碳酸丙烯酯脫碳填料塔的工藝設計

碳酸丙酯碳填料的藝設計學專姓學

校業(yè)名號

上海工技大學

2222222248000t/a合成氨碳酸丙烯酯（）脫碳填料塔設計目

錄碳酸丙烯酯（）脫碳填料塔設工藝設計任務書3一、設計題目二、操作條件三、設計內容四、基礎數據

3334設計依據：一、運算前的預備在PC中溶解度關系2.PC密與溫度的關系..........................................................................................................73.PC蒸壓的阻礙.4.PC的度二、物料衡算..................................................................................................................................8各組分PC中溶解量.溶劑夾量Nm

PC溶液帶的氣量3

.................................................................................................9出脫碳凈化氣量..............................................................................................................10運算循量.驗算吸液中殘量為0.15Nm/mPC凈化氣中的量.............................10出塔氣的組成.三、熱量衡算混合氣的定壓比熱容

C

pV

液體的熱容

C

的溶解熱

................................................................................................................13出塔溶的溫度

T

...........................................................................................................14最終的算結果匯總..........................................................................................................15四、設備的工藝與結構尺寸的設運算.（一）確定塔徑及相關參數................................................................................................16五、填料層高度的運算.六、填料層的壓降七、附屬設備及要緊附件的選型................................................................................................26塔壁厚．液體分布器.．除沫器.．液體再分布器.．填料支撐板.．塔的頂部空間高度.

八、設計概要表27九、對本設計的評判28參考文獻

2222222222化工原理課程設計任務書碳丙酯）碳料的藝計一、設計題目設計一座碳酸丙烯酯PC）脫碳填料塔，要求年產合成氨

48000t/a

。二、操作條件每噸氨變換氣取3

變換氣t氨；變換氣成為：28.0；；：N：為積，下同。其它組分被忽略要求出凈化氣中的濃度不超過；4.PC吸劑的入塔濃度依照操作情形自選；氣液兩的入塔溫度均選定為30℃；操作壓為1.6MPa；7.年工作日330天，每天小連續(xù)運。三、設計內容設計方的確定及工藝流程的說明填料吸塔的工藝運算塔和塔要緊工藝結構的設計運算填料吸塔附屬結構的選型與設計塔的工運算結果匯總一覽表吸取塔工藝流程圖填料吸塔與液體再分布器的工藝條件圖對本設的評述或對有關問題的分析與討論。四、基礎數據碳酸丙酯PC）的物理性質正常沸點）

蒸汽壓×133.32-1

粘度，mPa·s

分子量30

38

℃

℃

溫度）ρ（kg/m）

0.1

比熱運式

c1.390.00181p在碳酸丙烯酯）的溶解度

22222222溫度）亨利系數×101.3

在碳酸丙烯酯）的溶解熱可近似按下式運算（以

Δ

表示）ΔH

ii其他物數據可查化工原理附錄。設計依：吸取是利用各組分溶解度的不同而分離氣體混合物的操作合氣體與適當的液體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因此原組分的一分離。對與此題中的易溶氣體是CO

2

。依題意：年工作日以天，每天以小時連續(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（簡記為Nm3/tV=

3變換氣組成及分壓如下表進塔變換氣體積百分數,組分分壓，MPa組分分壓，

CO28.0

CO2.5

H47.2

N22.3

合計100

2222402222224022一、運前的預備在PC中的解關CO在中亨利系數數據溫度t）

25

26.7

37.8

40

50亨利系數E×

81.7

1201101009080

E=(1.6204t+39.594)101.3kPa25304550作圖得：亨利系數與溫度近似成直線，且t39.594因為高濃度氣體吸取故吸取塔內CO的溶解熱不能被忽略現假設出塔氣體的溫度

，出塔液體的溫度T

L1

40，并取吸取飽和度（定義為出塔溶液濃度對其平穩(wěn)濃度的百分數為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，CO在PC中的亨利系數E×1．出塔溶中CO的濃度（假設其滿足亨利定律）x0.71

E（摩爾分數）2照吸取溫度變化的假設塔內液相溫度變化不大可取平均溫度℃下的CO在中溶解的亨利系數作為運算相平穩(wěn)關系的依據。即：

35

22222222CO在中溶解的相平穩(wěn)關系，即：logX

CO

logp

CO

644.25

4.112式中：X

為摩爾比，kmolCO/kmolPCp

為的分壓，2

；T為熱力學溫度，K用上述關聯式運算出塔溶液中的濃度有l(wèi)ogXlogCO

4.112

CO

0.0402kmolCO/kmolPCx0.7x1

XCO1CO

與前者結果相比要小，為安全起見，本設計取后者作為運算的依據。結論：出料x（摩爾分數）2.PC密與度關利用題給數據作圖，得密度與溫度的關聯表達式為ρ12230.9858（式中t溫度，℃；ρ為密度，kg/m

）溫度℃）

0

15

25

40

55

（kg/m）

1224

1207

1198

1184

116912301220121012001190118011701160

y=+1223010

2030405060

222222222222222222223.PC蒸壓阻依照變換氣組成及分壓可知，蒸汽壓與操作總壓及CO的氣相分壓相比均專門小，故可忽略。4.PC的度log0.822

153.1

mPa·（T熱力學溫度，K）5.工流確：本次吸取采納逆流吸取的方法。二、物衡算1.各分PC中的解查各組分在操作壓力為1.6MPa、操作溫度40℃下在中的溶解度數據，并取其相對吸取飽和度均為70%，將運算所得結果列于表（亦可將除CO以外的組分視為惰氣而忽略不計而只考慮CO的溶解溶解量的運算如下：各個溶質溶解量的運算如下以為例）通過第一部分已知40的平穩(wěn)溶解度

2

CO

0.0402kmolCO/kmolPC2

22.4102.09

10.44Nm

3

/m

式中：1184為在℃時的密度，102.09為PC的相對摩爾質量。CO的溶解量為（）×0.7=7.203

/m

3

組分組分分壓，MPa溶解度，/m3PC溶解量，/m3PC

CO

CO

H

N

合計1.60

2222222222222222分數

0.152.072.07100.00說明：進塔吸取液中的殘值取0.15，故運算溶解量時應將其扣除。其他組分溶解度就微小，經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：

440.2828溶解氣體的平均分子量：0.001520.0207280.02072.溶夾量Nm3PC以0.2計，各組分被夾帶的量如下：CO：×NmCO：0.2Nm

H：×Nm3N：×Nm33.溶帶的量Nm/m3PC各組分溶解量：

CO：

/m

95.71%CO：

Nm3

/m

3H：

Nm

3

/m3N：

0.156Nm3/mNm/m100%夾帶量與溶解量之和：CO：93.96%CO：0.005+0.011=0.016Nm3/m3PC

2222121222222121222H：/m3N：/m3Nm

3

/m

4.出碳凈氣V、、分別代表進塔、出塔及溶液帶出的總氣量，以y分別132代表CO相應的體積分率，對CO作物料衡算有：/V13Vyy12聯立兩式解之得

3V

(y

-y

)/(y

-y

×6.06(0.28－0.005)/(0.9396－0.005)=7667Nm3

/hV-5.運PC循環(huán)

/因每1m3PC帶出CO為7.259Nm3，故有：L=Vy×0.9396/7.259=992m3/h操作的氣液比為V/L=26058/992=26.276.驗吸液CO殘為0.15Nm3PC時化中CO的含量22取脫碳塔阻力降為2

，則塔頂壓強為16.32-0.3=16.02kgf/cm

，現在CO的分壓為p濃度為：

CO

16.020.005kgf/cm2與此分壓呈平穩(wěn)的CO液相l(xiāng)ogX

CO

logp

CO

222222222222log

CO

3.083X

CO

0.0008257kmolCO0.00082570.216Nm330.15NmCO/m3式中1193吸取液在塔頂℃時的密度，近似取PC液體的密度值。運算結果說明，當出塔凈化氣中的濃度不超過，那入塔吸取液中CO的極限濃度不可超過3本設計取值正好在其所要求的范疇之內，故選取值滿足要求。入塔循環(huán)液相CO：992×7.出氣的成出塔氣體的體積流量應為入塔氣體的體積流量與帶走氣體的體積流量之差。CO：26058××

/hCO：×992=635.58Nm

/hH：N：

26058××/h65.53%26058××992=5610.54Nm3/h30.51%

3

/h運算數據總表進塔帶出氣V1)Nm3/h

出脫碳塔凈化氣量出塔氣量(V2)Nm3/h

溶液帶出的總氣V3)Nm3/h18391

氣液比入塔氣體平均分子量溶解氣體平均分子量

中溶解量(溶解氣量及其組成）40組分

2

CO

H

2

N

2

總量溶解度Nm3PC

p1p2222p1p2222溶解量Nm3

PC

溶解體積流量Nm3/h溶解氣所占的百分數%

7469.76出塔液相帶出氣量及其組成℃溶解量體積流量溶解氣所占的百分數%

7203.91

入塔氣相及其組成℃體積流量

7296.24

溶解氣所占的百分數%

出塔氣相的組成35體積流量溶解氣所占的百分數%

5610.54

體積流量溶解氣所占的百分數%

入塔液相及其組成℃

三、熱衡算在物料衡算中曾假設出塔溶液的溫度為40℃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。否則，應加大溶劑循環(huán)量以堅持出塔溶液的溫度不超過40℃。具體運算步驟如下：1.混氣的壓熱

C

pV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運算。理想氣體的定壓比熱容CTTpiiii

2

Ti

3

，其溫度系數如下表：系數

ab

dC（30℃）（32℃）CO4.728×-2

-1.338×10-5

×-9

8.929/37.388.951/37.48CO

×10-2

×

-3.037×10-9

6.969/29.186.97/29.18H

×

-3.298×10-6

×

6.902/28.906.904/28.91N

×

6.4×

×10

6.968/29.186.968/29.18

p222p22210

表中C的單位為（kcal/kmol℃）/（·℃）進出塔氣體的比熱容C

pV1

ypi

i29.180.0250.47229.1831.34kJ/kmolC=∑Cypii=37.48×0.0050+29.18×0.0346+28.91×0.6553+29.18×0.3051=29.04℃2.液的熱

C

pL溶解氣體占溶液的質量分率可如此運算：質量分率為

1184

1.2%其量專門少，因此可用純的比熱容代之。本設計題目中kJ/kg·℃

0.001811.390.001811.426kJ/kg文獻查C

pL

0.34990.0009863tkJ/kg·℃據此算得：

pL

0.3894℃C

pL

kJ/kg·℃本設計采納前者。的溶熱

H

6764.187kJ/kmolCO

2文獻查H

（實驗測定值）本設計采納后者。CO在中的溶解量為×3/h=319kmol/h

V1LsL1L2V1LsL1L2L1L2L1故4×319=46746264.出溶的度

T

1設出塔氣體溫度為℃，全塔熱量衡算有：帶入的熱量（Q+）+溶解熱量（Q）帶出的熱量（+）=V(T－T)=26058×31.34×30/22.4=1093738kJ/hv10(T－T)=992×1193×1.426×30=50628248L20=V(T－T)=18391×29.04×35/22.4=834492kJ/hv20(T－T=1724717TkJ/hL10L1L1式中：L=992×1193+(7667-0.2×992)×42.78/22.4=11977201093738+50628248+4674626=834492+1724717TT=32℃L1

L1現均按文獻值作熱量衡算，即取

pL

0.3894·℃；C

pL

=V(T－T)=26058×31.34×30/22.4=1093738kJ/hv10(T－T)=992×1193×0.3795×30=13473647L20=V(T－T)=18391×29.04×35/22.4=834492kJ/hv20(T－T)=1197720×0.3894×T=466392TkJ/hL10L1L1式中：L=992×1193+(7667-0.2×992)×42.78/22.4=11977201093738+13473647+4674626=834492+466392TL1T℃與論值比較后，取T=39.5L1L1

2222222112222221222s2222222112222221222s5.最的衡算結果匯總出塔氣相及其組成（℃）V3/h

入塔液相及其組成（℃）L=992m/hCO

2

COHN

COHN635.585610.543.4630.51

3

149---Nm3/h----%脫碳塔入塔氣相及其組成（℃）V3COCOHN26058

出塔液相帶出氣量及其組成（℃）LCOHN69467296.245810.93

3

6526.4614.59224.36180.60

3/h28.02.5

溶解氣量及其組成（℃）LCOHN7469.76158.72158.72

3

/h2.07%

vlvl四、設的工藝與結尺寸的計運算確定徑相參D

V

0.8

F塔底氣液負荷大，依塔底氣液負荷條件求取塔徑采納Eckert通用關聯圖法求取泛點氣速u，并確定操作氣速。F入塔混合氣體的質量流量V=(26058÷22.4)×20.208=23508為入塔混合氣體的平均分子量為出塔混合氣體的平均分子量

4428M=0.0346+20.6553+280.3051=11.042kg/kmol塔底吸取液的質量流量’=1197720kg/h入塔混合氣的密度（未考慮壓縮因子）

V

1

/1.6

/303.1512.83kg/m

吸取液的密度

3

（40）吸取液的粘度，依下式運算得到：log

L

0.822

185.5153.1

0.822

L

·s（平均溫度℃時的值）選D料鮑爾環(huán)（米字筋濕填料因120m，間隙比表面106.4mt

，Bain-Hougen聯式常數A0.09421.75。（）選用Eckert通用關聯法求解u

F關聯圖的橫坐標/）0.5

’/V=(12.83/1184)0.5

LFt4LFt4F查用關聯圖得縱坐標值為0.0025即：u

FgL

u/118412.83F9.811184

2.368uF（）選用Bain-Hougen關式求解u

Flg

L

V

L

8lg

11977200.0942

4

1184

uF取u0.14m/sF則u的取值范~0.11m/s依照設計u=0.1m/s求取徑Vs=26058(0.1013/1.6)(303.15/273.15)=1830m

/h=0.5086m3

D=(4×0.5086/3.14×0.1)

0.5

=2.545m本次設計取核算作速u=4Vs/3.14×D=4×0.5086/3.14×2.62=0.10m/s則操作氣體速度取u=0.10m/s合適核算比D/d=26400/50=52>10~15滿足鮑爾環(huán)的徑比要求）

amin1amin12校核淋度采納聚丙烯填料表面L

噴，

=MWR）t×106.4=8.512m

3

/(m

2

.h)L=噴

11977208.512m3/(m2?h)（滿足要求）11934五、填層高度的運塔截面積∩=0.785D2=5.307㎡因其他氣體的溶解度專門小，故將其他氣體看作是惰氣并視作為恒定不變，那么，惰氣的摩爾流GG=26058(1-0.28)/(22.4×3600×∩)=0.0438kmol/(m

2

·s)又溶劑的蒸汽壓專門低，忽略蒸發(fā)與夾帶缺失，并視作為恒定不變，那么有’=992×1193/(102.09×3600×5.307)=0.6068kmol/(ms)，

0.15/22.4/1193/102.09

吸取塔物料衡算的操作線方程為G

y21y

2

xX2

將上述已知數據代入操作線方程，整理得X2.1026

選用填料層高度表達式/(Kya·∩)采納數值積分法求解，步驟如下：1.將氣相濃度y~在其操作范疇內等份，其等份間距為0.0275，并將各分點的值代入式（）運算出對應的x值，并列入后面表格中的第1、2列中。2.運算各分點截面處的氣液流率G=(1+Y)G’

L’

（2）將運算結果列入附表中的34。

wtLt1.68wtLt1.6836003.運算的傳質系數aUU2a)0.75(L)0.1(Lt)(L)0.2aagatLtLLLLt

=1－exp｛-1.45(33/39.1)

(225703/106.4·

0.1

(225703

2

·106.4/1184

2

·1.27×108)-0.05(2257032/1184×39.1×106.4)0.2｝≈1由運算知a︽a=106.4m/m3式中：U

L’11977200.785D0.7852.6

.－氣體、液體的黏度kgPa3600/(mLV3、－氣體、液體的密度/VL、D－溶質在氣體、液體中的擴散系數LVR－通用氣體常數kmolT－系統(tǒng)溫度，K

/h－填料的總比表面積t

2

/m

3－填料的潤濕比表面積，W

2

/m

3－重力加速度，1.27×

8

m/h－液體的表面張力kgL

2

dyn/h

2

－填料材質的臨界表面張力/hC

2

dyn/h

2

－填料形狀系數上述修正的恩田公式只適用u0.5u的情形，由運算得知u0.5uF

F氣膜吸取系數運算：

k0.237G

Vt

VDVV

3

氣體質量通量為

U

V1

20.20822.40.7852

kg/(U

V

0.7852.6

1708.09/(m

k

1

4429.960.2370.015106.4

13

3600

1.683600LLL11841.41.4G1.683600LLL11841.41.4GG2.22.2LL0.237104.94=5.6210

10

G2

1708.09

0.7

0.015

13

36000.2370.88610

=2.8410

k

4.23

液膜吸取系數運算：

k

ULL

LDLL

2

L

3液體質量通量為

UL

11977200.785

225703kg/(m

k0.0095

225703106.48.5248

11844.212

8.52481.27

30.009597.06ka1.1GW

××1.451.1=kL

0.4

0.882×1.45

0.4

u0.150%u0.14F故修正：ka1.421Fuk'0.5aF11KaGL

Kyt

a

H

EMs

=1184/(102.09×(1.6204×30+39.594)×101.3=1.29×10

kmol/(kPa

3

（稀溶液）

G221/2ABDG221/2ABDKG

111.4211.29

1

0.138運算預備：（1）兩相摩爾流率與質量流率的轉換氣相平均分子量為y

惰M

惰

M底頂2822.33.46283.4665.5330.51

氣相平均分子量為：V=(33.085Y+10.915)GL102.09L（稀溶液）（2）在氣相和液相中的擴散系數氣相：分兩步進行，定性溫度取℃。第一運算CO在各組分中的擴散系數，然后再運算其在混合氣體中的擴散系數。運算公式如下：DCO

111.50MMptD

4.36

-51.50(1/44+1/28)+30.71/31600

-7m2CO2-H2

4.361.501/3)

=3.28

-6

m

2

/SDCO2-N2

=

4.36

-51.50(1/44+1/28)(341/3+31.21/3)1600

=8.62m

1y/DiCO

（1-0.005）/（×10

+0.6553/3.28×

22222210-6+0.3051/8.62×10-7）=1.676×10-6m2/s液相：文獻介紹了在中擴散系數兩個運算公式，定性溫度取℃。D

TL

7×10

-5

㎝2

/s（T—Kμ—mPasD—cmL

D

TL

1×10-5㎝2

/s（T—Kμ—·；D—/s）L取大DPC

-5cm2（3）氣液兩相的粘度

T

m

（純組分的粘度）u4×10-2(305.5/273.15)0.935=0.015mPa·s同理：u

G-CO

=0.0180Gi

u=0.0093mPa·sG-H2u=0.018mPa·sG-N2為0℃、壓下純氣體組分的粘度，。為關聯指數（見下表）Gi

/

m

Gi

/

mCO

2

1.34×10

H

0.84×10

CO

1.66×10

N

1.66×10

氣相：

12

G底

yiGiiyMii

（氣體混合物的粘度）8×0.015×44+0.025×0.018×28+0.472×0.0092×2×280.5)/(0.28×44

0.5

+0.025×28

0.5

+0.472×2

0.5

+0.223×28

0.5

)=0.0150液相l(xiāng)og

L

185.5

mPa·

=2.368mPa·skgmL（4）吸取液與填料的表面張力

2222吸取液

43.16=39.1mPa·s填料：查教材，如聚乙烯塑33mPa·s4.氣相總傳質單元數作CO在中的相平穩(wěn)曲線lgp

T

ptXx1

X將運算結果列表如下：氣相CO的成y摩爾分率）

氣相CO的壓（kgf/cm

）

℃對應的液相平穩(wěn)組成x℃對應的液相平穩(wěn)組成x℃對應的液相平穩(wěn)組成x

0.30.20.10

y*=-00.010.04因溫度變化不大，故取平均溫度下的數值作圖得一直線，這說明在PC中的溶解情形滿足亨利定律。但因操作關系不為直線，故仍需采納圖解積分或數值積分。5.相總傳質單元數采納傳質單元數的近似簡化法運算

33圖中數據源于下表數據y、x數由操作線方程）運算而得y*由y*運而得。0.30.270.240.210.180.150.120.090.060.03000.00450.0090.01350.0180.02250.0270.03150.0360.04050.045y×10x×10

0.50.057

0.255

6.00.454

0.653

11.500.852

14.251.051

17.001.249

19.751.448

22.501.647

25.251.845

28.002.043y*

×10

0.347

1.624

2.902

4.179

5.456

6.732

8.010

9.288

10.56

11.84

13.12y

654.261.5021.8816.5513.3011.129.5608.6307.4606.72065.058.552.045.539.032.526.019.513.06.50.000.050.10.150.20.250.3現采納Smipson公式求區(qū)域的面積—數值積分法（亦可采納圖解積分）

12fffffffffff02683590.2816.5549.560.009167

1y10.005ln2ln21y1

0.162N

OG

11.496.氣相總傳質單元高

運算H

：由于關于CO為易吸取氣體，為氣膜操縱kkyv(v

Vt

)0.7(

VVV

1/ad)v

aDU()0