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1、碳酸丙烯酯（PC）脱碳填料塔的工艺设计学 校 上海工程技术大学专 业 姓 名 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51.CO2在PC中的溶解度关系52.PC密度与温度的关系63.PC蒸汽压的影响74.PC的粘度7二、物料衡算71.各组分在PC中的溶解量72.溶剂夹带量Nm3/m3PC83.溶液带出的气量Nm3/m3PC84.出脱碳塔净化气量95.计算PC循环量96.验算吸收液中CO2残量为0.15 Nm3/
2、m3PC时净化气中CO2的含量107.出塔气体的组成10三、热量衡算111.混合气体的定压比热容112.液体的比热容123.CO2的溶解热134.出塔溶液的温度135.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、填料层的压降25七、附属设备及主要附件的选型251.塔壁厚252液体分布器253除沫器254液体再分布器265填料支撑板266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一、设计题目设计一座碳酸丙烯酯（PC）脱碳填料塔，要求
3、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
4、.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，（）蒸汽压133.32-1Pa粘度，mPas分子量20430382050102.090.10.242.761.62温度，（）015254055（kg/m3）122412071198118411692.比热计算式 3.CO2在碳酸丙烯酯（PC）中的溶解度温度t，（）2526.737.84050亨利系数E101.3-1kPa81.1381.7101.7103.5120.84.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
5、附录。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：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=26058 m3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
6、/cm24.5680.4087.7013.63816.32一、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（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
7、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）122
8、412071198118411693.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1.6MPa、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：11
9、84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=7.203 Nm3/m3PC组分CO2COH2N2合计组分分压，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0.15 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
10、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： 0.20.472=0.0944 Nm3/m3PCN2： 0.20.223=0.0446 Nm3/m3PC3.溶液带出的气量Nm3/m3PC各组分溶解量：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/m3PC
11、100%夹带量与溶解量之和：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 =26058 Nm3/ h联立两式解之得V3=V1(y1-y2)/(y3-y2)=43006.06(0.280.005)/(0
12、.93960.005)=7667Nm3/hV2 = V1 - V3 =18391 Nm3/ h5.计算PC循环量因每1 m3PC 带出CO2为7.259 Nm3 ，故有：L=V3y3/7.259=76670.9396/7.259=992m3/h操作的气液比为V1/L=26058/992=26.276.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16.32-0.3=16.02 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0.216 Nm3/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
