碳酸丙烯酯脱碳填料塔的工艺设计

1、1、 设计说明书有些项目没完成如第九点2、 说明书里的参考文献格式要处理一下。3、 图的边框要画出来。4、 塔的尺寸标注有问题要改一下。武夷学院课程设计说明书课程名称： 化工原理课程设计 题 目： 碳酸丙烯酯脱碳填料塔设计 学生姓名：缪思思 学号： 系 别： 环境与建筑工程系 专业班级： 2009级应用化工技术 指导老师： 刘俊劭 2011年11月30000标准Nm3/合成氨碳酸丙烯酯（PC）脱碳填料塔设计目 录碳酸丙烯酯（PC）脱碳填料塔设计工艺设计任务书 3一、设计题目 3二、操作条件 3三、设计内容 3四、基础数据 4设计依据：5一、计算前的准备51.CO2在PC中的溶解度关系52.PC

2、密度与温度的关系63.PC蒸汽压的影响74.PC的粘度7二、物料衡算71.各组分在PC中的溶解量72.溶剂夹带量Nm3/m3PC83.溶液带出的气量Nm3/m3PC84.出脱碳塔净化气量95.计算PC循环量96.验算吸收液中CO2残量为0.15 Nm3/m3PC时净化气中CO2的含量107.出塔气体的组成10三、热量衡算111.混合气体的定压比热容112.液体的比热容123.CO2的溶解热134.出塔溶液的温度135.最终的衡算结果汇总14四、设备的工艺与结构尺寸的设计计算15（一）确定塔径及相关参数15五、填料层高度的计算17六、填料层的压降25七、附属设备及主要附件的选型251.塔壁厚25

3、2液体分布器253除沫器254液体再分布器265填料支撑板266塔的顶部空间高度26八、设计概要表 27九、对本设计的评价 28参考文献28化工原理课程设计任务书碳酸丙烯酯（PC）脱碳填料塔的工艺设计一、设计题目设计一座碳酸丙烯酯（PC）脱碳填料塔二、操作条件1.变换气组成为：CO2：28.0；CO：2.5；H2：47.2；N2：22.3。（均为体积%，下同。其它组分被忽略）；2.要求出塔净化气中CO2的浓度不超过0.5%；3.PC吸收剂的入塔浓度根据操作情况自选；4.气液两相的入塔温度均选定为30；5.操作压强为1.6MPa；三、设计内容1.设计方案的简介及对设备形式进行论述优缺点。2.填料

4、吸收塔的工艺计算3.塔和塔板主要工艺结构的设计计算4.填料吸收塔附属结构的选型与设计5.塔的工艺计算结果汇总一览表6.填料吸收塔与液体再分布器的工艺条件图7.对本设计的评述或对有关问题的分析与讨论。四、基础数据1.碳酸丙烯酯（PC）的物理性质2.比热计算式 3.CO2在碳酸丙烯酯（PC）中的溶解度 4.CO2在碳酸丙烯酯（PC）中的溶解热5.其他物性数据可查化工原理附录。 设计依据一、计算前的准备吸收是利用各组分溶解度的不同而分离气体混合物的操作。混合气体与适当的液体接触，气体中的一个或几个组分便溶解于液体中而形成溶液，于是原组分的一分离。对与此题中的易溶气体是CO2 。变换气：30000Nm

5、/h。变换气组成及分压如下表进塔变换气CO2COH2N2合计体积百分数，%28.02.547.222.3100组分分压，MPa0.4480.0400.7550.3571.600组分分压，kgf/cm24.5680.4087.7013.63816.32组分分压，atm4.3900.3927.4013.94616.129注：1 kgf/cm2=98.0665kpa,1Mpa=9.8 atm CO2 在pc中的溶解度关系 因为是高浓度气体吸收，故吸收塔内的溶解热映予考虑。现假设出塔气得温度与入塔液的温度相同，喂T=30C.出塔液的温度为T=40C，并取吸收饱和度（定义为出塔溶液浓度对其平衡浓度的百分

6、数）为80%，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。有人关联出了CO在PC中的溶解的相平衡关系，因数据来源不同，关联式略有差异，如经验公式物理量单位此处采用表中的关联式（a），计算出塔溶液中的CO2 浓度有 式中，102.09为PC的摩尔质量，kg/kmol;1184为出塔液的密度（近似取纯PC的密度），kg/m。 PC密度与温度的关系 PC密度与温度的关系为：30：; 40:PC的蒸汽压 查PC理化数据4，PC蒸汽压与操作总压及CO2的气相分压比均很小，故可认为PC不挥发。PC的粘度 mPas（T为热力学温度，K）其他物性将在后续计算中相继给出。二、物料衡算 .各组分在PC中

7、的溶解量查各组分在操作压力为1.6MPa、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80%，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：式中：1184为PC在40时的密度，102.09为PC的相对摩尔质量。 组分溶解度与溶解气体组成的体积分数组分CO2COH2N2合计组分分压，MPa0.4480.0400.7550.3571.60溶解度，Nm3/m3PC10.440.0160.2230.22310.90溶解量，Nm3/m3PC8.2020.01280.17840.17848.5216溶解气所占的百分数%

8、95.660.152.09352.0935100因为溶解气中CO2中占到了95.66%，其他气体在pc中的溶解度很小，故可将除CO2以外的组分视为惰性气体而忽略不计，而只考虑CO2的溶解吸收，即将多组分的吸收简化为单组分的吸收问题。 说明：进塔吸收液中CO2的残值取0.15 Nm3/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。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 ： Nm3/m3PCPC对的实际溶解能力为 .溶剂夹带量Nm3/m3PC以0.2Nm3/m3PC计，各组分被夹带的量如下：CO2：0.20.28=0.

9、056 Nm3/m3PC CO：0.20.025=0.005 Nm3/m3PCH2：0.20.472=0.0944 Nm3/m3PC N2：0.20.223=0.0446 Nm3/m3PC.溶液带出的气量Nm3/m3PC为夹带量与溶解量之和：CO2： 0.056+8.202=8.258Nm3/m3PC 94.14%CO： 0.005+0.0138=0.0178 Nm3/m3PC 0.20% H2： 0.0944+0.1784=0.2728 Nm3/m3PC 3.11% N2： 0.0446+0.1784=0.223 Nm3/m3PC 2.54 % 8.7716 Nm3/m3PC 100% .出

10、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，以分别代表CO2相应的体积分率，对CO2作物料衡算有：V1 =30000 Nm3/ h联立两式解之得V3=V1(y1-y2)/(y3-y2)=30000(0.280.005)/(0.94140.005)=8810.34Nm3/hV2 = V1 - V3 =21189.66 Nm3/ h.计算PC循环量因每1 m3PC 带出CO2为8.258 Nm3 ，故有：L=V3y3/8.258=8810.340.9414/8.258=1004.37m3/h=1004.371184=.29kg/h操作的气液比为V1/L=30000/1004.37=29.

11、87N m3/ m3.带出气体的质量流量夹带气量：1004.370.2=200.87 Nm3/ h夹带气的平均分子量：夹带气的质量流量：200.8722.420.208=181.22kg/h溶解气量：8810.34200.87=8609.47 Nm3/ h溶解气的平均分子量溶解气的质量流量：8609.4722.442.76=16434.86kg/h带出气体的总质量流量：181.2216434.86=16616.08 kg/h.验算吸收液中CO2的残量为0.15 Nm3/m3PC PC时净化量中的含量取脱碳塔阻力降为0.3kgf/cm2，则塔顶压强为16.315-0.3=16.015kgf/cm

12、2，此时CO2的分压为 kgf/cm2，与此分压呈平衡的CO2液相浓度为： 式中：1192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0.5%，那入塔吸收液中CO2的极限浓度不可超过0.216Nm3/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CO2：1004.370.15.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。CO2：300000.288.2581004.37=105.91Nm3/h 0.50%CO： 300000.0250.01781004.37=732.1

13、2Nm3/h 3.46%H2： 300000.4720.27281004.37=13886Nm3/h 65.53%N2： 300000.2230.2231004.37=6466.03Nm3/h 30.51%21190.06Nm3/h 100%出塔气的平均分子量：280.034620.6553280.3051=11.0422kg/mol出塔气的质量流量：三、热量衡算在物料衡算中曾假设出塔溶液的温度为40，出塔气相的温度为30，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，应调整出塔液相得温度、溶剂吸收饱和度和溶解循环量，以使热量横算得到的结果与物料横算所作的假设大致相等或完全

14、一致。具体步骤如下：.混合气体的定压比热容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：系数abcdCpi（30）CO24.7281.75410-2-1.33810-54.09710-98.929/37.39CO7.373-0.30710-26.66210-6-3.03710-96.969/29.18H26.4832.21510-3-3.29810-61.82610-96.902/28.90N27.440-0.32410-26.410-6-2.7910-96.968/29.18表中Cp的单位为（kcal/kmol）/（kJ/km

15、ol）进出塔气体的摩尔比热容Cpv2=Cpiyi =37.390.0050+29.180.0346+28.900.6553+29.180.3051 =29.04 KJ/Kmol.液体的比热容溶解气体占溶液的质量分数：1184为40纯PC的密度其量很少，因此可用纯PC的密度替代溶液的密度其他物性亦如此。文献差得纯PC的定压比热容 kJ/kg 据此可得：.CO2的溶解热文献查得 kJ/kmolCO2（实验测定值），CO2在PC中的溶解量为10.441004.37=10485.62Nm3/h=468.11kmol/h故Qs=14654468.11=.2kJ/h.出塔溶液的温度设出塔气体温度为40，全

16、塔热量衡算有：带入的热量（QV1+QL2）+ 溶解热量（Qs）= 带出的热量（QV2+QL1）+Qv1=V1Cpv1(Tv1T0)=3000031.3530/22.4= kJ/hQL2=L2CpL2(TL2T0)= .291.42630=kJ/hQs=.2kJ/hQv2=V2Cpv2(Tv2T0)=21190.0629.0430/22.4=kJ/hQL1=L1CpL1(TL1T0)=(16434.86+.29)1.444TL1=.4 TL1kJ/h200.87/22.429.04 TL1=260.41 TL1式中+=+.4260.41TL1 TL1=33.4 现均按文献值作热量衡算，即取CpL

17、1=0.3894 kJ/kg；CpL2=0.3795 kJ/kgQv1=V1Cpv1(Tv1T0)=3000031.3530/22.4= kJ/hQL2=L2CpL2(TL2T0)= .290.379530=.4kJ/hQs=.2kJ/hQv2=V2Cpv2(Tv2T0)=21190.0629.0430/22.4=kJ/hQL1=L1CpL1(TL1T0)=(16434.86+.29)0.3894TL1=.2 TL1kJ/h+.4+=+.3TL1 TL1=44.3 Qv夹=11536 kJ/h QL1 =+.4+.最终的衡算结果汇总出塔气相及其组成（40）V2=21190.06Nm3/hCO2

18、COH2N221190105.9573207Nm3/h0.50 3.4665.5330.51%QV2=kJ/h入塔液相及其组成（30）L2=.29 kg/hCO2COH2N2151-Nm3/h-%QL2=kJ/h入塔气相及其组成（30）V1=30000 Nm3/hCO2COH2N2300008400750141606690Nm3/h28.02.547.222.3%QV1=kJ/h出塔液相带出气量及其组成（40L1=.29+16434.86=kg/hCO2COH2N28812.58296.117.6274.05223.8Nm3/h94.140.203.112.54%脱碳

19、塔溶解气量及其组成（40）L1=.29+16434.86=kg/hCO2COH2N286098235.8 12.91180.23180.23Nm3/h95.660.152.09352.0935%Qs=kJ/h四、确定塔径及相关参数计算公式： 由物料横算知，塔内气相负荷变化大，故考虑采用变径塔。塔底气负荷最大，塔顶气液负荷最小，依塔顶、塔底气液负荷条件分别求取上、下两段径D、D。入塔气：出塔气：出塔液：入塔液： 选用DN50mm塑料鲍尔环（米字筋），其填料因子=120空隙率，比表面积，Bain-Hougen关联式常数A=0.0942，K=1.75。泛点气速采用Bain-Hougen关联图法求取，

20、并确定操作气速。 对塔下段求取泛点气速，并确定操作气速求取塔径Vs=30000(0.1013/1.6)(303.15/273.15)=2107.98m3/h=0.5856m3/sD=(40.5856/3.140.10)0.5=2.73m本次设计取D=2800mm 此时塔的截面积=0.785=5.851核算操作气速=Vs/ =0.5856/5.851=0.10m/s则操作气体速度取u=0.10m/s合适核算径比D/d=2800/50=561015（满足鲍尔环的径比要求）校核喷淋密度Umin= （LW） =0.08106.4=8.512m3/(m2.h)U1=（满足要求）对塔上段 求取泛点气速，并

21、确定操作气速 求取塔径 Vs=21190.06(0.1013/1.55)(303.15/273.15)=1536.97m3/h=0.4269m3/sD=(40.4269/3.140.10)0.5=2.33m取D=2400m此时塔的截面积=0.785=4.2617 核算操作气速=Vs/ =0.4269/4.2617=0.10m/s则操作气体速度取u2=0.10m/s合适核算径比 D/d=2400/50=481015（满足鲍尔环的径比要求）校核喷淋密度 Umin= （LW） =0.08106.4=8.512m3/(m2.h)U2=（满足要求）故塔德直径分别为D=2800mm，D=2400mm。 又

22、考虑到粗细两段的喷淋密度均远远大于最小喷淋密度，且变径幅度较小，故在粗细段不设侧线，也不考虑吸收液的部分在循环吸收问题。五、填料层高度的计算1. CO2在气相和液相中的扩散系数 CO2在气相中的扩散系数D 首先计算CO2在各组分中的扩散系数，然后在计算其在混合气体中的扩散系数。计算公式如下：（的单位为kPa） 查各组分的摩尔质量M和分子扩散体积，计算参数为塔底：温度30，压力为1.6MPa；塔顶：温度30，压力为1.55 MPa.并将在各组分中扩散系数按上式计算，其结果一并填入下表中。项目CO2COH2N2摩尔质量M4428228扩散体积26.918.97.0717.9塔底1.05234.17

23、261.0705塔顶1.08644.30771.1050平均1.06944.24021.0878=2.0858 m2/s=0.0075 m2/h，=2.1532m2/s=0.0078 m2/h平均为平均温度 30及平均压力1.575MPa下的数值。从、数值可以看出，塔顶、塔底的扩散系数并无明显差异，若差异太大，应在塔中插入若干分点后计算其平均值，这样做势必将增大物热衡算的工作量。 在液相中的扩散系数 关于在液相中的扩散系数，有下面的经验公式cm2/s （mPas）不知哪一个计算式较可靠，现取二者进行算术平均，即计算，塔底温度为40，塔顶温度为30。故=8.396313.152.173=1.20

24、61cm2/s=4.3418m2/h=8.396(303.15/2.596)=0.9804cm2/s=3.530m2/h2.173 mPas和2.596 mPas分别为PC为40 和30 时的黏度。2. 气液两相黏度（1） 气象黏度 （气体混合物的黏度） （纯组分的粘度）为0、常压下纯气体组分的粘度，mPas 。m为关联指数（见下表）mmCO21.3410-20.935H20.8410-20.771CO1.6610-20.758N21.6610-20.756在常压下及操作温度下，气相中单组分及混合物的黏度计算结果见表项目部位CO2COH2N2/ mPas塔顶301.47711.79640.91

25、031.7961塔底301.47711.79640.91031.7961=1.4876Pas=0.05355 kg/(m . h)=1.4928Pas=0.05374 kg/(m . h) 亦可利用对比态原理根据对比压力、对比温度和对比黏度的关系从图中查处各组分的黏度值，其值与利用公式所得到的结果基本相同。（2） 液相黏度 根据 mPas得=7.8230kg/ （3） 气液两相的密度进出塔气体的平均摩尔质量：，气相密度：,同样可算出液相密度：,（4） 气液两相的数 （5） 吸收液与填料的表面张力吸收液： （6） 惰性气体的对数平均分压塔底压力塔顶压力：取塔内压降为0.5（含49044pa），M

26、Pa（7） 气相的摩尔流率 （8） 填料的当量直径 （9） 气相质量流率G （10） 气相传质系数=1.195=1.195（11） 液相传质流率(喷淋密度) ;（12） 液相传质系数 =0.015 =0.015（13） 总传质系数 溶解度系数H,吸收后的溶液为稀溶液,且近似满足亨利定理(见船只单元数计算). , 从计算结果得出,PC吸收的过程为液膜控制,并且气膜阻力不可忽略(约占总阻力的20%),液膜阻力与气膜阻力之比约为4:1。 因吸收后的溶液仍为稀溶液，固,有：,（14） 有效传质比表面积 =（15） 计算塔顶、塔底二截面处的塔顶、塔底液相的平衡组成与实际组成x塔底：因吸收饱和度为80%；

27、故 塔顶：塔顶压力为1.55MPa，合15.8056，于是出塔净化气中CO2的分压为 （16） 有效体积但愿传质系数 ， （17） 液相总传质单元高度根据：塔底：塔顶：全塔： 实际上可将全塔按气相浓度分为两段（塔顶、塔底和塔中部）或更多，然后求取各段所对应的传质单元高度的平均值，这样的做法可能更为合理，但计算的工作量很大，此处分段，一律按全塔计算。 2.传质单元数的计算pc吸收的操作线方程和相平衡方程 因其他气体的溶解度很小，故将其他气体看作是惰性气体并视作恒定段，那么惰性气体的摩尔流率 又因为溶剂的蒸汽压很低，忽略溶剂的蒸发与夹带损失，并视作恒定不变，那么有： 吸收塔物料衡算的操作线方程为：

28、 因与塔截面积无关，将已知数据代入上式，整理得塔粗细两段的操作线均为： 吸收塔内的相平衡方程将相平衡关系中的气相分压P和液相中的浓度x转化为气液两相均以摩尔分数表示对应关系，即y=f（x），其转换过程如下： Pco=yP.利用两线方程求取传质推动力（x-x）因塔内的压力分布和温度分布未知，现假定总压降与气相浓度差成正比（实际上与填料层高度成正比，因填料层高度待求），将气相浓度变化范围等分成10个小区间，可求得各分点处的压力。温度分布可利用各区间的热量衡算求出。 忽略气体因温升引起的焓变、溶剂挥发带走的热量及塔的热损失，则气体溶解所释放的热量完全被吸收液所吸收，对第n个小区间作热量衡算有： 式中

29、，L为液相的摩尔流率；为第n区间内溶解气得平均微分摩尔溶解热，；为第n区间的平均定压比热容，其表达式为 。因液相温度变化很小，故取平均温度32.5下得值计算，避免试差的麻烦。于是有:依据上述假设在计算机上作出传质推动力及其倒数的计算结果，见下表。项目0123456789100.53.256.008.7511.5014.2517.0019.7522.5025.2528.000.05730.3360.5860.8501.1161.4231.7352.0272.3802.7563.16015.8015.8515.9015.9516.0016.0516.1016.1516.2016.2516.300.

30、0790.5150.9541.3961.8402.2802.7373.1893.6454.1034.564303.15304.15305.15306.15307.15308.15309.15310.15311.15312.15313.150.0810.5220.9521.3721.7802.1702.5662.9443.3113.6734.0244219.4537.6273.2191.57150.6133.87120.34109.05107.41109.05115.74求取传质单元数方法一因每一小区间的宽度并不等分，故不能用Simpson公式求取上述积分项，现采用中值矩形求和，即3、填料层的有

31、效船只高度及分段数计算结果：m考虑到公式的误差，取安全系数1.2，得填料层总高Z Z=1.2H=1.221.946=26.336m实际取25m，平均分成5段，其中粗塔段2层，细塔3，每段填料层高度为5.0m。七、计算填料层压降近似以塔顶、塔底的数据的数据采用Eckert通用关联图计算填料层压降。横坐标 得 塔顶X=8.73,塔底X=4.64；查资料的。得 塔顶Y=0.00076,塔底Y=0.0014 ;查图可知，他下段的压降约为20 mmH2O/m，塔上段压降也为75 mmH2O/m 七：附属设备及主要附件的选型1.塔壁厚 操作压力为1.6Mpa壁厚： 圆整后取25mm选用 22R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