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1、化工课程设计说明书（论文） 第 43 页 共 43 页 理 工 大 学课程设计说明书（论文）作 者: 学 号： 学院(系):化工学院专 业:化学工程与工艺题 目:碳酸丙烯酯吸收烟道气中CO2填料塔的设计填料塔设计 指导者： 评阅者： 年 月化工课程设计任务书一、设计题目碳酸丙烯酯吸收烟道气中CO2填料塔的设计二、设计任务1、处理能力：1500m3/h；2、进料组成：CO2含量13%（体积），其余视为空气；3、工艺要求：回收率为92%；4、操作条件：压强0.6MPa,吸收温度30。5、设备型式：填料塔三、设计内容1、设计法案的确定和流程说明；2、填料塔的工艺设计；3、填料塔的结构设计；4、填料塔
2、的强度设计；5、其他主要设备的选型。四、设计要求1、设计说明书一份；2、设计图纸： a、工艺流程图一张（采用AutoCAD绘制）； b、主要设备总装配图一张（A1）；3、答辩。五、设计完成时间2009.8.312009.9.25目 录设计任务书1引言21.设计方案的确定22.填料的类型与选择23.填料塔的物热衡算43.1 计算依据43.2 计算前准备43.3.物料衡算73.4 热量衡算84.填料塔工艺尺寸的计算104.1塔径的计算104.2 填料层高度计算134.3填料层压降的计算205.填料塔内件的类型与设计215.1 填料支承设计215.2 填料压紧和限位装置245.3 液体分布器245.
3、4 液体再分布器265.5 接管266塔体的强度及稳定性计算276.1 塔设备设计应考虑的载荷276.2 设计条件276.3 塔体封头厚度计算286.4 风载荷及风弯矩的计算316.5 地震载荷的计算34参考文献37设计小结38附：设备总装配图一张 工艺流程图一张引言碳酸丙烯酯(简称碳丙，缩写PC)脱碳技术，是利用PC这一极性有机溶剂对CO2，H2S等多种酸性气体的特殊亲和力，来选择性脱除有关气体中的酸性组份，PC脱碳属典型的物理过程，具有能耗低、工艺流程简单、运行可靠等优点，因此很快得以普及和推广。目前，国内已有l5O余家工厂应用PC法脱碳(大多为中小型氨厂)，包括替代水洗脱碳、配尿素、配磷
4、铵、联碱等类型，其开工装置数为MDEA 法、NHD法脱碳总和的数倍。1.设计方案的确定填料塔很容易应用于板式塔很难运用的某些场合。例如：塔径小于800mm的塔，如使用板式塔将很难安装，而填料塔却很容易安装；要求低压降的塔，如采用板式塔将很难保证塔底的真空度，而填料塔的压降常低于板式塔。填料塔的运用越来越广泛，许多过去曾被板式塔垄断的大型塔，已成功地被填料塔所取代。填料塔的特性体现在以下几个方面：（1）生产能力，填料塔的生产能力大于同直径的筛板塔很浮阀塔。（2）分离效率，填料塔的分离效率可和相同高度的板式塔相比。（3）操作弹度，合理的填料塔，其操作弹性一般好于筛板塔，大致和浮阀塔相当。（4）压降
5、（阻力），除非在很高的液相流率下操作，填料塔中每一个理论板的压降通常小于板式塔。（5）成本，填料的制造成本较高，但填料塔比板式塔容易安装，因此可导致总体上较低的安装成本。本设计的目的是碳酸丙稀脂脱除烟道气中CO2，在操作条件为压强为0.6MPa,吸收温度30，因此选择填料塔作为塔设计型式。2.填料的类型与选择塔填料（简称为填料）是填料塔中气液接触的基本构件，其性能的优劣是决定填料塔操作性能的主要因素，因此，塔填料的选择是填料塔设计的重要环节。填料的正确选择，对塔的经济效果有着重要的影响。对于给定的设计条件，常有多种填料可供选用。故对各类的填料综合比较，以便选择比较理想的填料是很有必要的。填料改
6、进的方向为增加其通过能力，以适应工业生产的需要；改善流体的分布与接触，以提高分离效率。填料可分为乱堆填料盒规整填料，乱堆填料做无规则堆积而成，装卸较方便，但压降大，一般直径在50mm以下的填料用乱堆，整砌填料常用规整的填料整齐砌成，适用于直径在50mm以上的填料。填料按形状可分为环形、鞍形和波纹形。环形填料有拉西环、鲍尔环、阶梯环等；鞍形填料有矩鞍形和弧鞍形两种；波纹形填料有板形波纹和网状波纹。填料塔内传质效率的高低与液体的分布及填料的润湿情况有关，为使填料能获得良好的润湿，应保证塔内液体的喷淋密度不低于某一个极限，所以还需验算塔内的喷淋密度是否大于最小喷淋密度。对于部分常用填料的性能的经验数
7、据由表2-1、表2-2、表2-3给出，从性能和成本这两方面综合考虑，本设计选用50301.5聚氯乙烯塑料阶梯环，填料采用乱堆的方式。阶梯环是在鲍尔环的基础上发展起来的新型填料，是目前环形填料中性能较优的一种。目前各国已有大量的阶梯环填料塔投入运转，最大直径已达12m。表2-1 常用填料的相对通过能力填料类型公称尺寸，mm253850相对值拉西环100100100矩鞍132120123鲍尔环155160150阶梯环170176165矩鞍环205202195表2-2 常用填料的气体动能因子设计值类别尺寸，mm253850矩鞍1.191.451.70鲍尔环1.351.832.00矩鞍环1.761.9
8、72.20表2-3 常用填料的等板高度设计值类别尺寸，mm253850矩鞍430550750矩鞍环420540710鲍尔环4305306503.填料塔的物热衡算3.1 计算依据处理能力：1500m3/h；进料组成：CO2含量13%（Vol），其余视为空气；工艺要求：回收率为92%操作条件：压强为0.6MPa，吸收温度30。3.2 计算前准备烟道气的组成见表3-1。表3-1 烟道气的组成及分压项目进塔烟道气CO2空气合计体积百分数（%）1387100组分分压（MPa）0.0780.5220.6（kgf/cm2）0.805.326.12（atm）0.775.155.923.2.1 进塔气体流量V=
9、362.025kmol/h=0.1kmol/s进塔惰性气体流量V（1-0.13）=0.10.87=0.087Kmol/s3.2.2 气体的摩尔比 y1=0.13根据回收率计算出塔气体浓度 Y2 回收率 所以Y2=Y1（1）= 0.012 在填料塔吸收过程中吸收的CO2量V（Y1-Y2）=0.1* (0.15-0.012) =13.810-3 kmol/s3.2.3 CO2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的溶解热应予以考虑。现假设出塔气的温度与入塔液的温度相同，为Tv2=30，出塔液的温度为TL1=35，并取吸收饱和度(定义为出塔溶液浓度对其平衡浓度的百分数)为80，然
10、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。有人关联出了CO2在PC中溶解的相平衡关系，因数据来源不同，关联式略有差异。 （3-1）式中：Xco2CO2溶解度，kmolCO2/kmolPC Pco2CO2分压，kgf/cm2 TPC出塔温度， K （3-2）式中：Xco2CO2溶解度，kmolCO2/kmolPC Pco2CO2分压，atm TPC出塔温度， K （3-3）式中：Xco2mol%，无因次 Pco2CO2分压，atm TPC出塔温度，K用关联式（1）计算出塔溶液中CO2的浓度有=-2.12Xco2=7.5810-3kmolCO2/kmolPC =1.97Nm3CO2/m3
11、PC式中：102.09PC的摩尔质量，kg/kmol; 1187出塔溶液的密度（近似取纯PC的密度），kg/m3。3.2.4 PC的密度与温度的关系PC的密度与温度的关系： （3-4）式中：t温度,； 密度，kg/m3。30：；35：3.2.5 PC的蒸汽压查PC理化数据知，PC蒸汽压操作总压及CO2的气相分压比均很小，故可认为PC不挥发。3.2.6 PC的粘度 （3-5）T为热力学温度，K。3.2.7 其他物性其他物性将在下面的计算中补充。3.3.物料衡算3.3.1 CO2在PC中的溶解量查CO2在操作总压为0.6MPa、操作温度为35下在PC中的溶解度数据，并取相对饱和吸收度为，将空气视为
12、惰性气体不溶于PC。表3-2 烟道气中各组分的溶解情况项目组分CO2空气合计组分分压0.070.5220.6溶解度（Nm3/m3PC）1.9701.97溶解量（Nm3/m3PC）1.7901.79溶解气组成的体积百分数（%）1000100CO2的溶解量计算如下：之前已经算到35时CO2在PC中的平衡溶解度：XCO2=1.97Nm3/m3PCPC对CO2的实际溶解能力为：1.970.9085=1.79Nm3/m3PC，即为溶液带出气体的量。3.3.2 出脱碳塔的净化气量 以V1、V2、V3分别代表进塔、出塔及溶液带出的总气量，以y1,y2、y3分别代表CO2相应的体积分率，对CO2作物料衡算有：
13、V1=V2+V3 （3-6）V1 y1=V2 y2+V3 y3 （3-7） 联立两式解得：V2=V1-V3=1500-179.15=1320.85Nm3/h3.3.3 计算PC循环量因每1m3PC带出CO2为0.174Nm3，故有：1001192=119200kg/h操作的液气比为：V1/L=1500/100=15Nm3/m3又：,x2=03.3.4 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。CO2:15000.13-=15.85Nm3/h 1.2%空气： 15000.87=1305Nm3/h 98.8% 1320.86Nm3/h 100%出塔气的平均
14、摩尔质量：kg/kmol3.4 热量衡算在物料衡算中在物料衡算中曾假设出塔液相的温度为35，出塔气相的温度为30，现通过热量衡算对出塔溶液的温度进行校核，看其是否符合35下的操作标准。(出塔气相的温度本身变化不大，且其焓值相对较小，温升引起的焓变可不预考虑)。否则，应调整出塔液相的温度、溶剂吸收饱和度和溶剂循环量，以使热量衡算得到的结果与物料衡算所作的假设大致相等或完全一致。3.4.1 混合气体的定压比热容Cpv因难以查到真实气体的定压比热容，好在气体的压力并非很高，故可借助理想气体的定压比热容公式近似计算。理想气体的定压摩尔比热容计算式：CPi=ai+0.001biT+ci105T-2+di
15、10-6T2,J/(molK)，其温度系数如表3-3表3-3 各组分温度系数组分温度系数ABCDCO244.179.043-8.5410N227.884.27100O229.984.187-1.6750所以：30时CPCO2=44.17+0.0019.043303+（-8.541）105303-2+0=37.61J/(molK)CPN2=27.88+0.0014.271303+0+0=29.17 J/(molK)CPO2=29.98+0.0014.187303+（-1.675）105303-2+0=29.42J/(molK)35时CPCO2=44.17+0.0019.043308+（-8.54
16、1）105308-2+0=37.95J/(molK)CPN2 =27.88+0.0014.271308+0+0=29.20 J/(molK)CPO2=29.98+0.0014.187308+（-1.675）105308-2+0= 29.51J/(molK)所以进出塔气体的摩尔比热容为：CPV1=CPiyi=37.610.13+29.170.790.87+29.420.210.87=30.31J/(molK)CPV2=CPiyi=37.950.012+29.200.790.988+29.510.210.988=29.37 J/(molK)3.4.2 液体的比热容CPL溶解气体占溶液的质量分率很小
17、，故可用纯碳酸丙烯酯的密度来替代溶液的密度（其他物性亦如此）。文献查得纯碳酸丙烯酯的定压比热容：CPL=1.39+0.00181（t-10）kJ/kg据此推算：CPL1=1.435kJ/kg CPL2=1.426kJ/kgCO2的溶解热QS文献查得H CO2=14 654kJ/kmol CO2(实验测定值)CO2在碳酸丙烯酯中的溶解量为179.15Nm3/h=7.82kmol/h所以QS=146547.82=114594.28kJ/h3.4.3 出塔溶液的温度TL1全塔热量衡算有：带入的热量（QV1+QL2）+溶解热量（QS）=带出的热量（QV2+QL1）QV1=V1CPV1(TV1-T0)=
18、(15000.6273/22.40.1303)30.3130=329171.1kJ/hQL2=L2CPL2(TL2-T0)= 1192001.42630=5099376kJ/hQS=114594.28kJ/hQV2=V2CPV2(TV2-T0)=（1320.850.6273/22.40.1303）29.3730=280867.8kJ/hQL1=L1CPL1(TL1-T0)= 1187001.435TL1=170334.5TL1kJ/h所以：329171.1+5099376+114594.28=280867.8+170334.5TL1解得TL1=30.898 (满足阶梯环的径比要求)4.1.5
19、校核喷淋密度 填料塔的液体喷淋密度是指单位时间、单位塔截面上液体的喷淋量，其计算公式为： （4-3）式中：U液体喷淋密度，m3/(m2h)； Lh液体喷淋量，m3/h； D填料塔直径，m。为使填料能获得良好的润湿，塔内喷淋量应不低于某一极限值，此极限值称为最小喷淋密度，以Umin表示。对于散装填料，其最小喷淋密度通常用下式计算： （4-4）式中：最小喷淋密度，m3/(m2h)； 最小湿润速率, m3/(mh),(对于直径不超过75mm的散装填料，可直接取0.08 m3/(mh)； 填料的总比表面积，m2/m3。带入计算得:=0.08121.8=9.744m3/(m2h) 9.744 m3/(m
20、2h)(满足要求)4.2 填料层高度计算选用填料层高度计算公式 （4-5）采用近似的简化方法计算，即 （4-6）4.2.1 首先建立相应的操作线方程和相平衡方程因为其他气体的溶解度很小，故可将其他气体视作为惰性气体并且恒定不变，那么，惰气的摩尔流率G又溶剂的蒸汽压较低，可以忽略溶剂的蒸发与夹带损失，并做恒定计算，则y2=0.012 x2=0吸收塔物料衡算的操作线方程为： （4-7）将上述已知数据代入操作线方程，整理得将相平衡方程中的气相分压p和液相中的浓度X转化为气液两相均以摩尔分率表示的对应关系，即，其转化过程如式（3-1）： 4.2.2 利用两线方程求传质推动力（y-y*）因塔内的压力分布
21、和温度分布未知，现假定总压降与气相浓度差成正比（实际上与填料高度成正比，因为填料高度待求），将气象浓度变化范围十等分成10个小区间，可求的各分点处的压强。温度分布可利用各热量区间的热量衡算得出。 忽略气体因温升引起的焓变、溶剂挥发带走的热量及塔的热损失，则气体溶解所释放的热量完全被吸收液所吸收，对第n个小区间作热量衡算有：式中的L为液相的摩尔流率，为第n区间内溶解气的平均微分摩尔溶解热，=14654kJ/mol;CPL为第n区间液体的平均定压比热容，其表达式为因液相温度变化很小，故取温度32.5下的CPL计算，以避免试差的麻烦。于是有：依据上述假设在Excel中作出传质推动力及其倒数的计算结果
22、，见表4-1：表4-1 传质推动力及其倒数的计算项目012345y1021.22.383.564.745.927.1x1020.0100124930.0670628290.1254417820.1851960.2463760.309031pt,kgf/cm26.126.126.126.126.126.12pco2,kgf/cm20.073440.1456560.2178720.2900880.3623040.43452X0.0001001350.0006710780.0012559930.0018550.002470.0031T，k303.15303.65304.15304.65305.153
23、05.65p*co2,kgf/cm20.0097140460.0656276820.1238195120.1843810.2474070.312999y*1020.1587262381.0723477422.0231946373.0127574.0426015.11437f=1/(y-y*)96.0362237776.4729303365.0700488357.8957453.2651850.36185项目678910y1028.289.4610.6411.8213x1020.3732170.4389910.5064110.575540.646445pt,kgf/cm26.126.126.12
24、6.126.12pco2,kgf/cm20.5067360.5789520.6511680.7233840.7956X0.0037460.0044090.005090.0057890.006507T，k306.15306.65307.15307.65308.15p*co2,kgf/cm20.3812630.452310.5262580.6032290.683354y*1026.2297947.3906938.5989839.85668111.16592f=1/(y-y*)48.7755948.3253648.9951750.9341554.52311表中数据均在Excel中完成，用表中数据作图
25、如下图4-1 PC吸收CO2的操作线和平衡线图中下方散点线为平衡线，经关联得相平衡关系可用一二次曲线y=2.113x2+15.937x-0.0059逼近，亦可用一直线y=17.397x-0.186逼近，即近似满足亨利定律。值得注意的是，因压力和温度的变化范围均很小，作相平衡关系的转换时近似取平均压力0.6MPa和平均温度325值并视为常数计算，将使计算过程大为简化，其所致误差仍很小，工程上可以接受。4.2.3 求取积分项采用数值积分法，为避免作图，现采用Simpson公式求积： 6.054NOG=6.054+0.064=6.1184.2.4 气相总传质单元高度传质过程的影响因素十分复杂，对于不
26、同的物系、不同的填料以及不同的流动状况与操作条件，传质单元高度各不相同，目前，在进行设计时多选用一些准数关联式或经验公式进行计算，其中应用较普遍的是修正的恩田（Onde）公式： （4-8） （4-9） （4-10）式中:UV、UL气、液相质量流速，kg/(m2s)；填料的形状系数；、气体、液体的动力粘度， Pas；气体、液体的密度，kg/m3DV、DL溶质在气体、液体中的扩散系数，m2/sR通用气体常数，8.314（m3kPa）/(kmolK) T系统温度，303.15K；填料的湿润比表面积，m2/m3； 填料的比表面积，121.8m2/m3；g重力加速度，9.81m/s2；液体的表面张力，N
27、/m；填料材质的临界表面张力，N/m；， ，液体的表观速度， ，Pas，=40mN/m=0.04N/m，求得U=61m3/(m2h) 0.8267kmol/(m2hatm) =0.98则有， 因为由前面已经计算出uF=0.53m/s，u=0.371m/s，泛点率大于0.5，则用式 （4-11） （4-12） （4-13）（4-14）进行修正。1.998 1.9980.8267=1.6517 kmol/(m2hatm)1.075=1562.6查知亨利系数E=1.6204t+39.594kPa，因为浓度很稀，故用溶剂的密度和摩尔质量代替溶液的平均密度和平均摩尔质量，则由公式 （4-15）可计算得故
28、由公式 （4-16）可计算得到则传单元高度可由公式式中，气相摩尔流量， GM=15007.47/30.95=362kmol/h，则有，故填料层高度填料塔塔高 H=101.2=12m4.3填料层压降的计算如果压力降超过限定值，需调整填料的类型、尺寸或降低操作气速后重复计算，直至满足为止。通常散装填料的压降可由埃克特通用关联图计算。计算时，先根据气液负荷及有关物性数据，求出横坐标值，再根据操作空塔气速及有关物性数据，求出纵坐标值。通过图得出交点，读出过交点的等压线数值，即得出每米填料层压降。其中，用埃克特通用关联图计算压降时，所需的填料因子为操作状态下的湿料因子，称为压降填料因子，以表示。压降填料
29、因子与液体喷淋密度有关，为了工程计算的方便，常采用与液体喷淋密度无关的压降填料因子平均值。表4-2 散装填料压降填料因子平均值填料类型填料因子/m-1DN16DN25DN38DN50DN76塑料阶梯环17611689关联图横、纵坐标中：液体和气体的质量流率，kg/(m2s)；液体和气体的密度，kg/m3 ；泛点气速，m/s；湿填料因子，m-1；水与液体密度之比；液体粘度，mPas；重力加速度，9.81m/s2。已求得，即G=15.9kg/(m2s)，L=168.7kg/(m2s)，, =，=0.53m/s，89m-1，=0.8353，=2.596mPas查埃克特图可知，据经验标准本设计的压降符
30、合工艺条件。5.填料塔内件的类型与设计填料塔的内件主要有填料支承装置、填料压紧装置、液体分布装置等。5.1 填料支承设计填料支承板必须具备下列功能：1、可靠地承受施加于其上的各种负荷；2、确保气、液流畅通无阻；3、防止填料颗粒或碎片从板的开孔处漏出。因此，它不仅要有足够的机械强度，而且开孔率要高，开孔尺寸不能太大。支承板承受的载荷随床层结构和操作工况而异，液泛状态床层对支承板施加了最大的作用力，塔内可能产生的操作压力脉动亦会形成冲击力，此外其他内构件如填料压板、液体再分布器等也可能有些额外载荷。设计需根据操作工况对诸因素作认真分析，尽可能准确地按最危险情况计算总载荷，进行结构和强度设计。支承板
31、的材质应很好选择，结构和强度设计十分重要。一般讲所选材质的耐腐蚀能力应该比填料层更强，如有时尽管塔填料可用，但支承板必须用不锈钢。因为即使是腐蚀也会降低板的支承强度，一旦形成空洞还会漏下填料。当塔内可能产生压力脉动时，承受冲击载荷是强度设计中要考虑的主要问题。在保证强度和单个引的面积小于填料的前提下，总开孔面积应尽可能达到或超过填料层截面的自由面积，填料支承的开孔率过小，将导致液泛的提前发生，填料支承开孔率一般在70100%之间，陶瓷、石墨以及塑料制造的填料支承在保证不会发生液泛的前提下可以稍小一点。本设计选用的是气体喷射式填料支承，它适用面很广，适用的填料塔直径在DN3004000mm之间。
32、气体喷射式填料支承板又称梁型气体喷射式填料支承板，是一种可根据塔径大小由一定单元数开孔板组合而成的综合性能优良的散装填料支承板。这种支承析具有以下优点：结构合理：它是一种立体结构的支承板，故开孔面积不受塔截面积的限制，对于通用设计的金属和塑料材质的这类支承板，开孔率多在100%左右。流体力学性能优良：气、液分流，气体从波的两侧面向上流出，液体集中到波谷流下，这就是避免了气液间的相互夹带，同时有利于气体均匀分布和混合；允许气、液通量大，可承受液体喷淋密度高达120240m3/(m2h)，正常操作时在62Pa以下，最高负荷亦不过200Pa。填料颗粒或碎片不易堵塞孔口，且材料省、重量轻，安装维修方便
33、。5.1.1 支撑板的结构形式与尺寸支撑板结构形式为多块波形梁形支撑板拼装结构，每一块支撑板这间用螺栓连接，整块支撑板为可拆结构。支撑板的波形尺寸见表5-1：表5-1 支撑板波形尺寸 /mm塔径DN波形尺寸bHt3001451801454008001922501929004000300300300表中尺寸b为塔中间支撑板宽度，在塔的边缘支撑板的尺寸b将随塔径的不同而异，左右边缘的此尺寸b不对称，H为波形的波高，t为波形的波距。本设计由前面计算可知，塔径为1200mm,则可知应选300300300波形尺寸的支撑板。对于支撑圈的设置，公称直径DN1200mm的支撑板，可不设置边圈，边圈的作用起支撑
34、板的限位和汇集下降液流于支撑板上的作用。5.1.2 支撑板的强度计算假定支撑板条为一承受均匀布载荷的简支梁，既不考虑各支撑板条相互间的制约作用，又略去填料对塔壁的摩擦阻力，则支撑板中的最大应力为 （5-1）式中 支撑板中的最大应力，MPa；支撑板中最大弯矩，Nmm； 支撑板的支点跨距，mm； 支撑板的均布载荷，N/mm； 填料层高度，mm； 支撑板波形的波距，mm； 塔填料密度，kg/m2 ； 支撑板在设计温度下的许用应力，MPa； 支撑板断面系数，mm3；W可按倒U字形断面，近似计算，即 （5-2）式中 断面惯性矩，mm4； （5-3） （5-4）5.2 填料压紧和限位装置填料床层压板和限制器的作用是使填料塔在操作中保持填料层为一恒定的固定床，从而使塔横截面上填料层的自由截面始终保持均匀一致，保证塔的稳定操作。因为填料塔在高压降、瞬时负荷波动、液泛时，填料床层松动、跳动乃致出现流