2022年碳酸丙烯酯脱碳填料塔工艺方案李俊阳.docx

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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用碳酸丙烯酯 PC）脱碳填料塔的工艺设计学校河南城建学院名师归纳总结 专业化学工程与工艺第 1 页,共 27 页姓名李俊阳学号 101410130 - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用碳酸丙烯酯 PC ）脱碳填料塔设计目 录碳酸丙烯酯 PC）脱碳填料塔设计工艺设计任务书 3 一、设计题目 3 二、操作条件 3 三、设计内容 3 四、基础数据 3 设计依据： 4 一、运算前的预备 4 1.CO2 在 PC中的溶解度关系 5 2.PC 密度与温度的关系 6 3

2、.PC 蒸汽压的影响 6 4.PC 的粘度 7 二、物料衡算 7 1.各组分在 PC 中的溶解量 7 2.溶剂夹带量 Nm3/m3PC8 3.溶液带出的气量 Nm3/m3PC8 4.出脱碳塔净化气量 8 5.运算 PC 循环量 9 6.验算吸取液中 CO2 残量为 0.15 Nm3/m3PC 时净化气中 CO2 的含量 9 7.出塔气体的组成 10 三、热量衡算 11 1.混合气体的定压比热容 11 2.液体的比热容 11 3.CO2 的溶解热 12 4.出塔溶液的温度 13 5.最终的衡算结果汇总 14 四、设备的工艺与结构尺寸的设计运算 15 一）确定塔径及相关参数 15 五、填料层高度的

3、运算 22 六、填料层的压降 25 七、附属设备及主要附件的选型 25 1.塔壁厚 25 2液体分布器 25 3除沫器 26 名师归纳总结 4液体再分布器26 26第 2 页,共 27 页5填料支撑板26 6塔的顶部空间高度- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 八、设计概要表个人资料整理仅限学习使用 27九、对本设计的评判 28参考文献 28 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、化工原理课程设计目的、任务 1. 培育同学查阅资料选用公式和搜寻数据的才能 2. 培育同学在填料吸取塔、精馏塔设计时,既考虑技术上的先进性和可行性,又考

4、 虑经济上的合理性并留意操作时的劳动条件和环境爱护的正确设计思想；3. 培育同学能快速精确的对填料塔进行工艺设计运算的才能 4. 培育同学能用简洁的文字清楚的图表来表达自己设计思想的才能 二、设计任务 碳酸丙烯脂 PC）脱出 CO 2气体填料吸取塔设计三、设计条件1、混合气 变换气）处理量： 50000 Nm3/h 2、进塔混合气体成分： CO2 32, CO 1.5, H 2 44.2, N 2 22.33、进塔吸取剂 碳酸丙烯酯 PC）入塔浓度,自定；4、气液两相的入塔均选定为：305、出塔净化气中 CO 2浓度 0.6% 6、操作压力： 1.6MPa 7、年工作日 330 天,每天 24

5、 小时运行；四、基础数据1.碳酸丙烯酯 PC）的物理性质名师归纳总结 正常沸点,蒸汽压133.32-1Pa 粘度, mPas分子量第 3 页,共 27 页）- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 204 30个人资料整理仅限学习使用102.09 3820500.1 0.24 2.76 1.62 温度, ）0 15 25 40 55 kg/m3）1224 1207 1198 1184 1169 2.比热运算式3.CO2在碳酸丙烯酯 PC）中的溶解度温度 t,）-1kPa 25 26.7 37.8 40 50 亨利系数 E 101.381.13 81.7 101

6、.7 103.5 120.8 4.CO2在碳酸丙烯酯 PC）中的溶解热可近似按下式运算以表示）5.其他物性数据可查化工原理附录设计依据：吸取是利用各组分溶解度的不同而分别气体混合物的操作；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,于是原组分的一分别；对与此题中的易溶气体是 CO2 ；依题意：年工作日以330 天,每天以 24小时连续运行计,有：330 240 50000 13.73=5.44 10 7 吨/年变换气组成及分压如下表进塔变换气CO2 CO H2 N2 合计名师归纳总结 体积百分数 ,%32 1.5 44.2 22.3 100 第 4 页,共 27

7、页组分分压, MPa0.512 0.024 0.707 0.357 1.600 组 分 分 压 ,2 kgf/cm50221 0.245 7.211 3.638 16.32 - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用一、运算前的预备1.CO2在 PC中的溶解度关系CO2 在 PC 中亨利系数数据温度 t,）25 26.7 37.8 40 50 亨利系数 E 101.3-1kPa 81.13 81.7 101.7 103.5 120.8 kPa 作图得：亨利系数与温度近似成直线,且由于高浓度气体吸取,故吸取塔内CO2 的溶解热不能被忽视

8、；现假设出塔气体的温度为,出塔液体的温度为,并取吸取饱和度 定义为出塔溶液浓度对其平稳浓度的百分数）为 量衡算验证上述温度假设的正确性70%,然后利用物料衡算结合热在 40下, CO2 在 PC中的亨利系数 E40=103.5 101.3 kPa=10485 kPa 1出塔溶液中 CO2 的浓度 假设其满意亨利定律）摩尔分数）2依据吸取温度变化的假设,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运算相平稳关系的依据；即： kPa 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理

9、 仅限学习使用CO2在 PC 中溶解的相平稳关系,即：式中：为摩尔比, kmolCO 2/kmolPC；为 CO2的分压, kgf/cm2；T为热力学温度, K；用上述关联式运算出塔溶液中 CO2的浓度有与前者结果相比要小,为安全起见,本设计取后者作为运算的依据；结论：出料 摩尔分数）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名师归纳总结 温度, ）kg/m 3）式中 t 为温度,；为密度, kg/m3）第 6 页,共 27 页55 0 15 25 40 1224 1207 1198 1184 1169 - - - - - - -精选学习资料 - - - - - -

10、 - - - 个人资料整理 仅限学习使用3.PC 蒸汽压的影响依据变换气组成及分压可知,PC 蒸汽压与操作总压及CO2 的气相分压相比均很小,故可忽视；4.PC 的粘度 mPa sT 为热力学温度, K）5. 工艺流程确定：本次吸取采纳逆流吸取的方法；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,并取其相对吸取饱和度均为 70%,将运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视不计,而只考虑 如下：CO2 的溶解）： CO2 溶解量的运算各个溶质溶解量的运算如下：以 CO2为例）40 的平衡溶解度通过第

11、一部分已知CO2在 Nm3/m 3PC 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 /y3-y2=50000 0.32 0.006/0.94780.006=16670Nm3/hV2= V1- V3=33330Nm 3/h5. 运算 PC循环量因每 1 m 3PC 带出 CO2为 8.331 Nm 3 ,故有：L=V3y3/8.331=16670 0.9478/8.331=1897 m 3/h 操作的气液比为 V1/L=50000/1897=26.36 6. 验算吸取液中 CO2残量为 0.15 Nm 3/m 3PC时净化气中 CO2 的

12、含量取脱碳塔阻力降为 0.3kgf/cm 2,就塔顶压强为 16.32-0.3=16.02 kgf/cm 2,此时 CO2的分压为 kgf/cm 2,与此分压呈平稳的 CO2液相浓度为：名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用式中： 1193 为吸取液在塔顶 30时的密度,近似取纯 PC 液体的密度值；运算结果说明,当出塔净化气中CO2的浓度不超过 0.6%,那入塔吸取液中 3/m 3PC,本设计取值正好在其所要求的范畴之CO2的极限浓度不行超过0.259 Nm内,应选取值满意要求；入塔循环液相

13、CO2：1897 0.15 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 差；PC 带走气体的体积流量之CO2：50000 0.32-8.331 1897=196.09Nm 3/h 0.598%CO：50000 0.015-0.016 1897=719.65Nm 3/h 2.16%H2：50000 0.442-0.250 1897=21625.75Nm 3/h 64.92%N2：50000 0.223-0.201 1897=10768.7Nm 3/h 32.33%33330Nm 3/h 100% 运算数据总表出脱碳塔净化气量名师归纳总结 进塔带出气量 V1Nm3/h出塔气量

14、V2Nm3/h溶液带出的总气量V3Nm3/h第 10 页,共 27 页 50000 33200 16800总量气液比26.36入塔气体平均分子量21.628溶解气体平均分子量42.97PC 中的溶解量 溶解气量及其组成）40组分CO2COH2N2溶解度, Nm3/m3PC11.960.02 0.22 0.22 12.42溶解量, Nm3/m3PC8.280.01 0.16 0.16 7.53 溶解体积流量Nm3/h15707.218.97303.52303.5216333.21- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 溶解气所占的百分数%个人资料整理仅限学习使

15、用100.00 96.160.121.861.86溶解量, Nm3/m3PC出塔液相带出气量及其组成 408.798.330.010.25 0.20 体积流量 Nm3/h1580218.97474.337916800溶解气所占的百分数%94.780.162.782.28100.00 入塔气相及其组成 3050000体积流量 Nm3/h160007502210011650溶解气所占的百分数%321.544.222.3100.00 出塔气相的组成 3533330体积流量 Nm3/h196.09719.6521625.7510768.7溶解气所占的百分数%0.5892.1664.9232.34100

16、.00 体积流量 Nm3/h入塔液相及其组成 30285285溶解气所占的百分数%100.00 100三、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；否就,应加大溶剂循环量以维护出塔溶液的温度不超过 40；详细运算步骤如下：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,故借助抱负气体的定压比热容公式近似运算；抱负气体的定压比热容：表：,其温度系数如下名师归纳总结 系a B c d Cp130）Cp232）第 11 页,共 27 页数-2 4.728 1.754 10-1.338 105-9 4.097 108.929/

17、37.38 8.951/37.48 CO2 CO -6 6.662 106.969/29.18 6.97/29.18 -7.373 -0.307 10-3.037 109H2 -3 6.483 2.215 10-9 1.826 106.902/28.90 6.904/28.91 -3.298 106N2 -7.440 -0.324 10-6 6.4 10-9-2.79 106.968/29.18 6.968/29.18 - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用表中 Cp 的单位为 kcal/kmol ） /kJ/kmol ）进出塔气

18、体的比热容Cpv2=Cpiyi =37.48 0.0059+29.18 0.0216+28.91 0.6492+29.18 0.3234 =29.06KJ/Kmol 2. 液体的比热容溶解气体占溶液的质量分率可这样运算：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 kJ/kg 文献查得 kJ/kg ； kJ/kg ,据此算得： kJ/kg 本设计采纳前者；3.CO2的溶解热kJ/kmolCO 2文献查得 kJ/kmolCO 2试验测定值）本设计采纳后者；CO2在 PC 中的溶解量为 8.28 1897=15707.2Nm 3/h=701.2kmol/h 故 Qs=12992

19、701.2=9110692kJ/h 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用4. 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 =50000 31.68 30/22.4=2121428.6 kJ/h QL2=L2CpL2TL2T0=1897 1193 1.426 30=96816316.4kJ/h Qv2=V2Cpv2Tv2T0=33330 29.06 35/22.4=151248 kJ/h QL1=L1CpL1TL1T0

20、=2294714 1.44 TL1=3313567TL1kJ/h 式中： L1=1897 1193+16845-0.2 1897 42.78/22.4=2294714 kg/h 2121428.6+96816316.4+9110692=151248+3313567T TL1=32.6 现均按文献值作热量衡算,即取 kJ/kg ；kJ/kg Qv1=V1Cpv1Tv1T0=26058 31.34 30/22.4=1093738 kJ/h QL2=L2CpL2TL2T0=992 1193 0.3795 30=13473647kJ/h Qv2=V2Cpv2Tv2T0=18391 29.04 35/2

21、2.4=834492 kJ/h QL1=L1CpL1TL1T0=1197720 0.3894 TL1=466392TL1kJ/h 式中： L1=992 1193+7667-0.2 992 42.78/22.4=1197720 kg/h 1093738+13473647+4674626=834492+466392TL1名师归纳总结 TL1=39.5 与理论值比较后,取TL1=39.55. 最终的衡算结果汇总第 13 页,共 27 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - CO2 出塔气相及其组成 35）V 2=33300Nm 3/h 个人资料整理仅限学习使用入

22、塔液相及其组成 30）L 2=1897m 3/h CO H2 N2 Nm3/h CO2 285 CO - H2 - N2 - Nm3/h 196.09 719.65 21625.75 10768.70.5892.16 64.9232.34 % - - - - QL2=96816316.4kJ/h % QV2=151248kJ/h 脱碳塔入塔气相及其组成 30）V1=50000Nm 3/h CO2 CO H2 N2 16000 750 22100 11150 Nm 3/h 32.0 1.5 44.2 22.3 % QV1=2121428.6kJ/h 出塔液相带出气量及其组成40）Nm 3/h %

23、 CO2 L1=2294714kg/h CO H2 N2 15802 18.97 474.25 37993.96 0.21 3.24 2.60 溶解气量及其组成 21.628=48276kg/h 21.628为入塔混合气体的平均分子量 11.218为出塔混合气体的平均分子量Mm2 = 44 0.006+28 0.0216+2 0.6492+28 0.3234= 11.218kg/kmol 塔底吸取液的质量流量 L =2294714kg/h 入塔混合气的密度 未考虑压缩因子）吸取液的密度 40）吸取液的粘度,依下式运算得到：mPas平均温度 35时的值）选mm 塑料阶梯环,其湿填料因子,间隙率,

24、比表面积,Bain-Hougen 关联式常数；1）选用 Eckert 通用关联图法求解名师归纳总结 关联图的横坐标： 0.52294714/48276=5.118第 15 页,共 27 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 查 Eckert通用关联图得纵坐标值为个人资料整理仅限学习使用0.0024,即：303.15/273.15=3513m 3/h=0.9759m 3/sD=4 0.9759/3.14 0.12 0.5=3.22m本次设计取 D=3300mm 3 核算操作气速u=4Vs/3.14 D 2=4 0.9759/3.14 3.3 2=0.12m

25、/s 就操作气体速度取 u=0.12m/s 合适4 核算径比D/d=3300/50=668满意阶梯环的径比要求）名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用5 校核喷淋密度采纳聚丙烯填料表面L喷,min=L喷= /22.4 3600 =0.0493kmol/m 2 s 又溶剂的蒸汽压很低,忽视蒸发与夹带缺失,并视作为恒定不变,那么有L =1897 1193/102.09 3600 8.549=0.7203 kmol/m2s ,吸取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

26、层高度表达式 H=V / Ky a 采纳数值积分法求解,步骤如下：1.将气相浓度 在其操作范畴内 10 等份,其等份间距为 0.0314,并将各分点的 y 值代入式 G L =1+XL 0.75225703/106.48.52480.12257032 =12 exp-106.4/11841.27 10 8-0.052257032/1184 39.1 106.40.2 1由运算知 awat=114.2式中： UL= kg/m .h 、气体、液体的黏度,、气体、液体的密度,、溶质在气体、液体中的扩散系数,R通用气体常数,T系统温度, K 填料的总比表面积,填料的润湿比表面积,g重力加速度, 1.2

27、7 10 8m/h 液体的表面张力,填料材质的临界表面张力,填料外形系数上述修正的恩田公式只适用于的情形,由运算得知u0.5u F气膜吸取系数运算：气体质量通量为名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - = 0.237 104.94 0.8862.5510-4个人资料整理仅限学习使用-3 =5.62 10-4 = 0.237 53.85 0.886 2.51 10-3 =2.84 10液膜吸取系数运算：液体质量通量为 = 0.0095 39.56 0.7648 97.06 = 0.882 =4.23 10-3 106.4

28、 1.45 1.1=0.677 =0.882 106.4 1.45 0.4 =108.88 故修正：=1184/102.09-3 1.6204 30+39.594 101.3=1.29 10 稀 溶液）名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用运算预备：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；第一运算 CO2 在各组分中的扩散系数,然后再运算其在混合气体中的扩散系数；计 算公式如下：DCO2-co=DCO2-H2=DCO2-N2=1-0.006）/

29、0.0216/8.67 10-7+0.6492/3.28 10-6+0.3234/8.62名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页,共 27 页精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用 10-7）=1.209 10-6m 2/s液相：文献介绍了 CO2在 PC 中扩散系数两个运算公式,定性温度取 35；=1.17 10-5 2/s TK；mPa s；Dcm 2/s） =1.01 10-5 2/s TK；mPa s；Dcm 2/s）取大值3）气液两相的粘度0.935=0.015mPas 同理： uG-CO=0.018 mPas uG-H2=0.00

30、93 mPa s uG-N2=0.018 mPas为 0、常压下纯气体组分的粘度,mPas ；m 为关联指数 见下表）CO2 -2 1.34 10m H2 -2 0.84 10m 0.935 0.771 -2 1.66 10-2 1.66 10CO 0.758 N2 0.756 气相：/0.32 44 0.5+0.015 28 0.5+0.442 2 0.5+0.223 28 0.5=0.0150 mPa s液相： mPa s =2.368 mPas4）吸取液与填料的表面张力名师归纳总结 吸取液：=39.1mPas 第 21 页,共 27 页- - - - - - -精选学习资料 - - -

31、- - - - - - 填料：查教材,如聚乙烯塑料个人资料整理仅限学习使用mPas 4.气相总传质单元数作 CO2 在 PC 中的相平稳曲线将运算结果列表如下：气相 CO 2的组成 y摩尔分率）0.006 0.050 0.100 0.200 0.320 气相 CO 2的分压 pkgf/cm2）0.0987 0.816 1.632 3.263 5.211 30对应的液相平稳组成x 0.0009 0.0084 0.0169 0.0337 0.0538 0.0009 0.0078 0.0156 0.0311 0.0497 35对应的液相平稳组成x 0.0008 0.0072 0.0144 0.028

32、8 0.0460 40对应的液相平稳组成x 因温度变化不大,故取平均温度下的数值作图得始终线,这说明 利定律；但因操作关系不为直线,故仍需采纳图解积分或数值积分；5.气相总传质单元数采纳传质单元数的近似简化法运算CO 在 PC 中的溶解情形满意亨名师归纳总结 图中数据源于下表数据,y、x 数据由操作线方程1）运算而得；y *由 y*=6.6673x-0.00027 运算第 22 页,共 27 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 个人资料整理 仅限学习使用而得；-2 y 100.6 3.74 6.88 10.02 13.16 16.30 19.44 22.58 25.72 28.86 32.00 -2 x 100.057 0.28 0.52 0.71 1.050 1.35 1.67 2.01 23.9 27.9 32.4 y* 10-20.353 1.84