碳酸丙烯酯脱碳课程设计说明书

学校代码：10128学号：学校代码：10128学号：201230508116课程设计说明书课程设计说明书（题题目：碳酸丙烯酯脱碳填料塔设计学生姓名：闫雪东学院：化工学院班级：化学工程与工艺12-4班指导教师：陈秋月二零一五年一月内蒙古工业大学课程设计任务书课程名称：化工原理课程设计学院：化工学院班级：化12-4学生姓名：闫雪东学号：201230508116_指导教师：陈秋月一、题目碳酸丙烯酯脱碳填料塔设计二、目的与意义课程设计是“化工原理”课程的一个总结性教学环节，是培养学生综合运用本门课程及有关先修课程的基本知识去解决某一设计任务的一次训练，在整个教学计划中它也起着培养学生独立工作能力的重要作用，通过课程设计就以下几个方面要求学生加强锻炼：1.查阅资料选用公式和搜集数据的能力；2.树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想指导下去分析和解决实际问题的能力；3.迅速准确地进行工程计算（包括电算）的能力；4.用简洁的文字清晰的图表来表达自己设计思想的能力。三、要求（包括原始数据、技术参数、设计要求、图纸量、工作量要求等）设计条件1.变换气流量：11000Nm3/h2.变换气组成：CO2：20%，CO：2.5%，H2：57%，N2：18%，CH4：2.5%(体积分率)3.变换气温度：40℃4.尾气含CO2：0.8%(体积分率)5.吸收剂：碳酸丙烯酯(PC)（温度为20℃）入吸收塔再生后的PC含CO2≤2×10－5(摩尔分率)；出吸收塔吸收液饱和度取80%。6.操作压力：1.76MPa(绝压)设计要求1.流程布置与说明；2.填料的选择，采用一种填料进行计算；3.工艺过程的计算；4.填料塔工艺尺寸的确定：5.输送机械功率的计算与选型；6.附属装置的选择；7.编制设计说明书。图纸要求1.吸收塔总装图：50×35cm坐标纸，1张；2.工艺流程图：A3图纸，1张。四、工作内容、进度安排1.设计动员，下达设计任务书：0.5天2.搜集资料，确定方案：1天3.设计计算：5天4.绘图：1.5天5.整理，编写说明书：7天五、主要参考文献1.上海医药设计院.化工工艺设计手册.化学工业出版社,19862.化学工程手册编委会.化学工程手册.化学工业出版社,19893.上海化学工业设计院石油化工设备设计建设组.化工设备图册.19744.上海化学学院等.化学工程(下册).化学工业出版社,19815.B.M.拉姆著，刘风志等译.气体吸收.化工出版社,19856.化工设备设计全书编辑委员会.塔设备设计.上海科技出版社,19887.周学良，詹方瑜.碳酸丙烯酯脱除CO2技术.浙江科学出版社,1985审核意见系（教研室）主任（签字）指导教师下达时间2014年10月20日指导教师签字：_______________

摘要工业上用碳酸丙烯酯作为吸收剂脱除二氧化碳的过程在吸收塔中进行，因此，综合吸收效果和经济效益必须对吸收塔进行设计。PC溶剂对CO2的吸收为物理过程，选择较低的操作温度和较高的操作压力有利于吸收的进行，而填料吸收塔的设备设计和经济优化是关键部分。此次课程设计是以碳酸丙烯酯（PC）脱除CO2的填料塔的设计,进气口的流量为11000Nm3/h。其中，填料塔以塑料鲍尔环为填料；经设计优化后的塔径为1.8m,填料层高度为17.5m,塔高为18.7m。最后经设计校核和强度校核后，此次课程我们设计出了要求填料塔。关键字：PC；填料塔；塑料鲍尔环；优化；校核目录TOC\o"1-3"\h\u7524碳酸丙烯酯脱碳填料塔设计 13064第1章设计方案 147421.1设计依据 189401.2流程方案 1298781.2.1脱碳塔 1268431.2.2闪蒸器 2144841.2.3气提塔 3191661.2.4溶剂泵 3158241.2.5罗茨鼓风机 374221.3流程布置设计 3304871.3.1采用逆流操作 3252981.3.2采用单塔 3201601.3.3吸收剂不在循环 3261201.4吸收剂的选择 355451.5填料的选择 421062第2章塔计算 5302362.1设计依据 523112.2计算前的准备 5293622.2.1出塔溶液中CO2的浓度 6311262.3吸收剂用量及操作线关系 699092.4设备尺寸计算 757802.4.1塔径的计算 7294912.4.2求塔径 10252972.4.3喷淋密度（U）核算 1094662.4.4选用校核u/uF 1018302.4.5校核D/d 1050212.4.6单位高度填料层压降计算 1061322.5塔高的计算 12126682.5.1有效传质面积（润湿面积）a 1288792.5.2液相传质系数kL 12285172.5.3气相传质系数kG 13233642.5.4总吸收系数KG 14186462.6填料层高度的计算 1414081第3章辅助设备设计 16103813.1液体分布装置 16157913.2液体再分布装置 16100283.3填料支承装置 17321183.4气体分布器 18230433.5床层限制板 1879513.6除沫器 195376第4章附属设备的设计 2093104.1管径的计算 2085494.1.1进气管 20278694.1.2进液体管 20139684.1.3混合液出口管 21132434.1.4净化气出口管 21118974.2泵的选型 2124824.3风机的选型 228874第5章总结 234595.1设计概要表 2310359参考文献 2425012心得体会 25碳酸丙烯酯脱碳填料塔设计第1章设计方案1.1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。1.2流程方案1.2.1脱碳塔脱碳塔是用碳酸丙烯酯吸收变换气中二氧化碳组分的设备，填料塔的持液量较板式塔少，塔压降也低，加上这类塔操作弹性较大，适合于进塔变换器量加减频繁的工况。填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备。填料塔的塔身是一直立式圆筒，底部装有填料支承板，填料以乱堆或整砌的方式放置在支承板上。填料的上方安装填料压板，以防被上升气流吹动。液体从塔顶经液体分布器喷淋到填料上，并沿填料表面流下。气体从塔底送入，经气体分布装置（小直径塔一般不设气体分布装置）分布后，与液体呈逆流连续通过填料层的空隙，在填料表面上，气液两相密切接触进行传质。填料塔属于连续接触式气液传质设备，两相组成沿塔高连续变化，在正常操作状态下，气相为连续相，液相为分散相。（图1-1）填料塔1.2.2闪蒸器闪蒸器是使溶解于溶剂中的气体解吸出来的装置。1.2.3气提塔驱除溶剂中残余二氧化碳的设备。1.2.4溶剂泵溶剂泵是将溶剂升压并输送到脱碳塔上部的运转设备。1.2.5罗茨鼓风机输送混合气体到脱碳塔。1.3流程布置设计1.3.1采用逆流操作气体从塔底进入有塔顶排出，液体则从塔顶进入从塔底排出，逆流操作是平均推动力打，吸收剂利用率高，完成一定任务所需传值质面积小。1.3.2采用单塔本操作处理液体量和气相流量都不大，所以只采用单塔即可处理完成操作。1.3.3吸收剂不在循环吸收剂部分在循环，较逆流操作的平均推动力低，还需设循环用泵，消耗额外的动力。1.4吸收剂的选择1、本实验是处理混合气体中的二氧化碳，碳酸丙烯酯对CO2的溶解度较大，具有溶解热低、黏度小、蒸汽压低、无毒、化学性质稳定、无腐蚀等优点。此法CO2的分离回收率较高，能耗低已得到小合成氨厂的广泛应用，经过各种方法的比较，最后选择用碳酸丙烯酯法吸收二氧化碳。1.5填料的选择1、采用拉西环（乱堆），拉西环的比表面积at大，能提供大的流体通量，液体的再分布性能好。2、填料尺寸D≤300mm选25mm300mm≤D≤900mm选25-38mmD≥900mm选50-70mm目前塔直径没有选定，所以尺寸先不给出。

第2章塔计算2.1设计依据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：11000Nm/h。变换气组成及分压如下表成分CO2COH2N2CH4体积百分数(%)202.557182.5组分分压(MPa)0.3520.0441.00320.31680.044组分分压/(kgf/cm3)3.59040.448810.232643.231360.4488表2-1变换气的组成及分压2.2计算前的准备CO2在PC中亨利系数数据图2-1亨利系数与温度的曲线图亨利系数与温度近似成直线：因为高浓度气体吸收，故吸收塔内CO2的溶解热不能被忽略。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40℃。出吸收塔吸收液饱和度取80%在40℃下，CO2在PC中的亨利系数E40=7293.8026kPa溶液的平均比热Cl=1.39+0.0081(t-10)40℃时溶液的平均比热Co’=1.444【KJ∕(kg·℃)】2.2.1出塔溶液中CO2的浓度（摩尔分数）⑵根据CO2在PC中溶解的相平衡关系：logXCO2=logPCO2+644.25/T-4.112=log3.5904+644.25/313.15–4.112=-1.4995所以XCO2=0.0317x1=0.8x1*=0.8×0.0317/(1+0.0317)=0.0336与前者结果相比要小，为安全起见，本设计取后者作为计算依据。即x1=0.0332.3吸收剂用量及操作线关系V=11000/22.4×(1-20%)=392.857kmol/h亨利定律也可表示为:ye=mxm=E/P=7293.8026/1.76×103=4.144最小吸收剂用量：(L/V)min=(Y1-Y2)/(Xe1-X2)xe1=y1/m=0.2/4.144=0.0483Xe1=xe1/(1-xe1)=0.0483/(1-0.0483)=0.05075Lmin=V(Y1-Y2)/(Xe1-X2)Y1=y1/(1-y1)=0.2/(1-0.2)=0.25Y2=y2/(1-y2)=0.008/(1-0.008)=0.00806X1=x1/(1-x1)=0.0336/(1-0.0336)=0.0348X2=x2/(1-x2)=2×10-5/(1-2×10-5)=2×10-5Lmin=392.857×(0.25-0.00806)/(0.05075-2×10-5)=1873.6019kmol/h取L=1.5Lmin=1.5×1873.6019=2810.4028kmol/hy/(1-y)=(L/V)·x/(1-x)+y1/(1-y1)-(L/V)·x1/(1-x1)y/(1-y)=(2810.4028/392.857)·x/(1-x)+0.25-(2810.4028/392.857)×0.0348=7.1538x/(1-x)+0.0010492.4设备尺寸计算2.4.1塔径的计算入塔混合采用Bian﹠Hougen关联法求取泛点气速uF，并计算操作气速。气体的质量流量V’=(11000÷22.4)×16.08=7896.4286kg/h16.08为入塔混合气体的平均分子量塔底吸收液的质量流量L’=1059167kg/h入塔混合气的密度入塔液的密度：根据工程经验公式：ρ=1.224-1.027×10-3tg/cm3入塔吸收液的密度（20℃）入塔液的质量流量：PC相对分子量：102.9WL2＝2810.4028×102.9＝289190.4481kg/hCO2在PC中的吸收率：φ＝﹙Y1-Y2﹚/Y2＝﹙0.25-0.00806﹚/0.25＝0.96776CO2在PC中的溶解量：11000×20％/22.4×φ＝11000×20％/22.4×0.96776=86.40714kmol/h出塔气体的摩尔流量应为入塔气体的摩尔流量与溶于PC中CO2的摩尔流量之差。出塔各气体摩尔流量：CO2：11000/22.4×0.2-95.04785=3.1664kmol/h0.7995%CO：11000/22.4×0.025=12.2768kmol/h3.326%H2：11000/22.4×0.57=279.9107kmol/h70.068%N2：11000/22.4×0.18=88.3928kmol/h22.320%CH4:11000/22.4×0.025=12.2768kmol/h3.1885%合计396.0235kmol/h100%出塔混合气体的平均分子量：M1=44×0.007995＋28×0.03326＋2×0.70068＋28×0.2232＋16×0.031885＝9.444kg/kmol出塔混合气体的密度：出塔混合气体质量流量：Wv2＝Wv1-86.40714×44＝7896.4286–86.40714×44＝4094.5144kg/h出塔液的密度：查得出塔混合液密度可由下式计算：1/ρ＝∑giρi-1带入得：ρL2＝1163.6919kg/m³出塔液的质量流量：WL1＝WL2+86.40714×44＝289190.4481+3801.9141=292992.3622kg/h则：液：WL=(WL1+WL2)/2=292992.3622+289190.4481)/2=291091.4052kg/h气：WV=(WV1+WV2)/2=7896.4286+4094.5144)/2=5995.4715kg/h液密度：ρL=(ρL1+ρL2)/2=(1203+1163.6919)/2=1183.3459kg/m³气密度：ρV=(ρV1+ρV2)/2=(10.87+6.382)/2=8.63kg/m³吸收液的粘度，依下式计算得到：mPa·s（平均温度20℃时的值）选mm塑料鲍尔环，,其湿填料因子，空隙率，比表面积σ=109Bain-Hougen关联式常数。选用Bain-Hougen关联式求解根据设计u=0.1m/s2.4.2求塔径依据公式：混合气体体积流量：Vs=11000(0.1013/1.76)(313.15/273.15)=0.2016m3/s所以：D=(4×0.2016/3.14×0.1)0.5=0.1602m圆整后，本次设计取D=1800mm2.4.3喷淋密度（U）核算Umin=(Lw)minσUmin=0.08×109=8.72m3/(m2·h)U＞Umin,满足要求。2.4.4选用校核u/uFu=4Vs/(πD2)=4×0.2016/(1.52π)=0.114m/su/uF=0.114/0.140=0.714,在0.5和0.8之间。满足要求2.4.5校核D/dD/d=1.5/0.05=30＞15,满足要求.2.4.6单位高度填料层压降计算采用Eckert通用关联图方法。横坐标：4.146纵坐标：1.834×10-3查Eckert通用关联图：ΔP/Z=30×9.81=294.3Pa/m图2-1填料塔泛点和压降的通用关联图图中：Wv﹑Wl—气液相流速,Kg∕s;Ф—填料因子，1∕mψ—液相密度校正系数，Ψ=/在145-490Pa/m中间，合理。2.5塔高的计算2.5.1有效传质面积（润湿面积）a计算公式：查得PC吸收CO2液体表面张力按下式计算：σ=43.16-0.116t=43.16-0.116×20=40.84×10-3N/m金属鲍尔环的数据：at=112.3m2/m3,σ=40.84×10-3N/m,σC=75×10-3N/m,μL=3.19×10-3Pa·s,ρL=1183.3459kg/m³,g=9.81m/s2,GL=291091.4052/3600)×(1.8²π/4)-1=31.791587kg/(m2·s)计算得：a=108.2279m2/m32.5.2液相传质系数kLCO2在液相中的扩散系数DL可用下面的经验公式计：DCO2-PC=8.396×10-8(T/μL)液相温度为20℃，T=273+20=293KμL=3,19×10-3Pa·sDCO2-PC=8.396×10-8×(293/3.19)=1.15875×10-5cm2/s=7.7117×10-10m2/s计算公式：数据：GL=31.791587kg/(m2·s)a=108.2279m2/m3μL=3.19×10-3Pa·sρL=1183.3459kg/m3at=112.3m2/m3Dp=0.05mDL=7.7117×10-10m2/s计算步骤：=2.5.3气相传质系数kG公式：数据：a=108.2279m2/m3at=112.3m2/m3DV采用吉利兰公式计算：DCO2-空气=式中，T为热力学温度，K；p为总压力，kPa；VbA、VbB为组分A、B在正常沸点下的分子体积，cm3/mol。在此设计中，A为CO2，B为惰性组分。T=313K，MA=44kg/kmol，VbA＝34.0cm3/mol,MB＝﹙0.25/0.8)×28+(0.57/0.8)×2+(0.18/0.8)×28+(0.025/0.8)×16＝9.1kg/kmol,VbB＝(0.25/0.8)×28.7+(0.57/0.8)×14.3+(0.18/0.8)×31.2+(0.025/0.8)×(4×3.7+14.8)＝19.0931cm3/molDV=2＝1.4278×10-6m2/s0.830.83查得μV＝1.37×10-5Pa·s,ρV＝8.63kg/m30.83000.8300=1.0156×10-6kmol/(m2·s·kPa)2.5.4总吸收系数KG计算公式：溶解度系数式中：ρ：溶液的平均密度，kg/m3；Ms：PC的相对分子质量，kg/kmol；E：亨利系数，kPa。由前可知，E=7293.8026kPa,,Ms=102.09kg/kmol所以：KG=1.7744×10-7kmol/(m2·s·kPa)KY1=pKG=1.76×103×1.7744×10-7=3.1229×10-4kmol/(m2·s)2.6填料层高度的计算填料层的有效传质高度计算公式：Y1=0.25，Y2=0.00806，Ye1=mX1=4.144×0.0348=0.1442,Ye2=mX2=4.144×2×10-5=8.288×10-5ΔY1=Y1-Ye1=0.25-0.1442=0.1058ΔY2=Y2-Ye2=0.00806-8.288×10-5=0.007977气相总传质单元数：气相总传质单元高度：=1.8279m=1.8279填料层高度：=1.8279×6.3938=11.6872m考虑到公式的误差，取安全系数1.2，得填料层总高ZZ′＝﹙1.3~1.5﹚Z取Z′＝1.5×11.6872＝17.5307m所以实际塔高为：Hˊ=Zˊ+1.2=17.5307+1.2=18.7307m

第3章辅助设备设计3.1液体分布装置液体在填料塔顶喷淋的均匀状况是提供塔内气液均匀分布的先决条件，也是使填料塔达到预期分离效果的保证。对液体分布器的选型，一般要求；液体分布要均匀；操作弹性大；不易堵塞、不易引起雾沫夹带及起泡；可选多种材料制作，且制造安装方便。选用溢流槽式布液器，此种布液器适应性较好，特别适用于大流量操作，一般用于塔径 D>1000mm的场合，溢流槽式布液器由若干个喷淋槽及至于其上的分配槽组成，其设计参考数据如下表：化工设备全书—《塔设备设计》槽内液体流速不高于0.24-0.3m/s，槽宽度大于120mm，高度小于350mm。溢流槽式分布器不易堵塞，课处理粘度大及含固体粒子的液体。其自由截面大，处理量大，适应性好，操作弹性，适用于大直径塔。3.2液体再分布装置当塔顶喷淋液体沿填料层下流时，存在向塔壁流动的趋势，导致壁流增加。为了提高塔的传质效果，当填料层高度与塔径之比超过某一数值时，填料层分段。在各段填料层之间安设液体再分布器，以收集自上一层填料来的液体，为下一层填料提供均匀的液体分布。采用梁型再分布器，适用于ψ1200mm以上的大塔。

表3-1液体在分布装置尺寸塔径（mm）盘外径（mm）螺栓圆直径（mm）分块数升气管数160015751575134200019751975196240023622235227280027622635258320031623035299360035623435321038003762363534113.3填料支承装置采用梁型气体喷射式支承板，是目前性能最优的大塔支承板，使用塔径最大可达12米。单条支撑梁的宽度为290mm，高度为300mm，在各条梁底部之间用定距凸台保持10mm的间隙，供排液用。支承梁的板厚：不锈钢为3-4mm，碳钢为6mm。化工设备全书——《塔设备设计》梁型气体喷射式支承板的设计参考数据如下表表3-2填料支撑装置尺寸塔径（mm）板外径（mm）梁的条数120011753160015754200019756240023627280027628320031629360035601038003762103.4气体分布器气体分布器要具备下列要求：（1）均布性能好，即入塔气体流经过分布后，能均匀地流入填料床。（2）流动阻力低。（3）占塔内空间小。（4）能有效防止气液相互夹带。（5）结构简单，安装维修方便。现今使用的气体分布器，有四种气体分布器，如图所示：图3-1吸收塔气体分布器后两种使用最成功的。3.5床层限制板瓷填料必须安装填料压板，对金属或塑料填料必须安装床层限制板。床层限制板和压板结构类似，但重量较轻，一般为800pa左右，床层限制板必须固定于塔壁，否则将失去效果。当塔径D<1200mm时床层限制板的外径比塔内径小10-15mm。当塔径D>1200mm时则床层限制板的外径比塔内径小25-38mm。此次设计选用金属鲍尔环填料，所以用床层限制板固定，3.6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。

第4章附属设备的设计4.1管径的计算：管路的内径可用圆形管路的流量公式计算，即从式中可以看出，根据流速和流量即可确定管径。流量一般由生产任务所决定，所以关键在于选择合适的流速。若流速选得太大，管径虽然可减小，但液体流过管路的阻力增大，消耗的动力就大，操作费随之增大。所以，液体在管路中输送时，需根据具体情况在操作费和设备费之间通过经济衡算确定适宜的流速。由于经济衡算比较繁琐，一般管内流速可选用经验数据。某些液体再管路中的常用流速范围列于表3-12中。4.1.1进气管：进气为高压气体，取u=15m/s.混合气体体积流量为0.2016m3/s所以d=（4×0.2016/3.14×15)0.5=0.1308m取壁厚8mm,管径为140mm的管子。4.1.2进液体管入塔吸收液的密度（20℃）入塔液的质量流量：PC相对分子量：102.9WL2＝2810.4028×102.9＝289190.4481kg/hVS=289190.4481/3600×1203=0.067m3/s取u=2.0m/s所以d=（4×0.067/3.14×2)0.5=0.207m=207mm取壁厚9mm,管径为245mm的管子。4.1.3混合液出口管混合液为低粘度液体。所以u=2.0m/s所以d=（4×0.067/3.14×2)0.5=0.207m=207mm取壁厚9mm,管径为245mm的管子。4.1.4净化气出口管出塔混合气体质量流量Wv2=4094.5144kg/h出塔混合气体密度；体积流量为VS=4094.5144/3600×6.382=0.178m3/s混合气为常压气体，取u=20m/s所以d=（4×0.1