全国赛文件提交-石油大学北京碣石观沧海团队1设计集4塔设备设计

1、2017 年“东华科技-陕鼓杯”第十一届大学生化工设计竞赛塔设备设计团队名称： 团队成员：叶阳 曾伟 邵青楠 崔怡洲 王奥诚指导老师： 黄星亮 邓春 孟祥海 杜巍 徐建 2017 年 8 月目 录目录1塔设备选择3塔设备选型设计依据3对塔设备的要求3塔类型的选择41.3.1 塔设备简介41.3.2 塔设备选型原则5板式塔及塔板选择8填料塔填料及内件选择11第一章1.11.21.31.41.51.5.11.5.21.5.3填料的选择11内件的选择14文氏棒17板式塔设备设计计算20第二章2.1 T0303 萃取精馏塔设计计算202.1.12.1.22.1.32.1.42.1.52.1.6使用软件

2、列表20塔设备基础数据20塔径的计算22溢流装置的设计计算24浮阀塔板结构参数的确定26塔板结构设计262.2水力学计算272.2.12.2.22.2.32.2.42.2.5塔板降27雾沫夹带量29降液管内液面高度30漏液的检验30降液管液体停留时间302.3塔板的负荷性能图312.3.12.3.22.3.32.3.42.3.52.3.6过量雾沫夹带线31淹塔线31过量泄漏线32降液管超负荷线32液相负荷下限线32单板负荷性能图321 / 87塔设备设计2.4 全塔负荷性能图332.4.12.4.22.4.32.4.42.4.52.4.62.4.72.4.8降液管停留时间33湿板压降34降液管

3、出口液速34泄露35雾沫夹带35液泛36阀孔动能因数36图像结论372.5 Cup-Tower 水力学校核372.5.1 精馏段水力学计算结果372.5.2 提馏段水力学计算结果402.6塔机械工程设计422.6.12.6.22.6.32.6.42.6.5塔高的计算42接管的计算44塔体和封头选材45裙座的设计46塔设备强度校核472.7第三章塔设备 T0303 条件图62填料塔设备设计计算633.1 T0105 硫化氢吸收塔设计633.1.1 使用软件列表633.1.2 塔径的计算633.1.3 Sulcol 水力学校核653.2 T0105 硫化氢吸收塔强度校核683.2.1 钢材选用68

4、3.2.2 塔设备强度校核723.3 塔设备设计一览表852 / 87第一章塔设备选择1.1塔设备选型设计依据表 1-1塔设备设计规范1.2对塔设备的要求作为主要用于传质过程的塔设备，首先必须使气液两相充分接触，以获得较高的传质效率；此外，为了满足工业生产的需要，塔设备还得考虑下类各项要求：（1）生产能力大。在较大的气液流速下，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或者液泛等破坏正常操作的现象。（2）操作稳定弹性大。当塔设备的气液负荷有较大波动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作。并且塔设备应保证在能长期连续操作。（3）流体阻力小，流体通过塔设备的压降小。这将大大节省生产中的动力消耗，以降低操作费

5、用。对于减压蒸馏操作，较大的降还将使系统无法维持必要的真空度。（4）结构简单、耗用材料少，制造与安装容易。这可以减少基建过程当中的投资费用。（5）耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。3 / 87参考标准及文献标准编号或日期化工设备设计全书塔设备2004.01石油化工设备设计便查手册2002.10固定式容器GB 150-2011塔器设计技术规定HG 20652-1998钢制化工容器设计基础规定HG/T 20580-2011塔式容器NB/T 47041-2014塔顶吊柱HG/T 21639-2005不锈钢人、手孔HG 21594-21604建筑抗震设计规范GB 50011-2010钢制塔式容器

6、JB/T 4710-2005塔设备设计1.3 塔类型的选择1.3.1 塔设备简介塔设备的分类可以从不同的角度进行。例如：按操作分为加压塔、常压塔和减压塔；按单元操作分为精馏塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反应塔和干燥塔；按形成相际接触界面的方式分为具有固定相界面的塔和过程中形成相界面的塔；也有按塔釜形式分类的，但是长期以来最常用的分类是按塔的内件结构分为板式塔和填料塔。填料塔以填料作为气液接触元件，气液两相在填料层中逆向连续接触。它具有结构简单、降小、易于用耐腐蚀非金属材料制造等优点，对于气体吸收、真空蒸馏以及处理腐蚀性流体的操作，颇为适用。当塔径增大时，引起气液分布不均、接触不良等，造成效率下降

7、，即称为放大效应。同时，填料塔还有重量大、造价理维修麻烦、填料损耗大等缺点，以致使填料塔在很长时期以来不及板式塔使用广泛。但是随着新型高效填料的出现，流体分布技术的改进，填料塔的效率有所提高，放大效应也在逐步得以解决。板式塔是分级式接触型气液传质设备，种类繁多。板式塔为逐级接触式气液传质设备。在一个圆筒形的壳体内装有若干层按一定间距放置的水平塔板，塔板上开有很多筛孔，每层塔板靠塔壁处设有降液管。气液两相在塔板内进行逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化。板式塔的空塔气速很高，因而生产能力较大，塔板效率稳定，造价低，检修、方便。根据目前国内外实际使用的情况，主要的塔型是泡罩塔、筛板塔、浮阀塔、舌

8、形塔、浮动喷射塔、等等。板式塔与填料塔对比见表 1-2。表 1-2 板式塔与填料塔的对比4 / 87项目填料塔板式塔散堆填料规整填料空塔气速稍小大比散堆填料大压降小更小一般比填料塔大塔效率小塔效率高高，对大直径塔无放大效应较稳定，效率较高1.3.2 塔设备选型原则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。对于真空精馏和常压精馏，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。而对于加压精馏，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

9、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。气膜控制的吸收优先考虑选用高效规整填料塔；液膜控制的吸收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。（一）物料性质对塔设备选择的影响（1）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。（2）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。（3）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

10、选用压力降较小的塔型。如可采用装填规整填料的散堆填料等，当要求真空度较低时，也可用筛板塔和浮阀塔。（4）黏性较大的物系，可以选用大填料，板式塔的传质效率较差。（5）含有悬浮物的物料，应选择液流通道较大的塔型，以板式塔为宜。可选用泡罩塔、浮阀塔、栅板塔、舌形塔和孔径较大的筛板塔等。不宜使用填料。（6）操作过程中有热效应的系统，用板式塔为宜。因塔板上积有液层，可在其中安放换热管，进行有效的加热或冷却。（二）操作条件对塔设备选择的影响5 / 87液气比对液体喷淋量有一定要求范围大适应范围大持液量较小较小较大材质可用非金属耐腐蚀材料适应各类材料金属材料造价小塔较低较板式塔高大直径塔较低安装检修较适中较

11、容易塔设备设计（1）若气相传质阻力大（即气相控制系统。如低黏度液体的蒸馏，空气增湿等），宜采用填料塔，因填料层中气相呈湍流，液相为膜状流。反之，受液相控制的系统（如水洗 CO2），宜采用板式塔，因为板式塔中液相呈湍流，用气相在液层中鼓泡。（2）大的液体负荷，可选用填料塔，若用板式塔时，宜选用气液并流的塔型（如喷射型塔盘）或选用板上液流阻力较小的塔型（如筛板和浮阀）。（3）低的液体负荷，一般不宜采用填料塔。因为填料塔要求一定量的喷淋密度，但网体填料能用于低液体负荷的场合。（4）液气比波动的适应性，板式塔优于填料塔，故当液气比波动较大时宜用板式塔。（三）其他因素对塔设备选择的影响（1）对于多数情况

12、，塔径小于 800mm 时，不宜采用板式塔，宜用填料塔。对于大塔径，对加压或常压操作过程，应优先选用板式塔；对减压操作过程，宜采用新型填料。（2） 一般填料塔比板式塔重。（3） 大塔以板式塔造价较廉。因填料价格约与塔体的容积成正比，板式塔按面积计算的价格，随塔径增大而减小。表 1-3塔型选用顺序表6 / 87考虑因素选择顺序塔径800mm 以下，填料塔大塔径，板式塔具有腐蚀性的物料填料塔穿流式塔筛板塔喷射型塔污浊液体大孔径筛板塔穿流式塔喷射型塔浮阀塔泡罩塔操作弹性浮阀塔本项目装置处理物系具有腐蚀性，且气液相负荷较小，所以优先选用填料塔，以降低设备的腐蚀和更换；对于萃取精馏塔，物系腐蚀性较小，塔

13、较高处理量较大，选用板式塔；对于甲醇洗涤塔，由于需要内置盘管取热，为保证取热效率，选用板式塔为宜。表 1-4塔设备型式7 / 87设备位号设备名称选择类型T0101硫化氢吸收塔 1填料塔T0102MDEA 再生塔 1填料塔T0103硫化氢吸收塔 2填料塔T0104MDEA 再生塔 2填料塔T0105硫化氢吸收塔 3填料塔T0106MDEA 再生塔 3填料塔T0301甲醇洗涤塔板式塔T0302硫化氢汽提塔填料塔T0303萃取精馏塔板式塔T0304精馏塔填料塔T0305甲醇-水精馏塔 1填料塔T0306甲醇-水精馏塔 2填料塔T0401精馏塔填料塔泡罩塔筛板塔真空操作填料塔导向筛板网孔塔板筛板浮阀

14、塔板大液气比多降液管筛板塔填料塔喷射型塔浮阀塔筛板塔存在两液相的场合穿流式塔填料塔塔设备设计1.4 板式塔及塔板选择根据塔板上气、液两相的相对状态，板式塔分为穿流式和溢流式。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。工业上需分离的物料及其操作条件多种多样，为了适应各种不同的操作要求，迄今已开发和使用的塔板类型繁多。这些塔板各有各的特点和使用体系，几种主要塔板的性能比较如下：表 1-5 几种主要塔板的性能比较可以知道，浮阀塔和其他几类塔板相比，具有结构简单、造价低，生产能力大，操作弹性大，塔板效率较高的优点。但是，其缺点是处理易结焦、高粘度的物料时，阀片易与塔板粘结；在操作过

15、程中有时会发生阀片脱落或卡死等现象，使塔板效率和操作弹性下降。尤其是当浮阀因磨损脱落时，会形成大筛孔，造成大量的漏液，影响塔板效率。图 1-1 FSV 浮动筛片阀件结构FSV 浮动筛片塔板由中国洛阳工程公司研制和开发，阀件主要由条形8 / 87塔盘类型优点缺点适用场合泡罩板较成熟、操作稳定结构复杂、造价高、塔板阻力大、处理能力小特别容易堵塞的物系浮阀板效率高、操作范围宽浮阀易脱落分离要求高、负荷变化大筛板结构简单、造价低、塔板效率高易堵塞、操作弹性较小分离要求高、塔板数较多舌型板结构简单、塔板阻力小操作弹性窄、效率低分离要求较低的闪蒸塔浮动喷射板压降小、处理量大浮板易脱落、效率较低分离要求较低

16、的减压塔阀盖、格栅式阀件和浮片组成。阀盖上有一导流孔，与水平方向呈 30°夹角；阀体由格栅围成长条形，两端为半圆形，固在塔板上；浮片上开有长条形和双圆形2 种孔，浮片角耳由阀体侧面窗口伸出,架在塔板上，阀片在格栅内上下浮动。当气流量小时，浮片关闭，塔板开孔率仅为浮片开孔率；而当气流量增大时，浮片上浮又使塔板开孔变为升气孔面积。图 1-2 气体示意图（a）当空塔气速较低时,穿过阀孔的气体不能将浮片顶开，气体与筛孔塔板类似，但气体是通过格栅水平方向喷出，类似于 NEW VST 塔板。此外，有少量气体通过阀盖上的导流孔吹动板上液体定向。（b）当空塔气速增大将浮片托起时，气流穿过塔板开孔和浮

17、片上的开孔.分上下多股气流从水平方向喷出格栅进入液层，少量气体通过阀盖上的导流孔。（c）当气速增大到一程度时，浮片被完全顶开，贴在阀盖上。此时，气体通过塔板开孔分多股水平方向喷出格栅进入液层，仅有少量气体通过阀盖上的导流孔。由于阀件的特殊结构，具有以下优点:格栅开窗有光滑的导向板，气流被格栅分散成多股流，呈流线型喷出阀体，减少了向上的喷射力，还使气流间相互干扰小，从而减少阻力。在浮片未开启时，塔板开孔率仅为浮片的开孔率。浮片浮起后，塔板上的开孔率变为阀件升气孔面积。所以 FSV 阀的开孔率可以靠浮片自动调节，浮片全开与全关状态，开孔率变化约 5 倍。这使得该阀在较大的气速范围内都可保持较高的传

18、质效率。阀体格栅固定在塔板上，而仅是浮片在格栅中浮动。这就克服了 F1 浮阀在较大气速时，阀体在孔中旋转而造成的刮蚀作用。FSV 阀体采取以长轴顺液流方向排列,迎液流方向的格栅不开孔,并且阀盖上设有导流孔。因此，克服了 F1 浮阀沿液流向逆向返混大的缺点，有利于传质9 / 87塔设备设计效率的提高。在相同开孔率下,FSV 阀件个数比 F1 浮阀减少一半，大大减少了安装工作量。图 1-3 操作弹性分析图 1-4 传质效率比较图 1-5 空塔气速和漏液量的关系图 1-6 湿板压降对比通过实验验证，FSV 浮动筛片塔板具有以下几点性能的提高：（1） 相同阀孔气速和液流强度下，FSV 塔板压降比浮阀塔

19、板低 200300Pa。（2） 相同空塔气速下，FSV 塔板的吸收传质效率比浮阀塔板高 10%左右。（3） FSV 塔板的操作弹性比浮阀塔板高 20%。FSV 塔板雾沫夹带上限与浮阀大致相当。（4）FSV 塔板在相同开孔率下，阀体个数减少一半，并且浮片不易锈蚀、磨损，大大减少安装和维修工作量。（5）FSV 塔板可自动调节开孔率，调节范围约 5 倍左右，保证了低气速下维持较高的分离效率。板式塔的塔板选用 FSV 浮动筛片塔板，而设计时仍采用 F1 浮因此，10 / 87阀塔的参数。1.5 填料塔填料及内件选择1.5.1 填料的选择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

20、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，许多研究者还在不断地试图改进填料，填料塔名也以填料名称为依据，如金属鲍尔环塔、波网填料塔。常用的填料还有拉西环填料、鲍尔环填料、矩鞍形填料、阶梯形填料、波纹填料、波网（丝网）填料、螺旋环填料、十字环填料等。填料塔制造方便，结构简单，便于采用耐腐蚀材料，特别适用于塔径较小的情况，使用金属材料省，一次投资较少，塔高相对较低。表 1-6 常用填料的分类与名称填料根据材质分为陶瓷、金属和三大类。（1）陶瓷填料陶瓷填料具有很好的耐腐蚀性及耐热性，陶瓷填料价格便宜，具有很好的表面润湿性能，质脆、易碎是其 最大缺点。

21、在气体吸收、气体洗涤、液体萃取等过程中应用较为普遍。11 / 87填料类型填料名称散装填料环形拉西环形拉西环，环，十字环，内螺旋环开孔环形鲍尔环，改进型鲍尔环，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德洛形，Hyperfil塔设备设计（2）金属填料金属填料可用多种材质制成，选择时主要考虑腐蚀问题。碳钢填料造价低，且具有良好的表面润湿性能，对于无腐蚀或低腐蚀性物系应优先考虑使用

22、；不锈钢填料耐腐蚀性强，一般能耐除 Cl- 以外常见物系的腐蚀，但其造价较高，且表面润湿性能较差，在某些特殊场合（如极低喷淋密度下的减压精馏过程），需对其表面进行处理，才能取得良好的使用效果；钛材、特种合金钢等材质制成的填料造价很高，一般只在某些腐蚀性极强的物系下使用。一般来说，金属填料可制成薄壁结构，它的通量大、气体阻力小，且具有很高的抗冲击性能，能在高温、高压、高冲击强度下使用，应用范围最为广泛。（3）填料填料的材质主要包括聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）及聚氯乙烯（PVC）等，国内一般多采用聚丙烯材质。填料的耐腐蚀性能较好，可耐一般的无机的腐蚀。其耐温性良好，可长期在 100°C

23、 以下使用。酸、碱和填料质轻、价廉，具有良好的韧性，耐冲击、不易碎，可以制成薄壁结构。它的通量大、压降低，多用于吸收、解吸、萃取、除尘等装置中。本项目选用 Sulzer 公司系列填料，由于处理物系具有较强的腐蚀性，硫化氢吸收塔操作温度低于 100，所以拟选用 Mellapak 聚丙烯填料（最高操作温度为 110）；对于 MDEA 再生塔，其操作温度 120，拟采用耐高温耐腐蚀的Kerapak 陶瓷板波纹填料；对于甲醇-水精馏塔，其操作温度 150，同样选择使用 Kerapak 陶瓷板波纹填料精馏塔，其操作温度为-20，使用 Kerapak陶瓷板波纹填料；硫化氢汽提塔，其操作温度 115，使用

24、Kerapak 陶瓷板波纹填料。表 1-7 MELLAPAK 系列技术数据12 / 87Mellapak250.X250.Y170.X170.YSpecific surface area250m2/m3250m2/m3170m2/m3170m2/m3Element height(approx)500mm400mm500mm800mmSurface structuresmoothMaterial thickness0.5 to 2mmMaterialCeramic,plastic,stainless steel本项目使用的 Mellapak 聚丙烯填料，我们选用性能优异的 Mellapak250

25、Y 填料，填料实物图如图 1-7 所示：图 1-7 Mellapak 250Y 聚丙烯填料本项目所选的 Mellapak 250Y 聚丙烯填料，其填料性能如图 1-8（分离效率）、图 1-9（压降性能图）所示：图 1-8 Mellapak 250Y 聚丙烯填料分离效率图 1-9 Mellapak 250Y 聚丙烯填料压降性能图13 / 87塔设备设计本项目所选的 Kerapak 陶瓷板波纹填料，我们选用 Kerapak 250Y 填料，填料实物如图 1-10 所示，性能如表 1-8 所示：图 1-10 Kerapak 250Y 陶瓷填料表 1-8 Kerapak 陶瓷板波纹填料技术参数1.5.

26、2 内件的选择填料塔内件主要有填料支撑装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体收集再分布装置等。合理地选用和设计塔内件，对保证填料塔的正常操作及优良的传质性能十分重要。a.液体分布装置：不良的流体初始分布难以达到填料层的自然流分布，会导致传递效率急剧下降，实践证明，没有良好的液体分布器，填料塔甚至不可能正常操作，新型高效填料的优越性难以发挥。性质优良的液体分布器除了常规的技术经济要求外，还必须满足操作的可行性、分布的均匀性、合适的操作，弹性和足够的气流通道。14 / 87表 1-9液体分布器的性能比较通过对（重力推动）排管式、（推动）排管式、环管式、（圆形升）孔盘式、（矩形升）孔盘式、堰盘式、堰

27、槽式等 7 种通用型典型的液体分布器性能对比，最终选定采用重力型排管式液体分布器。它由进液口、液位管、液体分配器及布液管组成。进液口为漏斗形，内置金属丝网过滤器，以防止固体杂质进入液体分布器。液位管及液体分配管可用圆管或方成。布液管一般由圆成，且底部打孔以将液体分布到填料层上部。对于整体式大塔，可做成可拆卸结构，以便从人孔进入塔中，在塔内安装。这种分布器的最大优点是塔在风载荷作用下产生摆动时，液体溅出。此外，液体管中有一定的液位高度，故安装时水平度误差对从小孔流出的液体有较大的影响，因而可达到较高的分布质量。图 1-11 重力型排管式液体分布器示意图b.液体再分布器：液体再分布器选用组合式液体

28、分布器，组合式液体再分布15 / 87重力管式管式喷洒式槽式孔流槽式溢流盘式孔流盘式溢流分布质量高中低-中高低-中高低-中处理能力m3/(m2h)0.25100.252.5范围较宽范围宽范围宽范围宽范围宽塔径/m任意0.4任意任意，通常 0.6任意，通常 0.61.21.2留堵程度高高中-高中低中低气体阻力低低低低低-高高高对水平度的要求低无无低载荷时高高低载荷时高高腐蚀影响中大大大小大小液相夹带重量低高高低低低低塔设备设计器由集液器与常规液体分布器组合而得，无论是简单的再分布，还是兼有中间加料或出料的再分布，均能达到理想的效果，而且气流通量大，阻力小，很适用于大塔径。液体收集装置选用遮板式液

29、体收集器，上层填料下来的液体落到斜板后沿斜板流入下方的导液槽中，然后进入底部的横向或环形槽。再由集液槽中心管流入再分布器进行液体的混合和再分布。液体收集器需要从人孔装入塔中，因此要做成分体式结构，集液盘三片制成一体，进塔后组装成整体。（3）填料支撑板：格栅式支撑板最适合于规整填料的支撑，一般而言其造价要比气体喷射式低，空隙率也比较大，采用金属材料，其空隙率在 95%97%范围。图 1-12 格栅式支撑板格栅式支撑板是由一定数量栅条平行排列而成，为便于安装和使用，将栅条分组连接拼接成格栅块，再成功安装于支撑面上，块的宽度需小于人孔直径，以便从人孔送入塔内。经计算，仅适用于栅条支撑强度要求，故增设

30、主梁。主梁一般采用工字钢或角钢，当塔直径较大时，梁的型号也随之增大，影响其上面的气体分布和横向混合，因而会降低填料效率。本设备采用了三条工字钢主梁，既满足了强度要求，也满足了气体分布要求，同时合理地利用了塔内空间。（4）填料床层固定装置：对于规整填料的固定，需要结合床层结构特点来设计，我们采用的是波纹板，在填料层顶面垂直于板片方向，设置一定数量的压条来防止填料盘向上松动，压条采用扁钢制作，竖直放置并将其两头固定在塔壁上。这种方法简单、可靠，又几乎不影响气液和分布。16 / 87（5）除沫装置：在塔内操作气速较大时，会出现塔顶雾沫夹带，这不但会造成物料的流失，同时还可能造成环境的污染，为避免这种

31、情况，需要在塔顶设置除沫装置，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。常用的除沫装置有丝网除沫器、折流板除沫器以及旋流板除沫器。本设备采用丝网除沫器，依据的标准为 HG/T 21618-1998。图 1-13 丝网除沫器1.5.3 文氏棒受到大学（北京）孙国刚教授专利“一种双循环文氏棒塔烟气除尘脱硫系统”（CN103908879A）的启发，提出了一种新型文氏棒填料塔，在吸收塔中将文氏棒层与填料层耦合，从而提高整个塔的气液传质效率。将此设备用于MDEA-SF 吸收塔，可进一步提高脱硫率。在传统填料塔中，气液两相仅在填料层中进行传质。若在填料层与液体分布器之间加上两排文丘里

32、棒，在该区域形成一个气液相持的薄层并造成气液湍流接触，无需大幅增加塔高即可进一步提高传质效率。在该区域内，酸性气体流经填料层后 H2S 浓度较低，与液体分布器喷出的新鲜胺液传质效果不佳。在设置文氏棒层后，错位布置的文氏棒形成无数个渐缩渐扩的文丘里效应，酸性气体穿流通过文氏棒层时由于棒层处流通面积小，流速大大提高，使气流的湍动能大大增加，如图 1-14。酸性气与胺液在文氏棒层上进行气液接触反应，文氏棒层提供气液接触的界面，增加气液传质，提高脱硫效率。图 1-14 文氏棒湍流强度17 / 87塔设备设计文氏棒层由一块或多块按设定间距排布的耐腐蚀、有足够机械强度的金属或非金属固体实心棒或空心管排构成

33、，覆盖塔全截面，如图 1-15 所示。该棒文氏棒层至少一层，优选为两层，棒层间距 100300 mm。图 1-15 文氏棒层示意图文氏棒脱硫原理如图 1-16 所示，设置文氏棒层后，在相邻文氏棒之间形成无数个文丘里，当气流通过棒层时，与下落的液滴接触并在棒层上方形成鼓泡传质的层。在层内，液体被高速向上的气流击碎，产生新的传质表面，极大地增加了气液相之间的传质和传热表面，此外，气体通过棒层时，以“液体包围气体”的鼓泡传质过程，提高了传质效率。通过调节文氏棒间距可调节层的高度，棒缝过宽，棒层上存液较小，覆盖不住棒缝，气液两相交替通过棒缝，传质面积不大。棒缝过小，气液湍动剧烈，在竖直方向上会发生严重

34、的逆向混合，雾沫夹带较大，因此棒缝的选择在设计过程中尤为重要。另外，大学(北京)在内进行的文氏棒塔与空塔的压降对比测试表明，增加文氏棒层后，压降增加仅在 100200 Pa，对脱硫塔的操作几乎没有影响，因此达到了高效低阻的脱硫效果。图 1-16 文氏棒层示意图18 / 87在填料塔中将文氏棒“液包气”鼓泡传质与填料层液膜传质相耦合，使填料层上段的气液传质得以强化，增大了传质推动力，提高了脱硫率与操作经济性，具有压降低、气液分布好、传质效率高、操作液气比低和结垢堵塞风险小等优点。装置示意图如图 1-17 所示。图 1-17文氏棒填料塔示意图19 / 87塔设备设计第二章 板式塔设备设计计算2.1

35、 T0303 萃取精馏塔设计计算2.1.1 使用软件列表表 2-1 使用软件列表2.1.2 塔设备基础数据利用 Aspen PlusV8.6 对 T0303 塔添加 Tray Sizing，选用圆形浮阀型塔板。得到水力学参数表后，从中选择流量最大的塔板，作为设计的计算依据。表 2-2 为Aspen Plus V8.6 塔径模拟后的 Tray Sizing Result 数据汇总。表 2-2T0303 Tray Sizing Result由 Aspen Plus 模拟后的 Profiles 中调出 Hydraulics 水力学数据，得知第五块塔板上气液负荷最大，调出其具体数据汇总于下表 2-3

36、中。20 / 87Section starting stage:2Section ending stage:64Column diameter:1.232meterer area/Column area0.100Sideer velocity0.062m/secFlow path length0.847meterSideer width0.193meterSide weir length0.895meter名称用途来源Aspen Plus V8.6分离性能设计Aspen Tech 公司CUP-Tower流体力学设计大学（华东）SW6-2011塔体强度结构设计化工设备设计技术中心站AutoCAD

37、2010精馏塔平面布置图绘制Autodesk 公司表 2-3 Aspen Plus 对 T0303 精馏段的模拟结果T0303 塔设备内介质及组成见表 2-4.表 2-4 T0303 内介质名称及其组成按照设计要求，需要对塔设备进行优化，使塔设备达到更好的操作效果。优化后将数据导入 Aspen Plus，可得到每层塔板的水力学数据及塔设备操作性能数据。由于本塔 T0303 塔板数较多，超过 60 层，故选取 Aspen Plus 中 Tray Rating Result 进行分析，数据见表 2-5。21 / 87介质名称进料组成塔顶组成塔釜组成H2O96.267.54×10-2996

38、.26MDEA4.57×10-107.54×10-294.57×10-10H2S4.75×10-64.75×10-62.18×10-28CO23.69×10-93.69×10-95.18×10-18-HCO31.40×10-1302.18×10-28MDEA+5.45×10-1309.40×10-14CO3-22.72×10-2002.18×10-28HS-1.21×10-901.68×10-17S-22.51×10

39、-2206.32×10-18H3O+5.86×10-901.02×10-8OH-4.65×10-901.02×10-8N2000H2000CO000CH4O120.871.87×10-4120.87COS000C4H8O2S2.09×10-87.54×10-292.09×10-8CH4S58.5558.553.54×10-13DIMET-0117.3816.870.51塔板液相温度/气相温度/液相质量流量 kg/h气相质量流量 kg/h液相体积流量 m3/h气相体积流量m3/h572.2273.

40、6020655.13624519.4626.393221.99液相量气相量液相密度kg/m3气相密度kg/m3液相粘度cP气相粘度 cP液相表面张力dyne/cm59.4958.02782.707.610.210.0117.64塔设备设计表 2-5 T0303 Tray Rating Result由表数据及详细数据可知，对于设计优化后的 T0303 塔，降液管液位高度/ 板间距均在 0.20.5 之间，最大值为 0.301，满足设计要求；降液管停留时间均大于 4 秒，最小值为 4.918 秒，满足设计要求；每块塔板的液泛因子均在 0.60.85区间，最大值为 0.739，满足设计要求。2.1.

41、3 塔径的计算由于带有降液管，所以溢流式的塔板的塔截面实际分为了两个部分，即气体A流通截面和降液管所占截面。若𝐴 为塔板截面积，A为气体流通截面积， 为降f𝑇液管截面积，则：AfATA'AT= 1-若设气体流通截面上的适宜气速为u' ，当塔内处理的气体体积流量为V𝑆，A'= VS / u'22 / 87Section starting stage2Section ending stage64Column diameter1.4meterum flooding factor0.739Minimumer res. ti

42、me4.918secStage5PanelSection pressure drop:0.247atmum backup / Tray spacing0.301Stage5LocationBackup0.135meterum velocity / Design velocity0.813Stage5LocationVelocity0.092m/sec塔板的计算中，通常是以泛点气速𝑢𝑓作为u的上限。一般取：u ' = (0.6 0.85)uf根据索德尔斯和布朗公式：𝜌𝐿 𝜌𝑉𝑢

43、𝑓= 𝐶𝜌𝑉 l 0.2式中C为气体负荷因子，由C = 𝐶()计算,其中的C由史密斯关联图查20200.02取。如图 2-1 所示：图 2-1 史密斯关联图参数的确定：关联图横坐标即气液两相0.50.5𝐿𝑆 𝜌𝐿26.39782.70()=()= 0.083𝑉𝑆 𝜌𝑉3222.07.61塔板间距 HT 的选取与塔高、塔径、物性性质、分离效率、操作弹性以及塔的安装、检修等因素有关。设计时通常

44、根据塔径的大小，由表 2-6 列出的塔板间距的经验数值选取。表 2-6 塔间距参考数值23 / 87塔径D（mm）塔板间距HT（mm）600-7003003504508001000350*45050060012001400350*450500600800*16003000450*50060080033004200600800塔设备设计*不推荐采用通过 Aspen Plus 估算可以塔径为 1.4 米左右，故取板间距𝐻𝑇 = 500𝑚𝑚。一般常压塔取𝐿 = 6080𝑚𝑚，减压塔取

45、19871; = 2030𝑚𝑚，故取板上液层高度𝐿 = 60𝑚𝑚，则液滴沉降高度为𝐻𝑇 𝐿 = 440𝑚𝑚。查出史密斯关联图：得到 C20 为 0.100.2)= 0.098𝜎0.20.018C = 𝐶20 ()= 0.10 (0.020.02泛点气速：𝜌𝐿𝜌𝑉782.70 7.61= 0.098 u = C= 0.99 𝑚/

46、𝑠𝜌7.61𝑉取u = 0.7u = 0.7x0.99 = 0.69m/s，则可求得塔径为： 4 𝑉𝑠4 0.895D = = = 1.29𝑚𝜋 0.69𝜋 𝑢按照标准塔径圆整后，最终确定 T0303 塔径为 1.4m。2.1.4 溢流装置的设计计算（1）板上液流型式的确定T0303 塔径为 1400mm，塔内最大液相流量为 26.39m3/h。则可确定选择塔板流型为单溢流型，详细参考见下表。表 2-7液体负荷与板上流型的关系（2）溢流堰主要24 /

47、87塔径（mm）液体流量（m3/h）U 形流单流型双流型阶梯流型10007 以下45 以下14009 以下70 以下200011 以下90 以下90160300011 以下110 以下110200200300400011 以下110 以下110230230350500011 以下110 以下110250250400600011 以下110 以下110250250450溢流堰主要作用是维持塔板上有一定的液层厚度，并使液体能较均匀地横过塔板，其主要是堰高和堰长。根据经验数据，单流式塔板的堰长一般为塔径的 60%80%，此处取为 60%，可得堰长𝑙𝑤 = 1400 &

48、#215; 0.6 = 840 𝑚𝑚此时对应堰上的最大液流量（液流强度）31.42m3/(m 堰长h)，不超过经验值7087.5 m3/(m 堰长h)，检验合格。对于本例中的加压萃取精馏塔，经验值选取堰高为 4060mm，此处选取堰高𝑤 = 50𝑚𝑚，溢流堰选用平口堰。（3）降液管本精馏塔中采用弓形降液管，根据之前所选的塔径 D 和堰长𝑙𝑤，由化工原理（陈敏恒编制）查弓形降液管的参数，如下图 2-2 所示：图 2-2 弓形降液管相关属性图得到 𝐴𝑑 =

49、 0.51𝑊𝑑 = 0.1𝐴𝑇𝐷降液管𝑊𝑑 = 0.1 × 1400 = 140 𝑚𝑚𝜋面积𝐴𝑑 = 0.051 × 4 × 𝐷 = 0.07851 𝑚 。22（4）受液盘为了避免塔板上出现死角，同时可以缓冲液体流向，更好地使气泡分离，在这里选用凹形受液盘，深度为 50mm。此外，为了停工时能够排尽板上的废液，在受液盘上开有两个10的泪孔， 关

50、于受液盘中心线对称，位置在受液盘中间。25 / 87塔设备设计（5）进口堰本精馏塔中液相流量相对较小，同时选用了凹形受液盘，故不设进口堰。（6）降液管底隙高度对凹形受液盘，选取底隙高度等于盘深，即𝑏 = 50 𝑚𝑚。为降低气泡夹带，液体在降液管内应有足够的停留时间以使气体从液相中分离出，一般要求t 不应小于 35s，而对于高压下操作的塔以及易起泡的物系， 停留时间应更长些，为此，必须进行校核。则液体在降液管的停留时间为：𝐴𝑑𝐻𝑇0.07851 × 0.5 = 5.36

51、19878; 3𝑆𝐿𝑆0.00733由于停留时间t > 3s ，故降液管设合理。2.1.5 浮阀塔板结构参数的确定（1） 浮阀阀型采用 FSV 浮动筛片阀件，阀件形状为条形，浮片形式为长条形，阀心距 70×60mm，阀孔面积 2.015×10-3m2。FSV 浮动筛片阀件在各项性能指标比 F1 型浮阀好或者持平，所以在设计计算中仍采用 F1 型浮阀进行计算。（2） 浮阀排列方式浮阀的排列方式多采用三角形排列，又分顺排和叉排两种。根据我国的标准，浮阀采用叉排的排列方式。对于塔径大于 1000mm 的塔板，常常采用分块式塔板

52、，按等腰三角形排列，其底边固定为 75mm。2.1.6 塔板结构设计a.受液区和降液区：一般这两个区域的面积相等，均可按降液管截面积 Ad计算；b.边缘区：在塔壁边缘留出一定宽度的环形区域供固定塔板用；c.安定区和出口安定区，通常宽度相等；d.有效传质区：余下的塔板上有浮阀孔的区域。于此处考虑，由经验可知：a.塔径 D>900mm，采用分块组装式；26 / 87b. 塔径在 2.5m 以下，边缘宽度取 WC=0.05m；c. 分布区宽度 WF 取 0.05m;d. 根据之前计算可知，降液管宽度为 Wd=0.14m。图 2-3 溢流板区域划分每层塔板上浮阀数目为：𝑉

53、9878;0.895N = 𝜋𝑑= 𝜋= 142.7× 0.0392 × 5.252𝑢0044可取 N=144 个。阀孔动能因数：𝐹0 = 𝑢0𝜌𝑣= 5.25 × 7.61 = 14.4处于 817 范围之内。开孔率：22) = 11.2%𝑑00.039 = N () = 144 × (𝐷处于 515%范围之内。1.42.2 水力学计算2.2.1 塔板降塔板降P由三部分组成，分别为气体流过干塔板

54、的降𝑃𝐶、通过液层的降𝑃𝐿及克服液相表面张力的降𝑃𝜎，一般来说克服液相表面张力的27 / 87塔设备设计降很小，可以忽略不计，于是塔板压降可简化为：P = 𝑃𝐶 + 𝑃𝐿（1）干板降在浮阀排列时得到的阀孔动能因数约为 12，故浮阀处于全开状态。对于 33g F-1 型重阀，全开后的干板压降为：𝑢02𝜌𝑣 = 5.37 ××= 0.014 𝑚⻔

55、8;2 × 𝑔𝜌𝑙（2）液层降忽略塔板上的液面落差，则气体通过液层的降为： = 𝛽(𝑤 + 𝑜𝑤)𝑙其中取充气系数 = 0.6，出口堰高𝑤 = 0.05 𝑚。对于平口堰，堰上液头高为：𝐿= 0.00284𝐸 ()2/3𝑜𝑤𝑙𝑤由图 2-4 读出液流收缩系数为 1.08图 2-4 液流收缩系数图2𝐿3𝑜𝑤 = 0.00284