塔设备设计说明书

1塔设备设计说明书概述塔设备的设计和选型是建立在对循环吸收工段、精制工段流程的模拟、优化的基础上。在满足工艺要求的条件下，考虑设备的固定投资费用和操作费用，进行进一步模拟计算、设计和选型。设计主要包括工艺参数设计、基本参数设计和机械设计。工艺参数设计对该塔的生产能力、分离效果、物料和能量等操作参数作了设计；基本参数设计部分完成了塔设备的选型、填料的选型和参数设计塔板负荷性能校核等内容的设计；机械工程设计部分设计内容为塔设备的材质壁厚、封头、开口和支座地基等，同时对塔的机械性能做了校核。我们完成了对全厂2座塔设备的工艺参数设计、基本参数设计和机械设计，并选取其中最有代表性的二氧化碳吸收塔给出了详细的计算和选型说明。详细的设备装配图见工艺设计施工图。烟道气吸收塔设计说明书第1部分概要烟道气吸收塔是吸收的关键设备之一，其作用是贫液吸收烟道气中的二氧化碳，从而达到使二氧化碳从烟道气中分离的目的。塔的吸收能力直接影响到二氧化碳的回收率。吸收塔的设计应符合一下塔设备的基本要求：1生产能力大，即气液处理量大；2分离效率高，即气液相能充分接触；3适应能力及操作弹性大，即对各种物料性质的适应性强并且在负荷波动时能维持操作稳定，保持较高的分离效率；4流体流动阻力小，即气相通过每层塔板或单位高度填料层的压降小；5结构简单可靠，材料耗用量少，制造安装容易，以降低设备投资；设计说明书包括工艺参数设计、基本结构设计和机械工程设计三部分。工2艺参数设计对该塔的生产能力、吸收效果、物料和能量等操作参数作了设计；基本参数设计部分完成了塔设备的选型、填料的选型和参数设计、塔板负荷性能校核等内容的设计；机械工程设计部分设计内容为塔设备的材质壁厚、封头、开口和支座地基等，同时对塔的机械性能做了校核。第2部分工艺参数设计2.1生产能力项目年产十万吨二氧化碳，根据物料横算，气体进料量为7119.88kg/h，液体进料量为294619kg/h，塔顶物流量为54990.8kg/h，塔底物流量为309748Kg/h。2.2吸收要求二氧化碳的吸收率%7.99。2.3操作参数第3部分基本结构设计3.1设备选型3.1.1塔设备选型气液传质分离用得最多的为塔式设备。它可以分为板式塔和填料塔两大类。板式塔和填料塔均可用作蒸馏、吸收等气液传质过程，但两者各有优缺点，要根据具体情况进行选择。(1)填料塔和板式塔的比较：1填料塔是连续式的气液传质设备，两相间呈连续逆流接触并进行传质和传热，气液两相组分的浓度沿塔高呈连续变化；板式塔中气液两相间逐层逆流接触进行传质和传热，气液两相组分的浓度沿塔高呈阶梯式变化；2板式塔处理能力较大；填料塔的处理能力相对较小，塔径小于1米时，使用填料塔较合适，塔径较大时，填料塔容易产生偏流问题，影像传质；3板式塔和填料塔的压力降都不大，填料塔的压降要小于板式塔；4两种塔的操作弹性相当。当气液相流量在一定范围内波动时，仍能保持正常操作和具有较高的传质效率；5板式塔结构简单，设备成本较高，便于制造、安装和维修；填料塔设备成本较高，填料结构复杂，不适合处理污浊、含尘、含有固体颗粒及易结垢物料；6填料塔的分离效果好于板式塔，当分离要求较高时，填料塔较为合适，高腐蚀性的物料精馏，宜选填料塔。(2)体系特点：1处理量大，单套装置年产二氧化碳10万吨，处理的烟道气中还含有大部分的N2,H2O,O2.吸收的贫液含有大量的水，物流量大。2物料吸收二氧化碳后带有较强的腐蚀性。操作压力（bar）理论塔板数操作温度加料位置进料物流量2847塔顶和塔底233分离要求高，要求回收99.7%的二氧化碳。(3)塔设备选型根据体系的特点，另外考虑设备的制造、投资和维修，吸收塔选用颗粒型填料塔。3.1.2填料的选择汽液两相在填料表面进行逆流接触，填料不仅提供了汽液两相接触的传质表面，而且促使汽液两相分散，并使液膜不断更新。填料性能可由下列三方面予以评价。（1）比表面积a填料应具有尽可能多的表面积以提供液体铺展，形成较多的汽液接触界面。单位填充体积所具有的填料表面为比表面积a,单位为m2/m3。对同种填料，小尺寸填料具有较大的比表面积，但填料过小不但造价高而且气体流动的阻力大。（2）空隙率ε在填料塔内气体是在填料间的空隙内通过的。流体通过颗粒层的阻力与空隙率ε密切相关。为减少流体的流动阻力，提高填料塔的允许气速，填料层应有尽可能大的空隙率。对于各向同性的填料层，空隙率等于填料塔德自由截面百分率。（3）填料的几何形状虽然填料的形状目前难以定量表达，但比表面积、空隙率大致接近而形状不同的两种填料在流体力学与传质性能上可由显著的区别。形状理想的填料为汽液两相提供了合适的通道，气体流动的压降低，通量大，且液流易于铺展成液膜，液膜的表面更新迅速。因此，新型填料的开发主要是改进填料的形状。(1)填料的种类常用的填料有散装和规整填料两大类，前者可以在塔内乱堆，也可以整砌。（1）拉西环拉西环是于1914年最早使用的人造填料。它是一段高度和外径相等的短管，可用陶瓷和金属制造。拉西环形状简单，制造容易，其流体力学和传质方面的特性比较清楚，曾得到极为广泛的应用。但是，大量的工业实践表明，拉西环由于高径比太大，堆积是相邻之间容易形成线接触、填料层的均匀性较差。因此，拉西环填料层中的液体存在着严重的壁流和沟流现象。目前，拉西环填料在工业上应用日趋减少。（2）鲍尔环鲍尔环是在拉西环的基础上发展起来的，是近期具有代表性的一种填料。鲍尔环的构造是在拉西环的壁上沿周向冲出一层或两层长方形小4孔，但小孔的母材不脱离圆环，而是将其向内弯向环的中心。鲍尔环这种构造提高了环内空间和环内表面的有效利用程度，使气体流动阻力大为降低，因而对真空操作尤为适用。鲍尔环上的两层方孔是错开的，在堆积时即使相邻填料形成线接触，也不会阻碍汽液两相的流动，不致产生严重的偏流和沟流现象。因此，采用鲍尔环填料，床层一般无需分段。鲍尔环是近年来国内外一致公认的性能优良的填料，其应用越来越广，鲍尔环可用陶瓷、金属或塑料制造。改进鲍尔环的的结构与鲍尔环相似。环壁上交错开设了两层截面的矩形小窗。每个小窗切出上下两片叶片从两端分别弯向环内。这样它的叶片数比鲍尔环多了一倍并交错分布在四个平面上。因此改良鲍尔环的综合性能优于鲍尔环。（3）矩鞍型填料矩鞍环填料又称英特洛克斯鞍（Intaloxsaddle）。这种填料结构不对称，填料两面大小不等，堆积不会重叠，填料层的均匀性大为提高。矩鞍形填料的气体流动阻力小，处理能力大，各方面的性能虽不及鲍尔环，仍不失为一种性能优良的填料。矩鞍形填料的制造比鲍尔环方便。5改良矩鞍填料（superIntaloxsaddle）改进矩鞍填料是矩鞍填料的改进型其扇形面边缘呈齿形，还设置了两个内外表面的中间空，并改用两条筋来加强填料，由于结构上做了几处改革，使改进矩鞍填料增加了空隙率及表面积，并能加剧流体湍流，使传质效能提高。（4）阶梯环填料阶梯环填料的构造与鲍尔环相似，壁环上开有长方形孔，环内有两层交错45度的式自行翅片，阶梯环比鲍尔环短，高度通常只有直径的一半。阶梯环的一端制成喇叭口形状，因此，在填料层中填料之间呈多点接触，床层均匀且空隙率大。与鲍尔环相比，气体流动自己可降低25%左右，生产能力可提高10%。6（5）网体填料上述集中填料都是实体材料制成的。此外，还有一类以金属网或多孔金属片为基本材料制成的填料，通称为网体填料。网体填料也可以制成不同形状，如θ网和鞍形网等，网体填料的特点是网材薄，填料尺寸小，比表面积和空隙率都很大，液体均布能力强。因此，网体填料的气体阻力小，传质效率高。但是，这种填料的造价过高，在大型的工业生产中难以应用。（6）规整填料是将金属丝网或多孔板压制成波纹状并叠成圆筒形整块放入塔内。对大直径的塔，可分块拼成圆筒形砌入塔内。这种填料不但空隙率高、压降低，而且液体按预分布器设定的途径流下，只要液体的初始分布均匀，全塔填料层内的液体分布良好，克服了大塔的放大效应，传质性能高。但填料造价高，易被杂物堵塞且难以清洗。目前丝网波纹和板波纹填料已较广泛地应用于分离要求高的精馏塔中。7（3）填料的选型二氧化碳的吸收过程，吸收要求高，持液量大，且吸收剂吸收二氧化碳后有较大的腐蚀性，进过比较各种填料的综合性能，我们选用金属矩鞍环填料。填料的基本性质如下：吸收塔的设计混胺溶液富集CO2工艺计算烟气量20212.08m3/h吸收塔操作温度34.45～48℃吸收液（MDEA溶液）浓度：30%吸收塔：填料塔烟气成分成分CO2N2H2OO2含量12.56%73.96%7.85%5.63%吸收塔设计确定塔的操作条件为：温度40℃压力2atmMDEA浓度30%设计时按此条件计算吸收剂量的确定y1=0.1256y2=y1(1-η)=0.0003768公称直径直径×高壁×厚D×H×δmm堆积个数nm-3堆积密度rpKg/m3比表面积m2/m3空隙率εm2/m3干填料因子a/εm-1DN5050×29×0.511310141790.982838Y1=y1/(1-y1)=0.1436Y2=y2/(1-y2)=0.0003769查得《气体净化》30%的MDEA的比重：γL=1.0223《气体净化》，运动粘度：γ=2.548cstMDEA的分子量为119.2，则30%的溶液的粘度是：μL=γρL=2.548×1.0223=2.6cp质量浓度：1022.3×0.3=306.69Kg/m3摩尔浓度：306.69/119.2=2.57mol/l入塔烟气的密度是：ρG=2.4Kg/m3烟气的摩尔流量：Gv=2307.8Kmol/h质量流量：WL=67992.72kg/h惰性气体流量：G'=2307.8×（1-0.1256）=2017.94Kmol/hMDEA的溶液量为：L=240000Kg/hX1=0.024塔径及压力降而Wl==240000Kg/hWV==67992.72kg/hμL=γρL=2.548×1.0223=2.6cpEckert通用关联图横坐标为171.03.10224.272.679922400005.05.0LVVLWW查埃克特通用关联图得1.02.02LLVgu9smguLVFLF/06.26.24.2978.0833.102281.91.01.02.02.0对于一般的空塔气速取u=（0.6～0.8）uf，而MDEA溶液容易起泡，可取0.5或更低；u=0.5×2.06=1.03m/s烟气的流量：smWVVV/87.74.2360072.6799236003所需塔径为mmuVDS312003.114.387.744圆整为3200mm并且塔径大于填料环径的20～30倍，填料的预先选择是可取的。smDVU/98.0)4/(2空塔气速在一般的填料塔的气速的（0.2～1m/s）范围内。0228.06.23.10224.281.983978.097.02.022.02LLVgu10查压降的通用关联图得每米的填料压降为0.2KPa/m填料.mOmmHp/4.202填料合适mOmmHp/502填料，本设计是满足条件的。润湿率Lw=L/a=（240000/1022.3）/(79×π/4×3.22)=0.37m3/(m•h)这一结果大于最小润湿率0.08m3/(m•h)，这个结果是可靠的。填料层的高度dhyyaPKdYGGM)(dYPYKYhyyG121KGa随液体中CO2的浓度而变，故沿塔高改变的比较大，不能视为常数在常压下，温度为30～70℃.、MDEA的浓度1.75～4.28kmol/m3条件下，采用下式计算KG：5.02)1(2AmLCOGCkDHK式中KG─吸收传质系数，kmol/(m2•s•MPa)；AmC─MDEA在水中的初始浓度，kmol/m3；HCO2─溶解度系数；2211lgIkIkHHgg其中，)/e