二氧化硫填料吸收塔设计_毕业设计说明书(编辑修改稿)

二氧化硫填料吸收塔设计_毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

填料的开发，除研究各 种散装和规整填料结构外，还对填料的材质、加工方法、表面特性等进行研究。 规整填料是继散堆填料之后在近 20 余年来发展的高效新型填料，国外有许多品种。 规整填料的应用已成为许多厂分离和净化工序技术改造的热点，成为各厂提高产量、改进分离效果、减少能耗、安全生产和稳定操作的重要技术措施。 规整填料的特点为 :分离效率高。 这种填料可根据需要制造成具有较大的比表面积，因此可提高单位高度的理论板数。 如金属丝网填料每米高的理论板数可达 10 块以上。 通量及操作弹性大。 规整填料允许的气、液通量较大，所以与相同塔径的板式塔相比，其产量一般 可大幅度增加。 同时允许通量在较大的范围内变化。 规整填料本身的弹性比可高达 100，但实际填料塔的弹性比主要受到塔内液体分布器操作弹性的限制。 阻力压降小。 即使在较大负荷下规整填料的压降也是比较小的，这是其显著特点。 放大效应低。 与颗粒填料不同，规整填料用于大型塔时，其效率降低较少。 在规整填料方面，我国也有不少研究成果。 天河北联合大学机械工程学院 2 津大学与英国 Aston 大学联合开发出了以 UnaPak 命名的脉冲规整填料。 天津市天久新技术开发公司开发了高效廉价的板花规整填料。 其 80 型 (比表 线，并自已开发了碳钢渗铝板波纹填料；清华大学和面积 80m2/m3)的传质效率与MelaPak350Y 型 (比 上海化工研究院分别开发了压延板网波纹填料；中表面积350 耐 /m3)相当；天津大学填料塔新技术公 石化洛阳工程公司开发了 LH 型规整填料。 这些成司 1991 年引进了苏尔寿公司的 Melapak 自动生产 果都在工业生产中取得了成功的应用。 规整填料不仅在一般情况下能够提高填料塔的分离效率，节约能耗，且还能适宜于一些特殊情况的应用，如难分离物系、热敏物系以及对压力降较为敏感的真空蒸馏等。 国内在对原有的板式塔实施规整填料技术改造后，已有许多成功的应用实例。 塔 内件的现状和发展趋势 塔内件包括气体分布器、填料支承板、床层限位器、液体分布器、壁流收集分配锥、液体收集器和再分布器等。 其设计、制造及安装都极为重要。 填料塔的分离性能首先取决于填料，其次取决于塔内件等。 所以一座性能良好的大型填料塔，填料本身的高性能固然重要，但与之匹配的塔内件，尤其是液体分布器和气体分布器也是至关重要的。 否则填料的高性能就不可能得以充分发挥，特别是对于大直径、多侧线及浅床层塔器，气液分布是非常重要的，往往是成败的关键。 在新型填料塔技术中，液体分布十分重要，这是因为： (1)不良液体初始分布会导 致分离效率急剧下降， (2)不良的初始分布难以达到填料层的自然流分布， (3)渐型高效填料一般具有较小的径向分布系数。 因此，塔内件的设计，特别是液体分布器和进气结构的设计，成为开发大型填料塔的核心问题。 而流体均布理论和技术又是发展填料塔内件的先导。 目前，对液体的初始分布器和再分布器的研究，相对来说较多，也较为充分和成熟。 现在已发展的形式有，盘式、槽式、排管式、槽盘式、喷嘴式及飞溅式等。 液体从分布器中流出的形式有小孔型、溢流型及喷洒型等。 气体人塔分布装置，对小直径塔来说不太重要，气体容易分布均匀，一般由塔的侧壁直 接进人塔内，通常采用直管或倒置喇叭口式。 对大直径塔 (如大于 2m)，特别当填料高度较低时，气体的分布非常重要。 气体分布不均会造成填料层内气液相分流，使塔的分离效率明显下降。 在大直径填料塔中通常采用的气体分布装置有 :支承式气体分布器、轴径向气体分布器。 目前，随着大型填料塔 (特别是浅填料床层 )的开发使用，气体分布问题逐步受到重视，在简单的进气结构不能满足要求时，出现了塔内增设均布格栅或格栅组来达到目的。 近年为进一步改善塔内气体的分布，提高传质效率，又开发了许多性能优良的气体分布器。 国内在塔内件方面也进行了开发，有 些技术还获得了专利。 如天津天久新技术公司第 1 章 绪 论 3 发明的虹吸式高弹性液体分布器，已获得国家专利。 国外制造厂商以及国内一些单位都各有自己的技术秘密。 工艺流程的现状和发展趋势 高效填料塔技术用于各类工业物系的分离，虽然设计的重点在塔体及塔内件等核心部分，但与之相配套的外部工艺和换热系统应视具体的工程特殊性作相应的改进。 例如在 DMF 回收装置的扩产改造项目中，要求利用原常压塔塔顶蒸汽，工艺上可以在常压塔及新增减压塔之间采用双效蒸馏技术，达到降低能耗、提高产量的双重效果；在硝基氯苯分离项目中；改原“多塔精馏、两端 结晶”工艺为“单塔精馏、一端结晶”流程，并对富间硝基氯苯母液进行精馏分离，获得 99%以上的间硝基氯苯，既提高产品质量，又取得了降低能耗的技术效果。 综合考察各分离过程的优缺点，从工艺流程角度，将高连续、低热效的蒸馏与高选择性、高热效的吸附、膜分离等合为一体，建立复合分离技术是一项全新而有效的节能技术。 该技术尤其适合于难分离物系的分离。 例如燃料级乙醇的生产。 塔板一填料复合塔板 为了使填料塔的设计获得满足分离要求的最佳设计参数 (如理论板数、热负荷等 )和最优操作工况 (如进料位置、回流比等 )，准确地计 算出全塔各处的组分浓度分布 (尤其是腐蚀性组分 )、温度分布、汽液流率分布等，常采用高效填料塔成套分离技术。 而且， 20 世纪 80 年代以来，以“高效填料及塔内件”为主要技术代表的新型填料塔成套分离工程技术在国内受到普遍重视。 由于其具有高效、低阻、大通量等优点，广泛应用于化工、石化、炼油及其它工业部门的各类物系分离。 进人 20 世纪 90 年代，高效填料塔成套分离工程技术开始向行业化、复合化、节能化、大型化方向展，如复合塔。 所谓复合塔 (CompoundTray)是指人们将塔板与填料有机地结合起来而形成的一种新型塔板。 其目的 在于将塔板的优点和填料的优势加以互补。 此种复合塔具有效率高、通量大及压降小的性能。 在国内，复合塔板已在溶剂回收、酒精、丙酮和甲醇精馏中成功应用。 最近，天津大学化学工程研究所开发了另一种新塔板一填料复合塔 (Jet CoflowPaktray)。 该塔板吸收了新型垂直筛板帽罩中气液并流高效混合传质的特点，同时又溶人了规整填料的传质效率高、压降小及通量大的优势，形成了气液混合并流在填料中传质分离的过程。 另外还保留了垂直筛板水平对喷雾沫夹带小的优点。 实验表明河北联合大学机械工程学院 4 该复合塔板与垂直筛板相比，具有效率高、压降小和操作弹性大的 特点，其雾沫夹带与垂直筛板相当。 此项技术已经获得国家专利。 课题来源 塔设备是化工、炼油生产中最重要的设备之一。 根据实际生产的需要，模拟了满足生产需求的设计题目。 吸收在工业生产中的应用 在化工生产中所处理的原料﹑中间产物﹑粗产品等几乎都是混合物，而且大部分是均相混合物，为进一步加工和使用，常需将这些混合物分离为较纯净或几乎纯态的物质。 对于均相物系，要想进行组分间的分离，必须要造成一两个物系，利用原物系中各组分间某种物性的差异，而使其中某个组分（或某些组分）从一相转移到另一相，以达到分离的目的。 物质在相间的转移过程称为物质传递过程。 吸收单元操作是化学工业中常见的传质过程。 气体的吸收在化工生产中主要用来达到以下几种目的 ： (1)有用组分的回收。 例如用硫酸处理焦炉气以回收其中的二氧化硫，用气油处理焦炉气以回收其中的芳烃，用液态烃处理裂解气以回收其中的乙烯、丙烯等。 (2)原料气的净化。 例如用水和碱液脱除合成二氧化硫原料气中的二氧化碳，用丙酮脱除裂解气中的乙炔等。 (3)某些产品的制取。 例如用水吸收二氧化氮以制造硝酸，用水吸收氯化氢以制备盐酸，用水吸收甲醛以制备福尔马林溶液等。 (4)废气的治理。 例如：电厂的锅炉尾气含二氧化硫。 硝酸生产尾气含一氧化氮等有害气体，均须用吸收方法除去。 塔设备概述 塔设备在化工生产中的作用和地位 塔设备是化工、石油化工厂和炼油等生产中最重要的设备之一。 它可使气液或液液两相之间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。 在塔设备中完成的常见的单元操作有：精馏、吸收、解吸和萃取等。 此外，工业气体的回收、气体的湿法净制和干燥以及兼有气液两相传质和传热的增湿、减湿等 [1]。 在化工厂、石油化工厂、炼油厂等中，塔设备的性能对于整个装置的产品产第 1 章 绪 论 5 量和量、生产能力和消耗定 额，以及三废处理和环境保护等各个方面，都有重大的影响。 据有关资料报道，塔设备的投资费用占整个工艺设备投资费用的较大比例；它所耗用的钢材重量在各类工艺设备中也属较多。 因此，塔设备的设计和研究，受到化工、炼油等行业的极大重视。 作为主要用于传质过程的塔设备，首先必须使气（汽）液两相能充分接触，以获得较高的传质效率。 此外，为了满足工业生产的需要，塔设备还得考虑下列各项要求。 (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 荷量有较大的波动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作。 并且塔设备应保证能长期连续操作。 (3)流体流动的阻力小，即流体通过塔设备的压力降小。 这将大大节省生产中的动力消耗，以降低经常操作费用。 (4)结构简单、材料耗用量小、制造和安装容易。 (5)耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。 事实上，对于现有的任何一种塔型，都不可能完全满足上述的所有要求，仅是在某些方面具有独到之处。 人们对于高效率、大生产能力、稳定操作和低压力降的追求，推动着塔设备新结构型式的不断出现和发展。 塔设备选型 填料塔和板 式塔均可以用于蒸馏、吸收、解吸等气液传质过程，所以在塔设备选型时必须综合考虑多方面的因素，如与被处理物料性质、操作条件和塔的加工、维修等方面有关的因素等。 选型时没有绝对的选择标准，而只能参考各项条件。 河北联合大学机械工程学院 6 表 11 填料塔与板式塔比较 在进行填料塔和板式塔选型时，下列情况可考虑优先选用填料塔： （ 1） 在分离程度要求高的情况下，因某些新型填料具有很高的传质效率，故可采用新型填料以降低塔的高度； （ 2） 对于热敏性物料的蒸馏分离，因新型填料的持液量较小，压降小，故可优先选择真空操作下的填料塔； （ 3） 具有腐蚀性的物料，可选用填料塔，因为填料塔可采用非金属 材料，如陶瓷、塑料等； （ 4） 容易发泡的物料，宜选用填料塔，因为填料塔内，气相主要不以气泡形式通过液相，可减少发泡的危险，此外，填料还可使泡沫破碎。 下列情况下，可考虑优先选用板式塔： （ 1） 塔内液体滞液量较大，要求塔德操作负荷变化范围较宽，对进料浓度变化要求不敏感，要求操作易于稳定； （ 2） 液相负荷较小，因为这种情况下填料塔会由于填料表面湿润不充分而降低其分离效率； （ 3） 含固体颗粒，容易结垢，有结晶的物料，因为板式塔可选用液流通道较大，堵塞的危险较小； （ 4） 在操作过程中伴随有放热或需要加热的物料，需要 在塔内设置内部换热组件，如加热盘管，需要多个进料口或多个侧线出料口，这是因为一方面板式项目 填 料 塔 板 式 塔 压降 小尺寸填料，压降较大，而大尺寸填料及规整填料，则压降较小 较大 空塔气速 小尺寸填料气速较小，而大尺寸填料及规整填料则气速可较大 较大 塔效率 传统的填料，效率较低，而新型乱堆及规整填料则塔效率较高 较稳定， 效率较高 液 气比 对液体量有一定要求 较大 持液量 较小 较容易 安装、检修 较难 较大 材质 金属及非金属材料均可 一般用金属材料 造价 新型填料，投资较大 大直径时造价较低 第 1 章 绪 论 7 塔的结构上容易实现，此外，塔板上有较多的滞液量，以便与加热管或冷却管进行有效地传热。 综合考虑以上情况及设计要求，本设计选择填料塔。 填料塔的特点是结构简单、压力降小，可用各种材料的填料，特别是处理易产生泡沫的物料以及用于真空操作，具有独特的优越性。 因此它是石油、化工、轻工生产中广泛使用的传质设备。 近年来由于填料结构的改进，新型高效高负荷填料的开发，既提高了塔的通过能力和分离能力，又保持了压力降小及性能稳定的特点，因此填料 塔已被推广应用到大型气液操作中，而且，在某些场合，还代替了传统的板式塔。 第 2 章 吸收塔的设计方案 8 第 2 章 吸收塔的设计方案 吸收流程选择 在填料吸收塔中，气、液两相可作逆流也可作并流流动，甚至是以其他组合流动方式，以下为几种常见流程 [2]。 (1)并流流程 气液两相均从塔顶流向塔底，此即为并流操作。 特点是不用担心液泛事故发生，故可提高操作气速以增大生产能力，适用于吸收平衡线较平坦、流向对吸收推动力的影响不大时，以及易溶气体吸收过程或吸收率要求不高的场合。 缺点是吸收剂用量特别大，出塔液相中溶质的浓度很低，不利于溶剂的再生循 环，操作成本高。 (2)逆流流程 气相由塔底进入由塔顶排出，液相自塔顶进入塔底排出，此即逆流操作。 逆流操作时，下降至塔底的液体与入塔混合气体接触，有利于提高出塔液体的浓度，减少吸收剂的用量，有利于溶剂再生过程的进行；上升至塔顶的气体与刚刚进塔的新鲜吸收剂接触，有利于降低出塔气体的浓度，提高溶质的吸收率。 因此，工业吸收流程多采用逆流吸收流程。 缺点是向下流。