王志展毕业设计.doc 38页

'王志展毕业设计一总论1.1概述碳酸丙烯酯脱碳脱碳一般是由吸收、闪蒸、气提和气相中带出的溶剂回收等部分组成。用碳酸丙烯酯脱除变换气中二氧化碳，合成氨厂都是采用一次吸收就可以满足工艺要求，吸收过程简单，而溶剂再生过程则较为复杂一些，在设计中不做讨论。碳酸丙烯酯脱碳受气体溶解热、温度、二氧化碳浓度、操作压力和汽液比的影响较大，其中气体溶解度对碳酸丙烯酯脱碳的影响，从理论上讲只是局部的，即在吸收过程中，由于原料气中二氧化碳、硫化氢等酸性气体溶解于溶剂中并释放出溶解热使溶剂温度升高。但在溶剂再生时，由于溶解的二氧化碳、硫化氢等酸性气体几乎会全部释放出来，此时由于解吸吸热，又会使溶剂温度回跌。这样吸收升温和解吸降温基本上可以抵消。虽然气体的溶解或解吸效应并不影响溶剂的最终温度，但是它们对不同过程中的溶剂温度还是有影响的。温度对脱碳的影响是十分明显的，在合成氨生产中，降低脱碳工序的操作温度，无疑对脱除变换气中的二氧化碳有利，这是因为，降低温度，使希望脱除的二氧化碳在碳酸丙烯酯中的溶解度增加，而作为合成氨原料气的氢、氮气的溶解度降低，其结果是减少了溶剂的循环量和减少了氢、氮气的损失，提高了经济效益。在同样温度下，二氧化碳、硫化氢这些工艺气体的溶解度随压力升高而增大。当碳酸丙稀酯浓度一定，二氧化碳溶解度还与气相中二氧化碳含量有关，当气相中二氧化碳含量逐渐增大，则它在碳酸丙烯酯中的溶解度也逐渐升高。这说明纯态下的二氧化碳气体将大于混合气体中的二氧化碳在碳酸丙烯酯中的溶解度。吸收气液比对工艺过程的影响主要表现在工艺的经济性和气体的净化质量。若气液比增大，意味着在处理一定量的原料气量时，所需的溶剂量就可以减少，在要求达到一定净化度时，吸收气液比大，则相应的降低了吸收推动力，在单位时间内吸收同样的二氧化碳就需要增大脱碳塔设计容量，从而增大了塔的造价。对于一定的脱碳塔，吸收气液比增大后，净化气中二氧化碳含量增大，影响净化气的质量。所以在生产中应根据净化气中二氧化碳含量要求，调节吸收气液比至适宜值。38 1.2文献综述碳酸丙烯酯法脱碳工艺自60年代开发以来，由于能同时脱除二氧化碳、硫化氢及有机硫化物，加之再生能耗等优点，在国外的天然气、合成气和制氢工业上，已广泛应用。在国内，最先是在小型合成氨装置中用以代替加压水洗，对老合成氨厂水洗工艺进行改造，使脱碳能耗降低。近几年来，在我国年产4万吨小尿素、小纯碱装置的合成氨配套工程中，用碳酸丙烯酯法脱出变换气中二氧化碳，得到了良好的效果：工程投资省、工艺流程简单、运行可靠、溶剂无毒害、浓溶剂对碳钢无腐蚀、再生不耗热、回收的二氧化碳浓度高，回收率可以满足尿素及纯碱生产的需要等优点，因而得到推广。实际上，碳酸丙烯酯法有其一定的适用范围，适合于气体中CO2分压>0.5MPa，温度较低的条件下，同时对气体净化度要求不高（出口CO2>1%）,只有在此条件下使用碳酸丙烯酯法才是经济的。1.3设计依据4万m3/h合成氨原料气的脱碳工艺设计操作温度为：35℃操作压力为：1.6MPa38 二工艺流程说明碳酸丙烯酯脱碳工艺流程一般由吸收、闪蒸、汽提（即溶剂再生）和气相中带出的溶剂回收等部分组成。（见下图）参考[4]吸收过程：由氮氢压缩工段来的约1.6MPa的变换气，经油分离器再次分离气体中的油沫后，从脱碳塔底部进入，变换气与塔中喷淋的碳酸丙烯酯液逆流接触，变换气中大部分的二氧化碳被碳酸丙烯酯溶液吸收，出脱碳塔的净化气中含CO2<2.0%.再经碳酸丙烯酯回收器、碳酸丙烯酯分离器除去气体中夹带的碳酸丙烯酯雾沫后送出工段去氮氢气压缩工段。吸收了CO2后的碳酸丙烯酯富液从脱碳塔底引出并减压进入闪蒸槽，闪蒸出溶解于富液中的H2、N2、CO及部分CO2气体。闪蒸气经碳酸丙烯酯捕集器除去气体中夹带的碳酸丙烯酯雾沫后送往氮氢气压缩工段予以回收，闪蒸后的碳酸丙烯酯富液进入常解再生塔上段常解塔进行二氧化碳解析。出塔常解气含CO2>98%由汽提鼓风机补入防腐空气后常解气含CO2>95.7%(干基CO238 气体含氧量为0.5～0.6%)，再经罗茨鼓风机加压后，送至洗涤塔上洗去气体中夹带的碳酸丙烯酯雾沫后送往尿素装置的CO2压缩工段。常解后的碳酸丙烯酯溶液溢流进入常解再生塔下塔顶部与汽提鼓风机送入塔内的空气逆流接触，进一步气提出残留于富液的二氧化碳。汽提气经洗涤塔下塔去气体中的碳酸丙烯酯雾沫后放空。出常解再生塔的碳酸丙烯酯贫液至中间贮槽再经脱碳泵加压到约2.1MPa,经溶剂冷却器冷至35℃送入脱碳循环使用。闪蒸是在低于吸收操作压力下使溶于溶剂中的气体解吸出来的过程。是物理溶剂再生方法中最常用的方法。闪蒸的另一目的是为了回收溶于溶剂中的某些气体组分，如：氢气、甲烷等。由于各种气体组分在碳酸丙烯酯中具有不同的溶解度和平衡规律，因此可以通过控制闪蒸压力来控制闪蒸气中各组分的比例及各组分的解吸量。一般情况下，难溶气体易于闪蒸解吸。根据这个原理，可通过一至几级不同压力等级的减压，使溶于溶剂中的不同气体组分在解吸时得到相对是分离和提纯，这样，工业上就可以按要求分别回收到各种气体组分。闪蒸级数的确定往往与回收气体的种类、数量和纯度有关，每一级的闪蒸压力都不同。从吸收塔富液的第一级闪蒸到压力递减到常压。各级闪蒸压力在确定后，如果溶剂在该闪蒸气中有充足的停留时间，那么溶于该溶剂中的各种气体组分将充分解吸，直接趋近于这些气体在该温度、该组分气相分压时的平衡溶解度。如在合成氨变换气的脱碳工艺上，往往设置二级至三级减压闪蒸。第一级减压闪蒸（如0.5MPa）是为了回收溶于溶剂中的氢气和氮气，第二级减压闪蒸（如常压）是为了回收二氧化碳，同时使溶剂中的酸气（二氧化碳）等浓度降低，以达到再生溶剂的目的。当原料气中二氧化碳分压为0.5MPa左右时，经溶剂吸收，再通过减压闪蒸（包括常压闪蒸），一般可将二氧化碳吸收量的75%左右解吸出去，剩余的25%左右将从汽提塔中吹出。如生产上需要多回收一些高纯度的二氧化碳气体。可在常压闪蒸后再增设真空闪蒸。吸收过程和溶剂再生过程是碳酸丙烯酯脱碳脱硫工艺中最基本的两个环节。碳酸丙烯酯溶液的再生原理：当二氧化碳分压在2.0MPa以下时，碳酸丙烯酯吸收二氧化碳基本上符合亨利定律：38 ,提高吸收压力，平衡溶解度增加，对原料气净化有利。与吸收过程相反，降低压力可使溶解在碳酸丙烯酯中的二氧化碳气体解吸出来，溶解在碳酸丙烯酯中的二氧化碳等气体的解吸过程即称为碳酸丙烯酯富液的再生。在低于吸收操作压力下时溶于溶剂中的气体解吸出来时物理溶剂再生中最常用的方法。再生度是指碳酸丙烯酯富液经再生后，残留在溶剂中的二氧化碳的含量，含量越低，则再生度越高。常压闪蒸后的溶剂再经过汽提的再生工艺，是目前碳酸丙烯酯脱碳工艺中采用最普遍的一种。我国合成氨厂配尿素、纯碱的脱碳工艺基本上如此。汽提所用的惰性气体为空气。为了保证吸收工序后净化气中二氧化碳含量在2%左右。所以溶剂的再生度要求较高。脱碳过程中的能量回收：在碳酸丙烯酯脱碳过程中，有汽液料的升压和降压过程，为了合理采用工艺本身的能量再流程图上，应考虑相应的能量回收装置。真空再生：常压解吸—空气汽提碳酸丙烯酯溶剂再生工艺存在着一些缺点，由于碳酸丙烯酯富液中残留的二氧化碳等气体靠大量空气汽提赶走，因而给生产过程带来许多副作用：其一采用常解压空气汽提再生工艺，二氧化碳的回收率不高，一般为70%左右；其二空气汽提的气量一般为碳酸丙烯酯富液的6～10倍，大量空气带走碳酸丙烯酯雾沫，造成溶剂的讯号增加、损耗增加，其损耗量约占整个碳酸丙烯酯溶液损耗的一半，从而增加了运行费用；其三由于采用空气汽提，碳酸丙烯酯贫液中溶解的氧使吸收后的净化气中氧含量增加，经分析为0.1%～0.2%，影响了后工序铜洗操作，使铜比下降，铜液循环量比生产碳铵时增加近20%；其四小合成氨厂变换气中硫化氢的含量一般在80～150mg/m3(标)，在脱碳时这些硫化氢也被吸收，经空气汽提时，便以单质硫析出，造成堵塞管道和填料，影响工艺操作的正常进行，严重时不得不停车进行清理。另外，由于空气中含有水分，尤其是相对湿度较大的地区，容易造成系统中水不平衡，使碳酸丙烯酯浓度降低，吸收能力下降，由于溶剂中水分含量增加，还易造成对设备的腐蚀等。针对以上情况，为提高脱碳装置二氧化碳回收率，减少碳酸丙烯酯损失，防止因空气吹入而带来了硫化氢氧化副反应的发生，减少腐蚀、堵塞、降解等不良作用，以常压—真空解吸的碳酸丙烯酯再生方法代替解吸—空气汽提再生方法使必要的。真空再生主要设备为真空再生塔。再生再生塔内的真空度由外接真空装置调节。当溶剂温度一定时，真空度越大，从溶剂中解吸出来的二氧化碳等气体量也越多，溶剂再生越完全。此时解吸出来的二氧化碳气量可近似地按二氧化碳在碳酸丙烯酯中相平衡式进行计算。38 再生塔是溶解气体从溶剂中解吸出来的装置，根据工艺流程的需要，选择不同的塔型，在采用常解压汽提再生流程时，再生塔常解部分时淋降板式塔，汽提部分采用填料塔，而真空再生流程则全部为淋降板式塔型，采用淋降板式结构优点在于增加解吸表面积，利于溶剂中溶解气体解析完全。液体从上一层塔盘的中心降液管下来，由边缘降液管流下，再下一层塔盘上，再转为中心管降液，液体在各层塔盘上依次做离心或向心的径向运动。塔盘设有不同高度的溢流堰，以减少每段行程长度，降低每段行程的液面落差。汽提塔的作用是，以惰性气体吹洗溶剂，使溶剂中残留二氧化碳、硫化氢等酸性气体的含量得到进一步降低。汽提过程实际上是吸收的逆过程。因此，可在一只气液逆流接触的塔式设备内进行。工业上大多采用填料塔。与吸收塔的气液物料浓、稀端正好相反，在汽提塔的操作过程中，气液浓端均在塔上部，而气液物料的稀端都在塔下部。随工艺气体带出的溶剂出了以雾沫（气体中的雾沫一般是指直径在50以上的液滴，它可以通过网除雾器等简单的装置将这些液滴从气体中捕集下来）形式带出以外，另一种形式是溶剂蒸汽。这部分溶剂蒸汽在通过丝网除雾器时并不能捕集回收下来。因此需要在工艺上另行考虑回收装置。目前，工业上回收气流中溶剂蒸气的方法，主要采用水洗涤法，该法使含有溶剂蒸气的气体通过水洗涤塔，使溶剂蒸气溶解于水中成为稀的碳酸丙烯酯水溶液，生产上俗称为稀液。该法因基于水和碳酸丙烯酯的部分互溶性。因此只有在互溶范围内，溶剂蒸气才能有效溶于水中。循环洗涤法是指水中溶剂浓度在控制指标以下时，用泵输送到回收塔中连续循环，使气体中的溶剂蒸汽不断溶于循环稀液内，直到稀液中溶剂浓度达到控制指标时才注入循环溶剂中回收常解气、汽提气中碳酸丙烯酯雾沫的稀液，当在洗涤塔中循环浓度达～12%时，即加入至中间贮槽中回收作碳酸丙烯酯补充使用。当碳酸丙烯酯溶液中有杂物时，设计中设有碳酸丙烯酯过滤器，将杂物滤出，以保证生产正常进行。在碳酸丙烯酯脱碳过程中，有气液物料的升压和降压过程，为了合理采用工艺本身的能量，在流程上，应考虑相应的能量回收装置。38 在整个工艺流程中，要适当调节吸收气液比，吸收气液比是指单位时间内进吸收塔的原料气体积（标态）与进料贫液体积（工况下）之比，该比值在某种程度上也是反映生产能力的一种参数。由于单位体积溶剂在一定条件下，所吸收的酸性气体量基本为一定值，因而在其他条件不变的情况下，净化气中二氧化碳净化度明显的随着气液比的减少而增加。对填料塔而言，加大气液两相的接触面积可以提高吸收饱和度，加大气液接触面积的措施一般可通过增大填料容量或选择比表面积较大的填料来实现。提高R值之后虽然可降低溶剂循环量，但也必须考虑R值增加后，相应的塔高也将增加，这样，在工程设计中，应针对具体工况进行技术经济比较后再选取合理的R值，工业上，吸收饱和度R值一般取70～80%之间。对于整个工艺过程，气体的净化程度也是一项重要的指标，溶剂贫度主要对气体净化程度有影响。溶剂贫度是指再生溶剂中某关键组分含量大小，以气体标准体积/体积溶剂表示，在脱碳工艺中，关键组分为二氧化碳，溶剂贫度是指二氧化碳在贫液中的含量。溶剂贫度的大小主要取决于汽提过程的操作。当操作温度确定后，在气液相有充分接触面积的情况下，溶剂贫度与惰性气量有直接关系，汽提气液比愈大，则溶剂贫度值愈小，但不能过分的加大汽提气液比。这样会增加经济负担。惰性气量究竟以多少为宜，以满足溶剂贫度的要求为准。在实际生产中，常压闪蒸后的溶剂中，一般二氧化碳含量为2.0～3.0m3(标)/m3溶剂左右。此时，汽提气液比控制在6～12即可，使C1达到所需程度。38 三工艺计算3.1入塔原料气有关数据（1）变换气组成(其他组分被忽略)成分CO2COH2N2CH4合计%28.431.2052.3816.981.01100m311372.30480.0020952.006792.00404.0040000kmol507.6821.43935.36303.2118.041785.71（2）要求出塔净化气中CO2的浓度不超过2.0%（3）PC吸收剂的入塔浓度根据操作情况选取（4）气液两相的入塔温度均为35℃（5）操作压强为1.6MPa（6）吸收剂选为：碳酸丙烯酯（以下简称PC），PC的摩尔质量为102.09kg/kmol碳酸丙烯酯水溶液的部分性质（35℃）PC在水中的浓度mol%溶液焓J/mol密度g/cm3粘度Mpa﹒s0.00253.61.00000.91140.020039.71.01831.02780.030770.71.02891.0922碳酸丙烯酯在不同温度下的粘度温度，℃运动粘度mm2/s温度℃运动粘度mm2/s温度℃运动粘度mm2/s-5041.78-84.71252.08-4021.41-64.52301.90-3010.96-34.12401.61-207.0003.76451.43-155.93112.80501.36-105.06202.30601.2138 3.2有关参数计算变换气量40000m3/h表1变换气的组成及分压成分CO2COCON2CH4合计体积百分数(%)28.431.2052.3816.981.01100组分分压(MPa)0.4550.0200.8390.2720.0171.602(kg/cm2)4.64290.20418.56122.77550.173516.3470(atm)4.49160.19748.28232.68510.167815.81443.2.1PC的密度与温度的关系=1.2233－0.001032t35℃时：L2=1187kg/m337℃时：L1=1185kg/m33.2.2CO2在PC中的溶解度关系因为是高浓度气体吸收，故吸收塔内CO2的溶解热应考虑，假设出塔气、入塔液的温度相同，都为：TV2=35℃，出塔液的温度：TL1=37℃吸收饱和度：80%用物料衡算和热量衡算验证上述假设温度碳酸丙烯酯在35℃时的溶解度X：lgX=lgP+－4.112lgX=lg4.64+－4.112lgX=-1.3623X=0.0434kmol/kmolPC==11.30m3/m3PC式中：1187—出塔溶液的密度（近似取纯PC35℃时的密度）35℃时PC蒸汽压（查[4]为8.67Pa）与操作总压(1.6MPa)及CO2的气相分压38 (0.455MPa)相比很小，故可认为PC不挥发。3.2.3PC的粘度：35℃时：㏒L=-0.882+=-0.882+=0.3155所以L=2.07mpas37℃时：㏒L=-0.882+=-0.882+=0.3所以L=1.996mpas3.3物料衡算3.3.1各组分在PC中的溶解量查得在操作总压力为1.6MPa、操作温度为35℃下各组分在PC中的溶解度，并取相对吸收饱和度均为80%，如下表2：表2组分溶解度与溶解气体组成的体积百分数成分CO2CON2H2CH4合计组分分压（MPa）0.4550.0200.8390.2720.0171.602溶解度（m3/m3PC）13.80.03650.20.180.02414.241溶解量（m3/m3PC）11.040.02920.160.1440.019211.3928溶解气组成的体积百分数（%）96.900.261.401.260.17100.00因溶解气中的CO2占到96.90%，其他气体在PC中的溶解度很小，可将多组分的吸收简化为单组分的吸收。当汽液达到平衡时：进塔气相摩尔比：Y1=出塔气相摩尔比：Y2=Y1(1-)=0.3972(1-0.969)进塔惰性气体流量：=1132.8kmol/s对于纯溶剂吸收X2=0由VB(Y1-Y2)=L(X1-X2)38 得:X1==0.0382设PC溶剂中CO2残量为0.3Nm3/m3PCPC对CO2的实际溶解能力为：11.30×0.8－0.2＝8.84Nm3/m3PC3.3.2溶剂夹带量：以0.2Nm3/m3PC计，各组分被夹带的量如下3.3.3溶液带出的气量3.3.4出脱碳塔净化气量V1—进塔总气量V2—出塔总气量V3—溶液带出的总气量y1、y2、y3分别表示CO2相应的体积分率对CO2作物料衡算有：V1=V2+V3V1y1=V2y2+V3y3联立得：38 3.3.5计算PC循环量因每1m3PC带出的CO2为11.0969Nm3/h，有：操作的气液比为：3.3.6带出气体的质量流量夹带气量：夹带气的平均摩尔质量：=44×0.2843+28×0.012+2×0.5238+28×0.1698+16×0.0101=18.809kg/kmol夹带气的质量流量：溶解气量：溶解气的平均摩尔质量：=44×0.969+28×0.0026+2×0.014+28×0.0126+16×0.0017=43.1168kg/kmol溶解气的质量流量：带出气体的总质量流量：163.408+21343.189=21506.597kg/h3.3.7验算净化气中CO2含量吸收液中CO2残量为0.3Nm3/m3PC时，净化气中CO2的含量取脱碳塔阻力降为03kgf/cm2，则塔顶压强为38 此时，CO2的分压为：，与此分压呈平衡的CO2液相浓度为：1192—吸收液在塔顶35℃时的密度，近似取纯PC液体的密度计算结果表明，要使出塔净化气中的CO2浓度不超过2.0%，则入塔吸收液中CO2的极限浓度可达0.799Nm3/m3PC,本设计取值在其所需求的范围之内，故选值满足要求3.3.8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：CO2：40000×0.2843-973.03×110969=1368.895Nm3/h1.28℅CO：40000×0.012-973.03×0.0348=459.522Nm3/h1.60℅H2：40000×0.5238-973.03×0.2648=1368.895Nm3/h72.54℅N2：40000×0.1698-973.03×0.178=6677.422Nm3/h23.25℅CH4：40000×0.0101-973.03×0.0212=3830372Nm3/h1.33℅出塔气的平均摩尔质量：出塔气的质量流量：LV2=28722÷22.4×9.18=11770.9kg/h3.4热量衡算在物料衡算中假设出塔液相的温度为37℃,出塔气相的温度为35℃，现通过热量衡算对假设的温度进行校核。38 3.4.1混合气体的定压比热容CPV真实气体的定压比热容难以查到，气体的压力并不很高，所以借助理想气体的定压比热容公式近似计算，计算公式为：CPi=ai+biT+ciT2+diT3,其温度系数如下表3：CP的单位为（kcal/kmol﹒℃）/(KJ/kmol﹒℃)表3各气体组分定压比热容公式中的温度系数组分温度系数定压比热容abcdCP1(37℃)CP2(35℃)CO24.7281.754×10-2-1.338×10-54.097×10-98.929/37.388.951/37.48CO7.373-0.307×10-26.662×10-6-3.037×10-96.969/29.186.97/29.18H26.4832.215×10-3-3.298×10-61.826×10-96.902/28.906.904/28.91N27.44-0.324×10-26.4×10-6-2.790×10-96.968/29.186.968/29.18CH44.5981.245×10-22.86×10-6-2.703×10-98.625/37.628.625/37.62CPV1==37.28×0.2843+29.18×0.012+28.9×0.5238+28.18×0.1698+37.62×0.0101=31.42KJ/kmol﹒℃CPV2==37.48×0.0128+29.18×0.016+28.91×0.7245+28.18×0.2325+37.62×0.0133=29.20KJ/kmol﹒℃3.4.2液体的比热容CPL溶解气体占溶液的质量分率：=0.0141187—35℃纯PC的密度其量很少，因此可用纯PC的密度代替溶液的密度文献[4]查得纯PC的定压比热容与温度的关系式：CPL=1.39+0.00181（t-10）算得：35℃时：CPL1=1.435KJ/kg﹒℃37℃时：CPL2=1.438KJ/kg﹒℃38 3.4.3CO2的溶解热QS从[7]文献查得=14654kg/kmolco2=1.964kg/m3CO2在PC中的溶解量为：8.84×973.03=8602Nm3/h=384.0kmol/h故QS=14654×384.0=5627136KJ/h3.4.4出塔溶液的温度TL1全塔物料衡算带入的热量（Qv1+Qv2）+溶解热量（QS）=带出的热量（Qv2+QL1+QV夹）原料气带入量Qv1=V1CPV1(TV1-T0)=40000/22.4×31.42×35=1963750KJ/h溶剂带入量溶剂中CO2残余量：0.3×973.03×1.964=57303kg/hQL2=L2×CPL2(TL2-T0)=(1154989+57303)×1.438×35=57674114KJ/h溶解热：QS=5627136KJ/h净化气带出热：Qv2=V2×CPV2(TV2-T0)=28722/22.4×29.20×35=1310441KJ/h富液带出热：QL1=L1×CPL1(TL1-T0)L1=1154989+573.3+21343.189=1176905.5kg/h所以，QL1=1176905.5×1.435TL1=1688859.4TL1KJ/h夹带热：QV夹=194.606/22.4×31.42×(TL1-T0)=272.97TL1KJ/h热量平衡：1963750+57674114+5627136=1310441+1688859.4TL1得：TL1=37.88℃所以，QV夹=10340.1KJ/hQL1=1963750+57674114+5627136-1310441-10340.1=63944218KJ/h求得温度与假设相近，可以接受3.5最终衡算结果输入项38 入塔气及其组成（35℃）V1=40000Nm3/h=40000/22.4×18.809=33587.5kg/hQv1=1963750KJ/h=18.809CO2COH2N2CH4Nm3/h11372.00480.0020952.006792.00404.004000028.231.2052.3816.891.01100%入塔液及其组成（35℃）L2=1154989+573.3=1155562.3kg/hQL2=57674114kg/hCO2COH2N2CH4Nm3/h291.91————291.91CO2的溶解热VCO2=9602Nm3/h=16894.3kg/hQS=5627136KJ/hGi=V1+L2=1189150kg/hQi=Qv1+QL2+QS=65265000KJ/h输出项出塔气及其组成（～35℃）V2=28717.2Nm3/h=11768.9kg/hQv2=1310441KJ/h=9.18CO2COH2N2CH4Nm3/h368.895459.5520833.5576677.422383.372287221.281.6072.5423.251.33100%出塔液及溶解气组成（37℃）L1=1176905.5kg/hQL1=63944218KJ/h=43.11738 CO2COH2N2CH4Nm3/h10744.528.8155.2139.718.811088.19496.900.261.401.260.17100%出塔液夹带气组成（37℃）V夹=194.606Nm3/h=163.4kg/hQV夹=10340.1KJ/h=18.81CO2COH2N2CH4Nm3/h55.3257.6611.9333.041.97194.628.231.2052.3816.981.01100%G0=V2+L1=1188674.4kg/hQ0=QV2+QL1+QV夹=65265000KJ/h3.6总结（1）通过对脱碳填料塔的物热衡算知，碳酸丙烯酯脱碳为高浓度、多组分、非等温的物理吸收过程，PC除了要吸收CO2外，对其他气体都有不同程度的溶解吸收作用，因CO、H2、N2、CH4等气体在PC中的溶解度比CO2小得多（其总量不超过5%）故可以将多组分吸收的问题简化为单组分吸收的计算，所致误差工程上可以接受（2）CO2在PC中的溶解热不能被忽略，因此，在吸收塔内存在一个温度分布，在塔的各个截面上，其相平衡常数各不相同，塔内的温度分布可通过物热衡算算出。（3）在衡算过程中，虽然有些简化假设，但衡算结果与生产实际基本相符，所以可作为吸收塔设计的计算依据。38 四主设备计算工业上使用填料塔较普遍，本工艺计算方法按填料塔计算经比较，选DG50mm聚丙烯阶梯环（米字筋），查文献[5]，得：A=0.204，干填料因子=143.3m-1,比表面积at=114.2m2/m3已知条件；进塔变换气量40000Nm3/h碳酸丙烯酯循环量973.03m3/h脱碳塔操作压力1.6MPa4.1物性数据混合气体的重度：式中—混合气体的密度，kg/m3T0—标准状态下温度，273.15KT—混合气体温度，KP—混合气体压力，atmZn—压缩系数，Zn=1Mi—混合气体中i气体分子量Yi—i气体在混合气体中的mol%=18.809kg/kmol=11.9148kg/m338 混合气体的粘度：—i气体粘度，cp—i气体在0℃，常压时的粘度，cpm—关联式指数0℃时常压气体的粘度如下表：气体CO2COH2N2CH4(mpa﹒s)1.34×10-21.66×10-20.84×10-21.66×10-21.20关联式指数m如下表：气体CO2COH2N2CH4m值0.9350.7580.7710.7560.763计算得：=1.50×10-2mpa﹒s=1.82×10-2mpa﹒s=0.92×10-2mpa﹒s=1.82×10-2mpa﹒s=1.32×10-2mpa﹒s=5.32×10-2得：=2.83×10-2=0.12×10-2=0.68×10-2=1.64×10-2=0.05×10-238 =3.63得：=1.89=0.06=0.74=0.90=0.04所以==1.47×10-2mpa﹒s二氧化碳的扩散系数：先由双元扩散系数关联式求出CO2气体在i气体中的扩散系数，然后再求CO2在混合气体中的扩散系数由公式：式中：、—CO2气体、i气体的分子扩散体积，见下表气体CO2COH2N2CH4分子扩散体积26.918.97.0717.916.1由表得：=0.047=0.264=0.0489=0.063二氧化碳在气体中的扩散系数：=1.83cm2/s=0.183×10-3m2/s计算得：=0.055=0.053=0.257=0.027二氧化碳在碳酸丙烯酯中的扩散系数：38 DL=7.78×10-8×=7.78×10-8×308/2.07=1.158×10-5cm2/s=1.158×10-9m2/s二氧化碳在碳酸丙烯酯中的溶解度系数：H=由物热衡算知：=31.469kPa=0.003058kmolCO2/m3PC所以，H=0.035kmol/(kpa﹒m3)4.2脱碳塔泛点速度计算：Lg[]=A－1.75式中：WF—泛点空塔速度，m/sg—重力加速度，9.81m/s2—碳酸丙烯酯粘度，2.07（cp）—干填料因子，143.3m-1—碳酸丙烯酯35℃时的密度，1187kg/m3L—碳酸丙烯酯流量，1154989.07kg/hG—进塔气体流量，G=40000×0.84=33600kg/h将上述各值带入公式：Lg[]=A－1.75Lg[]=0.024－1.75Lg[0.1695]=-2.18Lg=-1.40938 所以，泛点空塔速度=0.1975m/s4.3脱碳塔塔径计算①操作速度取泛点速度的70%即操作速度u=0.1975×70%=0.1382m/s操作状态下的气体体积流速：V==0.783m3/s②脱碳塔径DD===2.69m实际取塔径2700mm③塔截面积：AT==5.68m2④实际空塔速度：=0.137m/s⑤核算径比：D/d=2700/50=54,满足阶梯环的径比要求⑥泛点率校核：=0.137/0.1975×100%=69.37%>50%(在允许范围内)，因为对于散装材料，其泛点率的经验值=0.5～0.85⑦喷淋密度的校核：依Morris等的推荐，d<75mm环形及其他填料的最小润湿速率（MWR）为0.08m3/(m﹒h)由式L喷，min=(MWR)﹒at=0.08×114.2=9.136m3/(m2﹒h)因为L喷==140.52m3/(m2﹒h)38 故满足最小喷淋密度要求4.4填料层高度计算根据式Z=HOG﹒NOG=①传质单元高度HOG计算：HOG=其中KYa=KGa﹒P采用恩田式：来计算填料润湿面积aw由式:液相传质系数:kL=0.0095气相传质系数:kG=0.237a.列出各关联式中的物性数据气体性质（以塔底35℃，1600kpa原料气计）：=11.91kg/m3(前已算出)，=1.47×10-2mpa﹒s=0.0147×10-3pa﹒s(前已算出)DG=0.183×10-5m2/s(前已算出)液体性质(以塔底37℃碳酸丙烯酯为准)：=1185kg/m3（前已算出）=1.996mpa﹒s=1.996×10-3pa﹒s（前已算出）DL=1.158×10-9m2/s(前已算出)=43.617-0.114t=43.617-0.114×37=39.4dyn/cm=39.4×10-3N/m气体与液体的质量流速：38 LG==56.06kg/(m2﹒s)VG==1.63kg/(m2﹒s)DG50mm聚丙烯阶梯环（乱堆）：dp=500.05m,at=114.2m2/m3=40dyn/cm=40×10-3N/m,查文献[7]《化学工程书册第12篇气体吸收》手册，有关填料形状系数=1.45由式：=1-exp{-1.45}=1-exp{-1.45×1.011×1.734×1.2×0.90}=1-exp(-2.744)=0.936所以，aw=0.936×114.2=106.9m2/m3C.由式：kL=0.0095=0.0095=0.0095×41.02×0.026×0.025=2.58×10-4m/sd.由式：kG=0.237=0.23738 =0.237×123.3×0.877×8.1×10-8=2.076×10-6kmol/(m2﹒s﹒kpa)故kLa=kLaw=2.58×10-4×106.9×1.450.4=0.32×10-3L/skGa=kGaw=2.076×10-6×106.9×1.451.1=0.33×10-3kmol/(m3﹒s﹒kpa)②计算KYa=69.37>50%由式：==2.426×10-3kmol/(m3﹒h﹒kpa)==0.344×10-3L/s=1.24L/h则==23.29kmol/(m3﹒h﹒kpa)所以KGa=0.043kmol/(m3﹒h﹒kpa)③计算HOG由HOG====2.840m④气相传质单元数NOG计算：查35℃时相平衡常数m=5.68×10-7=mx1=5.68×10-7×0.0382=0.22×10-738 =mx2=0脱吸因数为：S==5.69×10-8所以：NOG===1×ln(1×24.98+5.69×10-8)=3.218由Z=HOGNOG=2.84×3.218=9.14m得：=1.25×9.15=11.42m设计取填料层高度为：=12m填料层分二段，每段6m设安全系数为2，则设计塔高为24m4.5填料层压降计算采用Eckert通用关联图，查文献[6]，计算填料层压力降横坐标为=34.387×0.1=3.444查文献[5],填料因子=116m-1纵坐标为==0.0038查图（内插）得：=51×9.81=500.31Pa/m填料层压降为：=500.31×12=6003.72Pa4.6塔体强度校核筒体强度校核38 筒体材料选用GB6654.16MnR低合金钢，查文献[9]所用材料的许用应力=163MPa焊接接头形式采用单面焊接对接接头，局部无损探伤，查得焊接接头系数=0.8钢板负偏差查文献[1]，选用C1=0.8mm腐蚀裕量：碳素钢和低合金钢单面腐蚀裕量取C2=1mm,所以，C=0.8+1=1.8mm求取筒体壁厚：查文献[1]P159得：=17.47mm圆整后取18mm水压试验强度校核：16MnR屈服极限为=345MPa0.9=0.9×0.8×345=248MPa最大组合轴向拉应力为：（查文献[8]P93）PT=1.25P=1.25×1.6=2MPa=18-1.8=16.2mm=167.67MPa<248MPa水压试验时满足强度要求气压试验强度校核：0.8=0.8×0.8×345=220.8MPa=167.67<220.8MPa所以气压试验满足强度要求求取筒体应力：平均直径：D=Di+18=27..+18=2718mm38 径向应力：=60.4MPa环向应力：=120.8MPa4.7封头设计选用标准椭圆形封头DN2700,K=1封头材料选用与筒体相同16MnR钢板负偏差取0.8mm，腐蚀裕量取1mm，焊接接头系数0.8封头壁厚：==16.62mm查文献[1]知：大多数椭圆形封头壁厚取值与筒体相同或比筒体稍厚，封头壁厚圆整后取18mm查表得：直边高度h1=40mm,曲边高度h2=650mm封头高度为h=h1+h2=690mm核算风头最大允许工作压力：[P]===1.95MPa>1.6MPa符合要求4.8塔裙座高度按实际要求选为1.5m38 4.9塔体载荷计算（1）重量估算筒体的质量：查表1m高筒节钢板质量820kg，m1=820×24=19680kg封头的质量：查表为m2=970kg塔设备附件：m3=30000.2kg①扶梯质量：选择笼式扶梯，查表单位质量为40kg/m,则：40×(24+0.69)×2=1975.2kg②钢制平台质量：查表钢制平台单位质量为150kg/m2,取平台面积为3.5m2则：150×3.5=525kg③取其他附件总质量为500kg填料质量：查表知聚丙烯阶梯环的堆积密度=54.8kg/m3,所以V==3.14×(2.7/2)2×12=68.67m3m4==54.8×68.67=3763.12kg塔总质量为：Q=m1+m2+m3+m4=54413.12kg=533792.7N（2）自振周期计算：参考[5]T=1.79HI=≈按等截面计算（cm）：I=T=1.79×2400=0.29s式中H——塔底高度，cmQ——塔总重，N38 E——塔材料弹性模量，21×106PaI——塔截面惯性矩，cm4Dn—塔内径，cm——不计腐蚀裕度的塔体壁厚，cmg——重力加速度（3）风载荷和风弯矩P=K1——空气动力系数，其值取决于计算段中心高度查[5]P338m脉=0.35=1得:风振系数K2i=1+m脉=1+0.35×1=1.35qo——基本风压，Pafi——风压的高度变化系数Ai——迎风面积，m2查[5]P338知本地区基本风压qo=300Pa，查表，fi=1.25Ai=Dei﹒hi式中Dei——塔设备计算段有效直径，mhi——塔设备计算段的高度，mAi=（2.7-0.18）×24=60.48m2查[5]P340,取K1=0.7则P==0.7×1.35×300×1.25×60.48=21432.6NM=P×h/2=21432.6×2400/2=25719120N﹒cm（4）地震载荷：=8.9<15参考[5]公式：C=0.5地震影响系数按7级算=0.2338 S==3/2×0.5×0.23×533792.7×1/0.242=1598597.93N/cm塔底地震弯矩：按塔体分三段计算，每段8mM8=S8x==3/2×0.5×0.23×533792.7×=10231.03N﹒cmM16=S16x=3/2×0.5×0.23×533792.7×=40924.11N﹒cmM24=S24x=3/2×0.5×0.23×533792.7×=92079.24N﹒cm38 五车间布置车间布置设计的内容可分为车间厂房布置和车间设备布置，车间厂房布置是对整个车间各工段、各设施在车间场地范围内，按照它们在生产中和生活中所起的作用进行合理的平面和立面布置。设备布置是根据生产流程情况及各种有关因素，把各种工艺设备在一定的区域内进行排列。在设备布置中又分为初步设计和施工图设计两个阶段，每一个设计阶段均要求平面和剖面布置。5.1车间布置的依据..常用的设计规范和规定主要设计规范和规定的名称，详细内容见[10]《化工工艺设计手册》（国家医药管理局上海医药设计院编，化学工业出版社，1986年）及有关的标准和规范。b.基础资料①对初步设计需要带控制点的工艺流程图，对施工图设计需要管道仪表流程图；②物料衡算数据及物料性质（包括原料、中间体、副产品、成品的数量及性质，三废的数据及处理方法）；③设备一览表（包括设备外形尺寸、重量、支撑形式及保温情况）；④公用系统耗用量，供排水、供电、供热、冷冻、压缩空气、外管资料；⑤车间定员表（除技术人员、管理人员、车间化验人员、岗位操作人员外，还包括最大班人数和男女比例的资料）；⑥厂区总平面布置图（包括本车间同其他生产车间、辅助车间、生活设施的相互联系，厂内人流物流的情况与数量）。38 5.2车间布置设计的原则①最大限度地满足工艺生产包括设备维修的要求。②有效地利用车间建筑面积（包括空间）和土地。③要为车间的技术经济指标、先进合理以及节能等要求创造条件。④考虑其他专业对本车间布置的要求。⑤要考虑车间的发展和厂房的扩建。⑥车间中所采取的劳动保护、防腐、防火、防毒、防爆及安全卫生等措施是否符合要求。⑦本车间与其他车间在总平面图上的位置合理，力求使它们之间输送管线最短，联系最方便。⑧考虑建厂地区的气象、地质、水文等条件。⑨人流物流不能交错。5.3车间布置设计的组织和程序5.3.1车间布置设计的组织在进行车间布置设计时，各类专业人员须分工协作。工艺专业进行车间布置时，要考虑土建、仪表、电气、暖通等专业与机修、安装、操作等各方面的需要；上述各专业也同时提出各自对车间布置的要求。按照国内目前的作法，化工工艺设计主要有流程设计、工艺计算（物料与热量衡算）、设备的工艺设计、车间布置和管道布置五个部分，都由工艺设计人员进行。从专业化分工的角度来看，以上五项大致上可分成二类，前三项的设计基础是化学工程的分析与计算；后两项（特别是配管设计）的设计基础则更近于力学与机械工程的分析计算，如设备的几何空间布置、设备与管路安装上的力学计算等。因此，从专业分工的角度考虑，车间布置和管道布置由机械工程专业人员承担比由工艺人员承担更为合理。这样，工艺设计人员可致力于化学工艺与化学工程的开发与研究。上述的分工是化工设计上的一种发展趋势，国外许多设计公司都已这样做了。38 5.3.2车间布置设计的程序a.车间布置初步设计根据带控制点工艺流程图及设备一览表、物料贮存运输、生产辅助及生活行政等要求，结合布置规范及总图设计资料等，进行初步设计。最后结果是画出车间布置初步设计的平（剖）面图。b.管道仪表流程设计根据第1项的初步设计和操作要求，进行管道仪表流程设计。其主要内容是：①进行工艺和流体力学系统的设计；②绘制PI流程图与公用工程流程图；③确定设备与仪表安装要求。PI流程图与带控制点的工艺流程图的主要区别在于：它不仅更为详细地描绘了本车间的全部生产过程，而且着重表达全部管道的连接关系，按照连接关系所划分的“管段”，以及测量、控制、调节等的全部手段。车间布置初步设计和管道仪表流程设计有着密切关系，前项是后项的前提，后项对前项又予以修正补充。c.车间布置施工图设计工艺专业与所有专业协商，进行布置的研究，车间布置初步设计和管道仪表流程设计两项是研究的基本资料。这一阶段的主要工作内容是：①落实车间布置（初）的内容；②绘制设备管口及仪表位置的详图；③进行物料与设备移动运输设计；④确定与设备安装有关的建筑与结构尺寸；⑤确定设备安装方案；⑥安排管道、仪表、电气管路的走向，确定管廊位置。车间布置（施）的最后成果是绘制车间布置平（剖）面图，这是工艺专业提供给其他专业（土建、设备设计、电气仪表等）的基本技术条件38 六设计心得毕业设计是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的合成氨原料气脱碳工艺设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。在设计过程中主设备的设计让我很头痛，原因是由于本身设计受到的一系列的实际约束，例如脱碳塔的塔高、塔径，而又必须考虑本专业的一些要求规范，从而形成了一些矛盾点，这些矛盾在处理上让人很难斟酌，正是基于这种考虑我意识到：要想更完美的进行一次设计，必须对知识掌握面面俱到。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己的知识和综合素质。38 参考文献[1]董大勤.《化工设备机械基础》[M].北京:中央广播电视大学出版社.1995-2[2]王树仁.《合成氨生产工》[M].北京:化学工业出版社.2005-02[3]国家医药管理局上海医药设计院.《化工工艺设计手册》[M].上海:化学工业出版社.1996[4]梅安华.小合成氨厂工艺技术与设计手册[M].北京:化学工业出版社.1995[5]魏兆灿,李宽宏.《塔设备设计》[M].上海:上海科学技术出版社.1988-11[6]张顺泽.《分离工程》.[M].平顶山：平顶山工学院.2006[7]化工部第六设计院编.《化学工程手册》[M].第12篇.北京:化学工业出版社.1980[8]董大勤.《化工设备设计基础》[M].北京:中央广播电视大学出版社.1995-238 致谢将近两个月的毕业设计已经圆满完成，本文是在宋军超老师精心指导和大力支持下完成的。宋老师以其严谨求实的治学态度、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。在此，对宋老师表示崇高的敬意和深深的感谢！此外，我还要感谢许多学长和同学在整个过程中的帮助和配合38 38'