附录2-1塔设备设计说明书

1、新业能源化工 25 焦化烟气深度脱硫及联产对甲苯磺酸项目塔设备设计说明书化工大学用户团队团队成员：逸韦欣怡指导老师：代建军塔设备设计说明书第 1.1 节 塔设备选型设计依据塔设备主要有板式塔、填料塔两种，它们都可以用作蒸馏和吸收等气液传质过程，但两者各有优缺点，要根据具体情况选择。塔选型参考标准如下：第 1.2 节塔设备选型1.2.1 塔型的选择原则精馏塔主要有板式塔和填料塔两种，它们都可以用作蒸馏和吸收等气液传质过程，但两者各有优缺点，要根据具体情况选择。1.2.2 填料塔与板式塔的比较表 1.2-1 吸收塔的主要类型及特点项目塔型填料塔板式塔压降小尺寸填料，压降较大，而大尺寸填料及规整填料

2、，则压降较小较大固定式压力容器GB 150-2011压力容器封头GB/T 25198-2010石油化工塔器设计规范SHT 3098-2011钢制化工容器结构设计规定HG/T 20583-2011工艺系统工程设计技术规范HG/T 20570-1995塔顶吊柱HG/T 21639-2005不锈钢人、手孔HG 21594-21604钢制人孔和手孔的类型与技术条件HG/T 21514-2005钢制塔式容器JB/T 4710-2005钢制管法兰、垫片、紧固件HG/T 2059220635-2009塔设备选择时应考虑的运转、维修等。有：物料性质、操作条件、塔设备性能及塔的制造、安装、1) 下列情况优先选用

3、填料塔：a. 在分离程度要求高的情况下，因某些新型填料具有很高的传质效率，故可采用新型填料以降低塔的高度。b. 对于热敏性物料的蒸馏分离，因新型填料的持液量较小，压降小，故可优先选择真空操作下的填料塔。c. 具有腐蚀性的物料，可选用填料塔。因为填料塔可采用非金属材料，如陶瓷、等。d. 容易发泡的物料，宜选用填料塔。2) 下列情况优先选用板式塔：a. 塔内液体滞液量较大，操作负荷变化范围较宽，对进料浓度变化要求不敏感，操作易于稳定。b.液相负荷较小。c.塞的含固体颗粒，容易结垢，有结晶的物料，因为板式塔可选用液流通道较大的塔板，堵较小。空塔气速小尺寸填料气速较小，而大尺寸填料及规整填料则气速可较

4、大较大塔效率塔径1.5m以下塔效率高，塔径增大，效率常会下降较稳定、效率高液气对液体喷淋量有一定要求适用范围较大持液量较小较大材质金属及非金属材料均可一般用金属材料安装检修较难较容易造价新型填料，投资较大大直径塔时造价较低d. 在操作过程中伴随有放热或需要加热的物料，需要在塔内设置换热组件，如加热盘管，需要多个进料口或多个侧线出料口。这是因为一方面板式塔的结构上容易实现。此外，塔板上有较多的滞液以便与加热或冷却管进行有效地传热。e. 在较高压力下操作的蒸馏塔仍多采用板式塔。1.2.3 板式塔的塔盘类型及选择板式塔是分级接触型气液传质设种类繁多。根据塔板上气、液两相的相对状态，板式塔分为穿流式和

5、溢流式。目前板式塔大多采用溢流式塔板。穿流式塔板操作不稳定，很少使用。根据目前国内外的实际使用情况，主要塔型是浮阀塔、筛板塔及泡罩塔。对塔型的评价具体可以从一下几个方面进行比较，生产能力、塔板效率、操作弹性、气体通过塔盘的压力降、造价和操作是否方便等方面来考虑。表 1.2-2 和表 1.2-3，表 1.2-4 分别对上述特点从定性和定量两个方面对各种板式塔的优缺点加以总结。表 1.2.-2板式塔性能比较表 1.2-3板式塔性能比较塔盘型式结构优点缺点用途性能塔型泡罩塔浮阀塔筛板塔舌形塔栅板塔与泡罩塔相比的相对气体负荷11.31.31.352效率良优优良良操作弹性超超良超中85%最大负荷时的单板

6、压降/mm(水柱)45-8045-8030-5040-7025-40与泡罩塔的相对价格10.70.70.70.5可靠性优良优良中表 1.2-4 主要塔板化比较塔板类型生产能力塔板效率操作弹性压降结本泡罩板1.01.051复杂1浮阀板1.2-1.31.11.290.6一般0.7-0.9筛板1.2-1.41.130.5简单0.4-0.5舌型板1.3-1.51.130.8简单0.5-0.6泡罩型圆形泡罩复杂弹性好，无泄漏费用高，板间距 大，压降大特定要求S 型泡罩塔板稍简单简化形式，性能同特定要求浮阀型条形浮阀简单1、操作弹性好2、塔板效率高3、处理能力大无特别缺点加压常压下的气液传质重盘式浮阀简单

7、，复杂T 形浮阀简单穿流型筛板(溢流式)简单1、正常负荷下的效率高。2、费用最低3、压力降小稳定操作范围窄，易堵，易变动量少且不析出固体波纹筛板简单处理量大压降小，便宜效率低，弹性小，量少粗蒸馏栅板简单处理量大，压力降小，便宜塔效率 低，弹性较小，量少适合粗蒸馏1.2.4 填料塔的填料类型与选择塔填料是填料塔的构件，它为气液两相间热、质传递提供了有效的相界面，只有性能优良的塔填料再辅以理想的塔内件，才有望技术上先进的填料塔。因此，人们对塔填料的研究十分活跃。对塔填料的发展、改进与更新，其目的在于改善流体的均匀分布，提高传递效率，减少备等各种需要。阻力，增大流体的通量以满足降耗、节能、设备放大、

8、产品制表 1.2-5常用填料的分类与名称填料的几何特性数据主要包括比表面积、空隙率、填料因子等，是评价填料性能的基本参数。（1）比表面积体积填料的填料表面积称为比表面积，以 a 表示，其为 m2/m3。填料的比表面积愈大，所提供的气液传质面积愈大。因此，比表面积是评价填料性能优劣的一个重要指标。（2）空隙率体积填料中的空隙体积称为空隙率，以表示，其为m3/m3，或以%表示。填料的空隙率越大，气体通过的能力越大且压降低。因此，空隙率是评价填料性能优劣的又一重要指标。填料类型填料名称散装填料环形环形环，环，环，内螺旋环开孔环形，改进型，阶梯环鞍形弧鞍形，矩鞍形，改进矩鞍形环鞍形金属环矩鞍形，金属双

9、弧形，纳特环其他新型球形，花环形，麦勒环形规整填料波纹型垂直波纹型网波纹型，板波纹型水平波纹型Spraypak，Panapak非波纹型珊格形Glitsch Grid板片形压延金属板，多孔金属板绕圈形古形，Hyperfil（3）填料因子填料的比表面积与空隙率三次方的比值，即/3，称为填料因子，以表示，其为 1/m。它表示填料的流体力学性能，值越小，表明阻力越小。填料的选取包括确定其种类、规格、及材质等。颗粒填料包括拉稀环、阶梯环等，规整填料主要有波纹填料、格栅填料、绕卷填料等。国内学者采用模糊数学方法对九种常用填料的性能进行了评价如表所示：表 1.2-6主要填料性能的量化比较填料的选择包括确定填

10、料的种类、规格及材质等。所选填料既要满足生产工艺的要求，又要使设备投资和操作费用最低。1.2.5 塔型结构与确定浮阀塔在蒸汽负荷、操作弹性、效率和价格方面都比泡罩塔优越，这也是浮阀塔被广泛应用的原因。筛板塔造价低、压降小，但是操作弹性较差。而作为主要用于传质过程中的塔设备，首先必须使气液两相能够充分接触，以获得较高的传质效率，除此之外，还应该满足以下优点：填料名称评估值排序丝网波纹填料0.861波纹填料0.612金属alox0.593金属鞍形环0.574金属阶梯环0.535金属0.516瓷alox0.417瓷鞍形环0.388瓷环0.369(1) 生产能力大。在较大的气液流流速下，仍然不致发生大

11、量的破坏正常操作的现象。夹带、拦液或液泛等(2) 操作稳定性，弹性大。当塔设备的气液负荷量有较大的波动时，仍能够在较高的传质效率下进行稳定的操作，并且塔设备能够保证长期连续操作。(3) 流体阻力小，及流体通过塔设备的压力降小。这将生产中的动力消耗，以降低经常操作费用。(4) 结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易，这可以减少基建过程中的投资费用。(5) 耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。结合上述原则和板式塔和填料塔的对比情况，两种类型的塔器各有特点：不同任务、操作条件、介质性质情况下，选择合适的吸收塔能够充分发挥塔的作用，既能保证安全稳定生产，又能过降低生产成本。综合塔型的选择原则，考虑

12、到各塔的操作压力、操作温度、处理负荷、物料性质、前后设备的具体情况以及工业上的经验等，最终确定各塔的类型如表所示：表 1.2-7 塔型确定塔设备塔设备名称设备类型备注T0101脱硫塔浮阀塔T0102酸解塔浮阀塔第 1.3 节 脱硫塔结构设计将脱硫塔T0101 分成两段，T0101-1 和T0101-2。脱硫塔 T0101，操作压力为，塔顶温度为，塔底温度为，理论板数为，使用下列T0101 进行设计校核。对表 1.3-1 使用列表1.3.1 操作条件采用 Aspen Plus 对 T0101-1 添加 Tray Sizing，通过运行程序，到水力学参数表后，从中选择流量最大的塔板，作为设计的计算

13、依据。表 1.3-2 Aspen Plus 模拟的工艺要求StageTemperature liquid fromTemperature vapor to/Mass flow liquidfrom/kg/hrMass flow vapor to/kg/hr170.746807771.9755675379363.838356315.085271.73233272.4743977379948.897356900.144372.058121273.358484380057.497357008.744名称用途来源Aspen Plus V8.2塔性能设计Aspen Tech 公司Cuower塔流体力学设

14、计大学（ 华东）SW6-2011强度校核化工设备设计中心站1.3.2 浮阀塔主要工艺尺寸浮阀塔的塔径可用法确定。=()1/2= 0.041 取板间距 = 0.8取清液层高度 = 0.1查Smith 图，得20= 0.13对表面张力进行校正：()0.2 = = 0.1642020介质氨水10%原始烟气SO2800 mg/NmN2874 g/NmH2O 含量80g/NmO2 含量143g/Nm设计温度180设计压力1.8atmVolume flow liquid fromcum/hrVolume flow vapor tocum/hrDensity liquid fromkg/cumDensity

15、 vapor to kg/cumSurfacetenliquid from dyne/cm389.890394246947.907972.9957351.4428766564.05939390.736949247492.031972.3891991.4420677763.8748034391.011907248160.798971.983491.4386187763.8203689则最大允许气速 ()0.5= = 4.29/取实际气速u = 0.7 = 3.00/即塔径4D = = 5.40圆整取实际塔径为 5.5m，则实际空塔气速应为;4u = 2 = 2.9/2、溢流堰及降液管T0101

16、初步选定塔径为 5.5m，同时由液相负荷确定塔盘上液相方式为双流型。设堰长与塔径比/ = 0.75,则 = 0.75 = 4.125脱硫塔的堰型选用平直堰。由/()2.5 = 11.12，查图得液流收缩系数E=1.02，则平直堰堰上液流高度：2= 0.00284( )3 = 0.0595因已取请层液高度 = 100，则堰高应为： = = 40.4现实际取堰高 40mm。为保证液封和防止堵塞，降液管底隙高度h0应小于h，取底隙内液体流速为=0.75m/s，则降液管底隙高度：0 = = 34.4 03、塔板设计弓形降液管的宽度和截面积根据堰长与塔径之比查得= 0.13= 0.17塔截面积： = 2

17、7.2921 降液管面积： = 0.11 = 3.552降液管宽度：Wd = 0.13D = 0.15 16 = 0.918m对于双流型塔板，取安定区宽度s = 0.1m，塔板边缘宽度c = 0.06m，中间降液管宽度 = 0.3m；已知d = 0.918m，则ds = 0.5 (d + s) = 1.755md = 0.5 + s = 0.21md = 0.5 c = 0.5 16 0.06 = 2.65m鼓泡区为气液接触有效区，鼓泡面积： = 2 ( + sin) 2 ( 2 2 + 2 sin1 d) = 14.91 s2122assdd脱硫塔选择为浮阀塔，浮阀的形式有很多，但目前应用最

18、广泛的是 F1 型浮阀。F1 型浮阀分轻阀和重阀两种，通常，对产品要求严格，负荷变动大的情况宜用重阀，而轻阀则用于减压塔或对产品要求不高但处理量大的场合。选用阀径为 48mm 的 F1 型浮阀，其最小开度为 2.5mm，最大开度为 8mm，阀孔直径 d0=39mm。（1）浮阀的排列浮阀的排列由两种形式：正三角形或等腰三角形的直排，正三角形或等腰三角形的错排，错排时，从相邻两阀吹出的气流对液层的扰动效果显著，鼓泡均匀，液面梯度小、夹带小，故使用错排，一般整块式塔板，采用正三角形错排分块式塔板；分块式塔板，采用等腰三角形错排。本塔采用等腰三角形错排方式。（2）浮阀的个数阀孔动能因数可取 F0=81

19、1，取浮阀动能因数 F0 为 10，则阀孔速度为：00 = 8.36/每块塔板上的浮阀数计算：n = 837 = 69050由公式计算出排间距的初值：t = = 0.029浮阀塔的开孔率：2 = 16.25%44.流体力学计算与校核（1）降液管液泛校核气体通过干塔板的压力降：2Vd = 5.34 2g = 0.028m (液柱)L气体通过液层压力降：L = 0.5(w + 0w) = 0.05(液柱)因此，塔板压力降：p = d + L = 0.078m(液柱)（2）夹带的验算夹带量 ev 的计算方法之一是算出泛点率 F1 再来夹带量和泛点百分率是有关的，确定 ev 的大小。设计时要求夹带量应

20、控制在v 0.1kg 液/kg气，对于大塔，相应的 F1 值为1 80%82%。对于无发泡的正常系统，取 1.0。对于双流型塔板，Z = 0.5(D 2 ) = 3.36 = 2 = 20.182由泛点符合因子图：图 1.3-1 泛点符合因子图得 = 0.13。100 + 136F(a) = 78.69%100F(b) = 71.46%0.78F = max(), () = 78.69% 4故所夹带液体可以被出。（4）溢流液泛校核降液管底隙压力损失2 = 0.153 () = 0.198(液柱） 0降液管中清液层高度 = = 0.3260.326= 0.407 在 0.20.5 之间=0.8满

21、足校核条件。1.3.3 塔整体结构设计（1）塔顶部空间高度为了减少塔顶出口气体中夹带的液体量，取塔顶部空间高度1 = 2 = 1.6（2）塔底部空间高度为保证进料有一定的缓冲容量，取釜液停留时间为 5min，则塔底部高度2 = 2.6（3）裙座高度1.53 = 2 += 6.1252（4）封头选择封头选取标准椭圆形封头，根据公称直径 5500mm，选取封头容积 22.72883，总深度1415mm，内表面面积 33.4817m3。1.3.4CUower 浮阀校核-脱硫塔 T0101(1#-6#)：表 1.3-3 CUower 基本信息表工艺设计条件液相气相基本信息项目名称焦炉烟气脱硫项目校核人

22、逸装置名称SO2 吸收塔日期2017/08/14塔的名称SO2 吸收塔T0101说明塔板（实际）1#-6#计算选用的理论塔板层数6塔板（理论）1#-3#塔板形式圆形浮阀分段说明质量流量Kg/h353632.2质量流量Kg/h353742.3密度Kg/m3937.732密度Kg/m31.447体积流量m3/h363.172体积流量m3/h244466粘度Cp0.386粘度Cp0.019表面张力Dyn/cm63.8安全因子/0.82体系因子/0.75充气因子/0.6塔板结构参数塔径m5500浮阀数/2295板间距m800浮阀密度/2塔截面积m223.7583溢流程数/开孔区面积m211.2557堰

23、的形式/平堰开孔率%16.9溢流区尺寸及塔盘信息表 1.3-4工艺计算结果表表 1.3-5负荷性能参数表负荷性能参数操作点横坐标m3/h1058.113操作点纵坐标103m3/h288.543操作上限百分比%110工艺计算结果1.3.5 负荷性能优化将Cuower 塔校核数据输入 Aspen plus，进入tray rating，进行flooding factor 校核，要求液泛因子介于 0.60.85,降液管液体停留时间大于 4 秒。以脱硫塔 T0101 为例，其 Aspenplus 中导出每块塔板性能数据，如表 1.3-6 所示。脱硫塔共 6 块塔板，分成两塔进行 Aspen 模拟。表 1

24、.3-6 T0101-1 塔板负荷性能数据StageFlooding factorDownco mer velocityVelocit y / Design velerbackupBackup/ Tray spacePrere droperres. timem/secmeterbarhr操作下限百分比5505%漏液时动能因子m/s5.005%漏液时动能因子m/sX 液相体积流量Y 气相体积流量0-操作线1-液相下限线2-液相上限线3-漏液线4-夹带线5-液泛线表 1.3-7 T0101-2 塔板负荷性能数据由TrayRating Profile 可以看出，降液管液位高度/板间距（Backura

25、y space）介于 0.20.5 之间，每块塔板的液泛因子（Flooding factor）均介于 0.60.85 之间，降液管停留时间均大于 4s，脱硫塔结构设计合理。1.3.6 塔机械强度设计本设计采用机械强度常规设计所示：SW6-2011，对塔的强度进行常规设计。校核结果如表表 1.3-8 校核结果一览表StageFloo ding factorDownco mer velocityVelocit y / Design velDownco mer backupBackup/Tray spacePre re dropDownco mer res. timem/secmeterbarhr1

26、0.7449384080.04235937190.2117984850.2992202250.3740252820.01293076630.0052461170220.7454811070.04242953310.2121492930.2995697340.3744621670.0129335940.0052374420830.7461126460.04245320880.2122676730.2996970420.3746213020.01293612920.0052345212210.7542815810.04557641670.2278838320.3136361530.39204519

27、20.01307754490.0048758160120.756031110.04567537520.2283786280.3141944780.3927430970.01308424580.0048652522630.7572516660.04570751650.2285393360.3144176230.3930220290.01308764680.00486183103塔 设 备 校核计算单位中航一航空动力控制系统计算依据：NB/T 47041-2014计算条件塔型板式容器分段数（不包括裙座）1压力试验类型封头上封头下封头材料名称Q345RQ345R名义厚度(mm)1515腐蚀裕量(mm

28、)22焊接接头系数0.850.85封头形状椭圆形椭圆形圆筒设计压力(Mpa)设计温度()长度(mm)名义厚度(mm)内径/外径(mm)材料名称(即钢号)10.1818022000155500Q345R2345678910圆筒腐蚀裕量(mm)纵向焊接接头系数环向焊接接头系数外压计算长度(mm)试验压力(立) (Mpa)试验压力(卧)(Mpa)120.850.8500.42980.6658782345678910表 1.3-9 内件及偏心载荷一览表内件及偏心载荷介质密度kg/m3971.98塔釜液面离焊接接头的高度塔板分段数12345塔板型式浮阀塔板层数10mmm填料分段数12345mmg/ m3

29、集中载荷数12345gm集中载荷中心至容器中心线距离m塔器附件及基础塔器附件质量计算系数N/m2mmk g/m3mk g/m3mmm笼式扶梯与最大管线的相对位置场地土类型I1场地土粗糙度类别A7度(0.1g)影响系数最大值阻尼比max0.010.08第一组设计分组设防烈度900最大管线外径0管线保温层厚度7900防火层密度100裙座防火层厚度0保温层密度0塔器保温层厚度4000基础高度400基本风压1.2集中载荷高度集中载荷填料密度填料底部高度填料顶部高度1600最低一层塔板高度2600最高一层塔板高度80每层塔板上积液厚度0mm裙 座裙座结构形式圆筒形裙座底部截面内径m6000裙座与壳体连接

30、形式对接裙座高度m6125裙座材料名称Q345R裙座设计温度180裙座腐蚀裕量mm2裙座名义厚度m15裙座材料许用应力MPa189裙座与筒体连接段的材料Q345R裙座与筒体连接段在设计温度下许用应力MPa185.4裙座与筒体连接段长度mm20裙 座 上同 一 高度 处 较大 孔个数2裙座较大孔中心高度m900裙座上较大孔引出管内径（或宽度）mm450裙座上较大孔引出管厚度m10裙座上较大孔引出管长度mm250地脚螺栓及地脚螺栓座地脚螺栓材料名称Q235地 脚 螺 栓 材 料 许 用应力Pa170地脚螺栓个数20地脚螺栓公称直径m64全部筋板块数32相 邻 筋 板 最 大 外 侧间距m1300.25筋板内侧间距mm1300.25筋板厚度mm22筋板宽度m170盖板类型整块盖 板 上 地 脚 螺 栓 孔直径m85盖板厚度mm32盖板宽度m0垫板有垫 板 上 地 脚 螺 栓 孔直径m67垫板厚度mm24垫板宽度m120基础环板外径mm8275基础环板内径m775500塔器上最高高度m0塔器上最低高0度mmmm宽度塔器上总个数计算结果容器壳体强度计算元件名称压力设计名义厚