（机械工程专业论文）吸附塔用吸附剂格栅的研究.pdf

摘要 本文通过对p x 装置上吸附塔吸附剂格栅的调研，从工艺流程到具体吸附过程做了详 细的分析，全面考虑p x 装置上吸附塔吸附剂格栅的特点和工艺操作上的各种因素，设计 出符合工艺要求的吸附剂格栅，并进行详细的论证和优化。然后编制专门针对吸附剂格栅 的制造工艺试制吸附剂格栅。编制测试吸附塔吸附剂格栅各项性能指标的实验流程，通过 该实验装置对p x 装置上吸附塔吸附剂格栅的各项性能指标、吸附效果进行全面的测试， 对影响其吸附效果的各种因素全面考虑，并在实验中加以考虑和验证，分析和整理实验数 据，建立完整的图表数据库，对各种工况下的数据进行分析比较，从根本上对吸附剂格栅 进行全面了解，对原设计中未能考虑到的各种因素加以考虑，重新优化设计，并制造出符 合要求的产品。 关键词：吸附塔，吸附剂，格栅，结构，实验 a b s t r a c t a d s o r b e n tg r i df e a s i b i l i t yr e s e r c h s o n gq i x i a n g ( m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f w a n gh a n x i a n g b a s e do nt h ep xd e v i c ea d s o r b e n ta d s o r p t i o nc o l u m no ft h e s u r v e y 鲥d ，p r o c e s st ot h es p e c i f i c a d s o r p t i o np r o c e s sf r o mad e t a i l e da n a l y s i s ，f u l la c c o u n to ft h ea d s o r p t i o nt o w e ra d s o r b e n tp xd e v i c e c h a r a c t e r i s t i c sa n dp r o c e s so p e r a t i o ng r i do nt h ev a r i o u sf a c t o r s ，d e s i g nm e e tt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so ft h e a d s o r b e n tg d d ，a n dad e t a i l e dd e m o n s t r a t i o na n do p t i m i z a t i o n t h e ng r i dt h ep r e p a r a t i o no f s p e c i f i ca d s o r b e n t s a d s o r b e n t sm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s 鲥dt r i a l p r e p a r a t i o no ft e s t 鲥da d s o r b e n ta d s o r p t i o nt o w e ro ft h et e s t p r o c e s sp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s ，t h r o u g ht h ep xd e v i c et e s td e v i c eo nt h ea d s o r p t i o nt o w e ro ft h ea d s o r b e n t p e r f o r m a n c eg d d ，a d s o r p t i o ne f f e c to fac o m p r e h e n s i v et e s t , a d s o r p t i o ne f f e c to nt h ei m p a c to fi t so v e r a l l c o n s i d e r a t i o no fv a r i o u sf a c t o r s ，b et a k e ni n t oa c c o u n ti nt h et e s ta n dv e r i f i c a t i o n ，t e s td a t aa n a l y s i sa n ds o r t i n g , e s t a b l i s hac o m p l e t ed a t a b a s e d i a g r a m ，t h e d a t ao nt h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n sw e r e a n a l y z e d a n d c o m p a r e d ，f u n d a m e n t a l l yac o m p r e h e n s i v eu n d e r s t a n d i n go ft h ea d s o r b e n tg r i d ，t h eo r i g i n a ld e s i g nf a i l e dt o t a k ei n t oc o n s i d e r a t i o nv a r i o u sf a c t o r s ，r e o p t i m i z a t i o no fd e s i g n , a n dm a n u f a c t u r ep r o d u c t st h a tm e e tt h e r e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：a d s o r p t i o nc o l u m n ；a d s o r b e n t ；g r i d ；s t r u c t u r e ；t e s t 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中做出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 、 劭鼢 妈。 日期：加矽年眵月口日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和电子版) ， 使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学 术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 名：房筋一 彳飞钥 7 日期：川d 年够月，扩日 日期：毋尹靴月堋 中国石油大学( 华东) 工程硕上学位论文 第一章前言 1 1 研究项目的来源及意义 本课题是兰州石油机械研究所受天津石化委托，双方就采用吸附分离法( 将c 8 芳族 物料中的对二甲苯分离出来) 建造的p x ( 对二甲苯) 装置中对吸附塔吸附剂格栅进行分 析研究，对吸附剂格栅的分离原理和功能特性进行全面的研究，从根本上对吸附塔吸附 剂格栅做全面的研究，设计出符合工艺要求的吸附塔吸附剂格栅，并通过实验装置进行 验证和改进，力取做到采用吸附分离法建造的p x 装置中吸附塔吸附剂格栅的国产化。 本课题是在借鉴天津石化采用美国u o p 公司的专利技术建造的p x 装置的基础上展 开的，天津石化的p x 装置采用吸附分离路线，即将c 8 芳族物料中的对二甲苯通过吸 附分离方法将对二甲苯分离出来。兰州石油机械研究所作为本课题的具体实施方，负责 吸附塔吸附剂格栅的前期调研、结构设计、强度计算、实验测试及分析，结构优化等一 系列工作。从而开发出结构合理、可行，并通过实验分析验证，能够满足或超越采用吸 附分离路线建造的p x 装置吸附塔的要求，最终为实现吸附塔吸附剂格栅的国产化替代 提供理论依据。 1 2 国内外研究现状 全世界生产对二甲苯( p x ) 装置主要有以下四种工艺路线，其中有三种是通过吸附 分离的方法得到的，而吸附分离法的关键技术是吸附塔，吸附塔的核心部件吸附剂格栅 的设计和制造。现将四种工艺路线简述如下： ( 1 ) u o p 公司的p a r e x 工艺。对二甲苯有强亲合力，而对与其他c 8 芳烃异构体有 弱吸附性的分子筛吸附剂的开发使从c 8 芳烃中回收对二甲苯的吸附工艺成为可能。 p a r e x 工艺是u o p 公司2 0 世纪6 0 年代开发的，可从液相混合c 8 馏分中连续吸附对二 甲苯。该公司已出售了多套p a r e x 装置的技术许可证，目前世界范围内有5 8 套装置在运 转。其中吸附塔的吸附剂是a d s 2 7 ，是钡离子和钾离子交换的沸石，吸附剂可以允许 主要的原料成分进入其孔结构。p a r e x 工艺的吸附塔使用了模拟移动床的连续固定床吸 附技术。这是通过移动吸附床的原料和解吸剂入口和产品出口实现的。多条进料管线被 联结在一座独特的有专利权的分配阀和吸附床内的分配器上。4 条附加的管线联在阀上， 将4 种工艺流体( 即混合二甲苯原料、解吸剂、抽余液和抽提液) 送到吸附剂塔和分馏塔( 抽 第一章前言 余液和抽出液) 。所有4 种物流都被适当控制，使其流速保持恒定。这4 种物流都通过 旋转阀，旋转阀按预定的时间将物流转向与床层下一部分相联的另一个管线进口或出 口。这4 种物流的切换是以同样的方向连续进行，在规定的时间间隔内，从一套管线转 到下面邻近的另一套管线，切换速度要与这些物流的流速保持协调。入口点和出口点以 同步的时间间隔从一个位置移向邻近的另一个位置，就好像分子筛可以慢慢地、连续地 通过吸附床、通过固定的入口点和出口点移动，同时接受或提交液体二样。 液体通过独立于旋转阀的管线从吸附塔的底部循环到顶部。吸附床的移动是通过移 动分配器的旋转部件而实现的物理上的模拟。抽出液进入一座蒸馏塔回收对二甲苯，解 吸剂从塔底产出料。来自抽提塔的对二甲苯在精制塔中用循环甲苯洗涤纯化。从该塔可 得到对二甲苯产品。抽余液被送到抽余液蒸馏塔，乙苯、间二甲苯和邻二甲苯从塔顶回 收，解吸剂从塔底采出。抽余液塔塔顶产品虽然可用作调合汽油原料，但更通常的是作 为一套吸附异构化一体化装置的异构化反应器的原料。 u o p 装置对二甲苯纯度一般为9 9 9 ( 质量) 。1 9 8 7 年后设计的所有p a r e x 新装置都 能生产纯度9 9 9 的对二甲苯。从1 9 7 1 年开始共出售了7 3 套p a r e x 装置的专利许可证， 其中1 9 9 4 年后有2 3 套。 ( 2 ) i f p 的e l u x y l 吸附工艺。i f p 开发了e l u x y l 对二甲苯分离提纯的吸附工艺技术， 并提供了专利许可证。e l u x y l 与u o p 的p a r e x 技术相比，概念相似，但设备设计不同。 i f p 有自己的高性能吸附剂( s p x3 0 0 0 ) ，在第一套工业化装置中( 韩国的s - o i l 公司) 得到 了纯度高达9 9 9 的产品。该技术使用了接近1 2 0 个单独的开关阀，而不是像u o p 那 样用一个专有的大型多个进口和多个出口的旋转阀。i f p 称，大量小阀门的成本要低于 u o p 的单一旋转阀，检修期间阀门可以维修。在线维修也在第一套工业化装置进行了成 功的试验。i f p 还优化了内部构件的设计，减少了死体积，提高了效率。除了阀的差别 外，i f p e l u x y l 工艺估计与u o p 的p a r e x 工艺相近。一种组合方式的工艺将吸附特点与 结晶技术结合，可用来改造现有的结晶装置。e l u x y l 装置安排在结晶装置的上游，生产 9 5 纯度的对二甲苯，这股物流进入单段结晶器。这种组合型装置用甲苯作溶剂，段数 较少，吸附剂存量较少，使用两个蒸馏塔( 即由提液塔和抽余液塔) ，而不是用4 个塔。 组合型装置投资降低，主要来自e l u x y l 装置的对二甲苯物流纯度较低( 即9 5 ，而不是 9 9 ) ，进料c 9 芳烃的含量规格也不十分严格。抽提液塔塔底物料进入结晶器，来自结 晶器的滤液循环回吸附塔。抽余液送到异构化装置。由于结晶装置进料的对二甲苯含量 高，因而操作明显改善。从结晶装置得到的对二甲苯纯度可达到9 9 9 以上。 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 1 9 9 5 年1 月至1 9 9 6 年5 月，一套e l u x y l 示范装置在雪佛龙公司的帕斯卡古拉炼油 厂操作，对二甲苯产量为8 0 0 0 1 0 0 0 0 吨年。第一套工业装置1 9 9 7 年1 2 月在韩国蔚 山s - o i l 炼厂投产，能力为5 0 万吨年。第二套工业装置1 9 9 8 年5 月在雪佛龙公司的帕 斯卡古拉炼厂投产，能力为4 5 万吨年。更晚一些，i f p 向中国石化的镇海炼厂出售了 e l u x y l 技术许可，能力为4 5 2 7 吨年。i f p 的第一套、也是世界最大的装置，据称能力 现已超过额定设计能力。现e l u x y i 最大单线设计能力可达到7 5 万吨年，已出售8 套 e l u x y i 装置的专利许可证，目前已经有多套装置在运行中。 ( 3 ) 结晶法分离技术。结晶法分离对二甲苯的工艺是现仍在使用的一种较古老的 工艺，利用结晶与离心结合方式从二甲苯异构体中分离对二甲苯。 直到分子筛吸附法开发之前，结晶法是生产对二甲苯的唯一方法，将分步结晶与异 构化合与单一的结晶装置相比可使对二甲苯收率明显提高。结晶异构化结合的对二甲 苯收率可达到原料的8 0 ，而只用结晶法对二甲苯收率只相当于重整产物的1 2 。一些 工艺，如g t c 公司的g t - c r y s t p x 由于提高了设备的可靠性，扩大了设备的规模( 相应 减少了系列数和转动设备的数量) ，竞争力已有明显提高。 雪佛龙菲利普斯公司、b p 公司( 以前的阿莫科和阿科) 、克虏伯伍德公司和日本的 丸善公司都开发了结晶法工艺，并实现了产业化。雪佛龙技术是世界上用得最多的技术， 但直到2 0 世纪9 0 年代初到9 0 年代中出现m s t d p 建设波以前，美国一多半的对二甲 苯能力使用的是阿莫科公司技术。g t c 技术公司也提供由莱昂戴尔化工公司开发的结晶 技术( g t - c r y s t p x ) 许可证。 ( 4 ) 异构化工艺。主要的工业化异构化技术有埃克森美孚公司、u o p 公司、i f p 、 g t c i p c l 公司和恩格哈德公司的技术。这些竞争工艺的流程非常相似。u o p 技术中 液体进料是由在其他工艺中使对位和邻位二甲苯异构体含量减少了的c 8 芳烃组成。这 种进料与补充和循环氢混合，经间接换热和加热炉加热后，通过一台固定床催化反应器。 反应器流出物通过换热冷却后进入相分离器。富氢的气相被循环，排放一部分气体，维 持所要求的最低氢浓度。将分离器液体送到脱庚烷塔，分离异构体中的轻烃，然后异构 体进入白土塔。在白土塔中微量的二烯烃被聚合，保护对二甲苯分离吸附剂( 如果使用) ， 并使邻二甲苯符合酸洗颜色规格。白土塔使用一种切换系统，离线装置用蒸汽再生。经 白土处理的异构体在装置内循环，形成二甲苯分离塔的部分混合二甲苯原料。 埃克森美孚公司提供了一些类型的异构化工艺。美孚的高活性异构化( m h a1 ) l 艺使用了择形沸石催化剂z s m 5 ，反应操作条件一般为4 2 0 4 2 5 和1 6 m p a 。e m 4 5 0 0 第一章前言 是埃克森美孚最新开发的二甲苯异构化催化剂，异构化混合物的对二甲苯含量为平衡含 量的1 0 2 1 0 4 。其优点包括催化剂再生之间的运转时间长，引用的例子超过4 年。 在整个操作过程中性能保持稳定。最新一代异构化技术x y m a x ，使用e m 4 5 0 0 催化剂。 x y m a x 的特点是使用了专有的高择形性催化剂，可提供更高的收率、更好的操作灵活 性和更大的脱瓶颈潜力。其乙苯转化率可提高到8 b 以上，损失减少5 0 以上。 目前国内各大中型炼油化工企业在建或已建的p x 装置中其核心部件吸附塔吸附剂格 栅主要依赖美国u o p 公司和法国石油科学研究院( i f p ) 的工艺包和技术。为了适应我国 炼油化工工业对装置大型化、集约化和国产化迅速发展的需要，打破垄断格局，有必要 对p x 装置的核心部件吸附塔吸附剂格栅进行全面的分析研究，以便进一步掌握整套装 置的工艺操作原理及其技术，并希望在不久的将来逐步实现p x 装置吸附塔内件及工艺 的国产化。 目前国内在采用吸附分离法建造的p x 装置中核心部件吸附塔吸附剂格栅技术仍然 是空白，整套装置全部依靠国外进口。 国外采用吸附分离法建造的p x 装置中核心部件吸附塔吸附剂格栅属于u o p 公司的 专利技术，长期被u o p 公司垄断，其主要特征表现为栅板支撑吸附剂的上下表面由一 种条状栅条网构成( 栅条网由宽1 2 m m ，高2 5 m m 的契形栅条和宽2 2 m m ，高5 0 m m 的 筋条接触焊接形成的间隙保持在0 2 m m 以下的致密网状结构) ，该栅条网的加工制造难 度极大，需要专门的加工制造设备和工装、夹具等，对制造提出很大的难度。 1 3 论文研究主要内容 课题实验的主要内容是：查阅大量资料、调研国内外采用吸附分离法建造的p x ( 对 二甲苯) 装置的运行情况和制约瓶颈；根据调研结果自行设计出符合p x 装置工艺要求 的吸附塔吸附剂格栅；制定实验流程和方案，通过对不同工况、不同操作介质条件下的 吸附剂格栅进行性能测试，验证和分析p x 装置中吸附剂格栅在吸附塔中的具体用途、 制约因素，论证吸附塔吸附剂格栅的结构的合理性、可行性，通过对实验数据的分析整 理全面了解该吸附剂格栅内部流体的分布情况及压降变化等，并最终结合栅板的强度计 算开发出符合p x 装置工艺要求的吸附塔吸附剂格栅。 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 第二章吸附剂格栅的设计和计算 2 1p x 装置工艺流程 对二甲苯( p x ) 主要用于生产精对苯二甲酸( p t a ) 和对苯二甲酸二i 璃( d m t ) ，而p t a 和d m t 再和乙二醇、l ，4 丁二醇等生成聚对苯二甲酸7 _ , - - 醇酯( p e t ) 和聚对苯二甲酸 丁二醇酯( p b t ) 等聚酯。p e t 、p b t 是进一步生产涤纶、聚酯切片、聚酯中空容器和轮 胎工业用聚酯帘子布的原材料。此外，p x 还是生产涂料、染料、农药和医药等产品的 化工原料。 一种改进型的模拟移动床： 从c 8 芳族物料中分离对二甲苯的方法主要有深冷结晶法、络合分离法和吸附分离 法。由于c 8 芳族物料中四种异构体化学结构相似，其物理性质尤其是沸点也近似，这 给c 8 芳族物料的分离带来困难，采用通常的精密蒸馏法是很难将对二甲苯从c 8 芳族 物料中分离出来。现今专门用于分离对二甲苯的工业化方法有传统的深冷结晶和选择性 吸附法两种。 一种改进型的模拟移动床吸附分离装置是目前世界上主要用于从c 8 芳族物料分离 对二甲苯的分离方法和设备。c 8 芳族物料经过转换阀控制进入吸附塔床层，利用吸附 剂优先吸附对二甲苯的能力，使对二甲苯在吸附剂中逐步得到提纯，并利用解吸剂对二 乙基苯具有与对二甲苯相似的吸附性能，把对二甲苯从吸附剂中解吸出来，得到的抽出 液经过精馏分离得到成品对二甲苯。抽出对二甲苯后的提余液则进入c 8 芳烃异构化装 置，经过异构后，使c 8 芳烃中的对二甲苯浓度重新达到接近平衡的状态，然后再进行 吸附分离。吸附塔主要由2 4 个床层、分子筛吸附剂( 俗称：白土) 和与此相对应的旋转阀 等组成，每个床层般由2 4 块栅板组成。整个吸附塔分成四个段：吸附段、第一精馏 段( 简称：一精段) 、解吸段和第二精馏段( 简称：二精段) ，其操作示意图如下： 第二章吸附剂格栅的设计和计算 图2 - 1 模拟移动床吸附分离装置 f i g2 1s i m u l a t e dm o v i n gb e da d s o r p t i o n s e p a r a t i o nu n i t 抽余液r 。- - 一 ( b q - d ) 进料f 弋a + b ) 一h m 清洗液入 一圊流d 一群黔 清洗液出 - - h o i l t 一解吸荆 d 图2 2 模拟移动床吸附分离操作示意图 f i g2 - 2s i m u l a t e dm o v i n gb e da d s o r p t i o ns e p a r a t i o no p e r a t i o nd i a g r a m 模拟移动床原理： 进塔的c 8 芳族物料由塔顶自上而下流动，各固定吸附剂床层通过与之相连接的旋 转阀的间歇性操作，周期性改变各操作段的注入和引出的位置来实现模拟逆向流动。这 种液态进料与固体吸附剂及床层的逆向流动不通过固体的物理移动，取而代之，通过周 6 中目6 j 由 学( $ 东) 7 - 程顸学位论文 期性地改变液体沿固定吸附荆床层注入和引出的位置来模拟逆向流动原理。 吸附分离p x 的理论收率： 理论收率： k 2 肛) ，一爿p ：一j ，) 】1 0 0 ( 2 ” 式中z 吸附分离单元进料中的p x 浓度： j 抽出液塔顶采出中的p x 浓度： 工抽余液塔侧线采出中的p x 浓度。 一种特殊的吸附塔栅板是完成和实现这种模拟移动床分离方法所必备的设备部件。 下面分别对两种不同支撑、分布结构的吸附塔栅板的比较分析其各自的特点。 2 2p x 装置栅条网支撑结构的吸附塔栅板形式 2 _ 2 1 栅板的结构形式 其结构简图如下所示： 图2 - 3 栅板结构简圉 f i g2 - 3d i a g r a mo f 鲥dp l a t e 第二章吸附剂格栅的设计和计算 a a 旋转 旦 二二二二二号 b 向 筋条 图2 q 栅板局部结构简图 f i g2 - 4s c h e m a t i cl o c a ls t r u c t u r eo fg r i dp l a t e 2 2 2 栅板在吸附塔中功能及作用 栅板是吸附塔中最为重要的组成部件，它在吸附塔中起支撑白土和收集、再分配液 态物料的作用。因此它的结构好坏还将直接影响到吸附塔吸附对二甲苯的工艺操作和最 终的产品质量要求。栅板由支承板、封板、分配管、分配盒、上，下栅条网、盲板、导 液板等组成。 由图示可以看出，该栅板结构紧凑、可靠，强度和刚度均能满足装置的要求，既能 收集物料也能对物料进行均匀地分配，同时还能很好地保护栅板上下表面的白土。 栅板结构由支承板、封板以及中间的盲板、导液板和上下两处的栅条网等焊接形成 一个完整的框架，这种结构设计很好地保证了栅板的强度和刚度。同时该栅板的结构还 采用了“等面积法进行设计和分块，主要表现在沿分配管和分配盒位置分为左右面积 相等的两部分，这种设计的好处在于尽可能地满足操作中塔内各处物料的流动均匀、匀 速，以便床层上下两处的白土在吸附操作中尽可能地同时、均匀地操作，进而在解吸操 作中亦尽可能地同时、均匀地操作。 栅条网是由许多栅条和筋条接触焊接形成的间隙保持在0 2 m m 以下的致密网状结 构，这种致密网状结构的好处是既能保证栅条网的强度和刚度，还能满足物料在栅板上 下表面均匀地、匀速地进行收集和分配，同时还能防止白土进入栅板内堵塞通道和白土 受不同流速的冲蚀；另外，在保证了物料在栅板上下表面均匀地、匀速地进行收集和分 配的同时，也就进一步保证了白土在吸附和解吸操作中能地同时、均匀地操作。 盲板上下表面的结构均采用了“阶梯式 设计，具体是沿分配盒向左右两端盲板 逐级升高，其目的：在吸附操作中，首先是盲板上表面的阶梯更易于收集物料，在操作 中物料从上部白土经栅条网渗入栅板内，由于栅板两端的液位沿径向逐级高于其余各处 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 的液位，这使物料在自身重力作用下自动形成了由栅板两端向中间分配盒两边的间隙处 流动；其次是盲板下表面阶梯更易于物料的均匀分配，在操作中由上部收集和分配管进 入的物料经分配盒两边的间隙处流向栅板下部，由于间隙处的液位沿栅板径向逐级高于 其余各处的液位，这使物料在自身重力作用下自动形成了由栅板中间向两端流动的趋 势，进而保证了物料在栅板上下表面均匀地、匀速地进行收集和分配。反之，在解吸操 作中栅板的工作原理亦如此。 在栅板内设置导液板的作用在于：首先，导液板有支撑栅条网的作用，在装填白土 时由于白土的重力主要分布在栅条网的上表面，在重力作用下栅条网经过微小变形将重 力传递给导液板进而传递给盲板、支承板等；其次，导液板还有导液、引流的作用，导 液板的设置沿栅板呈扇形分布，由“牛顿粘性定律”可知，流体的流动现象呈现出：当 流体沿固体壁面流过时，同一截面上各点的流速是不相等的。流体在两平板间的流动， 呈现出越靠近中间流速越快而越靠近两平板处流速越慢，为了尽可能地消除或减小这种 流速的不均匀性给整个栅板内物料流速的不均匀性影响，在同一截面内近似等距离设置 导液板，从而使栅板内物料流速在同一截面内尽可能地相等，以此可保证物料在栅板内 进行均匀地、匀速地进行收集和分配。 2 2 3 流体通过栅条网的流速计算 假定物料通过栅条网的速度为匀速，则，根据机械能衡算式一柏努利方程： 由于吸附塔内流体是不可压缩的，即： z l + v 2 2 9 + r p g + h e - - z ：+ p 2 p g 七h f ( 2 2 ) 式中z 。液位高度，m ； 罗，液位高度，m ； 进塔物料体积流量，州s ； y ，出塔物料体积流量，m s ； 只进塔物料压力， m p a ； p ：出塔物料压力，m p a ； 忽外加功，w ； 9 第二章吸附剂格栅的设计和计算 办，塔内流体能量损失，w ； p 介质密度，k g m 3 ； g 重力加速度，m s 2 。 在进塔物料的体积流量、外加功h e 、塔内流体能量损失h f 已知的前提下可以求 得流体在塔内和栅板内的流速。 2 2 4 栅条网的强度计算 栅板的强度( 或刚度) 主要集中体现在栅条网的强度( 或刚度) ，若栅条网的强度( 或刚 度) 能满足操作要求，则可视为栅板的强度( 或刚度) 符合要求。下面主要对栅条网进行强 度( 或刚度) 的校核。 ( 1 ) 栅条、筋条的截面惯性矩计算 栅条的截面惯性矩计算 小弓形的形心计算 歹= 归 o “ i “ r1 _ 0夕o z 图2 - 5 栅条和筋条截面图 f i2 - 5r a c ka n dr i b ss e c t i o n s = r z 2 压瓢 1 0 ( 2 - 3 ) 中国石油大学( 华东) - 1 ：程硕士学位论文 计算得到小弓形的形心计算是少= 0 1 1 6 5 l i l l 。 整个截面的形心 墨彳，万) y = 旦- ( 2 4 ) 彳i 计算得到整个截面的形心是j ，21 o m m 。 计算截面的i v 由平移轴公式得： i y l = ，声l + 口1 2 彳i + ，弦2 + 口2 2 彳2 ( 2 5 ) 计算得到截面i 。0 9 4 1 2 m m 4 。 筋条的截面惯性矩计算 小弓形的形心计算 歹= 弘= r z 2 压瓢( 2 - 6 ) 计算得到小弓形的形心是y = 0 2 3 3 6 m m 。 整个截面的形心 墨彳，乃 y = 土l 一 ( 2 - 7 ) 一 n 勘， i = 1 计算得到整个截面的形心是y = 2 1l m m 。 计算截面的i v 由平移轴公式得： i y 2 = i 弦l + 口1 2 么l + k 2 + 口2 2 彳2 ( 2 8 ) 计算得到截面，们15 5 0 8 m m 4 ( 2 ) 强度计算 由栅板结构简图可知，栅条网与栅板四周的支承板和封板焊接在一起，在吸附塔中 栅板所承受的载荷主要来自上层白土的重力。具体表现为：白土的重力均匀地加载在栅 条网上，而栅条网承载后最危险的位置应为它的形心所在位置。根据实际施工设计图， 第二章吸附剂格栅的设计和计算 测得栅条网的形心点位于离栅板大端径向距离8 6 0 m m 处。分解栅条网后，我们可以假 设，在该形心所在位置有一根栅条和一根筋条处于最危险状态，而该位置处栅条长度为 4 3 5 m m ，筋条长度为2 3 3 0 m m ，现分别计算该栅条和筋条在受力情况下的挠度： 已知：白土密度：o = 7 5 0 k g m 3 ，装填高度：h = 1 2 0 0 m m ，相邻筋条的间距为h - - 1 3 m m 。 栅条的强度计算 分解后的栅条可以假设为两端固支的简支梁，承受均布载荷q = 0 0 1 0 6n m m ，由公式： z 一2 丽q 1 4 - 2 9 ) 计算可得5 0 m m 。 筋条的强度计算 分解后的筋条也可假设为两端固支的简支梁，由于在该计算栅条下有3 3 根筋条 ( 4 3 5 1 3 = 3 3 5 ) ，由栅条加载于筋条的载荷对其下某一根筋条而言表现为集中载荷 p = 0 0 0 1 2 0 4 3 5 1 2 * 7 5 0 * 9 8 1 3 3 = 0 1 4n ，筋条长l = 2 3 3 0 m m ，a = 2 3 3 0 8 6 0 = 1 4 7 0 m m ，b = 8 6 0 m m ， 由计算公式： f 2 1 n a x = 爰宰丽a a b 3 浯 计算可得2 0 8 m m 。 通过上述计算和实际分析可以看出，栅条网承受的白土重力分解给栅条和筋条后所 产生的挠度是不一致的。而实际栅条网的结构是由许多栅条和筋条接触焊接形成的间隙 保持在0 2 m m 以下的致密网状结构，并且相邻筋条的间距为1 3 m m 。从某种意义上说这种 致密网状结构的栅条网可以看作栅条已被筋条连接成为一个整体，即把栅条视为一块平 板。因此可以将栅条网假设为：平板下带加强筋且四周均被固定的模型。 平板的强度计算 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 图2 - 6 平板计算模型图 f i g2 - 6p a n e lc o m p u t i n gm o d e ld i a g r a m 由于栅条网形状为扇形结构且近似为梯形结构，在强度计算中按“等面积法 把扇 形折算成矩形，在四周固定的矩形平板计算中正方形平板在承载情况下是最为危险的结 构，因此最终将扇形平板简化为正方形平板计算，见如上示意图。根据机械设计手册 表1 7 2 可以查出c 3 的取值，当a b = l 时，c 3 = 0 0 1 3 8 。已知：根据施工设计图，栅条网 的高度h = 6 5 m m ，在考虑到平板下有加强筋的作用时，假设近似的平板有效厚度6 = 6 0 m m ，且测得栅条网面积a = 8 1 9 7 8 5 m m 2 ，由此可以求出正方形边长 a - b = j = 9 0 5 4 m m ，均布载荷q = 7 5 0 9 8 1 1 2 = 8 8 2 9n m 2 ，由平板的弯曲计算公式( 四周 固定) ： l 鸹毒罟 ( 2 _ 计算可得1 8 m m 。 但在实际的栅板结构中，栅条网的形状为扇形结构且四周固定，因此该结构的刚度 和稳定性应要好于上述计算结果。 2 3 格栅和丝网支撑结构的吸附塔栅板 2 3 1 栅板的结构形式 其结构简图如下所示： 第二章吸附剂格设计自* 算 图2 7 格栅布置图 f i g2 7g r i d1 a y o u t 荨乏尘篙二崔 j 鸶耄一篓 j i 兰歹遗。匿涵 一一，i 壑 板z 、2 一 图2 _ 8 格栅局部图 f i g2 - 8l o c a lm a pg r i d 量鼋 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 2 3 2 栅板在吸附塔中功能及作用 栅板是吸附塔中最为重要的组成部件，它在吸附塔中起支撑白土和收集、再分配液 态物料的作用。因此它的结构好坏还将直接影响到吸附塔吸附对二甲苯的工艺操作和最 终的产品质量要求。栅板由支承板、封板、分配管、分配盒、丝网、盲板、导液板等组 成。 由图示可以看出，该栅板结构紧凑、可靠，强度和刚度均能满足装置的要求，既能 收集物料也能对物料进行均匀地分配，同时还能很好地保护栅板上下表面的白土。 栅板结构由支承板、封板以及中间的盲板、导液板、格栅支撑和上下表面的丝网等 焊接形成一个完整的框架，这种结构设计很好地保证了栅板的强度和刚度。同时该栅板 的结构还采用了“等面积法进行设计和分块，主要表现在沿分配管和分配盒位置分为 左右面积相等的两部分，这种设计的好处在于尽可能地满足操作中塔内各处物料的流动 均匀、匀速，以便床层上下两处的白土在吸附操作中尽可能地同时、均匀地操作，进而 在解吸操作中亦尽可能地同时、均匀地操作。 格栅支撑是由一系列的筋板组焊而成的条形网状结构，它焊接在支承板和封板上， 主要起支撑上部丝网和白土的作用，同时还起到控制上部丝网的水平度的作用。因此该 结构的可靠性将直接关系到栅板最终的强度和刚度及设备的工艺操作问题，是栅板不可 缺少的组成部件。 粗细丝网主要用于栅板操作时对物料的收集和分配。粗丝网还起到支撑和保护细丝 网的作用。在栅板的正面，若不设置该层粗丝网，则细丝网将直接铺设在格栅支撑上， 在装填白土时，由于格栅中相邻的筋板存在较大的间距且受上部白土自身的重力作用将 使细丝网在格栅表面产生较大的变形，这将不利于物料的均匀收集，更有可能会破坏细 丝网，因此必须设置该层粗丝网。反之在栅板的背面，若不设置该层粗丝网，则在装填 白土时，由于白土与栅板紧密接触且背面导液板的间距较大将使细丝网产生较大的变 形，这将不利于物料的均匀分配，因此也必须设置该层粗丝网。细丝网在操作过程中主 要起到使物料在栅板上下表面均匀地、匀速地进行收集和分配，同时还能防止白土进入 栅板内堵塞通道和自土受不同流速的冲蚀，且栅板背面的粗丝网还起n - 次分配物料的 效果，再不用加装筛板来进行二次分配物料。再者，在保证了物料在栅板上下表面均匀 地、匀速地进行收集和分配的同时，也就进步保证了白土在吸附和解吸操作中能地同 时、均匀地操作。 第二章吸附剂格栅的设计和计算 盲板上下表面的结构均采用了“阶梯式 设计，具体是沿分配盒向左右两端盲板 逐级升高，其目的：在吸附操作中，首先是盲板上表面的阶梯更易于收集物料，在操作 中物料从上部白土经丝网渗入栅板内，由于栅板两端的液位沿径向逐级高于其余各处的 液位，这使物料在自身重力作用下自动形成了由栅板两端向中间分配盒两边的间隙处流 动；其次是盲板下表面阶梯更易于物料的均匀分配，在操作中由上部收集和分配管进入 的物料经分配盒两边的间隙处流向栅板下部，由于间隙处的液位沿栅板径向逐级高于其 余各处的液位，这使物料在自身重力作用下自动形成了由栅板中间向两端流动的趋势， 进而保证了物料在栅板上下表面均匀地、匀速地进行收集和分配。反之，在解吸操作中 栅板的工作原理亦如此。 在栅板内设置导液板的作用在于：首先，导液板有支撑和保护丝网的作用，在装填 白土时由于自土与丝网紧密接触，导液板起到了支撑和保护丝网不产生变形的作用；其 次，导液板还有导液、引流的作用，导液板的设置沿栅板呈扇形分布，由“牛顿粘性定 律 可知，流体的流动现象呈现出：当流体沿固体壁面流过时，同一截面上各点的流速 是不相等的。流体在两平板间的流动，呈现出越靠近中间流速越快而越靠近两平板处流 速越慢，为了尽可能地消除或减小这种流速的不均匀性给整个栅板内物料流速的不均匀 性影响，在同一截面内近似等距离设置导液板，从而使栅板内物料流速在同一截面内尽 可能地相等，以此可保证物料在栅板内进行均匀地、匀速地进行收集和分配。 2 3 3 流体通过丝网的流速计算 假定物料通过丝网的速度为匀速，则，根据机械能衡算式一柏努利方程： 由于吸附塔内流体是不可压缩的，即： z , + v 2 。2 9 + p 。昭+ 忽= z ：+ p j p g + h ， ( 2 1 2 ) 式中岁液位高度，m ； ，液位高度，ms “进塔物料体积流量，m s ； y ，出塔物料体积流量，叫s ； 口进塔物料压力， m p a ； 1 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 p ：出塔物料压力，m p a ； 办。一外加功，w ； 办，塔内流体能量损失，w ； p 介质密度，k g m 3 ： g 重力加速度，m $ 2 。 在进塔物料的体积流量、外加功h e 、塔内流体能量损失h f 已知的前提下可以求 得流体在塔内和栅板内的流速。 2 3 4 栅板内格栅的强度计算 栅板的强度( 或刚度) 主要集中体现在格栅支撑的强度( 或刚度) ，若格栅支撑的强度 ( 或刚度) 能满足操作要求，则可视为栅板的强度( 或刚度) 符合要求。下面主要对格栅支 撑进行强度( 或刚度) 的校核。 ( 1 ) 格栅筋板的截面惯性矩计算 根据栅板结构，格栅的布置及筋板受力方向为垂直于栅板上表面，因此格栅的截面 惯性矩为i x ，由公式： ，：丛( 2 1 3 ) ，= 一 二一 一 1 2 可求出该截面的惯性矩。格栅的断面图见右图。 ( 2 ) 强度计算 由栅板结构简图可知，格栅与栅板四周的支承板和封板焊接在一起，在吸附塔中栅 板所承受的载荷主要来自上层白土的重力。具体表现为：白土的重力经过丝网均匀地加 载在格栅上，而格栅承载后最危险的位置应在它的形心所在位置。根据实际施工设计图， 测得格栅的形心点位于离栅板大端径向距离8 6 0 r a m 处。分解格栅后，我们可以假设， 在该形心所在位置有一块横向筋板和一块纵向筋板处于最危险状态，而该位置处纵向筋 板长度为4 3 5 m m ，横向筋板长度为2 3 3 0 m m ，现分别计算该两筋板在受力情况下的挠度： 第二章吸附剂格栅的设计和计算 一 - i y x s x ji 一 h o y c y _ 图2 9 格栅计算模型 f i g2 - 9g r i dc o m p u t i n gm o d e l 已知：白土密度：p = 7 5 0 k g m 3 ，装填高度：h = 1 2 0 0 m m ，相邻横向筋板的间距为 h = 1 0 0 m m ，横向筋板宽度a = 5 m m ，高度b = 1 0 m m ，纵向筋板宽度a = 5 m m ，高度b = 2 0 m m ， 格栅支撑所在扇形面积a = 8 1 9 7 8 3 3 m m 2 。 2 3 2 1 、纵向筋板的强度计算： 在该扇形面积内堆积的白土重量为： m = a * h * p ( 2 1 4 ) 计算可得白土重量为7 3 7 8 ( k g ) 。 而该扇形面积内纵向筋板的总长度约为l = 4 1 0 0 m m ，该部分白土重力均匀加载在纵 向筋板上的载荷为l q = m * g l ( 2 1 5 ) 计算可得载荷为1 7 6 5 3 ( n r a m ) 。 而分解后的纵向筋板可以假设为两端固支的简支梁，截面惯性矩 ，：丛 ( 2 1 6 ) 1 2 由计算可得l = 3 3 3 3 3 3 m m 4 。 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 石嘲= 面q p 可 ( 2 - 1 7 ) 由计算可得石一0 2 3 5 m m ( 3 ) 横向筋板的强度计算： 分解后的横向筋板也可假设为两端固支的简支梁，截面惯性矩 ，：丛( 2 1 8 ) ，= 一 l 一 4 1 2 由计算可得t = 4 1 6 6 7 m m 4 由于在该计算纵向筋板下有5 根横向筋板，由纵向筋板加载于横向筋板的载荷对其 下某一根筋条而言表现为集中载荷 p = q * i 5 ( 2 1 9 ) 由计算可得集中载荷1 5 3 6 n 。 该横向筋板长l = 2 3 3 0 m m ，a t = 2 3 3 0 8 6 0 = 1 4 7 0 m m ， 五一= 面2 p 幸面a , 3 而b , 3 b = 8 6 0 m m ，由计算公式： ( 2 - 2 0 ) 由计算可得 一8 5 1 4 5 m m 通过上述计算可以看出纵向筋板在该格栅支撑中起主要的支撑作用。而在实际结构 中，格栅上部的粗丝网本身也具有一定的强度和刚度，在与横向筋板共同的支撑和保护 下，格栅在实际操作中受白土产生的挠度要小于上面纵向筋板的计算挠度。也就是说， 本栅板在实际的工艺操作中完全能满足设备的强度( 或刚度) 的要求。 2 4 两种不同吸附剂栅板的比较 ( 1 ) 两种不同支撑、不同分布结构的吸附塔栅板的区别： 通过上述对两种不同支撑、分布栅板结构的分析，可以得出其结构共同点是具有相 同的结构设计基础，两种栅板均有控制物料在栅板内进行均匀地、匀速地进行收集和分 配，从而使床层上下两层的白土在吸附、解吸操作中尽可能地同时、均匀地操作，以此 来满足吸附塔的工艺操作和产品质量要求。另外栅板的外形、内部流体通道、以及收集 分配用的分配盒、盲板、导液板的布置等均完全相同。 两种吸附塔栅板结构的区别在于：栅板的支撑、分布结构不一样。前者的支撑、分 1 9 第二章吸附剂格栅的设计和计算 布结构是- l e o 特殊的条状栅条网，这种栅条网在栅板在栅板中既起支撑吸附剂的作用又 起收集和再分配物料流体的作用。而后者的支撑、分布结构是格栅加丝网( 粗细2 层丝 网) ，此格栅的作用主要起支撑吸附剂的作用，丝网主要起收集和再分配物料流体的作 用。 ( 2 ) 两种不同支撑、分布结构的吸附塔栅板的优缺点： 前者的优点是栅条网集支撑吸附剂、收集和再分配物料流体的作用于一身，而且在 栅板制造、加工栅板时，更容易控制栅板上下表面的水平度，安装栅条网时方便、快捷、 连接可靠。缺点是栅条网的强度和刚度不是很可靠，栅板在操作中栅条网在塔内温度上 升及吸附剂、持液量重力作用下易变形，导致吸附剂颗粒进入栅板内部堵塞