48000ta合成氨碳酸丙烯酯（PC）脫碳填料塔設(shè)計

1、碳酸丙烯酯（pc）脫碳填料塔的工藝設(shè)計學(xué) 校 上海工程技術(shù)大學(xué)專 業(yè) 環(huán)境工程 48000t/a合成氨碳酸丙烯酯（pc）脫碳填料塔設(shè)計目 錄碳酸丙烯酯（pc）脫碳填料塔設(shè)計工藝設(shè)計任務(wù)書 4一、設(shè)計題目 4二、操作條件 4三、設(shè)計內(nèi)容 4四、基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 5設(shè)計依據(jù)：6一、計算前的準(zhǔn)備61.co2在pc中的溶解度關(guān)系62.pc密度與溫度的關(guān)系73.pc蒸汽壓的影響84.pc的粘度8二、物料衡算81.各組分在pc中的溶解量82.溶劑夾帶量nm3/m3pc93.溶液帶出的氣量nm3/m3pc94.出脫碳塔凈化氣量105.計算pc循環(huán)量106.驗算吸收液中co2殘量為0.15 nm3/m3pc時凈化氣中

2、co2的含量117.出塔氣體的組成11三、熱量衡算121.混合氣體的定壓比熱容122.液體的比熱容133.co2的溶解熱144.出塔溶液的溫度145.最終的衡算結(jié)果匯總15四、設(shè)備的工藝與結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計計算16（一）確定塔徑及相關(guān)參數(shù)16五、填料層高度的計算18六、填料層的壓降26七、附屬設(shè)備及主要附件的選型261.塔壁厚262液體分布器263除沫器264液體再分布器275填料支撐板276塔的頂部空間高度27八、設(shè)計概要表 27九、對本設(shè)計的評價 28參考文獻28化工原理課程設(shè)計任務(wù)書碳酸丙烯酯（pc）脫碳填料塔的工藝設(shè)計一、設(shè)計題目 44000設(shè)計一座碳酸丙烯酯（pc）脫碳填料塔，要求年產(chǎn)合

3、成氨46000t/a。二、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(shè)計內(nèi)容1.設(shè)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(jié)構(gòu)的設(shè)計計算4.填料吸收塔附屬結(jié)構(gòu)的選型與設(shè)計5.塔的工藝計算結(jié)果匯總一覽表6.吸收塔的工藝流程圖7.填料

4、吸收塔與液體再分布器的工藝條件圖8.對本設(shè)計的評述或?qū)τ嘘P(guān)問題的分析與討論。四、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)1.碳酸丙烯酯（pc）的物理性質(zhì)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。

5、設(shè)計依據(jù)：吸收是利用各組分溶解度的不同而分離氣體混合物的操作。混合氣體與適當(dāng)?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：44000t/a= 133.33t/d=5.56t/h 變換氣： 4300m3（標(biāo)）變換氣/t氨（簡記為nm3/t）v = 5.564300=23908 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，kg

6、f/cm24.5680.4087.7013.63816.32一、計算前的準(zhǔn)備1.co2在pc中的溶解度關(guān)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(shè)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(jié)合熱量衡算驗證上述溫度假設(shè)的正確性在40下，co2在pc中的亨利系數(shù)e40=103.5101.3 kpa=10485 kpa

7、1出塔溶液中co2的濃度（假設(shè)其滿足亨利定律）（摩爾分數(shù)）2根據(jù)吸收溫度變化的假設(shè)，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(guān)系的依據(jù)。即： kpaco2在pc中溶解的相平衡關(guān)系，即：式中：為摩爾比，kmolco2/kmolpc；為co2的分壓，kgf/cm2；t為熱力學(xué)溫度，k。用上述關(guān)聯(lián)式計算出塔溶液中co2的濃度有 與前者結(jié)果相比要小，為安全起見，本設(shè)計取后者作為計算的依據(jù)。結(jié)論：出料（摩爾分數(shù)）2.pc密度與溫度的關(guān)系利用題給數(shù)據(jù)作圖，得密度與溫度的關(guān)聯(lián)表達式為（式中t為溫度，；為密度，kg/m3）溫度，（）015254055（kg/m3）

8、122412071198118411693.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(xué)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(jié)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(zhì)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

9、：1184為pc在40時的密度，102.09為pc的相對摩爾質(zhì)量。co2的溶解量為（10.44-0.15）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(yīng)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

10、平均分子量：溶解氣體的平均分子量：2.溶劑夾帶量nm3/m3pc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/m

11、3pc 100%夾帶量與溶解量之和：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 3.23%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(yīng)的體積分率，對co2作物料衡算有：v1 = 23908 nm3/ h 聯(lián)立兩式解之得 v3=v1(y1-y2)/(y3-y2)=43005.56 (0.280

12、.005)/(0.93960.005)= 7034.77nm3/h v2 = v1 - v3 =17697.549 nm3/ h 16873.235.計算pc循環(huán)量因每1 m3pc 帶出co2為7.259 nm3 ，故有：l=v3y3/7.259=7034.770.9396/7.259=910.58m3/h 操作的氣液比為v1/l=23908/910.58=26.2566.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c

13、o2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(jié)果表明，當(dāng)出塔凈化氣中co2的濃度不超過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(shè)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 co2：910.580.15=136.5877.出塔氣體的組成出塔氣體的體積流量應(yīng)為入塔氣體的體積流量與pc帶走氣體的體積流量之差。co2：239080.28-7.259910.58=84.34nm3/h 0.59% co： 239080.025-0.016910.58=583.13nm3/h 3.42%h2： 2390

14、80.472-0.250910.58=11056.93nm3/h 64.83%n2： 239080.223-0.201910.58=5331.49nm3/h 31.69% 17055.89nm3/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/h出塔氣量(v2)nm3/h溶液帶出的總氣量(v3)nm3/h2390816873.237034.77 氣液比26.256入塔氣體平均分子量20.208 溶解氣體平均分子量42.775pc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，

15、nm3/m3pc7.203 0.011 0.156 0.156 7.526 溶解體積流量nm3/h6832.694 10.434 147.980 147.980 7139.090 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/m3pc7.259 0.016 0.250 0.201 7.726 體積流量nm3/h6885.81515.177 237.148 190.6677328.806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/h7007.28625

16、.6511812.2725580.79825026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（修改后）體積流量nm3/h84.34583.1311056.935331.4917055.89溶解氣所占的百分數(shù)%0.5093.4264.83 31.69 100.00 入塔液相及其組成 30體積流量nm3/h136.587136.587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(shè)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(yīng)加大溶劑循環(huán)量以維持出塔溶液的溫度不超過40。具體

17、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）co24.7281.75410-2-1.33810-54.09710-98.929/37.388.951/37.48co7.373-0.30710-26.66210-6-3.03710-96.969/29.186.97/29.18h26.4832.21510-3-3.29810-61.82610-96.902/28.906.904/28.91n27.440-0.32410-26.410-6-2.7910-9

18、6.968/29.186.968/29.18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(zhì)量分率可這樣計算：質(zhì)量分率為其量很少，因此可用純pc的比熱容代之。本設(shè)計題目中 kj/kg文獻查得 kj/kg,據(jù)此算得： kj/kg； kj/kg本設(shè)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(shè)計采用后者。co2在pc中的溶解量為7.203

19、910.58=6558.91nm3/h=292.81kmol/h故qs=14654292.81=4290814.019kj/h（修改后）4.出塔溶液的溫度設(shè)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)=2390831.3430/22.4=1003495.607 kj/hql2=l2cpl2(tl2t0)=910.5811931.42630=46472852.59kj/h qv2=v2cpv2(tv2t0)= 16873.2329.0435/22.4=765622.81kj/hql1=l1

20、cpl1(tl1t0)=1145626.7661.44tl1=1649702.543tl1kj/h式中：l1=910.581193+(7328.806-0.2910.58)42.78/22.4=1145626.766 kg/h1052432.679+48412751.48+4469909.62=803026.286+1649702.543tl1tl1=32.2132現(xiàn)均按文獻值作熱量衡算，即取 kj/kg； kj/kg qv1=v1cpv1(tv1t0)=2502631.3430/22.4=1050421.661kj/hql2=l2cpl2(tl2t0)=948.59011930.379530

21、=12884038.7kj/hqv2=v2cpv2(tv2t0)=17697.54929.0435/22.4=803026.286kj/h ql1=l1cpl1(tl1t0)=1145626.7620.3894tl1=446107.061tl1kj/h式中：l1=948.5901193+(7328.806-0.2948.590)42.78/22.4=1145302.253 kg/h1050421.661+12884038.7+4469909.62=803026.286+446107.061tl1t l1=39.5 與理論值比較后，取t l1=39.55.最終的衡算結(jié)果匯總 出塔氣相及其組成（3

22、5）v2=18391.81nm3/hco2coh2n2121.470610.47311575.1255640.391nm3/h0.50 3.46 65.53 30.51 %qv2=803026.286kj/h入塔液相及其組成（30）l2=948.590m3/hco2coh2n2142.289-nm3/h-%ql2=12884038.7kj/h入塔氣相及其組成（30）v1=25026 nm3/hco2coh2n225026707.28625.6511812.2725580.798nm3/h28.02.547.222.3%qv1=1050421.661kj/h出塔液相帶出氣量及其組成（40）l1=

23、1145302.253kg/hco2coh2n27328.86885.81515.177237.148190.667nm3/h93.960.213.232.60%脫碳塔溶解氣量及其組成（40）l1=1145626.762kg/hco2coh2n27139.0906832.68410.434147.980147.980nm3/h95.710.152.072.07%qs=4349909.62kj/h四、設(shè)備的工藝與結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計計算1確定塔徑及相關(guān)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(guān)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(zhì)量流量v=(2502622.4

24、)20.208=22577.27 kg/h20.208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+20.6553+280.3051= 11.042kg/kmol塔底吸收液的質(zhì)量流量l=1145302.253kg/h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(guān)聯(lián)式常數(shù)。（1）選用eckert通用關(guān)聯(lián)圖法求解關(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)：（v/l）0.5l/v=(12.83/1184)0.511

25、45302.253/22577.027=5.281查eckert通用關(guān)聯(lián)圖得縱坐標(biāo)值為0.0025，即：（2）選用bain-hougen關(guān)聯(lián)式求解根據(jù)設(shè)計u=0.1m/s2求取塔徑vs=23908(0.1013/1.6)(303.15/273.15)=1680m3/h=0.4667m3/sd=(40.4667/3.140.1)0.5=2.438m本次設(shè)計取d=2500mm3核算操作氣速u=4vs/3.14d2=40.4667/3.142.52=0.0951m/s則操作氣體速度取u=0.10m/s合適4 核算徑比d/d=2500/50=501015（滿足鮑爾環(huán)的徑比要求）5校核噴淋密度采用聚丙烯

26、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=4.906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不變，那么，惰氣的摩爾流率g=25026(1-0.28)/(22.43600)=0.0455kmol/(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(wèi)=948.5901193/(102.0936004.906)=0.6276kmol/(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 / (ky

27、a)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(yīng)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= g /(1-y) l=l/(1-x) （2）將計算結(jié)果列入附表中的3、4列。3.計算的傳質(zhì)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=234373.960kg/(m . h)

28、、氣體、液體的黏度，、氣體、液體的密度，、溶質(zhì)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(zhì)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用于的情況，由計算得知u0.5uf 氣膜吸收系數(shù)計算： 氣體質(zhì)量通量為 = 0.237108.2350.8862.5510-4 =5.79510-3 = 0.23756.0940.8862.5110-4 =2.95610-3液膜吸收系數(shù)計算： 液體質(zhì)量通量為 = 0.009540.5690.241897.06 = 0.9045= 4.37610-3

29、106.41.451.1 = 0.7007= 0.9045106.41.450.4 = 111.660故修正： =1184/(102.09(1.620430+39.594)101.3=1.2910-3（稀溶液）計算準(zhǔn)備：（1）兩相摩爾流率與質(zhì)量流率的轉(zhuǎn)換氣相平均分子量為：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）/

30、（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） =1.0110-5 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(guān)

31、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+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(zhì)單元數(shù)作co2在pc中的相平衡曲線將計算結(jié)果

32、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(yīng)的液相平衡組成x0.00080.00840.01690.03370.047235對應(yīng)的液相平衡組成x0.00080.00780.01560.03110.043640對應(yīng)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(guān)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(zhì)單元數(shù)采用傳

33、質(zhì)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*=6.4283x-0.0002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*10-20.3471.6242.9024.1795.4566.7328.0109.28810.5611.8413.12654.261.5032.2821.8816.5513.3011.129.5608.6307.4606.720現(xiàn)采用

34、smipson公式求區(qū)域的面積數(shù)值積分法（亦可采用圖解積分）6.氣相總傳質(zhì)單元高度計算：由于對于pc，co2為易吸收氣體，為氣膜控制m填料層的有效傳質(zhì)高度=1.060511.652=12.356m設(shè)計高度h=1.2912.356=15.940m六、填料層的壓降用eckert通用關(guān)聯(lián)圖計算壓降橫坐標(biāo)：（前已算出）縱坐標(biāo)：0.00133查圖得：30mmh2o/m七：附屬設(shè)備及主要附件的選型1.塔壁厚 操作壓力為1.6mpa壁厚： 圓整后取22mm選用 22r鋼板2液體分布器液體分布器是保持任一橫截面上保證氣液均勻分布。本次使用分布較好的槽盤式分布器。它具有集液、分液和分氣三個功能，結(jié)構(gòu)緊湊，操作彈性高，應(yīng)用廣泛。3除沫器除沫器用于分離塔頂端中所夾帶的液滴，以降低