3-典型设备设计说明书

山东无棣热电厂24MW抽凝机组含硫废气深度脱硫及资源化利用项目 典型设备设计说明书山东无棣热电厂24MW抽凝机组含硫废气深度脱硫及资源化利用项目典型设备设计说明书浙江大学追化工的人团队队员：吴益昆 杜乔昆 高扬 杨吉祥 马玉龙 指导老师：胡晓萍 目录第一章 塔设备设计说明书11.1 塔设备选型设计依据11.2 塔设备作用说明11.3 塔设备类型选择21.4塔设备设计说明（以T0101为例）21.4.1 T0101操作条件21.4.2 T0101填料选择41.4.3 T0101塔径确定51.4.4 T0101塔高确定81.4.5 T0101液体分布器选型及设计计算141.4.6 T0101气体分布器的选型及设计171.4.7 T0101机理计算说明191.4.8 T0101内亚硫酸钠氧化副反应计算231.4.9 T0101结构设计241.4.10 T0101强度校核结果401.4.11 T0101设备条件图581.5 塔设备选型设计一览59第二章 反应器设计说明书602.1 反应器设计目标602.2 环丁烯砜合成反应器设计（R0301-R0304）602.2.1反应器设计条件602.2.2反应器具体形式选择632.2.3反应器压降计算682.2.4反应器壁厚计算692.2.5反应器接管计算712.2.6 环丁烯砜合成反应器设计小结722.2.7 环丁烯砜合成反应器设备条件图732.3 环丁烯砜加氢反应器设计（R0401）742.3.1 反应器形式确定742.3.2 反应器设计条件752.3.3 搅拌釜详细设计772.3.4 搅拌釜强度校核892.3.5 混合及换热设备设计992.3.6 环丁烯砜加氢反应器设计小结1012.3.7 环丁烯砜加氢反应器设备条件图1032.4 反应器选型设计一览104第三章 换热器的选型设计1053.1 换热器的选型设计依据1053.2 换热器类型简介1053.3 换热器的选用原则1073.3.1基本要求1073.3.2 介质流程1083.3.3 终端温差1083.3.4 流速选择1083.3.5 压力降1093.3.6 传热膜系数1093.3.7 污垢系数1103.3.8 换热管1103.4 换热器型号的表示方法1113.5 换热器的选型软件1113.6 选型范例（以E0506为例）1123.6.1 工艺参数确定1123.6.2 EDR数据输入1133.6.3 换热器结构形式确定1143.6.4 详细尺寸1173.6.5 换热器机械强度校核1183.6.6 换热器设计和校验小结1383.6.7 E0506设备条件图1393.9 换热器设备选型一览表139第四章 气液分离器选型1424.1 设计依据1424.2 气液分离器分类1424.3 设计目标1424.4 设计过程（以V0201为例）1424.4.1 气液分离器工艺参数1424.4.2 类型选择1434.4.3 尺寸设计1434.4.4 气液分离器设计小结1494.5气液分离器选型一览表149第五章 泵选型1515.1 泵类型和特点1515.2 泵选型原则1525.3 泵选型结果154第六章 压缩机选型1576.1 压缩机分类1576.2 压缩机适用范围1586.3 压缩机选型1586.3.1 压缩机工艺参数1586.3.2 压缩机选型一览表159第七章 储罐、回流罐、缓冲罐选型1607.1 选型依据1607.2 储罐类型1607.3 储罐系列1607.4 储罐选型1627.4.1 磷酸盐溶液储罐1627.4.2 烧碱溶液储罐1627.4.3 丁二烯储罐1637.4.4 环丁砜储罐1647.5 储罐选型一览表1657.6 回流罐选型1657.6.1 氮气精馏塔回流罐V03011657.6.2 环丁砜精馏塔回流罐V04051657.7 回流罐选型一览表1667.8 缓冲罐选型1667.8.1 氢气缓冲罐V04041667.8.2 混合气缓冲罐V0403A/B1677.8.3管网出口氢气缓冲罐1677.9 缓冲罐选型一览表167第八章 振荡流换热器设计说明书168追化工的人第一章 塔设备设计说明书1.1 塔设备选型设计依据化工设备设计全书塔设备固定式压力容器 GB 150-2011设备及管道保温设计导则 GB 8175-2008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 20853-2011工艺系统工程设计技术规范 HG/T 20570-1995塔顶吊柱 HG/T 21639-2005常压人孔 HG 21515-20141.2 塔设备作用说明塔设备是石油、化工、医药、轻工等生产中的重要设备之一，在塔设备内可进行气液或液液两相间的充分接触，实施相间传质，因此在生产过程中常用塔设备进行精馏、吸收、解吸、气体的增湿及冷却等单元操作过程。在本项目中，共有十二个塔设备,如表1-1所示。表1-1 塔设备一览表序号塔设备位号塔设备名称1T0101尾气吸收塔2T0301氮气气提塔3T0302氮气精馏塔4T0401环丁砜精馏塔5T0303A/B分子筛脱水吸附塔6T0402A/B/C/D/E/F变压吸附塔1.3 塔设备类型选择塔器按其结构可以分为两大类：板式塔和填料塔。板式塔的研究起步较早，其流体力学和传质模型比较成熟，数据可靠。尽管与填料塔相比效率较低，通量较小，压降较高、持液量较大，但由于结构简单、造价较低、适应性强、易于放大等特点，因而在70年代以前的很长一段时间里，塔板的开发研究一直处于领先地位。然而70年代初期出现的世界性能源危机迫使填料塔技术的得到长足的进展。由于性能优良的新型填料相继问世，特别是规整填料及新型塔内件的不断开发应用，使得填料塔逐步取代板式塔。因此，本项目塔设备均采用填料塔。板式塔与填料塔的对比如表1-2所示：表1-2 板式塔和填料塔比较项目板式塔填料塔（散装填料）填料塔（规整填料）压力降一般比填料塔大稍小，较适用于要求压力降小的场合更小空塔气速因子比散装填料塔大稍小，但新型散装填料也可比板式塔高些较前两者大塔效率效率稳定，大塔较小塔有所提高塔直径1500mm以下效率高，塔径增大，效率下降较前两者高，无放大效应液气比适应范围较大对液体喷淋量有要求范围较大持液量较大较小较小材质要求一般用金属材料制作可用非金属耐腐蚀材料适应各类材料安装维修较容易较困难适中造价直径大时一般比填料塔造价低直径800mm以下，一般比板式塔便宜，直径增大，造价增大较板式塔高质量较小大适中1.4塔设备设计说明（以T0101为例）1.4.1 T0101操作条件T0101，既是吸收塔，也是本工艺所要求的重要反应器之一，因此以其设计计算作为塔设备设计范例非常具有代表性。T0101为含硫尾气吸收塔，由于是采用缓冲溶液Na2HPO4-NaH2PO4进行吸收，在塔内发生二氧化硫溶解并重新建立酸碱平衡的过程，整个过程是一个传质与反应耦合的过程，因此这是一个化学吸收塔，应当考虑其中化学反应对吸收的影响，这一点在之后的T0101的机理计算部分中会有具体计算说明。通过ASPEN模拟和优化，得到T0101进出口流股信息如表1-3所示。表1-3 T0101进出口流股信息进出口进口出口流股号0101010401020103流股信息待处理烟气吸收贫液排空尾气吸收富液PhaseVaporLiquidVaporLiquidMole FlowKMOL/HR10021610.935810063.81558.1129Mass FlowKG/HR28682812911.5328713812601.84Volume FlowCUM/HR21003310.3823826929810.4535TemperatureC5544.0673349.0560856.94595PressureBAR1.31.3511.3Vapor Fraction1010Liquid Fraction0101Solid Fraction0000Molar EnthalpyKCAL/MOL-14.741-75.7346-14.9529-77.7162Mass EnthalpyKCAL/KG-515.012-3583.54-524.078-3441.91Enthalpy FlowGCAL/HR-147.72-46.269-150.483-43.3744Molar EntropyCAL/MOL-K0.687927-38.14541.024432-37.703Mass EntropyCAL/GM-K0.024034-1.804930.035905-1.6698Molar DensityKMOL/CUM0.04771258.843520.0373753.39007Mass DensityKG/CUM1.3656351243.61.0662451205.514Average Molecular Weight28.6227321.1340228.5317522.57937Component Mass FlowSO2KG/HR641.99340.0001840.543390.260947N2KG/HR2161010.0003042161010.06288O2KG/HR9780.1290.0006299779.9910.084283CO2KG/HR41367.880.00070341367.260.466218H2OKG/HR18937.719929.68719889.698797.343H3O+KG/HR00.00018900.001525Na+KG/HR0866.05550866.055H2SO4KG/HR02.63E-191.11E-161.57E-16H3PO4KG/HR00.0061051.79E-150.216124HSO4-KG/HR00.00029600.005393H2PO4-KG/HR0618.857301694.425HCO3-KG/HR00.00490300.228669HSO3-KG/HR09.1025160732.6979CO32-KG/HR01.20E-0505.04E-05SO32-KG/HR042.598830129.0534SO42-KG/HR059.98224060.30384HPO42- KG/HR01385.1210320.6322PO43-KG/HR00.11514300.002119OH-KG/HR06.70E-0507.75E-06Component Mass FractionSO20.0022381.43E-081.89E-062.07E-05N20.7534152.35E-080.7526024.99E-06O20.0340984.87E-080.034066.69E-06CO20.1442255.45E-080.1440683.70E-05H2O0.0660250.7690560.0692690.6981H3O+01.47E-0801.21E-07NA+00.06707600.068724H2SO402.03E-233.86E-221.24E-20H3PO404.73E-076.22E-211.72E-05HSO4-02.29E-0804.28E-07H2PO4-00.04793100.134459HCO3-03.80E-0701.81E-05HSO3-00.00070500.058142CO32-09.26E-1004.00E-09SO32-00.00329900.010241SO42-00.00464600.004785HPO42-00.10727800.025443PO43-08.92E-0601.68E-07OH-05.19E-0906.15E-101.4.2 T0101填料选择对于T0101，考虑到处理气量很大，且液气比较小，因此选用规整填料塔。填料则选择使用性能优良的诺顿波纹板规整填料（Norton Intalox structured packing），规格分别为2T和3T。这种填料的其喷淋密度要求是0.2m3/(m2h)，而在T0101中，喷淋密度为（1-1）故符合要求。而其余类型的规整填料及散装填料都无法容忍这么小的喷淋密度。为保证传质效果，选用该填料。1.4.3 T0101塔径确定塔径的确定应当根据液气处理量，保证塔的操作条件既不会达到液泛，也有较好的传质性能。传统的计算塔径的方法，是根据液泛气速的经验关联式，算出泛点气速，再取一定的系数得出操作气速，从而算出塔径。但是我们所选用的填料工业应用时间较短，因此传统的经验公式对该填料的适应性存疑。因此需要采用更加完善的方法对塔径进行估算，我们采用的是ASPEN Radfrac模块中的Packing Sizing功能。首先，完全使用2T填料来取代10个理论板，据文献取HETP为1m。设置如图1-1所示：图1-1 2T填料Packing Sizing 设置则运行结果为：图1-2 2T填料Packing Sizing结果图1-3 2T填料Packing Sizing 剖形结果然后，如果采用3T填料来取代10个理论板，据文献设HETP为1m，设置如图1-4所示，图1-4 2T填料Packing Sizing 设置则运行结果为：图1-5 2T填料Packing Sizing结果图1-6 2T填料Packing Sizing剖形结果不难看出不论是采用2T还是3T填料都能够有良好的操作性能，塔径为5.2m时，两种填料均较为合适。但为了降低塔径、更好进行附件选型，将塔径定为5m。1.4.4 T0101塔高确定同时观察两种填料模拟结果，不难发现，前4块理论板的容量因子与后6块板的相差较大。因此在缩小塔径时，可能会存在容量因子过大情况。同时对于规整填料塔，每隔4-6m就需要设置液体再分布装置，当HETP为1m时，实际需要分成两个填料段。因此将前4块编制为一个塔段，后6块编制为另一个塔段。填料分布情况如图1-7到1-10所示。图1-7 T0101填料分布设置-1图1-8 3T填料尺寸图1-9 T0101填料分布设置-2图1-10 2T填料尺寸由于塔内既存在传质过程又有反应过程，因此采用速率控制来模拟计算塔的分离效果。使用速率级代替平衡级来进行吸收塔吸收效果的模拟，是在对塔吸收机理充分理解的基础上做出的决定。与采用平衡级相比，速率级充分考虑到了化学反应对传质过程的增强效果，模拟结果更加合理。则T0101总体设定如下，为保证吸收效果，塔板数设定为10块。图1-11 T0101速率级设置图（一）并且在两个填料层速率级设定中，气膜侧设置为膜控制，液膜侧则设置为含有反应的膜控制。图1-12 T0101速率级设置图（二）由于酸碱反应速率很快，相较于传质过程，化学反应可以认为是快速的，因此认为整个传质过程由物理传质步骤控制。因而在液相中，可认为始终处于平衡状态，将液相中的反应直接假定为平衡是可行的，于是将塔内的反应设置为全局设定的反应集GLOBAL。图1-13 T0101速率级设置图（三）GLOBAL中是对整个体系化学反应的设定，包括电离平衡、水解平衡、成盐平衡和解离平衡。ASPEN同时提供了相应的平衡常数。图1-14 T0101速率级设置图（四）至于停留时间，根据Aspen模拟出的液相流速以及每层理论板的填料高度，可以得到每层填料的动态持液量。输入结果如下。图1-15 T0101速率级设置图（五）通过速率级模拟，最终模拟结果表明，T0101具有良好吸收效果，能够使尾气中二氧化硫含量达到要求。下图分别是气相和液相物质的量组成在整个塔中的分布，由此可以看出T0101的吸收效果是随着塔板数量逐渐变化。图1-16 T0101各理论板气体模拟组成图1-17 T0101各理论板液体模拟组成而各个位置的容量因子也都在在0.6-0.7之间，且相差不大，说明处于填料的良好操作区间之内，符合要求。压降和持液量也不大，进一步表明操作状态良好。图1-18 T0101填料性能图（一）图1-19 T0101填料性能图（二） 模拟结果表明，选择直径为0.5m的塔（5m高度3T填料+4.8m高度2T填料）是合理的，此时填料共有两段，分别为5m和4.8m。但是整个塔的高度，除了填料高度之外，还有气体分布器、液体分布器、液体再分布器、填料支撑板、填料压板、丝网除沫器等内构件。根据所选的内构件尺寸及安装要求，画出T0101的装配图，最终确定塔直筒段为14500mm，另外配有标准EHA椭圆封头，以及具有4800mm总高的裙座。1.4.5 T0101液体分布器选型及设计计算填料塔能否发挥优良的水力学和传质性能，除了与填料直接相关之外，还与一些必要的附件有关。附件主要包括液体分布装置及再分布装置、填料支撑板、气体进口分布装置及除沫装置等。液体分布器对填料塔的性能影响很大，若液体分布器设计不当，液体在填料表面不能散布均匀，甚至出现沟流现象，会严重降低填料表面的有效利用率，使有效传质面积减小，传质效果恶化。因此，填料塔必须要有良好的液体分布装置，能做到液体预分布良好，并且不易堵塞，结构简单，制造维修方便。液体分布装置一般安装在距填料层顶平面150-300mm处，以提供足够的液体喷射空间和气体自由流动空间。塔内可以设置一个或多个液体分布器。为使液体初始分布更加均匀，设计中应合理增加单位塔截面积上的喷淋点数。不过，喷淋点数不应过多，否则一定的液体流量由于喷淋点过多，造成每个喷淋点的液流量太小，反而难以保证分配均匀。对于直径大于1m的塔，可按照（5D）2来进行设置。液体分布器种类较多，工业上常用的有两大类。（1）压力型压力分布器，有莲蓬头式液体分布器，多孔单直管式液体分布器、多孔直列排管式液体分布器。（2）重力型液体分布器，有单管式液体分布器、多孔型直列排管式液体分布器、带升气管盘式筛孔液体分布器、堰槽式液体分布器。不同类型的液体分布器，使用情况不同。莲蓬头式适用于DN600mm的小塔，而多孔直列排管式液体分布器效果不佳难以达到要求。重力型分布器，则以槽盘式和槽式最为常见。区别在于槽盘式具有盖有挡板的升气管，而安装槽式分布器则气体经由分布槽间缝隙流通。表1-4 各类型液体分布器性能比较管式孔流型喷淋型盘式孔流型板式孔流型盘式溢流型槽式溢流型液流动力压力压力重力重力重力重力分布质量中低-中高高低-中低-中处理量0.25-2.5广广广广广适用塔径0.45m任意通常0.6m通常0.6m易堵塞程度高高中中低低气体阻力低低高低高低对水平度要求无无中中高高腐蚀影响高高高高低低受液面波动影响无无中中高高液体夹带高高低低低低自重低低高中高中对于T0101，待分布液体为磷酸氢二钠/磷酸二氢钠缓冲溶液，具有一定的腐蚀性，对设备的防腐要求很高。因此应选用腐蚀影响较小的分布器，同时考虑到分布液量较小，液沫夹带对塔的影响很大，因此采用槽式溢流型分布器。槽式溢流型分布器可分为两种，当塔径较小，对分布效果要求不高时，采用一级槽式分布器即可，而对于塔径大于3米，且液流量较小时，为了保证液体分布效果，可采用二级槽式分布器，其示意图如下：图1-20 二级液体槽式分布器示意图槽式分布器的分布效果，主要与分流孔和布液孔的直径有很大关系。对于重力型液体分布器输液能力计算，重力型液体分布器布液的动力为液体位头。T0101采用的是筛孔型液体分布器，其布液能力计算式为：（1-2）式中：d0筛孔直径； n筛孔数； 筛孔流量系数，0.6-0.8； g重力加速度，9.81m3/s； H筛孔上面的液体位头，m； VL输液量，m3/s。对于所选填料诺顿波纹板填料而言，其布液孔密度至少为100孔/m2。因此 （1-3）而液体位头不能少于30mm，所以取H=30mm进行计算。对于处于强烈湍流的孔流而言，筛孔流量系数可取为0.7。（1-4）从而算得d0=0.00189m，取整为2mm。经检验，处于孔流湍流条件成立。因此应保证布液孔密度为100/m2；孔径为0.002m，保证安装位差小于3cm。至于具体的强度设计，则可以依靠具体厂家完成，在此不赘述。由于液体在填料上具有趋壁效应，因此在经过一段填料之后，需要进行液体的再分布，这需要将液体收集器与液体再分布器配合使用。液体收集器的作用，是将经过一定高度填料从而变得不均匀的液体聚集，从而和之后的液体分布器配合，实现液体再分布效果。由于T0101采用的是规整填料，液体趋壁效应不明显，因而不用考虑采用对趋壁液体有强收集效果的锥桶型及花式液体收集器。同时考虑到液体再分布器也和液体分布器一样，是槽式液体分布器，液体再分布器中间有一个布液槽，因此选择采用斜板型液体再分布器中的双流斜板型。图1-21 双流式液体收集器示意图斜板型液体收集器兼有收集液体、均布气流、促进混合、减少气液相互夹带等多项功能，它的气流通道大，占塔截面积比例常超过90%，压降很低，一般小于20Pa，是一类性能优良、用途广泛的液体收集器。1.4.6 T0101气体分布器的选型及设计气体分布器对填料高性能的发挥有着重要影响，特别是对于精密规整填料，气体分布器选择不当会使填料的分离效果大打折扣。常见的气体分布器包括多孔直管式、直管档板式、单切向号角式、单切向环流式、双切向环流式、双列叶片式等。 多孔直管式气体分布器是目前减压塔中最常使用的一种。进气管延伸至塔体中央，管下方开设长条孔，管口向下，气流由管口进入于开孔处向下喷，并折流向上。基于此种结构，使塔壁处的风速比较高，进气管上方有一漩涡，中心处的风速向下。沿进气管长度的各孔处风速增大，因管段封闭，使得此处的孔速最大，气液两相分布相似。因此，气液两相大部分集中于管端部喷出，可能形成大量的雾沫夹带，导致气液分布不均，局部孔速过高，使得阻力很大。直管挡板式气体分布器于直管中增加方向向下的弧形挡板，以便减少冲击。直管挡板式分布器的速度流场分布与多孔直管式相似，然而液相在进口管处下落最多，阻力与液沫夹带量较多孔直管式大为减少。切向号角式也是常见的结构型式，特别是运用在减压塔中，其进气口管沿切向进入塔内，管口有一个向下倾斜的号角形状的导流罩，如图所示。气液相混合物以高速切向进入进气口逐渐扩大的喇叭管，沿塔壁向下旋转至塔底再折流而上，塔中央有一个向下的气旋。由于离心力的作用，使得雾沫夹带率为零，且阻力很小，并且在液量很小时可能出现负值，而在塔底有大量液体旋转，当喇叭管倾角不适时，还可能导致液面上移至进气口，引发全塔震动。单切向环流式气体分布器最初是由国外研发的气体分布器。此分布器中存在一个环形通道，是由内筒和塔壁所形成，上面封顶，内部设置多层弧形导流板。高速气流由切向进入环形流道后，依次被弧形叶片导流向下，由于塔底反射的原因，使得气流折流向上，与液相分离。在此过程中，中心处气相速度较高，液相由于离心力的作用沿塔壁流下，使得雾沫夹带量几乎为零，阻力大为减小，液沫夹带量少，但是入口管中高速两相流的阻力仍然较大。双切向环流式气体分布器，是由清华大学在美国 Glitsch 公司的单切向环流式气体分布器的基础上，开发出的一种面对称、导流式、环流型进气初始分布器，本分布器主要由锥形进气管口、环形导流档板、内套筒部分、环形封板部分、轴向导流板等部件组成，此分布器在研究中多次改进，结构得到多次优化，径向进料，进气管处的导流挡板使气相气流分为两股，分别进去环形导流区域内，经过弧形导流向下，再折流向上。此分布器气相速度分布较均匀，阻力较小，液沫夹带量少，是一种综合性能优良的气体分布器。T0101采用的气体分布器就是采用这种双切向环流式分布器，其结构如下。图1-22 双切环流气体分布器结构示意图根据研究，影响分布器性能的主要因素有：塔壁与内筒的距离、内筒高度、挡板高度、挡板数和内筒的偏心距。根据文献可得出：各结构参数中，对分布器性能影响最大的是塔壁与内筒的距离，其适宜值为0.042D（D为塔内径）。在内筒下沿低于进气管下沿的情况下，随着内筒高度的增加，气体不均匀度逐渐减小，P 逐渐增加。从模拟结果知，适宜的内筒高度为1.67d（d为进气管直径）；第一挡板高度接近或超过进气管中心线后，气体不均匀度随挡板高度的变化不再明显，而压降则迅速增加。第一挡板为0.5d时，分布器性能较好；过多的挡板并不能有效地改善分布器的分布性能，反而会增加分布器的压降，较适宜的档板数为 7；对于偏心内筒分布器，内筒偏向进气口侧时，有利于气体的均布，但是分布器压降较大，不适宜采用。由于塔内径为5m，进气管内径为1.6m，所以选择塔壁与内筒的距离为0.21m，内筒高度为2.8m，第一挡板高度为0.8m，挡板数为7，且各挡板高度呈等差分布。1.4.7 T0101机理计算说明含硫尾气吸收塔T0101为化学吸收塔，吸收液为Na2HPO4-NaH2PO4缓冲溶液。文献 Schultes M. Absorption of Sulphur Dioxide with Sodium Hydroxide Solution in Packed ColumnsJ. Chemical Engineering & Technology, 1998, 21(2):201-209.报道了一种利用氢氧化钠溶液吸收二氧化硫的过程。其吸收过程如下：（1） （2） （3） （4） （5） （6） （7） （8） 由该文献得到结论：过程（2）与过程（3）是化学反应过程，其他过程为离子平衡过程，可以瞬间完成。而利用磷酸盐缓冲体系吸收二氧化硫本质上是利用缓冲体系的OH-对二氧化硫进行吸收，因此该文献中所得出结论，对于塔T0101吸收体系依旧适用。其吸收过程如下所示，同样认为，过程（2）与过程（3）是化学反应过程，其他过程为离子平衡过程，可以瞬间完成。（1） （2） （3） （4） （5） （6） （7） k2和k3分别是反应2和反应3的化学速率常数，k2单位为/s，k3单位为m3/(kmols)。该文献对其实验数据进行拟合，得出了两者的关联式，分别为： （1-5） （1-6） T单位为K，本项目吸收体系中温度为55左右，即328K，则计算得（1-7）对于一个气液反应过程，。传统上通常以八田数Ha来对化学反应类型进行分类。 （1-8）上式中，k为一级反应以液相浓度为基准的反应速率常数，单位为m3/(mols)；DLA为气相反应物A在液相中的扩散系数，单位为m2/s；kLA为气相反应物A在液相中的传质系数，单位为m/s。由于有两个反应同时控制反应部分的速率，且不难看出这两个反应为平行反应，因此需要对原单反应体系的Ha进行相应的修正。由于反应（2）中反应物H2O为大量，因此可以看成是一级反应。而反应（3）反应速率与SO2和OH-均有关，是一个二级反应。对此情况，以Ha2代替原Ha对化学反应相对于传质过程相对快慢程度进行评价。（1-9）利用改进恩田公式，对传质系数进行估计：（1-10） （1-11）而二氧化硫在液相中的扩散系数，则用Wilke-Chang公式进行估计： （1-12）图1-23 T0101流股信息表上式中，aw为润湿比表面积，ac为填料比表面积，两者单位均为m2/m3。c为填料材质的表面张力值，对于钢为75mN/m即0.075N/m；L为液相表面张力，单位为N/m；UL为液相通量，单位kg/(m2s)；L为液相粘度，单位Pas；L为液相密度kg/m3；g为重力加速度9.81m/s2。其中ML为液相的平均摩尔质量单位为g/mol，SO2.M为二氧化硫的沸点分子体积，单位为cm3/mol，最终算得DL,SO2单位为cm2/s。将图1-23中的物性数据代入，其中流股0105为进入吸收塔液体，流股0103为流出吸收塔液体，按平均计算物性。所选填料比表面积ac为22m2/m3，从而有：（1-13）从而算得aW为41.75m2/m3。 （1-14） （1-15）将（1-16）代入变形的八田数计算公式中。同时由于OH-离子浓度越小，则化学反应对传递过程增强效果越差，为计算整个吸收过程中化学反应对传质过程的最小增强效果，取出口液相中OH-的浓度进行计算。算得： （1-17） （1-18）据朱炳辰主编的化学反应工程所述：（1）当Ha0.02时，反应全部在液相主体中进行，为非常缓慢慢反应情况。（2）当0.02Ha0.3时，为慢反应。（3）当0.3Ha3时，可认为反应在液膜内进行的瞬间反应及快速反应情况因而为该反应为快速或瞬间反应过程。整个传质过程由物理传质步骤控制，因而在液相中，可认为始终处于平衡状态，于是将液相中的反应直接设定为平衡反应是可行的。综上，T0101为传质控制，适用rate-based +平衡反应模型。1.4.8 T0101内亚硫酸钠氧化副反应计算亚硫酸钠溶液在有氧气存在情况下容易被氧化，因此在吸收时需要考虑亚硫酸钠溶液氧化造成的杂质影响。因此在模拟过程中，依照亚硫酸钠氧化动力学，在T0101之后附加一个转化率反应器，来模拟亚硫酸钠溶液氧化造成的成分改变。应当说明，利用一个转化率反应器来模拟亚硫酸钠溶液氧化结果，与真正在塔内直接模拟氧化结果会有差别。一方面，这是因为采用动力学来进行氧化生成的硫酸钠物质的量计算时，使用的是在没有氧化反应情况下的各理论板位置亚硫酸钠浓度。另一方面，这是因为在计算氧化反应速率时，采用的是取有限元计算后相加的方法，而实际应当采用微分积分法。但是，这两方面的不同导致的误差，当氧化反应导致的亚硫酸钠改变量很少，同时取的有限元足够多时，是可以忽略的。根据亚硫酸钠氧化实验的结果，可以将氧化反应的速率方程归纳为： （1-19）式中：r氧化反应速率kmol/(m3h)T温度 K亚硫酸根离子浓度 kmol/m3将T=328.15K代入，得 （1-20）表1-5 亚硫酸根氧化计算数据表液相kmol/hrSO32-摩尔分率n（SO32-)kmol/h液体流量cum/hrc(SO32-)kmol/cum动态持液量cum停留时间氧化生成SO42-kmol/cum氧化生成SO42-kmol/h601.478.79E-040.5310.240.0620.101035.651.97E-052.01E-04597.759.01E-040.5410.170.0530.101035.702.02E-052.06E-04594.059.53E-040.5710.110.0560.100035.752.14E-052.16E-04590.001.04E-030.6410.040.0640.099935.812.44E-052.45E-04585.771.37E-030.809.980.0600.068824.802.13E-052.13E-04580.801.96E-031.159.930.1160.068524.833.07E-053.05E-04574.913.01E-031.739.920.1740.068424.834.63E-054.55E-04568.443.89E-032.2110.020.2210.068924.745.84E-055.86E-04562.443.65E-032.0710.250.2020.069924.555.30E-055.43E-04558.122.92E-031.6310.440.1550.070024.404.08E-054.26E-04合计3.40E-03因而氧化生成的硫酸钠物质的量为： （1-21）从而将T0101之后的转化率反应器设置为：图1-24 T0101氧化副反应器设置1.4.9 T0101结构设计T0101的设计，参照了JB/4710-2005钢制塔式容器、SH/T3098-2111石油化工塔器设计规范、GB/T25198-2010压力容器封头标准、HG/T21618-1998丝网除沫器标准、HG/T21639-2005塔顶吊柱等标准。对塔的设计温度、设计压力、采用的材料进行了确定。在此基础上，利用内压容器壁厚计算公式，对塔体壁厚、封头壁厚进行初步估算并利用SW6对估得的壁厚进行校核，从而最终确定需要的塔壁厚和封头厚度。之后根据文献选取裙座的材料和厚度，以及螺栓材料和型号，同样对这些数据进行SW6强度校核。1.4.9.1 筒体厚度及封头厚度设计塔作为压力容器的一种，应当根据GB150-2011对压力容器操作压力、设计压力、操作温度、设计温度的定义和计算方法，对T0101的设计温度和设计压力进行确定。压力容器操作压力指压力容器顶部气相压力，对于T0101而言，为1.3bar。由于塔顶装有安全阀，而安全阀的整定压力为正常操作压力的1.05-1.1倍，设计压力应高于或等于安全阀的整定压力。因此取设计压力为： =1.43bar（1-22）整个体系的操作温度在55，设计温度要比操作温度高15-30，取设计温度为85。体系中含有磷酸盐，因此需要在选用材料上考虑对于磷酸盐的耐蚀性。最终采用工业特别是石油化工上广泛应用的S31608来作为T0101的材料。其具有良好的耐酸碱能力，对于磷酸盐的耐蚀性也能够保证，S31608在该温度下的腐蚀速率为0.1mm/a，以设计寿命20年计，取腐蚀余量C2为2mm。部分探伤，故取焊缝系数为0.85。圆筒计算厚度： （1-23）式中：Pc为计算压力，在液柱低时可认为与设计压力P近似相等；Di为筒体内径5m；为材料在设计温度下许用应力，为137MPa；为0.85；从而为（1-24）作为不锈钢热压钢板，在如此小的厚度下，取壁厚负偏差C1为0.6mm，因此 （1-25）向上圆整则名义厚度为6mm。封头计算厚度： （1-26）式中：Pc为计算压力，对于上封头可认为与设计压力P近似相等；Di为筒体内径5m；为材料在设计温度下许用应力，为137MPa；为0.85。从而为：（1-27）则（1-28）向上圆整则名义厚度为9mm。下封头同理则算得名义厚度为10mm。为工业焊接方便，并考虑接管补强，取筒体、上封头、下封头壁厚均为20mm。设置如图：图1-25 SW6筒体设置图1-26 SW6上封头设计图1-27 SW6下封头设计则SW6计算结果为：图1-28 SW6上封头及筒体核算结果图1-29 SW6下封头核算结果三者应力校核均合格，意味着选择的钢板厚度能够满足应力要求。1.4.9.2 裙座设计在筒体厚度、上下封头厚度确定之后，对裙座进行设计。裙座虽然是一个非标准件，但GB4710-2005钢制塔器标准里提供了裙座各部分的推荐尺寸。至于裙座厚度，虽有计算公式，但太过繁杂，且需要不断进行尝试，因此不采用这种方法进行设计。由于裙座与下封头相焊接，不妨以下封头厚度20mm作为裙座厚度进行假定。之后代入SW6进行校核即可。按照GB4710-2005钢制塔器标准，在SW6中对裙座设置如下：图1-30 SW6裙座设置（一） 图1-31 SW6 裙座设置（二）公称直径为DN5000的塔，应当使用36个螺栓。由于计算螺栓尺寸的公式也较为繁杂，故从小到大对螺栓尺寸进行尝试。先以 进行校验。其他数据均参考国家标准推荐值：图1-32 SW6裙座设置（三）此时结果为：图1-33 SW6裙座核算结果（一）图1-34 SW6裙座核算结果（二）图1-35 SW6裙座核算结果（三）图1-36 SW6裙座核算结果（四）图1-37 SW6 裙座核算结果（五）可以发现，尽管采用M24如此小的螺栓，塔器也能自身稳定。这是一个自稳的塔设备，因此螺栓只起到固定作用，已经足够。而采用20mm的裙座厚度也能满足要求。1.4.9.3 开孔接管设计由于用来数据采集的开孔一般较小，往往就不进行开孔接管设计。因此仅对四个物料进出口进行计算：含硫尾气进气管：含硫尾气体积流量为210033m3/h，取气体流速为30m/s，则管径为 ,因此采用的钢管。图1-38 SW6 含硫废气进气管设置（一）图1-39 SW6 含硫尾气进气管设置（二）图1-40 SW6 含硫尾气进气管校核结果脱硫尾气出气管：含硫尾气体积流量为269298m3/h，取气体流速为30m/s，则管径为 ,因此采用的钢管。图1-41 SW6 脱硫尾气出气管设置（一）图1-42 SW6 脱硫尾气出气管设置（二）图1-43 SW6 脱硫尾气出气管核算结果（二）吸收贫液管道：液