脱硫塔的设计计算.doc
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脱硫塔的设计计算.doc
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5.设备计算及选型
选塔体材料为Q235-B
5.1脱硫塔的设计计算
脱硫吸收塔采用填料塔,填料为50×30×1.5聚丙烯鲍尔环,公称直径为50cm,空隙率为ε=0.927,比表面积为α=114.m2/m3,采用乱堆的方式。
5.1.1塔径计算
泛点气速法
泛点气速是填料塔操作气速上限,填料塔的操作空塔气速必须小于泛点气速,操作空塔气速与泛点气速之比称为泛点率。
对于散装填料,其泛点率的经验值为u/uF=0.5~0.85
填料的泛点气速可由贝恩—霍根关联式计算:
式中uF——泛点气速,m/s;
g——重力加速度,9.81m/s2;
——填料总比表面积,m2/m3;
ε——填料层空隙率,m3/m3;
ρg、ρL——气相、液相密度,kg/m3;
μ——液体粘度,mPa·S;μ=0.837mPa·S
L、G——液相、气相的质量流量,kg/h;
A、K——关联常数,与填料的形状及材料有关。
查下表得出A=0.204,K=1.75。
表3.2.1不同类型填料的A、K值
散装填料类型
A
K
规整填料类型
A
K
塑料鲍尔环
0.0942
1.75
金属阶梯环
0.106
1.75
金属鲍尔环
0.1
1.75
瓷矩鞍
0.176
1.75
塑料阶梯环
0.204
1.75
金属环矩鞍
0.06225
1.75
其中,
因此,
所以
取泛点率为0.5,则
根据操作态的每小时气体处理量算出塔径D,m
式中:
D——吸收塔直径,m;
VS——气体的体积流量,m3/s
D=
圆整后D取4.3m
壁厚的计算
Q235-B当在3-4mm的范围内时,操作压力,设计压力为:
,选取双面焊无损检测的比例为全部,所以
计算壁厚:
,取,
所以圆整后取.
5.4强度校核
求水压试验时的应力。
因为Q235-B的屈服极限,所以,,,
水压试验满足要求。
4.6封头的设计
封头又称端盖,按其形状可分为凸形封头、锥形封头和平板型封头3类。
其中凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、蝶形封头和球冠形封头。
锥形封头分为无折边与折边两种。
平板封头根据它与筒体连接方式不同也有多种结构。
4.6.1封头的选择
从工艺操作考虑,对封头形状无特殊要求。
球冠形封头、平板封头都存在较大的边缘应力,且采用平板封头厚度较大,故不宜采用。
理论上应对各种凸形封头进行计算、比较后,再确定封头形状。
但由定性分析可知:
半球形封头受力最好,壁厚最薄,但深度大,制造较难,中、低压小设备不宜采用;碟形封头的深度可通过过渡半径r加以调节,但由于碟形封头母线曲率不连续,存在局部应力,故受力不如椭圆形封头;标准椭圆形封头制造比较容易,受力状况比碟形封头好,故可采用标准椭圆形封头。
4.6.2封头材料的选择
封头材料的选择:
Q235-B
4.6.3封头的高
因为长轴:
短轴=2即:
所以
其中——吸收塔的内径
——封头的高
直边高度为:
(查JB/T4337-95可知)
4.6.4封头的壁厚
计算壁厚:
对于标准椭圆封头,K=1取封头是由整块钢板冲压而成,所以圆整后取
4.6.5强度校核
校核筒体与封头水压试验强度,根据式式中
,
满足条件
且
所以满足条件。
5.1.2填料高度计算
(a)吸收过程传质系数KG计算
KG=AW1.3Na0.1B-0.01
式中:
KG——传质系数,Kg/(m2·h·atm); A——经验数,取A=20;
W——吸收塔操作气速,m/s;Na——溶液中Na+含量,g/L;
B——吸收过程液气比,L/m3。
(b)计算吸收过程平均推动力ΔPM,atm
式中:
P1——吸收塔入口气相H2S分压,atm;
P2——吸收塔出口气相H2S分压,atm;
P1=(64.79/34)/(91126/18.1)×1.25=4.7312×10-4atm
P2=(0.137/34)/(91126/18.1)×1.25=1.0004×10-7atm
P1*,P2*——吸收塔入、出口H2S分压,atm,溶液中H2S含量很低,可以忽略,P1*=P2*=0。
(c)计算传质面积FP,m2
式中:
G1——H2S脱除量,Kg/h;
KG——传质系数,Kg/(m2·h·atm);
ΔPM——吸收过程平均推动力,atm。
(d)根据以上数据计算出填料高度
式中a——填料比表面面积
约为8.5m,分两段填料。
上段4m,下段4.5m。
5.1.3液体分布器
采用莲蓬头式喷淋器。
选此装置的目的是能使填料表面很好的湿润,结构简单,制造与维修方便,喷晒比较均匀,安装简单。
(1)小孔个数n的确定:
流量系数取0.82~0.85,本次设去0.84,推动力液柱高度H取0.06m。
则小孔液体流速
小孔输液能力
由得,
小孔的总面积为
所以,小孔个数,即为2998个孔。
式中,d——小孔直径,一般取4~10mm,视介质污洁而异,本次设计取10mm。
(2)喷晒器离球面中心到填料表面距离计算
莲蓬头安装离填料表面的距离一般为(0.5~1)D,本次设计去,
则,
(3)莲蓬头直径范围为,取=0.86m
(4)喷夹弯曲半径R的确定
取R=0.3D
则R=0.3D=0.34.3=1.92m
5.1.4液体再分布器
液体在乱堆填料层内向下流动时,有偏向塔壁流动现象,偏流往往造成塔中心的填料不被润湿。
为将流动塔壁处的液体重新汇集饼引向塔中央区域,可在填料层内每隔一定高度设置液体再分配器。
在液体再分配器中,分配锥最简单。
本设计采用分配锥分配器。
(1)截锥小头直径一般为D’(0.7~0.8)D,取D’=0.75D=3.225m
(2)液体再分配器高度h
5.1.5填料支撑板的选择
本次设计选用分块式开孔波形板。
这种支撑板的波形结构承载能力好,空隙率大。
在波形内增设加强板,可提高支撑板的刚度。
表5-1支撑架尺寸(采用不锈钢)
塔径/(mm)圈外径/(mm)圈内径/(mm)厚度/(mm)
4300429542556
5.1.6塔底设计
溶液在釜内停留15min,装料系统取0.5
塔底高(h):
塔径(d)=2:
1
塔底料液量
LW=LT=711.7m3/h=0.1977m3/s
塔底体积
因为VW=πd2h/4,h=2d
所以VW=0.5πd3
h=2×0.6315=1.227m
5.1.7塔顶空间高度
塔的顶部空间高度是指塔顶第一层塔盘到塔顶封头切线的距离。
为了减少塔顶出口气体中夹带的液体量,顶部空间一般取1.2~1.5m,本设计取1.2m。
5.1.8全塔高度计算
表5-2填料塔各部分高度列表单位:
mm
封头高度塔顶喷头弯曲半径喷淋高度填料层高度
11001200192021508500
再分配器高度塔釜支座
6401227600
H=1100+1200+1920+2150+8500+640+1227+600=17337mm
5.2喷射再生槽的计算
5.2.1槽体计算
(a)再生槽直径计算
再生槽直径计算可用下式计算:
式中:
Ai——吹风强度,m3/(h·m2),取Ai=70m3/(h·m2);
D1——槽体直径,m;
GA——空气量,m3/h。
而空气量用下式计算:
式中:
Ci——喷射器抽吸系数,m3/m3;取Ci=2.4m3/m3
所以有:
(b)计算再生槽扩大部分直径D2,m
D2=0.4+D1
D2=0.4+5.7=6.1m
(c)计算再生槽高度HT,m
HT=H1+H2+H3
H1——再生槽有效高度,m;
H2——喷射器出口到槽底距离,取H2=0.5m;
H3——扩大部分高度,取H3=1.5m;
再生槽有效高度H1下式计算:
式中:
τ——溶液在再生槽内停留时间,min,一般取τ=13min;
LT——溶液循环量,m3/h;
D1——槽体直径,m
0.785——/4
再生槽有效高度
再生槽高度HT=6.05+0.5+1.5=8.05m
5.2.2喷射器计算
(a)喷嘴计算
喷嘴个数(n)确定:
式中:
Li——每个喷射器溶液量,m3/h,取Li=40m3/h;
LT——溶液循环量,m3/h。
n=711.7/40=17.79
取n=18
喷嘴孔径(dj),m
式中wj——喷嘴处溶液流速,m/s,取wj=20m/s。
(2)喷洒器球面中心到填料表面距离计算
式中r——喷洒圆半径,
α——喷洒角,即小孔中心线与垂直轴线间的夹角,α≦40°,取α=40°
W——小孔中液体流速,
(3)莲蓬头直径范围为
d莲~1/5D,取1/5D=0.86m
5.2.3接管的计算与选择
(a)喷嘴管计算
喷嘴孔径(dj),m
式中wj——喷嘴处溶液流速,m/s,取wj=20m/s。
溶液入口管直径dL,m
dL=3dj
dL=3×0.027=0.081m=81mm取Φ89×4热轧无缝钢管;
喷嘴入口收缩段长度L5,m
式中α1——喷嘴入口收缩角,通常取α1=14°
喷嘴喉管长度L0,m
通常喷嘴喉管长度取L0=3mm。
喷嘴总长度L,m
L=L0+L5
L=0.003+0.033=0.036m
(b)混合管计算
混合管直径(dm):
式中:
M—喷射器形状系数,通常取M=8.5
取Φ89×4热轧无缝钢管
混合管长度(L3):
L3=25dm
L3=25×0.079=1.957m
(c)吸气室计算
空气入口管直径da,mm
式中w2——管内空气流速,m/s,取=3.5m/s;
GA——空气流量,m3/h;
n——喷嘴个数
取Φ108×4热轧无缝钢管
吸气室直径(dM):
式中da——空气入口管直径,mm
取Φ159×4.5热轧无缝钢管
吸气室高度L1,mm;取L1=330mm
吸气室收缩管长度L2,mm
式中α2——吸气室收缩角,通常取30°;
dM,dm——分别是吸气室直径和混合管直径。
(d)尾管直径计算()
式中Li——每个喷射器溶液量,m3/h;
we——尾管中流体速度,m/s,通常取we=1m/s
取Φ133×4热轧无缝钢管
(e)扩散管长度计算L4,mm
式中α3——扩散角,取α3=7°;
de,dm——分别是尾管直径和混合管直径
表5.1设备计算一览表
脱硫塔的塔径
4.3m
喷嘴孔径
0.027m
传质面积
13962.199m2
混合管规格
Φ89×4
填料层高度
8.5m
混合管长度
1.975m
再生槽直径
5.7m
空气入口管规格
Φ108×4
再生槽扩大部分直径
6.1m
吸气室规格
Φ159×4.5
再生槽高度
8.05m
尾管规格
Φ133×4
喷嘴个数
18
扩散管长度
0.318m
..
附录
7.1清单
表3-5材料清单综合布线系统设备配置清单及报价
7.2平面布置图
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