合成氨脱碳塔计算部分_图文.

1、1 物料平衡计算基准要对吸收塔的负荷计算，必须对合成氨的工艺进行全面了解后，根据变换工段的 输送来的低变气组成和总湿气流量对全塔进行物料和能量衡算。现根据所给任务书 列出基础数据。组分组分H.NCOco?CH4ArH2O%49316.2303913.90.40.2119-51进塔温度进塔温度c125操作压强操作压强Mpa2.64780A .旧塔工艺指标：(1 贫液流量：旧塔为 120 m 3/h,温度为 70125C; (2 半贫液流量：旧塔为 980 m 3/h,温度为115C;(3 脱碳塔的尺寸：上塔:直径 2.5m，填料为金属鲍尔环,直径为38mm 高度为,15m,分两段。下塔：直径 3

2、.0m，填料为金属鲍尔环，直径为51mm 高度为 15m,分两段。B .净化气中 CO2 的含量 0.1%;温度为 70C;C .脱碳车间为每年工作日 300 天，每天 24 小时连续生产；D .脱碳塔的设计温度 150C,设计压强 3.2Mpa。1.1 进塔气体的组成和流量1.1.1 进塔气体湿基组成及摩尔流量A.进塔气体的湿基摩尔流量为31000V=4780=199167/8891.369/24Nm h kmol h进塔气体的湿基体积流量为5361.013310273125V =199*.249/2.610273m h?+? =?表 2:进塔气体湿基组成及摩尔流量组分组分HiCOCO2CH

3、4ArF菇组成気菇组成気6L.3220.160.4&17.270-500,26摩尔摩尔ift量量kmol/h1445.06934.6761235.90035.56518.672总辛尔流量总辛尔流量kinol/h7156.663B.平均分子量的计算组分组分N2COco:CH4千基组成千基组成% %61.3220.160.4817.270.50由平均分子量的计算公式i i M y M =?卫 1-1 湿基平均分子量为249.36%2816.32%280.39%4413.9%160.4%400.21%1819.51%15.42/M g mol =? +? +? +? +?+? +?=1.1.

4、2 进塔气体干基组成及摩尔流量2A.进塔气体的干基摩尔流量为8891.3691734.7067156.6V k m o l h =-表 4:进塔气体干基组成及摩尔流量殂分殂分H?COCO:CH4Ar干基组成干基组成% %20J60.4817.270.50(J.26燃尔漩届燃尔漩届ktnol/ti4388.7801443.(X5934.6761235.90035*5651&672总摩尔漩量总摩尔漩量kmol/h7156,563B .平均分子量的计算由公式（1-1 计算可得进塔气体干基平均分子量为261.32%2820.16%280.48%4417.27%160.5%400.26%14.7

5、9/M g mol=? +? +? +? +? +?=1.2 出塔气体的组成和流量 1.2.1 出塔气体干基组成及摩尔流量A.出塔气体的干基摩尔流量已知出塔气体中 CO 2 的干基组成为 0.1%,故可计算出塔 CO 2 的摩尔流量为20.1%363co co V V V =+ 其余(1-2解得出塔 CO 2 的摩尔流量为 5.927 kmol/h，总的吸收的 CO 2 的摩尔流量为1299.973 kmol/h。表 5:出塔气体干基组成及摩尔流量组分组分H?COCO：CH4Ar干干基组成基组成74.0524350.59OJO0.60032泾加泾加kiriol/li4388.7801443.0

6、C)934.67635,5651K672总摩尔流量总摩尔流量kmol/h592& &旳。旳。B .平均分子量的计算由公式（1-1 计算可得出塔气体干基平均分子量为274.05%2824.35%280.59%440.10%160.60%400.32%8.732/M g mol =? +? +? +? +? +?=1.2.2 出塔气体湿基组成及摩尔流量A .出塔气体的湿基摩尔流量 出塔气体中含水量的计算：已知出塔气体的温度为 70C,查该温度下水的饱和蒸汽压为 31.164KPa，由含水 量的计算公式0.6220.62231.164102.61031.164100.007546/v

7、 v P H P P kg kg?=-? -?=水绝干气(1-3故出塔气体中含水量为 390.528kg/h，即 21.700kmol/h。表 6:出塔气体湿基组成及摩尔流量36沾化剂沾化剂EDA缓蚀剂缓蚀剂H;O3030.566.5黄液黄液半贫液半贫液富液富液0.250.450.83B 平均分子量的计算由公式（1-1 计算可得出塔气体湿基平均分子量为273.78%2824.26%280.58%440.10%160.6%400.31%180.36%8.76/M g mol =? +? +? +? +? +? +?=1.3 吸收塔吸收的总的 CO 2 的量为237156.6635926.6901

8、229.973/27551.395/co V kmol h Nm h2 富液、贫液、半贫液相关计算2.1 吸收液的种类和浓度CO*活化剂活化剂EDA緩蚀剂緩蚀剂v:o5H3O3030566.52.2 贫液、半贫液的比例从理论讲，比例越低,贫液流量越小，接近等温循环的半贫液吸收的 CO 2 量所占 比重较大，溶液再生能耗加大，同时，改造后循环量加大，吸收塔、再生塔的浓度液相负 荷加大，喷淋密度加大,对吸收塔压降、通量、泛点、载点等均产生影响。故综合考 虑本设计中贫夜半贫液量比按照 20 : 80 设计。2.3 贫液、半贫液和富液的转化度K：CO5活化剂活化剂EDA緩蚀剂緩蚀剂v.o53030.5

9、2.4 贫液、半贫液的流量从化学反应平衡来看 K 2C0 3 吸收 CO 2 的反应为:K 2C0 3 + CO 2 +H 2O=2KHCO 3+QImolK 2CO 3 吸收 ImolCO 2,在 30%K 2CO 3,3%DEA 苯菲尔溶液中，其相对密 度约为 1.27 含 K2CO 3 为 381kg,即 2.76mol K 2CO 3 可吸收 CO 2 为 61.82Nm 3/t , 此为碳酸钾溶液理论最大吸收能力。吸收能力的定义为：每立方米 30%苯菲尔溶液可吸收的 CO 2 的量，其决定了溶液循环量。采用,3%DEA、30%K 2CO 3 吸收液，溶液吸收能力为 61.82Nm 3

10、CO 2/m 3,贫液转化度为 0.25 半贫液转化度 0.45,吸收塔底富液转化度为 0.83。设半贫液的流量为 F m 3/h,则贫液流量为（20/80F m 3/h,故溶液吸收 CO 2 为 20(0.830.45(0.830.2561.8227551.395 80F F -+? -?=故半贫液流量为 848.90 m 3/h 即 2342.806kmol/h,贫液流量为212.224 m 3/h,即 585.701 kmol/h。2.5 贫液、半贫液的物性数据根据本菲尔法溶液密度经验公式 (1.2940.02850.000011000c f t ?-?P?=+(2-1其中 f c 转化

11、度。贫液密度：3(1.2940.02850.000011000(1.2940.0280.2550.000017010001297.5/c f t kg m ? -?p=+? -?=半贫液密度：3(1.2940.02850.000011000(1.2940.0280.4250.0000111510001300.01/c f t kg m ? -?=+ =+? -?=查化学化工物性数据手册，知贫液粘度为卩 L =1.0 mPa ?半贫液的粘度为卩 L=0.585 mPa ?s2.6 吸收塔上、下两段吸收的 CO 2 的量上段吸收 CO 2 的量为(0.830.45890.266/F kmol h

12、-=下段吸收 CO 2 的量为20(0.830.25339.707/80F kmol h?-=3 吸收塔下塔出口工艺气组成和流量 3.1 出塔气体干基组成及摩尔流量A.出塔气体的干基摩尔流量的计算已求得下塔吸收 CO 2 的量为 890.266 kmol/h，故下塔出口气体中含有的 CO 2的量为 1235.900-890.266=345.634 kmol/h表 9:下塔出口气体干基组成及摩尔流量殂分殂分N;COCO；CH4Ar干基组成干基组成70.0423.030,555.520.57嶽勺：诡眉 kmol/h4388.78034.676345.63435.56518-672总华尔就吊 kiB

13、ol/li62396B .平均分子量的计算由公式（1-1 计算可得下塔出口气体干基平均分子量为270.04%2823.03%280.55% 44 5.52%160.57%400.30%10.6432/M g mol =? +? +? +? +? +?=3.2 出塔气体湿基组成及摩尔流量A .下塔出口气体的湿基摩尔流量 下塔出口气体中含水量的计算：已知下塔出口气体的温度为 115C,查该温度下水的饱和蒸汽压为 169.11KPa ,由含水量的计算公式（1-3 得363 0.6220.622169.11102.610169.11100.04327/v v P H P P kg k?= -? -?=

14、水绝干气故下塔出口气体中含水量为 2885.871kg/h 即 160.326 kmol/h表 10:出塔气体湿基组成及摩尔流量组分组分CO9CH4ArHC湿基组成湿基组成% %68.2922.450J4538O+552.49摩尔流尔流M kmol/h4388.7801443.06934.676345.63435.56518.672160.3总摩尔流总摩尔流it kmol/h6426J224 吸收塔空塔气速的计算 4.1 下塔空塔气速已知旧塔的下塔塔径为 3.0m，故由空塔气速公式(4-124sV u Dn =(4-1其中 V S 体积流量,m 3/s ;得下塔空塔气速为22411316.24

15、9436003.1430.445/s V u D m sn =?=4.2 上塔空塔气速下塔出口工艺气的流量为 6426.722kmol/h=143985.573Nm 3/h 故操作状况下下塔出口工艺气的体积流量为3273115 1.013310143958.573273 2.6107973.910/V m h + =?=所以根据公式（4-1 得上塔空塔气速为2247973.910436003.1430.451/s?=5 吸收塔水力核算填料吸收塔的流体力学计算方法较多，由于各家的实验研究结果往往有大的差 异目前发表的公式在高压、高喷淋密度下准确性均不太理想，将结论运用到不同体 系和将小它所研究的

16、数据推广常常有较大的误差。一般采用理论计算和实际相结合的 方法进行检验、校正。对填料塔设计计算，重要的是确定塔经，但对于已有塔经而言，塔经、操作气速由 扩幅确定。设计的目的应为确认旧塔在该操作气速是否能继续稳定、安全运行，是否需要填料、内件的改造。5.1 吸收塔上塔水力核算 5.1.1 吸收塔上塔泛点气速计43lg(f G G L L L u L A B g Ga(P-2ygpp =上塔工艺气体的流箍上塔工艺气体的流箍G(kg/h)69552.556上塔工艺气体的湿婕密度上塔工艺气体的湿婕密度p (kg/m3)8.723贫液流量贫液流量L(kg/ti)275360.64贫液液体密度贫液液体密度

17、p(kg/m3)1297,5箴液液体地黏度亠箴液液体地黏度亠(mPa*s)LO重力抑速度重力抑速度g(in/s*)9.81其中工艺气体密度的计算公式如下PMRTp =(5-1故上塔工艺气体的密度为332.61010.82248.723/8.314(115273PM kg m RT ? =? +上塔采用国产规格为 50(米的瓷质阶梯环，其几何特性数据如表 12 所示,上塔工艺气体的流量上塔工艺气体的流量G (kg)69552.556上塔工艺气体的湿基密度上塔工艺气体的湿基密度p (kg/m58723由贝恩-霍根公式计算泛点气速2110.28其中 u f 泛点气速,m/s ; g 重力加速度，9.

18、81m/s 2;a / 3填料因子,m -1;卩 L 徹相粘度,mPa ?s ;L ,G 液体、气体的质量流量，kg/h ;pL ,液体气体的密度，kg/m 3。对于国产瓷质阶梯环填料取 A=0.2943,B=-1.75,故吸收塔上塔泛点气速为2110.2848.723275360.648.7231 g 223( 1.00.2943 1.75(9.811297.569552.5561297.5f u ?=-解得 u f =0.784m/s空塔气速为泛点气速的 0.451/0.784=57.5%低于泛点气速，故可以稳定运行。5.1.2 吸收塔上塔填料体积核算一般填料塔填料体积的计算为在确定了塔径

19、后采用传质单元高度法计算，由传质单元数和传质单元高度，推出填料层高度，或采用理论等板高度法，在高浓度下，一 般需图解积分计算，目前也有解析计算的方法。在本文中，吸收任务确定,吸收塔径确定，体积传质系数计算出。故根据苯菲尔法 计算填料体积的资料，采用以下公式计算填料体积：2G CO F V K Pa =? ? (5-3其中 V 填料体积,m 3;F 负荷因子；K Ga体积传质系数，kmol/(m 2?s ?KPa;&对数平均推动力，KPa。A .负荷因子的计算 根据负荷因子的计算公式0.5(G L L F Gpp =? (5-4其中 L ,G 液体、气体的质量流量，kg/h ;pL ,p

20、液体气体的密度，kg/m 3。吸收塔上段负荷因子为0.50.5275360.648.723(69552.5561297.50.3246G L L F Gpp =? =?=B.对数平均推动力的计算查文献得下图，下图为本菲尔溶液中二氧化碳平衡压强图，图 1:本菲尔溶液中二氧化碳平衡压强注:实线:30%K 2C0 3,3%DEA 溶液 点划线:27% K 2C0 3,2.9% DEA 溶液根据上图，以及物性数据查得，塔顶平衡 CO 2 压力为20.2CO P KPa *=塔中平衡 CO 2 压力为226.5CO P KPa塔顶 CO 2 分压为232.6100.001 2.6CO P KPa=?=塔

21、中 CO 2 分压为232.6100.0538139.88CO P KPa=?=塔顶推动力为1 2.60.2 2.4P KPa ?=-=塔中推动力为2139.8826.5113.38P KPa ?=上塔对数平均浓度差为1212In 2.4113.382.41 n113.3828.787P P P P KPa ?=?_=C .体积传质系数的计算由大型合成氨文献查得，热钾碱法的体积传质系数计算公式为232.62230.019COt P G KIa=? (5-5其中 I 喷淋密度,kg/(m 2?h;t 溶液温度，C ;P CO2-气体中 CO 2 分压,atm。对于吸收塔上塔，喷淋密度为22275

22、360.6456124.46/(2.54I kg m hn=? ?代入数据得上塔的体积传质系数为2.622330.0190.00019/(8t P G K lkmol m s KPa -=? =? ?根据以上计算可得填料体积为40.324659.340.0001928.787G CO F V m K P a二=? ?实际填装的填料体积为 73.59m 3,仅对填料体积而言，满足生产要求。5.2 吸收塔下塔水力核算 5.2.1 吸收塔下塔泛点气速计算F塔工艺气体的流量塔工艺气体的流量G(kg/h)137104,91下塔工艺气体的湿甚密度下塔工艺气体的湿甚密度p (kg/m1)12.116半贫液流

23、戢半贫液流戢L(kg/h1)03578.489半贫液液体密度半贫液液体密度pkg/m )1300.01半贫液液体地黏度比半贫液液体地黏度比(mPaas)0-585重力加速度重力加速度g(m/s2)9-81其中下塔工艺气体的密度由公式(5-1 计算,为332.61015.4212.116/8.314(125273PM kg m RT ? =? +下塔采用国产规格为 70(米的瓷质阶梯环，其几何特性数据如表 14 所示,卜卜塔工艺气体的流量塔工艺气体的流量G (kgO137104.9；F塔匸艺气体的湿坯靈度塔匸艺气体的湿坯靈度p12J H5吸收塔下塔泛点气速由公式(5-2 计算，为2110.281

24、2.1161103578.48912.116lg126(0.5850.2943 1.75(9.811300.01137104.911300.01f1212u ?=-解得 u f =0.645m/s空塔气速为泛点气速的 0.445/0.645=68.9%低于泛点气速，故可以稳定运行 5.2.2 吸收塔下塔填料体积核算根据公式(5-3 计算填料体积2G CO FV K Pa =? ? (5-3A 负荷因子的计算根据负荷因子的计算公式(5-4 得吸收塔下段负荷因子为0.50.51103578.48912.116(137104.911300.010.7771G L L F Gpp =? =?=B.对数

25、平均推动力的计算 查图 1 可得以下数据塔中平衡 CO 2 压力为226.5CO P KPa塔底平衡 CO 2 压力为2210.5CO P KPa *=塔中 CO 2 分压为232.6100.0538139.88CO P KPa =?=塔底 CO 2 分压为232.6100.1727449.02CO P KPa =?=塔中推动力为1139.8826.5113.38P KPa ?=塔底推动力为2449.02210.5238.52P KPa ?=下塔对数平均浓度差为1212In 113.38238.52113.38ln238.5263.245P P P P P KPa ? =?_=C .体积传质系

26、数的计算对于吸收塔下塔，喷淋密度为 221103578.489156203.61/(34I kg m hn=代入数据得下塔的体积传质系数为2.622330.0190.00016/(C0t P G K lkmol m s KPa -=? =? ?根据以上计算可得填料体积为230.777176.790.0001663.245G CO F V m K Pa =? ?p。实际填装的填料体积为 105.975m3,仅对填料体积而言，满足生产要求。6 吸收塔压降复核计算6.1 上塔压降复核图 2 为 Eckert 所绘制的用于泛点和压降计算的通用关联图，简称通用图。图中 为一条散装填料的泛点线，可用来计算不同操作条件下散装填料的液泛点气速。在 泛点线的下部是一簇等压降线，用作计算各