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1、巢 湖 学 院化工原理课程设计设计题目： 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 起止日期： 1 1 引言引言1.11.1 合成氨原料气中合成氨原料气中 COCO2 2的脱除工艺发展及现状的脱除工艺发展及现状气体净化是工业上重要的过程之一。随着各工业过程的要求不同，有的需要对原料气体进行净化处理，有的需要对生产过程中产生的气体进行净化，有的需要对尾气进行净化等。在合成氨生产中，由于制气原料主要碳和含碳化合物，经制气和一氧化碳变换后，变换气中除含有对氨合成有用的氢气等，同时还含有二氧化碳、一氧化碳、甲烷、硫化氢等对氨合成有害的杂质组分。在这些杂质组分中又以二氧化碳的含量最高。如在生产过程中
2、，不及时将二氧化碳从变换气中除去，将会使后续工序无法正常进行。脱除原料气中大量二氧化碳的方法主要分为三大类：化学吸收法、物理化学法和物理吸收法。本次设计中主要运用物理吸收法。则以下主要介绍物理吸收法。物理吸收法是指吸收剂并不与二氧化碳发生化学反应的一类脱碳方法。它是基于不同压力下的二氧化碳在吸收剂中有不同的平衡溶解度这种性质而发展起来的。这类方法中的吸收剂大多为有机溶剂，它们普遍具有溶解二氧化碳量大的特点，尤其是在加压时。此外吸收剂的再生大多不必加热，仅通过简单的降压或常温气提（惰性气体吹洗）。碳酸丙烯酯脱除 CO2到五十年代才有较系统的报导, 它具有许多有趣的性质, 而且原料易得, 目前已广
3、泛应用在石油化学工业中。六十年代开始, 有专利刊出, 把碳酸丙烯酯用在合成氨工业中的脱除原料气中二氧化碳。从变换气中脱出二氧化碳在合成氨工业中占有重要的位置, 过去我国较多采用水洗的方法, 由于二氧化碳在水中的溶解度很小, 大量循环水耗费巨大的动力, 水洗法所耗电能约为 200 瓦/（吨氨）。若用乙醇胺的水溶液脱除, 溶液再生需耗热, 在燃料紧张地区，也不可取。为此希望寻找一种有机溶剂, 既能溶解大量 CO2, 而且可减压再生, 减少燃气消耗。过种观点已成为许多工程技术工作者的共同愿望。六十年代以来, 新溶剂的选用已成为酸性气体净化的基本方向。在报导中选用的溶剂有碳酸丙烯酯（PC）、甘油三醋酸
4、酯、甲氧基三甘醇醋酸酯、丁氧基二甘醇三酸酯等, 从合成的角度和物性的要求出发, 又以 PC 较为优越。在常压下, CO2在 PC 中的溶解度是其在水中的四倍, 随着压力的增加, CO2在 PC 中的溶解度增加尤为明显。目前不但已进行了较多的 PC 一 CO2体系的基础数据研究, 而且到 1975 年为止，国外已有十个工厂用 PC 来脱除 CO2，其中有七小工厂是处理天然气的， 二个厂是生产氢， 一个厂是合成氨原料气的净化。碳酸丙烯酯为环状有机碳酸酯类化合物，在常温下为略带芳香味的液体，纯净时无色透明，分子式为 C4H6O3，相对分子质量为 102.9/kmol，密度略大与水。它对二氧化碳、硫化
5、氢及一些有机硫具有较大的溶解能力，而对氢气、氮气、一氧化碳、甲烷、氧气等的溶解度要小得多。如以氢气在碳酸丙烯酯中的溶解度为基准，则同样温度与压力下二氧化碳的溶解度为氢气的 130 倍左右，硫化氢为氢气的 420 倍左右。由于不同气体在同一溶剂中溶解度差别很悬殊，这就为该溶剂用于气体混合物的分离奠定了理论基础。碳酸丙烯酯的稳定性较好，在工业上连续运转十余年后仍不影响其吸收效率。溶剂在吸收了二氧化碳和硫化氢等酸性气体后，对普通碳钢的腐蚀性仍较低，因此在工业上可用普通碳钢作为主要设备的材质。用碳酸丙烯酯作为吸收剂来吸收合成氨原料气中的二氧化碳的方法与其他脱碳方法相比，在净化度相同的情况下，也以碳酸丙
6、烯酯法的能耗和可比操作费最低。目目 录录 一一 概述概述1.1 设计依据.1.2 技术来源.1.2 设计任务及要求.二二 计算过程计算过程2.1 基础数据计算.2.1.1 吸收塔的物料衡算.2.1.2 吸收剂组成和吸收剂用量.2.1.3 操作线方程.2.1.4 塔径的计算.2.1.5 填料层压降的计算.2.1.6 填料塔喷淋密度的校核.2.2 填料层高度的计算.2.2.1 传质单元数的计算.2.2.2 传质单元高度的计算.2.2.3 填料层高度及塔高的计算.2.3 填料塔强度设计.2.3.1 筒体.2.3.2 椭圆形封头.2.3.3 壁厚.2.4 塔体各项载荷计算.2.4.1 塔重.2.4.2
7、 塔体风载荷和风力矩计算.2.4.3 群座的强度及稳定性验算.2.4.4 水压试验时塔的强度和稳定性验算.2.4.5 群座基础环设计.2.4.6 地脚螺栓强度计算设计.2.5 吸收塔附件选型.三三 附录附录四四 符号说明符号说明五五 小结小结一一 . 概概 述述1.1 设计依据设计依据合成氨原料气中含有很多 CO、CH4等有害气体，特别是 CO2含量最多，在进入反 应炉前必须脱除。综合吸收效果和经济效益，工业上通常用碳酸丙烯酯对吸收 CO2，该过程在较低的温度和较高的压力下进行，属于物理过程。PC 溶剂是循环 使用的，需要对其进行解吸操作，得到再生 PC 和高浓度的 CO2。此次设计任务 主要
8、是设计以碳酸丙烯酯（PC）脱除合成氨原料气中 CO2的填料塔的设计,进气 口的流量为 8000 Nm3/h。其中，填料塔以金属鲍尔环为填料；经设计优化后的 最优气液比为最小液汽比的 1.45 倍，计算在 30和 1.6MPa 的操作条件下，用PC 吸收固定流量原料气中的 CO 时，所需的吸收剂流量、吸收塔工艺尺寸、以2及对各零部件和所用填料的选择，并且对主要工艺参数进行校核。由此，作出 工艺流程图和装配图。 1.21.2 技术来源技术来源1.PC1.PC 脱除脱除 COCO2 2的基本工艺流程简介的基本工艺流程简介本次课程设计的课题是碳酸丙烯酯（PC）脱除合成氨原料气中 CO2填料塔的设计，原
9、料气流量选定为 8000Nm3/h,在操作压力 1.6MPa 下进入吸收塔底部，与塔顶喷淋而下的 PC 溶剂逆流接触，将 CO2吸收。 ，其中 CO2的含量为 30%(摩尔分率)，工艺流程中还包含了 PC 的再生等。为确保吸收 CO2的吸收率以及出塔净化气体中 CO20.6%（摩尔分率） ，应采用气-液逆流的吸收过程，在较低温度和较高压力下，选取适合的填料，使原料气经压缩机压缩后从塔底进入吸收塔，与从塔顶喷淋而下的 PC 溶剂逆流接触，将 CO2吸收。出塔净化气体经分离器除掉的 PC 雾滴后入压缩机，而吸收了2CO的 PC 溶液（富液）经减压阀先进行减压，而后进入闪蒸槽，将 N2、H2及少量的
10、2CO解吸出来，经气液分离，再将此解吸气体送至压缩机进行回收，闪蒸液体借助压力进入常压解吸塔，主要将大量2CO解吸出来，获得纯度较高的2CO。常压解吸后，PC 溶液中尚含有一定的2CO，将 PC 液体借助液位差流到下部的气提解吸塔，在此与从塔底鼓入的空气逆流接触，以将其中残存的进一步解吸出来，使 PC 液体得到较完全的再生，供吸收用。设计中再生 PC 中的含量210-5（摩尔分率） 。2CO1.31.3设计任务及要求设计任务及要求1.合成氨原料气流量 8000M/h2.合成氨原料气组成组分CO2 H2 CO N2 CH4摩尔分率0.304 0.49590.02175 0.15660.02175
11、3.吸收剂 碳酸丙烯酯4.主要吸收设备 填料塔5.设计要求出塔原料气中 CO2摩尔分率为 0.005操作温度：30最小液气比系数：1.45操作压力：1.6MPa工艺流程的确定工艺流程的确定分离器吸收塔过滤器贫液冷却器PC 泵PC 液PC 贮罐分离器分离罐闪蒸槽常压解 析塔气提解 析塔分离罐PC 回收塔H2、N2富液常解气洗涤后的解吸气洗液泵富液空气鼓风机变换气二二. 计算过程计算过程 2.1.1 吸收塔的物料衡算吸收塔的物料衡算气、液相流量10.304y 20.005y 20x 回收率： 1 1 10.4371yYy20.005Y 20X 2110.989Y Y G=8000/22.4=357
12、.14 /Kmol hn,v1q(1)357.14 0.696248.57/GyKmol h2.1.2 吸收剂组成和吸收剂用量查表得 亨利系数 E= 又已知操作压力为30 C时kpa-187. 65 101. 38.88Mpa1.6Mpa(表压) 所以绝压 P=1.7Mpa 可求相平衡常数5.22EmP ,1212, V1212min0.4370.0055.16030.437/5.22/n LneYYYYq qXXYmX一般的实际液气比与最小液气比有如下关系：,min/1.12.0/n Ln Vn Ln Vqqqq:经程序优化后取得 b=0.69 所以 1/b=1.45 即,/1.45 5.16037.482n Ln Vqq吸收剂的用量为,1859.801/n LqKmol h2.1.3 操作线方程：根据式可求=0.05774, 2211,n Ln Ln Vn VqqYXYXqq
