化工原理课程设计合成氨碳酸丙烯酯（PC）脱碳填料塔设计.doc

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1、化工原理课程设计题目名称：100000t/a合成氨碳酸丙烯酯（PC）脱碳填料塔设计学生姓名： 院 (系)：化学与环境工程学院专业班级：化工10901班指导教师： 时 间：2012.02.13 至 2012.02.26100000t/a合成氨碳酸丙烯酯（PC）脱碳填料塔设计目 录碳酸丙烯酯（PC）脱碳填料吸收塔课程设计任务书3一、设计任务3二、操作条件3三、设计内容3四、基础数据3设计依据5一、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73.PC蒸汽压的影响84.PC的粘度85.工艺流程确定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

2、.溶液带出的气量Nm3/m3PC94.出脱碳塔净化气量105.计算PC循环量106.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11三、热量衡算121.混合气体的定压比热容122.液体的比热容133.CO2的溶解热134.出塔溶液的温度145.最终的衡算结果汇总15四、设备的工艺与结构尺寸的设计计算161确定塔径及相关参数162求取塔径173核算操作气速174 核算径比175校核喷淋密度17五、填料层高度的计算17六、填料层的压降26七：附属设备及主要附件的选型261.塔壁厚262液体分布器263除沫器264液体再分布器275填料支撑板276塔

3、的顶部空间高度27八 设计概要表27九 对本设计评价28十 参考文献29十一 附图29碳酸丙烯酯（PC）脱碳填料吸收塔课程设计任务书一、设计任务某厂以天然气为原料生产合成氨，选择碳酸丙烯酯(PC)为吸收剂脱除变换气中的CO2，脱碳气供合成氨下一工段使用。试设计一座碳酸丙烯酯(PC)脱碳填料塔，要求与年产合成氨100kt/a配套使用。二、操作条件1每吨氨耗变换气取4280STPm3变换气/t氨(可简记为Nm3变换气/ t氨)；2变换气组成为：CO2 28%；CO 2.5%；H2 49.5%；N2 16.5%；CH4 3.5%。(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

4、超过0.5%；4PC吸收剂的入塔浓度根据操作情况自选；5气液两相的入塔温度均选定为30；6操作压强为2.8MPa；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）(1)分子式：CH3CHOCO2CH2(3)物理性质正常沸点，（）蒸汽压133.321 Pa粘度，mPas分子量20430382025405

5、0102.090.10.242.762.581.9161.62(4)密度与温度的关系温度，（）015254055100（kg/m3）122412091198118411691122(5)比热容值与比热容计算式t，K302.7313.7322.6332.1Cp，cal/mol163.11164.80170.07175.16(6)表面张力t，K283.2293.2303.2313.2323.2333.2，dyn/cm43.3141.5540.2838.9737.8936.80(7)凝固点纯度，%768490100t凝，64615854.42CO2在碳酸丙烯酯（PC）中的亨利系数温度t，（）2526

6、.737.84050亨利系数E101.31kPa81.1381.7101.7103.5120.83CO2在碳酸丙烯酯（PC）中的溶解度数据(一)0152540p，atm溶解度p，atm溶解度p，atm溶解度p，atm溶解度4.3023.62.7510.42.828.52.205.06.0534.95.9522.33.059.22.976.87.9248.66.6324.73.209.73.357.88.2548.210.1741.316.0019.05.2712.010.2061.910.5041.56.2319.25.8013.512.1579.112.3554.38.6528.58.502

7、0.814.0094.313.4559.18.9029.09.0722.414.4094.914.2064.410.3332.69.5024.815.2510714.3065.011.1537.410.9827.315.7571.912.9544.111.2228.614.6554.413.1334.615.8058.513.4536.714.3039.515.3641.816.5545.6注：表中溶解度数据单位为STPm3CO2/m3PC。4CO2在碳酸丙烯酯（PC）中的溶解度数据(二)（单位为STPm3CO2/m3PC）453010015254055CO2分压，200mmHg6.163.4

8、61.921.451.020.820.610.47CO2分压，400mmHg12.36.923.852.902.041.631.220.93CO2分压，600mmHg18.510.45.794.353.062.441.831.40CO2分压，700mmHg13.27.325.513.883.092.321.775以煤为原料的变换气中各组分在碳酸丙烯酯（PC）中的溶解度数据CO2COCO2分压MPa溶解度，STPm3CO2/m3PCCO分压Mpa溶解度，STPm3CO/m3PC3040503040500.3710.359.277.850.060.0240.0240.0240.5013.812.4

9、210.240.080.050.050.050.6317.214.712.910.100.070.070.06H2N2CH4H2分压MPa溶解度，STPm3H2/m3PCN2分压Mpa溶解度，STPm3N2/m3PCCH4分压MPa溶解度，STPm3CH4/m3PC3040503040503040500.710.160.210.220.320.180.20.220.0090.020.020.020.940.20.220.250.420.290.290.30.0120.0250.0250.0251.180.20.230.360.540.390.40.40.0150.0240.0240.0246C

10、O2在碳酸丙烯酯（PC）中的溶解热可近似按下式计算（以表示）7其他物性数据可查化工原理附录、物理化学附录、或化学化工数据手册、化学工程手册、化工工艺设计手册等相关书籍。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，每天以24小时连续运行计，有：合成氨：100000t/a= 303.03t/d=12.63t/h变换气： 4280m3（标）变换气/t氨（简记为Nm3/t）V = 12.634280=54040.40 m3变换气组成及

11、分压如下表进塔变换气CO2COH2N2CH4合计体积百分数,%28.02.549.516.53.5100组分分压，MPa0.7850.070.24200.4620.0982.800组分分压，kgf/cm28.000.7114.134.711.0028.55一、计算前的准备1.CO2在PC中的溶解度关系CO2在PC中亨利系数数据温度t，（）2526.737.84050亨利系数E101.3-1kPa81.1381.7101.7103.5120.8作图得：亨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

12、（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 kPa1出塔溶液中CO2的浓度（假设其满足亨利定律）（摩尔分数）2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： kPaCO2在PC中溶解的相平衡关系，即：式中：为摩尔比，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

13、取后者作为计算的依据。结论：出料（摩尔分数）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蒸汽压的影响根据变换气组成及分压可知，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.工艺流程确定本次吸收采用逆流吸收的方法。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2.8MPa、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

14、除CO2以外的组分视为惰气而忽略不计，而只考虑CO2的溶解）：CO2溶解量的计算如下：各个溶质溶解量的计算如下：（以CO2为例）通过第一部分已知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（18.32-0.15）0.7=12.72 Nm3/m3PC组分CO2COH2N2CH4合计组分分压，MPa0.7850.071.3860.4620.0982.800溶解度，Nm3/m3PC18.320.0370.240.330.08019.01溶解量，Nm3/m3PC12.720.0260.170.230.05613.20溶

15、解气所占的百分数%96.360.191.291.750.42100.00说明：进塔吸收液中CO2的残值取0.15 Nm3/m3PC，故计算溶解量时应将其扣除。其他组分溶解度就微小，经解吸后的残值可被忽略。平均分子量：入塔混合气平均分子量：溶解气体的平均分子量：2.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： 0.20.495=0.099 Nm3/m3PCN2： 0.20.165=0.033 Nm3/m3PCCH4 ：0.20.035=0.007 Nm

16、3/m3PC3.溶液带出的气量Nm3/m3PC各组分溶解量：CO2： 12.72 Nm3/m3PC 96.36%CO： 0.026 Nm3/m3PC 0.19%H2： 0.17 Nm3/m3PC 1.29%N2： 0.23Nm3/m3PC 1.75%CH4： 0.056 Nm3/m3PC 0.42%13.20 Nm3/m3PC 100%夹带量与溶解量之和：CO2：0.056+12.72=12.776 Nm3/m3PC 95.32%CO：0.005+0.026=0.031 Nm3/m3PC 0.23%H2：0.099+0.17=0.269 Nm3/m3PC 2.00%N2：0.033+0.23=

17、0.263 Nm3/m3PC 1.96%CH4：0.056+0.007=0.063 Nm3/m3PC 0.47%13.402 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：V1 =54040.40 Nm3/ h联立两式解之得V3=V1(y1-y2)/(y3-y2)= 428012.63 (0.280.005)/(0. 95320.005)=15677.6Nm3/hV2 = V1 - V3 =38362.8 Nm3/ h5.计算PC循环量因每1 m3PC 带出CO2为12.776Nm3 ，故有：L=V3

18、y3/12.776=15677.60.9532/12.776=1169.7m3/h操作的气液比为V1/L=54040.4/1169.7=46.26.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28.55-0.3=28.25 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，近似取纯PC液体的密度值。计算结果表明，当出塔净化气中CO2的浓度不超过0.5%，那入塔吸收液中CO2的极限浓度不可超过0.385 Nm3/m3PC，本设计取值正好在其

19、所要求的范围之内，故选取值满足要求。入塔循环液相CO2：1169.70.157.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。计算数据总表CO2：54040.400.28-12.7761169.7=187.22Nm3/h 0.49%CO：54040.400.025-0.0311169.7=1314.75Nm3/h 3.42%H2： 54040.400.495-0.2691169.7=26435.35Nm3/h 68.9%N2： 54040.400.165-0.2631169.7=8609.03Nm3/h 22.44%CH4： 54040.400.035-0

20、.0631169.7=1817.72 Nm3/h 4.74%38364.07Nm3/h 100%出脱碳塔净化气量进塔带出气量(V1)Nm3/h出塔气量(V2)Nm3/h溶液带出的总气量(V3)Nm3/h54040.4038362.815677.6气液比46.2入塔气体平均分子量19.19溶解气体平均分子量43.03PC中的溶解量(溶解气量及其组成）40组分CO2COH2N2CH4总量溶解度，Nm3/m3PC18.320.0370.240.330.08019.01溶解量，Nm3/m3PC12.720.0260.170.230.05613.20溶解体积流量Nm3/h3977.57.853.272.

21、217.34127.7溶解气所占的百分数%96.360.191.291.750.42100.00出塔液相带出气量及其组成 40溶解量，Nm3/m3PC12.780.0310.270.260.6313.40体积流量Nm3/h1494436312307736915678溶解气所占的百分数%95.320.2321.960.47100.00入塔气相及其组成 30体积流量Nm3/h151311351267508917189154040溶解气所占的百分数%28.002.5049.5016.503.50100.00出塔气相的组成 35体积流量Nm3/h1871315264358609181838364溶解气

22、所占的百分数%0.493.4268.9022.444.74100.00入塔液相及其组成 30体积流量Nm3/h149.00149溶解气所占的百分数%100.00100三、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

23、.929/37.388.951/37.48CO7.373-0.30710-26.66210-6-3.03710-96.969/29.186.97/29.18H26.4832.21510-3-3.29810-61.82610-96.902/28.906.904/28.91N27.440-0.32410-26.410-6-2.7910-96.968/29.186.968/29.18表中Cp的单位为（kcal/kmol）/（kJ/kmol）CH4：Cp1 = 36.24进出塔气体的比热容(改)Cpv2=Cpiyi =37.480.0049+29.180.0342+28.910.689+29.180.

24、2244+36.240.0474 =29.51 KJ/Kmol2.液体的比热容溶解气体占溶液的质量分率可这样计算：质量分率为其量很少，因此可用纯PC的比热容代之。本设计题目中 kJ/kg文献查得 kJ/kg,据此算得： kJ/kg； kJ/kg本设计采用前者。3.CO2的溶解热kJ/kmolCO2文献查得 kJ/kmolCO2（实验测定值）本设计采用后者。CO2在PC中的溶解量为12.721169.7=14878.6Nm3/h=664.2kmol/h故Qs=14654664.2=9733186.8kJ/h4.出塔溶液的温度设出塔气体温度为35，全塔热量衡算有：带入的热量（QV1+QL2）+ 溶

25、解热量（Qs）= 带出的热量（QV2+QL1）Qv1=V1Cpv1(Tv1T0)=5404031.5830/22.4=2285602.5 kJ/hQL2=L2CpL2(TL2T0)=117011931.42630=59712751.8kJ/hQv2=V2Cpv2(Tv2T0)=3836329.5135/22.4=1768893.9kJ/hQL1=L1CpL1(TL1T0)=14253051.44TL1=2052440 TL1kJ/h式中：L1=11701193+(15678-0.21170)42.78/22.4=1425305.3 kg/h2285602.5+59712751.8+973318

26、6.8=1768893.9+2052440TL1TL1=34现均按文献值作热量衡算，即取 kJ/kg； kJ/kgQv1=V1Cpv1(Tv1T0)=5404031.5830/22.4=2285602.5 kJ/hQL2=L2CpL2(TL2T0)=117011930.379530=15891296.9kJ/hQv2=V2Cpv2(Tv2T0)=3836329.5135/22.4=176889.9kJ/hQL1=L1CpL1(TL1T0)= 1425305.30.3894TL1=555013.9 TL1kJ/h式中：L1=11701193+(15678-0.21170)42.78/22.4=1

27、425305.3 kg/h2285602.5+15891296.9+9733186.8=176889.9+555013.9TL1T L1=39.9 与理论值比较后，取T L1=39.95.最终的衡算结果汇总出塔气相及其组成（35）V2=38362.8Nm3/hCO2COH2N2CH4187.2 1314.7 26435.4 8609.0 1817.7Nm3/h0.49 3.42 68.9 22.44 4.74%QV2=176889.9kJ/h入塔液相及其组成（30）L2=1170m3/hCO2COH2N2CH4149-Nm3/h-%QL2=15891296.9kJ/h入塔气相及其组成（30）V

28、1=54040.4 Nm3/hCO2COH2N2CH415131 13412675089171891Nm3/h28.02.549.516.53.5%QV1=1093738kJ/h出塔液相带出气量及其组成（40）L1=1425305.3kg/hCO2COH2N2CH414944 363123077369Nm3/h95.320.2321.960.47%脱碳塔溶解气量及其组成（40）L1=1425305.3kg/hCO2COH2N2CH44127.73977.5 7.853.272.217.3Nm3/h96.360.191.291.750.42%Qs=9733186.8kJ/h四、设备的工艺与结构尺

29、寸的设计计算1确定塔径及相关参数 塔底气液负荷大，依塔底气液负荷条件求取塔径选用Bain-Hougen关联式求解求取泛点气速，并确定操作气速。入塔混合气体的质量流量V=(54040.422.4)19.19=46296.22 kg/h19.19为入塔混合气体的平均分子量11.53为出塔混合气体的平均分子量Mm2 = 440.049+280.0342+20.689+280.2244+160.0474= 11.53kg/kmol塔底吸收液的质量流量L= 1425305.3 kg/h入塔混合气的密度（未考虑压缩因子）吸收液的密度（40）吸收液的粘度，依下式计算得到：mPas（平均温度35时的值）选mm

30、塑料鲍尔环（米字筋），其湿填料因子，空隙率，比表面积，Bain-Hougen关联式常数。选用Bain-Hougen关联式求解则u=(0.60.8) F即的取值范围是0.070.09 m/s根据设计u=0.07m/s2求取塔径Vs=54040.4 (0.1013/2.8)(303.15/273.15)=2169.83m3/h=0.6027m3/sD=(40.6027)/(3.140.1)0.5=2.771m本次设计取D=2800mm3核算操作气速u=4Vs/3.14D2=(40.6027)/(3.142.82)=0.07m/s则操作气体速度取u=0.07m/s合适4 核算径比D/d=2800/5

31、0=561015（满足鲍尔环的径比要求）5校核喷淋密度采用聚丙烯填料表面L喷，min=（MWR）at =0.08106.4=8.512m3/(m2.h)L喷=（满足要求）五、填料层高度的计算塔截面积=0.785D2=6.154因其他气体的溶解度很小，故将其他气体看作是惰气并视作为恒定不变，那么，惰气的摩尔流率G=54040.4 (1-0.28)/(22.43600)=0.0784kmol/(m2s)又溶剂的蒸汽压很低，忽略蒸发与夹带损失，并视作为恒定不变，那么有L=11701193/(102.0936006.154)=0.6171kmol/(m2s)，吸收塔物料衡算的操作线方程为将上述已知数据

32、代入操作线方程，整理得选用填料层高度表达式H=V / (Kya)采用数值积分法求解，步骤如下：1.将气相浓度在其操作范围内10等份，其等份间距为0.0275，并将各分点的y值代入式（1）计算出对应的x值，并列入后面表格中的第1、2列中。2.计算各分点截面处的气液相流率G=(1+Y)G L=(1+X)L （2）将计算结果列入附表中的3、4列。3.计算的传质系数=1exp-1.45(33/39.1)0.75(231591/106.48.5248)0.1(2315912106.4/118421.27108)-0.05(2315912/118439.1106.4)0.21由计算知awat=106.4式

33、中：UL=231591kg/(m . h)、气体、液体的黏度，、气体、液体的密度，、溶质在气体、液体中的扩散系数， R通用气体常数，T系统温度，K填料的总比表面积，填料的润湿比表面积，g重力加速度，1.27108m/h液体的表面张力，填料材质的临界表面张力，填料形状系数上述修正的恩田公式只适用于的情况，由计算得知u0.5uF 气膜吸收系数计算： 气体质量通量为 = 0.237152.020.7482.5510-4 =6.7610-3 = 0.23783.730.7482.5110-4 =3.7310-3液膜吸收系数计算： 液体质量通量为 = 0.009540.250.764897.06 = 0

34、.897= 6.310-3106.41.451.1 = 1.009= 0.897106.41.450.4 = 110.73故修正： =1184/(102.09(1.620430+39.594)101.3=1.2910-3（稀溶液）计算准备：（1）两相摩尔流率与质量流率的转换气相平均分子量为：气相平均分子量为：33.085y+10.915VG=(33.085Y+10.915)G（稀溶液）（2）CO2在气相和液相中的扩散系数气相：分两步进行，定性温度取32.5。首先计算CO2在各组分中的扩散系数，然后再计算其在混合气体中的扩散系数。计算公式如下：DCO2-co=DCO2-H2=DCO2-N2=DC

35、O2-CH4= 4.3610-5(32.5+273)1.50(1/44+1/16)0.5/(341/3+20.71/3)/1600=9.7510-6/S=（1-0.005）/（0.0342/8.6710-7+0.689/3.2810-6+0.2244/8.6210-7+0.0474/9.7510-6）=1.93310-6m2/s液相：文献介绍了CO2在PC中扩散系数两个计算公式，定性温度取35。=1.1710-52/s （TK；mPas；Dcm2/s） =1.0110-5 2/s （TK；mPas；Dcm2/s）取大值（3）气液两相的粘度（纯组分的粘度）uG-CO2=1.3410-2(305.

36、5/273.15)0.935=0.015mPas同理：uG-CO=0.018 mPas uG-H2=0.0093 mPas uG-N2=0.018 mPas uG-CH4=0.011 mPas为0、常压下纯气体组分的粘度，mPas 。m为关联指数（见下表）mmCO21.3410-20.935H20.8410-20.771CO1.6610-20.758N21.6610-20.756CH41.1810-2 0.796气相：（气体混合物的粘度） =(0.280.015440.5+0.0250.018280.5+0.4950.009220.5+0.1650.018280.5+0.0350.011160

37、.5)/(0.28440.5+0.025280.5+0.49520.5+0.165280.5+0.035160.5)=0.0146mPas液相： mPas=2.368 mPas（4）吸收液与填料的表面张力吸收液：=39.1 mPas填料：查教材，如聚乙烯塑料 mPas4.气相总传质单元数作CO2在PC中的相平衡曲线将计算结果列表如下：气相CO2的组成y（摩尔分率）0.0050.0500.1000.2000.280气相CO2的分压p（kgf/cm2）0.08160.8161.6323.2634.57030对应的液相平衡组成x0.00080.00840.01690.03370.047235对应的液

38、相平衡组成x0.00080.00780.01560.03110.043640对应的液相平衡组成x0.00070.00720.01440.02880.0404因温度变化不大，故取平均温度下的数值作图得一直线，这说明CO在PC中的溶解情况满足亨利定律。但因操作关系不为直线，故仍需采用图解积分或数值积分。5.气相总传质单元数采用传质单元数的近似简化法计算图中数据源于下表数据，y、x数据由操作线方程（1）计算而得。y*由y*=6.4283x-0.0002计算而得。y10-20.53.256.08.7511.5014.2517.0019.7522.5025.2528.00x10-20.0570.2550

39、.4540.6530.8521.0511.2491.4481.6471.8452.043y*10-20.3471.6242.9024.1795.4566.7328.0109.28810.5611.8413.12654.261.5032.2821.8816.5513.3011.129.5608.6307.4606.720现采用Smipson公式求区域的面积数值积分法（亦可采用图解积分）6.气相总传质单元高度计算：由于对于PC，CO2为易吸收气体，为气膜控制169.410.74810-7m填料层的有效传质高度=0.476311.652=5.55m设计高度H=1.295.55=7.16m六、填料层的压降用Eckert通用关联图计算压降横坐标：0.5=4.1