化工原理课程设计 - 碳酸丙烯酯吸收二氧化碳填料塔设计

化工原理课程设计

目录

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化工原理课程设计任务书-------------------------------------------------------------------2 摘要-----------------------------------------------------------3 前言-----------------------------------------------------------4 第一节 概述---------------------------------------------------5 第二节 塔填料的选择-------------------------------------------5 第三节 吸收操作中的气液平衡-----------------------------------6 一 气液平衡数据-------------------------------------------6 二 平衡线方程---------------------------------------------6 第四节 填料吸收塔的工艺计算-----------------------------------7 一 物料衡算与操作线方程-----------------------------------7 ㈠ 物料衡算--------------------------------------------7 ㈡ 操作线方程------------------------------------------7 二 最小吸收剂用量与吸收剂用量-----------------------------7 ㈠ 最小吸收剂用量--------------------------------------7 ㈡ 吸收剂用量------------------------------------------8 三 塔径计算-----------------------------------------------8 ㈠ 泛点气速uf与塔径D的计算---------------------------8 ㈡ 塔径的圆整------------------------------------------10 ㈢ 填料塔喷淋密度的校核--------------------------------10

四 填料层高度的计算---------------------------------------10 ㈠ 有效比表面积αw-------------------------------------11 ㈡ 填料层高度和塔高------------------------------------11 第五节 费用的计算---------------------------------------------12 一 吸收塔塔体和平台扶梯年折旧及维修费用-------------------12 二 吸收塔填料年折旧费用-----------------------------------14 三 离心泵年折旧和维修费用及操作费用-----------------------14

四 风机年折旧和维修费及操作费用---------------------------19 五 吸收剂费用---------------------------------------------21 第六节 校核---------------------------------------------------23 一 塔直径与塔中填料直径之比-------------------------------23

二 液体喷淋密度-------------------------------------------23 三 强度校核-----------------------------------------------23 ㈠ 筒体材料的厚度计算----------------------------------24 ㈡ 封头厚度计算----------------------------------------24 ㈢ 塔体的强度与稳定计算--------------------------------24 ⑴ 填料层高度---------------------------------------24 ⑵ 塔的高度-----------------------------------------24 ㈣ 质量载荷计算----------------------------------------24 ⑴ 塔体与裙座的质量---------------------------------24

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⑵ 人孔、法兰、接管等附件的质量---------------------24 ⑶ 内构件的质量-------------------------------------24 ⑷ 保温层材料的质量---------------------------------24 ⑸ 扶梯、平台的质量---------------------------------25 ⑹ 操作时塔内物料质量-------------------------------25

⑺ 充水质量-----------------------------------------25 ⑻ 塔器操作质量-------------------------------------25 ⑼ 塔器的最大质量-----------------------------------25 ⑽ 塔器的最小质量-----------------------------------25 ㈤ 塔体的风载荷和风力矩--------------------------------25 ⑴ 风力矩的计算公式---------------------------------25 ⑵ 总弯矩的计算-------------------------------------26 ⑶ 塔的看自振周期计算-------------------------------26 ⑷ 地震载荷的计算-----------------------------------26 ㈥ 塔体的强度与稳定校核--------------------------------27 ⑴ 塔体危险截面的轴向应力计算-----------------------27 ⑵ 载体危险截面抗压强度及轴向稳定性计算-------------27 ㈦ 裙座的强度和稳定计算、校核--------------------------28 ㈧ 水压试验时塔的强度和稳定性验算----------------------28 ⑴ 水压试验时塔体1-1截面的强度校核-----------------28 ⑵ 水压试验时裙座底部0-0截面强度和轴向稳定要求-----28 ㈨ 基础环板的设计--------------------------------------29 ⑴ 基础环板内外径的确定-----------------------------29 ⑵ 基础环板厚度的设计-------------------------------29 ㈩ 地脚螺栓的设计--------------------------------------29 第七节 小结---------------------------------------------------30 第八节 优化程序与运行结果-------------------------------------30 符号说明-------------------------------------------------------36 参考文献-------------------------------------------------------39 化工原理课程设计成绩单-----------------------------------------40

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化工原理课程设计任务书

化工学院 化学工程与工艺 专业 07-1 班 学生 夏剑锋

设计题目：碳酸丙烯酯(PC)脱除合成氨原料气中CO2填料塔的设计 设计时间：2010.05.10～2010.05.29 指导老师：刘雪霆老师 设计任务及操作条件：

1. 合成氨原料气量 55000 Nm3/h。 2. 原料气组成（摩尔分率）： CO2 CO H2 N2 CH4 30% 3% 49% 15% 3%

3. 出塔净化气中：CO2≤0.6%（摩尔分率）。 4. 再生PC中含CO2≤2×10-5（摩尔分率）。 5. 操作温度32℃。 6. 操作压力2.5MPa。 设计成果

1. 设计说明书一份

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2. 带控制点的工艺流程图（3#图纸）1张； 填料吸收塔的装配图（1#图纸）1张。

碳酸丙烯酯（PC）脱除合成氨原料气中CO2

填料塔的设计

摘要

[中文摘要] 本设计中二氧化碳（CO2）气体吸收为高浓度吸收，所用吸收剂为

碳酸丙烯酯（PC），塔填料为金属鲍尔环（DN50）。经优化计算后得最佳液气比为最小液气比的1.10倍，填料吸收塔塔高17.734m，塔径2.8m，总传质单元数为10.625。

关键词： 吸收剂 填料吸收塔 优化 鲍尔环

[English Abstract] In this design,the absorption of carbon dioxide(CO2) is a kind of high concentration absorption,in which the absorbant is propylene carbonate(PC) and the filler utillized within this design is called Pall ring whose nominal diameter is 50 millimeters.After optimizing and calculating,we have figured out that the best liquid-gas rate is 1.10 times of the minimum liquid-gas rate.We also worked out that the packed and absorbing tower is 17.734 meters high and its diameter is 2.8 meters.Besides,the total units of mass transfer are 10.625.

Key Words: absorbent packed andabsorbing tower optimize

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Pall ring

前言

气体净化是工业上重要的过程之一。随着各工业过程的要求不同，有的需要对原料气体进行净化处理，有的需要对生产过程中产生的气体进行净化，有的需要对尾气进行净化等。

在合成氨生产中，由于制气原料主要碳和含碳化合物，经制气和一氧化碳变换后，变换气中除含有对氨合成有用的氢气等，同时还含有二氧化碳、一氧化碳、甲烷、硫化氢等对氨合成有害的杂质组分。在这些杂质组分中又以二氧化碳的含量最高。如在生产过程中，不及时将二氧化碳从变换气中除去，将会使后续工序无法正常进行。

脱除原料气中大量二氧化碳的方法主要分为三大类：化学吸收法、物理化学法和物理吸收法。本次设计中主要运用物理吸收法。则以下主要介绍物理吸收法。

物理吸收法是指吸收剂并不与二氧化碳发生化学反应的一类脱碳方法。它是基于不同压力下的二氧化碳在吸收剂中有不同的平衡溶解度这种性质而发展起来的。这类方法中的吸收剂大多为有机溶剂，它们普遍具有溶解二氧化碳量大的特点，尤其是在加压时。此外吸收剂的再生大多不必加热，仅通过简单的降压或常温气提（惰性气体吹洗）。

本次课程设计中，用碳酸丙烯酯（PC）作为吸收剂来吸收合成氨原料气里的二氧化碳，是单组分高浓度物理吸收过程。

碳酸丙烯酯为环状有机碳酸酯类化合物，在常温下为略带芳香味的液体，纯净时无色透明，分子式为C4H6O3，摩尔质量为102.09㎏/kmol，密度略大与水。它对二氧化碳、硫化氢及一些有机硫具有较大的溶解能力，而对氢气、氮气、一氧化碳、甲烷、氧气等的溶解度要小得多。如以氢气在碳酸丙烯酯中的溶解度为基准，则同样温度与压力下二氧化碳的溶解度为氢气的130倍左右，硫化氢为氢气的420倍左右。由于不同气体在同一溶剂中溶解度差别很悬殊，这就为该溶剂

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用于气体混合物的分离奠定了理论基础。

碳酸丙烯酯的稳定性较好，在工业上连续运转十余年后仍不影响其吸收效率。溶剂在吸收了二氧化碳和硫化氢等酸性气体后，对普通碳钢的腐蚀性仍较低，因此在工业上可用普通碳钢作为主要设备的材质。

用碳酸丙烯酯作为吸收剂来吸收合成氨原料气中的二氧化碳的方法与其他脱碳方法相比，在净化度相同的情况下，也以碳酸丙烯酯法的能耗和可比操作费最低。

第一节 概述

碳酸丙烯酯（PC）吸收合成氨原料气中二氧化碳（CO2）属高浓度吸收过程，为提高传质效率和分离效率，所以要，本设计选用逆流吸收流程，气体由填料塔塔底进，吸收剂由塔顶进，这样平均推动力大，吸收剂利用率高，分离程度高，完成一定分离任务所需传质面积小。涉及的设备主要是填料塔、离心泵和风机等，其中填料塔主要包括塔体、塔填料和塔内件三大部分。本设计讨论有关填料吸收塔的设计，即选定流程方案、填料类型，计算塔径及填料层高度并对塔的辅助结构（内件）进行选型与估算，同时优化使总费用最小。

第二节 塔填料的选择

塔填料的选择是填料塔设计最重要的环节之一，一般要求塔填料具有较大的通量，较低的压降，较高的传质效率，嵵，操作弹性大，性能稳定，能满足物系的腐蚀性、污堵性、热敏性等特殊要求。填料的强度要高，便于塔的拆装、检修，并且价格要低廉。

为此，填料应具有较大的比表面积，较高的空隙率，结构要敞开，死角空隙小，液体的再分布性能好，填料的类型、尺寸、材质选择适当。

现代工业填料按形状和结构可分为颗粒型填料和规整填料两大类型。 对颗粒填料，尺寸直接影响塔的操作和设备投资。一般同类型填料随尺寸减小分离效率提高，但填料层对气流的阻力增加，通量减少，对具有一定生产能力的塔，填料的投资费用将增加；而较大尺寸的填料用于小直径塔中，将产生气液

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分布不良、气流短路和严重的液体壁流等问题，降低塔的分离效率。

本设计中我们这一组选择用散装金属鲍尔环填料，规格为

公称直径DN=50mm，外径×高×厚（d×h×δ/mm）50×50×0.9 比表面积αt(m2/m3)=103 空隙率ε=0.95m3/m3 个数6200m-3 堆积密度ρp=355kg/m3 干填料因子

=120m-1 湿填料因子Φ=66 m-1

相关规定有鲍尔环的径比D/d的下限为10～15（最小不低于8），且当D≥900mm时，选用50～76mm的填料。

第三节 吸收操作中的气液平衡

一、 气液平衡数据

表格1 CO2在碳酸丙烯酯中溶解度数据

0.01MPa 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 30℃ 0.2733 0.5472 1.0966 1.6484 2.2026 2.7590 5.5772 8.4565 11.3988 14.4063 17.4812 20.6257 23.8422 27.1333 30.5016 40℃ 0.2271 0.4546 0.9109 1.3637 1.8282 2.2893 4.6197 6.9921 9.4079 11.8681 14.3740 16.9268 19.5281 22.1790 24.8810 32℃(内插) 0.26406 0.52868 1.05946 1.59146 2.12772 2.66506 5.38570 8.16362 11.00062 13.89866 16.85976 19.88592 22.97938 26.14244 29.37748 注：数据区αCO2的单位为Nm3/m3。

二、平衡线方程

将表中的溶解度α换算成二氧化碳（CO2）在碳酸丙烯酯（PC）中的平衡摩尔分率xe：

(3-1)

而

(3-2)

通过以上数据及转换公式可拟合出CO2在PC中的平衡线：

而得到平衡线方程：

y* = -0.0194x2 + 3.9382x + 2×10-6 (3-3) 或

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(3-4)

第四节 填料吸收塔的工艺计算

一、物料衡算与操作线方程 ㈠ 物料衡算

逆流吸收塔，以惰性气体和吸收剂为基准，物料衡算式为：

(4-1)

式中，GB——不含溶质的惰性气体流量，kmol/s； LS——吸收剂流量，kmol/s； Y、X——气相和液相的摩尔比。

(4-2)

下标：1——塔底；2——塔顶。 ㈡ 操作线方程

(4-3)

二、最小吸收剂用量与吸收剂用量 ㈠ 最小吸收剂用量

(4-4)

式中，X1*——为与Y1平衡的液相组成，摩尔比； (LS)min——最小吸收剂用量，kmol/s。 代入有数据得：

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并且由y1、式(3-4)和式(4-2)可得

代入式(4-4)得最小液气比为

最小吸收剂用量

㈡ 收剂用量

吸收剂的用量直接影响吸收塔的尺寸、塔底液相组成及操作费用，故应从设备费、操作费及工艺要求权衡决定。

一般经验数据

(4-5)

其中k=1.1～2.0，通过优化得到k=1.10。 三、塔径计算

填料塔直径依混合气体处理量及所选适宜气速按下式计算：

(4-6)

式中 V——操作条件下混合气体积流量，m3/s； u——适宜空塔气速，m/s。

由上式可见，计算塔径的核心问题是确定空塔气速，主要方法为泛点气速法。 ㈠ 泛点气速uf 与塔径D的计算

填料塔的泛点气速与气液流量、物系性质及填料类型、尺寸等因素有关，其

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计算方法有很多，本设计选择用Bain及Hougen关联式，对金属鲍尔环填料有：

(4-7)

式中，L’、G’——液、气相的质量流率， kg/h；

μL——吸收剂的粘度，mPa·s； ——干填料因子，m-1； g——重力加速度，kg/(m2·s)； ρG——混合气的平均密度，kg/m3； ρL——吸收剂的密度，kg/m3；

32℃时，吸收剂碳酸丙烯酯（PC）的相关物性：

ML=102.09kg/kmol，密度ρL =1191.1kg/m3，粘度

进塔气的平均摩尔质量

混合气的平均密度

进塔混合气的质量流量

吸收剂的质量流量

干填料因子

重力加速度

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g=9.81 kg/(m2·s) 将有关数据代入(4-7)可得下述关系：

(4-8)

即

(4-9)

并取适宜的空塔气速

(4-10)

混合气体积流量

∴塔径 （二）塔径的圆整

由以上方法计算出的塔径应按压力容器公称直径标准进行圆整。一般塔径在1m以内时，按100mm增值计；塔径超过1m时，按200mm增值定塔径。

通过优化得到D=2.667m，圆整后得到D=2.8m。 （三）填料塔喷淋密度的校核 最小喷淋密度

(4-12)

式中 Umin——最小喷淋密度，m3/(m2·h)，一般为5～12 m3/(m2·h); LW,min——最小润湿速率，m3/(m·h)，对直径≤75mm的环形填料及直径≤50mm的栅板填料，可取为0.08 m3/(m·h)；对超过上述尺寸的填料，可取为0.12 m3/(m·h)；对规整填料，可以从有关的填料手册中查到。

∴

四、填料层高度的计算

填料层高度的计算需联解物料衡算、传质速率和相平衡三种关系。常用方法

(4-11)

碳酸丙烯酯吸收二氧化碳填料塔设计 - 10 -

有传质单元数法和等板高度法，本设计采用传质单元数法求解填料层高度。且本设计中PC吸收CO2属高浓度气体的吸收。 ㈠ 有效比表面积α

W

(4-13)

式中，αW、αt——单位体积填料层的润湿表面及比表面积，m2/m3； σ、σC——液体的表面张力及填料材质的临界表面张力，N/m2； LG——液相的质量流率，kg/(m2·s)。

本设计中σC=75mN/m2，σ=41.457 mN/m2，αt=103m-1

(4-14)

代入相关数据整理得

(4-15)

㈡ 填料层高度和塔高 液相传质系数

(4-16)

将有关参数值 μL=0.002205Pa·s，ρL=1191.1kg/m3，g=9.81kg/(m2·s)，ψ=1.45及液相扩散系数DL=1.16137×10-9m2/s代入上式并整理可得

(4-17)

校正后

(4-18) (4-19)

且有 ∴总传质单元度

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(4-20)

总传质单数 填料层高度

(4-22)

塔高

通过优化得到 NOL=10.625，h0=11.353m。

(4-21)

(4-23)

第五节 费用的计算

系统的年总费用

（5-1）

式中 J1——吸收塔塔体和平台扶梯年折旧及维修费用； J2——填料年折旧费用；

J3——离心泵年折旧和维修费用及操作费用； J4——风机年折旧和维修费及操作费用； J5——吸收剂费用。 以上各费用的单位均为元/a。

一、吸收塔塔体和平台扶梯年折旧及维修费用

（5-2）

式中 Fm——材质因子，无因次，其值见表5-1； WS——吸收塔塔体质量，kg； D——吸收塔塔内径，m；

Lt——吸收塔的切线长度，m；取Lt=1.5h0 Fc——设备年折旧率，取1/3；

Me——汇率，Me=6.8273元/美元 （2010年05月14日数据） WS可以按照以下公式计算

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（5-3）

式中 TS——吸收塔的塔壁厚度，m；一般取TS≈5mm；

ρ——吸收塔的材料密度，kg/m3；若为碳钢，则ρ=7860kg/m3； 该式计算范围为：塔体质量为1930～445000kg，直径在0.91～6.4m，Lt为8.23～12.19m。

表5-1 材质因子

材蒙乃料碳不锈钢镍尔合20CB-3 种钢 Cr18Ni12Mo2 200 金类 400 Inconel Incoloy 钛钢 600 825 不锈钢18-8 Fm 1 2.1 3.2 5.4 3.6 3.9 将Fm=1，Fc=1/3，Me=6.8273代入式（5-2）并整理得 3.7 7.7 1.7

（5-4）

再将Ts=0.005m，ρ=7860kg/m3代入式（5-3）并整理得

（5-5）

其中 (5-6)

二、吸收塔填料年折旧费用

（5-7）

式中 h0——吸收塔填料层高度，m；

Cpa——填料单价，元/m3。取6000元/m3

将有关参数值 Cpa=6000，Fc=1/3代入式（5-7）并整理得

(5-8)

三、离心泵年折旧和维修费用及操作费用

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（5-9）

式中 b0、b1、b2、b3——分别为离心泵的经验回归系数，无因次； fb——离心泵的校正系数，无因次； Nb——离心泵的轴功率，kW； Cpe——电价，0.52元/(kW·h)；

θ——离心泵年操作时间，h/a。取300×24=7200h/a 不同离心泵回归系数和校正系数见表5-2

表5-2 一般离心泵的回归系数及适用范围

序号 型式 回归系数 校正系数 1 碳钢单级 2.5779 0 材质校正 0.3737 -0.03997 1.0 1.0 1.0 比转数校正 1.0 0.9 1.1 5~500 5~500 5~500 120~270 小于120 大于270 轴功率/kW 比转数 适用范围 将Fc=1/3，b0=2.5779，b1=0，b3=0.3737，b3=-0.03997，fb=1.10，Cpe=0.52，θ=7200代入式（5-9）并整理得

（5-10）

离心泵的轴功率可按下式计算

（5-11）

式中 Q——吸收液的体积流量，m3/s； ηb——离心泵的效率；取0.85 H——离心泵的扬程，m；

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ρL——吸收液的密度，kg/m3；

g——重力加速度，g=9.81kg/(m2·s)。

将ρL=1191.1kg/m3，g=9.81 kg/(m2·s)，ηb=0.85代入式（5-11）并整理得

（5-12）

其中 (5-13)

离心泵扬程可用下式计算

(5-14)

式中ΔZ——离心泵升扬高度，为填料层高度h0与位高余量（由用户估算）之和，

m，取ΔZ=2h0；

λ——送液管道的摩擦系数，无因次；

l——送液管道的总长度，等于填料层高度h0与管长余量（由用户估算）之和，m，取l=h0；

Σle——送液管道的总阻力当量长度，m，按两个闸阀两个90°弯头计； d——送液管道的管径，m；取0.15m uL——吸收液在输液管内的流速，m/s。 代入相关数据并整理得

(5-15)

（5-16）

其中送液管道的摩擦系数λ可以根据下式计算

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(5-17)

式中 e——管材壁面粗糙度，m，不同管材取值见表5-3；取0.15mm

Re——雷诺数，无因次，

,其中μL为吸收液粘度，Pa·s。

(5-18)

表 5-3 各种新管材壁面粗糙度的约值 材料 钢或熟铁

表 5-4 管件和阀门的阻力系数及当量长度数据 名称 阻力系数ζ 当量长度与管径之比le/d 名称 阻力系数ζ e/mm 0.05~0.2 (5-19)

当量长度与管径之比le/d 弯头，45 弯头，90 三通 回弯头 管接头 活接头 闸阀 0.35 0.75 1 1.5 0.04 0.04 17 35 50 75 2 2 标准阀 全开 半开 角阀，全开 止逆阀 球式 摇板式 6.0 9.5 2.0 70.0 2.0 300 475 100 3500 100 碳酸丙烯酯吸收二氧化碳填料塔设计 - 16 -

全开 半开 0.17 4.5 9 225 水表，盘式 7.0 350 四、风机年折旧和维修费及操作费用

式中 af、bf——风机的经验回归系数，无因次； ff——风机型式或材质校正系数，无因次；

fc——折旧率，取1/3； Δp——风机风压，Pa； Vf——气体的体积流量，m3/h ， Nf——风机的轴功率，kW。 风机的轴功率按下式计算

(5-20)

；

(5-21)

式中，ηf——风机的效率。取0.75。

序号 型式 回归系数 af bf 适用范围 风压×风量 3.672×106 3 4-62-11 400 570 0.30 0.25 0.24~7.5 0.034~4.5 2900 1450 防爆校正系数ff 备注 转数/（r/min） 3.7 4.4 碳酸丙烯酯吸收二氧化碳填料塔设计 - 17 -

850 0.41 4.5~30 1450 4.4 风机的风压Δp包括气体通过吸收塔填料层的压降ΔpT、通过液体喷淋装置和液体再分布器的压降、通过填料支承板的压降、通过除沫器的压降以及气体入塔、出塔的局部压降，其中ΔpT是主要组成部分。

(5-22)

式中 G’——气体的质量流量，kg/(m2·s)；

ρG——气体的密度，kg/m3。

(5-23)

由于气体通过其他装置的压降不易求得，可以近似认为数，通常取1.1～1.2，这里取1.15。 综上，可得

，为校正系

(5-24)

五、吸收剂费用

（5-25）

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式中 L0——吸收剂用量，kg；

L1——吸收剂损失量，kg；

Cpw——吸收剂的价格，元/kg。取9.2元/kg

再求解损失量L1

合成氨的转化率为ω=29.13%，PC的损耗量L损=2kg/tNH3。 原料气中VN2=55000×15%=8250Nm3/h=8250×7200=59400000Nm3/a 氮气转化量

氨合成量

PC损耗量

∴

（5-26）

综合以上5类费用可得总费用，优化后得到 J1=67575.06元

J2=126834.81元 J3=2696093.22元 J4=22882.67元

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，即式（5-1）。

J5=1178351.26元 J=4091737.02元

（附：k=1.110000,L=2.731521,D=2.674688,Nol=10.222486,H=10.956693

j1=66508.111133,j2=123124.828423,j3=2724503.413693,j4=22032.480960,j5=1158019.302398,,J=4094188.136607）

第六节 校核

一、塔直径与塔中填料直径之比 塔直径与塔中填料直径之比：

二、液体喷淋密度 最小喷淋密度：

其中：LW,min：最小润湿速率，LW,min=0.12m3/(m·h)； at：填料的比表面，m2/m3； 代入数据得：

实际喷淋密度：

比较可知：

U?Umin

三、强度校核

㈠ 筒体材料的厚度计算

选用低合金钢20R查相关的数据得出：在32℃下，此钢材的许用应力 [σ]t=133MPa。采用带垫板的单面对接焊缝，局部无损伤，故焊缝系数??0.85考虑到单面腐蚀，（认为腐蚀速度为0.15mm/a），腐蚀余量C2=1.0mm，钢板厚度

碳酸丙烯酯吸收二氧化碳填料塔设计 - 20 -

负偏差C1=0.8mm。 由相应的计算公式得

名义厚度：δn=36mm C1=0.8mm 圆整值： 有效厚度：

㈡ 封头厚度的计算

选用标准椭圆型封头（a=2b），厚度：

名义厚度： δn=36mm ㈢ 塔体的强度与稳定计算： （1）填料层高度：（2）塔的高度 ： ㈣ 质量载荷计算：

(1)、塔体与裙座的质量：

(2)、人孔，法兰，接管等附件的质量：

(3)、内构件的质量：

(4)、保温层材料(厚度为100mm)的质量(ρ

保温

=500kg/m3)：

(5)、扶梯，平台的质量:

(6)、操作时塔内物料质量:

碳酸丙烯酯吸收二氧化碳填料塔设计 - 21 -

(7)、充水质量(32℃时ρ

H2O

=995kg/m3):

(8)、塔器操作质量：

(9)、塔器的最大质量：

(10)、塔器的最小质量：

㈤ 塔体的风载荷和风力矩： (1)、风力矩的计算公式

K1=0.7 风振系数K2i=1.7 查得合肥地区的基本风压值

q0?30?10?5MPa?300N/m2

塔段 项目 塔段长度/m 基本风压/pa 1 0～5 2 5～10 300 3 10～15 4 15～17.734 高度变化系数空气动力系数风振系数fi0.80 1.00 0.7 1.14 1.25 K1 1.7 K2 400 350 扶梯附加宽度/mm 操作平台附加宽度/mm 碳酸丙烯酯吸收二氧化碳填料塔设计 - 22 -

塔设备计算段有效直径/mm 风载荷3786 5406.41 6758.01 7704.13 4619.10 pi (2)、总弯矩的计算：

i?iMw?Pil?l?li???Pi?1?li?i?1??Pi?2?li?li?1?i?2??.... 22?2???则由图计算每一段的总弯矩得： 图中(0-0)截面的风弯矩：

图中(1-1)截面的风弯矩

图中(2-2)截面的风弯矩：

图中（3-3）截面的风弯矩：

(3)、塔的自振周期计算：

(4)、地震载荷计算

37级），Tg?0.4(2类场地土远震)查得：amax?0.2（设计地震裂度为地震影响系数：

结构综合影响系数C.5， z?0㈥ 塔体的强度与稳定校核：

碳酸丙烯酯吸收二氧化碳填料塔设计 - 23 -

,可不考虑高震型影响。

(1)、塔体危险截面的轴向应力计算：

最大弯矩引起的轴向应力?3： 取风弯矩和地震弯矩较大来算

0?0 Mmax1?1 Mmax

651641.1

(2)、塔体危险截面抗压强度及轴向稳定性计算： 该截面上的最大轴向压缩应力发生在空塔时：

?max??2??3?t?K???tK??cr?t

（式中：????133MPa） 由于

，

K——组合系数；K=1.2

因此，塔体危险截面(1-1)满足抗压强度及轴向稳定条件。 塔底截面(1-1)抗拉强度的校核：

塔底截面（1-1）的最大拉应力:

由上可得，该截面满足抗拉强度要求。

由以上的各项计算可知，在各种不同危险情况下，塔体壁厚取：

碳酸丙烯酯吸收二氧化碳填料塔设计 - 24 -

可以满足整个塔体的强度，刚度和稳定性的要求。

㈦ 裙座的强度和稳定计算、校核： 裙座底部0-0截面的轴向应力计算：

抗压强度及轴向稳定性验算：

K——组合系数；K=1.2

因此，裙座底部0-0截面满足抗压强度及轴向稳定性条件裙座焊缝强度校核。 ㈧ 水压试验时塔的强度和稳定性验算： (1)、水压试验时塔体1?1截面的强度校核：

?T?p?T?p'?Di??e??0.9?s 2?e??pT?1.25p?3.125MPa,p'?0.014MPa,?T?143.34MPa

0.9?s?235?0.9?211.5MPa

所以，筒体厚度满足水压试验的强度要求。

(2)、水压试验时裙座底部0-0截面强度和轴向稳定要求：

由于????cr? ，所以，裙座底部0-0截面强度和轴向稳定性能满足水压试验时

t的要求。

㈨ 基础环板的设计： (1)、基础环板内外径的确定： 外径：

内径：

(2)、基础环板厚度的设计：

碳酸丙烯酯吸收二氧化碳填料塔设计 - 25 -

由于该塔较高，塔底裙座采用加筋结构，基础环板采用40个均匀分布的地脚螺栓固定，取筋板的厚度为50mm，则基础环上筋板间的距离为：

基础环的外伸宽度：

两筋板间的基础环部分的长宽比：

查矩形板力矩计算表，得出：

基础环板采用Q235—A钢，则其厚度为：

取

㈩ 地脚螺栓的设计：

计算塔设备作用在迎风面侧基础上的最小应力，根据以下式子：

由于?B?0设备不会倾倒，所以不必采用地价地脚螺栓予以固定 。

第七节 小结

本次化工原理课程设计，我们小组的任务是对碳酸丙烯酯（PC）吸收合成氨原料气中二氧化碳（CO2）的脱碳过程填料吸收塔的设计。在为期三周的时间里，

碳酸丙烯酯吸收二氧化碳填料塔设计 - 26 -

在老师的带领和帮助、我们小组的团队合作下，终于圆满地完成了任务。

第一周刚开始，主要是查找有关二氧化碳在碳酸丙烯酯中的溶解度平衡数据资料，并进行计算和拟合，最终得到平衡曲线和平衡方程；然后根据化工原理上所学知识，得到操作线方程；再根据所查资料上的经验公式，对其他参数进行初步计算，得到一系列单关联式。当然还有画图。

第二周是进行优化设计，主要是根据第一周的成果进行整理、编程和反馈计算，并最终得到合理的优化结果。这一周还完成了流程图的绘制。

第三周是校核验算，主要是对强度、风载、地震等因素的校核。这一周还包括装配图的绘制、写说明书和答辩。

总的来说，这次课程设计中，我负责主要的计算和写说明书，也参与资料的查找，我们组长负责autoCAD画图，另一组员负责资料查询和辅助计算，分工还是比较合理的。

同时本次课程设计让我受益匪浅，首先，它让我更加深刻地认识到团队合作的重要性和必要性，因为一个人的精力和能力是有限的，只有互相帮助和互相学习才有共同的提高。其次它让我懂得了对待学习、工作应该有一个严谨的态度，尤其有化工行业中，注意细节，也许就是决定成败的关键。

最后，感谢刘雪霆老师和吴翠明老师这三个星期以来对我们给予的帮助和支持！

第八节 优化程序与运行结果

优化程序：

#include \#include \void main() {

double l,Wl,d,uf,aw,kl,kxa,hol,ho,ws,lt,nb,j,j1,j2,j3,j4,j5; double y,x,xe,k,n,X,Y,Nol,m,x1,X1;

碳酸丙烯酯吸收二氧化碳填料塔设计 - 27 -

double ul,re,xy,h,q,p1,nf;

for(k=1.00;k<=2.00;k=k+0.01) {

n=k*5.15433;

X1=0.08245/k+0.00002; x1=X1/(1+X1); Nol=0.0;

for(x=0.00002;x<=x1;x=x+0.00001)

{ }

l=2.46083*k;

uf=pow(10,(0.36568-1.09158*pow(k,0.25))); d=1.12175*sqrt(1/uf); Wl=129.98502*l/(d*d);

aw=103-103*exp(-0.85921*pow(Wl,0.4)); kl=0.0004283*pow(Wl/aw,(2/3)); kxa=12.54659*kl*(aw); hol=1.27323955*l/(kxa*d*d); ho=1.2*hol*Nol; lt=ho*1.5;

ws=123.46459*d*(lt+0.8116*d); X=x/(1-x);

Y=n*X-0.0001031*k+0.00604; y=Y/(1+Y);

xe=(3.9382-sqrt(15.50942-0.0776*y))/0.0388; m=0.00001/(xe-x); Nol=Nol+m;

j1=2.27577*(exp(6.488+0.21887*log(ws)+0.02297*log(ws)*log(ws))+1017*pow(

d,0.7396)*pow((lt),0.206841));

碳酸丙烯酯吸收二氧化碳填料塔设计 - 28 -

j2=1570.79633*ho*d*d; ul=4.85023*l; re=81027.211*ul;

xy=0.1*pow(0.001+68/re,0.23);

h=2*hol+(hol+13.2)*xy*ul*ul/2.943+205.39696; q=0.08571*l; nb=13.74670*q*h;

j3=0.36667*pow(10,2.5779+0.3737*log10(nb)*log10(nb)-0.03997*log10(nb)*log

10(nb)*log10(nb))+3744*nb; } }

p1=2203.74472*pow(d,-1.6)*ho; nf=0.00106*p1;

j4=66.29841*pow((p1),0.41)+3744*nf; j5=8608.4873*d*d*ho+483254.2157; j=j1+j2+j3+j4+j5;

printf(\ D=%f Nol=%f H=%f J=%f\\n\

运行结果：

k=1.000000 D=2.587296 Nol=24.294574 H=25.097525 J=4763944.065956 k=1.010000 D=2.595407 Nol=19.395619 H=20.108579 J=4438125.952703 k=1.020000 D=2.603483 Nol=17.118723 H=17.810808 J=4305333.708501 k=1.030000 D=2.611525 Nol=15.601983 H=16.289413 J=4227953.271015 k=1.040000 D=2.619534 Nol=14.461316 H=15.150472 J=4177767.984979 k=1.050000 D=2.627509 Nol=13.547744 H=14.241567 J=4143895.137127 k=1.060000 D=2.635451 Nol=12.787150 H=13.487056 J=4120951.493386 k=1.070000 D=2.643361 Nol=12.139052 H=12.845806 J=4106030.035636 k=1.080000 D=2.651239 Nol=11.572430 H=12.286136 J=4096868.153587

碳酸丙烯酯吸收二氧化碳填料塔设计 - 29 -

k=1.090000 D=2.659086 Nol=11.073211 H=11.793967 J=4092496.897264 k=1.100000 D=2.666902 Nol=10.625291 H=11.352837 J=4091737.018263 k=1.110000 D=2.674688 Nol=10.222486 H=10.956693 J=4094188.136607 k=1.120000 D=2.682444 Nol=9.854908 H=10.595402 J=4099119.674869 k=1.130000 D=2.690170 Nol=9.519730 H=10.266304 J=4106370.645812 k=1.140000 D=2.697867 Nol=9.210179 H=9.962432 J=4115434.020888 k=1.150000 D=2.705536 Nol=8.924015 k=1.160000 D=2.713176 Nol=8.658375 k=1.170000 D=2.720789 Nol=8.410885 k=1.180000 D=2.728374 Nol=8.179557 k=1.190000 D=2.735932 Nol=7.962707 k=1.200000 D=2.743463 Nol=7.758078 k=1.210000 D=2.750967 Nol=7.566105 k=1.220000 D=2.758446 Nol=7.384101 k=1.230000 D=2.765899 Nol=7.211212 k=1.240000 D=2.773327 Nol=7.048098 k=1.250000 D=2.780729 Nol=6.892587 k=1.260000 D=2.788107 Nol=6.744758 k=1.270000 D=2.795461 Nol=6.604032 k=1.280000 D=2.802790 Nol=6.469264 k=1.290000 D=2.810096 Nol=6.340648 k=1.300000 D=2.817378 Nol=6.217168 k=1.310000 D=2.824637 Nol=6.099067 k=1.320000 D=2.831873 Nol=5.985996 k=1.330000 D=2.839087 Nol=5.877637 k=1.340000 D=2.846278 Nol=5.773165 k=1.350000 D=2.853447 Nol=5.672348 k=1.360000 D=2.860595 Nol=5.575496 k=1.370000 D=2.867720 Nol=5.482382 k=1.380000 D=2.874825 Nol=5.392303 碳酸丙烯酯吸收二氧化碳填料塔设计 H=9.681639 H=9.421066 H=9.178347 H=8.738870 H=8.538113 H=8.349847 H=8.171236 H=8.001440 H=7.841291 H=7.543149 H=7.404757 H=7.272084 H=7.145411 H=7.023656 H=6.907147 H=6.795543 H=6.688538 H=6.585234 H=6.485411 H=6.389460 H=6.297161 H=6.207742 J=4126173.993611 J=4138393.705268 J=4151930.926096 J=4166650.446076 J=4182438.451319 J=4199124.494532 J=4216775.765184 J=4235175.260878 J=4254266.912285 J=4274133.023089 J=4294592.418776 J=4315670.207813 J=4337328.931543 J=4359475.305463 J=4382142.078934 J=4405244.746125 J=4428819.159191 J=4452843.587045 J=4477298.451616 J=4502111.940038 J=4527270.362851 J=4552813.871386 J=4578729.020016 J=4604952.260289

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H=8.951506 H=7.688470

k=1.390000 D=2.881908 Nol=5.305585 H=6.121610 J=4631524.964911 k=1.400000 D=2.888971 Nol=5.221570 H=6.038040 J=4658386.713854 k=1.410000 D=2.896013 Nol=5.140592 H=5.957444 J=4685579.334380 k=1.420000 D=2.903034 Nol=5.062034 H=5.879138 J=4713045.049831 k=1.430000 D=2.910036 Nol=4.986233 H=5.803536 J=4740825.973705 k=1.440000 D=2.917018 Nol=4.912608 H=5.729989 J=4768866.582359 k=1.450000 D=2.923980 Nol=4.841496 k=1.460000 D=2.930922 Nol=4.772348 k=1.470000 D=2.937846 Nol=4.705073 k=1.480000 D=2.944750 Nol=4.640011 k=1.490000 D=2.951636 Nol=4.577064 k=1.500000 D=2.958503 Nol=4.515732 k=1.510000 D=2.965352 Nol=4.455947 k=1.520000 D=2.972182 Nol=4.398044 k=1.530000 D=2.978994 Nol=4.341553 k=1.540000 D=2.985789 Nol=4.286415 k=1.550000 D=2.992566 Nol=4.232964 k=1.560000 D=2.999326 Nol=4.180753 k=1.570000 D=3.006068 Nol=4.130112 k=1.580000 D=3.012793 Nol=4.080609 k=1.590000 D=3.019501 Nol=4.032204 k=1.600000 D=3.026193 Nol=3.985219 k=1.610000 D=3.032868 Nol=3.939245 k=1.620000 D=3.039527 Nol=3.894246 k=1.630000 D=3.046169 Nol=3.850539 k=1.640000 D=3.052795 Nol=3.807733 k=1.650000 D=3.059406 Nol=3.765796 k=1.660000 D=3.066000 Nol=3.725042 k=1.670000 D=3.072579 Nol=3.685094 k=1.680000 D=3.079143 Nol=3.645925 碳酸丙烯酯吸收二氧化碳填料塔设计 H=5.658914 H=5.589690 H=5.456956 H=5.393771 H=5.332104 H=5.271891 H=5.213545 H=5.156524 H=5.100775 H=5.046705 H=4.993799 H=4.942461 H=4.892191 H=4.842948 H=4.795133 H=4.748263 H=4.702305 H=4.657653 H=4.613843 H=4.570846 H=4.529051 H=4.488009 H=4.447695 J=4797209.153537 J=4825800.098793 J=4854634.829070 J=4883755.681314 J=4913157.694226 J=4942790.409505 J=4972650.577753 J=5002780.480946 J=5033131.490017 J=5063701.081786 J=5094531.402103 J=5125575.336609 J=5156874.936868 J=5188383.967708 J=5220100.810999 J=5252067.345738 J=5284238.461403 J=5316612.938218 J=5349232.481460 J=5382052.929400 J=5415073.386786 J=5448335.391465 J=5481795.585755 J=5515453.341067

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H=5.522232

k=1.690000 D=3.085691 Nol=3.607843 H=4.408493 J=5549350.038575 k=1.700000 D=3.092224 Nol=3.570485 H=4.369966 J=5583443.004400 k=1.710000 D=3.098742 Nol=3.533828 H=4.332093 J=5617731.830800 k=1.720000 D=3.105245 Nol=3.498175 H=4.295254 J=5652257.755510 k=1.730000 D=3.111734 Nol=3.462851 H=4.258626 J=5686937.206916 k=1.740000 D=3.118207 Nol=3.428485 H=4.222988 J=5721853.023303 k=1.750000 D=3.124667 Nol=3.395049 k=1.760000 D=3.131112 Nol=3.361889 k=1.770000 D=3.137543 Nol=3.329618 k=1.780000 D=3.143959 Nol=3.297902 k=1.790000 D=3.150362 Nol=3.267035 k=1.800000 D=3.156751 Nol=3.236381 k=1.810000 D=3.163127 Nol=3.206540 k=1.820000 D=3.169488 Nol=3.177189 k=1.830000 D=3.175837 Nol=3.148616 k=1.840000 D=3.182172 Nol=3.120204 k=1.850000 D=3.188493 Nol=3.092540 k=1.860000 D=3.194802 Nol=3.065311 k=1.870000 D=3.201098 Nol=3.038506 k=1.880000 D=3.207381 Nol=3.012404 k=1.890000 D=3.213651 Nol=2.986412 k=1.900000 D=3.219908 Nol=2.961098 k=1.910000 D=3.226153 Nol=2.936162 k=1.920000 D=3.232386 Nol=2.911877 k=1.930000 D=3.238606 Nol=2.887667 k=1.940000 D=3.244814 Nol=2.864088 k=1.950000 D=3.251009 Nol=2.840846 k=1.960000 D=3.257193 Nol=2.817935 k=1.970000 D=3.263365 Nol=2.795346 k=1.980000 D=3.269525 Nol=2.773346 碳酸丙烯酯吸收二氧化碳填料塔设计 H=4.188314 H=4.153800 H=4.120213 H=4.022881 H=3.991655 H=3.960887 H=3.930939 H=3.871947 H=3.843253 H=3.787406 H=3.759866 H=3.733053 H=3.706593 H=3.680836 H=3.629954 H=3.605170 H=3.580695 H=3.532990 J=5757004.729453 J=5792309.534949 J=5827849.847439 J=5863584.352439 J=5899554.013851 J=5935676.901988 J=5972034.941455 J=6008587.308028 J=6045374.849048 J=6082316.323767 J=6119493.274469 J=6156865.269921 J=6194432.591246 J=6232235.980497 J=6270194.852660 J=6308390.397076 J=6346782.557113 J=6385412.025268 J=6424198.607525 J=6463223.300718 J=6502446.275057 J=6541868.009177 J=6581488.996867 J=6621349.901169

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H=4.087144 H=4.054960 H=3.901047 H=3.814954 H=3.655054 H=3.556521

k=1.990000 D=3.275673 Nol=2.751650 H=3.509744 J=6661411.061374

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符号说明

符号 意义及单位

A Bain-Hougen公式中的常数 αf 风机的经验回归公式中的常数 α3t 单位体积填料层的湿润比表面，m2/m α

2w

单位体积填料层的湿润表面，m/m3

b0，b1，b2，b3 离心泵的经验回归公式中常数 bf 风机的经验回归公式中的常数 Cpa 填料单价，元/m2 Cpe 电价，元/（kW·h） Cpw 吸收剂的价格，元/kg

D2L CO2在液相中的平均扩散系数，m/s D 塔径，m

d 送液管道的管径，m e 管材壁面粗糙度，mm Fc 设备年折旧率 Fm 材质因子 fb 离心泵的校正系数 ff 风机形式或材质校正系数 G’ 气体的质量流量，㎏/(m2·s)

GB 通过吸收塔的惰性气体流量，kmol(B)/s g 重力加速度，m2/s h0 吸收塔填料层实际高度，m H 离心泵的扬程，m HOL 液相总传质单元高度，m J 系统的年总费用，元/a

J1 吸收塔塔体和平台扶梯年折旧及维修费用，元/a

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J2 填料年折旧费用，元/a

J3 离心泵年折旧和维修费用及操作费用，元/a J4 风机年折旧和维修费及操作费用，元/a J5 吸收剂费用，元/a K Bain-Hougen公式中的常数

Kx·a 以△x为推动力的液相总体积传质系数，kmol/(m2·s) kL 液相传质系数，m2/s kL' 修正了的液相传质系数，m2/s

kL'·a 以△c为推动力的液相体积传质系数，kmol/(m2·s·kmol/m3) kx·a 以△x为推动力的液相体积传质系数，kmol/(m2·s) Ls 液相摩尔流率，kmol/s LG 液相的质量流率，㎏/(m·s) Lt 吸收塔的切线长度，m LW,min 最小润湿速率，m3/(m·h) l 送液管道的总长度，m

?le 送液管道的总阻力当量长度，m

2

M 相对分子质量，kg/kmol Me 汇率，元/美元 Nb 离心泵的轴功率，kW Nf 风机轴功率，kW NOL 液相总传质单元数 p 操作压力，风机风压，MPa Q 吸收液的体积流量，m3/s qv 操作条件下的气体流量，m3/h R 摩尔气体常数，J/(mol·K) Re 雷诺数 T 绝对温度，K Ts 吸收塔的塔壁厚度，m U 实际喷淋密度，m3/(m2·h) Umin 最小喷淋密度，m3/(m2·h) u 空塔气速，m2/s

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uF 液泛气速，m/s

uL 吸收液在管道内的流速，m/s Vf 气体的体积流量，㎡/h Ws 吸收塔塔体质量，㎏ X 溶质在液相中的比摩尔分率 x 溶质在液相中的摩尔分率 xe 相平衡时液相中摩尔分率 Y 溶质在气相中的比摩尔分率 y 溶质在气相中的摩尔分率

yi i组分在原料气中的组成（摩尔分率）?Z 离心泵升扬高度，m

Z 填料层计算高度，m ρ 吸收塔的材料密度，㎏/m ρ

G

气相的密度，kg/m3

ρL 液相的密度，kg/m3 μL 液体粘度，Pa*s ε 空隙率，m3/m3 ρp 堆积密度，kg/m3 φ 填料因子，1/m

ψ 填料的形状系数（开孔环） σ 液体的表面张力，N/m σc 液体的临界表面张力，N/m ωL 液相质量流率，kg/s ωV 气相质量流率，kg/s ? 塔的衡截面积，m2

θ 离心泵年操作时间，h/a ηb 离心泵的效率 ηf 风机的效率 λ 送液管道的摩擦系数

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参考文献

[1]《化工原理》，崔鹏、魏凤玉，合肥工业大学出版社，2007.08。

[2]《化工原理优化设计与解题指南》，阮奇、叶长、黄诗煜，化学工业出版社， 2001。

[3]《化工原理课程设计》，天津大学化工学院，柴诚敬、王军、张缨，天津科学技术出版社，2006。

[4]《化工原理课程设计指导》，化学工业出版社，任晓光、宋永吉、李翠清，2006。 [5]《塔设备》，路秀林、王者相，化学工业出版社，2004.1。

[6]《常用化工单元设备设计》，李功样、陈兰英、崔英德，华南理工大学出版社，2009.8

[7]《化工设备机械基础》，华东理工大学出版社，汤善甫、朱思明,2004.12。 [8]《化学工程CAD技术》，化学工业出版社，杨松林、于奕峰,2008.02。 [9]《化工设备机械基础》，大连理工大学出版社，喻健良,2009.07。

[10]《化工单元过程及设备课程设计》，匡国柱、史启才，化学工业出版社，2002.1。 [11]《AutoCAD2008》(中文版) ，刘路，科学出版社，2008.7。 [12]《碳酸丙烯酯脱除co2技术》，周学良，1985.07。 [13]《碳酸丙烯酯脱除co2工艺操作手册》，周学良，1993.05。

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化工原理课程设计成绩单

设计 任务 成绩 课程设计主要内容 碳酸丙烯酯吸收二氧化碳填料塔设计 - 37 -

指导教师评语 签名： 20 年 月 日

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