定型设备选型与非标设备设计（硫芳百世）

2017”玄华科技一陡蛀杯”

第十一届全国大孽生4工彼舒老赛

镇海炼化72kt/a

硫磺回收制二硫化碳项目

定型设备选型与m厢设备设计

安徽工程大学•硫芳节世团队

2017“东华科技-陕鼓杯”

第十一届全国大学生化工设计竞赛

统诲炼化72kt/a硫磺

T收制二硫化碳生产项R

定型设备选型和非标设备设计

团队名称：___________安徽工程大学•硫芳百世团队____________

指导老师：李芳方兴龙杨仁春李兴扬任一鸣

团队成员：吴中善李涛杨近黄旭潘维利

完成时间：2017年7月

彼洛域472kt/a祓,碳切收到二破化碳生声发0-------定型位备选型与"杼依备段计©©■

目录

绪论............................................................1

0.1过程设备的选型目的和基本要求............................1

0.2设计依据和原则..........................................1

0.3过程设备设计与选型原则..................................1

0.4设计标准与依据..........................................2

0.5全厂设备概况............................................2

第一章塔设备设计...............................................5

1.1塔设计要求..............................................5

1.2塔的类型................................................5

121填料塔和板式塔的比较...............................5

1.2.2板式塔............................................7

1.2.3填料塔............................................9

1.2.4塔型的结构与选择.................................10

1.3塔设备设计举例——二硫化碳精储塔T0301...................................11

1.3.1工艺设计..........................................11

1.3.2Cup-Tower精储塔工艺结构计算.....................31

1.3.3机械设计.........................................37

1.3.4.塔设备计算结果一览表............................72

1.3.5.设备条件图......................................74

1.4塔设备设计举例——硫化氢解吸塔T0402......................................75

1.4.1工艺设计.........................................75

1.4.2工艺计算结果一览表...............................95

1.4.3机械设计.........................................97

1.4.4塔设备计算结果一览表............................132

1.4.5设备条件图......................................132

第二章换热器设计.............................................133

I

彼洛域472kt/a祓,碳切收到二破化碳生声发0------定型位备选型与"杼依备段计

2.1换热器概述............................................133

2.2换热器分类与特性......................................133

2.3换热器选型............................................135

2.3.1选型原则.........................................135

2.3.2选型步骤........................................138

2.4详细设计举例——E0307.................................................................139

2.4.1工艺设计.........................................139

2.4.2换热器机械设计..................................150

2.4.3换热器筒体、管箱、封头的厚度计算................152

2.4.4换热器其它零部件设计............................154

2.4.5地震载荷、风载荷及耐压试验校核..................156

2.4.6换热器机械校核..................................156

2.4.7换热器设计条件及计算结果汇总表..................179

2.4.8设备条件图......................................180

2.4.9换热器选型结果..................................180

第三章反应器设计...............................181

3.1反应器概述............................................181

3.2反应器设计示例——一级克劳斯反应器R0201............................183

3.2.1反应方程式......................................183

3.2.2反应条件........................................183

3.2.3反应器工艺设计..................................184

3.2.4反应器机械设计..................................190

3.2.5反应器机械校核..................................202

3.2.6反应器设计条件及计算结果汇总表..................217

3.2.7设备条件图......................................218

第四章泵选型.................................................219

4.1泵的概述..............................................219

4.2泵选用要求............................................220

II

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4.3泵选用依据............................................223

4.4泵选型示例——二硫化碳精储塔塔釜出料泵P0302....................224

4.4.1进料状况........................................224

4.4.2泵参数计算......................................225

4.4.2选型结果........................................226

4.4泵选型结果............................................226

第五章储罐选型...............................................228

5.1储罐概述..............................................228

5.2储罐分类..............................................228

5.3储罐选型原则..........................................228

5.3.1立式平底筒形储罐的选型方法......................228

5.3.2球形储罐的选型方法..............................229

5.4储罐选型示例——液硫储罐V0205................................................229

5.4.1硫磺性质........................................229

5.4.2工艺要求........................................229

5.4.3选型结果........................................229

5.5储罐选型结果..........................................230

第六章气液分离器设计.........................................232

6.1气液分离器设计依据....................................232

6.2气液分离器类型........................................232

6.3设计示例——尾气处理气液分离器V0401....................................232

6.3.1物流参数........................................232

6.3.2尺寸参数........................................232

6.3.3地震载荷、风载荷及耐压试验校核..................237

6.3.3尺寸校核........................................237

6.4选型结果..............................................248

第七章压缩机选型.............................................250

7.1压缩机概述............................................250

III

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7.2压缩机选用要求........................................250

7.3压缩机选型实例——C0301选型..........................251

7.4压缩机选型结果........................................252

第八章膜分离器设计...........................................254

8.1膜分离器概述..........................................254

8.1.1膜分离器分类....................................254

8.1.2气体膜分离器中气体的流型与流动导向..............257

8.2膜分离器选型..........................................258

8.3膜分离器模型建立......................................259

8.3.1模型假设........................................259

8.3.2模型建立........................................259

8.3.3MATLAB模拟计算...............................260

8.3.4设计结果........................................262

第九章定型设备选型与非标设备设计一览表.......................263

9.1定型设备与非标设备的区分..............................263

9.2塔设备设计一览表......................................264

9.3换热器设计一览表......................................265

9.4反应器设计一览表......................................267

9.5汽液分离器设计一览表..................................268

9.6泵选型一览表..........................................269

9.7储罐选型一览表........................................271

9.8压缩机选型一览表......................................272

9.9加热炉选型一览表......................................273

IV

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绪论

0.1过程设备的选型目的和基本要求

化工设备的工艺设计与选型是在物料衡算和热量衡算的基础上进行的，其

目的是决定工艺设备的类型、规格、主要尺寸和数量，为车间布置设计、施工

图设计及非工艺设计项目提供足够的设计数据。

过程设备的第一个基本要求是能满足工艺要求。对于工艺上所要求的温

度、压力、液位、流量等都需要过程设备来实现。在满足工艺要求的同时，过

程设备也必须保证有足够的强度，不会在操作过程中遭到破坏。还有一个基本

要求，经济上要合理。在满足前一个基本要求之后，要考虑尽量降低设备的生

产赛用和操作费用，这样才能使企业获得更大的利益。

0.2设计依据和原则

化工设备从总体上分为两类，一类称定型设备或标准设备，这是由一些加工

厂成批成系列生产的设备，通俗地说，就是可以买到的现成的设备，如泵、反应

釜、换热器、大型储罐等；另一类称非定型设备或非标准设备，是指规格和材料

都是不定型的、需要专门设计的特殊设备，如反应器、塔器等。

0.3过程设备设计与选型原则

1.合理性

即设备必须满足工艺需求，与工艺流程、生产规模、工艺条件及工艺控制水

平相适应，在设备的许可范围内，能够最大限度地保证工艺的合理和优化并运转

可靠。

2.可靠性和先进性

工艺设备的型式、牌号多种多样，实现某一化工单元过程，可能有多种设备,

要求设备运行可靠。在可靠的基础上考虑先进性，便于连续化和自动化生产，转

化率、收率、效率要尽可能达到高的先进水平，在运转的过程中，波动范围小，

保证运行质量可靠，操作上方便易行，有一定的弹性，维修容易，备件易于加工

等。

3.安全性

1

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设备的选型和工艺设计要求安全可靠、操作稳定、无事故隐患，对工艺和建

筑、地基、厂房等无苛刻要求，工人在操作时劳动强度小，尽量避免高温高压高

空作业，尽量不用有毒有害的设备附件、附材，创造良好的工作环境和无污染。

4.经济性

设备的选择力求做到技术上先进，经济上合理。

0.4设计标准与依据

表0-1设计标准与依据

名称标准号

《压力容器》GB150-2011

《锅炉和压力容器用钢板》GB713-2008

《奥氏体不锈钢焊接钢管选用规定》HG/T20537.1-1992

《化工装置用奥氏体不锈钢大口径焊接钢管技术要求》HG/T20537.4-1992

《工艺系统工程设计技术规定》HG/T20570.9-1995

《钢制化工容器设计基础规定》HG/T20580-2011

《钢制化工容器材料选用规定》HG/T20581-2011

《钢制化工容器强度计算规定》HG/T20582-2011

《钢制化工容器制造技术要求》HG/T20584-2011

《化工设备基础设计规定》HG/T20643-2012

《承压设备无损检测》（合订本）JB/T4730.1-6-2005

《石油化工塔型设备基础设计规范》SH/T3030-2009

《管壳式换热器》GB151-1999

《石油、重化学和天然气工业用离心泵》GB/T3215-2007

《离心泵效率》GB/T13007-2011

0.5全厂设备概况

经过工艺选择、组合、模拟以及优化，最终设计的工艺流程包括反应器4

台，塔设备6台，泵60台，换热器47台，各类储罐12个，气液分离器4个、

压缩机25个，加热炉1台，膜分离器1台，共计设备160台。

2

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除塔设备、反应器、换热器及气液分离罐为自主设计非标设备外，其余设备

均为定型设备。对于非标设备，均详细书写了设计说明书，对于标准设备，均做

了设备选型，并整理了设备一览表。

全厂重型机器多，如反应器，反应精僧塔，设备安装时多采用现场组焊的方

式。

3

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第一章塔设备设计

塔器是气一液、液一液间进行传热、传质分离的主要设备，在化工、制药、

和轻工业中，应用十分广泛，塔器甚至成为化工装置的一种标志。在气体吸收、

液体精僧(蒸馆)、萃取、吸附、增湿、离子交换等过程更离不开塔器，对于某

些工艺来说，塔器甚至成为关键设备。

1.1塔设计要求

(1)分离效率高达到一定分离程度所需塔的高度低。

(2)生产能力大单位塔截面积处理量大。

(3)操作弹性大对一定的塔器，操作时气液流量的变化会影响分离效率。若

将分离效率最高时的气液负荷作为最佳负荷点，可把分离效率比最高效率下降

15%的最大负荷与最小负荷之比称为操作弹性，易于稳定操作。

(4)气体阻力小可使气体的输送功率消耗小。对真空精储来说，降低塔器对

气流的阻力可减小塔顶、塔底间的压差，降低塔底操作的压强，从而可降低塔底

溶液泡点，降低对塔釜加热剂的要求，还可防止塔底物料的分解。

(5)结构简单，设备取材面广便于加工制造与维修，价格低廉，适用面广。

1.2塔的类型

工业上使用的塔类型主要是填料塔和板式塔两种，对于填料塔和板式塔的

比较和选择如下。

1.2.1填料塔和板式塔的比较

表1-1精储塔的主要类型及特点

类型板式塔填料塔

塔内设置有多层整砌或乱堆的填料，如拉

每层板上装配有不同型式的气

结构特点西环、鲍尔环、鞍型填料等散装填料，格

液接触元件或特殊结构

栅、波纹板等规整填料

微分式接触，可采用逆流操作，也可采用

操作特点气液逆流逐级接触

并流操作

5

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空塔速度(亦即生产能力)高，

大尺寸空塔气速较大，小尺寸空塔气速较

效率高且稳定；压降大，液气

设备性能小；要求液相喷淋量较大，持液量小，操

比的适应范围大，持液量大，

作弹性大

操作弹性小

新型填料制备复杂，造价高，检修清理困

直径在600mm以下的塔安装

制造与维修难，可采用非金属材料制造，但安装过程

困难，金属材料耗量大

较为困难

处理量大，操作弹性大,带有处理强腐蚀性，液气比大，真空操作要求

适用场合

污垢的物料压力降小的物料

选择时应考虑的因素有：物料性质、操作条件、塔设备性能及塔的制造、安

装、运转、维修等。

类型选择时需要考虑多方面的因素，如物料性质、操作条件、塔设备的性能,

以及塔的制造、安装、运转和维修等。对于真空精偏和常压精偏，通常填料塔塔

效率优于板式塔，应优先考虑选用填料塔，其原因在于填料充分利用了塔内空间，

提供的传质面积很大，使得汽液两相能够充分接触传质。而对于加压精偏，若没

有特殊情况，一般不采用填料塔。这是因为填料塔的投资大，耐波动能力差。

同样，吸收过程也分为液膜控制、气膜控制和介于两者之间的共同控制吸收

三种类型。气膜控制的吸收与真空精储相似，应优先考虑选用高效规整填料塔；

液膜控制的吸收与加压精储相似，往往选用板式塔或汽液湍动大、持液量高的散

装填料塔；介于两者之间的，宜采用比表面积大、持液量高、液相湍动大的填料

塔，一般多采用散装填料塔。

具体来讲，应着重考虑以下几个方面：

(1)与物性有关的因素

易起泡的物系，如处理量不大时，以选用填料塔为宜。因为填料能使泡沫破

裂，在板式塔中则易引起液泛。

具有腐蚀性的介质，可选用填料塔。如必须用板式塔，宜选用结构简单、造

价便宜的筛板塔盘、穿流式塔盘或舌形塔盘，以便及时更换。

具有热敏性的物料须减压操作，以防过热引起分解或聚合，故应选用压力降

较小的塔型。

粘性较大的物系，可以选用大尺寸填料。板式塔的传质效率太差。

含有悬浮物的物料，应选择液流通道大的塔型，以板式塔为宜。

6

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操作过程中有热效应的系统，用板式塔为宜。

(2)与操作条件有关的因素

若气相传质阻力大，宜采用填料塔。

大的液体负荷，可选用填料塔。

液气比波动的适应性，板式塔优于填料塔。

操作弹性，板式塔较填料塔大，其中以浮阀塔最大，泡罩塔次之。

(3)其他因素

对于多数情况，塔径大于800mm时，宜用板式塔，小于800mm时，则可

用填料塔。但也有例外，鲍尔环及某些新型填料在大塔中的使用效果可优于板式

塔。

一般填料塔比板式塔重。

大塔以板式塔造价较廉。

填料塔用于吸收和解吸过程，可以达到很好的传质效果，它具有通量大、阻

力小、传质效率高等性能。因此实际过程中，吸收、解吸和气体洗涤过程绝大多

数都使用填料塔。

1.2.2板式塔

板式塔是在塔内有多层塔板，传热传质过程基本上在每层塔板上进行，塔板

的形状、塔板结构或塔板上气液两相的表现，就成了命名这些他的依据，诸如筛

板塔、舌形板塔、斜孔板塔、波纹形板塔、泡罩塔、浮阀塔、喷射板塔、波纹传

流塔、浮动喷射塔。下面简单介绍一下几种常见的板式塔性能。

(1)浮阀塔

生产能力大，弹性大，分离效率高，雾沫夹带少，液面梯度较小，结构较简

单，是新发展的一种塔。目前很多专家正力图对此改进提高，不断有新的浮阀类

型出现。

(2)泡罩塔

泡罩塔是工业上使用最早的一种板式塔，气液接触有充分的保证，操作弹性

大，但其分离效率不高，金属消耗量大且加工较复杂，应用逐渐减少。

7

彼洛域472kt/a祓,碳切收到二破化碳生声发0------定型位备选型与"杼依备段计©©

筛板塔是一种有降液管、板形式结构最简单的板式塔，孔径一般为4~8mm,

制造方便，处理量大，清洗、更换、修理均较容易，但操作范围较小，适用于清

洁的物料，以免堵塞。

（3）波纹穿流板塔

波纹穿流板塔是一种新型板式塔，气液两相在板上穿流通过，没有降液管，

加工方便，生产能力大，雾沫夹带小，压降小，除污容易且不易堵塞，甚至在除

尘、中和、洗涤等方面应用更为广泛。

国内常用浮阀有3种：F1型、V-4型和T型。三种浮阀中，F1型浮阀最简

单，该类型浮阀已被广泛使用，我国已有颁布标准（JB1118-68）OF1型阀又分

重阀与轻阀两种，重阀用厚度2mm钢板冲成，阀质量约33g,轻阀用厚度1.5mm

钢板冲成，质量约25g。阀重则阀的惯性大，操作稳定性好，但气体阻力大。一

般采用重阀，只有要求压降很小的场合，如真空精储时才使用轻阀。

3种阀的主要尺寸见下表：

表1-2三种阀主要尺寸

阀的类型Fl型（重阀）V-4型T型

筛孔直径/mm393939

阀片直径/mm484850

阀片厚度/mm21.52

最大开度/mm8.58.58

静止开度/mm2.52.51.0-2.0

阀片质量/mm32-3435-2630-32

8

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表1-3各类塔板性能比较

溢流式穿流式

F条圆条

十字舌浮动S形筛波

指标形形筛形形神

架形形喷射泡孔纹

浮浮板泡泡板

浮阀板塔板罩板板

阀阀罩罩

液体和气高444444213444

体负荷低555233333233

弹性（稳定操作）555334434112

压力降233324000433

雾沫夹带量334343112444

分离效率554433434444

单位设备体积

444444213444

的处理量

制造费用334443213553

材料消耗444454223554

安装和拆修434443113553

维修333333213554

污垢物料对操

232123100244

作的影响

注：0—不好；1—尚可；2—合适；3—较满意；4—很好；5—最好

1.2.3填料塔

填料塔是一个圆筒塔体，塔内装载一层或多层填料，气相由下而上、液相由

上而下接触，传热和传质主要在填料表面上进行，因此，填料的选择是填料塔的

关键。

填料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。

填料的选择主要根据以下几个方面来考虑：

（1）比表面积要大，有较高的传质效率；

（2）有较大的通量；

（3）填料层的压降小；

（4）填料的操作性能好；

（5）液体的再分布性能要好；

（6）要有足够的机械强度；

9

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（7）价格低廉。

填料的选取包括确定其种类、规格、及材质等。颗粒填料包括拉西环、鲍尔

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1-4所示：

表L4九种常用填料性能对比

填料名称评估值评价排序

丝网波纹填料0.86很好1

孔板波纹填料0.61相当好2

金属Intalox0.59相当好3

金属鞍形环0.57相当好4

金属阶梯环0.53一般好5

金属鲍尔环0.51一般好6

瓷Intalox0.41较好7

瓷鞍形环0.38略好8

瓷拉西环0.36略好9

填料的选择包括确定填料的种类、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。

1.2.4塔型的结构与选择

1.2.4.1塔设备结构

塔设备结构主要包括：塔体、内件、支座及附件。

（1）塔体是典型的高大直立容器，多由筒节、封头组成。当塔体直径大于

800mm时，各塔节焊接成一个整体；直径小的塔多分段制造，然后再用法兰连

接起来；

（2）内件是物料进行工艺过程的地方，由塔盘或填料支承等件组成；

（3）支座常用裙式支座；

（4）附件包括人、手孔，各种接管、平台、扶梯、吊柱等。

具体来讲，应着重考虑以下几个方面：

1.2.4.2本厂实际情况的选择

10

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(1)在各个工段中，既含有二硫化碳、甲烷等腐蚀性小的物系，又含有硫

化氢、二氧化硫等腐蚀性较大的物系，因此在塔型选择时应分别考虑；

(2)在部分工段会产生悬浮物；

(3)常压、减压、加压操作均存在；

(4)塔径一般较大，个别为小尺寸；

(5)从成本出发，优先考虑板式塔，但在一些吸收过程中，同时使用填料

塔。

具体的选择结果如表1-5所示:

表1-5塔型确定

塔设备编号塔设备名称设备类型

T0101原料吸收塔填料塔

T0102原料解吸塔浮阀塔

T0301二硫化碳精福塔浮阀塔

T0401硫化氢吸收塔填料塔

T0402硫化氢解吸塔浮阀塔

T0403PC脱水塔浮阀塔

1.3塔设备设计举例—二硫化碳精储塔T0301

二硫化碳精储塔T0301操作压力为2.3MPa,塔顶温度-32.9℃,塔底温度

91.9℃,塔板数30块，一股进料，从第12块塔板进料，T0301的详细计算过程

如下所述。

1.3.1工艺设计

13.1.1水力学参数获得

(1)塔板的选型

由1.2.2比较，综合考虑塔板的效率、分离效果和设备的成本、维修等，我

们初步选择浮阀塔。

(2)物性参数

11

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提取Aspenplus各塔板上的物性参数，选取塔板上气液相负荷最大的第5块

塔板进行手工计算和校核，然后再用Aspenplus进行塔的设计和校核，通过比较

来检查计算的正确性。

采用AspenPlus对T0301添加TraySizing0各塔板上的物性参数如表1-6所

示：

12

篌法域472kt/a旎磁切改制二戊化碇生声发Q与用杼祓备槌出

表1-6各塔板上的物性参数

塔表面张力

温度/C质量流率/(kg/h)体积流率/Cm%!)密度/(kg/n?)黏度/cP

板/(dyne/m)

级

液体气体液体气体液体气体液体气体液体气体液体

数

1-32.902978-32.41416913442.248923268.555414.96187823709.6301898.4332566.27247320.227103260.0103322557.4633643

2-32.414169-32.3402413424.45923250.765614.92826143713.29896899.2647356.261484970.228471740.0103293487.49734271

3-32.34024-32.21913113443.959723270.266114.9597983703.27436898.6725416.283700260.226994310.01033789117.46462882

4-32.219131-31.82507513448.460323274.766514.93685773697.72847900.3540466.29434170.227209790.01035621797.48893386

5-31.825075-30.19354513471.320723297.626414.82091123695.34202908.9401166.304592730.228895210.0104323197.62381959

6-30.193545-24.53871413625.584823451.888214.39108073694.65924946.8076156.347510480.236973750.01070152988.2594747

7-24.538714-13.711614323.809124150.107513.53650313659.130621058.16176.599957760.262270450.011241787810.8844828

8-13.7116-4.439257515523.894725350.195612.93414393598.071391200.225917.045495440.293303150.011723863816.3674606

9-4.4392575-0.113915116381.632826207.944212.84674193573.464631275.158557.334043260.3029930.011948269321.9711454

10-0.11391512.2123706216701.518326527.842612.84777883571.095491299.953757.428488740.303136040.012054611424.7786397

112.212370628.0276759816564.263926390.595612.675043603.864571306.841167.322859970.302651490.012250663226.1329797

1210.873893324.370541639583.201628753.804930.37837553240.716791303.005878.87266820.29986770.012957558529.6860923

1324.370541628.676902441934.179631104.78231.46816053283.588011332.590759.472802880.28052520.013115055837.3542332

1428.676902429.80925142690.851531861.452931.88910473301.773651338.728459.649799270.272764260.01315376839.3156492

13

演i»,熔«,72kt/a破磁电改制二成化嫉生产发©——也含包也与外标祓备谡计

1529.80925130.125613442888.215932058.816532.00628553302.939611339.993549.706146730.270576310.013165008639.9168716

1630.125613430.249061742940.096932110.697732.04052313299.241241340.180899.73275230.269896990.013169920740.1005772

1730.249061730.340588442956.49232127.094832.05449733294.424251340.108119.751960370.269580670.013173664240.1225627

1830.340588430.495904342961.553132132.157132.06286413289.638311339.916269.767686920.269339010.013178802640.1183961

1930.495904331.020270242950.074332120.670832.06678253286.291121339.394579.774140420.269052290.013192300440.1100978

2031.020270233.343989942864.906532035.501632.05381793289.42681337.279289.73893130.268470220.013244620440.1092617

2133.343989942.328773742555.832331726.4432.05555583312.307621327.564959.578349490.266410330.013398305240.0703309

2242.328773762.236546142264.430531435.029332.71346313350.947411291.958319.380937830.259191410.013424152639.2865717

2362.236546180.777660443225.912132396.499535054681228.481559.439389090.245546830.012967414334.7615469

2480.777660488.618657644852.26634022.8537.92170223563.444011182.759839.547743670.235769120.012620129731.8318261

2588.618657690.866077945653.7534824.333339.16482913629.582051165.682359.594584930.232562340.01250967430.5879747

2690.866077991.480136945867.089235037.672439.50535363644.888251161.034779.612824870.231734490.012485892830.2310037

2791.480136991.69464245878.638735049.222139.55421783643.572071159.892459.619467230.231525050.012485883530.1318557

2891.69464291.822707645810.479534981.063139.50349463637.542271159.656389.616675370.23149810.012493735530.0950892

2991.822707691.944101645675.18234845.76639.38491393629.526411159.712639.600637110.231572610.012507014730.0707631

3091.944101691.944101610829.415909.3359775601159.965930.231769120.010329347530.0454604

14

彼洛域472kt/a祓,碳切收到二破化碳生声发0------定型位备选型与"杼依备段计

得到水力学参数表后，从中选择气相负荷最大的塔板，作为设计的计算依

据。

表1-7第2块塔板物性参数

物性参数液体气体

温度/℃-32.414169-32.340