全國賽文件提交-石油大學北京碣石觀滄海團隊1設計集4塔設備設計

1、2017 年“東華科技-陜鼓杯”第十一屆大學生化工設計競賽塔設備設計團隊名稱： 團隊成員：葉陽 曾偉 邵青楠 崔怡洲 王奧誠指導老師： 黃星亮 鄧春 孟祥海 杜巍 徐建 2017 年 8 月目 錄目錄1塔設備選擇3塔設備選型設計依據(jù)3對塔設備的要求3塔類型的選擇41.3.1 塔設備簡介41.3.2 塔設備選型原則5板式塔及塔板選擇8填料塔填料及內(nèi)件選擇11第一章1.11.21.31.41.51.5.11.5.21.5.3填料的選擇11內(nèi)件的選擇14文氏棒17板式塔設備設計計算20第二章2.1 T0303 萃取精餾塔設計計算202.1.12.1.22.1.32.1.42.1.52.1.6使用軟件

2、列表20塔設備基礎數(shù)據(jù)20塔徑的計算22溢流裝置的設計計算24浮閥塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定26塔板結(jié)構(gòu)設計262.2水力學計算272.2.12.2.22.2.32.2.42.2.5塔板降27霧沫夾帶量29降液管內(nèi)液面高度30漏液的檢驗30降液管液體停留時間302.3塔板的負荷性能圖312.3.12.3.22.3.32.3.42.3.52.3.6過量霧沫夾帶線31淹塔線31過量泄漏線32降液管超負荷線32液相負荷下限線32單板負荷性能圖321 / 87塔設備設計2.4 全塔負荷性能圖332.4.12.4.22.4.32.4.42.4.52.4.62.4.72.4.8降液管停留時間33濕板壓降34降液管

3、出口液速34泄露35霧沫夾帶35液泛36閥孔動能因數(shù)36圖像結(jié)論372.5 Cup-Tower 水力學校核372.5.1 精餾段水力學計算結(jié)果372.5.2 提餾段水力學計算結(jié)果402.6塔機械工程設計422.6.12.6.22.6.32.6.42.6.5塔高的計算42接管的計算44塔體和封頭選材45裙座的設計46塔設備強度校核472.7第三章塔設備 T0303 條件圖62填料塔設備設計計算633.1 T0105 硫化氫吸收塔設計633.1.1 使用軟件列表633.1.2 塔徑的計算633.1.3 Sulcol 水力學校核653.2 T0105 硫化氫吸收塔強度校核683.2.1 鋼材選用68

4、3.2.2 塔設備強度校核723.3 塔設備設計一覽表852 / 87第一章塔設備選擇1.1塔設備選型設計依據(jù)表 1-1塔設備設計規(guī)范1.2對塔設備的要求作為主要用于傳質(zhì)過程的塔設備，首先必須使氣液兩相充分接觸，以獲得較高的傳質(zhì)效率；此外，為了滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，塔設備還得考慮下類各項要求：（1）生產(chǎn)能力大。在較大的氣液流速下，仍不致發(fā)生大量的霧沫夾帶、攔液或者液泛等破壞正常操作的現(xiàn)象。（2）操作穩(wěn)定彈性大。當塔設備的氣液負荷有較大波動時，仍能在較高的傳質(zhì)效率下進行穩(wěn)定的操作。并且塔設備應保證在能長期連續(xù)操作。（3）流體阻力小，流體通過塔設備的壓降小。這將大大節(jié)省生產(chǎn)中的動力消耗，以降低操作費

5、用。對于減壓蒸餾操作，較大的降還將使系統(tǒng)無法維持必要的真空度。（4）結(jié)構(gòu)簡單、耗用材料少，制造與安裝容易。這可以減少基建過程當中的投資費用。（5）耐腐蝕和不易堵塞，方便操作、調(diào)節(jié)和檢修。3 / 87參考標準及文獻標準編號或日期化工設備設計全書塔設備2004.01石油化工設備設計便查手冊2002.10固定式容器GB 150-2011塔器設計技術(shù)規(guī)定HG 20652-1998鋼制化工容器設計基礎規(guī)定HG/T 20580-2011塔式容器NB/T 47041-2014塔頂?shù)踔鵋G/T 21639-2005不銹鋼人、手孔HG 21594-21604建筑抗震設計規(guī)范GB 50011-2010鋼制塔式容器

6、JB/T 4710-2005塔設備設計1.3 塔類型的選擇1.3.1 塔設備簡介塔設備的分類可以從不同的角度進行。例如：按操作分為加壓塔、常壓塔和減壓塔；按單元操作分為精餾塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反應塔和干燥塔；按形成相際接觸界面的方式分為具有固定相界面的塔和過程中形成相界面的塔；也有按塔釜形式分類的，但是長期以來最常用的分類是按塔的內(nèi)件結(jié)構(gòu)分為板式塔和填料塔。填料塔以填料作為氣液接觸元件，氣液兩相在填料層中逆向連續(xù)接觸。它具有結(jié)構(gòu)簡單、降小、易于用耐腐蝕非金屬材料制造等優(yōu)點，對于氣體吸收、真空蒸餾以及處理腐蝕性流體的操作，頗為適用。當塔徑增大時，引起氣液分布不均、接觸不良等，造成效率下降

7、，即稱為放大效應。同時，填料塔還有重量大、造價理維修麻煩、填料損耗大等缺點，以致使填料塔在很長時期以來不及板式塔使用廣泛。但是隨著新型高效填料的出現(xiàn)，流體分布技術(shù)的改進，填料塔的效率有所提高，放大效應也在逐步得以解決。板式塔是分級式接觸型氣液傳質(zhì)設備，種類繁多。板式塔為逐級接觸式氣液傳質(zhì)設備。在一個圓筒形的殼體內(nèi)裝有若干層按一定間距放置的水平塔板，塔板上開有很多篩孔，每層塔板靠塔壁處設有降液管。氣液兩相在塔板內(nèi)進行逐級接觸，兩相的組成沿塔高呈階梯式變化。板式塔的空塔氣速很高，因而生產(chǎn)能力較大，塔板效率穩(wěn)定，造價低，檢修、方便。根據(jù)目前國內(nèi)外實際使用的情況，主要的塔型是泡罩塔、篩板塔、浮閥塔、舌

8、形塔、浮動噴射塔、等等。板式塔與填料塔對比見表 1-2。表 1-2 板式塔與填料塔的對比4 / 87項目填料塔板式塔散堆填料規(guī)整填料空塔氣速稍小大比散堆填料大壓降小更小一般比填料塔大塔效率小塔效率高高，對大直徑塔無放大效應較穩(wěn)定，效率較高1.3.2 塔設備選型原則類型選擇時需要考慮多方面的因素，如物料性質(zhì)、操作條件、塔設備的性能，以及塔的制造、安裝、運轉(zhuǎn)和維修等。對于真空精餾和常壓精餾，通常填料塔塔效率優(yōu)于板式塔，應優(yōu)先考慮選用填料塔，其原因在于填料充分利用了塔內(nèi)空間，提供的傳質(zhì)面積很大，使得汽液兩相能夠充分接觸傳質(zhì)。而對于加壓精餾，若沒有特殊情況，一般不采用填料塔。這是因為填料塔的投資大，耐

9、波動能力差。同樣，吸收過程也分為液膜控制、氣膜控制和介于兩者之間的共同控制吸收三種類型。氣膜控制的吸收優(yōu)先考慮選用高效規(guī)整填料塔；液膜控制的吸收往往選用板式塔或汽液湍動大、持液量高的散裝填料塔；介于兩者之間的，宜采用比表面積大、持液量高、液相湍動大的填料塔，一般多采用散裝填料塔。（一）物料性質(zhì)對塔設備選擇的影響（1）易起泡的物系，如處理量不大時，以選用填料塔為宜。因為填料能使泡沫破裂，在板式塔中則易引起液泛。（2）具有腐蝕性的介質(zhì)，可選用填料塔。如必須用板式塔，宜選用結(jié)構(gòu)簡單、造價便宜的篩板塔盤、穿流式塔盤或舌形塔盤，以便及時更換。（3）具有熱敏性的物料須減壓操作，以防過熱引起分解或聚合，故應

10、選用壓力降較小的塔型。如可采用裝填規(guī)整填料的散堆填料等，當要求真空度較低時，也可用篩板塔和浮閥塔。（4）黏性較大的物系，可以選用大填料，板式塔的傳質(zhì)效率較差。（5）含有懸浮物的物料，應選擇液流通道較大的塔型，以板式塔為宜?？蛇x用泡罩塔、浮閥塔、柵板塔、舌形塔和孔徑較大的篩板塔等。不宜使用填料。（6）操作過程中有熱效應的系統(tǒng)，用板式塔為宜。因塔板上積有液層，可在其中安放換熱管，進行有效的加熱或冷卻。（二）操作條件對塔設備選擇的影響5 / 87液氣比對液體噴淋量有一定要求范圍大適應范圍大持液量較小較小較大材質(zhì)可用非金屬耐腐蝕材料適應各類材料金屬材料造價小塔較低較板式塔高大直徑塔較低安裝檢修較適中較

11、容易塔設備設計（1）若氣相傳質(zhì)阻力大（即氣相控制系統(tǒng)。如低黏度液體的蒸餾，空氣增濕等），宜采用填料塔，因填料層中氣相呈湍流，液相為膜狀流。反之，受液相控制的系統(tǒng)（如水洗 CO2），宜采用板式塔，因為板式塔中液相呈湍流，用氣相在液層中鼓泡。（2）大的液體負荷，可選用填料塔，若用板式塔時，宜選用氣液并流的塔型（如噴射型塔盤）或選用板上液流阻力較小的塔型（如篩板和浮閥）。（3）低的液體負荷，一般不宜采用填料塔。因為填料塔要求一定量的噴淋密度，但網(wǎng)體填料能用于低液體負荷的場合。（4）液氣比波動的適應性，板式塔優(yōu)于填料塔，故當液氣比波動較大時宜用板式塔。（三）其他因素對塔設備選擇的影響（1）對于多數(shù)情況

12、，塔徑小于 800mm 時，不宜采用板式塔，宜用填料塔。對于大塔徑，對加壓或常壓操作過程，應優(yōu)先選用板式塔；對減壓操作過程，宜采用新型填料。（2） 一般填料塔比板式塔重。（3） 大塔以板式塔造價較廉。因填料價格約與塔體的容積成正比，板式塔按面積計算的價格，隨塔徑增大而減小。表 1-3塔型選用順序表6 / 87考慮因素選擇順序塔徑800mm 以下，填料塔大塔徑，板式塔具有腐蝕性的物料填料塔穿流式塔篩板塔噴射型塔污濁液體大孔徑篩板塔穿流式塔噴射型塔浮閥塔泡罩塔操作彈性浮閥塔本項目裝置處理物系具有腐蝕性，且氣液相負荷較小，所以優(yōu)先選用填料塔，以降低設備的腐蝕和更換；對于萃取精餾塔，物系腐蝕性較小，塔

13、較高處理量較大，選用板式塔；對于甲醇洗滌塔，由于需要內(nèi)置盤管取熱，為保證取熱效率，選用板式塔為宜。表 1-4塔設備型式7 / 87設備位號設備名稱選擇類型T0101硫化氫吸收塔 1填料塔T0102MDEA 再生塔 1填料塔T0103硫化氫吸收塔 2填料塔T0104MDEA 再生塔 2填料塔T0105硫化氫吸收塔 3填料塔T0106MDEA 再生塔 3填料塔T0301甲醇洗滌塔板式塔T0302硫化氫汽提塔填料塔T0303萃取精餾塔板式塔T0304精餾塔填料塔T0305甲醇-水精餾塔 1填料塔T0306甲醇-水精餾塔 2填料塔T0401精餾塔填料塔泡罩塔篩板塔真空操作填料塔導向篩板網(wǎng)孔塔板篩板浮閥

14、塔板大液氣比多降液管篩板塔填料塔噴射型塔浮閥塔篩板塔存在兩液相的場合穿流式塔填料塔塔設備設計1.4 板式塔及塔板選擇根據(jù)塔板上氣、液兩相的相對狀態(tài)，板式塔分為穿流式和溢流式。目前板式塔大多采用溢流式塔板。穿流式塔板操作不穩(wěn)定，很少使用。工業(yè)上需分離的物料及其操作條件多種多樣，為了適應各種不同的操作要求，迄今已開發(fā)和使用的塔板類型繁多。這些塔板各有各的特點和使用體系，幾種主要塔板的性能比較如下：表 1-5 幾種主要塔板的性能比較可以知道，浮閥塔和其他幾類塔板相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低，生產(chǎn)能力大，操作彈性大，塔板效率較高的優(yōu)點。但是，其缺點是處理易結(jié)焦、高粘度的物料時，閥片易與塔板粘結(jié)；在操作過

15、程中有時會發(fā)生閥片脫落或卡死等現(xiàn)象，使塔板效率和操作彈性下降。尤其是當浮閥因磨損脫落時，會形成大篩孔，造成大量的漏液，影響塔板效率。圖 1-1 FSV 浮動篩片閥件結(jié)構(gòu)FSV 浮動篩片塔板由中國洛陽工程公司研制和開發(fā)，閥件主要由條形8 / 87塔盤類型優(yōu)點缺點適用場合泡罩板較成熟、操作穩(wěn)定結(jié)構(gòu)復雜、造價高、塔板阻力大、處理能力小特別容易堵塞的物系浮閥板效率高、操作范圍寬浮閥易脫落分離要求高、負荷變化大篩板結(jié)構(gòu)簡單、造價低、塔板效率高易堵塞、操作彈性較小分離要求高、塔板數(shù)較多舌型板結(jié)構(gòu)簡單、塔板阻力小操作彈性窄、效率低分離要求較低的閃蒸塔浮動噴射板壓降小、處理量大浮板易脫落、效率較低分離要求較低

16、的減壓塔閥蓋、格柵式閥件和浮片組成。閥蓋上有一導流孔，與水平方向呈 30°夾角；閥體由格柵圍成長條形，兩端為半圓形，固在塔板上；浮片上開有長條形和雙圓形2 種孔，浮片角耳由閥體側(cè)面窗口伸出,架在塔板上，閥片在格柵內(nèi)上下浮動。當氣流量小時，浮片關(guān)閉，塔板開孔率僅為浮片開孔率；而當氣流量增大時，浮片上浮又使塔板開孔變?yōu)樯龤饪酌娣e。圖 1-2 氣體示意圖（a）當空塔氣速較低時,穿過閥孔的氣體不能將浮片頂開，氣體與篩孔塔板類似，但氣體是通過格柵水平方向噴出，類似于 NEW VST 塔板。此外，有少量氣體通過閥蓋上的導流孔吹動板上液體定向。（b）當空塔氣速增大將浮片托起時，氣流穿過塔板開孔和浮

17、片上的開孔.分上下多股氣流從水平方向噴出格柵進入液層，少量氣體通過閥蓋上的導流孔。（c）當氣速增大到一程度時，浮片被完全頂開，貼在閥蓋上。此時，氣體通過塔板開孔分多股水平方向噴出格柵進入液層，僅有少量氣體通過閥蓋上的導流孔。由于閥件的特殊結(jié)構(gòu)，具有以下優(yōu)點:格柵開窗有光滑的導向板，氣流被格柵分散成多股流，呈流線型噴出閥體，減少了向上的噴射力，還使氣流間相互干擾小，從而減少阻力。在浮片未開啟時，塔板開孔率僅為浮片的開孔率。浮片浮起后，塔板上的開孔率變?yōu)殚y件升氣孔面積。所以 FSV 閥的開孔率可以靠浮片自動調(diào)節(jié)，浮片全開與全關(guān)狀態(tài)，開孔率變化約 5 倍。這使得該閥在較大的氣速范圍內(nèi)都可保持較高的傳

18、質(zhì)效率。閥體格柵固定在塔板上，而僅是浮片在格柵中浮動。這就克服了 F1 浮閥在較大氣速時，閥體在孔中旋轉(zhuǎn)而造成的刮蝕作用。FSV 閥體采取以長軸順液流方向排列,迎液流方向的格柵不開孔,并且閥蓋上設有導流孔。因此，克服了 F1 浮閥沿液流向逆向返混大的缺點，有利于傳質(zhì)9 / 87塔設備設計效率的提高。在相同開孔率下,FSV 閥件個數(shù)比 F1 浮閥減少一半，大大減少了安裝工作量。圖 1-3 操作彈性分析圖 1-4 傳質(zhì)效率比較圖 1-5 空塔氣速和漏液量的關(guān)系圖 1-6 濕板壓降對比通過實驗驗證，F(xiàn)SV 浮動篩片塔板具有以下幾點性能的提高：（1） 相同閥孔氣速和液流強度下，F(xiàn)SV 塔板壓降比浮閥塔

19、板低 200300Pa。（2） 相同空塔氣速下，F(xiàn)SV 塔板的吸收傳質(zhì)效率比浮閥塔板高 10%左右。（3） FSV 塔板的操作彈性比浮閥塔板高 20%。FSV 塔板霧沫夾帶上限與浮閥大致相當。（4）FSV 塔板在相同開孔率下，閥體個數(shù)減少一半，并且浮片不易銹蝕、磨損，大大減少安裝和維修工作量。（5）FSV 塔板可自動調(diào)節(jié)開孔率，調(diào)節(jié)范圍約 5 倍左右，保證了低氣速下維持較高的分離效率。板式塔的塔板選用 FSV 浮動篩片塔板，而設計時仍采用 F1 浮因此，10 / 87閥塔的參數(shù)。1.5 填料塔填料及內(nèi)件選擇1.5.1 填料的選擇填料塔是一個圓筒塔體，塔內(nèi)裝載一層或多層填料，氣相由下而上、液相由

20、上而下接觸，傳熱和傳質(zhì)主要在填料表面上進行，因此，填料的選擇是填料塔的關(guān)鍵。填料的種類很多，許多研究者還在不斷地試圖改進填料，填料塔名也以填料名稱為依據(jù)，如金屬鮑爾環(huán)塔、波網(wǎng)填料塔。常用的填料還有拉西環(huán)填料、鮑爾環(huán)填料、矩鞍形填料、階梯形填料、波紋填料、波網(wǎng)（絲網(wǎng)）填料、螺旋環(huán)填料、十字環(huán)填料等。填料塔制造方便，結(jié)構(gòu)簡單，便于采用耐腐蝕材料，特別適用于塔徑較小的情況，使用金屬材料省，一次投資較少，塔高相對較低。表 1-6 常用填料的分類與名稱填料根據(jù)材質(zhì)分為陶瓷、金屬和三大類。（1）陶瓷填料陶瓷填料具有很好的耐腐蝕性及耐熱性，陶瓷填料價格便宜，具有很好的表面潤濕性能，質(zhì)脆、易碎是其 最大缺點。

21、在氣體吸收、氣體洗滌、液體萃取等過程中應用較為普遍。11 / 87填料類型填料名稱散裝填料環(huán)形拉西環(huán)形拉西環(huán)，環(huán)，十字環(huán)，內(nèi)螺旋環(huán)開孔環(huán)形鮑爾環(huán)，改進型鮑爾環(huán)，階梯環(huán)鞍形弧鞍形，矩鞍形，改進矩鞍形環(huán)鞍形金屬環(huán)矩鞍形，金屬雙弧形，納特環(huán)其他新型球形，花環(huán)形，麥勒環(huán)形規(guī)整填料波紋型垂直波紋型網(wǎng)波紋型，板波紋型水平波紋型Spraypak，Panapak非波紋型珊格形Glitsch Grid板片形壓延金屬板，多孔金屬板繞圈形古德洛形，Hyperfil塔設備設計（2）金屬填料金屬填料可用多種材質(zhì)制成，選擇時主要考慮腐蝕問題。碳鋼填料造價低，且具有良好的表面潤濕性能，對于無腐蝕或低腐蝕性物系應優(yōu)先考慮使用

22、；不銹鋼填料耐腐蝕性強，一般能耐除 Cl- 以外常見物系的腐蝕，但其造價較高，且表面潤濕性能較差，在某些特殊場合（如極低噴淋密度下的減壓精餾過程），需對其表面進行處理，才能取得良好的使用效果；鈦材、特種合金鋼等材質(zhì)制成的填料造價很高，一般只在某些腐蝕性極強的物系下使用。一般來說，金屬填料可制成薄壁結(jié)構(gòu)，它的通量大、氣體阻力小，且具有很高的抗沖擊性能，能在高溫、高壓、高沖擊強度下使用，應用范圍最為廣泛。（3）填料填料的材質(zhì)主要包括聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）及聚氯乙烯（PVC）等，國內(nèi)一般多采用聚丙烯材質(zhì)。填料的耐腐蝕性能較好，可耐一般的無機的腐蝕。其耐溫性良好，可長期在 100°C

23、 以下使用。酸、堿和填料質(zhì)輕、價廉，具有良好的韌性，耐沖擊、不易碎，可以制成薄壁結(jié)構(gòu)。它的通量大、壓降低，多用于吸收、解吸、萃取、除塵等裝置中。本項目選用 Sulzer 公司系列填料，由于處理物系具有較強的腐蝕性，硫化氫吸收塔操作溫度低于 100，所以擬選用 Mellapak 聚丙烯填料（最高操作溫度為 110）；對于 MDEA 再生塔，其操作溫度 120，擬采用耐高溫耐腐蝕的Kerapak 陶瓷板波紋填料；對于甲醇-水精餾塔，其操作溫度 150，同樣選擇使用 Kerapak 陶瓷板波紋填料精餾塔，其操作溫度為-20，使用 Kerapak陶瓷板波紋填料；硫化氫汽提塔，其操作溫度 115，使用

24、Kerapak 陶瓷板波紋填料。表 1-7 MELLAPAK 系列技術(shù)數(shù)據(jù)12 / 87Mellapak250.X250.Y170.X170.YSpecific surface area250m2/m3250m2/m3170m2/m3170m2/m3Element height(approx)500mm400mm500mm800mmSurface structuresmoothMaterial thickness0.5 to 2mmMaterialCeramic,plastic,stainless steel本項目使用的 Mellapak 聚丙烯填料，我們選用性能優(yōu)異的 Mellapak250

25、Y 填料，填料實物圖如圖 1-7 所示：圖 1-7 Mellapak 250Y 聚丙烯填料本項目所選的 Mellapak 250Y 聚丙烯填料，其填料性能如圖 1-8（分離效率）、圖 1-9（壓降性能圖）所示：圖 1-8 Mellapak 250Y 聚丙烯填料分離效率圖 1-9 Mellapak 250Y 聚丙烯填料壓降性能圖13 / 87塔設備設計本項目所選的 Kerapak 陶瓷板波紋填料，我們選用 Kerapak 250Y 填料，填料實物如圖 1-10 所示，性能如表 1-8 所示：圖 1-10 Kerapak 250Y 陶瓷填料表 1-8 Kerapak 陶瓷板波紋填料技術(shù)參數(shù)1.5.

26、2 內(nèi)件的選擇填料塔內(nèi)件主要有填料支撐裝置、填料壓緊裝置、液體分布裝置、液體收集再分布裝置等。合理地選用和設計塔內(nèi)件，對保證填料塔的正常操作及優(yōu)良的傳質(zhì)性能十分重要。a.液體分布裝置：不良的流體初始分布難以達到填料層的自然流分布，會導致傳遞效率急劇下降，實踐證明，沒有良好的液體分布器，填料塔甚至不可能正常操作，新型高效填料的優(yōu)越性難以發(fā)揮。性質(zhì)優(yōu)良的液體分布器除了常規(guī)的技術(shù)經(jīng)濟要求外，還必須滿足操作的可行性、分布的均勻性、合適的操作，彈性和足夠的氣流通道。14 / 87表 1-9液體分布器的性能比較通過對（重力推動）排管式、（推動）排管式、環(huán)管式、（圓形升）孔盤式、（矩形升）孔盤式、堰盤式、堰

27、槽式等 7 種通用型典型的液體分布器性能對比，最終選定采用重力型排管式液體分布器。它由進液口、液位管、液體分配器及布液管組成。進液口為漏斗形，內(nèi)置金屬絲網(wǎng)過濾器，以防止固體雜質(zhì)進入液體分布器。液位管及液體分配管可用圓管或方成。布液管一般由圓成，且底部打孔以將液體分布到填料層上部。對于整體式大塔，可做成可拆卸結(jié)構(gòu)，以便從人孔進入塔中，在塔內(nèi)安裝。這種分布器的最大優(yōu)點是塔在風載荷作用下產(chǎn)生擺動時，液體濺出。此外，液體管中有一定的液位高度，故安裝時水平度誤差對從小孔流出的液體有較大的影響，因而可達到較高的分布質(zhì)量。圖 1-11 重力型排管式液體分布器示意圖b.液體再分布器：液體再分布器選用組合式液體

28、分布器，組合式液體再分布15 / 87重力管式管式噴灑式槽式孔流槽式溢流盤式孔流盤式溢流分布質(zhì)量高中低-中高低-中高低-中處理能力m3/(m2h)0.25100.252.5范圍較寬范圍寬范圍寬范圍寬范圍寬塔徑/m任意0.4任意任意，通常 0.6任意，通常 0.61.21.2留堵程度高高中-高中低中低氣體阻力低低低低低-高高高對水平度的要求低無無低載荷時高高低載荷時高高腐蝕影響中大大大小大小液相夾帶重量低高高低低低低塔設備設計器由集液器與常規(guī)液體分布器組合而得，無論是簡單的再分布，還是兼有中間加料或出料的再分布，均能達到理想的效果，而且氣流通量大，阻力小，很適用于大塔徑。液體收集裝置選用遮板式液

29、體收集器，上層填料下來的液體落到斜板后沿斜板流入下方的導液槽中，然后進入底部的橫向或環(huán)形槽。再由集液槽中心管流入再分布器進行液體的混合和再分布。液體收集器需要從人孔裝入塔中，因此要做成分體式結(jié)構(gòu)，集液盤三片制成一體，進塔后組裝成整體。（3）填料支撐板：格柵式支撐板最適合于規(guī)整填料的支撐，一般而言其造價要比氣體噴射式低，空隙率也比較大，采用金屬材料，其空隙率在 95%97%范圍。圖 1-12 格柵式支撐板格柵式支撐板是由一定數(shù)量柵條平行排列而成，為便于安裝和使用，將柵條分組連接拼接成格柵塊，再成功安裝于支撐面上，塊的寬度需小于人孔直徑，以便從人孔送入塔內(nèi)。經(jīng)計算，僅適用于柵條支撐強度要求，故增設

30、主梁。主梁一般采用工字鋼或角鋼，當塔直徑較大時，梁的型號也隨之增大，影響其上面的氣體分布和橫向混合，因而會降低填料效率。本設備采用了三條工字鋼主梁，既滿足了強度要求，也滿足了氣體分布要求，同時合理地利用了塔內(nèi)空間。（4）填料床層固定裝置：對于規(guī)整填料的固定，需要結(jié)合床層結(jié)構(gòu)特點來設計，我們采用的是波紋板，在填料層頂面垂直于板片方向，設置一定數(shù)量的壓條來防止填料盤向上松動，壓條采用扁鋼制作，豎直放置并將其兩頭固定在塔壁上。這種方法簡單、可靠，又幾乎不影響氣液和分布。16 / 87（5）除沫裝置：在塔內(nèi)操作氣速較大時，會出現(xiàn)塔頂霧沫夾帶，這不但會造成物料的流失，同時還可能造成環(huán)境的污染，為避免這種

31、情況，需要在塔頂設置除沫裝置，從而減少液體的夾帶損失，確保氣體的純度，保證后續(xù)設備的正常操作。常用的除沫裝置有絲網(wǎng)除沫器、折流板除沫器以及旋流板除沫器。本設備采用絲網(wǎng)除沫器，依據(jù)的標準為 HG/T 21618-1998。圖 1-13 絲網(wǎng)除沫器1.5.3 文氏棒受到大學（北京）孫國剛教授專利“一種雙循環(huán)文氏棒塔煙氣除塵脫硫系統(tǒng)”（CN103908879A）的啟發(fā)，提出了一種新型文氏棒填料塔，在吸收塔中將文氏棒層與填料層耦合，從而提高整個塔的氣液傳質(zhì)效率。將此設備用于MDEA-SF 吸收塔，可進一步提高脫硫率。在傳統(tǒng)填料塔中，氣液兩相僅在填料層中進行傳質(zhì)。若在填料層與液體分布器之間加上兩排文丘里

32、棒，在該區(qū)域形成一個氣液相持的薄層并造成氣液湍流接觸，無需大幅增加塔高即可進一步提高傳質(zhì)效率。在該區(qū)域內(nèi)，酸性氣體流經(jīng)填料層后 H2S 濃度較低，與液體分布器噴出的新鮮胺液傳質(zhì)效果不佳。在設置文氏棒層后，錯位布置的文氏棒形成無數(shù)個漸縮漸擴的文丘里效應，酸性氣體穿流通過文氏棒層時由于棒層處流通面積小，流速大大提高，使氣流的湍動能大大增加，如圖 1-14。酸性氣與胺液在文氏棒層上進行氣液接觸反應，文氏棒層提供氣液接觸的界面，增加氣液傳質(zhì)，提高脫硫效率。圖 1-14 文氏棒湍流強度17 / 87塔設備設計文氏棒層由一塊或多塊按設定間距排布的耐腐蝕、有足夠機械強度的金屬或非金屬固體實心棒或空心管排構(gòu)成

33、，覆蓋塔全截面，如圖 1-15 所示。該棒文氏棒層至少一層，優(yōu)選為兩層，棒層間距 100300 mm。圖 1-15 文氏棒層示意圖文氏棒脫硫原理如圖 1-16 所示，設置文氏棒層后，在相鄰文氏棒之間形成無數(shù)個文丘里，當氣流通過棒層時，與下落的液滴接觸并在棒層上方形成鼓泡傳質(zhì)的層。在層內(nèi)，液體被高速向上的氣流擊碎，產(chǎn)生新的傳質(zhì)表面，極大地增加了氣液相之間的傳質(zhì)和傳熱表面，此外，氣體通過棒層時，以“液體包圍氣體”的鼓泡傳質(zhì)過程，提高了傳質(zhì)效率。通過調(diào)節(jié)文氏棒間距可調(diào)節(jié)層的高度，棒縫過寬，棒層上存液較小，覆蓋不住棒縫，氣液兩相交替通過棒縫，傳質(zhì)面積不大。棒縫過小，氣液湍動劇烈，在豎直方向上會發(fā)生嚴重

34、的逆向混合，霧沫夾帶較大，因此棒縫的選擇在設計過程中尤為重要。另外，大學(北京)在內(nèi)進行的文氏棒塔與空塔的壓降對比測試表明，增加文氏棒層后，壓降增加僅在 100200 Pa，對脫硫塔的操作幾乎沒有影響，因此達到了高效低阻的脫硫效果。圖 1-16 文氏棒層示意圖18 / 87在填料塔中將文氏棒“液包氣”鼓泡傳質(zhì)與填料層液膜傳質(zhì)相耦合，使填料層上段的氣液傳質(zhì)得以強化，增大了傳質(zhì)推動力，提高了脫硫率與操作經(jīng)濟性，具有壓降低、氣液分布好、傳質(zhì)效率高、操作液氣比低和結(jié)垢堵塞風險小等優(yōu)點。裝置示意圖如圖 1-17 所示。圖 1-17文氏棒填料塔示意圖19 / 87塔設備設計第二章 板式塔設備設計計算2.1

35、 T0303 萃取精餾塔設計計算2.1.1 使用軟件列表表 2-1 使用軟件列表2.1.2 塔設備基礎數(shù)據(jù)利用 Aspen PlusV8.6 對 T0303 塔添加 Tray Sizing，選用圓形浮閥型塔板。得到水力學參數(shù)表后，從中選擇流量最大的塔板，作為設計的計算依據(jù)。表 2-2 為Aspen Plus V8.6 塔徑模擬后的 Tray Sizing Result 數(shù)據(jù)匯總。表 2-2T0303 Tray Sizing Result由 Aspen Plus 模擬后的 Profiles 中調(diào)出 Hydraulics 水力學數(shù)據(jù)，得知第五塊塔板上氣液負荷最大，調(diào)出其具體數(shù)據(jù)匯總于下表 2-3

36、中。20 / 87Section starting stage:2Section ending stage:64Column diameter:1.232meterer area/Column area0.100Sideer velocity0.062m/secFlow path length0.847meterSideer width0.193meterSide weir length0.895meter名稱用途來源Aspen Plus V8.6分離性能設計Aspen Tech 公司CUP-Tower流體力學設計大學（華東）SW6-2011塔體強度結(jié)構(gòu)設計化工設備設計技術(shù)中心站AutoCAD

37、2010精餾塔平面布置圖繪制Autodesk 公司表 2-3 Aspen Plus 對 T0303 精餾段的模擬結(jié)果T0303 塔設備內(nèi)介質(zhì)及組成見表 2-4.表 2-4 T0303 內(nèi)介質(zhì)名稱及其組成按照設計要求，需要對塔設備進行優(yōu)化，使塔設備達到更好的操作效果。優(yōu)化后將數(shù)據(jù)導入 Aspen Plus，可得到每層塔板的水力學數(shù)據(jù)及塔設備操作性能數(shù)據(jù)。由于本塔 T0303 塔板數(shù)較多，超過 60 層，故選取 Aspen Plus 中 Tray Rating Result 進行分析，數(shù)據(jù)見表 2-5。21 / 87介質(zhì)名稱進料組成塔頂組成塔釜組成H2O96.267.54×10-2996

38、.26MDEA4.57×10-107.54×10-294.57×10-10H2S4.75×10-64.75×10-62.18×10-28CO23.69×10-93.69×10-95.18×10-18-HCO31.40×10-1302.18×10-28MDEA+5.45×10-1309.40×10-14CO3-22.72×10-2002.18×10-28HS-1.21×10-901.68×10-17S-22.51×10

39、-2206.32×10-18H3O+5.86×10-901.02×10-8OH-4.65×10-901.02×10-8N2000H2000CO000CH4O120.871.87×10-4120.87COS000C4H8O2S2.09×10-87.54×10-292.09×10-8CH4S58.5558.553.54×10-13DIMET-0117.3816.870.51塔板液相溫度/氣相溫度/液相質(zhì)量流量 kg/h氣相質(zhì)量流量 kg/h液相體積流量 m3/h氣相體積流量m3/h572.2273.

40、6020655.13624519.4626.393221.99液相量氣相量液相密度kg/m3氣相密度kg/m3液相粘度cP氣相粘度 cP液相表面張力dyne/cm59.4958.02782.707.610.210.0117.64塔設備設計表 2-5 T0303 Tray Rating Result由表數(shù)據(jù)及詳細數(shù)據(jù)可知，對于設計優(yōu)化后的 T0303 塔，降液管液位高度/ 板間距均在 0.20.5 之間，最大值為 0.301，滿足設計要求；降液管停留時間均大于 4 秒，最小值為 4.918 秒，滿足設計要求；每塊塔板的液泛因子均在 0.60.85區(qū)間，最大值為 0.739，滿足設計要求。2.1.

41、3 塔徑的計算由于帶有降液管，所以溢流式的塔板的塔截面實際分為了兩個部分，即氣體A流通截面和降液管所占截面。若𝐴 為塔板截面積，A為氣體流通截面積， 為降f𝑇液管截面積，則：AfATA'AT= 1-若設氣體流通截面上的適宜氣速為u' ，當塔內(nèi)處理的氣體體積流量為V𝑆，A'= VS / u'22 / 87Section starting stage2Section ending stage64Column diameter1.4meterum flooding factor0.739Minimumer res. ti

42、me4.918secStage5PanelSection pressure drop:0.247atmum backup / Tray spacing0.301Stage5LocationBackup0.135meterum velocity / Design velocity0.813Stage5LocationVelocity0.092m/sec塔板的計算中，通常是以泛點氣速𝑢𝑓作為u的上限。一般?。簎 ' = (0.6 0.85)uf根據(jù)索德爾斯和布朗公式：𝜌𝐿 𝜌𝑉𝑢

43、𝑓= 𝐶𝜌𝑉 l 0.2式中C為氣體負荷因子，由C = 𝐶()計算,其中的C由史密斯關(guān)聯(lián)圖查20200.02取。如圖 2-1 所示：圖 2-1 史密斯關(guān)聯(lián)圖參數(shù)的確定：關(guān)聯(lián)圖橫坐標即氣液兩相0.50.5𝐿𝑆 𝜌𝐿26.39782.70()=()= 0.083𝑉𝑆 𝜌𝑉3222.07.61塔板間距 HT 的選取與塔高、塔徑、物性性質(zhì)、分離效率、操作彈性以及塔的安裝、檢修等因素有關(guān)。設計時通常

44、根據(jù)塔徑的大小，由表 2-6 列出的塔板間距的經(jīng)驗數(shù)值選取。表 2-6 塔間距參考數(shù)值23 / 87塔徑D（mm）塔板間距HT（mm）600-7003003504508001000350*45050060012001400350*450500600800*16003000450*50060080033004200600800塔設備設計*不推薦采用通過 Aspen Plus 估算可以塔徑為 1.4 米左右，故取板間距𝐻𝑇 = 500𝑚𝑚。一般常壓塔取𝐿 = 6080𝑚𝑚，減壓塔取

45、19871; = 2030𝑚𝑚，故取板上液層高度𝐿 = 60𝑚𝑚，則液滴沉降高度為𝐻𝑇 𝐿 = 440𝑚𝑚。查出史密斯關(guān)聯(lián)圖：得到 C20 為 0.100.2)= 0.098𝜎0.20.018C = 𝐶20 ()= 0.10 (0.020.02泛點氣速：𝜌𝐿𝜌𝑉782.70 7.61= 0.098 u = C= 0.99 𝑚/

46、𝑠𝜌7.61𝑉取u = 0.7u = 0.7x0.99 = 0.69m/s，則可求得塔徑為： 4 𝑉𝑠4 0.895D = = = 1.29𝑚𝜋 0.69𝜋 𝑢按照標準塔徑圓整后，最終確定 T0303 塔徑為 1.4m。2.1.4 溢流裝置的設計計算（1）板上液流型式的確定T0303 塔徑為 1400mm，塔內(nèi)最大液相流量為 26.39m3/h。則可確定選擇塔板流型為單溢流型，詳細參考見下表。表 2-7液體負荷與板上流型的關(guān)系（2）溢流堰主要24 /

47、87塔徑（mm）液體流量（m3/h）U 形流單流型雙流型階梯流型10007 以下45 以下14009 以下70 以下200011 以下90 以下90160300011 以下110 以下110200200300400011 以下110 以下110230230350500011 以下110 以下110250250400600011 以下110 以下110250250450溢流堰主要作用是維持塔板上有一定的液層厚度，并使液體能較均勻地橫過塔板，其主要是堰高和堰長。根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，單流式塔板的堰長一般為塔徑的 60%80%，此處取為 60%，可得堰長𝑙𝑤 = 1400 &

48、#215; 0.6 = 840 𝑚𝑚此時對應堰上的最大液流量（液流強度）31.42m3/(m 堰長h)，不超過經(jīng)驗值7087.5 m3/(m 堰長h)，檢驗合格。對于本例中的加壓萃取精餾塔，經(jīng)驗值選取堰高為 4060mm，此處選取堰高𝑤 = 50𝑚𝑚，溢流堰選用平口堰。（3）降液管本精餾塔中采用弓形降液管，根據(jù)之前所選的塔徑 D 和堰長𝑙𝑤，由化工原理（陳敏恒編制）查弓形降液管的參數(shù)，如下圖 2-2 所示：圖 2-2 弓形降液管相關(guān)屬性圖得到 𝐴𝑑 =

49、 0.51𝑊𝑑 = 0.1𝐴𝑇𝐷降液管𝑊𝑑 = 0.1 × 1400 = 140 𝑚𝑚𝜋面積𝐴𝑑 = 0.051 × 4 × 𝐷 = 0.07851 𝑚 。22（4）受液盤為了避免塔板上出現(xiàn)死角，同時可以緩沖液體流向，更好地使氣泡分離，在這里選用凹形受液盤，深度為 50mm。此外，為了停工時能夠排盡板上的廢液，在受液盤上開有兩個10的淚孔， 關(guān)

50、于受液盤中心線對稱，位置在受液盤中間。25 / 87塔設備設計（5）進口堰本精餾塔中液相流量相對較小，同時選用了凹形受液盤，故不設進口堰。（6）降液管底隙高度對凹形受液盤，選取底隙高度等于盤深，即𝑏 = 50 𝑚𝑚。為降低氣泡夾帶，液體在降液管內(nèi)應有足夠的停留時間以使氣體從液相中分離出，一般要求t 不應小于 35s，而對于高壓下操作的塔以及易起泡的物系， 停留時間應更長些，為此，必須進行校核。則液體在降液管的停留時間為：𝐴𝑑𝐻𝑇0.07851 × 0.5 = 5.36

51、19878; 3𝑆𝐿𝑆0.00733由于停留時間t > 3s ，故降液管設合理。2.1.5 浮閥塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定（1） 浮閥閥型采用 FSV 浮動篩片閥件，閥件形狀為條形，浮片形式為長條形，閥心距 70×60mm，閥孔面積 2.015×10-3m2。FSV 浮動篩片閥件在各項性能指標比 F1 型浮閥好或者持平，所以在設計計算中仍采用 F1 型浮閥進行計算。（2） 浮閥排列方式浮閥的排列方式多采用三角形排列，又分順排和叉排兩種。根據(jù)我國的標準，浮閥采用叉排的排列方式。對于塔徑大于 1000mm 的塔板，常常采用分塊式塔板

52、，按等腰三角形排列，其底邊固定為 75mm。2.1.6 塔板結(jié)構(gòu)設計a.受液區(qū)和降液區(qū)：一般這兩個區(qū)域的面積相等，均可按降液管截面積 Ad計算；b.邊緣區(qū)：在塔壁邊緣留出一定寬度的環(huán)形區(qū)域供固定塔板用；c.安定區(qū)和出口安定區(qū)，通常寬度相等；d.有效傳質(zhì)區(qū)：余下的塔板上有浮閥孔的區(qū)域。于此處考慮，由經(jīng)驗可知：a.塔徑 D>900mm，采用分塊組裝式；26 / 87b. 塔徑在 2.5m 以下，邊緣寬度取 WC=0.05m；c. 分布區(qū)寬度 WF 取 0.05m;d. 根據(jù)之前計算可知，降液管寬度為 Wd=0.14m。圖 2-3 溢流板區(qū)域劃分每層塔板上浮閥數(shù)目為：𝑉

53、9878;0.895N = 𝜋𝑑= 𝜋= 142.7× 0.0392 × 5.252𝑢0044可取 N=144 個。閥孔動能因數(shù)：𝐹0 = 𝑢0𝜌𝑣= 5.25 × 7.61 = 14.4處于 817 范圍之內(nèi)。開孔率：22) = 11.2%𝑑00.039 = N () = 144 × (𝐷處于 515%范圍之內(nèi)。1.42.2 水力學計算2.2.1 塔板降塔板降P由三部分組成，分別為氣體流過干塔板

54、的降𝑃𝐶、通過液層的降𝑃𝐿及克服液相表面張力的降𝑃𝜎，一般來說克服液相表面張力的27 / 87塔設備設計降很小，可以忽略不計，于是塔板壓降可簡化為：P = 𝑃𝐶 + 𝑃𝐿（1）干板降在浮閥排列時得到的閥孔動能因數(shù)約為 12，故浮閥處于全開狀態(tài)。對于 33g F-1 型重閥，全開后的干板壓降為：𝑢02𝜌𝑣 = 5.37 ××= 0.014 𝑚⻔

55、8;2 × 𝑔𝜌𝑙（2）液層降忽略塔板上的液面落差，則氣體通過液層的降為： = 𝛽(𝑤 + 𝑜𝑤)𝑙其中取充氣系數(shù) = 0.6，出口堰高𝑤 = 0.05 𝑚。對于平口堰，堰上液頭高為：𝐿= 0.00284𝐸 ()2/3𝑜𝑤𝑙𝑤由圖 2-4 讀出液流收縮系數(shù)為 1.08圖 2-4 液流收縮系數(shù)圖2𝐿3𝑜𝑤 = 0.00284