2461.碳酸丙烯酯(PC)脱碳填料塔的工艺设计课程设计.doc
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1、碳酸丙烯酯(PC)脱碳填料塔的工艺设计学 校 xxx工程技术大学学 号 姓 名 专 业 制 药 工 程目 录第一部分 碳酸丙烯酯(PC)脱碳填料塔的工艺设计任务书4一、设计题目4二、操作条件4三、设计内容4四、基础数据4第二部分 50500t/a合成氨碳酸丙烯酯(PC)脱碳填料塔设计工艺计算书6一、计算前的准备61.CO2在PC中的溶解度关系62.PC密度与温度的关系83.PC蒸汽压的影响84.PC的粘度85.其它物性将在后续计算中给出8二、物料衡算81.各组分在PC中的溶解量82.溶剂夹带量Nm3/m3PC93.溶液带出的气量Nm3/m3PC94.出脱碳塔净化气量95.计算PC循环量106.
2、验算吸收液中CO2残量为0.15 Nm3/m3PC时净化气中CO2的含量107.出塔气体的组成10三、热量衡算101.混合气体的定压比热容112.液体的比热容113.CO2的溶解热124.出塔溶液的温度125.最终的衡算结果汇总14四、设备的工艺与结构尺寸的设计计算15(一)确定塔径及相关参数151.采用Eckert通用关联图法求取泛点气速,并确定操作气速15(1)选用Eckert通用关联图法求解15(2)选用Bain-Hougen关联式求解152.求取塔径163.核算操作气速164.核算径比165.校核喷淋密度16五、填料层高度的计算161.用气相浓度y计算出对应的x值172.计算各分点截面
3、处的气液相流率173.计算各分点截面处的传质系数174.作CO2在PC中的相平衡曲线195.气相总传质单元数206.气相总传植单元高度217.填料层的有效传质高度22六、填料层的压降22参考文献22化工原理课程设计任务书碳酸丙烯酯(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50500Yt/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
4、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/
5、m3)122412071198118411692.比热计算式 3.CO2在碳酸丙烯酯(PC)中的溶解度温度t,()2526.737.84050亨利系数E101.3-1kPa81.1381.7101.7103.5120.84.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。50500t/a合成氨碳酸丙烯酯(PC)脱碳填料塔设计工艺计算书设计依据: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 。依题意:年工作日以330天,
6、每天以24小时连续运行计,有:合成氨:50500t/a= 153.0t/d=6.38t/h变换气:4300m3(标)变换气/t氨(简记为Nm3/t)变换气组成及分压如下表进塔变换气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/cm24.5680.4087.7013.63816.32一、计算前的准备1.CO2在PC中的溶解度关系根据CO2在碳酸丙烯酯的溶解度数据温度t,()2526.737.84050亨利系数E101.3-1kPa81.1381.7101.7103.5120.8作图得:亨
7、利系数与温度近似成直线,且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(可以验证其满足亨利定律)(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: kPa另外,有人关联出了CO2在PC中溶解的相平衡关系,即:式中:为摩尔比
8、,kmolCO2/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。或者采用计算。上式中:为摩尔分率;为CO2的分压,atm;T为PC液的热力学温度,K。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蒸汽压的影响从题给数据知,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
9、.其它物性将在后续计算中给出。二、物料衡算1.各组分在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%,将计算所得结果列于下表(亦可将除CO2以外的组分视为惰气而忽略不计,而只考虑CO2的溶解):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/m3PC7.2030.0110.1560.1567.526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
10、0.15 Nm3/m3PC,故计算溶解量时应将其扣除。其他组分本身溶解度就很小,经解吸后的残值完全可被忽略。CO2溶解量的计算如下:前已算出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/m3PC2.溶剂夹带量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=0.04
11、46 Nm3/m3PC3.溶液带出的气量Nm3/m3PC为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 3.24%N2:0.0446+0.156=0.201 Nm3/m3PC 2.60%7.726 Nm3/m3PC 100%4.出脱碳塔净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:联立两式解之得V3=V1(y1-y2)/(y3-y2)=43006.38(0.280
12、.005)/(0.93960.005)=8072Nm3/hV2=V1-V3Nm3/h=19362 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=80720.9396/7.259=1045m3/h操作的气液比为V1/L=27434/1045=26.256.验算吸收液中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
13、,近似取纯PC液体的密度值。计算结果表明,要使得出塔净化气中CO2的浓度不超过0.5%,则入塔吸收液中CO2的极限浓度可达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。CO2:274340.28-7.2591045=95.865Nm3/h 0.50%CO:274340.025-0.0161045=669.130Nm3/h 3.46%H2:274340.472-0.2501045=12687.598Nm3/h 65.53%N2:274340.223-0.2011045=5
14、907.737Nm3/h 30.51%19360.330Nm3/h 100%三、热量衡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
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