碳酸丙烯酯(PC)脱碳填料塔的工艺设计.doc

1、碳酸丙烯酯（pc）脱碳填料塔的工艺设计学 校 上海工程技术大学专 业 姓 名 学 号 上海工程技术大学化工原理课程设计任务书课程设计题目碳酸丙烯酯（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，要求年产合成氨48500t/a。二、操作条件1.每吨氨耗变换气取4300nm3变换气/ t氨；2.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）；3.要求出塔净化气中co2的浓度不超过0.5%；4.pc吸收剂的入塔浓度根据操作情况自选；5.气液两相的入塔温度均选定为30；6.操作压强为1.6mpa；7.年工

2、作日330天，每天24小时连续运行。三、设计内容1.设计方案的确定及工艺流程的说明；2.填料吸收塔的工艺计算；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.吸收塔的工艺流程图；7.填料吸收塔与液体再分布器的工艺条件图；8.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）的物理性质正常沸点，（）蒸汽压133.32-1pa粘度，mpas分子量20430382050102.090.10.242.761.62温度，（）015254055（kg/m3）122412071198118411692.比热计算式 3.co2

3、在碳酸丙烯酯（pc）中的溶解度温度t，（）2526.737.84050亨利系数e101.3-1kpa81.1381.7101.7103.5120.84.co2在碳酸丙烯酯（pc）中的溶解热可近似按下式计算（以表示）5.其他物性数据可查化工原理附录。1目录一、设计依据：1二、基础数据21.co2在碳酸丙烯酯（pc）中的溶解度22.pc密度与温度的关系33.pc蒸汽压的影响44.pc的粘度45.工艺流程确定4三、物料衡算51.各组分在pc中的溶解量52.雾沫夹带量nm3/m3pc53.溶液带出的气量nm3/m3pc54.出脱碳塔进化气量：65.计算pc循环量：66.验算吸收液中co2残量为0.15

4、 nm3/m3pc时净化气中co2的含量67.出塔气体的组成：78.计算数据总表8四、热量恒算91.混合气体的定压比热容92.液体的比热容93.co2的溶解热104.出塔溶液的温度105.最终的衡算结果汇总11五、设备的工艺与结构尺寸的设计计算121求取塔径132.核算操作气速133. 核算径比134.校核喷淋密度13六、填料层高度的计算14七、填料层的压降18八、附属设备及主要附件的选型18九、设计概要表19十、设计评价及总结20参考文献20一、设计依据：无论是以固体原料或以烃类原料制氨，经co变换后得粗原料气中均含有一定数量的co2；某些用于制取合成氨原料气的含烃气体（如天然气焦炉气等）本

5、身就含有较多的co2为了将原料气加工成纯净的h2和n2，必须将这些co2从粗原料气中除去。此外，co2还是生产尿素,纯碱,碳铵等产品的原料,而且还可以将其加工成干冰用于其他部门。因此，从粗原料气中分离并回co2收尤为重要。工业上把脱除的过程称为“脱碳”。目前工业脱碳的方法很多，其中碳酸丙烯酯（pc）脱碳在中小合成氨厂被广泛采用，现针对碳丙脱碳塔进行物热衡算，为碳丙脱碳塔的工艺结构设计作准备。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 。二、基础数据依题意：年工作日

6、以330天，每天以24小时连续运行计，有：合成氨：48500t/a= 146.970t/d=6.124t/h变换气： 4300m3（标）变换气/t氨（简记为nm3/t）v = 6.1244300=26333.2 nm3/h变换气组成及分压如下表所示：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/cm24.5680.4087.7013.63816.321. co2在碳酸丙烯酯（pc）中的溶解度温度t，（）2526.737.84050亨利系数e101.3-1kpa81.1381.

7、7101.7103.5120.8得到kpa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e40=103.5101.3 kpa=10485 kpa出塔溶液中co2的浓度（假设其满足亨利定律）（摩尔分数）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： co2在pc中溶解的相平衡关系，即：式中：为摩尔比，kmolco2

8、/kmolpc；为co2的分压，kgf/cm2；t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）。2.pc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）温度，（）015254055（kg/m3）122412071198118411693.pc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。4.pc的粘度 mpas（t为热力学温度，k）5.工艺流程确定本次吸收采用逆流吸收的方法。三、物料衡算1.各组分在

9、pc中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70%。co2溶解量的计算如下：通过第一部分已知co2在40的平衡溶解度 nm3/m3pc式中：1184为pc在40时的密度，102.09为pc的相对摩尔质量。co2的溶解量为（10.44-0.15）0.7=7.203 nm3/m3pc其余计算结果如下表所示：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/m3pc7.2030.0110.1560.1567

10、.526溶解气所占的百分数%95.710.152.072.07100.00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。其他组分溶解度本就微小，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：溶解气体的平均分子量：2.雾沫夹带量nm3/m3pc以0.2 nm3/m3pc计，各组分被夹带的量如下：co2：0.20.28=0.056 nm3/m3pcco： 0.20.025=0.005 nm3/m3pch2： 0.20.472=0.0944 nm3/m3pcn2： 0.20.223=0.0446 nm3/m3pc3.溶液带出的气量nm3/m3pc各

11、组分溶解量：co2： 7.203 nm3/m3pc 95.71%co： 0.011 nm3/m3pc 0.15%h2： 0.156 nm3/m3pc 2.07%n2： 0.156nm3/m3pc 2.07%7.526 nm3/m3pc 100%夹带量与溶解量之和：co2：0.056+7.203=7.259 nm3/m3pc 93.96%co：0.005+0.011=0.016 nm3/m3pc 0.21%h2：0.0944+0.156=0.250 nm3/m3pc 3.23%n2：0.0446+0.156=0.201 nm3/m3pc 2.60%7.726 nm3/m3pc 100%4.出脱碳

12、塔进化气量：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 =26333.2nm3/ h联立两式解之得v3=v1(y1-y2)/(y3-y2)=43006.124(0.280.005)/(0.93960.005)=7748.374nm3/hv2 = v1 - v3 =18584.826 nm3/ h5.计算pc循环量：因每1 m3pc 带出co2为7.259 nm3 ，故有：l=v3y3/7.259=7748.3740.9396/7.259=1002.944m3/h操作的气液比为v1/l=26333.2/1002.944=26.2566.验算

13、吸收液中co2残量为0.15 nm3/m3pc时净化气中co2的含量取脱碳塔阻力降为0.3kgf/cm2，则塔顶压强为16.32-0.3=16.02 kgf/cm2，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：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0.5%，那入塔吸收液中co2的极限浓度不可超过0.216 nm3/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。7.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。co2：26333.20.

14、28-7.2591002.944=92.926nm3/h 0.50%co： 26333.20.025-0.0161002.944=632.283nm3/h 3.46%h2： 26333.20.472-0.2501002.944=12178.534nm3/h 65.53%n2： 26333.20.223-0.2011002.944=5670.712nm3/h 30.51%18584.455nm3/h 100%8.计算数据总表出脱碳塔净化气量进塔带出气量(v1)nm3/h出塔气量(v2)nm3/h溶液带出的总气量(v3)nm3/h26333.218584.4557748.374气液比26.256入

15、塔气体平均分子量20.208溶解气体平均分子量42.775pc中的溶解量(溶解气量及其组成）40组分co2coh2n2总量溶解度，nm3/m3pc10.44 0.02 0.22 0.22 10.90 溶解量，nm3/m3pc7.203 0.0110.156 0.156 7.526 溶解体积流量nm3/h7224.206 11.032 156.460156.4607548.157 溶解气所占的百分数%95.71 0.15 2.07 2.07 100.00 出塔液相带出气量及其组成 40溶解量，nm3/m3pc7.2590.016 0.2500.201 7.726 体积流量nm3/h7252.18

16、416.272 250.272 201.4587748.374溶解气所占的百分数%93.96 0.21 3.23 2.60 100.00 入塔气相及其组成 30体积流量nm3/h7373.296658.33 12429.270 5823.304 26333.2溶解气所占的百分数%28.00 2.50 47.20 22.30 100.00 出塔气相的组成 35体积流量nm3/h92.926642.283 12178.5345670.71218584.455溶解气所占的百分数%0.50 3.46 65.53 30.51 100.00 入塔液相及其组成 30体积流量nm3/h149.00 149溶解

17、气所占的百分数%100.00 100四、热量恒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abcdcp1（30）cp2（32）co24.7281.75410-2-1.33810-54.09710-98.929/37.388.951/37.48co7.373-0.30710-26.66210-6-3.03710-96.969/29

18、.186.97/29.18h26.4832.21510-3-3.29810-61.82610-96.902/28.906.904/28.91n27.440-0.32410-26.410-6-2.7910-96.968/29.186.968/29.18表中cp的单位为（kcal/kmol）/（kj/kmol）进出塔气体的比热容cpv2=cpiyi =37.480.0050+29.180.0346+28.910.6553+29.180.3051 =29.04 kj/kmol2.液体的比热容溶解气体占溶液的质量分率可这样计算：质量分率为其量很少，因此可用纯pc的比热容代之。本设计题目中： kj/kg

19、文献查得 kj/kg,据此算得： kj/kg； kj/kg本设计采用后者。3.的溶解热kj/kmolco2文献查得 kj/kmolco2（实验测定值）本设计采用后者。co2在pc中的溶解量为7.2031002.944=7224.206nm3/h=322.509kmol/h故qs=14654322.509=4726046.886kj/h4.出塔溶液的温度设出塔气体温度为35，全塔热量衡算有：带入的热量（qv1+ql2）+ 溶解热量（qs）= 带出的热量（qv2+ql1）现均按文献值作热量衡算，即取 kj/kg； kj/kgqv1=v1cpv1(tv1t0)=26333.231.3430/22.4

20、=1105289.046kj/hql2=l2cpl2(tl2t0)=1002.94411930.379530=13622291.31kj/hqv2=v2cpv2(tv2t0)=18584.82629.0435/22.4=843286.4798kj/hql1=l1cpl1(tl1t0)=1211270.8820.3894tl1=471668.8814 tl1kj/h式中：l1=1002.9441193+(7748.374-0.21002.944)42.775/22.4=1211270.882 kg/h1105289.046+13622291.31+4726046.886=843286.4798+

21、471668.8814tl1t l1=39.456 与理论值比较后，取t l1=39.5 215.最终的衡算结果汇总出塔气相及其组成（35）v2=18584.455nm3/hco2coh2n292.926 632.283 12178.534 5670.712 nm3/h0.50 3.46 65.53 30.51 %qv2=843286.4798kj/h入塔液相及其组成（30）l2=1002.944m3/hco2coh2n2149-nm3/h-%ql2=13622291.31kj/h入塔气相及其组成（30）v1=26333.2 nm3/hco2coh2n226333.27273.296 658.

22、33 12429.2705872.304 nm3/h28.02.547.222.3%qv1=1105289.046kj/h出塔液相带出气量及其组成（40）l1=1187485.696kg/hco2coh2n269466526.46 14.59 224.36 180.60 nm3/h93.960.213.242.60%脱碳塔溶解气量及其组成（40）l1=1211270.882kg/hco2coh2n27458.1577224.206 11.032 156.460156.460nm3/h95.710.152.072.07%qs=4726046.886kj/h五、设备的工艺与结构尺寸的设计计算计算公

23、式： 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。入塔混合气体的质量流量：v=(26333.222.4)20.208=23756.308 kg/h注：20.208为入塔混合气体的平均分子量，11.042为出塔混合气体的平均分子量mm2 = 440.005+280.0346+20.6553+280.3051= 11.042kg/kmol塔底吸收液的质量流量：l=1211270.882kg/h入塔混合气的密度（未考虑压缩因子）：吸收液的密度（40）吸收液的粘度，依下式计算得到：mpas（平均温度35时的值）选mm塑料鲍尔环（米字筋），其湿填

24、料因子，空隙率，比表面积，bain-hougen关联式常数。选用bain-hougen关联式求解根据设计u=0.1m/s1求取塔径vs=26333.2(0.1013/1.6)(303.15/273.15)=1850.331m3/h=0.514m3/sd=(40.514/（3.140.1)0.5=2.569m本次设计取d=2600mm2.核算操作气速u=4vs/(3.14d2)=40.514/(3.142.62)=0.0969m/s则操作气体速度取u=0.10m/s合适3. 核算径比d/d=26400/50=521015（满足鲍尔环的径比要求）4.校核喷淋密度采用聚丙烯填料表面l喷，min=（m

25、wr）at =0.08106.4=8.512m3/(m2.h)l喷=（满足要求）六、填料层高度的计算塔截面积=0.785d2=5.307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为恒定不变，那么，惰性气体的摩尔流率g=26333.2(1-0.28)/(22.43600)=0.0480kmol/(m2s)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l=1002.9441193/(102.0936005.307)=0.6135kmol/(m2s)，吸收塔物料衡算的操作线方程为：将上述已知数据代入操作线方程，整理得：采用数值积分法求解，详细结果见表6-1。步骤如下：

26、将气相浓度在其操作范围内10等份，利用操作线方程求取各分点y所对应的x，将计算结果列于表中的第1、2行。计算各分点截面处的气液相流率g= l= 将计算结果列入表中的3、4列。计算压力和温度t，压力按浓度分布，温度按计算，将计算结果列于表中第5、6行。计算式中的各项参数，按下式计算：= 取，不变（前已算出塔顶、塔底变化很小）。将计算结果列于表中710行。计算值，按下式计算： m/h将计算结果列于表中1114行。计算将计算结果列于表中1516行。计算将计算结果列于表中17、18行。计算将计算结果列于表中19行。计算将计算结果列于表中的2024行。求取积分项z=1.5h=27.48m。实际取z=28

27、m，分4段，每段7m。表格 6-1 数值积分结果汇总项目012345678910y0.0050.03250.060.08750.1150.14250.170.19750.2250.25250.28x0.000213170.0024420030.0047904450.0072683910.0098868540.0126581380.0155960230.0187159960.022035530.0255744020.029355095g0.0482412060.0496124030.051063830.052602740.0542372880.0559766760.0578313250.0598

28、130840.0619354840.0642140470.066666667l0.6136308080.6150018360.6164530850.6179918060.6196261530.6213653280.6232197490.6252012650.6273234040.6296016870.63205400616.0216.0516.0816.1116.1416.1716.216.2316.2616.2916.32t303.15304.15305.15306.15307.15308.15309.15310.15311.15312.15313.15气相平均分子量11.1212.0312

29、.9413.8514.7615.6716.5817.4918.3919.320.2112.1313.1414.1315.1316.1217.1218.1119.0920.0821.0622.041.551.51.451.41.351.31.251.21.151.11.05 0.6013306710.6371068410.6738543090.7128173160.7536575910.7973271620.8435693030.8927995270.946304241.0036474181.0659826392.5957005062.5472418152.5003074982.45483448

30、22.4107628772.368035792.3265991422.2864015152.2473939922.2095300162.1727652591192.341191.3081190.2761189.2441188.2121187.181186.1481185.1161184.0841183.0521182.023.53003e-063.60905e-063.68888e-063.76953e-063.85098e-063.93323e-064.01627e-064.1001e-064.18471e-064.2701e-064.35627e-060.9736656410.997919

31、2391.0225395821.0475358021.0729183711.0986993251.1248925111.1515139011.1785819591.2061180971.234147222h 0.1324093890.1299082880.1274958240.1251673670.1229186050.1207455140.1186443380.1166115660.1146439110.1127382930.1108918240.8017699320.8291952640.8567797580.884786150.9131307310.9419699660.97123261

32、51.0009655531.0313250851.0622084621.093728249520953.12519475.68517998.24516520.8515043.36513565.92512088.48510611.04509133.6507656.16506178.720.7680136960.7722816270.7765987520.7809694140.7853984440.7898912390.7944538490.7990930910.803816680.8086333920.813553255274.4846466265.176451256.4166298248.08

33、49174240.1754891232.6200926225.4152693218.529181211.9115558205.5709703199.47253381-x0.999786830.9975579970.9952095550.9927316090.9901131460.9873418620.9844039770.9812840040.977964470.9744255980.9706449050.08010.5216250.96481.4096251.85612.3042252.7543.2054253.65854.1132254.56966.91027e-050.000442661

34、0.0008054730.0011578920.0015002570.0018328950.0021561220.002470240.0027755410.0030723070.003360809-x0.00669710.0418241020.0757568660.1085207930.1401388370.1706313950.200016170.2283079920.2555185930.281656330.306725833积分项6677.6694871111.748802637.745351462.4529363371.8670651317.1051491280.8338179255.

35、4021638236.9306588223.1854573212.8581807七、填料层的压降用eckert通用关联图计算压降横坐标：（前已算出）纵坐标：0.00133查图得：30mmh2o/m八、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22mm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，改善塔后动力设备的操作。此次设计采用网丝除沫器。u=除沫器直径 4液体再分布器液

36、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1.21.5m，本次设计取1.2m九、设计概要表入塔混合气体的质量流量v23756.308kg/h塔底吸收液的质量流量l1085385kg/h入塔混合气的密度p12.83kg/m3吸收液的粘度2.368mpas填料因子120m-1空隙率0.9比表面积106.4m2/m3bain-hougen关联式常数a0.0942bain-hougen关