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1、 1 绪 论1.1 课题来源、目的、意义枝江化肥厂技术改造年生产20万吨的合成氨生产中CO2解吸塔，特此考察该设备相关企业使用情况，调研查阅文献，收集相关资料进行设计。1.1.1 课题来源中国石油化工股份有限公司湖北化肥分公司（以下简称湖北化肥分公司）位于长江中上游结合部、江汉平原西缘湖北省枝江市。东临古城荆州，西接宜昌三峡，近临三峡国际机场，南濒万里长江，北靠宜黄高速公路。铁路专用线与全国铁路联网，产品可通过水路、铁路、公路、航空运往全国各地。区域内资源富集，中国石化川气东送和中国石油西气东输管线直达厂区，有丰富的磷矿资源、卤水资源以及水电资源，可为企业持续发展提供丰富的资源。湖北化肥分公司
2、是中国石化在湖北省内的唯一一家大型化肥生产企业，也是中南地区规模较大的化肥生产企业之一。建厂30多年来，累计生产优质尿素1300多万吨，为农业增效、农民增收作出了较大的贡献，付出了巨大的努力。现有固定资产总值28.7亿元，经过“气代油”、“煤代油”改造，现具备以天然气和煤为原料的两套造气系统，提高了原料路线的适应性，为持续发展打下了坚实的基础，大大提高了企业的抗风险能力和竞争能力；经过扩能改造，上游装置具备年产120万吨合成氨的供气能力，下游装置具备年产33万吨合成氨、56万吨尿素的能力。公用工程配套完善，现有三台总蒸发量700吨/小时的高压煤锅炉和两台25兆瓦的发电机组，为主装置生产提供动力
3、供应。除主导产品合成氨、尿素外，还有氮气、氧气、氩气、硫磺、硫胺等附产品。湖北化肥分公司以“从严、求实、团结、文明、进取”的企业精神，不断创新企业管理，积极推行内控制度、ERP信息化管理、HSE管理体系、全面质量管理等现代化管理手段，同时，坚持“三基”等传统的管理方式。先后荣获“全国五一劳动奖状”、“全国设备管理优秀单位”、“湖北省守合同重信用企业”等300多项省部级以上荣誉。企业通过ISO9001：2008国际质量管理体系认证， “长江牌”尿素先后荣获国家质量银奖、湖北省名牌产品、国家质量免检产品称号及中国产品质量协会授予的“三A”质量等级认证，“长江牌”复合肥连续多年获得“湖北省名牌产品”
4、称号。产品在传统市场具有较强的市场竞争力。每年的安全环保指标达到了中国石化的考核标准，做到了生产与环保同步。为实现企业的科学发展，新一届领导班子提出了“努力建成具有较强市场竞争力的产品多元化化工企业”的战略目标，制定出“三步走”的发展思路。落实科学发展观，改进安全、环保、健康的生产环境，努力实现经济效益和社会效益的同步提升；努力加快企业发展步伐。展望未来，湖北化肥将成为肥化并举，产品多元，结构合理，具有较强竞争力的大型化工企业。合成氨生产源于20世纪初德国哈伯（F.Haber）等人的研究，在中国合成氨生产始于20世纪30年代，在接下来的几十年里发展迅速，70年代以后，随着工业发展，相继从国外引
5、进了大型合成氨装置，我国现已形成了大中小合成氨厂相结合的工业布局。氨是一种重要的含氮化合物，也是一种重要的工业原料，在国民经济中占重要地位。大气中存在大量的氮，在空气中氮占78%（体积分数）以上。但是，如此丰富的氮，通常情况下是以游离状态存在，需要固定下来。目前，固定氮最方便、最普通的方法就是合成氨，也就是直接用氮和氢合成氨，再进一步用于其它工业。合成氨过程所用的原料有很大的不同，但从原料到成品所经历的过程大致相同。基本上分三个步骤：首先，造气，将天然气或其他燃料先制成含氢和含氮的粗原料气；其次， 净化，对粗原料气进行净化处理，除掉氮和氢以外的有害物质，包括灰尘、硫化物、一氧化碳和二氧化碳等；
6、最后，压缩、合成，将符合要求的氮气和氢气压缩到所需的压力，然后进入高压设备合成塔中，在催化剂的作用下合成为氨。在合成氨生产装置中，二氧化碳解吸塔是整个装置中重要的二氧化碳吸收母液再生蒸馏分离设备，也是合成氨生产工业中的不可缺少的设备之一，其性能的好坏影响到整个合成氨生产的效率。1.1.2 课题的目的本设计主要研究合成氨生产过程，并着重于其中的二氧化碳再生工艺、二氧化碳解析塔机械设计、设备防腐措施设计等方面的内容。同时编制该设备的制造工艺流程，塔设备检验、安装、使用、维护。设计结果以设计说明书、设备装配图、制造工艺说明的形式体现。1.1.3 课题的意义本设计需要我综合运用大学四年所学的专业知识，
7、通过对塔的设计计算，熟悉和掌握塔设备设计，把理论知识运用到实际中去，并且为我能熟练操作和应用AutoCAD提供了一个很好的机会。在设计过程中，我们同组的同学充分利用资源，资料共享，培养了我的团队精神，为将来打好基础。1.2 国内外研究现状我国合成氨厂解析技术一直都在发展、进步。这种进步表现在两个方面：其一是解析方法的进步。从60年代的高压水洗到现在的碳丙法、MDEA法、苯菲尔法、NHD法等，解析技术一步步地进步，而能耗也在逐渐降低，解析成本也在降低；其二是解析设备的进步。主要就是改进解析设备脱碳塔和再生塔的结构，即从开始的纯散堆填料老式板管式分布器的填料结构改进成新型填料并使用新式分布器的新式
8、填料塔，这样改造以后塔效率会提高很多。据改造经验看，针对不同的解析方法，改造后增产的幅度是不一样的。其中MDEA法改造后比改造前能提高产量122，碳丙法可提高1 12(注：这里讲的提高的计算基础是原设计院的设计能力)。这样一来解析设备的操作强度就大幅度提高了。合成氨主要用于制造氮肥和复合肥料，氨作为工业原料和氨化饲料，用量约占世界产量的12。硝酸、各种含氮的无机盐及有机中间体、磺胺药、聚氨酯、聚酰胺纤维和丁腈橡胶等都需直接以氨为原料。液氨常用作制冷剂。合成氨的主要原料可分为固体原料、液体原料和气体原料。经过近百年的发展，合成氨技术趋于成熟，形成了一大批各有特色的工艺流程，但都是由三个基本部分组
9、成，即原料气制备过程、净化过程以及氨合成过程。从技术上讲，我国合成氨工业已迈进了世界前列，在生产中能量损耗低、产量高，生产操作高度自动化，生产规模大型化，热能综合利用合理，技术经济指标先进。在原料方面，已从单一煤炭发展到煤粉、天然气、轻油、重油、渣油等多种原料。我国自行研究和制造的各种催化剂，已具备良好的性能。随着工业发展，合成氨工业还将会有更大的发展。根据合成氨技术发展的情况分析,估计未来合成氨的基本生产原理将不会出现原则性的改变,其技术发展将会继续紧密围绕“降低生产成本、提高运行周期,改善经济性”的基本目标,进一步集中在“大型化、低能耗、结构调整、清洁生产、长周期运行”等方面进行技术的研究
10、开发。1.3 合成氨与解吸过程 1.3.1 合成氨简介合成氨工业是基础化学工业的重要组成部分，它的任务是固定大气中游离状态的氮，使之变为氮的化合物氨。游离态氮变为化合态氮后，使用价值大大增加了。液氨、氨水和用氨生产的尿素及各种铵盐都可用作氮肥。氨氧化制得的硝酸可以用来制造硝酸铵，还可以用来分解磷矿制造复合肥料。氮肥对农作物增产的重要作用是众所周知的，在合理施肥的情况下，每斤纯氮能够增产稻谷20斤左右，一座年产6万吨氨厂提供化肥所增产的粮食约可满足250万城市居民全年用粮的需要。因此，发展合成氨工业对提高单位面积收获量促进农业现代化具有十分重大的意义。氨和氨加工产品还是重要的化工原料，不仅基本化
11、学工业中硝酸、纯碱和无机盐等生产要消耗氨，有机化学工业中各种染料中间体、锦纶和腈纶等合成纤维、丁腈橡胶、氨基树脂和塑料、医药、农药及食品冷冻等工业部门同样要消耗氨，采矿和国防工业所需各种类型的炸药以及发射导弹、火箭用的联氨和四氧化二氮等原料也离不开氨。合成氨的工艺流程如图1所示图1 合成氨工艺流程图1.3.2 二氧化碳的再生原理使溶解于液相中的气体释放出来的操作成为解吸（或脱吸）。脱吸是吸收的逆过程，其操作方法是使溶液与惰性气体或蒸汽逆流接触。溶液自塔顶引入，在其下流过程中与自塔底上升的惰性气体或蒸汽相遇，气体溶质逐渐从液相释出，于塔底收取叫纯净的溶剂，而塔顶则得到所释出的溶质组分与惰性气体或
12、蒸汽的混合物。一般来说，应用惰性气体的解吸过程适用与溶剂的回收，不能直接得到纯净的溶质组分；应用蒸汽的脱吸过程，若原溶质组分不溶于水，则可用将塔顶所得混合气体冷凝并有凝液中分离出水层的办法，得到纯净的原溶质组分。适用与吸收操作的设备、吸收理论与计算方法同样适用与解吸操作。尿素合成中碳铵液贮槽来的碳铵液，由解吸泵经自调阀由流量计计量后，进入解吸换热器与从解吸塔底来的解吸废液（温度约）换热后，进入解吸塔上部喷淋至填料层和从解吸塔底部上升的气体传质、传热进行解吸，气体进入解吸冷凝器，用一吸冷却器来的脱盐水冷却，控制解吸冷气相出口温度112，冷却下来的液体进入解吸塔顶部作顶部回流，控制解吸塔顶部温度1
13、20，解吸冷却器的气相通过自调阀控制其压力在0.3左右后送入二循一冷气相进口，出解吸冷凝器的脱盐水经电导仪，由自调阀调节其流量后送至锅炉房，解吸废液经解吸换热器换热后外送，解吸塔液位由LC701控制。解吸塔热量由解吸塔底部加入1.3（绝）蒸汽直接加热，蒸汽加入量根据解吸塔工艺状况由TIC701控制，保证解吸废液0.07。本设计主要研究联碱过程中合成氨部分的净化系统，该系统以前常常用热碳酸钾溶液法(即热钾碱溶液法)脱碳,脱碳的反应式为: 为了使脱碳液重复循环使用,需对脱碳后的溶液用蒸汽进行汽提处理,这就是脱碳液的再生。脱碳液的再生是在再生塔内完成的,反应式为: 。合成氨过程中的二氧化碳再生过程：
14、由变换炉反应产生的变换气分别进入变换气煮沸器,将解吸塔底部温度为100115 的碱液煮沸,变换气被冷却到110120 ,经冷凝分离,变换气进入吸收塔,与塔顶喷淋下来的碱液逆流接触,脱除二氧化碳 ,使二氧化碳含量降到016 %以下,碱洗气去合成车间。塔底富液送入再生塔减压闪蒸再生,闪蒸出的二氧化碳除用于生产尿素外,水蒸汽和部分二氧化碳接到后面联碱的制碱部分。闪蒸后的溶液在再生塔中经气提,进一步释放出二氧化碳达到工艺指标后即为贫液,贫液经泵加压后返回吸收塔循环使用。气提蒸汽来自变换气,或外供蒸汽在再生塔底部溶液煮沸器中加热碱液蒸发产生的蒸汽。二氧化碳的再生原理如图2所示。图2 再生工艺图1.4 解
15、吸塔分类1.4.1 填料塔它由外壳、填料、填料支承、液体分布器、中间支承和再分布器、气体和液体进出口接管等部件组成，塔外壳多采用金属材料，也可用塑料制造。填料是填料塔的核心，它提供了塔内气液两相的接触面，填料与塔的结构决定了塔的性能。填料必须具备较大的比表面，有较高的空隙率、良好的润湿性、耐腐蚀、一定的机械强度、密度小、价格低廉等。常用的填料有拉西环、鲍尔环、弧鞍形和矩鞍形填料，20世纪80年代后开发的新型填料如QH1型扁环填料、八四内弧环、刺猬形填料、金属板状填料、规整板波纹填料、格栅填料等，为先进的填料塔设计提供了基础。填料塔适用于快速和瞬间反应的吸收过程，多用于气体的净化。该塔结构简单，
16、易于用耐腐蚀材料制作，气液接触面积大，接触时间长，气量变化时塔的适应性强，塔阻力小，压力损失为300700Pa，与板式塔相比处理风量小，空塔气速通常为0512m/s，气速过大会形成液泛，喷淋密度68m3/(m2h)以保证填料润湿，液气比控制在210L/m3。填料塔不宜处理含尘量较大的烟气，设计时应克服塔内气液分布不均的问题。1.4.2 湍球塔它是填料塔的一种特殊形式，运行时塔内填料处于运动状态，以强化吸收过程。在塔内栅板间放置一定数量的轻质小球填料(直径2938mm)，吸收剂自塔顶喷下，湿润小球表面，气体从塔底进入，小球被吹起湍动旋转，由于气、液、固三相充分接触，小球表面液膜不断更新，增加了吸
17、收推动力。提高了吸收效率。该塔制造、安装、维修较方便，可以用大小、质量不同的小球改变操作范围。该塔处理风量较大，空塔气速1.56.0m/s，喷淋密度20110m3/(m2h)，压力损失15003 800Pa，而且还可处理含尘气体。其缺点是塑料小球不能承受高温，小球易裂(一般0.51年)，需经常更换，成本高。1.4.3 板式塔板式塔是在塔内装有一层层的塔板，液体从塔顶进入。气体从塔底进入，气液的传质、传热过程是在各个塔板上进行。板式塔种类很多。大致可分为二类：一类是降液管式，如泡罩塔、筛孔板塔、浮阀塔、S形单向流板塔、舌形板塔、浮动喷射塔等；另一类是穿流式板塔，如穿流栅孔板塔(淋降板塔)、波纹穿
18、流板塔、菱形斜孔板塔、短管穿流板塔等。1.5 再生塔的改造对再生塔的改造主要从两方面入手。1.5.1增加真解段对于老式脱碳系统的设计，往往只有一个常解段，没有真解段，即富液自脱碳塔出来之后，经过闪蒸常解气提就变成贫液。这样当生产强度增大后，往往会造成贫液贫度不够，影响脱碳效果。为解决这个问题，我们在常解再生塔的常解段下面加一段真解段，用罗茨鼓风机继续抽负。这样处理后贫液的贫度还可以下降，对脱碳塔的增产和降低净化气中，含量都将起到很好的作用。1.5.2将淋降板改为填料结构老式设计的常解段、真解段内结构都是淋降板式。这种结构的缺点就是淋降板的分布点少，液体自上而下降到塔底时，液体的表面积不够，而且
19、闪蒸的时间太少，因此自液体中闪蒸出的不够多，而且操作弹性不大。当产量超过设计能力时，再生效果变坏。为解决这个问题，将常解段、真解段结构改为填料式，用规整填料或散堆填料加新式液体分布器代替淋降扳，这样效果很好。1.5.3改造气提段老式设计的气提段，往往只用一段填料，顶上放一个分布器。这样由于一层填料太高，容易形成壁流，影响气提效率，我们一般将其分成两段，这样可以减少壁流效应，提高再生效率。气提再生时将进风由吹入改为引出，这样可降低气提温度，同样可提高气提效率。562 塔结构选型及选材2.1 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
20、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。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
21、足工业生产的需要，塔设备还得考虑下列各项要求。 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。 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。 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。 结构简单、材料耗用量小、制造和安装容易。 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
22、设备新结构型式的不断出现和发展。2.2 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。填料塔与板式塔比较项目填 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
23、用金属材料造价新型填料，投资较大大直径时造价较低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：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；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；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；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：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
24、易于稳定；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；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；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
25、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。2.3 填料的选择填料为气-液两相接触进行传质和换热提供了表面，与塔的其他内件共同决定了填料塔的性能。因此，设计填料塔时，首先要适当地选择填料。选择填料时，必须综合考虑生产能力、效率、操作弹性、成本和压力降等因素。此外，物料的腐蚀性和填料的供应情况等也应予以注意。2.3.1 对填料种类的基本要求填料时填料塔内气（汽）液介质进行两项传质的关键元件，直接关系到填料塔性能的好坏。对填料塔的基本要求是：传质效率要
26、高 一般而言，规整填料的传质效率高于散装填料；通量要大 在保证具有较高传质效率的前提下，应选择具有较高泛点气速或气相动能因子的填料；填料层的压降要低；填料抗污堵性能强，拆装、检修方便。2.3.2 填料的几何特性填料的几何特性数据主要包括比表面积、空隙率、填料因子等，是评价填料性能的基本参数。比表面积单位体积填料的填料表面积称为比表面积，以a表示，其单位为m2/m3。填料的比表面积愈大，所提供的气液传质面积愈大。因此，比表面积是评价填料性能优劣的一个重要指标。空隙率单位体积填料中的空隙体积称为空隙率，以e 表示，其单位为m3/m3，或以%表示。填料的空隙率越大，气体通过的能力越大且压降低。因此，
27、空隙率是评价填料性能优劣的又一重要指标。填料因子填料的比表面积与空隙率三次方的比值，即a/e 3，称为填料因子，以f表示，其单位为1/m。填料因子分为干填料因子与湿填料因子，填料未被液体润湿时的a/e3称为干填料因子，它反映填料的几何特性；填料被液体润湿后，填料表面覆盖了一层液膜，a和e 均发生相应的变化，此时的a/e 3称为湿填料因子，它表示填料的流体力学性能，f值越小，表明流动阻力越小。2.3.3 填料的类型 一、散装填料散装填料是指安装以乱堆为主的填料，也可以整砌。这种填料是具有一定外形结构的颗粒体，故又称可颗粒填料。根据其形状，这种填料可分为环形、鞍形及环鞍形。每一种填料按其尺寸、材质
28、的不同又有不同规格。工业塔常用的散装填料主要有DN16、DN25、DN38、DN50、DN76等几种规格。同类填料，尺寸越小，分离效率越高，但阻力增加，通量减少，填料费用也增加很多。而大尺寸的填料应用于小直径塔中，又会产生液体分布不良及严重的壁流，使塔的分离效率降低。实践证明:塔径与填料外径的合适比值，有一下限值。当径比低于该值时，难以预测它们的性能。这是因为径比太小时，塔壁附近的填料层空隙率大而不均匀，通过能力虽有所提高，但因气流短路，会降低塔的效率。若作重复装填，则各次的性能差别将会很大。鲍耳环的填料尺寸为10-15，最小不低于8。对于一定的塔径，满足径比下限的填料可能有几种尺寸，因此尚需
29、按经济因素来进行选择，降低和通过能力提高，还不能补偿效率的降低，故在大塔中最常使用的是50mm填料，最大用到80mm。反之，用较小的填料时，效率的提高将弥补其通过能力低和成本较高的缺点。然而，实践证明，在大塔中使用小于20-25mm的小填料，效率没有明显的改进。二、规整填料在乱推的散装填料塔内，气液两相的流动路线往往是随机的加之填料装整时难以做到各处均一，因而容易产生沟留等不良情况，从而降低塔的效率。规整填料时一种在塔内按均匀集合图形规则、整齐堆砌的填料，这种填料人为地规定了填料层中气、液的流路，减少了沟留和壁流的现象，大大降低了压降，提高了传热、传质的效果。规整填料的种类，根据其结构可分为丝
30、网波纹填料及板波纹填料。工业上常用规整填料的型号和规格的表示方法很多，国内习惯用比表面积表示，主要有125、150、250、350、500、700等几种规格，同种类型的规整填料，其比表面积越大，传质效率越高，但阻力增加，通量减少，填料费用也明显增加。选用时应从分离要求、通量要求、场地条件、物料性质及设备投资、操作费用等方面综合考虑，使所选填料既能满足技术要求，又具有经济合理性。2.3.4 填料的用材常用填料的材料有金属、陶瓷和塑料等。塑料填料材质包括：聚乙烯（PE），聚丙烯（PP），增强聚丙烯（RPP），聚氯乙烯（PVC），氯化聚氯乙烯（CPVC）及聚偏氟乙烯（PVDF）等。它的耐腐蚀性能好、
31、空隙大、通量大、阻力小、能耗低、操作费用低、重量轻、易装卸、可重复使用。特别适用于石油、化工、氯碱、煤气、环保等行业的中低温（60150）提馏、吸收及洗涤塔中。塑料散堆填料有鲍尔环、矩鞍环、异鞍环、阶梯环、海尔环、共轭环、扁环、花环、空心浮球、多面球、网笼球和覆盖球等。陶瓷填料具有优异的耐酸耐热性能、能耐除氟氧酸以外的各种无机酸、有机酸及有机溶剂的腐蚀,适用于各种高,低温及强腐蚀性的场合,可用于化工、冶金、煤气、制氧等行业的干燥塔、吸收塔、冷却塔、洗涤塔、再生塔等。陶瓷散堆填料包括拉西环、十字隔板环、鲍尔环、矩鞍环、异鞍环、阶梯环、共轭环、及其组合环等。金属填料材质包括碳钢及不锈钢等。由于其加
32、工壁薄、空隙率大、通量大、阻力小，又耐热、耐腐蚀，分离效率高等特点，特别适用于真空精馏塔，处理热敏性、易分解、易聚合、易结碳的物料，从而广泛应用于石油化工、化肥、环保等行业的填料塔中。金属散堆填料有共轭环、八四内弧环、矩鞍环、双弧环、扁环、阶梯环和鲍尔环、英特洛克斯等。如果操作温度允许，应尽量选用塑料制填料，其优点是重量轻、价格低及耐腐蚀。2.3.5常用填料(1) 拉西环 拉西环是高度与直径相等的圆柱体，可由陶瓷、金属、塑料等制成，其结构简单，价格便宜，使用相当广泛。(2) 鲍尔环填料 是正对拉西环的一些缺点改进而得到的，同等尺寸的鲍尔环与拉西环相比，其相对效率要高出30%；相同压降下，鲍尔环
33、的处理能力要比拉西环增加50%(3) 阶梯环填料 其结构较鲍尔环类似，但高度减小了一半，且填料一端扩为喇叭型翻边，填料强度增加，气体通过填料阻力减小，改善了液体分别，提高了传质效率(4) 金属板波纹填料 保留了金属波纹填料几何规则的结构特点，所不同的是该用表面具有沟纹及小孔的金属板波纹片代替金属网波纹片，即每个填料盘由若干金属板相互叠合而成。压降低、通量高、持液量小、气液分布均匀、几乎无放大效应、传质效率也比较高。2.3.6 填料选择本次设计共三段填料层，选型如下：（1）上段填料均选用6.3型的金属（不锈钢）波纹板填料，以改善每段填料层的液体分布。（2）另外两段填料下部选用4.5型金属（不锈钢
34、）波纹板填料，目的是提高此段的传质效果，保证贫液出塔时更低的贫度，降低水碳比，同时也可使用栅格作为支承件。（3）其余部分均采用公称尺寸为50mm的塑料鲍尔环填料，材质主要为玻纤增强聚丙烯。2.4 塔内件的选择填料塔的内件是整个填料塔的重要组成部分、它与填料及塔体共同构成的一个完整的填料塔。所有的塔内件的作用是为了保证气液在塔内更好的接触，以便发挥填料塔的最大效率和最大生产能力，因此塔内件设计的好坏直接影响到填料性能的发挥和整个填料塔的性能。另外填料塔的放大效应，除了填料本身固有的因素外，塔内件对它的影响也很大。在70年代前，由于塔内件的设计不够完善，一般在设计填料塔时往往需要留出50%的裕度。
35、近20年来，对塔内件的研究与开发取得了很大的进展，使填料塔的设计与应用日趋完善。2.4.1 填料支承装置填料支承装置的主要作用是支承床层中填料的重量，因此它应有足够的强度和刚度现有的填料只承装置有四种类型，即孔板型、栅板型、气液分流型、栅梁型。对于填料支承装置的基本要求是：有足够的强度和刚度以支承床层中填料的重腐蚀性量；提供足够大的自由截面，尽量减少气液两相的流动阻力；有利于液体的再分布；耐好；便于用各种材料制造；以及安装和拆卸方便等。1、支承装置的选择：选择使用哪一种类型的支承装置，要根据所处理物料的物理性质、过程特点而定。主要根据塔径、使用的填料种类及型号、塔体及填料的性质、气液流率、塔的
36、能力及效率等。因为在本设计中支承装置上部均为规整填料，不用担心填料会从支承装置中掉落，可以选用空隙较大的支承装置，而规整填料推荐采用的支承装置是格栅板。2、格栅板的尺寸和材料：由于规整填料的固有结构特点，使用的支承装置结构简单，对于开有人孔的整体塔，支承格栅板可制成分块结构。每块宽度以从人孔能顺利装入为度。格栅板可以制成整块式或分块式，一般直径小于500mm可制成整块的；直径大于1400mm时，分成多块，使每块宽度约在300400mm之间，以便装卸。本设计塔径为2000mm故需要分成7块。由以上条件取栅板、格板、边圈的厚度S=60mm，高度H=200mm。当介质温度在250以下，填料密度在以下
37、，格栅板用Q235-A或Q235-A.F钢材制造时，上述三种尺寸适合本设计的填料层高度，故该格栅板用Q235-A。 3、格栅板的强度计算：将栅板条作为受均布载荷的简支梁来计算，略去填料对塔壁的摩擦阻力，则作用于栅板条上的均布载荷q为：栅板条的弯曲应力为：栅板条的抗弯许用应力为：故所选尺寸符合要求。2.4.2液体分布装置填料塔操作时，在任意一截面上都要保持气液的均匀分布，这点十分重要。气液的均匀分布，主要取决与液体分布的均匀程度，故液体在塔顶的初始均匀分布是保证填料塔达到预期分离效果的重要条件。因为液体分布器装置于填料上端，它将回流液和液相加料均匀地分布到填料表面上，形成液体初试分布，所以液体分
38、布器是最重要的塔内件之一。也由此从分布器的选型、设计到制造安装都要给予足够的重视。液体分布器按出液推动力可分为重力型和压力形两种，按结构形式可分为槽式、管式、喷射式、盘式等。液体分布器的选择：为了使液体初始均匀分布，原则上增加单位面积上喷淋点数。但是，由于结构限制，不可能将喷淋点设计的很多，同时，如果喷淋点数过多，势必每股液流的流量过小，也难以保证均匀分配。此外，不同填料对液体均匀分布的要求也是有差异的，如高效填料因流体不均匀分布回效率的一向十分敏感。故应有较严格的均匀分布要求。波纹填料其效率较高，对液体的分布要求也较高，依据波纹填料的效率高低及液量大小，按每20-50塔截面设置一个喷淋点。任
39、何程度的壁流都会降低效率，因此在靠近塔壁的10%塔径区域内，所分布的液流量应不超过总液流量的10%。经过比较，本次设计采用溢流槽式布液器，该设计的具体结构和尺寸可查阅文献3的6.6.7节。该装置是目前广泛应用的分布器，特别使用于大型填料塔，溢流型分布器的工作原理与多孔型不同，进入布液器的液体超过堰口高度时，依靠液体的重量通过堰口流出，并沿着溢流管壁呈膜状流下，淋洒至填料层上。溢流槽式布液器 溢流槽式布液器的适用性较好，特别适宜于大流量操作，一般用于塔径大于1000mm的塔。溢流槽式布液器不易堵塞，可处理含固体颗粒的液体，其自由截面积大，适合性好，处理量大，操作弹性号，可用于金属、塑料或陶瓷制造
40、。液体分布装置的安装位置，通常需高于填料层表面150-300mm，以提供足够的自由空间，让上升气流不受约束地穿过分布器。2.4.3 液体再分布器一个完整的填料精馏塔至少有两段填料，两段填料间要实现上段填料下来的液体收集再分布，并把料液加入塔内。对于一个有侧线进出料的塔，每一个侧线都有上下二段填料;如果填料层过高还要分段安装填料。因此，液体收集器、液体再分布器及液体进(或出)料装置是必不可少的塔内件。液体收集再分布器的另一个功能是将塔内不同径向位置流下来的液体加以混合，使进入下一层填料的液体有相同的组成。液体收集再分布器就是将从上层填料流下的液体完全收集并混合。另外。它还必须将上升的蒸汽均匀分布
41、到上层填料中去，而且阻力较小。液体再分布器装置的结构设计与液体分布装置相同，但需配置有适宜的液体收集装置。在设计液体再分布装置时，应尽量减少占用塔的有效高度；再分布装置的自由截面积不能过小，约等于填料的自由截面积，否则将会使压力降增大；要求结构既简单又可靠，能承受气、液流体的冲击，便于装拆。液体再分布器的选择：通过比较本设计选用槽盘式液体分布器，该分布器为分体式结构：气相通过升气管进入上填料段，从上层填料下来的液体则完全被收集，进而从盘底小孔分布到下层填料中。通过再分布器的压降一般为59-118MPa，操作弹性为1:2以上，由升气管高度而定。这种再分布器适用于大塔，制成分体式，从人孔中装入塔中
42、，它的进料或出料装置相配合，也可以作为段间再分布器用。它用塔板卡子被固定在塔体支承圈上，支承圈宽度为30-60mm，由塔径决定。升气管一般高200mm，升气管上沿与挡液板间距50mm左右，升气管直径为10-150mm，每排升气管间应设置布液孔。 该装置结构高度较低，液体的均布性能好，导流集野的板的上、下板均能作液体导流，无论在大流量或小流量下均可确保收集全部液体，操作弹性大，适应性好，因此，该装置特别适宜在液体负荷变化较大的场合下使用。另外，槽式液体分布器兼有集液和分液的功能，故槽式液体分布器是优良的液体收集和再分布装置，本设计可选用该分布器。2.4.4 填料压板及床层限制板当气速较高或压力波
43、动较大时，会导致填料层的松动从而造成填料层内各处的装填密度产生差异，引起气、液相的不良分布，严重时会导致散装填料的流化，造成填料的破碎、损坏、流失。为了保证填料塔的正常、稳定操作，在填料层上部应当根据不同的材质的填料安装不同的填料压紧器或填料层限位器。一般情况下，陶瓷、石墨等脆性散装填料适用填料压紧器，而金属、塑料制散装填料及各种规整填料则使用填料层限位器。它的作用是防止高气速、高压降或塔的操作出现较大的波动时，填料向上移动而造成填料层出现空隙，从而影响塔的传质效率。对于金属及塑料散装填料，可采用网板结构作为填料限位器。因为这种填料具有较好的弹性，且不会破碎，故一般不会出现下沉，所以填料限位器
44、需要固定在塔壁上。对于小塔，可用螺钉将网板限位器的外圈顶于塔壁，而大塔，则用支耳固定。对于本设计，可以使用比较简单限位器，使用栅条间距为100500mm的栅板即可。2.4.5 气体的入塔分布结构设计位于塔底的进气管时，主要考虑三个原则：能防止淋下的液体进入管中；压降要小；气体分布要均匀。适宜管内气速为10-18m/s。入塔气体的均布分布程度，主要取决于气体通过填料层的压力降与输入气体动压头之比，比值愈大，愈有利均匀分布。对于小塔，常采用的气相入塔分布结构形式有：使进气管伸至塔截面的中心位置，管端切成45向下倾斜的切口或做成向下的喇叭口。对于大塔，气体入口管末端可做成多孔直管式或多孔盘管式。大塔
45、一般采用两个以上的进气口。2.4.6 除沫器在塔内操作气速较大时，会出现塔顶雾沫夹带，这不但造成物料的流失，也使塔的效率降低，同时还有可能造成环境的污染。为了避免这种情况，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。最常用的除沫装置有丝网除沫器、折流板除沫器及旋流板除沫器。此外，还有多孔材料除沫器及玻璃纤维除沫器。在分离要求不严格的情况下，也可以用填料层作除沫器。最简单的除沫器是在塔的出口加挡板。本设计选用丝网除沫器。丝网除沫器由于比表面积大、空隙率大、结构简单、使用方便以及除沫效率高、压力降小等优点，广泛应用于填料塔的除沫操作中，他的主要元件是针织
46、金属或塑料丝网。由于本设计对除沫要求不高，而塔径比较大，参考各项条件选择用上装式丝网除沫器。其尺寸可由文献8表4-4-4查得。在除沫器中，由于丝网的阻挡作用，使气体不断改变运动方向，因而使被夹带的液滴与丝网碰撞而分离，同时由于气体运动方向的改变也造成被夹带液滴的惯性截流。由于上述的碰撞分离与惯性截流达到了除沫效果，对于平放式结构，由于上升气体的作用，被除掉的液滴首先在除沫器底部聚集，当达到一定液量后便开始下落，形成动平衡，气速越大，达到动平衡的液量越多。对于平放式结构，若气速过大时易发生二次夹带。对于蒸馏和吸收操作中，由于夹带的液滴较大，若操作气速不过高时，其除沫效率可达99.5%，对于210
47、6-510-6m的液滴也能有效的除去，当丝网厚度为100-150mm时，通过除沫网的压降为120250MPa，为提高除沫效率，平放式除沫器可用两层不同尺寸的丝网制成，下层用大孔除沫网制成，除去较大的液滴，上层用小孔除沫网制成，除去细小的液滴，双层除沫器最大压降可为750MPa。2.5 辅助装置及附件选择零部件的选用或计算，需考虑物料的性质、操作温度、操作压力、所用结构与物料等因素，同时在满足生产要求的情况下，要做到操作维修方便，制造加工容易，既要安全可靠，有要经济合理。2.5.1 标准法兰在化工设备和管路中，常采用可拆结构，用得较多的可拆结构为法兰，由于法兰连接有较好的强度和密封性，适用的尺寸
48、范围又广，在设备和管路上都能应用，各国已将法兰作为标准件，设计者根据有关参数直接选用。法兰的种类很多，按用途可分为压力容器法兰（又称设备法兰）和管法兰；按压力可分为低压、中压和高压法兰；还可按形状、连接方式分类。法兰连接由法兰、垫片和螺栓三部分组成。在中低压化工设备和管路中，常用的密封面有三种形式，配合这三种密封面规定了相应的垫片尺寸标准。密封面的选择原则是：密封可靠，加工容易，装配方便，成本低廉。本设计采用：平面型密封面的结构简单，加工方便，有时在平面上车制2-3条沟槽（又称水线）。上紧螺栓后，垫片易往两边挤，宜于压力不高，物系无毒的场合。垫片选用普通橡胶垫片，它适用于温度小于350的场合。我国采用的法兰连接标准有压力容器法兰标准和管法兰标准，在很大范围都可以直接查取，本设计的法兰数据可查标准HG5010-58。2.5.2 人孔由于工艺过程和安装