）设计方案和工艺流程的说明（2）填料吸收塔的工艺计算；吸收剂用量求取最小吸收剂用量，吸收剂用量；操作线方程；填料塔径求取选择填料，液泛速度，空塔气速，塔径及圆整，最小润湿速度求取及润湿速度的选取，塔径的校正；传质单元高度的求取；传质单元数的求取；填料层高度；单位填料层压降的求取；吸收塔高度计算；液体分布；再分布及分布器的选型；填料吸收塔的工艺流程图；（3）填料吸收塔设备设计填料吸收塔附属结构的选型与设计；全塔高度包括上、下封头，裙座高度。2、制图包括工艺流程图、设备图。3、编写设计说明书一计算前的准备1CO2在PC中不同温度下亨利系数数据温度T，（）252673784050亨利系数E10131KPA81138171017103512088090100110120253035404550亨利系数与温度之间的关系E16204T395941013KPA温度T亨利系数EKPA作图得亨利系数与温度近似成直线，且KPA3193621TE因为高浓度气体吸收，故吸收塔内CO2的溶解热不能被忽略。现假设出塔气体的温度为，出塔液体的温度为，并取吸收饱和度（定义C352VTC401LT为出塔溶液浓度对其平衡浓度的百分数）为70，然后利用物料衡算结合热量衡算验证上述温度假设的正确性在40下，CO2在PC中的亨利系数E4010351013KPA10485KPA1出塔溶液中CO2的浓度（假设其满足亨利定律）（摩尔分数）0294701485/70/701EPX2根据吸收温度变化的假设，在塔内液相温度变化不大，可取平均温度35下的CO2在PC中溶解的亨利系数作为计算相平衡关系的依据。即KPA97563105439604135ECO2在PC中溶解的相平衡关系，即26LOGL22COCTPX式中为摩尔比，KMOLCO2/KMOLPC；为CO2的分压，KGF/CM2；T2COX2COP为热力学温度，K。用上述关联式计算出塔溶液中CO2的浓度有PCMX32CO/10859N/KMOLPCL0418743675LOGL22CO172XX与前者结果相比要小，为安全起见，本设计取后者作为计算的依据。结论出料（摩尔分数）1028X2PC密度与温度的关系利用题给数据作图，得密度与温度的关联表达式为（式中T为温度，；为密度，KG/M3）T9850123温度，（）015254055（KG/M3）122412071198118411693PC蒸汽压的影响根据变换气组成及分压可知，PC蒸汽压与操作总压及CO2的气相分压相比均很小，故可忽略。4PC的粘度MPAS（T为热力学温度，K）153820LOGT5工艺流程确定本次吸收采用逆流吸收的方法。二、物料衡算1各组分在PC中的溶解量查各组分在操作压力为16MPA、操作温度为40下在PC中的溶解度数据，并取其相对吸收饱和度均为70，将计算所得结果列于下表（亦可将除CO2以外的组分视为惰气而忽略不计，而只考虑CO2的溶解）CO2溶解量的计算如下各个溶质溶解量的计算如下（以CO2为例）通过第一部分已知CO2在40的平衡溶解度/KMOLPCLO04182CO2XNM3/M3PC5918/094/KMOLPCLO04CO2X式中1184为PC在40时的密度，10209为PC的相对摩尔质量。CO2的溶解量为（10859015）077496NM3/M3PC组分CO2COH2N2合计组分分压，MPA0464002407550357160溶解度，NM3/M3PC1085900160223022311121溶解量，NM3/M3PC74960011015601567819溶解气所占的百分数958801419919910000说明进塔吸收液中CO2的残值取015NM3/M3PC，故计算溶解量时应将其扣除。其他组分溶解度就微小，经解吸后的残值可被忽略。平均分子量入塔混合气平均分子量KG/MOL368208472015289041MM溶解气体的平均分子量/L419195S2雾沫夹带量NM3/M3PC以02NM3/M3PC计，各组分被夹带的量如下CO2020290058NM3/M3PCCO0200150003NM3/M3PCH202047200944NM3/M3PCN202022300446NM3/M3PC3溶液带出的气量NM3/M3PC各组分溶解量CO27496NM3/M3PC9588CO0011NM3/M3PC014H20156NM3/M3PC199N20156NM3/M3PC1997819NM3/M3PC100夹带量与溶解量之和CO2002872037554NM3/M3PC9420CO000300110014NM3/M3PC0175H20094401560250NM3/M3PC312N20044601560201NM3/M3PC2518019NM3/M3PC1004出脱碳塔净化气量以分别代表进塔、出塔及溶液带出的总气量，以分别321V、321Y、代表CO2相应的体积分率，对CO2作物料衡算有V126058NM3/H231YY联立两式解之得V3V1Y1Y2/Y3Y2400000290006/0942000061213675NM3/HV2V1V32786325NM3/H5计算PC循环量因每1M3PC带出CO2为7554NM3，故有LV3Y3/7259121367509420/75541513479M3/H操作的气液比为V1/L40000/1513479264296验算吸收液中CO2残量为015NM3/M3PC时净化气中CO2的含量取脱碳塔阻力降为03KGF/CM2，则塔顶压强为163190316019KGF/CM2，此时CO2的分压为KGF/CM2，与此分压呈096101962COP平衡的CO2液相浓度为45LOGL22COCTXPC/MON150PC/MON259401328/KOLL043106323CO2式中1193为吸收液在塔顶30时的密度，近似取纯PC液体的密度值。计算结果表明，当出塔净化气中CO2的浓度不超过05，那入塔吸收液中CO2的极限浓度不可超过0216NM3/M3PC，本设计取值正好在其所要求的范围之内，故选取值满足要求。入塔循环液相CO215134790152270227出塔气体的组成出塔气体的体积流量应为入塔气体的体积流量与PC带走气体的体积流量之差。CO24000002975541513479167179NM3/H060CO40000001500141513479578811NM3/H208H2400000472025015134791850163NM3/H6640N2400000223020115134798615791NM3/H308227863411NM3/H100计算数据总表气液比26429入塔气体平均分子量20368溶解气体平均分子量42823出脱碳塔净化气量进塔带出气量V1NM3/H出塔气量V2NM3/H溶液带出的总气量V3NM3/H4000027863251213675PC中的溶解量溶解气量及其组成）40组分CO2COH2N2总量溶解度，NM3/M3PC108590020220221132溶解量，NM3/M3PC74960010160167819溶解体积流量NM3/H113450391664823610323610311833892溶解气所占的百分数958801419919910000出塔液相带出气量及其组成40溶解量，NM3/M3PC755400140250208019体积流量NM3/H114328212118937836930420912136588溶解气所占的百分数9420017531225110000入塔气相及其组成30体积流量NM3/H1160060018880892040000溶解气所占的百分数29001504720223010000出塔气相的组成35体积流量NM3/H1671795788111850163861579127863411溶解气所占的百分数0602086640308210000入塔液相及其组成30体积流量NM3/H227022227022溶解气所占的百分数100001003、热量衡算在物料衡算中曾假设出塔溶液的温度为40，现通过热量衡算对出塔溶液的温度进行校核，看其是否在40之内。否则，应加大溶剂循环量以维持出塔溶液的温度不超过40。具体计算步骤如下1混合气体的定压比热容PVC因未查到真实气体的定压比热容，故借助理想气体的定压比热容公式近似计算。理想气体的定压比热容，其温度系数如下表32TDCBACIIIPI系数ABCDCP1（30）CP2（32）CO247281754102133810540971098929/37388951/3748CO73730307102666210630371096969/2918697/2918H264832215103329810618261096902/28906904/2891N274400324102641062791096968/29186968/2918表中CP的单位为（KCAL/KMOL）/（KJ/KMOL）进出塔气体的比热容CKJ/MOL43123018947092801529087IPPVYCPV2CPIYI374800060291800208289106642918030822902KJ/KMOL2液体的比热容PLC溶解气体占溶液的质量分率可这样计算质量分率为3101842397其量很少，因此可用纯PC的比热容代之。本设计题目中KJ/KG130PLCT139018390184014KJ/GCPLCT2632文献查得KJ/KG,据此算得TPL64KJ/KG；KJ/KG38901PLC79502PLC本设计采用后者。3CO2的溶解热SQKJ/KMOLCO21298746592COH文献查得KJ/KMOLCO2（实验测定值）2本设计采用后者。CO2在PC中的溶解量为7496151347911345039NM3/H506475KMOL/H故QS14654506475742188465KJ/H4出塔溶液的温度1LT设出塔气体温度为35，全塔热量衡算有带入的热量（QV1QL2）溶解热量（QS）带出的热量（QV2QL1）QV1V1CPV1TV1T040000314330/2241683750KJ/HQL2L2CPL2TL2T0151347911931426302055653339KJ/HQV2V2CPV2TV2T02786325290235/2241263424242KJ/HQL1L1CPL1TL1T01828203785144TL11724717TL1KJ/H式中L1151347911931213658802151347942823/2241828203785KG/H1683750205565333974218846512634242421724717TL1TL139896最终衡算结果出塔气相及其组成（35）V22786341NM3/HCO2COH2N21672578811850163861579NM3/H06020866403082QV2126342424KJ/H入塔液相及其组成（30）L21513479M3/HCO2COH2N2227NM3/HQL22055653339KJ/H入塔气相及其组成（30）V140000NM3/HCO2COH2N22605811600600188808920NM3/H29015472223QV11093738KJ/H出塔液相带出气量及其组成（40）L112136588KG/HCO2COH2N269461143321193783730421NM3/H9420018312251脱碳塔溶解气量及其组成（40）L111833892KG/HCO2COH2N27469761134516652361023610NM3/H9588014199199QS1683750KJ/H四、设备的工艺与结构尺寸的设计计算1确定塔径及相关参数UVDS4FU805塔底气液负荷大，依塔底气液负荷条件求取塔径采用ECKERT通用关联图法求取泛点气速，并确定操作气速。F入塔混合气体的质量流量KG/HV（402）036871429注20368为入塔混合气体的平均分子量10653为出塔混合气体的平均分子量KG/MOL368208472015289041MMMM2440006280020820664280308210653KG/KMOL塔底吸收液的质量流量1820375KG/HL入塔混合气的密度（未考虑压缩因子）361KG/M912530814/201/RTPMMV吸收液的密度（40）3KG/84L吸收液的粘度，依下式计算得到374015308215320LOGTLMPAS（平均温度35时的值）368选MM塑料鲍尔环（米字筋），其湿填料因子，空隙率，比5GD1M290表面积，BAINHOUGEN关联式常数。32/M410TA75094KA，（1）选用ECKERT通用关联图法求解FU关联图的横坐标（V/L）05L/V1283/1184051197720/235085408查ECKERT通用关联图得纵坐标值为00025，即025368214890/10202FLVFUGUM/S14F（2）选用BAINHOUGEN关联式求解FU8/14/120328/14/12032322350897936814968LGLFLVLVTUKAAM/S0FU取1/S07的取值范围则根据设计U01M/S2求取塔径VS4000001013/1630315/273152810644M3/H0781M3/SD40781/31401053154M本次设计取D3200MM3核算操作气速U4VS/314D240781/3143200972M/S则操作气体速度取U010M/S合适4核算径比D/D3200/50641015（满足鲍尔环的径比要求）5校核喷淋密度采用聚丙烯填料表面L喷，MIN（MWR）AT00810648512M3/M2H（通常对于直径不超过75MM的散装填料，最小润湿速率可取为008M/（MH）对于直径大于75MM的散装填料，可取为012M/（MH）L喷（满足要求）/5128649023197852023HM五、填料层高度的计算塔截面积0785D20785328038因其他气体的溶解度很小，故将其他气体看作是惰气并视作为恒定不变，那么，惰气的摩尔流率MV40129/4360438又溶剂的蒸汽压很低，忽略蒸发与夹带损失，并视作为恒定不变，那么有10209360080380611KMOL/M2S，062Y0573912/342/1502X吸收塔物料衡算的操作线方程为22MXVYLXY将上述已知数据代入操作线方程，整理得510930716X采用数值积分法求解，步骤如下1将气相浓度在其操作范围内10等份，其等份间距为00284，并28Y将各分点的Y值代入式（1）计算出对应的X值，并列入后面表格中的第1、2列中。2计算各分点截面处的气液相流率G1YGL1XL3计算的传质系数1EXP22075010501EXP4WCLTLLTLTTAUAG14533/391075225703/1064852480122570321064/118421271080052257032/11843911064021由计算知AWAT106423/M式中ULKG/MH79124378501D2、气体、液体的黏度，V/60/KGHPASKGMH、气体、液体的密度，L3M、溶质在气体、液体中的扩散系数，V/2R通用气体常数，3814/KPAOLKT系统温度，K填料的总比表面积，TA23/M填料的润湿比表面积，WG重力加速度，127108M/H液体的表面张力，L22/1/960/KGHDYNCKGH填料材质的临界表面张力，C221/M填料形状系数上述修正的恩田公式只适用于的情况，由计算得知U05UFFU50气膜吸收系数计算RTDUKVTVVTG317023气体质量通量为/71452678504221HMKGV/4981627850341622HMKGUV3014601630105742373631GK02371065108842551045691033081460631068325410630159823717GK023753850884251104283103310264均GK液膜吸收系数计算312132095LLLWLGDUK液体质量通量为/794237812HMK31821632405804558410692795LK00095405100249706089642610310641451106821GWKA08961064145041106104L5271FU故修正43168205140950914141AKUAKGFG3120615014625062122AKUAKLFLHKKLGKPGTYWA1184/10209162043039594101312910EMS3（稀溶液）/3MKPAOG计算准备（1）两相摩尔流率与质量流率的转换气相平均分子量为底MY1465108230468203247828底底M气相平均分子量为3335Y1065VG3335Y1065G（稀溶液）L0912（2）CO2在气相和液相中的扩散系数气相分两步进行，定性温度取325。首先计算CO2在各组分中的扩散系数，然后再计算其在混合气体中的扩散系数。计算公式如下21/25102/31/346ABCOITTMDPVDCO2CO5150721/3/3246074/8610/S6MDCO2H25150621/3/324607/43810/S6MDCO2N25150721/3/32/4（10006）/（00208/8671070664/32810ICOIGY2/603082/862107）1654106M2/S液相文献介绍了CO2在PC中扩散系数两个计算公式，定性温度取35。1171052/S（TK；MPAS；DLPCOTD8103692LCM2/S）1011052/S（TK；MPAS；DCM2/S）LPCO81072L取大值252CM/SD（3）气液两相的粘度（纯组分的粘度）GIIT152730UGCO21341023055/2731509350015MPAS同理UGCO0018MPASUGH200093MPASUGN20018MPAS为0、常压下纯气体组分的粘度，MPAS。M为关联指数（见下表）0GISPA/0GIMSMPA/0GIMCO21341020935H20841020771CO1661020758N21661020756气相底底GG1（气体混合物的粘度）50IIMY02800154405002500182805047200092205022300182805/02844050025280504722050223280500150MPAS液相MPAS153820LOGTL2368MPASL2368MPAS54/KS（4）吸收液与填料的表面张力吸收液391MPAST160填料查教材，如聚乙烯塑料MPAS3C4气相总传质单元数OGN作CO2在PC中的相平衡曲线XXYPTT112456LG将计算结果列表如下气相CO2的组成Y（摩尔分率）0006000500010000150002000气相CO2的分压P（KGF/CM2）009790815816316244733263130对应的液相平衡组成X000100008400168002520033635对应的液相平衡组成X100231019610395105981080540对应的液相平衡组成X100537104605109518114760120369因温度变化不大，故取平均温度下的数值作图得一直线，这说明CO在PC中的溶解情况满足亨利定律。但因操作关系不为直线，故仍需采用图解积分或数值积分。5气相总传质单元数OGN采用传质单元数的近似简化法计算图中数据源于下表数据，Y、X数据由操作线方程（1）计算而得。Y由Y64283X00002计算而得。Y10205325608751150142517001975225025252800X1020057031205670821107613311586184209523492604Y10203662003363952696907854410181181134515081672Y14273569593786259719791598134111541013902814做出图形得00651301952603253904555205856500005010150202503现采用SMIPSON公式求区域的面积数值积分法（亦可采用图解积分）61013249812354790295487613762297531840112FFFFFFNYYDN60LNL212Y860OGN6气相总传质单元高度OGH计算OGH由于对于PC，CO2为易吸收气体，为气膜控制PYGVKK071/32VVVVTURTADAD071/32VVVTK860983416RTA5106410532789670VAU86893236531VD205AD107263170ADDURTKVVTV470261PVY3911034AKKM98VHYMOG填料层的有效传质高度11191082812117MOGNH设计高度H12812117155M六、填料层的压降用ECKERT通用关联图计算压降横坐标（前已算出）253/1LGV纵坐标000173202LGU查图得50MMH2O/MFP七附属设备及主要附件的选型1塔壁厚操作压力为16MPA壁厚1261850132262CPDID圆整后取27MM选用27R钢板2液体分布器液体分布器是保持任一横截面上保证气液均匀分布。本次使用分布较好的槽盘式分布器。它具有集液、分液和分气三个功能，结构紧凑，操作弹性高，应用广泛。3除沫器除沫器用于分离塔顶端中所夹带的液滴，以降低有价值的产品损失，改善塔后动力设备的操作。此次设计采用网丝除沫器。UL1V184293K0710M/S除沫器直径UVD7203649536214液体再分布器液体向下流动时，有偏向塔壁流动现象，造成塔中心的填料不被润湿，故使用液体再分布器，对鲍尔环而言，不超过6M。故在填料3M处装一个再分布器。本次使用截锥式再分布器。5填料支撑板填料织成板是用来支撑填料的重量，本次设计使用最为常用的栅板。本次塔径为26001400MM，使用四块栅板叠加，直径为850MM6塔的顶部空间高度塔的顶部空间高度指顶第一层塔盘到塔顶封头的切线距离。为减少雾沫夹带的液体量，一般取1215M，本次设计取12M八塔附属高度及塔总高的计算塔上部空间高度可取13M液体分布器高度约为10M考虑到气相接管所占空间高度，底部空间高度可取06M若塔底液相停留时间按1MIN考虑，则塔釜液所占空间高度为21H30160LMD（）取H32M所以塔