CO2化学吸收工艺的设计及相关问题研究

CO2化学吸收工艺的设计及相关问题研究摘 要电厂燃煤烟气所排放的二氧化碳会造成温室效应和全球气候变化，引发严重的环境问题。因此控制二氧化碳的排放已成为应对气候变暖的最重要的技术路线之一。可以采取多种控制技术控制锅炉烟气中二氧化碳的排放，本文着重介绍了应用广泛的化学吸收工艺技术。 本论文主要对二氧化碳化学吸收法的基本原理、反应机理、工艺流程、应用设备、存在的问题及解决措施作简要的介绍；对二氧化碳化学吸收主体设备作详细的设计，主要包括填料、筒体、塔内件（液体分布装置、填料支承装置、气体分布装置、除沫器）；对填料塔附件作详细的设计，进行强度校核、工程概预算。 通过本设计，尽量解决二氧化碳吸收过程中存在的问题，并对二氧化碳化学吸收工艺的发展前景予以展望。关键词：二氧化碳吸收，填料塔，设计AbstractCarbon dioxide emission from coal-fired power plant flue would cause the greenhouse effect and global climate change and serious environmental problems. Therefore control the emissions of carbon dioxide has become the most important technical routes of response to climate warming .There are many technologies to control emissions of carbon dioxide. This text emphasizes to introduce the chemical absorption process technology of Carbon dioxide which is applied extensively. The article introduced the basic principles of the chemical absorption process technology of carbon dioxide, reaction mechanism, process, application and the problems presented and solutions to them.; A detailed design to the chemical absorption of the carbon dioxide is made，mainly including packing, shell, internals(liquid distribution device, packing supporting device, bed locator, gas distribution installations, mist eliminator) ; annex to the packed tower for the detailed design, checking for strength, and making the budget.Through this design, the existed problems are solved as possible as we can and the future development of the chemical absorption process technology of carbon dioxide is introduced. Key words：Carbon dioxide absorption，Packed tower，Design目 录第一章 前 言11.1 引言11.2 研究二氧化碳吸收的意义11.3 吸收二氧化碳技术分类21.4 几种吸收二氧化碳的方法3第二章 吸收塔的设计计算72.1 确定塔设备的选型72.2 吸收剂的确定82.2 吸收剂的确定92.3 填料的选择122.4 塔径的计算122.5 填料层高度的计算152.6 吸收塔附件的设计与选用162.7 塔高25第三章 吸收塔的强度校核263.1 选择材料263.2 按计算压力计算筒体和封头的壁厚263.3 塔的质量载荷计算273.4 塔的自振周期计算283.5 地震载荷计算293.6 风载荷计算303.7 地脚螺栓计算35第四章 解吸塔的设计计算374.1 平衡线374.2 解吸所需蒸汽量374.3 填料的选择384.4 塔径的计算394.5 填料层高度的计算404.6 吸收塔附件的设计与选用404.7 塔高43第五章 解吸塔的强度校核445.1 选择材料445.2 按计算压力计算筒体和封头的壁厚445.3 塔的质量载荷计算455.4 塔的自振周期计算465.5地震载荷计算475.6 风载荷计算485.7 地脚螺栓计算52第六章 辅助辅助设备的设计选型546.1热交换器546.2风机的选型546.3泵的选择55第七章 经济分析与工程概算567.1 经济分析与评价的意义和基本原理567.2 工程概算577.3 技术经济分析57第八章 结论60参 考 文 献61致 谢63声 明6465第一章 前 言1.1 引言各种含碳物质的燃烧、氧化、人和动物的呼吸活动，都会产生CO2。其中，燃煤产生的CO2所占的比例是最大的。据统计，在2000年煤的燃烧产生的CO2就占到所有化石燃料的37.8%，而燃煤电厂主要以烟道气将CO2释放到大气中从电厂排放的烟道气中通常含有13% CO2、73% N2，10% H2O、3% O2和少于1%的各种污染物质。1990-2001年，我国二氧化碳排放量净增8.23亿吨，占世界同期增加量的27% ；预计到2020年，排放量要在2000年的基础上增加1.32倍这个增量要比全世界在1990年到2001年的总排放增量还要大1。近年来，随着国民经济的快速发展，天然碳资源不断地被消耗，使大气中的CO2含量迅速增加，导致“温室效应”和气候变暖，这给社会和经济带来严重的负面影响。温室效应和气候变暖会带来以下列几种严重恶果：1)地球上的病虫害增加；2)海平面上升；3)气候反常，海洋风暴增多；4)土地干旱，沙漠化面积增大。科学家预测：如果地球表面温度的升高按现在的速度继续发展，到2050年全球温度将上升24摄氏度，南北极地冰山将大幅度融化，导致海平面大大上升，一些岛屿国家和沿海城市将淹于水中，其中包括几个著名的国际大城市：纽约，上海，东京和悉尼2。因此，减少CO2的排放量，改善气候变暖和温室效应是当务之急。1.2 研究二氧化碳吸收的意义温室效应、气候变暖是近年来国际政治、经济、科学和环境等领域最为关注的课题。据报道，约60%的温室效应由CO2产生，因此控制CO2的排放已成为应对气候变暖的最重要的技术路线之一。中国于1998年5月签署并于2002年8月核准了京都议定书。虽然作为发展中国家，中国目前还没有被要求履行京都议定书，但是要求我国减排CO2的国际压力和环境压力越来越大，而且温室气体的减排直接影响到一个时期国民经济的发展，因此，我国必须保持适当的减排率，充分发挥科技进步在经济发展和气候保护方面的作用，以技术创新控制CO2的排放。同时，CO2作为化工原料、致冷剂、油田增产剂、惰性介质、溶剂和压力源等在国民经济各部门有着广泛的用途。为了保护环境和充分利用资源，各国科学家都开始了CO2的减排和利用的研究工作3。1.3 吸收二氧化碳技术分类二氧化碳的处理技术一般分可为从大气中分离固定和从燃放气中分离回收两大类。煤基电站主要有三类：一是传统的燃煤电站；二是整体煤气化联合循环电站( IGCC) ；再就是富氧燃烧电站。现在，绝大多数商业运行的燃煤电站是传统的燃煤电厂，只在欧美等有极少几个商业运行的IGCC电站和中试的富氧燃烧电站4。CO2 捕集主要有：(1) 燃烧后捕集。CO2捕集是将低浓度的CO2进行富集，这样更容易进行封存和利用。燃烧后捕集，即在燃烧排放的烟气中进行捕碳。理论上讲，该技术路线适合于任何一种火力发电。但是，通过燃烧系统产生的烟气通常压力接近于大气压，而且CO2的浓度低(10%15%)，含有大量的氮气，产生的气体流量巨大，捕集系统庞大，需耗费大量的能源。(2) 燃烧前捕集。燃烧前捕集主要运用于IGCC系统中。由于IGCC一般为高压富氧气化(20105Pa)，产生的煤气经过水煤气变换后，主要含有H2和CO2，气体压力和CO2的浓度都很高。在此时对CO2进行富集，捕集系统小、能耗低，加上在其他污染物控制以及效率上的潜力，这种路线得到了广泛关注。近年来，很多国家都重新提出并开始了IGCC发电的项目。国内除了国家电网公司的烟台IGCC项目外，华能、大唐、中电投等发电集团也开始在实质性推进IGCC项目。但IGCC发电技术仍存在投资成本高、可靠性还有待提高等问题。(3) 富氧燃烧技术。富氧燃烧仍采用传统燃煤电站的技术流程，只是通过制氧技术，将空气中大比例的N2脱除，直接采用高浓度的氧气与抽回的部分烟气的混合气体来替代空气，这样烟气中将直接得到高浓度的CO2气体，可以直接进行处理和封存。现在，在欧洲已有在小型电厂进行改造的富氧燃烧的项目。该技术路线遇到的最大的困难是制氧技术的投资和能耗太高，现在还没找到一种廉价低耗能动技术。1.4 几种吸收二氧化碳的方法1.4.1物理吸收法物理法分离处理二氧化碳技术主要有：物理吸收法、膜分离法、物理吸附法等。1. 物理吸收法通过交替改变二氧化碳与吸收剂(有机溶剂)之间的操作压力和操作温度以实现二氧化碳的吸收和解析，从而达到分离处理二氧化碳的目的。在整个过程中不发生化学反应，因而所需的能量消耗相对较少。一般讲来，有机溶剂吸收二氧化碳的能力随着压力增加和温度下降而增大，反之则减小。物理吸收法其关键在于确定优良的吸收剂。对吸收剂的要求是：对二氧化碳的溶解度大、选择性好、沸点高、无腐蚀、无毒性、化学性能稳定。常见吸收剂有丙烯酸酯、N-甲基-2-D吡咯烷酮、甲醇、乙醇、聚乙二醇及噻吩烷等高沸点有机溶剂，以减少溶液损耗和蒸气外泄5。分离CO2的典型物理吸收法是Norton公司的聚乙二醇二甲醚法（Selexol法）和Lurgi公司低温甲醇法（Rectisol法)。这两种方法都属于低温吸收过程。Selexol法的吸收温度一般在-1015；Rectisol法的吸收温度一般在-750。另外，这两种技术能够同时脱除CO2和H2S，且净化度较高6。2. 膜分离法膜分离法是利用一些聚合材料，如醋酸纤维和聚酰亚胺等制成的薄膜对不同气体具有不同的渗透率这一特性来分离气体，其中包括分离膜和吸收膜两种类型。 工业上用于二氧化碳分离的膜材质主要有醋酸纤维、乙基纤维素、巨苯醚及聚砜等。近些年来，随着材料科学的迅速发展，涌现出不少性能优异的新型膜质材料，如聚酰亚胺膜、聚苯氧改性膜、二胺基聚砜复合膜、含二胺的聚碳酸酯复合膜及含相对分子质量低的丙烯酸脂的浸膜等，它们均表现出了良好的二氧化碳渗透性。随着高分子材料的不断发展和制膜技术的不断完善，膜分离法在从燃放气中分离二氧化碳方面一定会大有作为。3. 物理吸附法物理吸附法是利用固态吸附剂(活性炭、天然沸石、分子筛、活性氧化铝和硅胶等)对原料混合气中的二氧化碳进行有选择性的可逆吸附作用来分离回收二氧化碳的技术。吸附剂在高温(或高压) 条件下吸附二氧化碳，降温(或降压) 后将二氧化碳解吸出来，通过周期性的温度(或压力)变化，实现二氧化碳与其他气体的分离。采用吸附法时，一般需要多座吸附塔并联使用，以保证整个过程中能连续地输入原料气，连续地取出二氧化碳气及未吸附气体7. 物理吸附法有变压吸附法( PSA)、变温吸附法(TSA)等。相对来说，由于TSA热惯性较大，所以系统庞大。PSA是更适合于电厂捕碳的物理吸附技术，原理是利用气体组分在固体材料上吸附特性的差异以及吸附量随压力变化而变化的特性，通过周期性的压力变换过程实现气体的分离或提纯。1.4.2化学法化学法分离处理二氧化碳主要包括化学吸收法及碳氢化合物转化法等。1. 化学吸收法化学吸收法是利用CO2的酸性特点，采用碱性溶液进行酸碱化学反应吸收，然后借助逆反应实现溶剂的再生。一般使用有机胺类化合物作为吸收剂，利用吸收塔和再生塔组成系统对CO2进行捕集，吸收后的液体加热到100左右，放出高浓度的CO2后重新再生利用8。反应式为：化学吸收法是使原料气和化学溶剂在吸收塔内发生化学反应，二氧化碳进入溶剂形成富液，富液进入脱吸塔加热分解出二氧化碳，吸收与脱吸交替进行，从而实现二氧化碳的分离回收。其关键是控制好吸收塔和脱吸塔的操作温度和操作压力。化学吸收工艺的流程如下图所示：图1-1 化学吸收工艺的简单流程9烟气进入系统，化学吸收剂和CO2分别进入吸收器中，发生化学反应后形成松散的中间化合物。中间化合物的形态为液体，然后被单独输送至再生容器中，通过加热分解成吸收剂和CO2。CO2然后被冷凝并经过脱水、压缩、最后被储存，用于商业应用或封存。影响化学吸收效率的参数包括废气流速，废气中CO2的含量，CO2的去除率，溶剂流速，所需的能量等。化学吸收法有两个显著的优点：它能产生相对纯净的CO2气流；它的技术已经成熟，已实现商业化。采用化学吸收法进行燃烧后捕获技术将增加70%的发电成本。吸收剂能减少能量损失，并能降低化学吸收过程的成本10。2. 碳氢化合物转化法碳氢化合物转化法是在催化剂作用下，将二氧化碳转化为甲烷、丙烷、一氧化碳、甲醇及乙醇等基本化工原料的方法。日本东北电力公司以铑-镁为催化剂，可使二氧化碳与氢按14 (体积比) 的比例，在一定的温度与压力下混合，生成甲烷。日本东芝公司采用一种工程上更为可行的原料配合，直接用燃放气与以氢为基底的乙炔混合，利用电子束或激光束激励，生产甲醇和一氧化碳，一氧化碳作为原料，可进一步合成甲醇。碳氢化合物转化法还处于实验室研究阶段，距离工业大规模实用阶段尚远。1.4.3 物理-化学法目前，物理-化学法主要是二氧化碳分解法。该法是借助高能射线或电子射线等放射线，对排出的含有大量二氧化碳的燃放气进行辐射，使其中的二氧化碳分解为一氧化碳和氧气，一氧化碳在经过高能辐射，转而生成C3O2和O211。这种方法，尚处于基础研究阶段，要实现工业化，还有大量技术问题需要解决。第二章 吸收塔的设计计算2.1 确定塔设备的选型烟气量：40000 m3/h（160oC时）CO2回收率：95%吸收塔操作温度：3845oC再生塔操作温度：110120oC吸收液（MEA溶液）浓度：15%20%表2-1 烟气成分及其含量成分N2CO2O2含量84.0%12.0%3.6%根据以上参数及吸收液的性质，将吸收塔和再生塔均设计为填料塔。填料塔是化工分离过程的主体设备之一，与板式塔相比，具有生产能力大，分离效率高、压降小、操作弹性大塔内持液量小等突出特点，因而在化工生产中得到广泛应用。填料塔结构如下图所示： 图2-1 填料塔结构2.2 吸收剂的确定确定吸收塔操作条件为：温度：40oC压力：1atm2.2.1 平衡线 缺少CO2在15%MEA溶液、40oC时的溶解度数据，现近似取40oC下CO2在15.3%重量的MEA溶液中的溶解度，并把分压转化为操作压力下的气相摩尔分数y：表2-2 不同压力下CO2气相、液相摩尔分数的变化p，mmHg1510305070100200y0.001320.006620.01330.04110.07040.1010.1520.357x0.3830.4380.4710.5180.5420.5580.5760.614由上表可得所需的平衡曲线。图2-2 平衡曲线2.2.2 吸收量的确定（2-1） （2-2）（2-3）式中：Y1进口混合气体中吸收质与惰性气体的摩尔比； Y2出口混合气体中吸收质与惰性气体的摩尔比；y1进口气相溶质的摩尔分数； y2出口气相溶质的摩尔分数；x1出口液相溶质的摩尔分数；x2进口液相溶质的摩尔分数。MEA贫液含有0.050.2 mol CO2/mol MEA，使用低压解吸塔，则来自解吸塔的MEA贫液一般由0.15 mol CO2/mol MEA，故可取：吸收塔温度：15%MEA溶液的比重：运动粘度： MEA分子量：M=61.1，MEA溶液的粘度：（2-4）质量浓度：摩尔浓度：入塔烟气密度：（2-5）烟气摩尔流量：（2-6）质量流量：（2-7）惰性气体流量：（2-8）查平衡曲线，y1=0.136时，x1*=0.572，最小气液比为：（2-9）式中：x1*与气相溶质摩尔分数成平衡的液相溶质摩尔分数液体最小流量：取实际气液比为最小气液比的1.5倍，则（2-10）MEA溶液量：（2-11）2.3 填料的选择本设计采用瓷拉西环。具体参数见下表12：表2-3 瓷拉西环结构特征参数（D=80mm）公称直径/mm80孔隙率/%0.68个数/(1/m3)1910比表面积/(m2/m3)76堆积密度/(kg/m3)714填料因子/(干)m-12432.4 塔径的计算液体浓度： 气体浓度： 气体密度： 液体密度： 液体运动粘度： （2-12）式中：V 气体密度L 液体密度因此： 查泛点气速关联表13可知：图2-3 Eckert 泛点气速关联表可得：Y=0.05 又因为： （2-13）式中：uf泛点气速，m/s； 实验填料因子，m-1； 水的密度与液体密度的之比； G气体密度，kg/m3； L液体密度，kg/m3；可知： （2-14） 对于一般的空塔气速u，取：，（2-15）而MEA溶液容易起泡，可取0.5或更低：烟气流量：（2-16）因此：（2-17）取圆整：D=4m。校核填料直径与塔体直径的比：符合要求。并且塔径大于填料环径的2030倍，填料的预先选择也是可取的。（2-18）2.5 填料层高度的计算式中：kGa 以体积分数差为推动力的传质系数。由操作线及平衡线图可知：y*0y*与液相溶质摩尔分数成平衡的气相溶质摩尔分数。故得：kGa随液体中CO2的浓度而变，这里采用下式来计算kGa：（2-19）（2-20）式中：L 液相重量流速，kg/(m2h)， M 溶液中MEA摩尔浓度，mol MEA/L；F 根据填料类型和尺寸而定的系数，80mm瓷质拉西环的F= (2.23.3)10-3，这里取F= 2.510-3。液体粘度，L=0.82cP；p操作压力，p=1atm；t操作温度，t=40 oC 而x*可由平衡曲线得到。（2-21）用辛普生法作数值积分14，计算如表2-4（n = 6）：表2-4 积分结果iYXXepKGa(1+Y)/(KGaPY)00.01210.1500.4650.01223.53.5610.03280.1890.5040.03222.11.42520.05340.2270.5280.05120.00.98630.07410.2660.5440.06917.70.81940.09470.3050.5550.08615.40.75150.11540.3430.5630.10313.20.73260.13600.3820.5710.12011.20.745（2-22）从而填料层高：取整到h=16m，分两层填料。 2.6 吸收塔附件的设计与选用2.6.1 液体分布装置填料塔操作时，在任一横截面上，保证气液的均匀分布都是十分重要的。对于任一装填完毕的填料塔，气速的分布是否均匀，主要取决于液体分布的均匀程度。因此，液体在塔顶的初始均匀喷淋，是保证填料塔达到预期分离效果的重要条件。实际上，液体初始不良分布，相当于损失了一段填料高度。因此，正确设计液体分布装置是十分重要的15。为了满足不同塔径、不同液流量以及不同均布程度的要求，液体分布装置有多种结构型式。最简单的液体分布装置是单管喷淋器，有直管式、弯管式和缺口式等样式。单管的喷洒面积小、均匀性很差，只适用于塔径小于300mm且对喷淋均匀性要求不高的场合。目前常用的喷淋装置主要是多孔型和溢流型两类，以及冲击式分布器。多空型分布装置又分为多种型式：多孔直管式喷淋器、多管式喷淋器、排管式喷淋器、环管式喷淋器和筛孔盘式分布器等。这里选用环管式喷淋器中的多环管喷淋器。如图2-4所示：图2-4 多环管喷淋器工作原理是液体由垂直的中心管引入，经水平主管通过环管上的小孔喷淋。其小孔直径为38mm，最外层环管的中心圆直径一般取塔内径的0.60.85.多环管喷淋器参数：根据塔径是4000mm，查表可得：主管直径：600mm；环管圈数：4圈；排管外缘直径：3100mm；最大体积流量：300m3/h。2.6.2 填料支承装置填料支承装置对保证填料塔的操作性能具有重大作用。纵使填料本身的通过能力很大，如果支承装置设计不当，液泛仍将提前到来，使塔的生产能力降低。因此设计合理的支承结构是非常重要的。对填料支承装置的基本要求是：有足够的强度以支承填料的重量；提供足够大的自由截面，尽量减少气液两相的流动阻力；有利于液体的再分布；耐腐蚀性能好；便于用各种材料制造；以及安装拆卸方便等。典型的填料支承是气体喷射式支承板，如图2-5所示：图2-4 气体喷射式支承板 气体喷射式支承板的结构特点是：对气体和液体提供了不同的通道，于是气体容易进入填料层内，而液体也可自由排出，既避免了液体在板上的积聚，又有利于液体的均匀再分配。气体喷射式支承板有两种结构：钟罩型和梁型。这里采用梁型气体喷射式支承板。梁型气体喷射式支承板可提供超过100%的自由截面，更重要的是由于支承板凹凸的几何形状，填料装入后，仅有很小一部分开孔为填料所堵塞，从而保存了足够大的有效自由截面。下图为梁型气体喷射式支承板外观：图2-5梁型气体喷射式支承板 梁型气体喷射式支承板的结构型式见图2-6和2-7所示：图2-6 支承板波形尺寸图2-7 DN26004000mm 支承板结构示意图2.6.3 液体再分布装置当液体沿填料层向下流动时，有流向器壁形成“壁流”的倾向。结果是液体分布不均匀，降低传质效率，严重时使塔中心的填料不能被湿润而形成“干锥”。为了提高塔的传质效率，必须安装液体再分布装置，作用是收集上一填料层的液体，并使其在下一填料层均匀分布。液体再分布装置的结构设计与液体分布装置相同，但需配有是以的液体收集装置。这里采用的是多孔盘式再分布器。如下图所示：图2-8 多孔盘式再分布器2.6.4 气体分布器对于直径大于2.5m的大塔，则需要性能更好地气体分布装置。采用大塔的气体分布装置。2.6.5 除沫器 当空塔气速较大，塔顶溅液现象严重，以及工艺过程不允许出塔气体夹带雾滴的情况下，设置除沫器可用于分离塔顶出口气体中夹带的液滴，以保证传质效率、减少有价值物料的损失及改善下游设备的操作条件。工业上常用的除沫装置有折板除沫器、丝网除沫器，以及旋流板除沫器。此外，还有链条型除沫器、多孔材料除沫器及玻璃纤维除沫器等。在分离要求不严格的操作场合，还将干填料层作除沫器用16。图2-9 丝网除沫器丝网除沫器具有比表面积大，重量轻，空隙率大以及使用方便等优点。尤其是它具有除沫效率高，压力降小的特点，是最常用的除沫器。本次设计采用丝网除沫器。这里采用高效型网固定式丝网除沫器。如下图所示：图2-10 高效型丝网固定式丝网除沫器分上装式丝网除沫器和下装式丝网除沫器，根据塔径是4000mm可知，设计应选用上装式丝网除沫器。2.6.6 填料压板填料压板主要有两种形式，一种是栅条形压板，另一种是丝网压板。丝网压板是用金属丝编织的大孔金属网焊接于金属支撑圈上，压板可制成分块结构，入塔后用螺栓连接。因为本设计中塔径大于1200mm，需要附加压铁才能达到所需压强。压板的外径比塔的内径小2538mm。2.6.7 进出料接管1.气体进口管，设计选择用于大塔的进气管；2.气体出口管，设计采用设置在塔顶封头上的出气管。2.6.8 裙座1.裙座的选材由于裙座于介质不直接接触，也不承受容器内的介质压力，因此可不受压力容器用材所限制，可以选用较经济的非受压元件碳素钢材料，但由于裙座对整个塔器而言是个至关重要的元件，支撑整个塔器，如他破坏将直接影响塔器的正常使用。并且裙座所耗费材料对整个他而言不多，提高他的用材要求，在经济上不会造成太多的费用。裙座的选材除满足载荷要求外，还要考虑到塔的操作工况、塔釜头的材料等因素。对于在室外操作的塔，还要考虑环境温度。常用的裙座材料为Q235-B和16MnR。当裙座设计温度低于0时，材料的选择及检验要求按照GB150钢制压力容器，至材料应具有在相应温度下的冲击韧性要求。这里选用16MnR。2.裙座的结构裙座的结构形式有圆筒形和圆锥形两种，圆筒形裙座制造方便。圆锥形裙座可提高设备的稳定性，降低基础环支承面上的应力，在此设计中采用圆锥形裙座，如下图所示：图2-11 圆锥形裙座3.裙座与塔体的连接裙座与塔体的连接采用焊接。焊接接头采用对接型式。如下图所示：图2-12 对接型式（4）裙座筒体上端面至塔釜椭园封头切线距离h根据塔径是4000mm，查表可得：裙座筒体上端面至塔釜椭园封头切线距离为100mm。2.6.9 地脚螺栓座地脚螺栓座的结构有多种型式1.外螺栓座结构型式：外螺栓座结构型式为常用型式，这种结构对地脚螺栓预埋或不预埋均适用。2.单环板螺栓座结构型式3.带短管的地脚螺栓座型式4.中央递交螺栓结构型式设计采用外螺栓座结构，地脚螺栓个数为24个。2.6.10 开孔压力容器开设手孔和人孔是为了检查设备的内部空间以及安装和拆卸设备的内部构件。人孔设置一般在气液进出口等需经常维修清理的部位，应设人孔人孔的选择应考虑设计压力，实验条件，设计温度，物料特性及安装环境等因素。人孔应采用HG21514标准。2.6.11 人孔补强由于本设计中，人孔直径较大，所以，应设计人孔补强。本设计中所选用的人孔筒节内径为2000mm，壁厚10mm，故补强圈尺寸为：补强圈内径2030mm，外径为3000mm，补强圈的厚度按下式估算：（2-23）取补强圈厚度为17mm。2.6.12 封头根据吸收塔的公称直径查得适合的封头尺寸，如下表：表2-5 椭圆形封头的尺寸、内表面积和容积（JB/T4337-95）公称直径DN(mm)曲面高度 h1(mm)直边高度 h2(mm)内表面积 Fh（mm2）容积Vh(mm3)400010004017.99.022.7 塔高上下封头高度各为1m；除沫器高度为0.3m；出气管高为0.9m；由于分两个填料层，因此喷淋器、填料层、布水器、支承、再分布器各两个，高度共为24.6m；塔底空间取2m；裙座高度为5m。整个塔高为： 第三章 吸收塔的强度校核3.1 选择材料 筒体与封头材料选用16MnR，裙座材料选用Q235-A17。查表可得：表3-1所选塔体材料规格参数：钢号钢板标准使用状态厚度（mm）t（MPa）s（MPa）20oC下的许用应力16MnRGB 6654热轧，正火616510345170Q235-AGB 912热轧，正火341132351133.2 按计算压力计算筒体和封头的壁厚（3-1）3.2.1 筒体 式中：pc压力，MPa； Di塔体内径，mm； 为设计温度t下筒体材料的许用应力，MPa； 为焊接接头系数； C为壁厚附加量，mm取钢板厚度为10mm，在钢板厚度范围内，符合要求。3.2.2 封头封头采用标准椭圆性封头：（3-2）加上壁厚附加量C=2mm，并圆整，还应考虑刚度，稳定性及多种载荷等因素，取筒体、封头和裙座的名义厚度Sn均为12mm。3.3 塔的质量载荷计算（3-3）3.3.1 圆筒和裙座质量3.3.2 人孔、法兰、接管和附属物质量（3-4）3.3.3 保温材料质量（3-5）3.3.4 平台、扶梯质量（3-6）式中：qp平台单位质量，取150kg/m2；HF扶梯高度，取40m； qF笼式扶梯单位质量，取50kg/m2； n平台数量。3.3.5 操作时塔内物料质量（3-7）3.3.6 充水质量（3-8）3.3.7 全塔操作质量（3-9）3.3.8 全塔最小质量（3-10）3.3.9 全塔最大质量（3-11）3.4 塔的自振周期计算（3-12）式中：T1 塔的基本自振周期，s； H 塔的总高度，mm； E 塔壳体材料在设计温度下的弹性模量，MPa； Se 塔壳有效壁厚，mm； Di 塔壳内径，mm。结果取2s3.5 地震载荷计算由表3-2查得：（设计地震烈度8级）。由表3-3查得：（类场地土，近震）。表3-2 地震影响系数的最大值设计地震烈度789max0.230.450.90表3-3 场地土的特征周期Tg/s场地土近震远振场地土近震远振0.200.250.40.550.30.400.650.85地震影响系数：（3-13）（3-14）结构综合影响系数：不用考虑高振型影响。3.6 风载荷计算3.6.1 风力计算1.风振系数 安装在室外的支撑式塔设备，可视为支撑在地基上的悬臂梁。塔设备在风力作用下，一方面产生顺风向的弯矩，即风弯矩，它在迎风面塔壁和裙座体壁上产生拉应力，背风面一侧产生压应力。另一方面是气流在塔的背后引起周期性旋涡，产生垂直于风向的诱发振动弯矩。诱发振动弯矩只在塔的H/D较大、风速较大时比较明显，一般可忽略不计。需要考虑时，可将诱发共振弯矩与弯矩按矢量相加。（3-13）当塔高大于20m，按下式计算：式中：脉动增大系数， i脉动影响系数， zi振型系数，表3-4 脉动增大系数塔体自振周期T(s)0，故此塔设备必须安装地脚螺栓。 取地脚螺栓个数n=24，地脚螺栓材料的许用应力（3-19）表3-11 螺栓根径与公称尺寸对照表螺栓公称尺寸M24M27M30M36M42M48M56螺栓根径d1/mm20.75223.75226.21131.67037.12942.58850.046查表3-11，取地脚螺栓为M24。以上各项计算均满足强度条件及稳定性条件。第四章 解吸塔的设计计算解吸塔操作温度：120oC 操作压力：1 atm以下计算假定加热到120oC的MEA溶液的浓度仍为15%4.1 平衡线这里采用15.3%MEA溶液、120oC时CO2的溶解度数据。表4-1 不同压力下CO2气相、液相摩尔分数的变化p，mmHg1510305070100200Y0.001320.006620.01330.04110.07040.1010.1520.357X，100oC时0.0960.1520.1940.2650.2990.3220.3470.393X，120oC时0.2000.2270.2814.2 解吸所需蒸汽量，式中：y1进口气相溶质的摩尔分数； y2出口气相溶质的摩尔分数；x1出口液相溶质的摩尔分数；x2进口液相溶质的摩尔分数。液气比：（4-1）若蒸汽用量为理论蒸汽最小用量的1.4倍，则：（4-2）回流比：（4-3）操作温度：估计15.0%、含0.38 mol CO2/mol MEA的MEA溶液的运动粘度：MEA溶液密度：（4-4）蒸汽的体积流率：，质量流率：密度：（4-5）4.3 填料的选择本设计中选用塔料为拉西环瓷质填料。具体参数见下表：表4-2 瓷拉西环结构特征参数（D=80mm）公称直径/mm80孔隙率/%0.68个数/(1/m3)1910比表面积/(m2/m3)76堆积密度/(kg/m3)714填料因子/(干)m-12434.4 塔径的计算液体浓度： 气体浓度： 气体密度： 液体密度： 液体粘度：因为：（4-6）式中：V 气体密度；L 液体密度。根据以上数据，可得：查关联表可得：烟气流量：（4-7）取圆整 ： 4.5 填料层高度的计算解吸塔的填料高度，通常不是根据严格的计算而是凭经验确定的(见 P32)，这里只作简单估算（等板高度法）18。由操作线及平衡线，理论塔板数：填料层用于吸收（脱吸）操作的等板高度HETP按1.51.8m估计，这里取。则填料层高：4.6 吸收塔附件的设计与选用4.6.1 液体分布装置液体初始分布器设置于填料塔内填料层顶部，用于将塔顶液体均匀分布在填料表面上，液体初始分布器性能对填料塔效率影响很大，特别对于大直径、低填料层的填料塔，尤其需要性能良好的液体初始分布装置。这里选用排管式喷淋器。排管式喷淋器是目前应用较为广泛的分布器之一。液体进入排管喷淋器的方式是：由垂直的中心管引入，经水平主管通过支管上的小孔喷淋。排管式喷淋器一般用不锈钢制造。排管式喷淋器见下图所示：图4-1 排管式喷淋器排管式喷淋器参数：主管直径：500mm支管排数：7个排管外缘直径：3850mm4.6.2 填料支承装置填料支承的主要目的是支撑其上方的填料及填料的持液质量。设计时应考虑要有足够的强度和刚度，同时，应避免在此发生液泛。支承板的通量要大，阻力要小，安装要方便，最好具有一定的气液均一功能。一般地，只有栅板型多用于规整填料塔，其他几种形式则多用于散堆填料。这里选用钟罩型气体喷射式支承板。4.6.3 液体再分布装置液体再分布装置的结构设计与液体分布装置相同，但需配备适宜的液体收集装置。在设计液体再分布装置时，应尽量少占用塔的有效高度。液体再分布装置分为分配锥、改进分配锥、多孔盘式再分布器、梁型再分布器和复合式再分布器。本设计中采用多孔盘式再分布器。4.6.4 气体分布器 对于直径大于2.5m的大塔，则需要性能更好地气体分布装置。采用大塔的气体分布装置。4.6.5 除沫器本设计中采用丝网除沫器。丝网除沫器具有比