能源化工碳酸丙烯酯PC脱除CO2填料塔的设计

1、化工原理课程设计学院名称 化学工程学院 -姓 名 （学 号） 吴磊 20093397 专 业 （班 级） 化学工程与工艺专业09-4班 同 组 成 员 吴磊 曹胜 齐威 指 导 教 师 刘雪霆 吕建平 设 计 时 间 2012年6月23日 - 7月4日 成绩评定书设计题目碳酸丙烯酯脱除合成氨原料气中c02填料塔设计成绩课程设计主要内容本次课程设计的任务是：设计年处理量40000 nm3/h，含co2为30%的合成氨原料气的填料塔设计。本次设计我的工作主要内容：1、 查阅相关资料信息；2、 程序的优化；3、装配图的绘制；4、部分流程图绘制；指导教师评语签 名： 2011 年 月 日化工原理课程设

2、计任务书设计题目：碳酸丙烯酯（pc）脱除合成氨原料气中co2填料塔的设计设计任务及操作条件：1.合成氨原料进气量 40000 nm3/h。2.原料气组成（摩尔分率）co2 co h2 n2 ch430% 3% 49% 15% 3%3.出塔净化气中：co20.6% （摩尔分率）4.再生pc中含co22×10-5 （摩尔分率）5.操作温度 326.操作压力 2.5mpa设计成果：1. 设计说明书一份2. 带控制点的工艺流程图 （3#图纸）一张；填料吸收塔的装配图 （1#图纸）一张。目 录摘要-1 -abstract- 1 -1 引言- 2 -1.1 合成氨原料气中co2的脱除工艺发展及现

3、状- 2 -1.2 pc脱除co2的基本工艺流程简介及工艺流程图- 3 -2 pc脱除co2填料吸收塔工艺尺寸的计算- 6 -2.1设计参数和物性参数的计算- 6 -2.1.1 设计参数和指标- 6 -2.1.2 co2溶解在pc中的相平衡曲线及相关物性参数- 6 -2.1.3 填料的相关参数- 9 -2.2 物料衡算及操作线方程- 10 -2.3 塔径的计算- 11 -2.3.1 空塔气速u的确定- 11 -2.3.2 塔径的计算- 12 -2.4 填料层高度的计算- 12 -2.4.1 单元传质高度的计算- 12 -2.4.2 传质单元数的计算：- 15 -3 填料吸收塔的优化设计- 16

4、 -3.1 总费用的计算- 16 -3.1.1 吸收塔塔体和平台扶梯年折旧及维修费用- 16 -3.1.2 填料年折旧费用- 17 -3.1.3 离心泵年折旧和维修费用及操作费用- 17 -3.1.4 吸收剂费用- 19 -4 填料吸收塔的内部结构设计- 20 -4.1 填料支承装置- 20 -4.2 液体喷淋装置- 20 -4.3 液体再分布装置- 21 -4.4 塔顶除雾沫器- 21 -4.5 填料压板和床层限制板- 22 -4.6 管口结构- 22 -4.6.1气体和液体的进出口装置- 22 -4.6.2填料卸出口- 23 - 4.6.3人孔 5 填料吸收塔的设计校核- 24 -5.1主

5、要工艺参数校核- 24 - 5.1.1 液体喷淋密度- 24 - 5.1.2 塔直径与填料直径之比- 25 - 5.1.3 实际气速与液泛气速的比值- 25 -5.2 填料吸收塔的强度及稳定计算及校核- 25 - 5.2.1 筒体材料的选用与计算- 25 - 5.2.2 封头厚度的计算- 26 - 5.2.3 质量载荷计算- 26 -5.2.4 塔体的风载荷和风力矩的计算- 28 -（1）风力矩的计算- 28 -（2）自振周期- 30 -5.2.5 地震载荷- 30 -5.2.6 最大弯矩的计算- 31 -5.2.7 塔体的强度与稳定校核- 31 -5.2.8 裙座的强度和稳定性计算、校核-

6、33 -5.2.9 筒体和裙座水压试验时塔的应力校核- 33 -5.2.10 基础环板的设计- 34 -5.2.11 地脚螺栓的设计 - 35 -7 优化程序及结果-36 -7.1 优化程序- 36 -7.2 优化程序结果输出- 37 -8 主要符号说明- 41-9 设计汇总总结- 45 -9.1设计汇总总结- 45 - 9.2课程设计感想- 45 -参考文献- 45 -附录- 47 -附录一：co2溶解在pc中的相平衡曲线- 48 -附录二：总费用与最优气液比和最小气液比比值n的关联图- 48 -碳酸丙烯酯（pc）脱除合成氨原料气中co2 填料塔的设计摘要：工业上用碳酸丙烯酯作为吸收剂脱除二

7、氧化碳的过程是在吸收塔中进行，所以，综合吸收效果和经济效益须对吸收塔进行设计。pc溶剂对co2的吸收为物理过程，选择较低的操作温度和较高的操作压力有利于吸收的进行，而填料吸收塔的设备设计和经济优化是关键部分。此次课程设计是以碳酸丙烯酯（pc）脱除合成氨原料气中co2的填料塔的设计,进气口的流量为40000 nm3/h。其中，填料为塑料阶梯环。经设计优化后的最优气液比为最小液汽比的1.23，塔内径为2.800 m,填料层高度为12.450m,塔高为24.900m。最后经设计校核和强度校核后，此次课程我们设计出了安全的且最经济的填料塔。关键字：pc 填料塔 合成氨 塑料阶梯环 优化 校核 co2d

8、esign of packed column that removes co2 from feed gas of synthetic ammonia by propylene carbonate (pc)abstract:in industry,the process of removing carbon dioxide by propylene carbonate (pc) as absorbent can be achieved in a absorption tower. as a result, the design of absorption column should includ

9、e the effect of absorption and the economic benefits.the process of removing co2 from feed gas of synthetic ammonia by using propylene carbonate (pc) as absorbent is a physical process. it is advantageous to the process by selecting a low operation temperature and high operation pressure. also the d

10、esign of the equipment and economic optimization of packed column are the key parts. according to the curriculum design, this course aims at designing a packed column of removing co2 from ammonia by using propylene carbonate (pc). the packed column is filled by plastic cascade ring. the intake of fl

11、ow is 40,000 nm3/h. as designed, the best liquid vapor is 1.23 times of minimum liquid vapor, the diameter is 2.800m and the height of the packing is 12.450m,the high of the tower is 24.900m. finally, according to the strength checking and design verification,this course we have designed a safe and

12、most economical packed columnkeywords: pc packed tower ammonia plastic cascade mini ring optimization checking carbon dioxide1 引言1.1 合成氨原料气中co2的脱除工艺发展及现状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、

13、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）。碳酸丙烯

14、酯脱除co2到五十年代才有较系统的报导, 它具有许多有趣的性质, 而且原料易得, 目前已广泛应用在石油化学工业中。六十年代开始, 有专利刊出, 把碳酸丙烯酯用在合成氨工业中的脱除原料气中二氧化碳。从变换气中脱出二氧化碳在合成氨工业中占有重要的位置, 过去我国较多采用水洗的方法, 由于二氧化碳在水中的溶解度很小, 大量循环水耗费巨大的动力, 水洗法所耗电能约为200瓦/（吨氨）。若用乙醇胺的水溶液脱除, 溶液再生需耗热, 在燃料紧张地区，也不可取。为此希望寻找一种有机溶剂, 既能溶解大量co2, 而且可减压再生, 减少燃气消耗。过种观点已成为许多工程技术工作者的共同愿望。六十年代以来, 新溶剂的

15、选用已成为酸性气体净化的基本方向。在报导中选用的溶剂有碳酸丙烯酯（pc）、甘油三醋酸酯、甲氧基三甘醇醋酸酯、丁氧基二甘醇三酸酯等, 从合成的角度和物性的要求出发, 又以pc较为优越。在常压下, co2在pc中的溶解度是其在水中的四倍, 随着压力的增加, co2在pc中的溶解度增加尤为明显。目前不但已进行了较多的pc一co2体系的基础数据研究, 而且到1975年为止，国外已有十个工厂用pc来脱除co2，其中有七小工厂是处理天然气的， 二个厂是生产氢， 一个厂是合成氨原料气的净化。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，相对分子质量为1

16、02.9/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

17、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。1.2 pc脱除co2的基本工艺流程简介及工艺流程图（1）pc脱除co2的基本工艺流程简介本次课程设计中，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，可认为是单组分等温物理吸收过程。因此选择高的操作压力、较低操作温度有利于吸收。为确保co2的回收率和塔净化气中的co20.6% ，宜采用气液逆流的吸收过程。为使pc溶剂循环使用，并充分回收解吸气中h2，n2，co2等气体，将解吸过程分成三步，构成三级解吸流程。第一级减压闪蒸的目的是回收h2，n2；第二级常压解吸，回收co2；第三级也是汽提解吸，保证pc溶剂

18、的再生质量。此外，设置换热器，分离罐，储槽，机泵，空气压缩机等以构成完整的吸收及解吸装置。本次设计参数中气体流量为40000nm3/h，变换气体经过压缩机压缩后，经缓冲罐进入分离设备。在操作压力2.5mpa下进入吸收塔底部，与塔顶喷淋而下的pc溶剂逆流接触，将co2吸收。出塔净化气体含co20.6%，吸收了co2的吸收液（富液）进入富液储槽，经减压阀进行闪蒸，将n2、h2及少量的co2解吸出来，经气液分离，再将此解吸气体送至压缩机进行回收，闪蒸液体泵入常压解吸塔，主要将大量co2解吸出来，获得纯度较高的co2，为达到良好的解吸效果，设置两个解吸塔。常压解吸后，pc溶液中尚含有一定的co2，将p

19、c液体借助液位差流到下部的常压解吸塔。在此与塔底鼓入的热空气逆流接触，以将其中残存的进一步解吸出来，使pc液体得到较完全的再生，以供吸收循环使用。（2）pc脱除co2的工艺流程图 2 填料吸收塔工艺尺寸的设计和计算2.1设计参数和物性参数的计算2.1.1 设计参数和指标1.设计参数（1）进入系统的变换气量：40000 n/h。（2）变换气组成（体积分数）表1-1co2coh2n2ch430%3%49%15%3%（3）设计温度、压力条件 t=32，p=2.5mpa 2 设计指标 （1）吸收塔顶出口净化气中co20.6% （2）入吸收塔再生后的pc含co22×10-52.1.2 co2溶

20、解在pc中的相平衡曲线及相关物性参数拟合出的平衡曲线y=20.510x2+3.5158x+0.0025(参考附录）其中线性回归系数为：r2=0.9999(2)相关物性参数1）塔底入塔原料气中 h2:n2=3.266:12) 原料气量:g=40000nm3/h=1785.714kmol/h=0.496kmol/s 则惰性气体流量：gb=g×(1-0.3)=1250kmol/h=0.347kmol/s(3)混合气的密度 其中：p-操作压力，2.5 mpa； mg-相对分子质量，g/mol； r-摩尔气体常数，8.314 j/(mol·k)； t-绝对温度,305.15k；(4）

21、混合气的摩尔质量其中：yii组分在原料气中的组成（摩尔分率）；mii组分的相对分子质量，g/mol。（mco2= 44.01 kg/kmol，mn2= 28.02 kg/kmol，mh2= 2.016 kg/kmol, mco=28kg/kmol, mch4=16kg/kmol）；(5) 填料吸收塔内各同截面上的气体物性参数：由于吸收过程中惰性气体内各组分所占的百分比不变，可得二氧化碳各个不同含量时混合气体各自所占的百分比，由公式： ，可计算得不同比例时气体的平均相对分子质量，由公式： 可以计算得到不同截面上气体的物性参数如下表：表1-3位置co2的摩尔分率/(%)co2的摩尔比/(%)混合气

22、的平均摩尔分子质量/(g/mol)混合气的密度/(kg/m3)混合气的摩尔流速/(mol/s)塔顶0.60.609.5095 9.3707 28169.01 22.049.9954 9.8495 28571.43 44.1710.6896 10.5336 29166.67 66.3811.3837 11.2176 29787.23 88.7012.0779 11.9017 30434.78 1011.1112.7721 12.5857 31111.11 1213.6413.4663 13.2698 31818.18 1416.2814.1604 13.9538 32558.14 1619.05

23、14.8546 14.6379 33333.33 1821.9515.5488 15.3219 34146.34 2025.0016.2430 16.0060 35000.00 2228.2116.9371 16.6900 35897.44 2431.5817.6313 17.3741 36842.11 2635.1418.3255 18.0581 37837.84 2838.8919.0197 18.7422 38888.89 塔底3042.8619.7138 19.4262 40000.00 (6）吸收剂pc的密度：1=1.224-1.027×10-3t=1191.14kg/m3

24、其中：t-吸收剂pc的温度32(7）吸收剂pc的黏度：2 得到 其中：t-吸收剂pc的温度/k305.15k(8) 吸收剂pc的摩尔质量 (9) 吸收剂pc的表面张力：3 其中：t吸收剂pc的温度/322.1.3 填料的相关参数(1）选取的填料为塑料阶梯环（乱堆）(2）塑料阶梯环的物性参数：4 公称直径：50mm 外径×高度×壁厚： 50×30×1.5mm； 比表面积：at = 121.8 m2/m3； 空隙率：= 0.915 m3/m3； 堆积密度：= 76.8 kg/m3； 个数：n = 9980 个/m3;干填料因子：=159 m-1； 填料因子：

25、=80 m-1； 常数：a = 0.204；k = 1.75； 填料的形状系数（开孔环）： = 1.45；填料材质的临界表面张力： = 40 mn/m；2.2 吸收塔的物料衡算对于高浓度气体的吸收，随着溶质向液相的转移，汽液两相沿塔的变化较大，属于高浓度吸收，会影响到物料衡算，故溶质浓度宜采用摩尔比表示较为妥当。此时逆流吸收塔的物料衡算和操作线方程式的具体方法如下：1. 根据设计任务给定的混合气处理量、气体原料的浓度和分离要求计算进、出口的气体组成。应用物料衡算式： 其中：gb-单位时间内通过吸收塔的惰性气体流量， kmol/sls-单位时间内通过吸收塔的吸收剂流量，kmol/syb ，ya-

26、分别为进塔及出塔气体中co2的摩尔比xa ，xb-分别为进塔及出塔液体中co2的摩尔比由设计任务可得：gb =0.347kmol/s,y1=0.4286,y2=0.006,x1=0.00002则操作线方程为：其中x2，ls未知。2.吸收剂流量ls的确定吸收剂流量是从操作汽液比求得的，液汽比大则吸收操作的推动力增大，设备尺寸可以减小，但会使出塔液体浓度变稀，吸收所需要的操作费用增大；而液气比过小，会使操作推动力减小，塔高增加。因此，液气比的选择涉及经济上的最优化问题，应作权衡决定。(1) 求最小液气比（ls/gb）对正常形状的相平衡曲线，最小汽液比等于操作线于平衡线相交时的斜率： (2) 根据实

27、际生产经验，取吸收剂用量为最小用量的1.1-2.0倍是比较适宜的，设该系数为n，即：(3) 吸收剂的实际用量为：ls=6365.375n kmol/h=1.7682n kmol/s通过程序优化（程序见第七章）得：n=1.23，即最佳汽液比为6.2635，ls=2.175kmol/s.由塔顶与任一截面间做物料衡算 计算可得：x2=0.06744即：操作线方程为：y=6.2635x-0.41642.3 塔径的计算塔径的计算公式： 其中：vs-气体体积流量，m3/s; u-适宜的空塔气速，m/s u=安全系数×uf ,uf为泛点气数，m/s塔径的计算分为两个步骤：确定空塔气速，计算塔径d。

28、2.3.1 空塔气速u的确定计算填料塔的塔径时，首先确定适宜的空塔气速u，填料塔的空塔气速必须小于泛点气速uf，一般取其0.6-0.8倍，本次设计取u=0.7uf。由bain-hougen关联式确定uf：其中：uf泛点气速，m/s； 干填料因子，143.1m-1； v ,l分别为气液相的密度 ，v=19.4126kg/m3 l=1191.14kg/m3ul 液相黏度，2.5mpa·sml，mv分别为液相和气相流体的质量流量，kg/h；对于塑料阶梯环查得：a=0.204，k=1.75； 代入相关物性数据得 优化后uf=0.1243m/s2.3.2 塔径的计算优化后uf=0.1243m/

29、s,d=2.71m圆整后得d=2.8m2.4 填料层高度的计算填料层高度的计算通式为：填料层高度=传质单元数×传质单元高度此次设计中co2在pc中溶解度相对较小，可近似作液膜控制系统则： 其中：z填料层高度，m；hol液相总传质单元高度，m；nol液相总传质单元数；kxa液相的体积吸收总系数，kmol/(m3·s)；x*液相平衡浓度，摩尔比；塔截面积，m22.4.1 传质单元高度的计算单元传质高度的计算主要涉及传质系数的求解。传质系数不仅与流体的物性、气液两相流率、填料的类型及特性有关，还与全塔的液体分布、塔的高度和塔径有关。此次设计，我们选用恩田准数关联式进行计算。 1)

30、塔截面积1） 有效表面积7 =优化后：n=1.23,uf=0.1243m/s aw=110m2/m3其中：单位体积有效填料层的润湿比表面，； 单位体积填料层的润湿比表面，； 液体的表面张力，n/m; 填料材质临界表面张力，n/m; 液体的粘度，； 液相的空塔质量流率，； 重力加速度，m/s22） 液相总传质系数其中： 液相的质量流率，/(m2·s)；单位体积填料层的湿润表面，m2/m3；液体的粘度，pa·s；液相密度，kg/m3； 溶质在液相中的传质系数，m2/s：上式中带入相关数据得： 7取其平均值则：所以： 液相传质系数的修正公式:可得：因为： 则优化后 hol=1.4

31、6m2.4.2 传质单元数的计算：单元传质数计算公式:传质单元数的计算方法有三种，此次设计采用图解积分法求取。分别求出各点的传质推动力（）和1/（），作1/（）对y的曲线，曲线下的面积即为nol值。相平衡方程：y=20.510x2+3.5158x+0.0025操作线方程：y=6.2635x-0.4164传质单元数的计算程序及运行结果均如附录所示。通过程序优化算得：nol=8.5281综上：3 填料吸收塔的优化设计3.1 总费用的计算根据相关资料，对于常压、逆流、等温和单组份物理吸收操作条件下单塔吸收操作吸收系统，其年总费用可表示为 j（元/a）： j=j1+j2+j3+j4j1：吸收塔塔体和平

32、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：吸收剂费用。以上各费用的单位均为元/a3.1.1 吸收塔塔体和平台扶梯年折旧及维修费用吸收塔塔体和平台扶梯年折旧及维修费用j1可以根据以下公式计算：10 其中：fm-材质因子，无因次，对于16mnr，fm=1；ws-吸收塔塔体质量，；ws的计算公式：10其中：-吸收塔的材料密度，对于16mnr，=7860/m；ts-吸收塔的塔壁厚度，mm；根据文献设计压力取操作压力的1.1倍，双面焊或相当于双面焊的全焊透对接焊缝局部无损检测时，焊接接头系数为0.85，此时ts的计算公式：10 代入得： d-吸收塔塔内径

33、，m；lt-吸收塔的切线长度，lt=1.8h-0.5d，单位：m；fc-设备年折旧率，fc=1/3； me-汇率，me=6.8273元/美元；综上，代入得：3.1.2 填料年折旧费用吸收塔填料年折旧费用j2与吸收塔的填料层高度、塔径以及填料类型有关，j2可以根据以下公式计算：10 其中：h0-吸收塔填料层高度，m； cpa-填料单价，对于塑料阶梯环cpa=1200元/m3；代入数据得： 3.1.3 离心泵年折旧和维修费用及操作费用离心泵年费用由设备投资维修费和电力消耗费j3组成, j3可以根据以下公式计算：10其中：b0，b1，b2，b3-分别为离心泵的经验回归公式，无因次；fb离心泵的校正系

34、数，无因次；nb离心泵的轴功率，； cpe-电价，元/（·h）,0.52元/度； -离心泵年操作时间，h/a,每年按320天每天工作24小时，则=7680h/a(1）离心泵的轴功率nb选取离心泵为碳钢多级，则b0 = 2.8963，b1 = 0.1179，b2 = 0.172，b3 = -0.0023，fb = 1.0；8离心泵的轴功率nb 其中：q-吸收剂的体积流量，m3/s； 离心泵的效率，b=0.75； 吸收液的密度，/m3；g重力加速度，g = 9.81m/s2；h离心泵的扬程，m；(2) 离心泵所需扬程的计算：其中：离心泵升扬高度，（=2h0），m;送液管道的总长度，m；送

35、液管道的总阻力当量长度，m；估计： /d=2200md送液管道的管径，d=0.4m；ul吸收液的流速，1.0m/s送液管道的摩擦系数，无因次；其中：e-管材壁面粗糙度，取e=0.15mm；re-雷诺数，无因次， 代入数据得代入数据得：h=2h0+207 e即： 3.1.4吸收剂费用吸收剂费用j410其中：(使用3年);吸收剂初始用量，kg；v吸收塔体积, ;l1年损耗量，kg；cpwpc价格 ，13000元/t;合成氨转化率29.13% pc损耗量2kg/tnh3； 气体流量40000m3/h; 含氮量：15%； 4 填料吸收塔的内部结构设计填料塔的内构件包括填料支承装置、液体喷淋装置、液体再

36、分布装置、塔顶除雾沫器和填料的压板等。填料塔内构件的选型和设计对于保证塔的正常操作及性能的发挥至关重要。合理的选型和设计，可以保证塔的分离效率、生产能力及压降的要求。 4.1 填料支承装置填料支撑结构是用于支承塔内填料及其所持有的气体和液体的重量之装置，其基本要求是：有足够的强度以支承填料的重量；提供足够的自由截面以使气、液两相流体顺利通过，防止在此产生液泛；有利于液体的再分布；耐腐蚀，易制造，易装卸等。常用的填料支承板主要有栅板式和气体喷射式等结构，此次设计我们选用梁型气体喷射式支承板。它的结构特点是：为气体和液体提供了不同的通道，气体易于进入填料层，液体也可自由排出，避免了因液体积聚而发生

37、液泛的可能性，并有利于液体的均匀再分配。另外，梁型支承板用于大塔可分块制作或塔内组装。它可以提供超过90%的自由截面，保证气体通量大，阻力小。114.2 液体喷淋装置液体喷淋装置的作用是为了能有效地分布液体，提高填料表面的有效利用率。当液体喷淋装置设计不合理时，填料润湿面积随之减小，液体沟流和壁流现象增加，填料的处理能力和分离效率将大受影响。液体喷淋装置的结构形式很多，此次设计我们根据塔的类型和塔径选择溢流槽式分布器。其特点是：结构简单，液体通过时的阻力小，其分布比较均匀。114.3 液体再分布装置当塔顶的喷淋液体沿填料层下流时，存在向塔壁流动的趋势（壁流效应），使塔中心填料得不到良好的润湿，

38、减小了气液接触的有效面积。为了克服这种现象，提高塔的传质效果，当填料层高度和塔径之比超过一定数值时，填料层需分段装填，并在各段填料层之间设液体再分布器，使液体重分布。此次设计，我们选用的是塑料阶梯环填料，故其分段高度取为4.150m，分为3段。本次设计选用梁型再分布器,它将沿塔壁流下的液体用再分配推导出至塔的中心。114.4 塔顶除雾沫器在塔内操作气速较大时，穿过填料层的气体有时会夹带液体和雾滴，这不但造成物料的流失，也使塔的效率降低，同时还可能造成环境污染，因此需要在塔顶气体排出口前设置除雾沫器，以尽量除去气体中夹带的液体雾沫，从而减少液体的夹带损失，确保气体的纯度，保证后续设备的正常操作。

39、 常用的塔顶除雾器有填料除雾器、旋流板式除雾器和丝网除雾器等。其中旋流板旋流板除雾器的以旋流板为主要除雾结构的一种除雾器，它适用于气体净化、气-液分离和脱硫除尘等工作，气流在穿过板叶片间隙时变成旋转气流，其中的液滴在惯性作用下，以一定的仰角射出做螺旋运动而被甩向外侧，汇集流到溢流槽内，达到除雾目的，除雾效率可达90%99% ，用最新复合材料制作，表面经特殊处理，特光滑并有自润性，在其表面上不容易积灰结垢。即使有些积灰也很容易冲洗干净，减少除雾器冲洗频率次数，减少冲洗水使用量，确保除雾器在低阻运行，从而解决了叶片积灰结垢造成除雾器阻力增加、烟气带水等现象，同时造价低、安装和维护方便。气体通过除雾

40、器的速度是影响除雾器取得高效率的重要因素，设计气速可通过下式求取：11 其中：u设计气速，m/s；k系数，可取0.1；密度，kg/m34.5 填料压板和床层限制板当塔内汽液负荷较大或负荷波动较大时，塔内填料将发生浮动或相互撞击，破坏塔的正常操作甚至损坏填料。为此，一般在填料层顶部设压板或床层限制板。填料压板是借自身的质量压住填料但不致压坏填料；限制板的质量轻，固定于塔壁上。一般要求压板或限制板自由截面分率大于70%。4.6 管口结构4.6.1气体和液体的进出口装置流体的进出口结构设计首先要确定的是管口直径。根据管口所输送气体或液体的流量大小，由下式计算管口直径：12其中：流体的体积流量，m3/

41、s;u流体流速，m/s;气体体积流量为液体体积流量为代入相关数据得:气体进口管径为：178.95mm 圆整13即：180mm;pn=4.0mpa 气体出口管径为：150.19mm圆整13即：160mm; pn=4.0mpa液体进口管径为：486.76mm圆整13即：500mm; pn=4.0mpa液体出口管径为：486.76mm圆整13即：500mm; pn=4.0mpa管口的具体设计如下：（1） 气体进口装置气体进口装置的设计，应能防止淋下的液体进入管内，同时还要使气体分布均匀，因此我们将气体出口朝向下方，使气流折转向上，即：将进气管伸到塔的中心线位置，管端切成45。向下的斜切口。（2） 气

42、体出口装置气体的出口装置要求既能保证气体通畅，又能尽量除去被夹带的雾沫，可在气体出口前加装除沫挡板，此次设计我们选择另装了除雾沫器。（3） 液体进口管液体进口管直接通向喷淋装置，因为我们的喷淋装置并非直管，故我们采用弯管式液体进口装置。（4） 液体的出口装置为了便于塔内液体排放，并防止塔内破碎的塑料环堵塞出口，保证塔内有一定的液封高度，防止气体短路，故我们采用凹面弯管作为液体出口装置。填料塔上的各物料进出口管留在设备外边的长度h我们参照下表确定。14表4-1公称直径/mm1520507035070500接管长度/mm80100150150公称压力/mpa4.01.61.61.64.6.2 填料

43、卸出口根据填料塔的特点，需要设计填料卸出口，以便于检修时将填料卸出，鉴于我们塔径较大，所以填料卸出口的结构与人孔相似，选取直径为450mm的标准人孔。4.6.3 人孔 人孔是安装在储罐顶上的安全应急通气装置，通常与防火器、机械呼吸阀配套使用，既能避免因意外原因造成罐内急剧超压或真空时，损坏储罐而发生事故，又有起到安全阻火作用，是保护储罐的安全装置，特别适用于贮存物料以氮气封顶的拱顶常压罐。具有定压排放、定压吸入、开闭灵活、安全阻火、结构紧凑、密封性能好、安全可靠等优点。我们所取人孔的直径为500mm。5 填料吸收塔的设计校核根据第三章可知，计算出的d值还需按压力容器公称直径标准进行圆整，以符合

44、设备的加工要求及设备定型，便于设备的设计加工，故在塔径圆整到2800mm后，我们还需做进一步校核，具体步骤将在本章中说明。5.1 主要工艺参数的校核 5.1.1液体喷淋密度填料塔的喷淋密度为单位时间内单位塔截面积上喷淋的液体体积，为使填料能获得良好的润湿，应保证塔内液体的喷淋密度高于某一下限值，该值即最小喷淋密度,其计算式为：14 其中：lw,min最小润湿速率，lw,min=0.08m3/(m·h)；at填料的比表面，121.8m2/m3；最小喷淋密度，m3/(m·s)代入数据得： 实际喷淋密度： 比较可知： 满足要求。 5.1.2 塔直径与填料直径之比为保证填料润湿均匀

45、，应注意采用的塔径与填料直径之比在某个比值以上，对于阶梯环，该比值为10。塔直径与塔中填料直径之比：14 5.1.3 实际气速与液泛气速比实际气速与液泛气速比： 满足要求。5.2填料吸收塔的强度及稳定计算及校核 吸收塔在操作时，主要承受操作压力、质量载荷、地震载荷、风载荷等作用。为了保证吸收塔在各种载荷作用下安全工作，此次设计我们按照jb 150及jb/t 4710进行设计。5.2.1 筒体材料的选用与计算选用低合金钢16mnr查相关的数据得出：在32下，此钢材的许用应力t=163mpa。采用带垫板的双面对接焊缝，局部无损探伤，故焊缝系数=0.85考虑到单面腐蚀，（认为腐蚀速度为0.10mm/

46、a），腐蚀余量c2=1.0mm，钢板厚度负偏差c1=0.8mm。由相应的计算公式：计算厚度：15取设计压力为1.1倍工作压力设计厚度：名义厚度： 圆整后有效厚度： 5.2.2 封头厚度的计算选用标准椭圆封头（a=2b，k=1）设计厚度：15名义厚度：圆整后取封头与筒体等厚：;总结可得塔体的尺寸数据：塔的内径：di=2800mm塔的外径：d0=2860mm取保温层厚度：=100mm塔的总外径：d=3060mm5.2.3 质量载荷计算(1)塔体与裙座的质量：16 (2) 裙座的质量：16 取 材料q235-a （3）人孔，法兰，接管等附属件的质量：16 （4） 构件的质量：16 (5)保温层材料的

47、质量：16 (6)、扶梯，平台的质量:16 （7）操作时塔内物料质量：16 （8） 压力实验时吸收塔内充水质量：16 （9）吸收塔的操作质量：16 （10）塔器的最大质量：16 (11)、塔器的最小质量：16 5.2.4 塔体的风载荷和风力矩的计算置于室外的塔设备在风载荷作用下产生振动，该振动有沿着风向的顺风向振动，也有垂直于风向的横风向振动。在风载荷作用下塔体会发生弯曲变形，过大的塔体应力会使塔体的强度和稳定失效，为此应该校核风载荷作用下的应力。（1） 风力矩的计算塔设备迎风面上的风压值，随塔设备高度的增加而增加，为了计算简便将风载荷值按塔设备高度分为5段，假设每段风载荷均匀分布于塔设备的迎风面上，如图所示。塔设备的计算截面应取在其较薄弱的部位，如图中塔的底截面0-0、裙座上人孔或较大管