碳酸丙烯酯（pc）脱碳填料塔的工艺设计

课程设计题目二——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40000t/a。二、操作条件1.每吨氨耗变换气取4300Nm³变换气/t氨；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操作情况自选；5.气液两相的入塔温度均选定为30℃;三、设计内容1.设计方案的确定及工艺流程的说明；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；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C=0正常沸点，(℃)蒸汽压×133.32-1Pa温度，(℃)0温度t,(℃)亨利系数E×101.3-1kPa可近似按下式计算(以AHc,表示)碳酸丙烯酯(PC)脱碳填料塔的工艺设计工艺计算书依题意：年工作日以330天，每天以24小时连续运行计，有变换气组成及分压如下表进塔变换气CO₂H₂N₂合计4组分分压，kgf/cm²4.568一、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,(℃)亨利系数E×101.3-1kPa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出塔溶液中CO₂的浓度(可以验证其满足亨利定律)5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。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温度，(℃)03.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。1.各组分在PC中的溶解量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CO₂H₂N₂合计组分分压，MPa溶解度，Nm³/m³PC溶解量，Nm³/m3PC溶解气所占的百分数%CO,:0.2×0.28=0.056Nm³/m³PCCO:0.2×0.025=0.005Nm³/m³PCH,:0.2×0.472=0.0944Nm³/m³PCN₂:0.2×0.223=0.0446Nm³/m³PC为夹带量与溶解量之和CO:0.005+0.011=0.016N₂:0.0446+0.156=0.201Nm3/m3PCNm³/m³PCNm³/m³PCNm3/m3PC7.726Nm³/m³PC100%V₁y₁=V₂y₂+V₃y₃V₂=V₁-V₃=21715-6389=15326Nm³/h操作的气液比为V/L=21715/827=26.26Xco,=0.0008257kmolCO₂/kmolPC式中：1193为吸收液在塔顶30℃时的密度，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0.216Nm³/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。CO,:21715×0.28-7.259×827=77.007Nm³/hCO:21715×0.025-0.016×827=529.643Nm³/hH₂:21715×0.472-0.250×827=10042.73Nm³/hN₂:21715×0.223-0.201×827=4676.218Nm³/h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：C=a,+b,T+c;T²+d,T³系数abCdCO₂8-1.338×10-838H₂3-3.298×10-0N₂08进出塔气体的比热容=37.38×0.28+29.18×0.025+28.90×0.472+29.18×0.223=31.34kJ/kmol.℃=37.48×0.005+29.18×0.0346+28.91×0.6553+29.18×0.3051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M=44×0.9571+28×0.0015+2×0.0207+28×0.0207=42.78kg/kmol质量分率为其量很少，因此可用纯PC的比热容代之。本设计题目中C=0.3894kJ/kg·°℃;C₂=0.3795kJ/kg·℃911448+42207218+3897964=695657+1441830TT₁=32℃(似乎不可能，如果可能，则无须热量衡算，近似为等温吸收)现均按文献值作热量衡算，即取C=0.3894kJ/kg:℃;Cpμ₂=0.3795kJ/kg·℃911448+11765356+3897964=695657+388815TT₁=41℃(与假设接近，可以接受。若要完全控制在40℃以下，可将L适当增大至835m³/h,重作物料衡算与热量衡算，直至满足要求为止。本设计不再作5.最终的衡算结果汇总脱脱碳塔出塔气相及其组成(35℃)V₂=15325.6Nm³/hNm³/h%COH₂N₂%93.960.213.242.60%0.152.072.076224Nm³/h%入塔液相及其组成(30℃)L₂=827m³/h=986611kg/hCO₂H₂N₂ 一一Nm³/h %QL2=11765336kJ/h(一)确定塔径及相关参数M=44×0.28+28×0.025+2×0.472+28×0.223=20.208kg/kmol选D。50mm塑料鲍尔环(米字筋),其填料因子φ=120m¹,空隙率ε=0.90,比表面积a,=106.4m²/m³,Bain-Hougen关联式常数A=0.0942,K=1.75。(1)选用Eckert通用关联图法求解uup=0.14m/s(2)选用Bain-Hougen关联式求解uu,=0.12m/s(两种方法的计算结果很接近)取u=0.8u=0.10m/s本次设计取D=2300mm(建议取D=2400mm可能更好)D/d=2300/50=46>10～15(满足鲍尔环的径比要求)五、填料层高度的计算塔截面积Ω=0.785D²=4.153m²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'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，整理得选用填料层高度表达式K,a=p,K₆aa=a(3)气液两相的粘度(纯组分的粘度)mmCO₂H₂0.84×10-2N₂(4)吸收液与填料的表面张力吸收液：σ=43.16-0.116tp=p,y将计算结果列表如下：气相CO₂的组成y(摩尔分率气相CO₂的分压p(kgf/cm²)4.57030℃对应的液相平衡组成x35℃对应的液相平衡组成x40℃对应的液相平衡组成xy×1028.7522.5025.2528.00x×1020.05730.2620.4770.7050.9452.06252.3882.736y*×1020.34834.516.059.43659.262.8933.9023.589.59现采用Smipson公