碳酸丙烯酯（PC）脫碳填料塔的工藝項目設(shè)計方案

1 碳酸丙烯酯（ 碳填料塔的工藝 項目設(shè)計方案 一 、 設(shè)計依據(jù)： 無論是以固體原料或以烴類原料制氨，經(jīng) 換后得粗原料氣中均含有一定數(shù)量的某些用于制取合成氨原料氣的含烴氣體（如天然氣焦?fàn)t氣等）本身就含有較多的 2和 必須將這些 粗原料氣中除去。此外， 是生產(chǎn)尿素 ,純堿 ,碳銨等產(chǎn)品的原料 ,而且還可以將其加工成干冰用于其他部門。因此，從粗原料氣中分離并回 工業(yè)上把脫除的過程稱為“脫碳”。目前工業(yè)脫碳的方法很多，其中碳酸丙烯酯（ 碳在中 小合成氨廠被廣泛采用，現(xiàn)針對碳丙脫碳塔進行物熱衡算，為碳丙脫碳塔的工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計作準(zhǔn)備。 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?；旌蠚怏w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 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： 48500t/a= d=h 變換氣： 4300）變換氣 /t 氨（簡記為 t） V = 300=m3/h 變換氣組成及分壓如下表所示： 進塔變換氣 O 2 合計 2 體積百分數(shù) ,% 00 組分分壓， 分分壓， . 的溶解度 溫度 t，（） 25 0 50 亨利系數(shù) E 到 10 7 1 tE 為高濃度氣體吸收，故吸收塔內(nèi) 溶解熱不能被忽略?，F(xiàn)假設(shè)出塔氣體的溫度為 塔液體的溫度為 C 401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， C 中的亨利系數(shù) 01.3 0485 出塔溶液中 濃度（假設(shè)其滿足亨利定 律） 0 2 9 2 4 8 5/4 4 11 摩爾分數(shù)） 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 C 中溶解的亨利系數(shù)作為計算相平衡關(guān)系的依據(jù)。即： k P 7 4 10 7 1 溶解的相平衡關(guān)系，即： 3 g 22 式中：2分壓， T 為熱 力學(xué)溫度，K。 用上述關(guān)聯(lián)式計算出塔溶液中 濃度有 0 . 40 7km 22 7 0 . 7 0 . 7 0 . 0 3 8 6 0 . 0 2 7 01 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1 （摩爾分數(shù)） 。 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 ； 為密度， kg/ 溫度，（ ） 0 15 25 40 55 （ kg/ 1224 1207 1198 1184 1169 汽壓的影響 根據(jù) 變換氣組成及分壓 可 知， 汽壓與操作總壓及 氣相分壓相比 4 均很小，故可忽略 。 粘度 82 Ts（ T 為熱力學(xué)溫度， K） 本次吸收采用逆流吸收的方法。 三、物料衡算 分在 的溶解量 查各組分在操作壓力為 作溫度為 40下在 取其相對吸收飽和度均為 70%。 通過第一部分已知 0的平衡溶解度 / k m o k m o 0 4 0 84/ k m Ck m X 中： 1184為 40時的密度， m3/余計算結(jié)果如下表所示： 組分 O 2 合計 5 組分分壓， 解度， 解量， 解氣所占的百分數(shù) % 明：進塔吸收液中 m3/計算溶解量時應(yīng)將其扣除。其他組分溶解度本就微小，經(jīng)解吸后的殘值可被忽略。 平均分子量： 入塔混 合氣平均分子量： k g / k m o 溶解氣體的平均分子量： g / k m o 0 0 1 7 m3/ m3/，各組分被夾帶的量如下： m3/O： m3/2： m3/2： m3/m3/組分溶解量： m3/ m3/ m3/ m3/ 100% 夾帶量與溶解量之和： m3/ m3/ m3/ 6 m3/ m3/ 100% 以321 、分別代表進塔、出塔及溶液帶出的總氣量，以321 、分別代表 ，對 h 1 2 3V V V332211 聯(lián)立兩式解之得 1(4300(h h C 循環(huán)量： 因每 1 出 故有： L=h 操作的氣液比為 =量為 m3/凈化氣中 含量 取脫碳塔阻力降為 塔頂壓強為 時 8 0 此分壓呈平衡的 g 22 PC/ . 40 . 0 0 0 8 2 5 7/ k m o l P Ck m o l C o gl o 1193 為吸收液在塔頂 30 時的密度，近似取純 體的密度值。計算結(jié)果表明，當(dāng)出塔凈化氣中 那入塔吸收液中 m3/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。 出塔氣體的體積流量應(yīng)為入塔氣體的體積流量與 走氣體的體積流量之差。 59h 7 16h 50h 01h h 100% 氣液比 塔氣體平均分子量 解氣體平均分子量 C 中的溶解量 (溶解氣量及其組成） 40 組分 O 2 總量 溶解度， 溶解量， 出脫碳塔凈化氣量 進塔帶出氣量 (m3/h 出塔氣量 (m3/h 溶液帶出的總氣量 (m3/h 8 溶解體積流量 h 溶解氣所占的百分數(shù) % 出塔液相帶出氣量及其組成 40 溶解量， 體積流量 h 解氣所占的百分數(shù) % 入塔氣相及其組成 30 體積流量 h 解氣所占的百分數(shù) % 出塔氣相的組成 35 體積流量 h 解氣所占的百分數(shù) % 入塔液相及其組成 30 體積流量 h 149 溶解氣所占的百分數(shù) % 100 四、熱量恒算 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 。具體計算步驟如下： 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： 32 ，其溫度系 數(shù)如下表： 系數(shù) a b c d 30 ） 32 ） 000O 0002 0002 0009 表中 單位為（ ） /（ kJ/ ） 進出塔氣體的比熱容 / k m o J/ 質(zhì)量分率為 %其量很少，因此可用純 比熱容代之。本設(shè)計題目中 ： 1 . 3 9 0 . 0 0 1 8 1 1 0 kJ/ 1 1 . 3 9 0 . 0 0 1 8 1 1 0 1 . 3 9 0 . 0 0 1 8 1 4 0 1 0 1 . 4 4 4 k J / k g / k 1 8 1 8 tC 文獻查得 0 0 9 8 6 9 kJ/ ,據(jù)此算得： kJ/ ； kJ/ 本設(shè)計采用后者。 3. 2溶解熱 9 9 H kJ/獻查得 146542HkJ/驗測定值） 本設(shè)計采用后者。 的溶解量為 h=h 故 4654h 設(shè)出塔氣體溫度為 35 ，全塔熱量衡算有： 10 帶入的熱量（ + 溶解熱量（ = 帶出的熱量（ 現(xiàn)均按文獻值作熱量衡算，即取 ； 10/h 21930=h 25/h 1h 式中： 193+(kg/h 與理論值比較后，取 T 11 出塔氣相及其組成（ 35） h O 2 h % h 入塔液相及其組成（ 30） h O 2 149 - - - h - - - - % h 入塔氣相及其組成（ 30） m3/h O 2 h h 出塔液相帶出氣量及其組成（ 40） h O 2 6946 h 脫 碳 塔 溶解氣量及其組成（ 40） h O 2 m3/h h 12 五、 設(shè)備的工藝與結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計計算 計算公式：s4 塔底氣液負荷大，依塔底氣液負荷條件求取塔徑。 采用 u ，并確定操作氣速。 入塔混合氣體的質(zhì)量流量： V=(kg/h 注： 入塔混合氣體的平均分子量， 出塔混合氣體的平均分子量 k g / k m o 44 8 8 底吸收液的質(zhì)量流量： L=h 入塔混合氣的密度（未考慮壓縮因子）： 361 k g / 38 3 1 4/2 0 吸收液的密度 3kg/ （ 40 ） 吸收液的粘度，依下式計算得到： l o g s（平均溫度 35 時的值） 選 50料鮑爾環(huán)（米字筋），其濕填料因子 1 ，空隙率 ，比表面積 32 /聯(lián)式常數(shù) 4 。 選用 聯(lián)式求解 8/14/4/14m/3 1 1 m/u 根據(jù)設(shè)計 u=s 1求取塔徑 ( (h=s D=(4 次設(shè)計取 D=2600u=42)=4s 則操作氣體速度取 u=s 合適 3. 核算徑比 D/d=26400/50=521015（滿足鮑爾環(huán)的徑比要求） 采用聚丙烯填料表面 L 噴， L 噴 = )/(32 （滿足要求） 14 六、填料層高度的計算 塔截面積 = 因其他氣體的溶解度很小，故將其他氣體看作是惰性氣體并視作為恒定不變，那么，惰性氣體的摩爾流率 G=(600)=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=193/(600m2s) y ， x 吸收塔物料衡算的操作線方程為： 2211 L X 將上述已知數(shù)據(jù)代入操作線方程，整理得 ： 采用數(shù)值積分法求解，詳細結(jié)果見表 6 步驟如下： 將氣相濃度在其操作范圍內(nèi) 10 等份，利用操作線方程求取各分點 y 所對應(yīng)的 x，將計算結(jié)果列于表中的第 1、 2 行。 計算各分點截面處的氣液相流率 G=)1(=)1(計算結(jié)果列入表中的 3、 4 列。 計算壓力，壓力按濃度分布，溫度按 )( 計算結(jié)果列于表中第 5、 6 行。 計算下式計算： )10()()1(10195 3/G p )/( 2 a m o l 取 ， )/(0 53 6.0 不變（前已算出塔頂、塔底變化很小）。 15 ( 2 )/ 12 21 將計算結(jié)果列于表中 7 10 行。 計算 ，按下式計算： ()()()(0 1 5 9.0 k m/h k 2 2 將計算結(jié)果列于表中 11 14 行。 計算 將計算結(jié)果列于表中 15 16 行。 ()()()(1 將計算結(jié)果列于表中 17、 18 行。 計算 2 將計算結(jié)果列于表中 19 行。 16 計算)(1( x 將計算結(jié)果列于表中的 20 24 行。 求取積分項 d xH (1(21 Z=實際取 Z=28m，分 4 段，每段 7m。 表格 6 數(shù)值積分結(jié)果匯總 項目 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 y x 相平均分子量 17 分項 18 七、填料層的壓降 用 用關(guān)聯(lián)圖計算壓降 橫坐標(biāo)： （前已算出） 縱坐標(biāo)： 圖得： 0m 八、附屬設(shè)備及主要附件的選型 操作壓力為 厚： 32 2 6 0 圓整后取 22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，以降低有價值的產(chǎn)品損失，改善塔后動力設(shè)備的操作。此次設(shè)計采用網(wǎng)絲除沫器。 U= l 1 v 1 8 4 1 2 . 8 3K 0 . 1 0 7 1 . 0 2 m / . 8 3 除沫器直徑 111 4液體再分布器 液體向下流動時，有偏向塔壁流動現(xiàn)象，造成塔中心的填料不被潤濕，故使用液體再分布器，對鮑爾環(huán)而言，不超過 6m。故在填料 3m 處裝一個再分布器。 本次使用截錐式再分布器。 5填料支撐板 填料織成板是用來支撐填料的重量，本次設(shè)計使用最為常用的柵板。本次塔徑為 26001400用四塊柵板疊加，直徑為 850塔的頂部空間高度 塔的頂部空間高度指頂?shù)谝粚铀P到塔頂封頭的切線距離。為減少霧 沫夾帶的液體量，一般取 次設(shè)計取 19 九、設(shè)計概要表 入塔混合氣體的質(zhì)量流量 V h 塔底吸收液的質(zhì)量流量 L 1085385kg/h 入塔混合氣的密度 p 收液的粘度 s 填料因子 120隙率 表面積 聯(lián)式常數(shù) A 聯(lián)式常數(shù) K s u s 塔徑 2600淋密度 L 截面積 A 劑的摩爾流率 L m2s) 惰氣的摩爾流率 G m2s) 擴散系數(shù) 0 2/s 氣液兩相的粘度 s 吸收液與填料的表面張力 39.1 s 聚乙烯塑料的表面張力 33.0 s 設(shè)計高度 H 28m 填料層的壓降 30m 塔體壁厚 22沫器氣速 s 除沫器直徑 料支撐板 850部空間高度 20 十、設(shè)計評價 及總結(jié) 經(jīng)過 2 周 的 時間 ， 終于完成了這次的課程設(shè)計。在本學(xué)期， 通過 學(xué)習(xí)了化工原理這一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課， 了解到 化工單元操作的基本原理、典型設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理、操作性能和設(shè)計計算?；卧僮魇墙M成各種化工生產(chǎn)過程、完成一定加工目的的基本過程，其特點是化工生產(chǎn)過程中以物理為主的操作過程，包括流體流動過程、傳熱過程和 傳質(zhì)過程。這次我的課程設(shè)計題目是 收 2程填料 吸收 塔的設(shè)計， 這是關(guān)于吸收中填料塔的設(shè)計。填料塔是以塔內(nèi)裝有大量的填料為相接觸構(gòu)件的氣液傳質(zhì)設(shè)備。填料塔的結(jié)構(gòu)較簡單， 壓降低，填料易用耐腐蝕材料制造等優(yōu)點。 本設(shè)計中，開始的時候我采用 用關(guān)聯(lián)圖計算泛點氣速，在填料的選擇中，我?guī)缀跏怯门懦▉磉x擇的，就是一種一種規(guī)格的算，后來認為使用鋼制鮑爾環(huán)（規(guī)格為 50mm算得的結(jié)果比比較好。在同類填料中，尺寸越小的，分離效率越高，但它的阻力將增加，通量減小，填料費用也增加很多。解決了上面的問題之后就是通過查找手冊之類的書籍來確定輔助設(shè)備的 選型，我們選擇孔管型支承裝置作為填料支撐，選壓緊柵板作為填料壓緊裝置。本設(shè)計我們所設(shè)計 的填料塔持液量小 ， 填料塔結(jié)構(gòu)較為簡單，造價適合。不過，它的操作范圍小，填料潤濕效果差，當(dāng)液體負荷過重時，易產(chǎn)生液泛，不宜處理易聚合或含有固體 懸浮物的物料等。 通過這次的課程設(shè)計，讓我從中體會到很多。課程設(shè)計是我們在校大學(xué)生必須經(jīng)過的一個過程，通過課程設(shè)計的鍛煉，可以為我們即將來的畢業(yè)設(shè)