碳酸丙烯酯PC脫碳填料塔的工藝設(shè)計

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1、 河南城建學(xué)院化學(xué)化工系 《化工原理》 課 程 設(shè) 計 指導(dǎo)教師： 學(xué)生姓名： 班級學(xué)號： 201年月 一、《化工原理》課程設(shè)計目的、任務(wù) 1. 培養(yǎng)學(xué)生查閱資料選用公式和搜索數(shù)據(jù)的能力 2. 培養(yǎng)學(xué)生在填料吸收塔、精餾塔設(shè)計時，既考慮技術(shù)上的先進(jìn)性和可行性，又考慮經(jīng)濟(jì)上的合理性并注意操作時的勞動條件和環(huán)境保護(hù)的正確設(shè)計思想。 3. 培養(yǎng)學(xué)生能迅速準(zhǔn)確的對填料塔進(jìn)行工藝設(shè)計計算的能力 4. 培養(yǎng)學(xué)生能用簡潔的文字清晰的圖表來表達(dá)自己設(shè)計思想的能力 二、設(shè)計任務(wù) 碳酸丙烯脂（P

2、C）脫出CO2氣體填料吸收塔設(shè)計 三、設(shè)計條件 1、混合氣（變換氣）處理量： 45000 Nm3/h 2、進(jìn)塔混合氣體成分： 原始數(shù)據(jù)表（均為體積%，下同) 3、進(jìn)塔吸收劑（碳酸丙烯酯PC）入塔濃度，自定； 4、氣液兩相的入塔均選定為：30℃ 5、出塔凈化氣中CO2濃度＜0.6% 6、操作壓力：1.6MPa 原始數(shù)據(jù)表 進(jìn)塔混合氣體成分/體積% 混合氣處理量(Nm3/h) CO2 30, CO 1.3, H2 46.2, N2 22.5 45000 四、基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 1.碳酸丙烯酯（PC）的物理性質(zhì) 正常沸點，（℃） 蒸汽壓133.32-1Pa 粘度，mP

3、as 分子量 204 30℃ 38℃ 20℃ 50℃ 102.09 0.1 0.24 2.76 1.62 溫度，（℃） 0 15 25 40 55 ρ（kg/m3） 1224 1207 1198 1184 1169 2.比熱計算式 3.CO2在碳酸丙烯酯（PC）中的溶解度 溫度t，（℃） 25 26.7 37.8 40 50 亨利系數(shù)E101.3-1kPa 81.13 81.7 101.7 103.5 120.8 4.CO2在碳酸丙烯酯（PC）中的溶解熱 可近似按下式計算（以表示） 5.其他物性數(shù)據(jù)

4、可查化工原理附錄 五、《化工原理》課程設(shè)計主要內(nèi)容 1、工藝及設(shè)備設(shè)計 （1）設(shè)計方案和工藝流程的說明 （2）填料吸收塔的工藝計算； 吸收劑用量求?。鹤钚∥談┯昧?，吸收劑用量； 操作線方程； 填料塔徑求?。哼x擇填料，液泛速度，空塔氣速，塔徑及圓整，最小潤濕速度求取及潤濕速度的選取，塔徑的校正； 傳質(zhì)單元高度的求取； 傳質(zhì)單元數(shù)的求?。? 填料層高度； 單位填料層壓降的求??； 吸收塔高度計算； 液體分布；再分布及分布器的選型； 填料吸收塔的工藝流程圖； （3）填料吸收塔設(shè)備設(shè)計 填料吸收塔附屬結(jié)構(gòu)的選型與設(shè)計； 全塔高度：包括上、下封頭，裙座

5、高度。 2、制圖 包括工藝流程圖、設(shè)備圖。 3、編寫設(shè)計說明書 六、《化工原理》課程設(shè)計說明書的要求 本課程的設(shè)計任務(wù)要求學(xué)生做設(shè)計說明書一份、圖紙兩張。各部分的具體要求如下： 1、設(shè)計說明書內(nèi)容與順序 （1）標(biāo)題頁：用粗體字寫明設(shè)計題目； （2）設(shè)計任務(wù)書； （3）緒論：設(shè)計任務(wù)的意義、設(shè)計結(jié)果簡述； （4）裝置流程圖及其說明； （5）裝置的工藝計算：物料余熱量衡算，主要設(shè)備尺寸計算； （6）主要設(shè)備的材料選擇； （7）結(jié)束語：對本設(shè)計的總結(jié)、收獲、改進(jìn)和建議等； （8）文獻(xiàn)一覽。 說明書必須書寫工整、圖文清晰。所有公式必須寫明編

6、號，符號必須注明意義和單位。 2、設(shè)計圖紙要求： （1）流程圖 本設(shè)計要求畫“生產(chǎn)裝置工藝流程圖”一張，圖紙大小為A3。本圖應(yīng)表示出裝置或單元設(shè)備中所有的設(shè)備和機器，以線條和箭頭表示物料流向，并以引線表示物料的流量、溫度和組成等。 設(shè)備以細(xì)實線畫出外形并簡略表示內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，大致表明各設(shè)備的相對位置。設(shè)備的位號、名稱注在相應(yīng)設(shè)備圖形的上方或下方，或以引線引出設(shè)備編號，在專欄中注明個設(shè)備的位號、名稱等。 管道以粗實線表示，物料流向以箭頭表示（流向習(xí)慣為從左向右）。輔助物料（如冷卻水、加熱蒸汽等）的管線以較細(xì)的線條表示。 （2）設(shè)備圖 本設(shè)計要求畫主要設(shè)備詳圖一張，圖紙大小為

7、A2。表示其結(jié)構(gòu)形式、尺寸（表示設(shè)備特性的尺寸，如圓筒形設(shè)備的直徑等）、技術(shù)特性等。 設(shè)備圖基本內(nèi)容有： ① 視圖：一般用主（正）視圖、剖面圖或俯視圖表示主要設(shè)備結(jié)構(gòu)形狀； ② 尺寸：圖上應(yīng)注明設(shè)備直徑、高度以及表示設(shè)備總體大小和規(guī)格的尺寸； ③ 技術(shù)特性表：列出設(shè)備操作壓力、溫度、物料名稱、設(shè)備特性等； ④ 標(biāo)題欄：說明設(shè)備名稱、圖號、比例、設(shè)計單位、設(shè)計人、審校人等。 圖紙要求：投影正確、布置合理、線型規(guī)范、字跡工整。 一、《化工原理》課程設(shè)計目的、任務(wù) 1. 培養(yǎng)學(xué)生查閱資料選用公式和搜索數(shù)據(jù)的能力 2. 培養(yǎng)學(xué)生在填料吸收塔、精餾塔設(shè)計時，既考慮技術(shù)上的先進(jìn)性和可行性

8、，又考慮經(jīng)濟(jì)上的合理性并注意操作時的勞動條件和環(huán)境保護(hù)的正確設(shè)計思想。 3. 培養(yǎng)學(xué)生能迅速準(zhǔn)確的對填料塔進(jìn)行工藝設(shè)計計算的能力 4. 培養(yǎng)學(xué)生能用簡潔的文字清晰的圖表來表達(dá)自己設(shè)計思想的能力 二、設(shè)計任務(wù) 碳酸丙烯脂（PC）脫出CO2氣體填料吸收塔設(shè)計 三、設(shè)計條件 1、混合氣（變換氣）處理量： 45000 Nm3/h 2、進(jìn)塔混合氣體成分： 原始數(shù)據(jù)表（均為體積%，下同) 3、進(jìn)塔吸收劑（碳酸丙烯酯PC）入塔濃度，自定； 4、氣液兩相的入塔均選定為：30℃ 5、出塔凈化氣中CO2濃度＜0.6% 6、操作壓力：1.6MPa 原始數(shù)據(jù)表 進(jìn)塔混合氣體成分/體積

9、% 混合氣處理量(Nm3/h) CO2 30, CO 1.3, H2 46.2, N2 22.5 45000 四、基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 1.碳酸丙烯酯（PC）的物理性質(zhì) 正常沸點，（℃） 蒸汽壓133.32-1Pa 粘度，mPas 分子量 204 30℃ 38℃ 20℃ 50℃ 102.09 0.1 0.24 2.76 1.62 溫度，（℃） 0 15 25 40 55 ρ（kg/m3） 1224 1207 1198 1184 1169 2.比熱計算式 3.CO2在碳酸丙烯酯（PC）中的溶解度 溫度t，（℃） 25 26.

10、7 37.8 40 50 亨利系數(shù)E101.3-1kPa 81.13 81.7 101.7 103.5 120.8 4.CO2在碳酸丙烯酯（PC）中的溶解熱 可近似按下式計算（以表示） 5.其他物性數(shù)據(jù)可查化工原理附錄 五、《化工原理》課程設(shè)計主要內(nèi)容 1、工藝及設(shè)備設(shè)計 （1）設(shè)計方案和工藝流程的說明 （2）填料吸收塔的工藝計算； 吸收劑用量求?。鹤钚∥談┯昧?，吸收劑用量； 操作線方程； 填料塔徑求取：選擇填料，液泛速度，空塔氣速，塔徑及圓整，最小潤濕速度求取及潤濕速度的選取，塔徑的校正； 傳質(zhì)單元高度的求?。? 傳質(zhì)單元數(shù)的求?。? 填料層

11、高度； 單位填料層壓降的求?。? 吸收塔高度計算； 液體分布；再分布及分布器的選型； 填料吸收塔的工藝流程圖； （3）填料吸收塔設(shè)備設(shè)計 填料吸收塔附屬結(jié)構(gòu)的選型與設(shè)計； 全塔高度：包括上、下封頭，裙座高度。 2、制圖 包括工藝流程圖、設(shè)備圖。 3、編寫設(shè)計說明書 六、《化工原理》課程設(shè)計說明書的要求 本課程的設(shè)計任務(wù)要求學(xué)生做設(shè)計說明書一份、圖紙兩張。各部分的具體要求如下： 1、設(shè)計說明書內(nèi)容與順序 （1）標(biāo)題頁：用粗體字寫明設(shè)計題目； （2）設(shè)計任務(wù)書； （3）緒論：設(shè)計任務(wù)的意義、設(shè)計結(jié)果簡述； （4）裝置流

12、程圖及其說明； （5）裝置的工藝計算：物料余熱量衡算，主要設(shè)備尺寸計算； （6）主要設(shè)備的材料選擇； （7）結(jié)束語：對本設(shè)計的總結(jié)、收獲、改進(jìn)和建議等； （8）文獻(xiàn)一覽。 說明書必須書寫工整、圖文清晰。所有公式必須寫明編號，符號必須注明意義和單位。 2、設(shè)計圖紙要求： （1）流程圖 本設(shè)計要求畫“生產(chǎn)裝置工藝流程圖”一張，圖紙大小為A3。本圖應(yīng)表示出裝置或單元設(shè)備中所有的設(shè)備和機器，以線條和箭頭表示物料流向，并以引線表示物料的流量、溫度和組成等。 設(shè)備以細(xì)實線畫出外形并簡略表示內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，大致表明各設(shè)備的相對位置。設(shè)備的位號、名稱注在相應(yīng)設(shè)備圖形的上方或下方，或以引

13、線引出設(shè)備編號，在專欄中注明個設(shè)備的位號、名稱等。 管道以粗實線表示，物料流向以箭頭表示（流向習(xí)慣為從左向右）。輔助物料（如冷卻水、加熱蒸汽等）的管線以較細(xì)的線條表示。 （2）設(shè)備圖 本設(shè)計要求畫主要設(shè)備詳圖一張，圖紙大小為A2。表示其結(jié)構(gòu)形式、尺寸（表示設(shè)備特性的尺寸，如圓筒形設(shè)備的直徑等）、技術(shù)特性等。 設(shè)備圖基本內(nèi)容有： ⑤ 視圖：一般用主（正）視圖、剖面圖或俯視圖表示主要設(shè)備結(jié)構(gòu)形狀； ⑥ 尺寸：圖上應(yīng)注明設(shè)備直徑、高度以及表示設(shè)備總體大小和規(guī)格的尺寸； ⑦ 技術(shù)特性表：列出設(shè)備操作壓力、溫度、物料名稱、設(shè)備特性等； ⑧ 標(biāo)題欄：說明設(shè)備名稱、圖號、比例、設(shè)計單位、設(shè)計

14、人、審校人等。 圖紙要求：投影正確、布置合理、線型規(guī)范、字跡工整。 1 目 錄 一、設(shè)計依據(jù)： 1 二、基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 2 1.CO2在碳酸丙烯酯（PC）中的溶解度 2 2.PC密度與溫度的關(guān)系 3 3.PC蒸汽壓的影響 4 4.PC的粘度 4 5.工藝流程確定 4 三、物料衡算 5 1.各組分在PC中的溶解量 5 2.霧沫夾帶量Nm3/m3PC 5 3.溶液帶出的氣量Nm3/m3PC 6 4.出脫碳塔進(jìn)化氣量： 6 5.計算PC循環(huán)量： 6 6.驗算吸收液中CO2殘量為0.15 Nm3/m3PC時凈化氣中CO2的含量 7 7.出塔氣體的組成： 7

15、8.計算數(shù)據(jù)總表 7 四、熱量恒算 9 1.混合氣體的定壓比熱容 9 2.液體的比熱容 9 3.CO2的溶解熱 10 4.出塔溶液的溫度 10 5.最終的衡算結(jié)果匯總 11 五、設(shè)備的工藝與結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計計算 12 1．求取塔徑 13 2.核算操作氣速 13 3. 核算徑比 13 4.校核噴淋密度 13 六、填料層高度的計算 14 七、填料層的壓降 23 八、附屬設(shè)備及主要附件的選型 23 九、設(shè)計概要表 25 十、設(shè)計評價及總結(jié) 26 參考文獻(xiàn) 26 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)CO變換后得粗原料氣中均含有一定

16、數(shù)量的CO2；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CO2為了將原料氣加工成純凈的H2和N2，必須將這些CO2從粗原料氣中除去。此外，CO2還是生產(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CO2收尤為重要。 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（PC）脫碳在中小合成氨廠被廣泛采用，現(xiàn)針對碳丙脫碳塔進(jìn)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。混合氣體與適當(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

17、是原組分的一分離。對與此題中的易溶氣體是CO2 。 二、基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 依題意,變換氣處理量：V = 45000 Nm3/h 變換氣組成及分壓如下表所示： 進(jìn)塔變換氣 CO2 CO H2 N2 合計 體積百分?jǐn)?shù),% 30 1.3 46.2 22.5 100 組分分壓，MPa 0.480 0.021 0.739 0.360 1.600 組分分壓，kgf/cm2 4.898 0.214 7.550 3.670 16.33 1. CO2在碳酸丙烯酯（PC）中的溶解度 溫

18、度t，（℃） 25 26.7 37.8 40 50 亨利系數(shù)E101.3-1kPa 81.13 81.7 101.7 103.5 120.8 得到E=(1.6204X+39.594) kPa 因為高濃度氣體吸收，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，出塔液體的溫度為，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?jǐn)?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，CO2在PC中的亨利系數(shù)E40=103.5101.3 kPa=10485 kPa ①出塔溶液中CO2的濃度（假設(shè)其滿足亨利定律） （摩爾

19、分?jǐn)?shù)） ②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)作為計算相平衡關(guān)系的依據(jù)。即： 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)式計算出塔溶液中CO2的濃度有 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（摩爾分?jǐn)?shù)）。 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，（℃） 0 15 25

20、 40 55 （kg/m3） 1224 1207 1198 1184 1169 3.PC蒸汽壓的影響 根據(jù)變換氣組成及分壓可知，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 mPas（T為熱力學(xué)溫度，K） 5.工藝流程確定 本次吸收采用逆流吸收的方法。 三、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1.6MPa、操作溫度為40℃下在PC中的溶解度數(shù)據(jù)，并取其相對吸收飽和度均為70%。 CO2溶解量的計算如下： 通過第一部分已知CO2在40℃的

21、平衡溶解度 Nm3/m3PC 式中：1184為PC在40℃時的密度，102.09為PC的相對摩爾質(zhì)量。 CO2的溶解量為（11.22-0.15）0.7=7.749 Nm3/m3PC 其余計算結(jié)果如下表所示： 組分 CO2 CO H2 N2 合計 組分分壓，MPa 0.480 0.021 0.739 0.360 1.60 溶解度，Nm3/m3PC 11.22 0.016 0.223 0.223 11.682 溶解量，Nm3/m3PC 7.749 0.011 0.156 0.156 8.071 溶解氣所占的百分?jǐn)?shù)% 96.01 0.1

22、4 1.92 1.92 100.00 說明：進(jìn)塔吸收液中CO2的殘值取0.15 Nm3/m3PC，故計算溶解量時應(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： 溶解氣體的平均分子量： 2.霧沫夾帶量Nm3/m3PC 以0.2 Nm3/m3PC計，各組分被夾帶的量如下： CO2：0.20.30=0.060 Nm3/m3PC CO： 0.20.013=0.0026 Nm3/m3PC H2： 0.20.462=0.0924 Nm3/m3PC N2： 0.20.225=0.0450 Nm3/m3PC 3.溶液帶

23、出的氣量Nm3/m3PC 各組分溶解量： CO2： 7.749 Nm3/m3PC 96.01% CO： 0.011 Nm3/m3PC 0.14% H2： 0.156 Nm3/m3PC 1.92% N2： 0.156Nm3/m3PC 1.93% 8.071 Nm3/m3PC 100% 夾帶量與溶解量之和： CO2：0.060+7.749=7.805Nm3/m3PC 94.40% CO：0.0026+0.011=0.0136 Nm

24、3/m3PC 0.16% H2：0.0924+0.156=0.2484Nm3/m3PC 3.23% N2：0.0450+0.156=0.201 Nm3/m3PC 2.60% 8.268 Nm3/m3PC 100% 4.出脫碳塔進(jìn)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CO2作物料衡算有： V1 =45000Nm3/ h 聯(lián)立兩式解之得 V3=V1(y1-y2)/(y3-y2)=45000(0.3－0.006)/(0.9440－0

25、.006)=14104.48Nm3/h V2 = V1 - V3 =30895.52Nm3/ h 5.計算PC循環(huán)量： 因每1 m3PC 帶出CO2為7.805 Nm3 ，故有： L=V3y3/7.805=14104.480.9440/7.805=1705.91m3/h 操作的氣液比為V1/L=45000/1705.91=26.379 6.驗算吸收液中CO2殘量為0.15 Nm3/m3PC時凈化氣中CO2的含量 取脫碳塔阻力降為0.3kgf/cm2，則塔頂壓強為16.33-0.3=16.03 kgf/cm2，此時CO2的分壓為 kgf/cm2，與此分壓呈平衡的CO2液相濃度為：

26、 式中：1193為吸收液在塔頂30℃時的密度，近似取純PC液體的密度值。計算結(jié)果表明，當(dāng)出塔凈化氣中CO2的濃度不超過0.5%，那入塔吸收液中CO2的極限濃度不可超過0.259 Nm3/m3PC，本設(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。 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。 CO2：450000.3-7.8051705.91=92.926Nm3/h 0.60% CO： 450000.013-0.01361705.91=561.80Nm3/h 1.82%

27、 H2： 450000.462-0.24841705.91=20366.25Nm3/h 65.92% N2： 450000.225-0.2011705.91=9782.11Nm3/h 31.66% 30895.53Nm3/h 100% 8.計算數(shù)據(jù)總表 出脫碳塔凈化氣量 進(jìn)塔帶出氣量(V1)Nm3/h 出塔氣量(V2)Nm3/h 溶液帶出的總氣量(V3)Nm3/h 45000 30895.52 14104.48 氣液比 26.379 入塔氣體平均分子量 20.788 溶解氣體平均分子量

28、42.73 PC中的溶解量(溶解氣量及其組成）40℃ 組分 CO2 CO H2 N2 總量 溶解度，Nm3/m3PC 11.22 0.02 0.22 0.22 10.90 溶解量，Nm3/m3PC 7.749 0.011 0.156 0.156 8.071 溶解體積流量Nm3/h 13219.097 18.765 266.122 266.122 13770.106 溶解氣所占的百分?jǐn)?shù)% 96.01 0.14 1.92 1.92 100.00 出塔液相帶出氣量及其組成 40℃ 溶解量，Nm3/m3PC 7.805 0.01

29、36 0.2484 0.201 8.268 體積流量Nm3/h 13314.628 23.200 423.748 342.888 14104.464 溶解氣所占的百分?jǐn)?shù)% 94.40 0.16 3.00 2.43 100.00 入塔氣相及其組成 30℃ 體積流量Nm3/h 13500 585 20790 10125 45000 溶解氣所占的百分?jǐn)?shù)% 30.00 1.30 46.20 22.50 100.00 出塔氣相的組成 35℃ 體積流量Nm3/h 185.37 561.80 20366.25 9782.11 30895

30、.53 溶解氣所占的百分?jǐn)?shù)% 0.50 1.82 65.92 31.66 100.00 入塔液相及其組成 30℃ 體積流量Nm3/h 149.00 149 溶解氣所占的百分?jǐn)?shù)% 100.00 100 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(jìn)行校核，看其是否在40℃之內(nèi)。否則，應(yīng)加大溶劑循環(huán)量以維持出塔溶液的溫度不超過40℃。具體計算步驟如下： 1.混合氣體的定壓比熱容 因未查到真實氣體的定壓比熱容，故借助理想氣體的定壓比熱

31、容公式近似計算。理想氣體的定壓比熱容：，其溫度系數(shù)如下表： 系數(shù) a b c d Cp1（30℃） Cp2（32℃） CO2 4.728 1.75410-2 -1.33810-5 4.09710-9 8.929/37.38 8.951/37.48 CO 7.373 -0.30710-2 6.66210-6 -3.03710-9 6.969/29.18 6.97/29.18 H2 6.483 2.21510-3 -3.29810-6 1.82610-9 6.902/28.90 6.904/28.91 N2 7.440 -0.32410

32、-2 6.410-6 -2.7910-9 6.968/29.18 6.968/29.18 表中Cp的單位為（kcal/kmol℃）/（kJ/kmol℃） 進(jìn)出塔氣體的比熱容 Cpv2=∑Cpiyi =37.480.0060+29.180.0182+28.900.6592+29.180.3166 =29.05KJ/Kmol℃ 2.液體的比熱容 溶解氣體占溶液的質(zhì)量分率可這樣計算： 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)計采用

33、后者。 3.的溶解熱 kJ/kmolCO2 CO2在PC中的溶解量為7.7491705.91=13219.097Nm3/h=590.138kmol/h 故Qs=12992590.138=7667076.26kJ/h 4.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） 現(xiàn)均按文獻(xiàn)值作熱量衡算，即取 kJ/kg℃； kJ/kg℃ Qv1=V1Cpv1(Tv1－T0)=4500031.5130/22.4=1899040.179kJ/h QL2=L2CpL2(TL2－T0)=1705.911

34、1930.379530=23170189.92kJ/h Qv2=V2Cpv2(Tv2－T0)=30895.5229.0535/22.4=1402366.96J/h QL1=L1CpL1(TL1－T0)=2061405.3190.3894TL1=8022711.231 TL1kJ/h 式中：L1=1705.911193+(14104.464-0.21705.91)42.730/22.4=2061405.319kg/h 1899040.179+231170189.92+7667076.26=1402366.96+802711.231TL1 T L1=39.04℃ 與理論值比較后，取T L

35、1=39.5℃ 28 5.最終的衡算結(jié)果匯總 V2=30895.53Nm3/h CO2 CO H2 N2 185.37 561.80 20366.25 9782.11 Nm3/h 0.60 1.82 65.92 31.66 % QV2=1402366.96kJ/h 入塔液相及其組成（30℃） L2=1705.91m3/h CO2 CO H2 N2 149 - - - Nm3/h - - - - % QL2=23170189.92kJ/h 入塔氣相及其組成（30℃）

36、V1=45000Nm3/h CO2 CO H2 N2 45000 13500 585 20790 10125 Nm3/h 30.0 1.3 46.2 22.5 % QV1=1899040.179kJ/h 出塔液相帶出氣量及其組成（40℃） L1=2061405.319kg/h CO2 CO H2 N2 14104 13314.628 23.2 423.748 342.888 Nm3/h 94.40 0.16 3.00 2.43 % 脫 碳 塔 溶解氣量及其組成（40℃） L1=2061405.

37、319kg/h CO2 CO H2 N2 13770.106 13219.097 18.765 266.122 266.122 Nm3/h 96.01 0.14 1.92 1.92 % Qs=7667076.26kJ/h 五、設(shè)備的工藝與結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計計算 計算公式： 塔底氣液負(fù)荷大，依塔底氣液負(fù)荷條件求取塔徑。 采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖法求取泛點氣速，并確定操作氣速。 入塔混合氣體的質(zhì)量流量： V’=(4500022.4)20.788=41761.607kg/h 注：20.788為入塔混合氣體的平均分子量，10.967為出塔

38、混合氣體的平均分子量 Mm2 = 440.006+280.0182+20.6592+280.3166= 10.967kg/kmol 塔底吸收液的質(zhì)量流量：L’=2061405.319kg/h 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，依下式計算得到： mPas（平均溫度35℃時的值） 選mm塑料鮑爾環(huán)（米字筋），其濕填料因子，空隙率，比表面積，Bain-Hougen關(guān)聯(lián)式常數(shù)。 選用Bain-Hougen關(guān)聯(lián)式求解 根據(jù)設(shè)計u=0.1m/s 1．求取塔徑 Vs=45000(0.1013/1.6)(303.15/27

39、3.15)=3161.974m3/h=0.878m3/s D=(40.878/（3.140.1))0.5=3.344m 本次設(shè)計取D=3350mm 2.核算操作氣速 u=4Vs/(3.14D2)=40.878/(3.143.352)=0.0997m/s 則操作氣體速度取u=0.10m/s合適 3. 核算徑比 D/d=3350/50=67>10~15（滿足鮑爾環(huán)的徑比要求） 4.校核噴淋密度 采用聚丙烯填料表面 L噴，min=（MWR）at =0.08106.4=8.512m3/(m2.h) L噴=（滿足要求） 六、填料層高

40、度的計算 塔截面積∩=0.785D2=8.810㎡ 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 G’=45000(1-0.3)/(22.43600∩)=0.0443kmol/(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’=1707.911193/(102.0936008.81)=0.6285kmol/(m2s) ， 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 選用填料層高度表達(dá)式H=V / (Kya∩) 1.采用數(shù)值積分法求解，步驟如下： 將氣相濃度在其操作范圍內(nèi)

41、10等分，其等份間距為0.0294，并將各分點的y值代入式（1）計算出對應(yīng)的x值，并列入后面表格中的第1、2列中。 2.計算各分點截面處的氣液相流率 G=(1+Y)G’ L =(1+X)L’ （2） 將計算結(jié)果列入附表中的3、4列。 3.計算的傳質(zhì)系數(shù) =1－exp｛-1.45(33/39.1)0.75(233933.7/106.48.5248)0.1(2257032106.4/118421.27108)-0.05(2257032/118439.1106.4)0.2｝≈1 由計算知aw︽at=106.4 式中：UL=233933.7kg/(m . h) 、－氣體

42、、液體的黏度， 、－氣體、液體的密度， 、－溶質(zhì)在氣體、液體中的擴散系數(shù)， R－通用氣體常數(shù)， T－系統(tǒng)溫度，K －填料的總比表面積， －填料的潤濕比表面積， g－重力加速度，1.27108m/h －液體的表面張力， －填料材質(zhì)的臨界表面張力， －填料形狀系數(shù) 上述修正的恩田公式只適用于的情況，由計算得知u0.5uF 氣膜吸收系數(shù)計算： 氣體質(zhì)量通量為 = 0.237110.040.8792.5510-4 =5.8610-3 = 0.23754.310.8972

43、.5110-4 =2.8410-3 液膜吸收系數(shù)計算： 液體質(zhì)量通量為 = 0.009540.520.024297.06 = 0.904 = 4.3510-3106.41.451.1 = 0.697 = 0.904106.41.450.4 = 111.60 故修正： =1184/(102.09(1.620430+39.594)101.3=1.2910-3（稀溶液） 計算準(zhǔn)備： （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：33.2y+10.

44、80 VG=(33.085Y+10.915)G （稀溶液） （2）CO2在氣相和液相中的擴散系數(shù) 氣相：分兩步進(jìn)行，定性溫度取32.5℃。 首先計算CO2在各組分中的擴散系數(shù)，然后再計算其在混合氣體中的擴散系數(shù)。計算公式如下： DCO2-co= DCO2-H2= DCO2-N2= =（1-0.006）/（0.0182/8.6710-7+0.6592/3.2810-6+0.3166/8.6210-7）=1.69010-6m2/s 液相：文獻(xiàn)介紹了CO2在PC中擴散系數(shù)兩個計算公式，定性溫度取35℃。 =1.1710-5㎝2/s （T—K；—mPas；D—cm2/s

45、） =1.0110-5 ㎝2/s （T—K；—mPas；D—cm2/s） 取大值 （3）氣液兩相的粘度 （純組分的粘度） uG-CO2=1.3410-2(305.5/273.15)0.935=0.015mPas 同理：uG-CO=0.018 mPas uG-H2=0.0093 mPas uG-N2=0.018 mPas 為0℃、常壓下純氣體組分的粘度，mPas 。m為關(guān)聯(lián)指數(shù)（見下表） m m CO2 1.3410-2 0.935 H2 0.8410-2 0.771 CO 1.6610-2 0.758 N2

46、1.6610-2 0.756 氣相： （氣體混合物的粘度） =(0.30.015440.5+0.0130.018280.5+0.4620.009220.5+0.2250.018280.5)/(0.3440.5+0.013280.5+0.46220.5+0.225280.5)=0.0150 mPas 液相： mPas =2.368 mPas （4）吸收液與填料的表面張力 吸收液：=39.1 mPas 填料：查教材，如聚乙烯塑料 mPas 4.氣相總傳質(zhì)單元數(shù) 作CO2在PC中的相平衡曲線 將計算結(jié)果列表如下： 氣相CO2的組成y（摩爾分率） 0

47、.006 0.050 0.100 0.200 0.300 氣相CO2的分壓p（kgf/cm2） 0.0980 0.816 1.633 3.265 4.898 30℃對應(yīng)的液相平衡組成x 0.0010 0.0084 0.0169 0.0337 0.0505 35℃對應(yīng)的液相平衡組成x 0.0009 0.0078 0.0156 0.0311 0.0466 40℃對應(yīng)的液相平衡組成x 0.0009 0.0072 0.0144 0.0288 0.0432 因溫度變化不大，故取平均溫度下的數(shù)值作圖得一直線，這說明CO在PC中的溶解情況滿足

48、亨利定律。但因操作關(guān)系不為直線，故仍需采用圖解積分或數(shù)值積分。 5.氣相總傳質(zhì)單元數(shù) 采用傳質(zhì)單元數(shù)的近似簡化法計算 圖中數(shù)據(jù)源于下表數(shù)據(jù)，y、x數(shù)據(jù)由操作線方程（1）計算而得。y*由y*=6.4366x-0.0001計算而得。 y10-2 0.6 3.54 6.48 9.42 12.36 15.3 18.24 21.18 24.12 27.06 30.00 x10-2 0.057 0.264 0.471 0.678 0.886 1.093 1.300 1.507 1.715 1.922 2.129 y*10-2 0.367

49、 1.699 3.032 4.364 5.703 7.035 8.367 9.700 11.039 12.371 13.703 429.2 54.32 29.00 19.78 15.02 12.10 10.13 8.711 7.645 6.808 6.136 現(xiàn)采用Smipson公式求區(qū)域的面積—數(shù)值積分法（亦可采用圖解積分） 6.氣相總傳質(zhì)單元高度 計算： 由于對于PC，CO2為易吸收氣體，為氣膜控制 10-7 m 填料層的有效傳質(zhì)高度=1.10689.64=10.67m

50、設(shè)計高度H=1.2910.67=13.76m 七、填料層的壓降 用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計算壓降 橫坐標(biāo)：（前已算出） 縱坐標(biāo)：0.00132 查圖得：30mmH2O/m 八：附屬設(shè)備及主要附件的選型 1.塔壁厚 操作壓力為1.6Mpa 壁厚： 圓整后取22mm 選用 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

51、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= 除沫器直徑 ：本次設(shè)計選取0.58m 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2600〉1400mm，使用四塊柵板疊加，直徑為850mm 6．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1.2~

52、1.5m，本次設(shè)計取1.2m 九 設(shè)計概要表 入塔混合氣體的質(zhì)量流量V’ 41762 kg/h 塔底吸收液的質(zhì)量流量L’ 2061405kg/h 入塔混合氣的密度p 13.2Kg/m3 吸收液的粘度 2.368mPas 填料因子 120m-1 空隙率 0.9 比表面積 106.4m2/m3 Bain-Hougen關(guān)聯(lián)式常數(shù)A 0.0942 Bain-Hougen關(guān)聯(lián)式常數(shù)K 1.75 uf 0.14m/s u 0.1m/s 塔徑 3350mm 噴淋密度L 196.04m3

53、/m2h 塔截面積A 8.81m2 溶劑的摩爾流率L 0.6285kmol/(m2s) 惰氣的摩爾流率G 0.0443kmol/(m2s) CO2在PC中擴散系數(shù) 1.1710-5㎝2/s 氣液兩相的粘度 0.015mPas 吸收液與填料的表面張力 39.1 mPas 聚乙烯塑料的表面張力 33.0 mPas 氣相總傳質(zhì)單元數(shù)NOG 11.65 氣相總傳質(zhì)單元高度HOG 0.695m 設(shè)計高度H 13.76m 填料層的壓降 30mmH2O/m 塔體壁厚 28mm 除沫器氣速 1.01m/s 除沫器直徑 0.58m 填料支撐板 850m

54、m 頂部空間高度 1.2m 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PC吸收過程填料吸收塔的設(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。

55、 本設(shè)計中，開始的時候我采用 Eckert 通用關(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(rèn)為使用鋼制鮑爾環(huán)（規(guī)格為 50mm50mm0.9mm）計算得的結(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(fù)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

56、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)計打下堅實的基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn)： [1] 傅家新.碳酸丙烯酯(PC)脫碳填料塔的物熱衡算[J].小氮肥設(shè)計技術(shù),2005, (03). [2] 傅家新,劉烈瓊.PC吸收CO2傳質(zhì)系數(shù)簡化計算之我見[J].小氮肥設(shè)計技術(shù),2005,(05) . [3] 段全軍,周桂亭,樊守傳.填料塔的填料層高度和塔徑計算實例[J].氯堿工業(yè),2005,(04) . [4] 梁鋒. 碳酸丙烯酯脫碳脫硫技術(shù)的改進(jìn)[J]. 氮肥技術(shù), 2007, (01) . [5] 白鵬,劉建新,王世昌. 規(guī)整填料塔的設(shè)計計算模型[J]. 化工機械, 2001, (04) . [6] 柴誠敬, 王軍, 張纓．化工原理課程設(shè)計[M]. 天津科學(xué)技術(shù)出版社2006. [7] 馬曉迅, 夏素蘭．化工原理[M]曾慶榮主編化學(xué)工業(yè)出版社2010.