課程設(shè)計(jì)論文碳酸丙烯酯PC脫碳填料塔的工藝設(shè)計(jì)

1、碳酸丙烯酯（pc）脫碳填料塔的工藝設(shè)計(jì)工藝計(jì)算書化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院化工與材料系2004年5月27日課程設(shè)計(jì)題目二碳酸丙烯酯（pc）脫碳填料塔的工藝設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)題目設(shè)計(jì)一座碳酸丙烯酯（pc）脫碳填料塔，要求年產(chǎn)合成氨40000t/a。二、操作條件1.每噸氨耗變換氣取4300nm3變換氣/t氨；2.變換氣組成為：co2：28.0；co：2.5；h2：47.2；n2：22.3。（均為體積%，下同。其它組分被忽略）；3.要求出塔凈化氣中co2的濃度不超過(guò)0.5%；4.pc吸收劑的入塔濃度根據(jù)操作情況自選；5.氣液兩相的入塔溫度均選定為30；6.操作壓強(qiáng)為1.6mpa；7.年工作日330天，每天24小時(shí)

2、連續(xù)運(yùn)行。三、設(shè)計(jì)內(nèi)容1.設(shè)計(jì)方案的確定及工藝流程的說(shuō)明；2.填料吸收塔的工藝計(jì)算；3.塔和塔板主要工藝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算；4.填料吸收塔附屬結(jié)構(gòu)的選型與設(shè)計(jì)；5.塔的工藝計(jì)算結(jié)果匯總一覽表；6.吸收塔的工藝流程圖；7.填料吸收塔與液體再分布器的工藝條件圖；8.對(duì)本設(shè)計(jì)的評(píng)述或?qū)τ嘘P(guān)問(wèn)題的分析與討論。四、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)1.碳酸丙烯酯（pc）（1）分子式：ch3choco2ch2c = o（2）結(jié)構(gòu)式： ch3 choch2o（3）物理性質(zhì)正常沸點(diǎn)，（）蒸汽壓×133.32-1pa粘度，mpa·s分子量20430382050102.090.10.242.761.62（4）密度與溫度的關(guān)

3、系溫度，（）015254055（kg/m3）12241207119811841169（5）比熱計(jì)算式2.co2在碳酸丙烯酯（pc）中的溶解度溫度t，（）2526.737.84050亨利系數(shù)e×101.3-1kpa81.1381.7101.7103.5120.83.co2在碳酸丙烯酯（pc）中的溶解熱可近似按下式計(jì)算（以表示）4.其他物性數(shù)據(jù)可查化工原理附錄。附參考答案：碳酸丙烯酯（pc）脫碳填料塔的工藝設(shè)計(jì)工藝計(jì)算書40000t/a合成氨碳酸丙烯酯（pc）脫碳填料塔設(shè)計(jì)工藝計(jì)算書依題意：年工作日以330天，每天以24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行計(jì)，有：合成氨：變換氣：4300m3（標(biāo)）變換氣/t氨（

4、簡(jiǎn)記為nm3/t）變換氣組成及分壓如下表進(jìn)塔變換氣co2coh2n2合計(jì)體積百分?jǐn)?shù),%28.02.547.222.3100組分分壓，mpa0.4480.0400.7550.3571.600組分分壓，kgf/cm24.5680.4087.7013.63816.32一、計(jì)算前的準(zhǔn)備1.co2在pc中的溶解度關(guān)系根據(jù)co2在碳酸丙烯酯的溶解度數(shù)據(jù)溫度t，（）2526.737.84050亨利系數(shù)e×101.3-1kpa81.1381.7101.7103.5120.8作圖得：亨利系數(shù)與溫度近似成直線，且kpa因?yàn)楦邼舛葰怏w吸收，故吸收塔內(nèi)co2的溶解熱不能被忽略?，F(xiàn)假設(shè)出塔氣體的溫度為，出塔液

5、體的溫度為，并取吸收飽和度（定義為出塔溶液濃度對(duì)其平衡濃度的百分?jǐn)?shù)）為70%，然后利用物料衡算結(jié)合熱量衡算驗(yàn)證上述溫度假設(shè)的正確性在40下，co2在pc中的亨利系數(shù)e40=103.5×101.3 kpa=10485 kpa出塔溶液中co2的濃度（可以驗(yàn)證其滿足亨利定律）（摩爾分?jǐn)?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co2在pc中溶解的亨利系數(shù)作為計(jì)算相平衡關(guān)系的依據(jù)。即： kpa另外，有人關(guān)聯(lián)出了co2在pc中溶解的相平衡關(guān)系，即：式中：為摩爾比，kmolco2/kmolpc；為co2的分壓，kgf/cm2；t為熱力學(xué)溫度，k。用上述關(guān)聯(lián)式計(jì)算出塔溶

6、液中co2的濃度有與前者結(jié)果相比要小，為安全起見(jiàn)，本設(shè)計(jì)取后者作為計(jì)算的依據(jù)?；蛘卟捎糜?jì)算。上式中：為摩爾分率；為co2的分壓，atm；t為pc液的熱力學(xué)溫度，k。2.pc密度與溫度的關(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(dá)式為（式中t為溫度，；為密度，kg/m3）溫度，（）015254055（kg/m3）122412071198118411693.pc蒸汽壓的影響從題給數(shù)據(jù)知，pc蒸汽壓與操作總壓及co2的氣相分壓相比均很小，故可忽略。4.pc的粘度 mpa·s（t為熱力學(xué)溫度，k）5.其它物性將在后續(xù)計(jì)算中給出。二、物料衡算1.各組分在pc中的溶解量查各組分在操作壓力為1.6

7、mpa、操作溫度為40下在pc中的溶解度數(shù)據(jù)，并取其相對(duì)吸收飽和度均為70%，將計(jì)算所得結(jié)果列于下表（亦可將除co2以外的組分視為惰氣而忽略不計(jì)，而只考慮co2的溶解）：組分co2coh2n2合計(jì)組分分壓，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溶解氣所占的百分?jǐn)?shù)%95.710.152.072.07100.00說(shuō)明：進(jìn)塔吸收液中co2的殘值取0.15 nm3/m3pc，故計(jì)算溶解量時(shí)應(yīng)將其扣除。其他組分本身溶解度就很小，經(jīng)解吸后的殘值

8、完全可被忽略。co2溶解量的計(jì)算如下：前已算出co2在40的平衡溶解度 nm3/m3pc式中：1184為pc在40時(shí)的密度，102.09為pc的相對(duì)摩爾質(zhì)量。co2的溶解量為（10.44-0.15）×0.7=7.203 nm3/m3pc2.溶劑夾帶量nm3/m3pc以0.2 nm3/m3pc計(jì)，各組分被夾帶的量如下：co2：0.2×0.28=0.056 nm3/m3pcco：0.2×0.025=0.005 nm3/m3pch2：0.2×0.472=0.0944 nm3/m3pcn2：0.2×0.223=0.0446 nm3/m3pc3.溶液帶出

9、的氣量nm3/m3pc為夾帶量與溶解量之和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 3.24%n2：0.0446+0.156=0.201 nm3/m3pc 2.60%7.726 nm3/m3pc 100%4.出脫碳塔凈化氣量以分別代表進(jìn)塔、出塔及溶液帶出的總氣量，以分別代表co2相應(yīng)的體積分率，對(duì)co2作物料衡算有：聯(lián)立兩式解之得 nm3/h nm3/h5.計(jì)算pc循環(huán)量因每1 m3pc 帶出co2為7.259 nm3 ，故有： m

10、3/h操作的氣液比為6.驗(yàn)算吸收液中co2殘量為0.15 nm3/m3pc時(shí)凈化氣中co2的含量取脫碳塔阻力降為0.3kgf/cm2，則塔頂壓強(qiáng)為16.32-0.3=16.02 kgf/cm2，此時(shí)co2的分壓為 kgf/cm2，與此分壓呈平衡的co2液相濃度為：式中：1193為吸收液在塔頂30時(shí)的密度，近似取純pc液體的密度值。計(jì)算結(jié)果表明，要使得出塔凈化氣中co2的濃度不超過(guò)0.5%，則入塔吸收液中co2的極限濃度可達(dá)0.216 nm3/m3pc，本設(shè)計(jì)取值正好在其所要求的范圍之內(nèi)，故選取值滿足要求。7.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。c

11、o2：21715×0.28-7.259×827=77.007nm3/h 0.50%co：21715×0.025-0.016×827=529.643nm3/h 3.46%h2：21715×0.472-0.250×827=10042.73nm3/h 65.53%n2：21715×0.223-0.201×827=4676.218nm3/h 30.51%15325.6 nm3/h 100%三、熱量衡算在物料衡算中曾假設(shè)出塔溶液的溫度為40，現(xiàn)通過(guò)熱量衡算對(duì)出塔溶液的溫度進(jìn)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

12、維持出塔溶液的溫度不超過(guò)40。具體計(jì)算步驟如下：1.混合氣體的定壓比熱容因未查到真實(shí)氣體的定壓比熱容，故借助理想氣體的定壓比熱容公式近似計(jì)算。理想氣體的定壓比熱容：，其溫度系數(shù)如下表：系數(shù)abcdcp1（30）cp2（32）co24.7281.754×10-2-1.338×10-54.097×10-98.929/37.388.951/37.48co7.373-0.307×10-26.662×10-6-3.037×10-96.969/29.186.97/29.18h26.4832.215×10-3-3.298×10-

13、61.826×10-96.902/28.906.904/28.91n27.440-0.324×10-26.4×10-6-2.79×10-96.968/29.186.968/29.18表中cp的單位為（kcal/kmol·）/（kj/kmol·）進(jìn)出塔氣體的比熱容2.液體的比熱容溶解氣體占溶液的質(zhì)量分率可這樣計(jì)算：溶解氣體的平均分子量質(zhì)量分率為其量很少，因此可用純pc的比熱容代之。本設(shè)計(jì)題目中 kj/kg·文獻(xiàn)查得 kj/kg·,據(jù)此算得： kj/kg·； kj/kg·本設(shè)計(jì)采用前者。3.co2的

14、溶解熱kj/kmolco2文獻(xiàn)查得 kj/kmolco2（實(shí)驗(yàn)測(cè)定值）本設(shè)計(jì)采用后者。co2在pc中的溶解量為7.203×827=5957nm3/h=266kmol/h故 kj/h4.出塔溶液的溫度設(shè)出塔氣體溫度為35，全塔熱量衡算有：帶入的熱量（qv1+ql2）+ 溶解熱量（qs）= 帶出的熱量（qv2+ql1） kj/h kj/h kj/h kj/h式中： kg/h（似乎不可能，如果可能，則無(wú)須熱量衡算，近似為等溫吸收）現(xiàn)均按文獻(xiàn)值作熱量衡算，即取 kj/kg·； kj/kg· kj/h kj/h kj/h kj/h式中： kg/h（與假設(shè)接近，可以接受。若要

15、完全控制在40以下，可將l適當(dāng)增大至835m3/h，重作物料衡算與熱量衡算，直至滿足要求為止。本設(shè)計(jì)不再作重新調(diào)整計(jì)算。）5.最終的衡算結(jié)果匯總22出塔氣相及其組成（35）v2=15325.6 nm3/hco2coh2n277.01529.6100434674nm3/h0.53.4665.5330.51%qv2=636029kj/h脫碳塔入塔氣相及其組成（30）v1=21715 nm3/hco2coh2n2217156080543102494842nm3/h28.02.547.222.3%qv1=911448kj/h入塔液相及其組成（30）l2=827m3/h=986611kg/hco2coh

16、2n2124-nm3/h-%ql2=11765336kj/h出塔液相帶出氣量及其組成（40）l1=998497kg/hco2coh2n26389600313.2206.8166nm3/h93.960.213.242.60%ql1=15552600kj/h溶解氣量及其組成（40）l1=998497kg/hco2coh2n2622459579129129nm3/h95.710.152.072.07%qs=3897964kj/h四、設(shè)備的工藝與結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)計(jì)算（一）確定塔徑及相關(guān)參數(shù) 塔底氣液負(fù)荷大，依塔底氣液負(fù)荷條件求取塔徑1.采用eckert通用關(guān)聯(lián)圖法求取泛點(diǎn)氣速，并確定操作氣速。入塔混合氣

17、體的質(zhì)量流量20.208為入塔混合氣體的平均分子量塔底吸收液的質(zhì)量流量入塔混合氣的密度（未考慮壓縮因子）吸收液的密度（40）吸收液的粘度，依下式計(jì)算得到：mpa·s（平均溫度35時(shí)的值）選mm塑料鮑爾環(huán)（米字筋），其填料因子，空隙率，比表面積，bain-hougen關(guān)聯(lián)式常數(shù)。（1）選用eckert通用關(guān)聯(lián)圖法求解關(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)：查eckert通用關(guān)聯(lián)圖得縱坐標(biāo)值為0.0027，即：（2）選用bain-hougen關(guān)聯(lián)式求解（兩種方法的計(jì)算結(jié)果很接近）取2.求取塔徑本次設(shè)計(jì)?。ńㄗh取可能更好）3.核算操作氣速4.核算徑比（滿足鮑爾環(huán)的徑比要求）5.校核噴淋密度（滿足要求）五、填料層高

18、度的計(jì)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氣并視作為恒定不變，那么，惰氣的摩爾流率kmol/(m2·s)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 kmol/(m2·s)，吸收塔物料衡算的操作線方程為將上述已知數(shù)據(jù)代入操作線方程，整理得 （1）選用填料層高度表達(dá)式采用數(shù)值積分法求解，步驟如下：1.將氣相濃度在其操作范圍內(nèi)10等份，其等份間距為0.0275，并將各分點(diǎn)的y值代入式（1）計(jì)算出對(duì)應(yīng)的x值，并列入后面表格中的第1、2列中。2.計(jì)算各分點(diǎn)截面處的氣液相流率 （2）將計(jì)算結(jié)果列入附表中的3、4列。3.計(jì)算各分點(diǎn)截面處的傳質(zhì)系數(shù)。

19、列于5、6列中（本設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)化計(jì)算起見(jiàn)，只計(jì)算塔頂、底的傳質(zhì)系數(shù)，然后取其算術(shù)平均）。下面采用onda公式計(jì)算：上述修正的恩田公式只適用于的情況，當(dāng)時(shí)還需按下式繼續(xù)修正 （稀溶液）說(shuō)明：（1）兩相摩爾流率與質(zhì)量流率的轉(zhuǎn)換氣相平均分子量為：氣相平均分子量為：（稀溶液）（2）co2在氣相和液相中的擴(kuò)散系數(shù)氣相：分兩步進(jìn)行，定性溫度取32.5。首先計(jì)算co2在各組分中的擴(kuò)散系數(shù)，然后再計(jì)算其在混合氣體中的擴(kuò)散系數(shù)。計(jì)算公式如下： 液相：文獻(xiàn)介紹了co2在pc中擴(kuò)散系數(shù)兩個(gè)計(jì)算公式，定性溫度取35。 （tk；mpa·s；dcm2/s） （tk；mpa·s；dcm2/s） mpa

20、83;s（3）氣液兩相的粘度氣相：（氣體混合物的粘度）（純組分的粘度）為0、常壓下純氣體組分的粘度，mpas 。m為關(guān)聯(lián)指數(shù)（見(jiàn)下表）mmco21.34×10-20.935h20.84×10-20.771co1.66×10-20.758n21.66×10-20.756液相： mpa·s（4）吸收液與填料的表面張力吸收液：填料：查教材，如聚乙烯塑料。4.作co2在pc中的相平衡曲線將計(jì)算結(jié)果列表如下：氣相co2的組成y（摩爾分率）0.0050.0500.1000.2000.280氣相co2的分壓p（kgf/cm2）0.08160.8161.6323.2634.57030對(duì)應(yīng)的液相平衡組成x0.00080.00840.01690.03370.047235對(duì)應(yīng)的液相平衡組成x0.00080.00780.01560.03110.043640對(duì)應(yīng)的液相平衡組成x0.0007