甲醛工艺设计

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4.6.2 设计要求 确定塔体和封头的厚度。
确定裙座以及地脚螺栓的尺寸。
4.6.3 设计方法步骤
4.6.3.1 材料选择
设计压力为：P = 0.3MPa，属于低压设备，一类容器，介质腐蚀性未提特殊要
求。选用 20R 作为塔体的材料。
11.4.3 吸收工段
由物料衡算知：一吸塔甲醛吸收率为 90%，一吸塔吸收甲醛量为：2112（kg），二吸塔吸收甲醛量为
232.2(kg)，HCOOH 量少，计算中忽略不计。
表 11-24 入、出塔各气体的组分量及组成
物料名称
入塔气流量 kmol/h
入塔气组成 mol 分率
被吸收量 kmol/h
出塔气流量 kmol/h
4.5.3 富液出塔管、回流液入塔管
取φ 133×9 u = 1.8 (m/s)
4.5.4 人孔
取 Dg500
4.6 吸收塔设计
4.6.1 已知条件
塔体内径：D = 2000mm，塔高：H = 16m 设计压力：P = 0.3MPa 设计温度：t = 100℃ 介质为 37%的甲醛水溶液 腐蚀裕量：c2 = 2mm
x2 = 0.098, y2 = 0.041 代入上式解得：Ls = 150.8(kmol/h) 把上式整理得：
3
即：
GB ( y y2 ) x2 X Ls 1 y 1 y2 1 x2
1 GB ( y y2 ) x2 Ls 1 y 1 y2 1 x2
X 1.22y 0.055 1.11 0.11y
已知：塔底截面：x1 = 0.2654, y1 = 0.192 塔顶截面：x2 = 0.098, y2,=0.041
在其间再任意取三个截面，先设定 y 值，再计算出 x 值
计算结果列于下表中：
表 11-27 各截面气、液组成
Y
0.041 0.045
0.060
X
0.098
0.115
0.100 0.158
一吸塔甲醛吸收率为 90%，由物料衡算知：
(2) 喷淋密度的计算
喷淋密度与填料的特性有关，特别是与填料的比表面积有关。
一般用经验公式：U 适宜 = α ×a 式中：U 适宜：适宜的喷淋密度(m3/m2·h)
α =700，填料的比表面积(m2/m3) ，
a：实验常数，用水吸收有机物时，a= 0.093,
0.5051 0.3646
4
计算结果列于下表中：
kya kmol/m2·s
·Δ y
kxa Kmo l/m2 ·s
·Δ y
0.0229 0.0520
表 4.6 各截面上体积传质系数
0.0236
0.0250
0.0266
0.0536
0.0573
0.0613
0.0286 0.0665
4.3.3 求界面上气、液两相组成以及（1-y）、yBM、(y-yi)的值
1090 0.820
0.277
= 0.654
查图可得填料层每米压降为：100Pa 左右
则：Δ Pa = 6.5×100 = 650Pa
即填料层压降为: 650Pa 左右
4.5 吸收塔诸接管口径计算
4.5.1 反应气入口管
取φ 273×8 u = 47.4 (m/s)
4.5.2 尾气出口
取φ 219×6 u = 30.5 (m/s)
—
0.657
0.0034
CH4
0.33
0.0008
—
0.33
0.0017
O2
0.33
0.0008
—
0.33
0.0017
H2
31.0
0.076
—
31．0
0.162
N2
122.17
0.30
—
122.17
0.639
合计
407.12
1.0
191.17
1.0
HCHO
表 11-25 入、出塔贫富液中各组分量及组成
材料类型
类型
表 11-26 丝网波纹填料特性参数
比表面积
空隙率
水力直径
(α ) m2/m3
ε /%
dH/mm
密度/kg.m-3
倾角 φ (0)
不锈钢丝网波纹填料
不锈钢 CY
700
气体负荷 /m.s-1.(kg.m-3)0.5
1.3~1.4
85 每块理论板压 降/ Pa(mmH2O)
67(0.5)
5 每米填料理论板
(1) 塔径 D 计算
由物料衡算知，第一吸收塔进料 10752.94kg/h=485.71kmol/h,约为 10879.9m3/h，吸收温度 70℃；
循环液量 L=100t/h，温度 50℃，液相料的粘度 μ =138.3×10-5 Pa.s=1.383c.p，
密度γ L=992.2kg/m3, M xi Mi 22.7 。
y1
yBM dy
y2 (1 y)(y yi )
式中：
HG ：气相传质单元高度， HG =
G k ya
NG ：气相传质单元数，NG =
y1
yBM dy
y2 (1 y)(y yi )
根据各截面上已知的数据，求出相应的 HG 和
yBM
的值，
(1 y)(y yi )
计算结果列于下表中：
G HG= k ya m
G
PM RT
0.1106 22.7 103 8.314 (273 70)
0.80(kg / m3 )
G、L：气、液的质量流量 (kg/h)；
γ G、γ L：气、液的密度 (kg/m3) L = 100000kg/h; G =10752.94kg/h，设ψ ≈1
采用不锈钢规整填料，其几何特性参数见表 11-26。
结果列于下表中：
表 4.8 各截面上的气、液组成
xi yi
4.3.3.2
0.1112
0.1489
0.0191
0.0423
计算(1-y)、 yBM 、(y-yi)的值
其中：
0.1962 0.0705
0.2429 0.0983
yBM=
(1
y)
(1 2
yi
)
计算结果列于下表中：
表 4.9 （1-y）、yBM 、（y-yI ）计算结果
4.3.3.1 各截面上的气、液组成 根据操作线数据和相平衡数据，在 x—y 坐标图上分别绘出操作线 AB和相平衡线 OE，
求界面上两相组成：x i、yi 在压力为 101kPa，温度为 60℃下，甲醛的气液平衡数据如下表中所示：
5
表 4.7 甲醛的气液平衡数据
液相甲醛% （mol）
10.6
15.8
② 求流率和体积传质系数各截面上的气液两相
A 计算气液两相的摩尔流率
根据公式:
G = GB ， L = Ls
1 y
1 x
将各截面上的 x、y 值代入上式，求出气、液两相的摩尔流率，
计算结果列于下表中：
G(Kmol/m·s) L(kmol/m·s)
0.0556 0.0456
表 11-28 各截面气、液两相的摩尔流率
则：U 适宜 =α ×a = 0.093×700 = 65.1(m3/m2·h)
(3) 填料层高度的计算
① 求操作线方程、计算气液组成
列出由任一塔截面至塔顶范围的溶质衡算式：
GB
( y1 1 y1
y2 1 y2)来自LS( x1 1 x1
x2 1 x2
)
已知：GB = 191.17(kmol/h)
x1 = 0.2654, y1 = 0.192
入塔贫液流量
入塔贫液组成
出塔富液流量
kmol/h
mol 分率
kmol/h
7.74
0.098
78.14
出塔富液组成 mol 分率
0.2654
CH3OH HO2 合计
3.13 67.54 78.41
0.04
3.13
0.011
0.86
213.06
0.724
1.0
294.38
1.0
11.4.3.1 一吸塔工艺计算
21.1
26.2
31.4
气相甲醛% （mol）
1.6
4.6
7.8
10.8
14.1
以塔底截面为例：
已知：y1 = 0.188， x1 = 0.263 假定：yBM = 1 - yI = 1 - 0.188 = 0.812
xBM = 1 - xI = 1 - 0.263 = 0.737
在坐标图上作一条斜率为：
由图解积分法求得：
NG = 5.78 则，填料层高度为：h = NG×HG = 5.7×0.7301= 4.22 (m) 取安全系数为：1.5 则：h =1.5×4.22 = 6.33 (m) 取为：6.5 米 即填料高度为：6.5 米
4.4 填料层压降计算（3，4，6，8）
0.7053 19.1
按塔底操作参数计算：
4Vs u
4
10879
.9
2
1.9(m
/
s)
取 D=2.0m, 实际操作气速为：
u 4Vs 4 10879 .9 0.96 (m/s) D2 3600 22
泛点率为：
u 0.96 0.36
uF 2.69
采用 Eckert 法：
(
L
)(
g
) 0.5
100000 (
0.8
)0.5 0.26，
2
2
yBM
=
(1 y) (1 yi ) 2
=
2 0.188 0.1262 2
= 0.8429
再代入斜率式：
— kxa xBm = — 0.0665 0.7232 = —2.71
k ya yBM
0.0286 0.8429
再作直线和平衡线 OE 相交于点 M1，其坐标为：xI = 0.2893， yI = 0.1262，此即为塔底截面的气、液两相组成。 以此类推，分别作出其余直线和平衡线 OE 的交点 M2、M3、M4、M5，读出各点 的坐标值，即为各截面上的气、液两相作成。
G L
10752.94 992.2
由
uF 2
(
g
) 0.2
2.691.0081(
0.8
) 1.3830.2
g L
9.8
992.2
查 Eckert 压降通用关联图得Δ P=200mmH2O/m(填料)
则泛点比压降为：(Δ P/z) = 1234.5(Pa/m) 查填料层压降及液泛速度通用关联图得：
将各截面上 x，y 的代入上式，求出气液两相的质量流率，
计算结果列于下表中：
表 4.5 各截面上气、液两相的质量流率
G`
0.4122
0.4221
0.4455
L`
0.2705
0.2805
0.3042
4.3.2.3 计算体积传质系数
根据公式：
0.4711 0.3301
kya = 0.0594G`0.7L`0.25 kxa = 0.152L`0.82 将各截面的值代入上式，求出体积传质系数，
出塔气组成 mol 分率
CH2O
78.2
0.192
78.14
7.822
0.041
CH3OH
3.37
0.008
3.13
3.37
0.018
HCOOH
0.054
0.00013
0.054
H2O
165.1
0.41
213.06
19.58
0.102
CO2
5.91
0.0145
—
5.91
0.031
CO
0.657
0.0016
0.0565
0.059
0.0624
0.0473
0.0497
0.0531
0.150 0.211
0.18 0.243
0.0648 0.0556
4.3.2.2
计算气、液两相的质量流率 根据公式：
G` = 0.0165×23.668+0.0165× y ×30 1 y
L` = 0.0127×18+0.0127× x ×30 1 x
— kxa k ya
xBm = — 0.0665 0.737
yBM
0.0286 0.812
= —2.56
的直线，与平衡线 OE 交于一点，其交点坐标为：xi=0.2905 ，yi=0.1262
以此作为初值，计算 xBM yBM
xBM =
1 x (1 xi ) = 2 0.263 0.2905 = 0.7232
0.7424
表 4.10 计算结果
0.7458
0.7273
0.7164
yBM
116.8
54.9
34.1
24.4
(1 y)(y yi )
则平均传质单元高度为：
HG =
0.7424 0.7458 0.7360 0.7218 0.7028 5
= 0.7255（m）
NG =
y1
yBM dy
y2 (1 y)(y yi )
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由：X= L ( G ) 0.5= 106181 .25 (0.820 )0.5 G L 10359 .0638 1090
=0.28
Y = uf ×
( G ) 0.5 × L L
Cs Fp0.5 0.05 0.277
= 1.1174× ( 0.820 )0.5 × 1300.5 (1.3761105 )0.05
数
10
350 滞留量/%
6
45
操作压力/Pa 5×10-3 ～ 105
2
丝网波纹填料的泛点，由 uF ueF
1.2 g
；CY 型不锈钢丝网波纹填料 ueF =2.2m/s，
∴泛点速度 uF 2.69m / s ，对波纹填料空塔速度 u 取泛点速度的 0.75，即u 2m / s ；
则塔径： D
1-y
0.958
0.940
0.900
0.860
0.2893 0.1262
0.812
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yBM
0.9695
0.9489
0.9148
0.8809
0.8429
y-yi
0.0229
0.0177
0.0275
0.0417
0.0618
4.3.3.3 计算填料层高度 应用公式:
h = HG