碳酸丙烯酯(PC)脱碳填料塔的工艺设计26322.docx

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1、碳酸丙烯烯酯（PPC）脱脱碳填料料塔的工工艺设计计学 校校 上海工工程技术术大学专 业业 姓 名名 学 号号 上海工程程技术大大学化工原理理课程设设计任务务书课程设计计题目碳酸酸丙烯酯酯（PCC）脱碳碳填料塔塔的工艺艺设计一、设计计题目设计一座座碳酸丙丙烯酯（PPC）脱脱碳填料料塔，要要求年产产合成氨氨485500tt/a。二、操作作条件1.每吨吨氨耗变变换气取取43000Nmm3变换气气/ tt氨；2.变换换气组成成为：CCO2：288.0；CO：2.55；H22：477.2；N2：222.3。（均均为体积积%，下下同。其其它组分分被忽略略）；3.要求求出塔净净化气中中CO22的浓度度不超过

2、过0.55%；4.PCC吸收剂剂的入塔塔浓度根根据操作作情况自自选；5.气液液两相的的入塔温温度均选选定为330；6.操作作压强为为1.66MPaa；7.年工工作日3330天天，每天天24小小时连续续运行。三、设计计内容1.设计计方案的的确定及及工艺流流程的说说明；2.填料料吸收塔塔的工艺艺计算；3.塔和和塔板主主要工艺艺结构的的设计计计算；4.填料料吸收塔塔附属结结构的选选型与设设计；5.塔的的工艺计计算结果果汇总一一览表；6.吸收收塔的工工艺流程程图；7.填料料吸收塔塔与液体体再分布布器的工工艺条件件图；8.对本本设计的的评述或或对有关关问题的的分析与与讨论。四、基础础数据1.碳酸酸丙烯酯

3、酯（PCC）的物物理性质质正常沸点点，（）蒸汽压1333.322-1Paa粘度，mmPas分子量20430382050102.090.10.2442.7661.622温度，（）015254055（kgg/m33）12244120771198811844116992.比热热计算式式 3.COO2在碳酸酸丙烯酯酯（PCC）中的的溶解度度温度t，（）2526.7737.884050亨利系数数E1011.3-1kPPa81.11381.77101.7103.5120.84.COO2在碳酸酸丙烯酯酯（PCC）中的的溶解热热可近似按按下式计计算（以以表示）5.其他他物性数数据可查查化工原原理附录录。- 2

4、 -目录一、设计计依据：1二、基础础数据221.COO2在碳酸酸丙烯酯酯（PCC）中的的溶解度度22.PCC密度与与温度的的关系333.PCC蒸汽压压的影响响44.PCC的粘度度45.工艺艺流程确确定4三、物料料衡算551.各组组分在PPC中的的溶解量量52.雾沫沫夹带量量Nm33/m33PC553.溶液液带出的的气量NNm3/m3PC54.出脱脱碳塔进进化气量量：65.计算算PC循环环量：666.验算算吸收液液中COO2残量量为0.15 Nm33/m33PC时时净化气气中COO2的含含量67.出塔塔气体的的组成：78.计算算数据总总表8四、热量量恒算991.混合合气体的的定压比比热容992.

5、液体体的比热热容93.COO2的溶溶解热1104.出塔塔溶液的的温度1105.最终终的衡算算结果汇汇总111五、设备备的工艺艺与结构构尺寸的的设计计计算1221求取取塔径1132.核算算操作气气速1333. 核核算径比比134.校核核喷淋密密度133六、填料料层高度度的计算算14七、填料料层的压压降188八、附属属设备及及主要附附件的选选型188九、设计计概要表表19十、设计计评价及及总结220参考文献献20一、设计计依据：无论是以以固体原原料或以以烃类原原料制氨氨，经CCO变换换后得粗粗原料气气中均含含有一定定数量的的CO2；某些用用于制取取合成氨氨原料气气的含烃烃气体（如如天然气气焦炉气气

6、等）本本身就含含有较多多的COO2为了将将原料气气加工成成纯净的的H2和N2，必须须将这些些CO2从粗原原料气中中除去。此此外，CCO2还是生生产尿素素,纯碱碱,碳铵铵等产品品的原料料,而且且还可以以将其加加工成干干冰用于于其他部部门。因因此，从从粗原料料气中分分离并回回CO2收尤为为重要。工业上把把脱除的的过程称称为“脱碳”。目前前工业脱脱碳的方方法很多多，其中中碳酸丙丙烯酯（PC）脱碳在中小合成氨厂被广泛采用，现针对碳丙脱碳塔进行物热衡算，为碳丙脱碳塔的工艺结构设计作准备。吸收是利利用各组组分溶解解度的不不同而分分离气体体混合物物的操作作。混合合气体与与适当的的液体接接触，气气体中的的一个

7、或或几个组组分便溶溶解于液液体中而而形成溶溶液，于于是原组组分的一一分离。对对与此题题中的易易溶气体体是COO2 。二、基础础数据依题意：年工作作日以3330天天，每天天以244小时连连续运行行计，有有：合成氨：485500tt/a= 1446.9970tt/d=6.1124tt/h变换气： 43300mm3（标）变变换气/t氨（简简记为NNm3/t）V = 6.112443000=2263333.22 Nmm3/h变换气组组成及分分压如下下表所示示：进塔变换换气CO2COH2N2合计体积百分分数,%28.002.547.2222.33100组分分压压，MPPa0.44480.04400.75

8、550.35571.6000组分分压压，kggf/ccm24.56680.40087.70013.633816.3321. CO2在在碳酸丙丙烯酯（PPC）中中的溶解解度温度t，（）2526.7737.884050亨利系数数E1011.3-1kPPa81.11381.77101.7103.5120.8得到kPPa因为高浓浓度气体体吸收，故故吸收塔塔内COO2的溶解解热不能能被忽略略。现假假设出塔塔气体的的温度为为，出塔塔液体的的温度为为，并取取吸收饱饱和度（定定义为出出塔溶液液浓度对对其平衡衡浓度的的百分数数）为770%，然然后利用用物料衡衡算结合合热量衡衡算验证证上述温温度假设设的正确确性。

9、在40下，COO2在PC中的的亨利系系数E40=1103.51101.3 kkPa=104485 kPaa出塔溶溶液中CCO2的浓度度（假设设其满足足亨利定定律）（摩尔分分数）根据吸吸收温度度变化的的假设，在在塔内液液相温度度变化不不大，可可取平均均温度335下的COO2在PC中溶溶解的亨亨利系数数作为计计算相平平衡关系系的依据据。即：CO2在在PC中溶溶解的相相平衡关关系，即即：式中：为为摩尔比比，kmmolCCO2/kmmolPPC；为CO2的分压压，kggf/ccm2；T为热力力学温度度，K。用上述关关联式计计算出塔塔溶液中中CO2的浓度度有与前者结结果相比比要小，为为安全起起见，本本设

10、计取取后者作作为计算算的依据据。结论：出出料（摩摩尔分数数）。2.PCC密度与与温度的的关系利用题给给数据作作图，得得密度与与温度的的关联表表达式为为（式中tt为温度度，；为密度度，kgg/m33）温度，（）015254055（kg/m3）12244120771198811844116993.PCC蒸汽压压的影响响根据变换换气组成成及分压压可知，PPC蒸汽汽压与操操作总压压及COO2的气相相分压相相比均很很小，故故可忽略略。4.PCC的粘度度 mPPass（T为热力力学温度度，K）5.工艺艺流程确确定本次吸收收采用逆逆流吸收收的方法法。三、物料料衡算1.各组组分在PPC中的的溶解量量查各组分分

11、在操作作压力为为1.66MPaa、操作作温度为为40下在PPC中的的溶解度度数据，并并取其相相对吸收收饱和度度均为770%。CO2溶溶解量的的计算如如下：通过第一一部分已已知COO2在40的平衡衡溶解度度 Nm33/m3PC式中：111844为PCC在400时的密密度，1102.09为为PC的的相对摩摩尔质量量。CO2的的溶解量量为（110.444-00.155）0.77=7.2033 Nmm3/m3PC其余计算算结果如如下表所所示：组分CO2COH2N2合计组分分压压，MPPa0.44480.04400.75550.35571.600溶解度，NNm3/m3PC10.4440.01160.22

12、230.222310.990溶解量，NNm3/m3PC7.20030.01110.15560.15567.5226溶解气所所占的百百分数%95.7710.1552.0772.077100.00说明：进进塔吸收收液中CCO2的残值值取0.15 Nm33/m3PC，故故计算溶溶解量时时应将其其扣除。其其他组分分溶解度度本就微微小，经经解吸后后的残值值可被忽忽略。平均分子子量：入塔混合合气平均均分子量量：溶解气体体的平均均分子量量：2.雾沫沫夹带量量Nm33/m33PC以0.22 Nmm3/m3PC计计，各组组分被夹夹带的量量如下：CO2：0.220.228=00.0556 NNm3/m3PCCO：

13、 0.220.0025=0.0005 Nm33/m3PCH2： 0.220.4472=0.009444 Nmm3/m3PCN2： 0.220.2223=0.004466 Nmm3/m3PC3.溶液液带出的的气量NNm3/m3PC各组分溶溶解量：CO2： 7.2033 Nmm3/m3PC 995.771%CO： 0.0111 Nmm3/m3PC 00.155%H2： 00.1556 NNm3/m3PC 22.077%N2： 00.1556Nmm3/m3PC 22.077%7.5226 NNm3/m3PC 1100%夹带量与与溶解量量之和：CO2：0.0056+7.2203=7.2259 Nm33

14、/m3PC 993.996%CO：00.0005+00.0111=00.0116 NNm3/m3PC 0.221%H2：00.09944+0.1156=0.2250 Nm33/m3PC 3.223%N2：00.04446+0.1156=0.2201 Nm33/m3PC 2.660%7.7226 NNm3/m3PC 1100%4.出脱脱碳塔进进化气量量：以分别代代表进塔塔、出塔塔及溶液液带出的的总气量量，以分分别代表表CO2相应的的体积分分率，对对CO2作物料料衡算有有：V1 =263333.2Nmm3/ h联立两式式解之得得V3=VV1(y1-y2)/(y3-y2)=4430006.1244(

15、0.280.0005)/(00.933960.0005)=77748.3744Nm3/hV2 = V1 - V3 =185584.8266 Nmm3/ h5.计算算PC循循环量：因每1 m3PC 带出COO2为7.2259 Nm33，故有有：L=V33y3/7.2599=77748.37440.93996/77.2559=110022.9444m3/h操作的气气液比为为V1/L=263333.2/10002.9944=26.25666.验算算吸收液液中COO2残量量为0.15 Nm33/m33PC时时净化气气中COO2的含含量取脱碳塔塔阻力降降为0.3kggf/ccm2，则塔塔顶压强强为166

16、.322-0.3=116.002 kkgf/cm22，此时时CO22的分压压为 kkgf/cm22，与此此分压呈呈平衡的的CO22液相浓浓度为： 式中：111933为吸收收液在塔塔顶300时的的密度，近近似取纯纯PC液液体的密密度值。计计算结果果表明，当当出塔净净化气中中CO22的浓度度不超过过0.55%，那那入塔吸吸收液中中CO22的极限限浓度不不可超过过0.2216 Nm33/m3PC，本本设计取取值正好好在其所所要求的的范围之之内，故故选取值值满足要要求。7.出塔塔气体的的组成：出塔气体体的体积积流量应应为入塔塔气体的的体积流流量与PPC带走走气体的的体积流流量之差差。CO2：26333

17、3.220.28-7.225910002.9944=92.9266Nm3/h 00.500%CO： 263333.200.0225-00.0116110022.9444=6322.2883Nmm3/h 3.446%H2： 2663333.20.4472-0.225010002.9944=121178.5344Nm3/h 65.53%N2： 2663333.20.2223-0.220110002.9944=56770.7712NNm3/h 300.511%185884.4455NNm3/h 1000%8.计算算数据总总表出脱碳塔塔净化气气量进塔带出出气量(V1)Nm33/h出塔气量量(V22)N

18、mm3/hh溶液带出出的总气气量(VV3)NNm3/h263333.22185884.445577488.3774气液比26.2256入塔气体体平均分分子量20.2208溶解气体体平均分分子量42.7775PC中的的溶解量量(溶解解气量及及其组成成）400组分CO2COH2N2总量溶解度，NNm3/m3PC10.444 0.022 0.222 0.222 10.990 溶解量，NNm3/m3PC7.20030.01110.15560.15567.5226溶解体积积流量NNm3/h72244.200611.0032156.4600156.460075488.1557 溶解气所所占的百百分数%95

19、.771 0.155 2.077 2.077 100.00 出塔液相相带出气气量及其其组成 40溶解量，NNm3/m3PPC7.25590.01160.25500.20017.7226体积流量量Nm33/h72522.188416.2272250.2722201.458877488.3774溶解气所所占的百百分数%93.996 0.211 3.233 2.600 100.00 入塔气相相及其组组成 330体积流量量Nm33/h73733.2996658.33124229.227058233.3004263333.22溶解气所所占的百百分数%28.000 2.500 47.220 22.330

20、100.00 出塔气相相的组成成 335体积流量量Nm33/h92.9926642.2833121778.553456700.7112185884.4455溶解气所所占的百百分数%0.500 3.466 65.553 30.551 100.00 入塔液相相及其组组成 330体积流量量Nm33/h149.00 149溶解气所所占的百百分数%100.00 100四、热量量恒算在物料衡衡算中曾曾假设出出塔溶液液的温度度为400，现通通过热量量衡算对对出塔溶溶液的温温度进行行校核，看看其是否否在400之内。否否则，应应加大溶溶剂循环环量以维维持出塔塔溶液的的温度不不超过440。具体体计算步步骤如下下：

21、1.混合合气体的的定压比比热容因未查到到真实气气体的定定压比热热容，故故借助理理想气体体的定压压比热容容公式近近似计算算。理想想气体的的定压比比热容：，其温温度系数数如下表表：系数abcdCp1（30）Cp2（32）CO24.72281.7554110-22-1.333810-54.0997110-998.9229/337.3388.9551/337.448CO7.3773-0.330710-26.6662110-66-3.003710-96.9669/229.1186.977/299.188H26.48832.2115110-33-3.229810-61.8226110-996.9002/2

22、28.9906.9004/228.991N27.4440-0.332410-26.410-6-2.779110-996.9668/229.1186.9668/229.118表中Cpp的单位位为（kkcall/kmmol）/（kJ/kmool）进出塔气气体的比比热容Cpv22=CCpiyi =37.480.000500+299.1880.03446+228.99100.65553+29.180.330511 =29.04 KJ/Kmool2.液体体的比热热容溶解气体体占溶液液的质量量分率可可这样计计算：质量分率率为其量很少少，因此此可用纯纯PC的比比热容代代之。本本设计题题目中： kJ/kg文献

23、查得得 kJJ/kgg,据此算算得： kJ/kg； kkJ/kkg本设计采采用后者者。3.的溶溶解热kJ/kkmollCO22文献查得得 kJJ/kmmolCCO2（实验验测定值值）本设计采采用后者者。CO2在在PC中的的溶解量量为7.203310002.9444=72224.2066Nm33/h=3222.5009kmmol/h故Qs=1466543222.5009=4472660466.8886kJJ/h4.出塔塔溶液的的温度设出塔气气体温度度为355，全塔塔热量衡衡算有：带入的热热量（QQV1+QL2）+ 溶解解热量（Qs）= 带出的热量（QV2+QL1）现均按文文献值作作热量衡衡算，即

24、即取 kkJ/kkg； kkJ/kkgQv1=V1Cpv11(Tv11T0)=2263333.22311.344300/222.4=110052889.0046kkJ/hhQL2=L2CpL22(TL22T0)=110022.94441119330.37995330=11362222991.331kJJ/hQv2=V2Cpv22(Tv22T0)=1185884.882629.0435/22.4=88432286.47998kJJ/hQL1=L1CpL11(TL11T0)=1121112700.888200.38894TL11=47716668.888144 TLL1kJJ/h式中：LL1=10

25、002.944411193+(77748.3744-0.2110022.9444)42.7755/222.4=121112770.8882 kg/h110552899.0446+11362222991.331+4472660466.8886=88432286.47998+44716668.88114TLL1T L11=39.4566与理论论值比较较后，取取T L11=39.5235.最终终的衡算算结果汇汇总出塔气相及其组成（35）V2=18584.455Nm3/hCO2COH2N292.926 632.283 12178.534 5670.712 Nm3/h0.50 3.46 65.53 30

26、.51 %QV2=843286.4798kJ/h入塔液相及其组成（30）L2=1002.944m3/hCO2COH2N2149-Nm3/h-%QL2=13622291.31kJ/h入塔气相及其组成（30）V1=26333.2 Nm3/hCO2COH2N226333.27273.296 658.33 12429.2705872.304 Nm3/h28.02.547.222.3%QV1=1105289.046kJ/h出塔液相带出气量及其组成（40）L1=1187485.696kg/hCO2COH2N269466526.46 14.59 224.36 180.60 Nm3/h93.960.213.2

27、42.60%脱碳塔溶解气量及其组成（40）L1=1211270.882kg/hCO2COH2N27458.1577224.206 11.032 156.460156.460Nm3/h95.710.152.072.07%Qs=4726046.886kJ/h五、设备备的工艺艺与结构构尺寸的的设计计计算计算公式式：塔底气液液负荷大大，依塔塔底气液液负荷条条件求取取塔径。采用Ecckerrt通用用关联图图法求取取泛点气气速，并并确定操操作气速速。入塔混合合气体的的质量流流量：V=(263333.2222.44)220.2208=237756.3088 kgg/h注：200.2008为入入塔混合合气体的

28、的平均分分子量，11.042为出塔混合气体的平均分子量Mm2 = 4440.0055+2880.003466+200.65553+2800.30051= 111.0442kgg/kmmol塔底吸收收液的质质量流量量：L=122112270.8822kg/hh入塔混合合气的密密度（未未考虑压压缩因子子）：吸收液的的密度（40）吸收液的的粘度，依依下式计计算得到到：mPas（平平均温度度35时的值值）选mm塑塑料鲍尔尔环（米米字筋），其其湿填料料因子，空空隙率，比比表面积积，Baiin-HHouggen关关联式常常数。选用Baain-Houugenn关联式式求解根据设计计u=0.1m/s1求取取塔

29、径Vs=2263333.22(0.10113/11.6)(3003.115/2273.15)=18850.3311m3/h=0.5514mm3/sD=(440.5144/（3.11400.1)0.55=2.5569mm本次设计计取D=26000mmm2.核算算操作气气速u=4VVs/(3.114DD2)=40.5514/(3.11422.622)=0.09669m/s则操作气气体速度度取u=0.110m/s合适适3. 核核算径比比D/d=264400/50=521015（满满足鲍尔尔环的径径比要求求）4.校核核喷淋密密度采用聚丙丙烯填料料表面L喷，mmin=（MWRR）at =0.081066

30、.4=8.5512mm3/(mm2.h)L喷=（满满足要求求）六、填料料层高度度的计算算塔截面积积=00.7885D22=5.3077因其他气气体的溶溶解度很很小，故故将其他他气体看看作是惰惰性气体体并视作作为恒定定不变，那那么，惰惰性气体体的摩尔尔流率G=2263333.22(1-0.228)/(222.436000)=00.04480kkmoll/(mm2s)又溶剂的的蒸汽压压很低，忽忽略蒸发发与夹带带损失，并并视作为为恒定不不变，那那么有L=110022.9444111933/(1102.093600055.3007)=0.661355kmool/(m2s)，吸收塔物物料衡算算的操作作线

31、方程程为：将上述已已知数据据代入操操作线方方程，整整理得：采用数值值积分法法求解，详详细结果果见表66-1。步骤如下下：将气相相浓度在在其操作作范围内内10等份份，利用用操作线线方程求求取各分分点y所对应应的x，将计计算结果果列于表表中的第第1、2行。计算各各分点截截面处的的气液相相流率G= LL=将计算结结果列入入表中的的3、4列。计算压压力和温温度T，压力力按浓度度分布，温温度按计计算，将将计算结结果列于于表中第第5、6行。计算式式中的各各项参数数，按下下式计算算：=取，不变变（前已已算出塔塔顶、塔塔底变化化很小）。将计算结结果列于于表中7710行。计算值值，按下下式计算算： m/hh将计

32、算结结果列于于表中11114行。计算将计算结结果列于于表中11516行。计算将计算结结果列于于表中117、18行。计算将计算结结果列于于表中119行。计算将计算结结果列于于表中的的2024行。求取积积分项Z=1.5H=27.48mm。实际取取Z=288m，分分4段，每每段7mm。表格 66-1 数值值积分结结果汇总总项目012345678910y0.00050.033250.0660.088750.11150.144250.1770.199750.22250.255250.288x0.000021131770.0002444200030.0004799044450.0007266839910.

33、0009888685540.0112655813380.0115599602230.0118711599960.022203355330.0225577440020.022935550995G0.0448244120060.0449611240030.055106638330.055260027440.0554233728880.0555977667760.0557833132250.0559811308840.0661933548840.0664211404470.066666666667L0.6113633080080.6115000183360.6116455308850.6117999

34、180060.6119622615530.6221366532280.6223211974490.6225200126650.6227322340040.6229600168870.63320554000616.00216.00516.00816.11116.11416.11716.2216.22316.22616.22916.332T303.15304.15305.15306.15307.15308.15309.15310.15311.15312.15313.15气相平均均分子量量11.11212.00312.99413.88514.77615.66716.55817.44918.33919

35、.3320.22112.11313.11414.11315.11316.11217.11218.11119.00920.00821.00622.0041.5551.51.4551.41.3551.31.2551.21.1551.11.0550.6001333067710.6337100684410.6773855430090.7112811731160.7553655759910.7997322716620.8443566930030.8992799952270.944630042441.0003644741181.0665988263392.5995700050062.54472441811

36、52.5000300749982.4554833448822.4110766287772.366803357992.3226599914422.2886400151152.2447399399922.2009533001162.17727665255911922.34411911.300811900.277611899.244411888.211211877.18811866.144811855.111611844.088411833.055211822.0223.5330033E-0063.6009055E-0063.6888888E-0063.7669533E-0063.8550988E-

37、0063.9333233E-0064.0116277E-0064.10001EE-0664.1884711E-0064.27701EE-0664.3556277E-0060.9773666564410.9997911923391.0222533958821.0447533580021.0772911837711.0998699932251.1224899251111.1551511390011.1778588195591.2006111809971.233414472222H 0.1332400938890.1229900828880.1227499582240.1225166736670.1

38、222911860050.1220744551140.1118644433380.1116611156660.1114644391110.1112733829930.1110899182240.8001766993320.8229199526640.8556777975580.888478861550.9113133073310.9441966996660.9771233261151.0000966555531.0331322508851.0662200846621.0993722824495209953.125194475.685179998.245165520.85150043.36513

39、5565.925120088.485106611.045091133.65076656.165061178.720.7668011369960.7772288162270.7776599875520.7880966941140.7885399844440.7889899123390.7994455384490.7999099309910.800381166880.8008633339920.811355532555274.484464666265.17664511256.416662998248.084491774240.175548991232.620009226225.4155269932

40、18.52991811211.911155558205.570097003199.4722533381-x0.999978868330.9997555799970.9995200955550.9992733160090.9990111314460.9887344186620.9884400397770.9881288400040.977796644770.9774422559980.9770644490050.088010.522162250.966481.400962251.855612.300422252.75543.200542253.655854.111322254.566966.9110277E-0050.0000444266610.0000800547730.0001155789920.0001500025570.0001833289950.0002155612220.000247702440.0002777554410.0003077230070.000336608009-x