合成氨原料氣二氧化碳脫除課程設(shè)計

1、<p><b>　　一、概述：</b></p><p>　　吸收是利用各組分溶解度的不同而分離氣體混合物的操作?；旌蠚怏w與適當(dāng)?shù)囊后w接觸，氣體中的一個或幾個組分便溶解于液體中而形成溶液，于是原組分的一部分氣體分離。對與此題中的易溶氣體是CO2 。</p><p>　　依題意：年工作日以330天，每天以24小時連續(xù)運行計，合成氨原料氣處理量為23500m3/

2、h。變換氣組成及分壓如下表</p><p>　　表 變換氣的組成及分壓</p><p>　　工業(yè)上脫除二氧化碳的方法主要有物理吸收法，化學(xué)吸收法，物理化學(xué)吸收法。本次設(shè)計是小合成氨廠原料氣中二氧化碳的脫除，化學(xué)吸收法對工人素質(zhì)要求較高，因此采用物理吸收法。</p><p>　　物理吸收法適合于CO2分壓較高，凈化度要求低的情況，再生時不用加熱，只需降壓或汽提，總能

3、耗比化學(xué)吸收法低，但CO2分離回收率低，在脫CO2前需將硫化物去除。物理吸收是利用原料氣中的溶質(zhì)(CO2)在吸收劑中的溶解度較大而除去的方法。一般吸收采用高壓及低溫，解吸時采用減壓或升溫，減壓解吸所需再生能量相當(dāng)少。此法的關(guān)鍵是選擇優(yōu)良的吸收劑。所選的吸收劑必須對CO2的溶解度大、選擇性好、沸點高、無腐蝕、無毒性、性能穩(wěn)定。典型的物理吸收法有加壓水洗法、N2甲基吡咯烷酮法、低溫甲醇法、碳酸丙烯酯法(Flour法)等。</p>

4、<p>　　碳酸丙烯酯法是碳酸丙烯酯為吸收劑的脫碳方法。碳酸丙烯酯對CO2、H2S的溶解度較大，具有溶解熱低、黏度小、蒸汽壓低、無毒、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、無腐蝕等優(yōu)點。此法CO2的分離回收率較高，能耗低已得到小合成氨廠的廣泛應(yīng)用，經(jīng)過各種方法的比較，最后選擇用碳酸丙烯酯法吸收二氧化碳。</p><p><b>　　二、生產(chǎn)流程說明</b></p><p>　　

5、碳酸丙烯酯脫碳工藝流程一般由吸收、閃蒸、汽提（即溶劑再生）和氣相中帶出的溶劑回收等部分組成。（見下圖）參考[4]</p><p>　　吸收過程：由氮氫壓縮工段來的約1.6MPa的變換氣，經(jīng)油分離器再次分離氣體中的油沫后，從脫碳塔底部進(jìn)入，變換氣與塔中噴淋的碳酸丙烯酯液逆流接觸，變換氣中大部分的二氧化碳被碳酸丙烯酯溶液吸收，出脫碳塔的凈化氣中含CO2<1.1%.再經(jīng)碳酸丙烯酯回收器、碳酸丙烯酯分離器除去氣體中

6、夾帶的碳酸丙烯酯霧沫后送出工段去氮氫氣壓縮工段。</p><p>　　吸收了CO2后的碳酸丙烯酯富液從脫碳塔底引出并減壓進(jìn)入閃蒸槽，閃蒸出溶解于富液中的H2、N2、CO及部分CO2氣體。閃蒸氣經(jīng)碳酸丙烯酯捕集器除去氣體中夾帶的碳酸丙烯酯霧沫后送往氮氫氣壓縮工段予以回收，閃蒸后的碳酸丙烯酯富液進(jìn)入常解再生塔上段常解塔進(jìn)行二氧化碳解吸。出塔常解氣含CO2>98%由汽提鼓風(fēng)機補入防腐空氣后常解氣含CO2>9

7、5.7%(干基CO2氣體含氧量為0.5～0.6%)，再經(jīng)羅茨鼓風(fēng)機加壓后，送至洗滌塔上洗去氣體中夾帶的碳酸丙烯酯霧沫后送往尿素裝置的CO2壓縮工段。</p><p>　　常解后的碳酸丙烯酯溶液溢流進(jìn)入常解再生塔下塔頂部與汽提鼓風(fēng)機送入塔內(nèi)的空氣逆流接觸，進(jìn)一步氣提出殘留于富液的二氧化碳。汽提氣經(jīng)洗滌塔下塔去氣體中的碳酸丙烯酯霧沫后放空。出常解再生塔的碳酸丙烯酯貧液至中間貯槽再經(jīng)脫碳泵加壓到約2.1MPa,經(jīng)溶劑冷

8、卻器冷至35℃送入脫碳循環(huán)使用。</p><p>　　閃蒸是在低于吸收操作壓力下使溶于溶劑中的氣體解吸出來的過程。是物理溶劑再生方法中最常用的方法。閃蒸的另一目的是為了回收溶于溶劑中的某些氣體組分，如：氫氣、甲烷等。由于各種氣體組分在碳酸丙烯酯中具有不同的溶解度和平衡規(guī)律，因此可以通過控制閃蒸壓力來控制閃蒸氣中各組分的比例及各組分的解吸量。一般情況下，難溶氣體易于閃蒸解吸。根據(jù)這個原理，可通過一至幾級不同壓力等級

9、的減壓，使溶于溶劑中的不同氣體組分在解吸時得到相對是分</p><p>　　離和提純，這樣，工業(yè)上就可以按要求分別回收到各種氣體組分。閃蒸級數(shù)的確定往往與回收氣體的種類、數(shù)量和純度有關(guān)，每一級的閃蒸壓力都不同。從吸收塔富液的第一級閃蒸到壓力遞減到常壓。各級閃蒸壓力在確定后，如果溶劑在該閃蒸氣中有充足的停留時間，那么溶于該溶劑中的各種氣體組分將充分解吸，直接趨近于這些氣體在該溫度、該組分氣相分壓時的平衡溶解度。如在

10、合成氨變換氣的脫碳工藝上，往往設(shè)置二級至三級減壓閃蒸。第一級減壓閃蒸（如0.5MPa）是為了回收溶于溶劑中的氫氣和氮氣，第二級減壓閃蒸（如常壓）是為了回收二氧化碳，同時使溶劑中的酸氣（二氧化碳）等濃度降低，以達(dá)到再生溶劑的目的。當(dāng)原料氣中二氧化碳分壓為0.5MPa左右時，經(jīng)溶劑吸收，再通過減壓閃蒸（包括常壓閃蒸），一般可將二氧化碳吸收量的75%左右解吸出去，剩余的25%左右將從汽提塔中吹出。如生產(chǎn)上需要多回收一些高純度的二氧化碳?xì)怏w。

11、可在常壓閃蒸后再增設(shè)真空閃蒸。</p><p>　　吸收過程和溶劑再生過程是碳酸丙烯酯脫碳脫硫工藝中最基本的兩個環(huán)節(jié)。</p><p>　　碳酸丙烯酯溶液的再生原理：當(dāng)二氧化碳分壓在2.0MPa以下時，碳酸丙烯酯吸收二氧化碳基本上符合亨利定律：,提高吸收壓力，平衡溶解度增加，對原料氣凈化有利。與吸收過程相反，降低壓力可使溶解在碳酸丙烯酯中的二氧化碳?xì)怏w解吸出來，溶解在碳酸丙烯酯中的二氧化碳

12、等氣體的解吸過程即稱為碳酸丙烯酯富液的再生。在低于吸收操作壓力下時溶于溶劑中的氣體解吸出來時物理溶劑再生中最常用的方法。再生度是指碳酸丙烯酯富液經(jīng)再生后，殘留在溶劑中的二氧化碳的含量，含量越低，則再生度越高。常壓閃蒸后的溶劑再經(jīng)過汽提的再生工藝，是目前碳酸丙烯酯脫碳工藝中采用最普遍的一種。我國合成氨廠配尿素、純堿的脫碳工藝基本上如此。汽提所用的惰性氣體為空氣。為了保證吸收工序后凈化氣中二氧化碳含量在2%左右。所以溶劑的再生度要求較高。脫

13、碳過程中的能量回收：在碳酸丙烯酯脫碳過程中，有汽液料的升壓和降壓過程，為了合理采用工藝本身的能量再流程圖上，應(yīng)考慮相應(yīng)的能量回收裝置。</p><p>　　真空再生主要設(shè)備為真空再生塔。再生再生塔內(nèi)的真空度由外接真空裝置調(diào)節(jié)。當(dāng)溶劑溫度一定時，真空度越大，從溶劑中解吸出來的二氧化碳等氣體量也越多，溶劑再生越完全。此時解吸出來的二氧化碳?xì)饬靠山频匕炊趸荚谔妓岜ブ邢嗥胶馐竭M(jìn)行計算。</p>&

14、lt;p>　　再生塔是溶解氣體從溶劑中解吸出來的裝置，根據(jù)工藝流程的需要，選擇不同的塔型，在采用常解壓汽提再生流程時，再生塔常解部分時淋降板式塔，汽提部分采用填料塔，而真空再生流程則全部為淋降板式塔型，采用淋降板式結(jié)構(gòu)優(yōu)點在于增加解吸表面積，利于溶劑中溶解氣體解析完全。液體從上一層塔盤的中心降液管下來，由邊緣降液管流下，再下一層塔盤上，再轉(zhuǎn)為中心管降液，液體在各層塔盤上依次做離心或向心的徑向運動。塔盤設(shè)有不同高度的溢流堰，以減少每

15、段行程長度，降低每段行程的液面落差。</p><p>　　汽提塔的作用是，以惰性氣體吹洗溶劑，使溶劑中殘留二氧化碳、硫化氫等酸性氣體的含量得到進(jìn)一步降低。汽提過程實際上是吸收的逆過程。因此，可在一只氣液逆流接觸的塔式設(shè)備內(nèi)進(jìn)行。工業(yè)上大多采用填料塔。與吸收塔的氣液物料濃、稀端正好相反，在汽提塔的操作過程中，氣液濃端均在塔上部，而氣液物料的稀端都在塔下部。</p><p>　　隨工藝氣體帶出

16、的溶劑出了以霧沫（氣體中的霧沫一般是指直徑在50以上的液滴，它可以通過網(wǎng)除霧器等簡單的裝置將這些液滴從氣體中捕集下來）形式帶出以外，另一種形式是溶劑蒸汽。這部分溶劑蒸汽在通過絲網(wǎng)除霧器時并不能捕集回收下來。因此需要在工藝上另行考慮回收裝置。目前，工業(yè)上回收氣流中溶劑蒸氣的方法，主要采用水洗滌法，該法使含有溶劑蒸氣的氣體通過水洗滌塔，使溶劑蒸氣溶解于水中成為稀的碳酸丙烯酯水溶液，生產(chǎn)上俗稱為稀液。該法因基于水和碳酸丙烯酯的部分互溶性。因此

17、只有在互溶范圍內(nèi)，溶劑蒸氣才能有效溶于水中。</p><p>　　循環(huán)洗滌法是指水中溶劑濃度在控制指標(biāo)以下時，用泵輸送到回收塔中連續(xù)循環(huán)，使氣體中的溶劑蒸汽不斷溶于循環(huán)稀液內(nèi)，直到稀液中溶劑濃度達(dá)到控制指標(biāo)時才注入循環(huán)溶劑中</p><p>　　回收常解氣、汽提氣中碳酸丙烯酯霧沫的稀液，當(dāng)在洗滌塔中循環(huán)濃度達(dá)～12%時，即加入至中間貯槽中回收作碳酸丙烯酯補充使用。當(dāng)碳酸丙烯酯溶液中有雜物時

18、，設(shè)計中設(shè)有碳酸丙烯酯過濾器，將雜物濾出，以保證生產(chǎn)正常進(jìn)行。</p><p>　　在碳酸丙烯酯脫碳過程中，有氣液物料的升壓和降壓過程，為了合理采用工藝本身的能量，在流程上，應(yīng)考慮相應(yīng)的能量回收裝置。</p><p>　　在整個工藝流程中，要適當(dāng)調(diào)節(jié)吸收氣液比，吸收氣液比是指單位時間內(nèi)進(jìn)吸收塔的原料氣體積（標(biāo)態(tài)）與進(jìn)料貧液體積（工況下）之比，該比值在某種程度上也是反映生產(chǎn)能力的一種參數(shù)。由

19、于單位體積溶劑在一定條件下，所吸收的酸性氣體量基本為一定值，因而在其他條件不變的情況下，凈化氣中二氧化碳凈化度明顯的隨著氣液比的減少而增加。</p><p>　　對填料塔而言，加大氣液兩相的接觸面積可以提高吸收飽和度，加大氣液接觸面積的措施一般可通過增大填料容量或選擇比表面積較大的填料來實現(xiàn)。提高R值之后雖然可降低溶劑循環(huán)量，但也必須考慮R值增加后，相應(yīng)的塔高也將增加，這樣，在工程設(shè)計中，應(yīng)針對具體工況進(jìn)行技術(shù)經(jīng)

20、濟(jì)比較后再選取合理的R值，工業(yè)上，吸收飽和度R值一般取70～80%之間。</p><p>　　對于整個工藝過程，氣體的凈化程度也是一項重要的指標(biāo)，溶劑貧度主要對氣體凈化程度有影響。溶劑貧度是指再生溶劑中某關(guān)鍵組分含量大小，以氣體標(biāo)準(zhǔn)體積/體積溶劑表示，在脫碳工藝中，關(guān)鍵組分為二氧化碳，溶劑貧度是指二氧化碳在貧液中的含量。溶劑貧度的大小主要取決于汽提過程的操作。當(dāng)操作溫度確定后，在氣液相有充分接觸面積的情況下，溶劑

21、貧度與惰性氣量有直接關(guān)系，汽提氣液比愈大，則溶劑貧度值愈小，但不能過分的加大汽提氣液比。這樣會增加經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。惰性氣量究竟以多少為宜，以滿足溶劑貧度的要求為準(zhǔn)。在實際生產(chǎn)中，常壓閃蒸后的溶劑中，一般二氧化碳含量為2.0～3.0m3(標(biāo))/m3溶劑左右。此時，汽提氣液比控制在6～12即可，使C1達(dá)到所需程度。</p><p><b>　　三、計算前的準(zhǔn)備</b></p><p

22、>　　1.CO2在PC中的溶解度關(guān)系</p><p>　　CO2在PC中亨利系數(shù)數(shù)據(jù)</p><p>　　作圖得：亨利系數(shù)與溫度近似成直線，且kPa</p><p>　　因為高濃度氣體吸收，故吸收塔內(nèi)CO2的溶解熱不能被忽略?，F(xiàn)假設(shè)出塔氣體的溫度為，出塔液體的溫度為，并取吸收飽和度（定義為出塔溶液濃度對其平衡濃度的百分?jǐn)?shù)）為70%，然后利用物料衡算結(jié)合熱量衡算

23、驗證上述溫度假設(shè)的正確性</p><p>　　在40℃下，CO2在PC中的亨利系數(shù)E40=103.5×101.3 kPa=10485 kPa</p><p>　?。?）．出塔溶液中CO2的濃度（假設(shè)其滿足亨利定律）</p><p><b>　?。柗?jǐn)?shù)）</b></p><p>　?。?）．根據(jù)吸收溫度變化的

24、假設(shè)，在塔內(nèi)液相溫度變化不大，可取平均溫度35℃下的CO2在PC中溶解的亨利系數(shù)作為計算相平衡關(guān)系的依據(jù)。即：</p><p><b>　　kPa</b></p><p>　　CO2在PC中溶解的相平衡關(guān)系，即：</p><p>　　式中：為摩爾比，kmolCO2/kmolPC；為CO2的分壓，kgf/cm2；T為熱力學(xué)溫度，K。</p&

25、gt;<p>　　用上述關(guān)聯(lián)式計算出塔溶液中CO2的濃度有</p><p>　　與前者結(jié)果相比要小，為安全起見，本設(shè)計取后者作為計算的依據(jù)。</p><p>　　結(jié)論：出料（摩爾分?jǐn)?shù)）</p><p>　　2.PC密度與溫度的關(guān)系</p><p>　　利用題給數(shù)據(jù)作圖，得密度與溫度的關(guān)聯(lián)表達(dá)式為</p><p

26、>　?。ㄊ街衪為溫度，℃；為密度，kg/m3）</p><p>　　3.PC蒸汽壓的影響</p><p>　　根據(jù)變換氣組成及分壓可知，PC蒸汽壓與操作總壓及CO2的氣相分壓相比均很小，故可忽略。</p><p><b>　　4.PC的粘度</b></p><p>　　mPa·s（T為熱力學(xué)溫度，K）&l

27、t;/p><p><b>　　5.工藝流程確定：</b></p><p>　　本次吸收采用逆流吸收的方法。</p><p><b>　　四、物料衡算</b></p><p>　　1.各組分在PC中的溶解量</p><p>　　查各組分在操作壓力為1.6MPa、操作溫度為40℃下在

28、PC中的溶解度數(shù)據(jù)，并取其相對吸收飽和度均為70%，將計算所得結(jié)果列于下表（亦可將除CO2以外的組分視為惰氣而忽略不計，而只考慮CO2的溶解）：CO2溶解量的計算如下：</p><p>　　各個溶質(zhì)溶解量的計算如下：（以CO2為例）</p><p>　　通過第一部分已知CO2在40℃的平衡溶解度</p><p><b>　　Nm3/m3PC</b&g

29、t;</p><p>　　式中：1184為PC在40℃時的密度，102.09為PC的相對摩爾質(zhì)量。</p><p>　　CO2的溶解量為（10.29-0.15）×0.7=7.1 Nm3/m3PC</p><p>　　說明：進(jìn)塔吸收液中CO2的殘值取0.15 Nm3/m3PC，故計算溶解量時應(yīng)將其扣除。其他組分溶解度就微小，經(jīng)解吸后的殘值可被忽略。</

30、p><p><b>　　平均分子量：</b></p><p>　　入塔混合氣平均分子量：</p><p>　　溶解氣體的平均分子量：</p><p>　　2.溶劑夾帶量Nm3/m3PC</p><p>　　以0.2 Nm3/m3PC計，各組分被夾帶的量如下：</p><p>　

31、　CO2：0.2×0.275=0.055 Nm3/m3PC</p><p>　　CO：0.2×0.0368=0.0072 Nm3/m3PC</p><p>　　H2： 0.2×0.5=0.1 Nm3/m3PC</p><p>　　N2： 0.2×0.181=0.0362 Nm3/m3PC</p><p>

32、;　　CH4：0.2×0.0049=0.0014</p><p>　　3.溶液帶出的氣量Nm3/m3PC</p><p><b>　　各組分溶解量：</b></p><p>　　CO2： 7.1 Nm3/m3PC 95.35%</p><p>　　CO： 0.0168 Nm3/m3PC

33、 0.2256%</p><p>　　H2： 0.175 Nm3/m3PC 2.35%</p><p>　　N2： 0.14Nm3/m3PC 1.88%</p><p>　　CH4： 0.014Nm3/m3PC 0.188%</p><p>　　

34、7.446Nm3/m3PC 100%</p><p>　　夾帶量與溶解量之和：</p><p>　　CO2：0.055+7.1=7.155Nm3/m3PC 93.58%</p><p>　　CO：0.0077+0.0168=0.02452 Nm3/m3PC 0.32%</p><p>

35、;　　H2：0.1+0.175=0.275Nm3/m3PC 3.69%</p><p>　　N2：0.0362+0.14=0.1762 Nm3/m3PC 2.37%</p><p>　　CH4： 0.00144+0.014=0.01544Nm3/m3PC 0.21%</p><p>　　7.6

36、46Nm3/m3PC 100%</p><p>　　4.出脫碳塔凈化氣量</p><p>　　以分別代表進(jìn)塔、出塔及溶液帶出的總氣量，以分別代表CO2相應(yīng)的體積分率，對CO2作物料衡算有：</p><p>　　V1 =23500 Nm3/ h</p><p><b>　　聯(lián)立兩式解之得</b><

37、;/p><p>　　V3=V1(y1-y2)/(y3-y2)=23500×(0.275－0.011)/(0.9358－0.011)=6708.48Nm3/h</p><p>　　V2 = V1 - V3 =16791.52 Nm3/ h</p><p><b>　　5.計算PC循環(huán)量</b></p><p>　　因

38、每1 m3PC 帶出CO2為7.155Nm3 ，故有：</p><p>　　L=V3y3/7.155=6708.48×0.9358/7.155=877.4m3/h</p><p>　　操作的氣液比為V1/L=23500/877.4=26.784</p><p>　　6.驗算吸收液中CO2殘量為0.15 Nm3/m3PC時凈化氣中CO2的含量</p&g

39、t;<p>　　取脫碳塔阻力降為0.3kgf/cm2，則塔頂壓強為16.32-0.3=16.02 kgf/cm2，此時CO2的分壓為 kgf/cm2，與此分壓呈平衡的CO2液相濃度為：</p><p>　　式中：1193為吸收液在塔頂30℃時的密度，近似取純PC液體的密度值。計算結(jié)果表明，當(dāng)出塔凈化氣中CO2的濃度不超過0.5%，那入塔吸收液中CO2的極限濃度不可超過0.216 Nm3/m3PC，本

40、設(shè)計取值正好在其所要求的范圍之內(nèi)，故選取值滿足要求。</p><p><b>　　入塔循環(huán)液相</b></p><p>　　CO2：877.4×0.15=131.61</p><p><b>　　7.出塔氣體的組成</b></p><p>　　出塔氣體的體積流量應(yīng)為入塔氣體的體積流量與PC

41、帶走氣體的體積流量之差。</p><p>　　CO2：23500×0.275-7.155×877.4=189.7Nm3/h 1.1%</p><p>　　CO：23500×0.0368-0.02452×877.4=843.3Nm3/h 5%</p><p>　　H2： 23500

42、5;0.5-0.275×877.4=11508.7Nm3/h 68.5%</p><p>　　N2： 23500×0.181-0.1762×877.4=4098.9Nm3/h 24.4%</p><p>　　CH4：23500×0.0072-0.01544×877.4=155.65 Nm3/h 0.93

43、%</p><p>　　16796.25Nm3/h 100%</p><p><b>　　五、熱量衡算</b></p><p>　　在物料衡算中曾假設(shè)出塔溶液的溫度為40℃，現(xiàn)通過熱量衡算對出塔溶液的溫度進(jìn)行校核，看其是否在40℃之內(nèi)。否則，應(yīng)加大溶劑循環(huán)量以維持出塔溶液的溫度不超過40℃。具體計算步驟如下：</p>

44、;<p>　　1.混合氣體的定壓比熱容</p><p>　　理想氣體的定壓比熱容：，其溫度系數(shù)如下表：</p><p>　　表中Cp的單位為（kcal/kmol·℃）/（kJ/kmol·℃）</p><p><b>　　進(jìn)出塔氣體的比熱容</b></p><p>　　Cpv2=∑Cpiy

45、i</p><p>　　=37.48×0.011+29.18×0.05+28.91×0.685+29.18×0.244+20.49×0.0093</p><p>　　=28.99KJ/Kmol·℃</p><p><b>　　2.液體的比熱容</b></p><p&

46、gt;　　溶解氣體占溶液的質(zhì)量分率可這樣計算：</p><p><b>　　質(zhì)量分率為</b></p><p>　　其量很少，因此可用純PC的比熱容代之。本設(shè)計題目中</p><p><b>　　kJ/kg·℃</b></p><p>　　文獻(xiàn)查得 kJ/kg·℃,據(jù)此算得：&l

47、t;/p><p>　　kJ/kg·℃； kJ/kg·℃</p><p><b>　　本設(shè)計采用前者。</b></p><p><b>　　3.CO2的溶解熱</b></p><p>　　kJ/kmolCO2</p><p>　　文獻(xiàn)查得 kJ/kmolCO2（

48、實驗測定值）</p><p><b>　　本設(shè)計采用后者。</b></p><p>　　CO2在PC中的溶解量為7.1×877.4=6229.54Nm3/h=278kmol/h</p><p>　　故Qs=14654×278=4073812kJ/h</p><p><b>　　4.出塔溶液的

49、溫度</b></p><p>　　設(shè)出塔氣體溫度為35℃，全塔熱量衡算有：</p><p>　　帶入的熱量（QV1+QL2）+ 溶解熱量（Qs）= 帶出的熱量（QV2+QL1）</p><p>　　Qv1=V1Cpv1(Tv1－T0)=23500×31.38×30/22.4=987629 kJ/h</p><p&g

50、t;　　QL2=L2CpL2(TL2－T0)=877.4×1193×1.426×30=44779460kJ/h</p><p>　　Qv2=V2Cpv2(Tv2－T0)=16796×28.99×35/22.4=760806kJ/h</p><p>　　QL1=L1CpL1(TL1－T0)=1059167×1.44×TL1

51、=1525200.48 TL1kJ/h</p><p>　　式中：L1=877.4×1193+(6708-0.2×877.4)×42.62/22.4=1059167 kg/h</p><p>　　987629+44779460+4073812=760806+1525200TL1</p><p><b>　　TL1=32℃<

52、;/b></p><p>　　現(xiàn)均按文獻(xiàn)值作熱量衡算，即取 kJ/kg·℃； kJ/kg·℃</p><p>　　Qv1=V1Cpv1(Tv1－T0)=23500×31.38×30/22.4=987629kJ/h</p><p>　　QL2=L2CpL2(TL2－T0)=877.4×1193×0.37

53、95×30=11917115kJ/h</p><p>　　Qv2=V2Cpv2(Tv2－T0)=16796×28.99×35/22.4=760806kJ/h</p><p>　　QL1=L1CpL1(TL1－T0)=1059167×0.3894×TL1=412440TL1kJ/h</p><p>　　式中：L1=99

54、2×1193+(7667-0.2×992)×42.78/22.4=1197720 kg/h</p><p>　　987629+11917115+4073812=760806+412440TL1</p><p>　　T L1=39.5℃ 與理論值比較后，取T L1=39.5℃</p><p>　　六、設(shè)備工藝與結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計計算</

55、p><p>　　1確定塔徑及相關(guān)參數(shù)</p><p>　　塔底氣液負(fù)荷大，依塔底氣液負(fù)荷條件求取塔徑</p><p>　　采用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖法求取泛點氣速，并確定操作氣速。</p><p>　　入塔混合氣體的質(zhì)量流量V’=(23500÷22.4)×19.364=20315 kg/h</p><p&g

56、t;　　19.368為入塔混合氣體的平均分子量</p><p>　　8.685為出塔混合氣體的平均分子量</p><p>　　Mm2 = 440.011+280.05+20.685+280.0.244+16×0.0093= 8.685kg/kmol</p><p>　　塔底吸收液的質(zhì)量流量L’=1059167kg/h</p><p>

57、;　　入塔混合氣的密度（未考慮壓縮因子）</p><p>　　吸收液的密度（40℃）</p><p>　　吸收液的粘度，依下式計算得到：</p><p>　　mPa·s（平均溫度35℃時的值）</p><p>　　選mm塑料鮑爾環(huán)（米字筋），其濕填料因子，空隙率，比表面積，Bain-Hougen關(guān)聯(lián)式常數(shù)。</p>&

58、lt;p>　?。?）選用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖法求解</p><p>　　關(guān)聯(lián)圖的橫坐標(biāo)：（v/l）0.5L’/V’=(12.29/1184)0.51059167/20315=5.312</p><p>　?。?）采用Ecekert通用關(guān)聯(lián)圖法計算泛點氣速uF。</p><p>　　通用填料塔泛點和壓降的通用關(guān)聯(lián)圖如下：</p><p>

59、;　　附圖填料塔泛點和壓降的通用關(guān)聯(lián)圖（引自《化工原理》）</p><p>　　圖中 u0——空塔氣速，m /s； φ——濕填料因子，簡稱填料因子，1 /m； ψ——水的密度和液體的密度之比； g——重力加速度，m /s2； ρV、ρL——分別為氣體和液體的密度，kg /m3； wV、wL——分別為氣體和液體的質(zhì)量流量，kg /s。 此圖適用于亂堆的顆粒形填料，如拉西環(huán)、弧鞍形填料、矩鞍形填料、鮑爾環(huán)

60、等，其上還繪制了整砌拉西環(huán)和弦柵填料兩種規(guī)整填料的泛點曲線。對于其他填料，尚無可靠的填料因子數(shù)據(jù)。</p><p>　　查Eckert通用關(guān)聯(lián)圖得縱坐標(biāo)值為0.0025，</p><p><b>　　即：</b></p><p>　?。?）選用Bain-Hougen關(guān)聯(lián)式求解</p><p>　　根據(jù)設(shè)計u=0.1m/s

61、</p><p><b>　　2求取塔徑</b></p><p>　　Vs=23500(0.1013/1.6)(303.15/273.15) =0.4584m3/s</p><p>　　D=(4×0.4584/3.14×0.1)0.5=2.4165m</p><p>　　本次設(shè)計取D=2600mm&l

62、t;/p><p><b>　　3核算操作氣速</b></p><p>　　u=4Vs/3.14×D2=4×0.4584/3.14×2.62=0.0864m/s</p><p><b>　　4 核算徑比</b></p><p>　　D/d=2600/50=52>10~1

63、5（滿足鮑爾環(huán)的徑比要求）</p><p><b>　　5校核噴淋密度</b></p><p><b>　　采用聚丙烯填料表面</b></p><p>　　L噴，min=（MWR）at =0.08×106.4=8.512m3/(m2.h)</p><p><b>　　L噴=（滿足

64、要求）</b></p><p><b>　　七、填料高度的計算</b></p><p><b>　　1.計算前的準(zhǔn)備</b></p><p>　　塔截面積∩=0.785D2=5.307㎡</p><p>　　因其他氣體的溶解度很小，故將其他氣體看作是惰氣并視作為恒定不變，那么，惰氣的摩爾

65、流率</p><p>　　G’=23500(1-0.275)/(22.4×3600×∩)=0.0398kmol/(m2·s)</p><p>　　又溶劑的蒸汽壓很低，忽略蒸發(fā)與夾帶損失，并視作為恒定不變，那么有</p><p>　　L’=877.4×1193/(102.09×3600×5.307)=0.53

66、67kmol/(m2·s)</p><p><b>　　，</b></p><p>　　吸收塔物料衡算的操作線方程為</p><p>　　將上述已知數(shù)據(jù)代入操作線方程，整理得</p><p>　　選用填料層高度計算準(zhǔn)備：</p><p>　?。?）兩相摩爾流率與質(zhì)量流率的轉(zhuǎn)換</p

67、><p><b>　　氣相平均分子量為：</b></p><p>　　氣相平均分子量為：34.1y+9.9</p><p>　　VG=(34.1y+9.9)G</p><p><b>　?。ㄏ∪芤海?lt;/b></p><p>　?。?）CO2在氣相和液相中的擴散系數(shù)</p&g

68、t;<p>　　氣相：分兩步進(jìn)行，定性溫度取32.5℃。</p><p>　　首先計算CO2在各組分中的擴散系數(shù)，然后再計算其在混合氣體中的擴散系數(shù)。計算公式如下：</p><p><b>　　DCO2-co=</b></p><p><b>　　DCO2-H2=</b></p><p&g

69、t;<b>　　DCO2-N2=</b></p><p>　　=1.77×10-6m2/s</p><p>　　液相：文獻(xiàn)介紹了CO2在PC中擴散系數(shù)兩個計算公式，定性溫度取35℃。</p><p>　　=1.17×10-5㎝2/s （T—K；—mPa·s；D—cm2/s）</p><p&g

70、t;　　=1.01×10-5 ㎝2/s （T—K；—mPa·s；D—cm2/s）</p><p><b>　　取大值</b></p><p>　?。?）氣液兩相的粘度</p><p><b>　　式（4.2）</b></p><p><b>　　（純組分的粘度）<

71、/b></p><p><b>　　—i氣體粘度，cp</b></p><p>　　—i氣體在0℃，常壓時的粘度，cp</p><p><b>　　m—關(guān)聯(lián)式指數(shù)</b></p><p>　　表 0℃時常壓氣體的粘度</p><p><b>　　表 關(guān)聯(lián)式指數(shù)

72、m</b></p><p>　　計算得：=1.24×10-2mpa﹒s =1.22×10-2mpa﹒s</p><p>　　=0.63×10-2mpa﹒s =1.21×10-2mpa﹒s </p><p>　　=0.89×10-2mpa﹒s</p><p&g

73、t;　　將以上數(shù)據(jù)代入下面公式可得</p><p>　　所以 ==1.1×10-2 mpa﹒s=0.0401</p><p>　　uG-CO2=1.34×10-2(305.5/273.15)0.935=0.015mPa·s</p><p>　　同理：uG-CO=0.018 mPa·s</p><p>

74、;　　uG-H2=0.0093 mPa·s</p><p>　　uG-N2=0.018 mPa·s</p><p><b>　　液相： mPa·s</b></p><p>　　=2.368 mPa·s</p><p>　?。?）吸收液與填料的表面張力</p><

75、p>　　吸收液：=39.1 mPa·s</p><p>　　填料：查教材，知聚乙烯塑料 mPa·s</p><p><b>　　由手冊查得 </b></p><p>　　E==83.1×101.38416 kPa</p><p><b>　　相平衡常數(shù)為 </b>

76、</p><p>　　m=E/P=8416/1600=5.26溶解度系數(shù)為</p><p>　　H=ρ/EM=1.29kmol/kPam3</p><p><b>　　3.計算的傳質(zhì)系數(shù)</b></p><p>　　=1－exp｛-1.45(33/39.1)0.75(199594/106.4·8.5248)0

77、.1(1995942·106.4/11842·1.27×108)-0.05(1995942/1184×39.1×106.4)0.2｝≈1</p><p>　　由計算知aw≈at=106.4</p><p>　　式中：液體質(zhì)量通量為 UL=199594kg/(m . h)</p><p>　　、－氣體、液體的黏度，

78、</p><p>　　、－氣體、液體的密度，</p><p>　　、－溶質(zhì)在氣體、液體中的擴散系數(shù)， </p><p><b>　　R－通用氣體常數(shù)，</b></p><p><b>　　T－系統(tǒng)溫度，K</b></p><p>　?。盍系目偙缺砻娣e，</p>

79、<p>　?。盍系臐櫇癖缺砻娣e，</p><p>　　g－重力加速度，1.27×108m/h</p><p><b>　　－液體的表面張力，</b></p><p>　?。盍喜馁|(zhì)的臨界表面張力，</p><p><b>　?。盍闲螤钕禂?shù)</b></p>&l

80、t;p>　　上述修正的恩田公式只適用于的情況，由計算得知u0.5uF </p><p>　　2.氣膜吸收系數(shù)計算： </p><p>　　氣體質(zhì)量通量為 </p><p><b>　　=5.8910-3</b></p><p><b>　　=2.6910-3</b></

81、p><p>　　3.液膜吸收系數(shù)計算： </p><p><b>　　= 0.8133</b></p><p>　　= 4.335×10-3×106.4×1.451.1 = 0.694</p><p>　　= 0.8133×106.4×1.450.4 = 130.226&

82、lt;/p><p><b>　　故修正：</b></p><p>　　=1184/(102.09×(1.6204×30+39.594)×101.3=1.29×10-3（稀溶液）</p><p>　　4.氣相總傳質(zhì)單元高度</p><p><b>　　計算：</b>

83、</p><p>　　由于對于PC，CO2為易吸收氣體，為氣膜控制</p><p><b>　　10-7</b></p><p><b>　　m</b></p><p>　　5.氣相總傳質(zhì)單元數(shù)</p><p>　　查30℃時相平衡常數(shù)m=5.26</p>&l

84、t;p><b>　　所以： NOG =</b></p><p>　　填料層的有效傳質(zhì)高度Z=HOG﹒NOG =0.8664×12.32=10.674m</p><p>　　設(shè)計高度H=1.2910.674=13.77m</p><p><b>　　八、填料層壓降</b></p><p&g

85、t;　　用Eckert通用關(guān)聯(lián)圖計算壓降</p><p>　　橫坐標(biāo)：（前已算出）</p><p>　　縱坐標(biāo)：0.00133</p><p>　　查圖得：30×9.81Pa/m</p><p><b>　　九、輔助設(shè)備設(shè)計</b></p><p>　　1. 液體分布裝置</p&

86、gt;<p>　　選用溢流槽式布液器，此種布液器適應(yīng)性較好，特別適用于大流量操作，一般用于塔徑D>1000mm的場合，溢流槽式布液器由若干個噴淋槽及至于其上的分配槽組成，其設(shè)計參考數(shù)據(jù)如下表：化工設(shè)備全書—《塔設(shè)備設(shè)計》</p><p>　　表 液體分布器形號及其適用范圍</p><p>　　2． 填料支承裝置</p><p>　　采用梁型氣

87、體噴射式支承板，是目前性能最優(yōu)的大塔支承板，使用塔徑最大可達(dá)12米。單條支撐梁的寬度為290mm，高度為300mm，在各條梁底部之間用定距凸臺保持10mm的間隙，供排液用。支承梁的板厚：不銹鋼為3-4mm，碳鋼為6mm?；ぴO(shè)備全書——《塔設(shè)備設(shè)計》</p><p>　　梁型氣體噴射式支承板的設(shè)計參考數(shù)據(jù)如下表</p><p>　　表 填料支撐裝置尺寸</p><p&g

88、t;　　3． 液體再分布裝置</p><p>　　采用梁型再分布器，適用于ψ1200mm以上的大塔。</p><p>　　表 液體在分布裝置尺寸</p><p><b>　　4． 床層限制板</b></p><p>　　瓷填料必須安裝填料壓板，對金屬或塑料填料必須安裝床層限制板。床層限制板和壓板結(jié)構(gòu)類似，但重量較輕，一般

89、為800pa左右，床層限制板必須固定于塔壁，否則將失去效果。當(dāng)塔徑D<1200mm時床層限制板的外徑比塔內(nèi)徑小10-15mm。當(dāng)塔徑D>1200mm時則床層限制板的外徑比塔內(nèi)徑小25-38mm，因此 D外徑=D-35mm=2600-35=2565mm</p><p><b>　　5． 裙座及人孔 </b></p><p>　　由《化工容器設(shè)計》采用圓筒形

90、裙座。裙座體用Q235-A材料又因為裙座體直徑超過800mm所以應(yīng)開設(shè)人孔。</p><p>　　填料塔手孔直徑一般為150mm-250mm。標(biāo)準(zhǔn)手孔直徑有DN150和DN250兩種，當(dāng)設(shè)備直徑超過800mm時應(yīng)開設(shè)人孔，圓形人孔直徑為400-600mm。手孔（HG21525-95-HG21527-95）和人孔（HG21528-HG-21535-95）已制有標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計時可根據(jù)設(shè)備的公稱壓力，工作溫度及選用材料等按

91、標(biāo)準(zhǔn)選用。</p><p><b>　　6．除沫器</b></p><p>　　除沫器用于分離塔頂端中所夾帶的液滴，以降低有價值的產(chǎn)品損失，改善塔后動力設(shè)備的操作。此次設(shè)計采用網(wǎng)絲除沫器。</p><p>　　7.．塔的頂部空間高度</p><p>　　塔的頂部空間高度指頂?shù)谝粚铀P到塔頂封頭的切線距離。為減少霧沫夾帶的

92、液體量，一般取1.2~1.5m，本次設(shè)計取1.2m</p><p><b>　　十、塔體強度校核</b></p><p><b>　　筒體強度校核</b></p><p>　　筒體材料選用GB6654.16MnR低合金鋼，查文獻(xiàn)[9]</p><p>　　所用材料的許用應(yīng)力=163MPa</p

93、><p>　　焊接接頭形式采用單面焊接對接接頭，局部無損探傷，查得焊接接頭系數(shù)=0.8。</p><p>　　鋼板負(fù)偏差查文獻(xiàn)[1]，選用C1=0.8mm。</p><p>　　腐蝕裕量：碳素鋼和低合金鋼單面腐蝕裕量取C2=1mm, 所以，C=0.8+1=1.8mm</p><p>　　求取筒體壁厚：查文獻(xiàn)[1]P159得：</p>

94、<p><b>　　mm</b></p><p><b>　　圓整后取18mm</b></p><p><b>　　水壓試驗強度校核：</b></p><p>　　16MnR屈服極限為=345MPa</p><p>　　0.9=0.9×0.8×3

95、45=248 MPa</p><p>　　最大組合軸向拉應(yīng)力為：（查文獻(xiàn)[8]P93）</p><p>　　PT=1.25P=1.25×1.6=2 MPa</p><p>　　=18-1.8=16.2mm</p><p>　　水壓試驗時滿足強度要求</p><p><b>　　封頭設(shè)計</b&

96、gt;</p><p>　　選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭DN3800, K=1封頭材料選用與筒體相同16MnR</p><p>　　鋼板負(fù)偏差取0.8mm，腐蝕裕量取1mm，焊接接頭系數(shù)0.8</p><p><b>　　封頭壁厚： </b></p><p><b>　　查文獻(xiàn)[1]知：</b></

97、p><p>　　大多數(shù)橢圓形封頭壁厚取值與筒體相同或比筒體稍厚，封頭壁厚取18mm</p><p>　　查表得：直邊高度h1=50mm, 曲邊高度h2=650mm</p><p>　　封頭高度為h=h1+h2=700mm</p><p>　　核算封頭最大允許工作壓力：</p><p><b>　　[P]=<

98、;/b></p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　符合要求</b></p><p><b>　　塔裙座高度</b></p><p>　　按實際要求選為1.5m</p><p><b>　　十一、設(shè)計結(jié)果<

99、/b></p><p>　　1.物料衡算計算數(shù)據(jù)總表</p><p>　　2.熱量衡算計算數(shù)據(jù)總表</p><p>　　3.塔體及填料計算結(jié)果總表</p><p><b>　　十二、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1. 武漢大學(xué),《化學(xué)工程基礎(chǔ)》，高等教育出版社,2001.</p

100、><p>　　2. 馬江權(quán)，《化工原理課程設(shè)計》（第二版）， 江蘇工業(yè)學(xué)院，2007.</p><p>　　3. 眶國柱,史啟才,《化工單元過程及設(shè)備課程設(shè)計》，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.</p><p>　　4. 賈紹義，柴誠敬,《化工原理課程設(shè)計》,天津大學(xué)出版社, 2002.</p><p>　　5. 涂偉萍，陳佩珍，程達(dá)芳

101、, 《化工過程及設(shè)備設(shè)計》, 北京：化學(xué)工業(yè)</p><p><b>　　出版社,2000.</b></p><p>　　6. 楊祖榮，劉麗英，劉偉,《化工原理》,北京： 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004.</p><p>　　7. 管國峰，《化工原理》，北京：化學(xué)工業(yè)出版，2003.</p><p>　　8.董大勤.《化工設(shè)

102、備機械基礎(chǔ)》北京:中央廣播電視大學(xué)出版社.1995-2</p><p>　　9.王樹仁.《合成氨生產(chǎn)工藝》北京:化學(xué)工業(yè)出版社. 2005-02</p><p>　　10. 國家醫(yī)藥管理局上海醫(yī)藥設(shè)計院.《化工工藝設(shè)計手冊》上海: 化學(xué)工業(yè)出版社.1996</p><p>　　11.梅安華.《小合成氨廠工藝技術(shù)與設(shè)計手冊》北京:化學(xué)工業(yè)出版社.1995</p&

103、gt;<p>　　12.魏兆燦,李寬宏.《塔設(shè)備設(shè)計》上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社.1988-11 </p><p>　　13. 張順澤.《分離工程》平頂山：河南城建學(xué)院.2006</p><p>　　14.化工部第六設(shè)計院編.《化學(xué)工程手冊》第12 篇.北京:化學(xué)工業(yè)出版社.1980</p><p>　　15.譚天恩.竇梅.周明華.《化工原理》上冊 北京

104、：化學(xué)工業(yè)出版社2006-4</p><p>　　16. 譚天恩.竇梅.周明華.《化工原理》下冊 北京：化學(xué)工業(yè)出版社2006-7</p><p>　　17.張順澤、李翔、劉麗華、李曉燕《化工基礎(chǔ)》，河南城建學(xué)院 2010.6</p><p>　　18. 賈紹義，柴誠敬,《化工原理課程設(shè)計》,天津大學(xué)出版社, 2007.</p><p&

105、gt;<b>　　十三、心得體會</b></p><p>　　本次課程設(shè)計是對化學(xué)工程的過程設(shè)計及設(shè)備的選擇的一個深層次的鍛煉，也是</p><p>　　對實際操作的一個加深理解。 </p><p>　　在設(shè)計過程中遇到的問題主要有：（1）未知條件的選?。?2)文獻(xiàn)檢索的能力；（3）對吸收過程的理解和計算理論的運用；（4）對

106、實際操作過程中設(shè)備的選擇和條件的最優(yōu)化；（5）對工藝流程圖的理解以及繪制簡單的流程圖和設(shè)備結(jié)構(gòu)；（6）還有一些其他的問題，例如計算的準(zhǔn)確度等等。</p><p>　　當(dāng)然，在本次設(shè)計中也為自己再次重新的復(fù)習(xí)化工這門學(xué)科提供了一個動力，對化工設(shè)計過程中所遇到的問題也有了一個更深的理解。理論和實際的結(jié)合也是本次設(shè)計的重點，為日后從事相關(guān)工作打下了一定的基礎(chǔ)。</p><p>　　此次設(shè)計深層次

107、考察了吸收過程的學(xué)習(xí)效果，另外，深感化工CAD的方便與重要性。</p><p>　　最后，深感要完成一個設(shè)計是相當(dāng)艱巨的一個任務(wù)，如何細(xì)節(jié)的出錯都有可能造成實際操作中的經(jīng)濟(jì)損失甚至生命安全。</p><p>　　本課程設(shè)計因為時間緊、任務(wù)量大，是在同組同學(xué)的熱烈討論和互相幫助下完成的。當(dāng)然，更少不了劉偉和雷佑安兩位老師的大力支持和悉心指導(dǎo)。</p><p>　　嚴(yán)師