化工原理 课程设计

1、安徽大学江淮学院化工原理课程设计设计题目：合成氨原料气中吸收塔的设计系院名称 生 化 系 姓 名 （学 号） 吴 雪 锋 JP114017 专 业 （班 级） 化学工程与工艺专业11级 指 导 教 师 郑争志 设 计 时 间 2012年5月22日 - 6月8日 化工原理课程设计任务书设计题目：碳酸丙烯酯（PC）脱除合成氨原料气中CO2填料塔的设计设计任务及操作条件：1.合成氨原料进气量 8000 Nm3/h。2.原料气组成（摩尔分率）CO2 H2 CO N2 CH4 0.034 0.4959 0.02175 0.1566 0.021753.出塔净化气中：CO2 0.5% （摩尔分率）4.操作温

2、度 35 5.最小液气比系数：1.45 6.操作压力 1.7MPa设计成果：1. 设计说明书一份2. 带控制点的工艺流程图 （2#图纸）一张；填料吸收塔的装配图 （1#图纸）一张。目 录 一 概述 1.1引言.1 1.2设计依据.2 1.3技术来源.2 1.4设计任务及要求.3二 计算过程2.1基础数据计算.3 2.1.1吸收塔的物料衡算.4 2.1.2吸收剂组成和吸收剂用量.4 2.1.3操作线方程.5 2.1.4塔径的计算.5 2.1.5填料塔喷淋密度的校核.72.2填料层高度的计算.7 2.2.1传质单元数的计算.7 2.2.2传质单元高度的计算.8 2.2.3填料层高度及塔高的计算.1

3、22.3填料塔强度设计.12 2.3.1筒体材料选择.12 2.3.2壁厚计算.13 2.3.3 强度校核.142.4吸收塔附件的选型.14 2.4.1填料支承装置.14 2.4.2液体喷淋装置.14 2.4.3液体再分布装置.15 2.4.4塔顶除雾沫器.15 2.4.5填料压板和床层限制板. .15 2.4.6管口、仪表接口、裙座及手孔.16 2.4.7 塔的顶部空间高度. 162.5输料管的选型、管径计算及离心泵的选型.162.6设计概要表.18三 附录. .19四 符号说明.五 参考文献.一、概述1.1 引言合成氨原料气中CO2的脱除工艺发展及现状气体净化是工业上重要的过程之一。随着各

4、工业过程的要求不同，有的需要对原料气体进行净化处理，有的需要对生产过程中产生的气体进行净化，有的需要对尾气进行净化等。在合成氨生产中，由于制气原料主要碳和含碳化合物，经制气和一氧化碳变换后，变换气中除含有对氨合成有用的氢气等，同时还含有二氧化碳、一氧化碳、甲烷、硫化氢等对氨合成有害的杂质组分。在这些杂质组分中又以二氧化碳的含量最高。如在生产过程中，不及时将二氧化碳从变换气中除去，将会使后续工序无法正常进行。脱除原料气中大量二氧化碳的方法主要分为三大类：化学吸收法、物理化学法和物理吸收法。本次设计中主要运用物理吸收法。则以下主要介绍物理吸收法。物理吸收法是指吸收剂并不与二氧化碳发生化学反应的一类

5、脱碳方法。它是基于不同压力下的二氧化碳在吸收剂中有不同的平衡溶解度这种性质而发展起来的。这类方法中的吸收剂大多为有机溶剂，它们普遍具有溶解二氧化碳量大的特点，尤其是在加压时。此外吸收剂的再生大多不必加热，仅通过简单的降压或常温气提（惰性气体吹洗）。 碳酸丙烯酯脱除CO2到五十年代才有较系统的报导, 它具有许多有趣的性质, 而且原料易得, 目前已广泛应用在石油化学工业中。六十年代开始, 有专利刊出, 把碳酸丙烯酯用在合成氨工业中的脱除原料气中二氧化碳。从变换气中脱出二氧化碳在合成氨工业中占有重要的位置, 过去我国较多采用水洗的方法, 由于二氧化碳在水中的溶解度很小, 大量循环水耗费巨大的动力,

6、水洗法所耗电能约为200瓦/（吨氨）。若用乙醇胺的水溶液脱除, 溶液再生需耗热, 在燃料紧张地区，也不可取。为此希望寻找一种有机溶剂, 既能溶解大量CO2, 而且可减压再生, 减少燃气消耗。过种观点已成为许多工程技术工作者的共同愿望。六十年代以来, 新溶剂的选用已成为酸性气体净化的基本方向。在报导中选用的溶剂有碳酸丙烯酯（PC）、甘油三醋酸酯、甲氧基三甘醇醋酸酯、丁氧基二甘醇三酸酯等, 从合成的角度和物性的要求出发, 又以PC较为优越。在常压下, CO2在PC中的溶解度是其在水中的四倍, 随着压力的增加, CO2在PC中的溶解度增加尤为明显。目前不但已进行了较多的PC一CO2体系的基础数据研究

7、, 而且到1975年为止，国外已有十个工厂用PC来脱除CO2，其中有七小工厂是处理天然气的， 二个厂是生产氢， 一个厂是合成氨原料气的净化。碳酸丙烯酯为环状有机碳酸酯类化合物，在常温下为略带芳香味的液体，纯净时无色透明，分子式为C4H6O3，相对分子质量为102.09/kmol，密度略大与水。它对二氧化碳、硫化氢及一些有机硫具有较大的溶解能力，而对氢气、氮气、一氧化碳、甲烷、氧气等的溶解度要小得多。如以氢气在碳酸丙烯酯中的溶解度为基准，则同样温度与压力下二氧化碳的溶解度为氢气的130倍左右，硫化氢为氢气的420倍左右。由于不同气体在同一溶剂中溶解度差别很悬殊，这就为该溶剂用于气体混合物的分离奠

8、定了理论基础。碳酸丙烯酯的稳定性较好，在工业上连续运转十余年后仍不影响其吸收效率。溶剂在吸收了二氧化碳和硫化氢等酸性气体后，对普通碳钢的腐蚀性仍较低，因此在工业上可用普通碳钢作为主要设备的材质。用碳酸丙烯酯作为吸收剂来吸收合成氨原料气中的二氧化碳的方法与其他脱碳方法相比，在净化度相同的情况下，也以碳酸丙烯酯法的能耗和可比操作费最低。1.2 设计依据合成氨原料气中含有很多CO、CH4等有害气体，特别是CO2含量最多，在进入反应炉前必须脱除。综合吸收效果和经济效益，工业上通常用碳酸丙烯酯对吸收CO2，该过程在较低的温度和较高的压力下进行，属于物理过程。PC溶剂是循环使用的，需要对其进行解吸操作，得

9、到再生PC和高浓度的CO2。此次设计任务主要是设计以碳酸丙烯酯（PC）脱除合成氨原料气中CO2的填料塔的设计,进气口的流量为8000 Nm3/h。其中，填料塔以金属鲍尔环为填料；经设计优化后的最优气液比为最小液汽比的1.45倍，计算在35和1.7MPa的操作条件下，用PC吸收固定流量原料气中的CO时，所需的吸收剂流量、吸收塔工艺尺寸、以及对各零部件和所用填料的选择，并且对主要工艺参数进行校核。由此，作出工艺流程图和装配图。1.3技术来源 PC脱除CO2的基本工艺流程简介 本次课程设计的课题是碳酸丙烯酯（PC）脱除合成氨原料气中CO2填料塔的设计，原料气流量选定为8000Nm3/h,在操作压力1

10、.7MPa下进入吸收塔底部，与塔顶喷淋而下的PC溶剂逆流接触，将CO2吸收。，其中CO2的含量为0.034（摩尔分率)，工艺流程中还包含了PC的再生等。为确保吸收CO2的吸收率以及出塔净化气体中CO20.5%（摩尔分率），应采用气-液逆流的吸收过程，在较低温度和较高压力下，选取适合的填料，使原料气经压缩机压缩后从塔底进入吸收塔，与从塔顶喷淋而下的PC溶剂逆流接触，将CO2吸收。出塔净化气体经分离器除掉的PC雾滴后入压缩机，而吸收了的PC溶液（富液）经减压阀先进行减压，而后进入闪蒸槽，将N2、H2及少量的解吸出来，经气液分离，再将此解吸气体送至压缩机进行回收，闪蒸液体借助压力进入常压解吸塔，主要

11、将大量解吸出来，获得纯度较高的。常压解吸后，PC溶液中尚含有一定的，将PC液体借助液位差流到下部的气提解吸塔，在此与从塔底鼓入的空气逆流接触，以将其中残存的进一步解吸出来，使PC液体得到较完全的再生，供吸收用。1.4 设计任务及要求1. 合成氨原料气流量8000M³/h2. 合成氨原料气组成 组分 CO2 H2 CO N2 CH4摩尔分率 0.304 0.49590.02175 0.15660.021753. 吸收剂 碳酸丙烯酯4. 主要吸收设备 填料塔5. 设计要求出塔原料气中CO2摩尔分率为0.005 操作温度：35 最小液气比系数：1.45 操作压力：1.7MPa二 计算过程2

12、.1 基础数据计算2.1.1吸收塔的物料衡算气、液相流量 2.1.2 吸收剂组成和用量2.1.3 操作线方程2.1.4 塔径计算组分 摩尔分率0.3040.49590.021750.15660.02175液相：PC: M=102.09kg/kmol密度公式： PC粘度公式：填料的相关参数(1）选取的填料为金属鲍尔环（乱堆）(2）金属鲍尔环的物性参数： 公称直径：50mm 外径×高度×壁厚： 50×50×0.8mm； 比表面积：at = 109 m2/m3； 空隙率：= 0.96 m3/m3； 堆积密度：= 314 kg/m3； 个数：n = 6500 个

13、/m3;干填料因子：=123.2 m-1； 填料因子：=160 m-1； 常数：A = 0.1；K = 1.75； 填料的形状系数（开孔环）： = 1.45；填料材质的临界表面张力： = 75 mN/m；t=35时， 查埃克脱通用关联图，在散装填料泛点线对应下的金属鲍尔环填料安全系数：60%-85%取安全系数=0.69根据工业上常用的标准塔径，塔径圆整成1400mm2.1.5 填料塔喷淋密度的校核校核: 所选填料规格合格通常对直径75mm的散装填料，取最小速率0.08即最小喷淋密度为实际操作喷淋密度：操作空塔气速：2.2 填料层高度的计算2.2.1 传质单元数的计算传质单元数： 2.2.2 传

14、质单元高度的计算单元传质高度的计算主要涉及传质系数的求解，传质系数不仅与流体的物性、气液两相流率、填料的类型及特性有关、还与全塔的液体分布、塔高、塔径有关，此次设计，选用恩田准数关联式计算。 液相传质系数：选择的是金属鲍尔环，其 气相传质系数： CO2CO H2N2CH4 摩尔分率0.3040.021750.49590.15660.0217526.918.97.0717.924.22 m值0.9350.7580.7710.7560.8P=1.7Mpa T=308K代入数据2.2.3 填料层高度Z及塔高计算取安全系数0.6，裙座取3m，塔内件（包括封头、分布器）取3m2.3 填料塔强度设计2.3

15、.1 筒体材料选择筒体有钢板卷制焊成和取自大口径无缝钢管两种，该设计中，属于直径较大筒体，一般由钢板卷制，其内径必须符合公称直径的数值，且均为整数。由于PC吸收对钢材的腐蚀不大，温度在035，压力为1.7Mpa（中压）故选用16MnDR,其参数为：钢号钢板标准使用状态厚度常温强度标准/Mpa /Mpa16MnDRGB 3531正火加回火6164903151812.3.2 壁厚计算内压容器：由于操作条件较为稳定，则做大工作压力，加之无安全卸放装置，采用双面对接焊，采用局部无损探伤，取计算厚度：2.3.3 强度校核校核水压实验强度：2.4 吸收塔附件的选型2.4.1 填料支承装置填料支撑结构是用于

16、支承塔内填料及其所持有的气体和液体的重量之装置，其基本要求是：有足够的强度以支承填料的重量；提供足够的自由截面以使气、液两相流体顺利通过，防止在此产生液泛；有利于液体的再分布；耐腐蚀，易制造，易装卸等。 常用的填料支承板主要有栅板式和气体喷射式等结构，此次设计我们选用梁型气体喷射式支承板。它的结构特点是：为气体和液体提供了不同的通道，气体易于进入填料层，液体也可自由排出，避免了因液体积聚而发生液泛的可能性，并有利于液体的均匀再分配。另外，梁型支承板用于大塔可分块制作或塔内组装。它可以提供超过90%的自由截面，保证气体通量大，阻力小。2.4.2 液体喷淋装置液体喷淋装置的作用是为了能有效地分布液

17、体，提高填料表面的有效利用率。当液体喷淋装置设计不合理时，填料润湿面积随之减小，液体沟流和壁流现象增加，填料的处理能力和分离效率将大受影响。液体喷淋装置的结构形式很多，此次设计我们根据塔的类型和塔径选择溢流槽式分布器。其特点是：结构简单，液体通过时的阻力小，其分布比较均匀。2.4.3 液体再分布装置 当塔顶的喷淋液体沿填料层下流时，存在向塔壁流动的趋势（壁流效应），使塔中心填料得不到良好的润湿，减小了气液接触的有效面积。为了克服这种现象，提高塔的传质效果，当填料层高度和塔径之比超过一定数值时，填料层需分段装填，并在各段填料层之间设液体再分布器，使液体重分布。此次设计，我们选用的是金属鲍尔环填料

18、，故其分段高度取为3.933m，分为3段。本次设计选用梁型再分布器,它将沿塔壁流下的液体用再分配推导出至塔的中心。2.4.4 塔顶除雾沫器在塔内操作气速较大时，穿过填料层的气体有时会夹带液体和雾滴，这不但造成物料的流失，也使塔的效率降低，同时还可能造成环境污染，因此需要在塔顶气体排出口前设置除雾沫器，以尽量除去气体中夹带的液体雾沫，从而减少液体的夹带损失，确保气体的纯度，保证后续设备的正常操作。常用的塔顶除雾器有填料除雾器、旋流板式除雾器和丝网除雾器等。此次选用旋流板除雾器，它以旋流板为主要除雾结构的一种除雾器，它适用于气体净化、气-液分离和脱硫除尘等工作，气流在穿过板叶片间隙时变成旋转气流，

19、其中的液滴在惯性作用下，以一定的仰角射出做螺旋运动而被甩向外侧，汇集流到溢流槽内，达到除雾目的，除雾效率可达90%99% ，用最新复合材料制作，表面经特殊处理，特光滑并有自润性，在其表面上不容易积灰结垢。即使有些积灰也很容易冲洗干净，减少除雾器冲洗频率次数，减少冲洗水使用量，确保除雾器在低阻运行，从而解决了叶片积灰结垢造成除雾器阻力增加、烟气带水等现象，同时造价低、安装和维护方便。2.4.5 填料压板和床层限制板当塔内汽液负荷较大或负荷波动较大时，塔内填料将发生浮动或相互撞击，破坏塔的正常操作甚至损坏填料。为此，在填料层顶部设床层限制板，以防止金属鲍尔环填料层膨胀，改变其初始堆积状态而造成的流

20、体分布不均匀现象。2.4.6 管口、仪表接口、裙座及手孔填料塔中的气体装置，需防止淋下的液体进入管中，同时还要气体分散均匀，因此，不宜使气流直接由管接口冲入塔内，对于D1.5m的塔，管末端可制成向下的喇叭形扩大口仪表接口:采用DN25的带法兰接管，并附法兰盖（压力表接口）；采用D40带法兰的接管，并附法兰盖（温度计接口） 由化工容器设计采用圆筒形裙座。裙座体用Q235-A材料又因为裙座体直径超过800mm所以应开设人孔。填料塔手孔直径一般为150mm-250mm。标准手孔直径有DN150和DN250两种，当设备直径超过800mm时应开设人孔，圆形人孔直径为400-600mm手孔（ HG2152

21、5-95-HG21527-95）和人孔（HG21528-HG-21535-95）已制有标准设计时根据设备的公称压力，工作温度及选用材料等按标准选用，选用DN250DE 手孔、DN500DE 人孔。2.4.7 塔的顶部空间高度 塔的顶部空间高度指顶第一层塔盘到塔顶封头的切线距离。为减少雾沫夹带的液体量，一般取1.21.5m，本次设计取1.5m2.5. 输料管的选型、管径计算及离心泵的选型时，则按无缝钢管标准选择： =273则a 管路总长度估计取, 则总长为850mb. 输送吸收剂管路所需压头的估算列出由解吸塔贫液出口到吸收塔贫液入口两截面的机械能衡算方程，求出H据初步的立面布置，取液柱 ，由操作

22、条件一般在湍流时取0.02-0.03，这里取=0.025则液柱则液柱c. 泵功率的计算取=0.65（泵的一般为50%-70%之间）则d 泵型号的选择为防止吸收剂泄漏和爆炸，根据 液柱选DFLPH型屏蔽泵，型号为150-80（I），3台，其中2台正常使用，备用1台e 吸收塔各接管口径计算入塔气体流量 出塔气体流量入塔液体流量 出塔液体流量 变换气入口管： 取50012.5 净化器出口管： 取， 。 贫液入塔管： 取， 。 富液出塔管： 取， 。工艺内容数据最小液气比5.673液气比8.226圆整塔径1400mm亨利系数E9.756Mpa相平衡常数m5.739进塔混合气体的体积流量吸收液的质量流量入塔混合气的密度13.084Kg/m3u0.097m/s塔截面积1.5386m2CO2在PC中扩散系数人孔尺寸500mm填料材质金属鲍尔环液体分布装置溢流槽式布液器液体再分布器梁型再分布器填料支撑装置梁型气体喷射型支撑