2461.碳酸丙烯酯（PC）脱碳填料塔的工艺设计----课程设计VIP

1、碳酸丙烯酯（pc）脱碳填料塔的工艺设计学 校 xxx工程技术大学学 号 姓 名 专 业 制 药 工 程目 录第一部分 碳酸丙烯酯（pc）脱碳填料塔的工艺设计任务书4一、设计题目4二、操作条件4三、设计内容4四、基础数据4第二部分 50500t/a合成氨碳酸丙烯酯（pc）脱碳填料塔设计工艺计算书6一、计算前的准备61.co2在pc中的溶解度关系62.pc密度与温度的关系83.pc蒸汽压的影响84.pc的粘度85.其它物性将在后续计算中给出8二、物料衡算81.各组分在pc中的溶解量82.溶剂夹带量nm3/m3pc93.溶液带出的气量nm3/m3pc94.出脱碳塔净化气量95.计算pc循环量106.

2、验算吸收液中co2残量为0.15 nm3/m3pc时净化气中co2的含量107.出塔气体的组成10三、热量衡算101.混合气体的定压比热容112.液体的比热容113.co2的溶解热124.出塔溶液的温度125.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151.采用eckert通用关联图法求取泛点气速，并确定操作气速15（1）选用eckert通用关联图法求解15（2）选用bain-hougen关联式求解152.求取塔径163.核算操作气速164.核算径比165.校核喷淋密度16五、填料层高度的计算161.用气相浓度y计算出对应的x值172.计算各分点截面

3、处的气液相流率173.计算各分点截面处的传质系数174.作co2在pc中的相平衡曲线195.气相总传质单元数206.气相总传植单元高度217.填料层的有效传质高度22六、填料层的压降22参考文献22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，要求年产合成氨50500yt/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

4、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.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/

5、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附录。50500t/a合成氨碳酸丙烯酯（pc）脱碳填料塔设计工艺计算书设计依据：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，

6、每天以24小时连续运行计，有：合成氨：50500t/a= 153.0t/d=6.38t/h变换气：4300m3（标）变换气/t氨（简记为nm3/t）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/cm24.5680.4087.7013.63816.32一、计算前的准备1.co2在pc中的溶解度关系根据co2在碳酸丙烯酯的溶解度数据温度t，（）2526.737.84050亨利系数e101.3-1kpa81.1381.7101.7103.5120.8作图得：亨

7、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 kpa出塔溶液中co2的浓度（可以验证其满足亨利定律）（摩尔分数）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： kpa另外，有人关联出了co2在pc中溶解的相平衡关系，即：式中：为摩尔比

8、，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。或者采用计算。上式中：为摩尔分率；为co2的分压，atm；t为pc液的热力学温度，k。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）122412071198118411693.pc蒸汽压的影响从题给数据知，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

9、.其它物性将在后续计算中给出。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）：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

10、0.15 nm3/m3pc，故计算溶解量时应将其扣除。其他组分本身溶解度就很小，经解吸后的残值完全可被忽略。co2溶解量的计算如下：前已算出co2在40的平衡溶解度 nm3/m3pc式中：1184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/m3pc2.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=0.04

11、46 nm3/m3pc3.溶液带出的气量nm3/m3pc为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 3.24%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：联立两式解之得v3=v1(y1-y2)/(y3-y2)=43006.38(0.280

12、.005)/(0.93960.005)=8072nm3/hv2=v1-v3nm3/h=19362 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=80720.9396/7.259=1045m3/h操作的气液比为v1/l=27434/1045=26.256.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

13、，近似取纯pc液体的密度值。计算结果表明，要使得出塔净化气中co2的浓度不超过0.5%，则入塔吸收液中co2的极限浓度可达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。7.出塔气体的组成出塔气体的体积流量应为入塔气体的体积流量与pc带走气体的体积流量之差。co2：274340.28-7.2591045=95.865nm3/h 0.50%co：274340.025-0.0161045=669.130nm3/h 3.46%h2：274340.472-0.2501045=12687.598nm3/h 65.53%n2：274340.223-0.2011045=5

14、907.737nm3/h 30.51%19360.330nm3/h 100%三、热量衡算在物料衡算中曾假设出塔溶液的温度为40，现通过热量衡算对出塔溶液的温度进行校核，看其是否在40之内。否则，应加大溶剂循环量以维持出塔溶液的温度不超过40。具体计算步骤如下：1.混合气体的定压比热容因未查到真实气体的定压比热容，故借助理想气体的定压比热容公式近似计算。理想气体的定压比热容：，其温度系数如下表：系数abcdcp1（30）cp2（32）co24.7281.75410-2-1.33810-54.09710-98.929/37.388.951/37.48co7.373-0.30710-26.66210

15、-6-3.03710-96.969/29.186.97/29.18h26.4832.21510-3-3.29810-61.82610-96.902/28.906.904/28.91n27.440-0.32410-26.410-6-2.7910-96.968/29.186.968/29.18表中cp的单位为（kcal/kmol）/（kj/kmol）进出塔气体的比热容cpv2=cpiyi =37.480.0050+29.180.0346+28.910.6553+29.180.3051 =29.04 kj/kmol2.液体的比热容溶解气体占溶液的质量分率可这样计算：溶解气体的平均分子量质量分率为其量

16、很少，因此可用纯pc的比热容代之。本设计题目中 kj/kg文献查得 kj/kg,据此算得： kj/kg； kj/kg本设计采用前者。3.co2的溶解热kj/kmolco2文献查得 kj/kmolco2（实验测定值）本设计采用后者。co2在pc中的溶解量为7.2031045=7527nm3/h=336kmol/h故qs=14654336=4923744kj/h4.出塔溶液的温度设出塔气体温度为35，全塔热量衡算有：带入的热量（qv1+ql2）+ 溶解热量（qs）= 带出的热量（qv2+ql1）qv1=v1cpv1(tv1t0)=2743431.3430/22.4=1151493 kj/hql2=

17、l2cpl2(tl2-to)=104511931.42630=53333184kj/hqv2=v2cpv2(tv2t0)=1936229.0535/22.4=878853 kj/hql1=l2cpl1(tl1t0)=12617021.44tl1=1816851tl1kj/h式中：l1=10451193+(8072-0.21045)42.78/22.4=1261702 kg/h1151493+53333184+4923744=878853+1816851tl1tl1=32现均按文献值作热量衡算，即取 kj/kg； kj/kgqv1=v1cpv1(tv1t0)=2743431.3430/22.4=

18、1151493 kj/hql2=l2cpl2(tl2-to)=104511930.379530=14193509kj/hqv2=v2cpv2(tv2t0)= 1878529.0535/22.4=878853kj/hql1=l2cpl1(tl1t0)=12242720.3894tl1=491307tl1kj/h式中：l1=10451193+(8072-0.21045)42.78/22.4=1261702 kg/h1151493+14193509+4923744=878853+491307tl1tl1=39.5（与假设接近，可以接受。）5.最终的衡算结果汇总出塔气相及其组成（35）v2=18772

19、.836 nm3/hco2coh2n295.865669.1312687.5985907.737nm3/h0.503.4665.5330.51%qv2=878853kj/h入塔液相及其组成（30）l2=1045m3/h=1246685kg/hco2coh2n2152-nm3/h-%ql2=14193509kj/h入塔气相及其组成（30）v1=27434 nm3/hco2coh2n2266177681686129496118nm3/h28.02.547.222.3%qv1=1151493kj/h出塔液相带出气量及其组成（40）l1=1261702kg/hco2coh2n28074758617.0

20、261.6209.9nm3/h93.960.213.242.60%ql1=19069280kj/h脱碳塔溶解气量及其组成（40）l1=1261702kg/hco2coh2n27865752712163163nm3/h95.710.152.072.07%qs=4923744kj/h23四、设备的工艺与结构尺寸的设计计算（一）确定塔径及相关参数 塔底气液负荷大，依塔底气液负荷条件求取塔径1.采用eckert通用关联图法求取泛点气速，并确定操作气速。入塔混合气体的质量流量v=(2743422.4)20.208=2474920.208为入塔混合气体的平均分子量塔底吸收液的质量流量l=1224272kg

21、/h入塔混合气的密度（未考虑压缩因子）吸收液的密度（40）吸收液的粘度，依下式计算得到：mpas（平均温度35时的值）选mm塑料鲍尔环（米字筋），其填料因子，空隙率，比表面积，bain-hougen关联式常数。（1）选用eckert通用关联图法求解关联图的横坐标：（pv/pl）0.5l/v=(12.83/1184)0.51261702/24749=5.307查eckert通用关联图得纵坐标值为0.0027，即：（2）选用bain-hougen关联式求解（两种方法的计算结果很接近）取2.求取塔径vs=27434(0.1013/1.6)(303.15/273.15)=1928m3/h=0.5355

22、m3/sd=(40.5355/3.140.1)0.5=2.612m本次设计取d=2700mm3.核算操作气速u=4vs/3.14d2=40.5355/3.142.72=0.09m/s4.核算径比d/d=2700/50=541015（满足鲍尔环的径比要求）5.校核喷淋密度l喷=1261702/h=1261702/1193/(0.7852.62)=184.88.512m3/(m2n)（满足要求）五、填料层高度的计算塔截面积=0.785d2=5.723因其他气体的溶解度很小，故将其他气体看作是惰气并视作为恒定不变，那么，惰气的摩尔流率g=27434(1-0.28)/(22.43600)=0.0428

23、kmol/(m2s)又溶剂的蒸汽压很低，忽略蒸发与夹带损失，并视作为恒定不变，那么有l=10451193/(102.0936005.723)=0.5927 kmol/(m2s)，吸收塔物料衡算的操作线方程为将上述已知数据代入操作线方程，整理得x=0.0722y+2.10410-4选用填料层高度表达式h=v / (kya)采用数值积分法求解，步骤如下：1.将气相浓度在其操作范围内10等份，其等份间距为0.0275，并将各分点的y值代入式（1）计算出对应的x值，并列入后面表格中的第1、2列中。2.计算各分点截面处的气液相流率g=(1+y)g l=(1+x)l （2）将计算结果列入附表中的3、4列。

24、3.计算各分点截面处的传质系数。（本设计为简化计算起见，只计算塔顶、底的传质系数，然后取其算术平均）。下面采用onda公式计算：上述修正的恩田公式只适用于的情况，当时还需按下式继续修正 （稀溶液）由计算知awat=106.4说明：（1）两相摩尔流率与质量流率的转换气相平均分子量为：气相平均分子量为：33.085y+10.915vg=(33.085y+10.915)g（稀溶液）（2）co2在气相和液相中的扩散系数气相：分两步进行，定性温度取32.5。首先计算co2在各组分中的扩散系数，然后再计算其在混合气体中的扩散系数。计算公式如下：dco2-co=4.3610-5(32.5+273)1.5(1

25、/44+1/28) 1/2/341/3+30.71/321600 =8.6710-7m2/sdco2-h2=1.01310-5(32.5+273)1.5(1/44+1/2) 1/2/341/3+14.31/321600 =3.2810-6m2/sdco2-n2=1.01310-5(32.5+273)1.5(1/44+1/28) 1/2/341/3+31.21/321600 =8.6210-7m2/s =（1-0.005）/0.0346/(8.6710-7)+0.6553/(3.2810-6)+0.3051/(8.6210-7)=1.67610-6m2/s液相：文献介绍了co2在pc中扩散系数两

26、个计算公式，定性温度取35。=1.1710-52/s （tk；mpas；dcm2/s） =1.0110-5 2/s （tk；mpas；dcm2/s） mpasul=2.368/(mh)（3）气液两相的粘度（气体混合物的粘度）气相：（气体混合物的粘度）（纯组分的粘度）为0、常压下纯气体组分的粘度，mpas 。m为关联指数（见下表）mmco21.3410-20.935h20.8410-20.771co1.6610-20.758n21.6610-20.756液相： mpas（4）吸收液与填料的表面张力吸收液：=39.1填料：查教材，如聚乙烯塑料。4.作co2在pc中的相平衡曲线将计算结果列表如下：气相co2的组成y（摩尔分率）0.0050.