5萬m3h合成氨原料氣脫碳工藝的設(shè)計論文

1、5萬m3/h合成氨原料氣脫碳工藝設(shè)計引 言在合成氨生產(chǎn)過程中，交換氣中的二氧化碳含量可高達30%以上，微量的二氧化碳就會致氨合成催化劑中毒而喪失活性，大量的二氧化碳更是白白占據(jù)氣體的體積，從而增加壓縮和其他壓力設(shè)備的費用。且其能耗約占氨廠總能耗的10%左右，因此脫除二氧化碳工藝的能耗高低，對氨廠總能耗影響很大，國外一些較為先進的合成氨工藝流程，均選用了低能耗脫碳工藝。我國合成氨工藝能耗較高，脫碳工藝技術(shù)也顯得比較落后。因此，結(jié)合具體情況，推廣應(yīng)用低能耗脫除二氧化碳工藝，非常有必要。碳酸丙烯酯（PC）法脫除二氧化碳有一定的適用圍，適合于氣體中二氧化碳分壓0.5MPa，溫度較低的條件下，同時對氣體

2、凈化度要求不高（出口二氧化碳1%），只有在此條件下使用碳酸丙烯酯法才是經(jīng)濟的。碳酸丙烯酯法脫碳工藝自60年代開發(fā)以來，由于能同時脫除二氧化碳、硫化氫與有機硫化物，加之再生能耗等優(yōu)點，在國外的天然氣、合成氣和制氫工業(yè)上，已廣泛應(yīng)用。在國，最先是在小型合成氨裝置中用以代替加壓水洗，對老合成氨廠水洗工藝進行改造，使脫碳能耗降低。近幾年來，在我國年產(chǎn)4萬噸小尿素、小純堿裝置的合成氨配套工程中，用碳酸丙烯酯法脫出變換氣中二氧化碳，得到了良好的效果：工程投資省、工藝流程簡單、運行可靠、溶劑無毒害、濃溶劑對碳鋼無腐蝕、再生不耗熱、回收的二氧化碳濃度高，回收率可以滿足尿素與純堿生產(chǎn)的需要等優(yōu)點，因而得到推廣。

3、第1章 概述1.1 合成氨的相關(guān)介紹合成氨指由氮和氫在高溫高壓和催化劑存在下直接合成的氨。別名：氨氣。分子式NH3英文名：syntheticammonia。世界上的氨除少量從焦?fàn)t氣中回收副產(chǎn)外，絕大部分是合成的氨。氨是重要的無機化工產(chǎn)品之一，在國民經(jīng)濟中占有重要地位。除液氨可直接作為肥料外，農(nóng)業(yè)上使用的氮肥，例如尿素、硝酸銨、磷酸銨、氯化銨以與各種含氮復(fù)，都是以氨為原料的。合成氨是大宗化工產(chǎn)品之一，世界每年合成氨產(chǎn)量已達到1億噸以上，其中約有80%的氨用來生產(chǎn)化學(xué)肥料，20%作為其它化工產(chǎn)品的原料1。生產(chǎn)合成氨的主要原料有天然氣、石腦油、重質(zhì)油和煤（或焦炭）等。經(jīng)過近百年的發(fā)展，合成氨技術(shù)趨于

4、成熟，形成了一大批各有特色的工藝流程，但都是由三個基本部分組成，即原料氣制備過程、凈化過程以與氨合成過程。(1)原料氣制備將煤和天然氣等原料制成含氫和氮的粗原料氣。對于固體原料煤和焦炭，通常采用氣化的方法制取合成氣；渣油可采用非催化部分氧化的方法獲得合成氣；對氣態(tài)烴類和石腦油，工業(yè)中利用二段蒸汽轉(zhuǎn)化法制取合成氣。 (2)凈化對粗原料氣進行凈化處理，除去氫氣和氮氣以外的雜質(zhì)，主要包括變換過程、脫硫脫碳過程以與氣體精制過程。（3)氨合成將純凈的氫、氮混合氣壓縮到高壓，在催化劑的作用下合成氨。氨的合成是提供液氨產(chǎn)品的工序，是整個合成氨生產(chǎn)過程的核心部分。氨合成反應(yīng)在較高壓力和催化劑存在的條件下進行，

5、由于反應(yīng)后氣體中氨含量不高，一般只有10%20%，故采用未反應(yīng)氫氮氣循環(huán)的流程。氨合成反應(yīng)式如下： N2+3H22NH3(g)=-92.4kJ/mol 合成氨的催化機理在熱力學(xué)計算表明下，低溫、高壓對合成氨反應(yīng)是有利的，但無催化劑時，反應(yīng)的活化能很高，反應(yīng)幾乎不發(fā)生。當(dāng)采用鐵催化劑時，由于改變了反應(yīng)歷程，降低了反應(yīng)的活化能，使反應(yīng)以顯著的速率進行。目前認為，合成氨反應(yīng)的一種可能機理，首先是氮分子在鐵催化劑表面上進行化學(xué)吸附，使氮原子間的化學(xué)鍵減弱。接著是化學(xué)吸附的氫原子不斷地跟表面上的氮分子作用，在催化劑表面上逐步生成NH、NH2和NH3，最后氨分子在表面上脫吸而生成氣態(tài)的氨2。在無催化劑時，

6、氨的合成反應(yīng)的活化能很高，大約335kJ/mol。加入鐵催化劑后，反應(yīng)以生成氮化物和氮氫化物兩個階段進行。第一階段的反應(yīng)活化能為126kJ/mol167kJ/mol，第二階段的反應(yīng)活化能為13kJ/mol。由于反應(yīng)途徑的改變（生成不穩(wěn)定的中間化合物），降低了反應(yīng)的活化能， 因而反應(yīng)速率加快了2。1.2 脫碳的相關(guān)方法合成氨中脫除二氧化碳的方法很多，目前在工業(yè)上應(yīng)用廣泛，技術(shù)先進，投資省，能耗低的方法主要有：物理吸收法，化學(xué)吸收法，物理化學(xué)吸收法。物理吸收法 最早采用加壓水脫除二氧化碳，經(jīng)過減壓將水再生。此法設(shè)備簡單，但脫除二氧化碳凈化度差，出口二氧化碳一般在2(體積)以下，動力消耗也高。近20

7、年來開發(fā)有甲醇洗滌法、碳酸丙烯酯法、聚乙二醇二甲醚法等，與加壓水脫碳法相比，它們具有凈化度高、能耗低、回收二氧化碳純度高等優(yōu)點，而且還可選擇性地脫除硫化氫，是工業(yè)上廣泛采用的脫碳方法。化學(xué)吸收法 具有吸收效果好、再生容易，同時還能脫硫化氫等優(yōu)點。主要方法有乙醇胺法和催化熱鉀堿法。后者脫碳反應(yīng)式為：為提高二氧化碳的吸收和再生速度，可在碳酸鉀溶液中添加某些無機或有機物作活化劑，并加入緩蝕劑以降低溶液對設(shè)備的腐蝕。此外，還有氨水吸收法。在碳酸化法合成氨流程中，采用氨水脫除變換氣中的二氧化碳，同時又將氨水加工成碳酸氫銨。物理化學(xué)吸收法 以乙醇胺和二氧化四氫噻吩(又稱環(huán)丁砜)的混合溶液作吸收劑，稱環(huán)丁砜

8、法。因乙醇胺是化學(xué)吸收劑，二氧化四氫噻吩是物理吸收劑，故此法為物理與化學(xué)效果相結(jié)合的脫碳方法。1.3 設(shè)計任務(wù)設(shè)計題目：5萬m3/h合成氨原料氣的脫二氧化碳工藝設(shè)計；表1.1 變換氣組成成分CO2COH2N2CH4合計%27.503.6850.0018.100.72100m313750184025000905036050000kmol507.6821.43935.36303.2118.041785.71脫碳方法：碳酸丙烯酯法； 碳酸丙烯酯的摩爾質(zhì)量：102.09kg/mol； 假設(shè)出塔液與溶解氣的溫度：37；操作溫度為：34；操作壓力為：1.9MPa；純碳酸丙烯酯溶液吸收；設(shè)計目標(biāo)：出塔二氧化

9、碳濃度不高于1.1%。第2章 生產(chǎn)流程的確定與說明2.1 生產(chǎn)流程的確定工業(yè)上脫除二氧化碳的方法主要有物理吸收法，化學(xué)吸收法，物理化學(xué)吸收法。本次設(shè)計是小合成氨廠原料氣中二氧化碳的脫除，化學(xué)吸收法對工人素質(zhì)要求較高，因此采用物理吸收法。物理吸收法適合于CO2分壓較高，凈化度要求低的情況，再生時不用加熱，只需降壓或汽提，總能耗比化學(xué)吸收法低，但CO2分離回收率低，在脫CO2前需將硫化物去除。物理吸收是利用原料氣中的溶質(zhì)(CO2)在吸收劑中的溶解度較大而除去的方法。一般吸收采用高壓與低溫，解吸時采用減壓或升溫，減壓解吸所需再生能量相當(dāng)少。此法的關(guān)鍵是選擇優(yōu)良的吸收劑。所選的吸收劑必須對CO2的溶解

10、度大、選擇性好、沸點高、無腐蝕、無毒性、性能穩(wěn)定。典型的物理吸收法有加壓水洗法、N2甲基吡咯烷酮法、低溫甲醇法、碳酸丙烯酯法(Flour法)等2。早期的合成氨廠中的脫碳多采用加壓水洗法。加壓水洗脫碳常在填料塔或篩板塔中進行，此法設(shè)備簡單，但CO2的凈化度差，且水洗的噴淋密度大，動力消耗高，因此近年來合成氨廠的新建脫碳工藝已被其他方法所取代。以N2甲基吡咯烷酮為吸收劑的方法稱為吡咯烷酮法。吡咯烷酮具有對CO2溶解度高、黏度較小、沸點較高、蒸汽壓較低等優(yōu)點。此法特別適應(yīng)氣體壓力大于7 MPa的場合，但由于N2甲基吡咯烷酮較貴，因此應(yīng)用受到限制。以聚乙二醇二甲醚為吸收劑的脫碳過程稱為Selexol法

11、。聚乙二醇二甲醚是一種淡黃色透明的有機液體，無毒、無特殊氣味、冰點低、沸點高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、腐蝕性低，是理想的物理溶劑。但由于聚乙二醇二甲醚價格昂貴，投資與操作費用均較高，因此，此法在國實際應(yīng)用較少。低溫甲醇法是由德國林德和魯奇公司聯(lián)合開發(fā)的，吸收劑是甲醇，在1-2MPa，溫度為-75-0圍可同時脫除CO2和H2S。CO2可脫至體積分數(shù)(1-2)×10-5，H2S可脫至體積分數(shù)1×10-7。此法的特點是不會加濕原料氣，并且再生能耗低。此法在國外均有較廣泛的應(yīng)用。碳酸丙烯酯法是碳酸丙烯酯為吸收劑的脫碳方法。碳酸丙烯酯對CO2、H2S的溶解度較大，具有溶解熱低、黏度小、蒸汽壓低

12、、無毒、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無腐蝕等優(yōu)點。此法CO2的分離回收率較高，能耗低已得到小合成氨廠的廣泛應(yīng)用，經(jīng)過各種方法的比較，最后選擇用碳酸丙烯酯法吸收二氧化碳。2.2 生產(chǎn)流程說明碳酸丙烯酯脫碳工藝流程一般由吸收、閃蒸、汽提（即溶劑再生）和氣相中帶出的溶劑回收等部分組成。圖2.1 碳酸丙烯酯法脫二氧化碳工藝流程圖吸收過程：由氮氫壓縮工段來的約1.9MPa的變換氣，經(jīng)油分離器再次分離氣體中的油沫后，從脫碳塔底部進入，變換氣與塔中噴淋的碳酸丙烯酯液逆流接觸，變換氣部分的二氧化碳被碳酸丙烯酯溶液吸收，出脫碳塔的凈化氣中含CO2<1.1%。再經(jīng)碳酸丙烯酯回收器、碳酸丙烯酯分離器除去氣體中夾帶的碳酸丙烯

13、酯霧沫后送出工段去氮氫氣壓縮工段。吸收了CO2后的碳酸丙烯酯富液從脫碳塔底引出并減壓進入閃蒸槽，閃蒸出溶解于富液中的H2、N2、CO與部分CO2氣體。閃蒸氣經(jīng)碳酸丙烯酯捕集器除去氣體中夾帶的碳酸丙烯酯霧沫后送往氮氫氣壓縮工段予以回收，閃蒸后的碳酸丙烯酯富液進入常解再生塔上段常解塔進行二氧化碳解吸。出塔常解氣含CO2>98%由汽提鼓風(fēng)機補入防腐空氣后常解氣含CO2>95.7%(干基CO2氣體含氧量為0.50.6%)，再經(jīng)羅茨鼓風(fēng)機加壓后，送至洗滌塔上洗去氣體中夾帶的碳酸丙烯酯霧沫后送往尿素裝置的CO2壓縮工段。常解后的碳酸丙烯酯溶液溢流進入常解再生塔塔頂部與汽提鼓風(fēng)機送入塔的空氣逆流

14、接觸，進一步氣提出殘留于富液的二氧化碳。汽提氣經(jīng)洗滌塔除去氣體中的碳酸丙烯酯霧沫后放空。出常解再生塔的碳酸丙烯酯貧液至中間貯槽再經(jīng)脫碳泵加壓到約2.1MPa,經(jīng)溶劑冷卻器冷至35送入脫碳循環(huán)使用。閃蒸是在低于吸收操作壓力下使溶于溶劑中的氣體解吸出來的過程。是物理溶劑再生方法中最常用的方法。閃蒸的另一目的是為了回收溶于溶劑中的某些氣體組分，如：氫氣、甲烷等。由于各種氣體組分在碳酸丙烯酯中具有不同的溶解度和平衡規(guī)律，因此可以通過控制閃蒸壓力來控制閃蒸氣中各組分的比例與各組分的解吸量。一般情況下，難溶氣體易于閃蒸解吸。根據(jù)這個原理，可通過一至幾級不同壓力等級的減壓，使溶于溶劑中的不同氣體組分在解吸時

15、得到相對是分離和提純，這樣，工業(yè)上就可以按要求分別回收到各種氣體組分。閃蒸級數(shù)的確定往往與回收氣體的種類、數(shù)量和純度有關(guān)，每一級的閃蒸壓力都不同。從吸收塔富液的第一級閃蒸到壓力遞減到常壓。各級閃蒸壓力在確定后，如果溶劑在該閃蒸氣中有充足的停留時間，那么溶于該溶劑中的各種氣體組分將充分解吸，直接趨近于這些氣體在該溫度、該組分氣相分壓時的平衡溶解度。如在合成氨變換氣的脫碳工藝上，往往設(shè)置二級至三級減壓閃蒸。第一級減壓閃蒸（如0.5MPa）是為了回收溶于溶劑中的氫氣和氮氣，第二級減壓閃蒸（如常壓）是為了回收二氧化碳，同時使溶劑中的酸氣（二氧化碳）等濃度降低，以達到再生溶劑的目的。當(dāng)原料氣中二氧化碳分

16、壓為0.5MPa左右時，經(jīng)溶劑吸收，再通過減壓閃蒸（包括常壓閃蒸），一般可將二氧化碳吸收量的75%左右解吸出去，剩余的25%左右將從汽提塔中吹出。如生產(chǎn)上需要多回收一些高純度的二氧化碳氣體?？稍诔洪W蒸后再增設(shè)真空閃蒸5。吸收過程和溶劑再生過程是碳酸丙烯酯脫碳脫硫工藝中最基本的兩個環(huán)節(jié)。碳酸丙烯酯溶液的再生原理：當(dāng)二氧化碳分壓在2.0MPa以下時，碳酸丙烯酯吸收二氧化碳基本上符合亨利定律：,提高吸收壓力，平衡溶解度增加，對原料氣凈化有利。與吸收過程相反，降低壓力可使溶解在碳酸丙烯酯中的二氧化碳氣體解吸出來，溶解在碳酸丙烯酯中的二氧化碳等氣體的解吸過程即稱為碳酸丙烯酯富液的再生。在低于吸收操作壓

17、力下時溶于溶劑中的氣體解吸出來時物理溶劑再生中最常用的方法。再生度是指碳酸丙烯酯富液經(jīng)再生后，殘留在溶劑中的二氧化碳的含量，含量越低，則再生度越高。常壓閃蒸后的溶劑再經(jīng)過汽提的再生工藝，是目前碳酸丙烯酯脫碳工藝中采用最普遍的一種。我國合成氨廠配尿素、純堿的脫碳工藝基本上如此。汽提所用的惰性氣體為空氣。為了保證吸收工序后凈化氣中二氧化碳含量在2%左右。所以溶劑的再生度要求較高。脫碳過程中的能量回收：在碳酸丙烯酯脫碳過程中，有汽液料的升壓和降壓過程，為了合理采用工藝本身的能量再流程圖上，應(yīng)考慮相應(yīng)的能量回收裝置。真空再生：常壓解吸空氣汽提碳酸丙烯酯溶劑再生工藝存在著一些缺點，由于碳酸丙烯酯富液中殘

18、留的二氧化碳等氣體靠大量空氣汽提趕走，因而給生產(chǎn)過程帶來許多副作用：采用常解壓空氣汽提再生工藝，二氧化碳的回收率不高，一般為70%左右；空氣汽提的氣量一般為碳酸丙烯酯富液的610倍，大量空氣帶走碳酸丙烯酯霧沫，造成溶劑的訊號增加、損耗增加，其損耗量約占整個碳酸丙烯酯溶液損耗的一半，從而增加了運行費用；由于采用空氣汽提，碳酸丙烯酯貧液中溶解的氧使吸收后的凈化氣中氧含量增加，經(jīng)分析為0.1%0.2%，影響了后工序銅洗操作，使銅比下降，銅液循環(huán)量比生產(chǎn)碳銨時增加近20%；小合成氨廠變換氣中硫化氫的含量一般在80150mg/m3(標(biāo))，在脫碳時這些硫化氫也被吸收，經(jīng)空氣汽提時，便以單質(zhì)硫析出，造成堵塞

19、管道和填料，影響工藝操作的正常進行，嚴重時不得不停車進行清理。另外，由于空氣中含有水分，尤其是相對濕度較大的地區(qū)，容易造成系統(tǒng)中水不平衡，使碳酸丙烯酯濃度降低，吸收能力下降，由于溶劑中水分含量增加，還易造成對設(shè)備的腐蝕等。針對以上情況，為提高脫碳裝置二氧化碳回收率，減少碳酸丙烯酯損失，防止因空氣吹入而帶來了硫化氫氧化副反應(yīng)的發(fā)生，減少腐蝕、堵塞、降解等不良作用，以常壓真空解吸的碳酸丙烯酯再生方法代替解吸空氣汽提再生方法使必要的。真空再生主要設(shè)備為真空再生塔。再生塔的真空度由外接真空裝置調(diào)節(jié)。當(dāng)溶劑溫度一定時，真空度越大，從溶劑中解吸出來的二氧化碳等氣體量也越多，溶劑再生越完全。此時解吸出來的二

20、氧化碳氣量可近似地按二氧化碳在碳酸丙烯酯中相平衡式進行計算。再生塔是溶解氣體從溶劑中解吸出來的裝置，根據(jù)工藝流程的需要，選擇不同的塔型，在采用常解壓汽提再生流程時，再生塔常解部分采用淋降板式塔，汽提部分采用填料塔，而真空再生流程則全部為淋降板式塔型，采用淋降板式結(jié)構(gòu)優(yōu)點在于增加解吸表面積，利于溶劑中溶解氣體解析完全。液體從上一層塔盤的中心降液管下來，由邊緣降液管流下，再下一層塔盤上，再轉(zhuǎn)為中心管降液，液體在各層塔盤上依次做離心或向心的徑向運動。塔盤設(shè)有不同高度的溢流堰，以減少每段行程長度，降低每段行程的液面落差6。汽提塔的作用是，以惰性氣體吹洗溶劑，使溶劑中殘留二氧化碳、硫化氫等酸性氣體的含量

21、得到進一步降低。汽提過程實際上是吸收的逆過程。因此，可在一只氣液逆流接觸的塔式設(shè)備進行。工業(yè)上大多采用填料塔。與吸收塔的氣液物料濃、稀端正好相反，在汽提塔的操作過程中，氣液濃端均在塔上部，而氣液物料的稀端都在塔下部7。隨工藝氣體帶出的溶劑出了以霧沫（氣體中的霧沫一般是指直徑在50以上的液滴，它可以通過網(wǎng)除霧器等簡單的裝置將這些液滴從氣體中捕集下來）形式帶出以外，另一種形式是溶劑蒸汽。這部分溶劑蒸汽在通過絲網(wǎng)除霧器時并不能捕集回收下來。因此需要在工藝上另行考慮回收裝置。目前，工業(yè)上回收氣流中溶劑蒸汽的方法，主要采用水洗滌法，該法使含有溶劑蒸汽的氣體通過水洗滌塔，使溶劑蒸汽溶解于水中成為稀的碳酸丙

22、烯酯水溶液，生產(chǎn)上俗稱為稀液。該法因基于水和碳酸丙烯酯的部分互溶性。因此只有在互溶圍，溶劑蒸汽才能有效溶于水中。循環(huán)洗滌法是指水中溶劑濃度在控制指標(biāo)以下時，用泵輸送到回收塔中連續(xù)循環(huán)，使氣體中的溶劑蒸汽不斷溶于循環(huán)稀液，直到稀液中溶劑濃度達到控制指標(biāo)時才注入循環(huán)溶劑中回收常解氣、汽提氣中碳酸丙烯酯霧沫的稀液，當(dāng)在洗滌塔中循環(huán)濃度達12%時，即加入至中間貯槽中回收作碳酸丙烯酯補充使用。當(dāng)碳酸丙烯酯溶液中有雜物時，設(shè)計中設(shè)有碳酸丙烯酯過濾器，將雜物濾出，以保證生產(chǎn)正常進行。對填料塔而言，加大氣液兩相的接觸面積可以提高吸收飽和度，加大氣液接觸面積的措施一般可通過增大填料容量或選擇比表面積較大的填料來

23、實現(xiàn)。提高R值后雖然可降低溶劑循環(huán)量，但也必須考慮R值增加后，相應(yīng)的塔高也將增加，這樣，在工程設(shè)計中，應(yīng)針對具體工況進行技術(shù)經(jīng)濟比較后再選取合理的R值，工業(yè)上，吸收飽和度R值一般取7080%之間8。第3章 工藝計算3.1 入塔原料氣有關(guān)數(shù)據(jù)表3.1 變換氣組成(其他組分被忽略)成分CO2COH2N2CH4合計%27.503.6850.0018.100.72100m313750184025000905036050000kmol507.6821.43935.36303.2118.041785.71要求出塔凈化氣中CO2的濃度不超過1.1%；純的碳酸丙烯酯吸收；氣液兩相的入塔溫度均為34；假設(shè)出塔液

24、與溶解氣的溫度：37；操作壓強為1.9MPa；吸收劑選為：碳酸丙烯酯（以下簡稱PC），PC的摩爾質(zhì)量為102.09kg/kmol。表3.2 碳酸丙烯酯水溶液的部分性質(zhì)（34）PC在水中的濃度mol%溶液焓J/mol密度g/cm3粘度mPas0.00253.61.00000.91140.020039.71.01831.02780.030770.71.02891.0922 表3.3 碳酸丙烯酯在不同溫度下的粘度溫度，運動粘度mm2/s溫度運動粘度mm2/s溫度運動粘度mm2/s-50-4041.7821.41-8-64.714.5225302.081.90-3010.96-34.12401.61-

25、207.0003.76451.43-155.93112.80501.36-105.06202.30601.213.2 有關(guān)參數(shù)計算變換氣量 50000m3/h表3.4變換氣的組成與分壓成分CO2COH2N2CH4合計體積百分數(shù)(%)27.50003.680050.000018.10000.7200100.0000組分分壓(MPa)0.52250.06990.95000.34390.01371.9000(kg/cm2)5.33200.20419.69403.81530.139619.1850(atm)5.15670.69019.37583.39400.135018.7516 PC的密度與溫度的關(guān)

26、系 = 1.22330.001032t查文獻13知34時： L2 = 1182.12kg/m3 CO2在PC中的溶解度關(guān)系因為是高濃度氣體吸收，故吸收塔CO2的溶解熱應(yīng)考慮，當(dāng)二氧化碳分壓為0.5 MPa左右，吸收飽和度為80%時溶解熱一般升高23.假設(shè)出塔氣、入塔液的溫度一樣，都為：tV2=34，出塔液的溫度：tL1=37吸收飽和度：80%用物料衡算和熱量衡算驗證上述假設(shè)溫度查文獻3知碳酸丙烯酯在34時的溶解度X： lg X= lgP+ 4.112 lg X= lg5.3320 + 4.112lg X= -1.2866 X=0.05157kmol/kmolPC = = 11.376m3/m3

27、PC式中： 1182.12出塔溶液的密度（近似取純PC34時的密度） 34時PC蒸汽壓P=1.638410-12（t+48.636）5.794=28Pa與操作總壓(1.9MPa)與CO2的氣相分壓(0.5225MPa)相比很小，故可認為PC不揮發(fā)。 PC的粘度：查文獻13知34時：L= -0.882 + = -0.882+ = 0.3155所以 L= 2.0997mPas=7.447查文獻3知37時：L= -0.882 += -0.882+= 0.3所以 L=1.991 mPas動力粘度與運動粘度之間可用下式換算式中動力粘度 運動粘度 密度 3.3 物料衡算3.3.1 各組分在PC中的溶解量查

28、文獻3知：在操作總壓力為1.9MPa、操作溫度為34下各組分在PC中的溶解度，并取相對吸收飽和度均為80%，如下表：表3.5組分溶解度與溶解氣體組成的體積百分數(shù)成分CO2CON2H2CH4合計組分分壓（MPa）0.52250.06920.34390.95000.013681.9000溶解度（m3/m3PC）13.37600.03700.19000.21000.025013.8380溶解量（m3/m3PC）10.70080.02960.15200.16800.020011.0704溶解氣組成的體積百分數(shù)（%）96.66000.26701.37301.56000.1806100.0000因溶解氣中

29、的CO2占到96.66%，其他氣體在PC中的溶解度很小，可將多組分的吸收簡化為單組分的吸收。查文獻16知當(dāng)汽液達到平衡時：進塔氣相摩爾比： Y1=0.3793出塔氣相摩爾比： Y2=Y1(1-)=0.3793(1-0.9666)=0.01267進塔惰性氣體流量： =1439.078kmol/h對于純?nèi)軇┪誜2=0由 VB(Y1-Y2)=L(X1-X2)得: X1=0.03578設(shè)PC溶劑中CO2殘量為0.3Nm3/m3PC PC對CO2的實際溶解能力為：10.70080.310.4008 Nm3/m3PC3.3.2 溶劑夾帶量以0.2 Nm3/m3PC計，各組分被夾帶的量如下3.3.3 溶液

30、帶出的氣量3.3.4 出脫碳塔凈化氣量V1進塔總氣量 V2出塔總氣量 V3溶液帶出的總氣量 y1、y2、y3分別表示CO2相應(yīng)的體積分率查文獻16知對CO2作物料衡算有： V1=V2+V3V1y1= V2y2+ V3y3聯(lián)立得：3.3.5 計算PC循環(huán)量因每1m3PC帶出的CO2為10.7558Nm3/h，有：3.3.6 帶出氣體的質(zhì)量流量夾帶氣量：夾帶氣的平均摩爾質(zhì)量：=44×0.2750+28×0.0368+2×0.5000+28×0.1810+16×0.0072=19.3136kg/kmol夾帶氣的質(zhì)量流量：溶解氣量：溶解氣的平均摩爾質(zhì)量

31、：=44×0.9666+28×0.0026.0987+2×0.01560+28×0.01373+16×0.0018066 =43.05 kg/kmol溶解氣的質(zhì)量流量：帶出氣體的總質(zhì)量流量：214.098+26416.40=26630.500kg/h3.3.7 驗算凈化氣中CO2含量吸收液中CO2殘量為0.3Nm3/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,此時，CO2的分壓為：。查文獻13知：與此分壓呈平衡的CO2液相濃度為：式中：1182.12吸收液在塔頂34時的密度（近取純PC液體的密度）。計算

32、結(jié)果表明，要使出塔凈化氣中的CO2濃度不超過1.1%，則入塔吸收液中CO2的極限濃度可達0.521Nm3/m3PC,本設(shè)計取值在其所需求的圍之，故選值滿足要求。3.3.8 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： CO2：50000×0.2750-1241.56×10.7558=396.029Nm3/h 1.099CO：50000×0.0368-1241.56×0.03696=1794.119Nm3/h 4.983H2：50000×0.5000-1241.56×0.2680=24667.72

33、6Nm3/h 68.507N2：50000×0.1800-1241.56×0.1882=8816.328Nm3/h 24.486CH4：50000×0.0072-1241.56×0.02140=333.431Nm3/h 0.926036007.763Nm3/h 100.00出塔氣的平均摩爾質(zhì)量：244×0.0109928×0.049832×0.6850728×0.2448616×0.00926 10.253kg/kmol出塔氣的質(zhì)量流量：LV2=36007.763÷22.4×10.25

34、3=16481.590kg/h3.4 熱量衡算 在物料衡算中假設(shè)出塔液相的溫度為37,出塔氣相的溫度為34，現(xiàn)通過熱量衡算對假設(shè)的溫度進行校核。3.4.1 混合氣體的定壓比熱容CPV 真實氣體的定壓比熱容難以查到，氣體的壓力并不很高，所以借助理想氣體的定壓比熱容公式近似計算，查文獻13知計算公式為：CPi=ai+biT+ciT2+diT3,其溫度系數(shù)如下表：CP的單位為（kcal/kmol）/(KJ/ kmol)表3.6 各氣體組分定壓比熱容公式中的溫度系數(shù)組分溫度系數(shù)定壓比熱容abcdCP1(37)CP2(34)CO23.2591.356×10-31.502×10-5-2

35、.374×10-94.5138084.4986CO3.9123.913×10-31.182×10-5-1.302×10-93.494653.493776H22.88333.6807×10-3-0.772×10-50.6915×10-93.46893.4670N23.5385-0.2611×10-30.0074×10-50.1574×10-93.50213.5024CH44.568-8.975×10-33.361×10-5-3.407×10-94.36194.3467

36、CPV1=4.4986×0.2750+3.493776×0.0368+3.467×0.5000+3.5021×0.1810+14.3467×0.0072 =3.7644J/molKCPV2=4.513808×0.01099+3.49465×0.04983+3.4689×0.5000+3.5024×0.24486+4.3619×0.00926 =3.498J/molK3.4.2 液體的比熱容CPL實際溶解的CO2為10.4008 Nm3/hPC。查文獻13知溶解氣體占溶液的質(zhì)量分率： =0.016

37、9式中：1182.1234純PC的密度由計算知其量很少，因此可用純PC的密度代替溶液的密度。查文獻13知：純PC的定壓比熱容與溫度的關(guān)系式：CPL=1.39+0.00181（t-10）算得： 34時：CPL1=1.433kJ/kg37時：CPL2=1.439kJ/kgCO2的溶解熱QS查文獻13知：=14654kg/kmol =1.97kg/m3CO2在PC中的溶解量為：10.4008×1241.56=12913.217Nm3/h=576.483 kmol/h故QS=14654×576.483=8447780.605kJ/h。3.4.3 出塔溶液的溫度TL1全塔物料衡算帶入

38、的熱量（Qv1+ Q2）+溶解熱量（QS）=帶出的熱量（Qv2+ QL1+ QV夾）原料氣帶入量Qv1=V1CPV1(TV1-T0)=50000÷22.4×3.7644×307.15=2580882.723kJ/h溶劑帶入量溶劑中CO2殘余量：0.3×1241.56×1.97=733.762kg/h QL2=L2×CPL2(TL2-T0)=(1467672.907+733.762)×1.433×34 =71543709.73kJ/h溶解熱：QS=8447780.605kJ/h凈化氣帶出熱：Qv2=V2×C

39、PV2(TV2-T0)=36007.763÷22.4×3.498×307.15=1727103.833kJ/h富液帶出熱：QL1= L1×CPL1(TL1-T0) L1=1467672.907+733.762+26416.400=1494823.069 kg/h所以，QL1=1494823.069×1.439 TL1=2151050.396TL1kJ/h夾帶熱：QV夾=214.10×1.439×(TL1-T0)=308.090TL1kJ/h熱量平衡：Qv1+ Qv2+QS=Qv2+ QL1+ QV夾得：tL1=37.58 所

40、以，QV夾=11578.022kJ/hQL1=2151050.396×37.58=80836473.88kJ/h求得溫度與假設(shè)相近，可以接受。3.5 最終衡算結(jié)果輸入項：入塔氣與其組成（34）V1=50000Nm3/h=50000/22.4×19.314=43111.607kg/hQv1=2580882.723kJ/h =19.314kg/kmol表3.7 入塔氣的氣量與體積分數(shù)CO2COH2N2CH4Nm3/h137501840.0025000.009050.00360.005000027.50%3.68%50.00%18.10%0.72%100%入塔液與其組成（34）L

41、2=1467672.907+733.762=1468406.669kg/hQL2=71543709.73kg/hCO2的溶解熱VCO2=14654Nm3/h=28784.643kg/hQS=8447780.605kJ/hGi=V1+L2=1511518.276kg/h Qi= Qv1+QL2+QS=82572373.060kJ/h輸出項：出塔氣與其組成（34）V2=35647.26Nm3/h=15796.192kg/hQv2=1705657.616kJ/h =9.926kg/kmol表3.8 出塔氣的氣量與體積分數(shù)CO2COH2N2CH4Nm3/h396.0291794.11924667.72

42、68816.338333.43136007.7631.0994.98368.50724.4860.9260100%出塔液與溶解氣組成（37） L1=1494823.069kg/hQL1=80836473.88kJ/h =43.05kg/kmol表3.9 出塔液中氣體氣量與體積分數(shù)CO2COH2N2CH4Nm3/h13451.1937.156211.189191.066625.14113915.99296.66%0.267%1.5176%1.373%0.18066%100%出塔液夾帶氣組成（37）V夾=248,312Nm3/h=214,100kg/hQV夾=11578.022kJ/h =19.3

43、14kg/kmol表3.10 出塔液夾帶氣的氣量與體積分數(shù)CO2COH2N2CH4Nm3/h68.2869.138124.15644.9441.788248.31227.503.6850.0018.100.72100%G0=V2+L1=1548801.486 kg/h Q0=QV2+QL1+QV夾=82575155.74kJ/h3.6 小結(jié)通過對脫碳填料塔的物熱衡算知，碳酸丙烯酯脫碳為高濃度、多組分、非等溫的物理吸收過程，PC除了要吸收CO2外，對其他氣體都有不同程度的溶解吸收作用，因CO、H2、N2、CH4等氣體在PC中的溶解度比CO2小得多（其總量不超過5%）故可以將多組分吸收的問題簡化為

44、單組分吸收的計算，所致誤差工程上可以接受。CO2在PC中的溶解熱不能被忽略，因此，在吸收塔存在一個溫度分布，在塔的各個截面上，其相平衡常數(shù)各不一樣，塔的溫度分布可通過物熱衡算算出。在衡算過程中，雖然有些簡化假設(shè)，但衡算結(jié)果與生產(chǎn)實際基本相符，所以可作為吸收塔設(shè)計的計算依據(jù)。第4章 主設(shè)備計算工業(yè)上使用填料塔較普遍，本工藝計算方法按填料塔計算。經(jīng)比較，選DG25mm聚丙烯階梯環(huán)（米字筋），查文獻16知：A=0.022干填料因子=172m-1, 比表面積at=223m2/m3。已知條件：進塔變換氣量50000Nm3/h；碳酸丙烯酯循環(huán)量1241.56m3/h；脫碳塔操作壓力1.9MPa。塔設(shè)備，是

45、石油、化工、輕工生產(chǎn)中廣泛使用的重要生產(chǎn)設(shè)備。在石油、化工、輕工等生產(chǎn)過程中，塔設(shè)備主要用于氣、液兩相直接接觸進行傳質(zhì)傳熱的過程。碳酸丙烯酯脫除二氧化碳工藝設(shè)計采用填料塔吸收效果較好，本次填料塔的工藝設(shè)計主要包括脫碳塔泛點速度計算，脫碳塔塔徑計算，填料層高度計算，塔附屬高度計算與填料層壓降計算等。 4.1 物性數(shù)據(jù)查文獻15混合氣體的密度： 式中混合氣體的密度，kg/m3T0標(biāo)準狀態(tài)下溫度，273.15KT混合氣體溫度，KP混合氣體壓力，atmZn壓縮系數(shù)，Zn =1Mi混合氣體中i氣體分子量，kg/molYii氣體在混合氣體中的，mol%=20.3504kg/kmol=11.9148kg/m

46、3查文獻15混合氣體的粘度：i氣體粘度，cpi氣體在0，常壓時的粘度，cpm關(guān)聯(lián)式指數(shù)表4.1 0時常壓氣體的粘度氣體CO2COH2N2CH4(mpas)1.34×10-21.66×10-20.84×10-21.66×10-21.20表4.2 關(guān)聯(lián)式指數(shù)m氣體CO2COH2N2CH4m值0.9350.7580.7710.7560.763計算得：=1.50×10-2mPas =1.81×10-2mPas=0.92×10-2mPas =1.81×10-2mPas =1.31×10-2mPas將以上數(shù)據(jù)代入下面

47、公式可得所以 =1.484×10-2 mPas=0.0526二氧化碳的擴散系數(shù)：先由雙元擴散系數(shù)關(guān)聯(lián)式求出CO2氣體在i氣體中的擴散系數(shù)，然后再求CO2在混合氣體中的擴散系數(shù) 查文獻16知公式：式中：、CO2氣體、i氣體的分子擴散體積表4.3 氣體分子擴散體積氣體CO2COH2N2CH4分子擴散體積26.918.97.0717.916.1由表得： =0.0091m2/h=0.03600 m2/h=0.00922 m2/h=0.00837 m2/h二氧化碳在氣體中的擴散系數(shù)：=6.804×10-3m2/h計算得：=4.044h/m2=13.89 h/m2=19.63 h/m2

48、=0.86 h/m2二氧化碳在碳酸丙烯酯中的擴散系數(shù)： DL=7.78×10-8×=7.78×10-8×307.15/2.0997=1.138×10-5cm2/s=1.138×10-9m2/h二氧化碳在碳酸丙烯酯中的溶解度系數(shù)： H=由物熱衡算知：=31.469kPa=0.05157kmolCO2/m3PC所以， H=0.116kmol/(kPam3)4.2 脫碳塔泛點速度計算 查文獻16lg =A1.75式中：泛點空塔速度，m/s g重力加速度，9.81m/s2碳酸丙烯酯粘度，2.0997（cp）干填料因子，172m-1碳酸丙烯酯3

49、4時的密度，1182.12kg/m3L碳酸丙烯酯流量，1467672.907kg/hG進塔氣體流量，43111.607kg/h將上述各值帶入公式：lg =A1.75lg =0.2041.75lg0.2050=-2.176所以，泛點空塔速度=0.1804m/s。4.3 脫碳塔塔徑計算操作速度取泛點速度的70%即操作速度u=0.1804×70%=0.1262m/s操作狀態(tài)下的氣體體積流速： V=0.8329m3/s脫碳塔徑D D=2.900m實際取塔徑3000mm。塔截面積：AT=6.602m2實際空塔速度：=0.1179m/s<0.1262 m/s核算徑比：D/d=3000/25

50、=120, 滿足階梯環(huán)的徑比要求。泛點率校核：=0.09743÷0.1463×100%=59.30%>50%(在允許圍)，因為對于散裝材料，查文獻16其泛點率的經(jīng)驗值=0.50.85噴淋密度的校核：依Morris等的推薦，d<75mm環(huán)形與其他填料的最小潤濕速率（MWR）為0.08m3/(mh)由式： L噴，min=(MWR)at=0.08×223 =17.846m3/(m2h)因為L噴=121.77m3/(m2h)故滿足最小噴淋密度要求。4.4 填料層高度計算用傳質(zhì)單元法計算填料層高度Z則查文獻16可知: Z=HOGNOG=傳質(zhì)單元高度HOG計算：

51、HOG= 其中 Ky=KGPH=查文獻19液相傳質(zhì)系數(shù):kL=0.015式中 kL液相傳質(zhì)系數(shù) m/h L 碳酸丙烯酯的質(zhì)量流率 kg/(m2。h)干填料的比面積 m2/m3碳酸丙烯酯的粘度 kg/(m.h)碳酸丙烯酯的密度 kg/m3DL 二氧化碳在碳酸丙烯酯中的擴散系數(shù) m/hg 重力加速度 9.81m/s2查文獻19氣相傳質(zhì)系數(shù):kG=1.195式中 kG氣相傳質(zhì)系數(shù) kmol/(m2hatm) Dp 填料公稱規(guī)格 m G混合氣體的質(zhì)量流率 kg/(m.h)混合氣體粘度 kg/(m.h)填料空隙率 混合氣體密度 二氧化碳在混合氣體中的擴散系數(shù) 混合氣體的摩爾流率 kmol/( m2h)氣

52、相中惰性氣體分壓的對數(shù)平均值 atm查文獻19氣相中惰性氣體分壓的對數(shù)平均值：查文獻19填料有效相接觸面：a=0.11式中: a填料有效相接觸面 碳酸丙烯酯的表面力 前面已算得氣液粘度分別為： 碳酸丙烯酯的表面力：因為=kL=0.015 =0.015 =0.003479m/h kG=1.195 =1.195 =0.8124kmol/(m2hatm)G=43111.607÷A=5300.173kg/(m.h)=338.101kmol/( m2h) 計算KYa =59,30%>50%H=0.116式中: H二氧化碳在碳酸丙烯酯中的溶解度系數(shù) 碳酸丙烯酯分子量 102.09氣相中二氧

53、化碳分壓 atm與平衡時的液相中的二氧化碳濃度 mol%=50000÷22.4(1-0.275)A=245.123kmol/m2.h則 =所以 KG=0.0007303kmol/(m2hatm)Kya=KGP=0.000730318.7516=0.007564kmol/(m2h)計算HOG填料有效相接觸面： = =56.178 由 HOG=2.127m氣相傳質(zhì)單元數(shù)NOG計算查文獻19知34時相平衡常數(shù)m=5.26=mx2=0吸收因數(shù)為：A=6.058 脫吸因數(shù)為S=0.1651所以： NOG =（）+(1-0.1651)×+0.1651 =4.221填料層高度Z計算由 Z=HOGNOG=2