碳酸丙烯酯PC脫碳填料塔的工藝設計全本

1、碳酸丙烯酯（PC）脫碳填料塔的工藝設計學 校 專 業(yè) 姓 名 學 號 48000t/a合成氨碳酸丙烯酯（PC）脫碳填料塔設計目 錄碳酸丙烯酯（PC）脫碳填料塔設計工藝設計任務書 3一、設計題目 3二、操作條件 3三、設計內(nèi)容 3四、基礎數(shù)據(jù) 4設計依據(jù)：5一、計算前的準備51.CO2在PC中的溶解度關系52.PC密度與溫度的關系63.PC蒸汽壓的影響74.PC的粘度7二、物料衡算71.各組分在PC中的溶解量72.溶劑夾帶量Nm3/m3PC83.溶液帶出的氣量Nm3/m3PC84.出脫碳塔凈化氣量95.計算PC循環(huán)量96.驗算吸收液中CO2殘量為0.15 Nm3/m3PC時凈化氣中CO2的含量1

2、07.出塔氣體的組成10三、熱量衡算111.混合氣體的定壓比熱容112.液體的比熱容123.CO2的溶解熱134.出塔溶液的溫度135.最終的衡算結果匯總14四、設備的工藝與結構尺寸的設計計算15（一）確定塔徑及相關參數(shù)15五、填料層高度的計算17六、填料層的壓降25七、附屬設備及主要附件的選型251.塔壁厚252液體分布器253除沫器254液體再分布器265填料支撐板266塔的頂部空間高度26八、設計概要表 27九、對本設計的評價 28參考文獻28化工原理課程設計任務書碳酸丙烯酯（PC）脫碳填料塔的工藝設計一、設計題目設計一座碳酸丙烯酯（PC）脫碳填料塔，要求年產(chǎn)合成氨48000t/a。二、

3、操作條件1.每噸氨耗變換氣取4300Nm3變換氣/ t氨；2.變換氣組成為：CO2：28.0；CO：2.5；H2：47.2；N2：22.3。（均為體積%，下同。其它組分被忽略）；3.要求出塔凈化氣中CO2的濃度不超過0.5%；4.PC吸收劑的入塔濃度根據(jù)操作情況自選；5.氣液兩相的入塔溫度均選定為30；6.操作壓強為1.6MPa；7.年工作日330天，每天24小時連續(xù)運行。三、設計內(nèi)容1.設計方案的確定及工藝流程的說明2.填料吸收塔的工藝計算3.塔和塔板主要工藝結構的設計計算4.填料吸收塔附屬結構的選型與設計5.塔的工藝計算結果匯總一覽表6.吸收塔的工藝流程圖7.填料吸收塔與液體再分布器的工藝

4、條件圖8.對本設計的評述或對有關問題的分析與討論。四、基礎數(shù)據(jù)1.碳酸丙烯酯（PC）的物理性質正常沸點，（）蒸汽壓133.32-1Pa粘度，mPas分子量20430382050102.090.10.242.761.62溫度，（）015254055（kg/m3）122412071198118411692.比熱計算式 3.CO2在碳酸丙烯酯（PC）中的溶解度溫度t，（）2526.737.84050亨利系數(shù)E101.3-1kPa81.1381.7101.7103.5120.84.CO2在碳酸丙烯酯（PC）中的溶解熱可近似按下式計算（以表示）5.其他物性數(shù)據(jù)可查化工原理附錄。設計依據(jù)：吸收是利用各組分

5、溶解度的不同而分離氣體混合物的操作?；旌蠚怏w與適當?shù)囊后w接觸，氣體中的一個或幾個組分便溶解于液體中而形成溶液，于是原組分的一分離。對與此題中的易溶氣體是CO2 。依題意：年工作日以330天，每天以24小時連續(xù)運行計，有：合成氨：48000t/a= 145.5t/d=6.06t/h變換氣： 4300m3（標）變換氣/t氨（簡記為Nm3/t）V = 6.064300=26058 m3變換氣組成及分壓如下表進塔變換氣CO2COH2N2合計體積百分數(shù),%28.02.547.222.3100組分分壓，MPa0.4480.0400.7550.3571.600組分分壓，kgf/cm24.5680.4087.

6、7013.63816.32一、計算前的準備1.CO2在PC中的溶解度關系CO2在PC中亨利系數(shù)數(shù)據(jù)溫度t，（）2526.737.84050亨利系數(shù)E101.3-1kPa81.1381.7101.7103.5120.8作圖得：亨利系數(shù)與溫度近似成直線，且kPa因為高濃度氣體吸收，故吸收塔內(nèi)CO2的溶解熱不能被忽略?，F(xiàn)假設出塔氣體的溫度為，出塔液體的溫度為，并取吸收飽和度（定義為出塔溶液濃度對其平衡濃度的百分數(shù)）為70%，然后利用物料衡算結合熱量衡算驗證上述溫度假設的正確性在40下，CO2在PC中的亨利系數(shù)E40=103.5101.3 kPa=10485 kPa1出塔溶液中CO2的濃度（假設其滿足

7、亨利定律）（摩爾分數(shù)）2根據(jù)吸收溫度變化的假設，在塔內(nèi)液相溫度變化不大，可取平均溫度35下的CO2在PC中溶解的亨利系數(shù)作為計算相平衡關系的依據(jù)。即： kPaCO2在PC中溶解的相平衡關系，即：式中：為摩爾比，kmolCO2/kmolPC；為CO2的分壓，kgf/cm2；T為熱力學溫度，K。用上述關聯(lián)式計算出塔溶液中CO2的濃度有與前者結果相比要小，為安全起見，本設計取后者作為計算的依據(jù)。結論：出料（摩爾分數(shù)）2.PC密度與溫度的關系利用題給數(shù)據(jù)作圖，得密度與溫度的關聯(lián)表達式為（式中t為溫度，；為密度，kg/m3）溫度，（）015254055（kg/m3）1224120711981184116

8、93.PC蒸汽壓的影響根據(jù)變換氣組成及分壓可知，PC蒸汽壓與操作總壓及CO2的氣相分壓相比均很小，故可忽略。4.PC的粘度 mPas（T為熱力學溫度，K）5.工藝流程確定：本次吸收采用逆流吸收的方法。二、物料衡算1.各組分在PC中的溶解量查各組分在操作壓力為1.6MPa、操作溫度為40下在PC中的溶解度數(shù)據(jù)，并取其相對吸收飽和度均為70%，將計算所得結果列于下表（亦可將除CO2以外的組分視為惰氣而忽略不計，而只考慮CO2的溶解）：CO2溶解量的計算如下：各個溶質溶解量的計算如下：（以CO2為例）通過第一部分已知CO2在40的平衡溶解度 Nm3/m3PC式中：1184為PC在40時的密度，102

9、.09為PC的相對摩爾質量。CO2的溶解量為（）0.7=7.203 Nm3/m3PC組分CO2COH2N2合計組分分壓，MPa0.4480.0400.7550.3571.60溶解度，Nm3/m3PC10.440.0160.2230.22310.90溶解量，Nm3/m3PC7.2030.0110.1560.1567.526溶解氣所占的百分數(shù)%95.710.152.072.07100.00說明：進塔吸收液中CO2的殘值取0.15 Nm3/m3PC，故計算溶解量時應將其扣除。其他組分溶解度就微小，經(jīng)解吸后的殘值可被忽略。平均分子量：入塔混合氣平均分子量：溶解氣體的平均分子量：2.溶劑夾帶量Nm3/m

10、3PC以0.2 Nm3/m3PC計，各組分被夾帶的量如下：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.溶液帶出的氣量Nm3/m3PC各組分溶解量：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%夾帶量與溶解量之和：CO2：0.056+7.

11、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.出脫碳塔凈化氣量以分別代表進塔、出塔及溶液帶出的總氣量，以分別代表CO2相應的體積分率，對CO2作物料衡算有：V1 =26058 Nm3/ h聯(lián)立兩式解之得V3=V1(y1-y2)/(y3-y2)=43006.06(0.280.005)/(0.93960.005)=7667Nm3/hV2 =

12、V1 - V3 =18391 Nm3/ h5.計算PC循環(huán)量因每1 m3PC 帶出CO2為7.259 Nm3 ，故有：L=V3y3/7.259=76670.9396/7.259=992m3/h操作的氣液比為V1/L=26058/992=26.276.驗算吸收液中CO2殘量為0.15 Nm3/m3PC時凈化氣中CO2的含量取脫碳塔阻力降為0.3kgf/cm2，則塔頂壓強為16.32-0.3=16.02 kgf/cm2，此時CO2的分壓為 kgf/cm2，與此分壓呈平衡的CO2液相濃度為： 式中：1193為吸收液在塔頂30時的密度，近似取純PC液體的密度值。計算結果表明，當出塔凈化氣中CO2的濃度

13、不超過0.5%，那入塔吸收液中CO2的極限濃度不可超過0.216 Nm3/m3PC，本設計取值正好在其所要求的范圍之內(nèi)，故選取值滿足要求。入塔循環(huán)液相CO2：9920.157.出塔氣體的組成出塔氣體的體積流量應為入塔氣體的體積流量與PC帶走氣體的體積流量之差。CO2：26058992=95.31Nm3/h 0.50%CO： 26058992=635.58Nm3/h 3.46%H2： 26058992=12049.38Nm3/h 65.53%N2： 26058992=5610.54Nm3/h 30.51%18391.81Nm3/h 100%計算數(shù)據(jù)總表出脫碳塔凈化氣量進塔帶出氣量(V1)Nm3/

14、h出塔氣量(V2)Nm3/h溶液帶出的總氣量(V3)Nm3/h26058183917667氣液比26.26入塔氣體平均分子量20.208溶解氣體平均分子量42.78PC中的溶解量(溶解氣量及其組成）40組分CO2COH2N2總量溶解度，Nm3/m3PC10.44 0.02 0.22 0.22 10.90 溶解量，Nm3/m3PC7.20 0.01 0.16 0.16 7.53 溶解體積流量Nm3/h7142.4 9.92 158.72 158.72 7469.76 溶解氣所占的百分數(shù)%95.71 0.15 2.07 2.07 100.00 出塔液相帶出氣量及其組成 40溶解量，Nm3/m3PC

15、7.26 0.02 0.25 0.20 7.73 體積流量Nm3/h7203.9116.10 247.64 199.347667溶解氣所占的百分數(shù)%93.96 0.21 3.23 2.60 100.00 入塔氣相及其組成 30體積流量Nm3/h7296.24 651.45 12299.38 5810.934 26058溶解氣所占的百分數(shù)%28.00 2.50 47.20 22.30 100.00 出塔氣相的組成 35體積流量Nm3/h95.31 635.58 12049.385610.5418391溶解氣所占的百分數(shù)%0.50 3.46 65.53 30.51 100.00 入塔液相及其組成

16、30體積流量Nm3/h149.00 149溶解氣所占的百分數(shù)%100.00 100三、熱量衡算在物料衡算中曾假設出塔溶液的溫度為40，現(xiàn)通過熱量衡算對出塔溶液的溫度進行校核，看其是否在40之內(nèi)。否則，應加大溶劑循環(huán)量以維持出塔溶液的溫度不超過40。具體計算步驟如下：1.混合氣體的定壓比熱容因未查到真實氣體的定壓比熱容，故借助理想氣體的定壓比熱容公式近似計算。理想氣體的定壓比熱容：，其溫度系數(shù)如下表：系數(shù)abcdCp1（30）Cp2（32）CO24.7281.75410-2-1.33810-54.09710-98.929/37.388.951/37.48CO7.373-0.30710-26.66

17、210-6-3.03710-96.969/29.186.97/29.18H26.4832.21510-3-3.29810-61.82610-96.902/28.906.904/28.91N27.440-0.32410-26.410-6-2.7910-96.968/29.186.968/29.18表中Cp的單位為（kcal/kmol）/（kJ/kmol）進出塔氣體的比熱容Cpv2=Cpiyi =37.480.0050+29.180.0346+28.910.6553+29.180.3051 =29.04 KJ/Kmol2.液體的比熱容溶解氣體占溶液的質量分率可這樣計算：質量分率為其量很少，因此可用

18、純PC的比熱容代之。本設計題目中 kJ/kg文獻查得 kJ/kg,據(jù)此算得： kJ/kg； kJ/kg本設計采用前者。3.CO2的溶解熱kJ/kmolCO2文獻查得 kJ/kmolCO2（實驗測定值）本設計采用后者。CO2在PC中的溶解量為7.203992=7145Nm3/h=319kmol/h故Qs=14654319=4674626kJ/h4.出塔溶液的溫度設出塔氣體溫度為35，全塔熱量衡算有：帶入的熱量（QV1+QL2）+ 溶解熱量（Qs）= 帶出的熱量（QV2+QL1）Qv1=V1Cpv1(Tv1T0)=2605831.3430/22.4=1093738 kJ/hQL2=L2CpL2(T

19、L2T0)=99211931.42630=50628248kJ/hQv2=V2Cpv2(Tv2T0)=1839129.0435/22.4=834492kJ/hQL1=L1CpL1(TL1T0)=11977201.44TL1=1724717 TL1kJ/h式中：L1=9921193+(7667-0.2992)42.78/22.4=1197720 kg/h1093738+50628248+4674626=834492+1724717TL1TL1=32現(xiàn)均按文獻值作熱量衡算，即取 kJ/kg； kJ/kgQv1=V1Cpv1(Tv1T0)=2605831.3430/22.4=1093738 kJ/h

20、QL2=L2CpL2(TL2T0)=99211930.379530=13473647kJ/hQv2=V2Cpv2(Tv2T0)=1839129.0435/22.4=834492kJ/hQL1=L1CpL1(TL1T0)=11977200.3894TL1=466392 TL1kJ/h式中：L1=9921193+(7667-0.2992)42.78/22.4=1197720 kg/h1093738+13473647+4674626=834492+466392TL1T L1=39.5 與理論值比較后，取T L1=39.55.最終的衡算結果匯總出塔氣相及其組成（35）V2=18391.81Nm3/hC

21、O2COH2N295.31 635.58 12049.38 5610.54 Nm3/h0.50 3.46 65.53 30.51 %QV2=824491kJ/h入塔液相及其組成（30）L2=992m3/hCO2COH2N2149-Nm3/h-%QL2=13473646kJ/h入塔氣相及其組成（30）V1=26058 Nm3/hCO2COH2N2260587296.24 651.45 12299.38 5810.93 Nm3/h28.02.547.222.3%QV1=1093738kJ/h出塔液相帶出氣量及其組成（40）L1=1197720kg/hCO2COH2N269466526.46 14.

22、59 224.36 180.60 Nm3/h93.960.213.242.60%脫碳塔溶解氣量及其組成（40）L1=1197720kg/hCO2COH2N27469.767142.4 9.92 158.72 158.72 Nm3/h95.710.152.072.07%Qs=4674626kJ/h四、設備的工藝與結構尺寸的設計計算1確定塔徑及相關參數(shù) 塔底氣液負荷大，依塔底氣液負荷條件求取塔徑采用Eckert通用關聯(lián)圖法求取泛點氣速，并確定操作氣速。入塔混合氣體的質量流量20.208為入塔混合氣體的平均分子量11.042為出塔混合氣體的平均分子量Mm2 = 440.005+280.0346+20

23、.6553+280.3051= 11.042kg/kmol塔底吸收液的質量流量入塔混合氣的密度（未考慮壓縮因子）吸收液的密度（40）吸收液的粘度，依下式計算得到：mPas（平均溫度35時的值）選mm塑料鮑爾環(huán)（米字筋），其濕填料因子，空隙率，比表面積，Bain-Hougen關聯(lián)式常數(shù)。（1）選用Eckert通用關聯(lián)圖法求解關聯(lián)圖的橫坐標：（v/l）0.5L/V=(12.83/1184)0.51197720/23508=5.408查Eckert通用關聯(lián)圖得縱坐標值為0.0025，即：（2）選用Bain-Hougen關聯(lián)式求解根據(jù)設計u=0.1m/s2求取塔徑Vs=26058(0.1013/1.6

24、)(303.15/273.15)=1830m3/h=0.5086m3/sD=(40.5086/3.140.1)0.5=2.545m本次設計取D=2600mm3核算操作氣速u=4Vs/3.14D2=40.5086/3.142.62=0.10m/s則操作氣體速度取u=0.10m/s合適4 核算徑比D/d=26400/50=521015（滿足鮑爾環(huán)的徑比要求）5校核噴淋密度采用聚丙烯填料表面L噴，min=（MWR）at =0.08106.4=8.512m3/(m2.h)L噴=（滿足要求）五、填料層高度的計算塔截面積=0.785D2=5.307因其他氣體的溶解度很小，故將其他氣體看作是惰氣并視作為恒定

25、不變，那么，惰氣的摩爾流率G=26058(1-0.28)/(22.43600)=0.0438kmol/(m2s)又溶劑的蒸汽壓很低，忽略蒸發(fā)與夾帶損失，并視作為恒定不變，那么有L=9921193/(102.0936005.307)=0.6068kmol/(m2s)，吸收塔物料衡算的操作線方程為將上述已知數(shù)據(jù)代入操作線方程，整理得選用填料層高度表達式H=V / (Kya)采用數(shù)值積分法求解，步驟如下：1.將氣相濃度在其操作范圍內(nèi)10等份，其等份間距為0.0275，并將各分點的y值代入式（1）計算出對應的x值，并列入后面表格中的第1、2列中。2.計算各分點截面處的氣液相流率G=(1+Y)G L=(

26、1+X)L （2）將計算結果列入附表中的3、4列。3.計算的傳質系數(shù)=1exp-1.45(33/39.1)0.75(225703/106.48.5248)0.1(2257032106.4/118421.27108)-0.05(2257032/118439.1106.4)0.21由計算知awat=106.4式中：UL=225703kg/(m . h)、氣體、液體的黏度，、氣體、液體的密度，、溶質在氣體、液體中的擴散系數(shù)， R通用氣體常數(shù)，T系統(tǒng)溫度，K填料的總比表面積，填料的潤濕比表面積，g重力加速度，1.27108m/h液體的表面張力，填料材質的臨界表面張力，填料形狀系數(shù)上述修正的恩田公式只適

27、用于的情況，由計算得知u0.5uF 氣膜吸收系數(shù)計算： 氣體質量通量為 = 0.237104.940.8862.5510-4 =5.6210-3 = 0.23753.850.8862.5110-4 =2.8410-3液膜吸收系數(shù)計算： 液體質量通量為 = 0.009539.560.764897.06 = 0.882= 4.2310-3106.41.451.1 = 0.677= 0.882106.41.450.4 = 108.88 故修正： =1184/(102.09(1.620430+39.594)101.3=1.2910-3（稀溶液）計算準備：（1）兩相摩爾流率與質量流率的轉換氣相平均分子量

28、為：氣相平均分子量為：33.085y+10.915VG=(33.085Y+10.915)G（稀溶液）（2）CO2在氣相和液相中的擴散系數(shù)氣相：分兩步進行，定性溫度取32.5。首先計算CO2在各組分中的擴散系數(shù)，然后再計算其在混合氣體中的擴散系數(shù)。計算公式如下：DCO2-co=DCO2-H2=DCO2-N2= =（1-0.005）/（0.0346/8.6710-7+0.6553/3.2810-6+0.3051/8.6210-7）=1.67610-6m2/s液相：文獻介紹了CO2在PC中擴散系數(shù)兩個計算公式，定性溫度取35。=1.1710-52/s （TK；mPas；Dcm2/s） =1.0110

29、-5 2/s （TK；mPas；Dcm2/s）取大值（3）氣液兩相的粘度（純組分的粘度）uG-CO2=1.3410-2(305.5/273.15)0.935=0.015mPas同理：uG-CO=0.018 mPas uG-H2=0.0093 mPas uG-N2=0.018 mPas為0、常壓下純氣體組分的粘度，mPas 。m為關聯(lián)指數(shù)（見下表）mmCO21.3410-20.935H20.8410-20.771CO1.6610-20.758N21.6610-20.756氣相：（氣體混合物的粘度） =(0.280.015440.5+0.0250.018280.5+0.4720.009220.5+

30、0.2230.018280.5)/(0.28440.5+0.025280.5+0.47220.5+0.223280.5)=0.0150 mPas液相： mPas=2.368 mPas（4）吸收液與填料的表面張力吸收液：=39.1 mPas填料：查教材，如聚乙烯塑料 mPas4.氣相總傳質單元數(shù)作CO2在PC中的相平衡曲線將計算結果列表如下：氣相CO2的組成y（摩爾分率）0.0050.0500.1000.2000.280氣相CO2的分壓p（kgf/cm2）0.08160.8161.6323.2634.57030對應的液相平衡組成x0.00080.00840.01690.03370.047235對

31、應的液相平衡組成x0.00080.00780.01560.03110.043640對應的液相平衡組成x0.00070.00720.01440.02880.0404因溫度變化不大，故取平均溫度下的數(shù)值作圖得一直線，這說明CO在PC中的溶解情況滿足亨利定律。但因操作關系不為直線，故仍需采用圖解積分或數(shù)值積分。5.氣相總傳質單元數(shù)采用傳質單元數(shù)的近似簡化法計算圖中數(shù)據(jù)源于下表數(shù)據(jù)，y、x數(shù)據(jù)由操作線方程（1）計算而得。y*由y*計算而得。y10-20.53.256.08.7511.5014.2517.0019.7522.5025.2528.00x10-20.0570.2550.4540.6530.8521.0511.2491.4481.6471.8452.043y*10-20.3471.6242.9024.1795.4566.7328.0109.28810.5611.8413.12654.261.5032.2821.8816.5513.3011.12