工艺技术碳酸丙烯酯脱碳填料塔的工艺设计

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1、工艺技术碳酸丙烯酯脱碳填料塔 的工艺设计 工艺技术碳酸丙烯酯脱碳填料塔 的工艺设计 碳酸丙烯酯（PC）脱碳填料塔的工艺设计 学校上海工程技术大学学校上海工程技术大学 专业 专业 姓名 姓名 学号 学号 上海工程技术大学 48000t/a 合成氨碳酸丙烯酯（PC）脱碳填料塔设计48000t/a 合成氨碳酸丙烯酯（PC）脱碳填料塔设计 目录目录 碳酸丙烯酯（PC）脱碳填料塔设计工艺设计任务书 3 一、设计题目 3 二、操作条件 3 三、设计内容 3 四、基础数据 4 设计依据：5 一、计算前的准备 5 1.CO2在 PC 中的溶解度关系 5 2.PC 密度与温度的关系 6 3.PC 蒸汽压的影响

2、7 4.PC 的粘度 7 二、物料衡算 7 1.各组分在 PC 中的溶解量 7 2.溶剂夹带量 Nm3/m3PC8 3.溶液带出的气量 Nm3/m3PC8 4.出脱碳塔净化气量 9 5.计算 PC 循环量 9 6.验算吸收液中 CO2残量为 0.15 Nm3/m3PC 时净化气中 CO2的含量 10 7.出塔气体的组成 10 三、热量衡算 11 1.混合气体的定压比热容 11 2.液体的比热容 12 3.CO2的溶解热 13 4.出塔溶液的温度 13 5.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 15 五、填料层高度的计算 17 六、填料层的

3、压降 25 七、附属设备及主要附件的选型 25 1.塔壁厚 25 2液体分布器 25 3除沫器 25 4液体再分布器 26 5填料支撑板 26 6塔的顶部空间高度 26 八、设计概要表 27 九、对本设计的评价 28 参考文献 28 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48000t/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

4、 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

5、汽压133.32-1Pa粘度，mPas分子量 30382050 204 0.10.242.761.62 102.09 温度， （）015254055 （kg/m3）12241207119811841169 2.比热计算式 3.CO2在碳酸丙烯酯（PC）中的溶解度 温度t t， （）2526.737.84050 亨利系数 E101.3-1kPa81.1381.7101.7103.5120.8 4.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。 设计依据：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

6、，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：48000t/a=145.5t/d=6.06t/h 变换气：4300m3（标）变换气/t 氨（简记为 Nm3/t） V=6.064300=26058m3 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/cm2 4.5680.4087.7013.63816.32

7、 一、计算前的准备一、计算前的准备 1.CO1.CO2 2在 PC 中的溶解度关系在 PC 中的溶解度关系 CO2在 PC 中亨利系数数据 温度t 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（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E E40=10

8、3.5101.3kPa=10485kPa 1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： kPa CO2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 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。 结论：出料（摩尔分数） 2.PC 密度与温度的关系2.PC 密度与温度的关系 利用题给数据

9、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）12241207119811841169 3.PC 蒸汽压的影响3.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4.PC 的粘度 mPas（T T为热力学温度，K） 5.工艺流程确定：5.工艺流程确定： 本次吸收采用逆流吸收的方法。 二、物料衡算二、物料衡算 1.各组分在 PC 中的溶解量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

10、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）：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（10.44-0.15）0.7=7.203Nm3/m3PC 组分CO2COH2N2合计 组分分压，MPa0.4480.0400.7550.3571.60 溶解度，Nm3/m3PC10.440.0160.2230.2

11、2310.90 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 0.15Nm3/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 Nm2.溶剂夹带量 Nm3 3/m/m3 3PCPC 以 0.2Nm3/m3PC 计，各组分被夹带的量如下： CO2：0.20.28=0.056Nm3/m3PC CO：0.20.025=0.005Nm3/m3PC H2：

12、0.20.472=0.0944Nm3/m3PC N2：0.20.223=0.0446Nm3/m3PC 3.溶液带出的气量 Nm3.溶液带出的气量 Nm3 3/m/m3 3PCPC 各组分溶解量： CO2：7.203Nm3/m3PC95.71% CO：0.011Nm3/m3PC0.15% H2：0.156Nm3/m3PC2.07% N2：0.156Nm3/m3PC2.07% 7.526Nm3/m3PC100% 夹带量与溶解量之和： CO2：0.056+7.203=7.259Nm3/m3PC93.96% CO：0.005+0.011=0.016Nm3/m3PC0.21% H2：0.0944+0.1

13、56=0.250Nm3/m3PC3.23% N2：0.0446+0.156=0.201Nm3/m3PC2.60% 7.726Nm3/m3PC100% 4.出脱碳塔净化气量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=26058Nm3/h 联立两式解之得 V3=V1(y1-y2)/(y3-y2)=43006.06(0.280.005)/(0.93960.005)=7667Nm3/h V2=V1-V3=18391Nm3/h 5.计算 PC 循环量5.计算 PC 循环量 因每 1m3PC 带出 CO2为 7.259N

14、m3，故有： L=V3y3/7.259=76670.9396/7.259=992m3/h 操作的气液比为 V1/L=26058/992=26.27 6.验算吸收液中 CO6.验算吸收液中 CO2 2残量为 0.15Nm残量为 0.15Nm3 3/m/m3 3PC 时净化气中 COPC 时净化气中 CO2 2的含量的含量 取脱碳塔阻力降为 0.3kgf/cm2， 则塔顶压强为 16.32-0.3=16.02kgf/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

15、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 0.216Nm3/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。 入塔循环液相 CO2：9920.15 7.出塔气体的组成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。 CO2：260580.28-7.259992=95.31Nm3/h0.50% CO：260580.025-0.016992=635.58Nm3/h3.46% H2：260580.472-0.250992=12049.38Nm3/h65.53% N2：260580.223-0.201992=5610.54Nm3/h30.51% 18391.81Nm3/h100% 计算数据总表 气液比26.26 入塔气体平均分子量20.208 溶解气体平均分子量42.78 PC 中的溶解量(溶解气量及其组成）40 组分CO2COH2N2总量 溶解度，Nm3/m3PC10.440.020.220.2210.90 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/h 26058183917667 溶解量，Nm3/m3PC7.200.010.160.167.53 溶解体