半水煤气直冷塔的计算与设计

泛点气速通常采用埃克特 ( Eckert) 通用关联图
来计算。通用关联图见图 1, 它以W L WV
#V
0. 5
为横坐
#L
标,
以
u2 g
∃
#V #L
%L0. 2 为纵坐标。式中, u 为空塔 气
速, m / s; g 为重力 加速 度, m / s2; 为湿填 料因子,
m - 1; & 为液体密度校正系数, 等于水的密度与液相
填料塔是使用最广泛的直 接接触式的气 液传 质及传热设备, 由填料、塔内件和 塔体构成。气体 在压力差的推动下, 自下而上通过填料间的间隙由 塔的底部流向顶部, 液体自填 料层顶部分散后, 沿 填料表面流下而润湿填料 表面形成液膜。气 液两 相间传 热是在 填料表 面的 气液相 界面上 进行的。 填料塔具有操作弹性大、阻力小、结构简单、造价低 等优点。 1. 3 气液比的确定
2 填料塔的设计计算
2. 1 泛点气速的确定
2. 1. 1 何为泛点气速 在填料层内, 由于上升气流与下降液体间的摩
擦力阻碍液体的顺利下流, 所以填料层的持液量是 随气速的增加而增加的。如果气速持续增大, 随着
填料层内持液量的不断增多, 终将使塔内发生 ∃ 泛
滥 %, 即因填料层内液体不能及时流下而 出现局部
积液, 压降急剧升高, 随之, 气流出 现脉动, 液 体被 气流大量带出塔顶, 塔的操作 极不稳定, 甚至 被完
全破坏。这种情况称为填料塔的液泛现象, 开始发 生液泛现象时的空塔气速称为泛点气速, 简称泛
速。泛速是填料塔正常操作气速的上限。它与气、
液相质量流量、密度、粘度、填料特性等因素有关。
2. 1. 2 泛速的计算
进塔气体温度为 T 1 = 42 , 出塔气体温度为 T 2 = 30 , 进塔一次水温度为 t1 = 14 , 出塔水温度为 t2 = 28 。 1. 2 塔的选型
半水煤气本身就是含有饱和水蒸气的湿煤气, 可与水直接接触, 因而选用直 接接触式冷却塔, 这 样传热效率高, 可以较大限度地利用水的冷量来达 到降低半水煤气温度的目的。
K ey w ords: pack ing tow er; heat load; flood ing po int gas speed; d iam eter of tow er; pressu re d rop of pack ing layer; coa l gas tem peratu re
原平昊华化工有限公司老系统生产能力为 8万 t / a 合成氨, 2万 t / a 联醇, 13. 2 万 t / a 尿素, 压缩机为 H 22( ) - 165 / 320往复式 压缩机。多年 来, 压缩 机一直存在打气量不足的现象, 严重制约着装置的 满负荷运行。主要原因是: 压缩一段入口的半水煤 气温度较高, 一般在 40~ 42 , 夏季温度更高; 一入 总管很长, 栲胶脱硫后至压缩机的半水煤气管道约 140m, 设置在管架的最高层, 沿途经过曝晒后, 煤气 温度甚至能达到 48~ 50 , 严重影响压缩机的吸气 量。虽然已针对性地采取过很多措施, 如在一入总 管上加盖遮阳石棉瓦, 或对一入管喷淋降温, 但效 果都不理想, 温度仍居高不下。于是公司决定在栲 胶脱硫后至压缩机一入总管前增设 1个半水煤气冷 却塔, 用水作为冷却剂, 降低煤气温度, 彻底解决这 个制约装置生产运行的瓶颈问题。
∀ 18=
1 510.
64( kg)
由此可知, 半水煤气在由 42 降为 30 的过
程中, 有 3 064. 10- 1 510. 64 = 1 553. 46 kg的水蒸 气转变成 30 的液态水。
( 2) 由查 表 可 知, 42 的 饱 和 水 蒸 气热 焓
2 572. 28 kJ/kg, 30 的 饱和水蒸 气热焓 2 549. 30 kJ/ kg, 30 饱和水蒸气热焓 125. 60 kJ/ kg。水蒸气
Calcu lation and D esign of Sem i W ater Coal Gas D irect C ooling Tow er
BA I E r chuan ( Yuanp ingW uhua Chem ica l Eng ineering C ompany L td. , Shanxi Yuanping 034100 China )
Q气 = ( CpCO 2mCO2 + CpCOm CO + CpH2mH2 + Cp m N2 N 2 ) ! (T 1- T 2) = 681 660. 30( kJ) 1. 3. 1. 2 半水煤气中水蒸气的热量计算
( 1) 由查表可知, 42 时水蒸气的饱和蒸汽压
为 8. 259 4kP a, 30 时 水 蒸气 的 饱 和 蒸 汽压 为 4. 247 4 kP a。已知半水煤气的总压为:
密度之比; #L、#V为分别为液体与气体的密度, kg /m3;
%L为液体的粘度, mPa! s; WL、WV 为分别为液相及气
相的质量流量, kg / s.
第 2期
白二川 半水煤气直冷塔的计算与设计
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图 1 埃克特通用关联图
进塔半水煤气的质量流量: WV = 34 288. 66+ 3 064. 10= 37 352. 76( kg /h) = 10. 38( kg / s)
适宜的气液比是保证 填料塔能够完成传热任
作者简介: 白二川 ( 1970 年 - ) , 女, 山西原平人, 1996年毕业于太原 理工大学化工系, 工程 师, 从 事合 成氨、甲醇 装置 的 技术 改造 设计 工作。
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化肥设计
2010年第 48卷
务的首要条件。气液比的 确定要按照工艺操作条
气液比 = 53797.761.415# 700( m 3 /m3 )
1. 4 填料选型
填料是填料塔的核心构件, 其提供了气液两相
接触 传热的相 界面, 是决定 直冷塔性 能的主要 因
素。为使直冷塔在高效率、低压降条 件下操作, 我 们选用了有较大比表面积和较大空隙率 的聚丙烯
海尔环填料 76mm ∀ 76mm ∀ 1. 8mm。该填料主要 特性有: 比表面积 != 75 m2 /m3, 空隙率 ∀= 95% , 堆比 重 45 kg /m3, 堆 积 个 数 3 420 个 /m3, 干 填 料 因 子 87m- 1, 湿填料因子 = 118m- 1。
Abstract: In order to redu ce the in let tem perature of sem i w ater coal gas at the first stage of comp ressor in th e synthetic amm on ia p lant, author h as designed the d irect cool ing tow er of pack ing type, u sing the w ater as the coo ling agent, h as in troduced th e design calcu lation process of the d irect cooling tow er, includ ing the calcu lat ions of tow er selection, determ inat ion of gas/ liqu id rat io, em pty tow er speed, d iam eter of tow er and packing h eigh t etc. , also the check ing of pressu re drop of pack ing layer and spraying den sity, as w ell as design etc. of tow er attachm ents. Produ ct ion runn ing result ind icates that the temp erature of sem i w ater coal gas ou t of the tow er is redu ced from th e form er 42 to 30 below.
1 直冷塔的选型设计
1. 1 设计工艺条件 半水煤气气量为 43 000m3 /h( 标况、干基 ) 。半
水煤气 气体 成 分为 ( CO 2 ) = 7. 0% , ( CO ) = 32. 5% , ( H2 ) = 43. 3% , ( N 2 ) = 17. 2% 。进塔气 体压力为 7. 5 kPa( 表压, 本地大气压为 93. 9 kPa) ,
第 48卷 第 2期 2010年 4月
化 学工 程
化肥设计 Chem ical Fertilizer Design
Apr. 2010
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半水煤气直冷塔的计算与设计
白二川
(原平昊华化工有限公司, 山西 原 平 034100)
摘 要: 为降低合 成氨装置压缩机一段入口的半水煤气温度, 设计了填 料式直接冷却塔, 用水作为冷却剂。介绍了 直冷塔的设计计算过程, 包括塔的选型, 气 液比 的确定, 空 速、塔径、填 料高度 的计 算, 填料层 压降、喷 淋密度 的核 算, 以及塔附件的设计等。生产运行结果表明, 出塔 半水煤气温度由原来的 42 下降到 30 以下。 关键词: 填料塔; 热负荷; 泛点气速; 塔径; 填料层压降; 煤气温 度 中图分类号: TQ 113. 264 文献标识 码: A 文章编号: 1004- 8901( 2010) 02- 0011- 05
1. 3. 3 气液比
进塔操作条件下的半水煤气总量:
n=
42320. 040+
3 064. 18
10 =
2 089.
87 (
km ol /h)
进塔操作条件下的半水煤气总体积:
V=
nRT p
1
=
2
089.
87 ∀ 8. 314 ∀ ( 101. 4
273 +
42)
= 53 976. 15 ( m 3 / h)
mH2 = 1 662. 41( kg) , m N2 = 9 245. 00( kg)。 半水煤气的干气总质量为:
m = mCO2 + m CO + mH2 + m N2 = 34 288. 66( kg) 查气体的定压比热容知: CpCO2 = 0. 84 kJ/ ( kg! ) ,
CpCO = 1. 05 kJ/ ( kg ! ), CpH2 = 14. 31 kJ/ ( kg ! ), CpN2 = 1. 05 kJ/ ( kg! )。 故干煤气放出的热量:
水在 ( 14 + 28 ) / 2 = 21 时 的比 热容 CH2O = 4. 183 kJ/ ( kg! ) , 冷却水用量 WL 计算如下。
W
L
=
Q CH2O ∀
= t
4.
4 517 183 ∀
194. 3 ( 28-
2 14
)
=
77 135.
25
( kg / h) = Leabharlann Baidu7. 14( m3 / h)。
件以及任务要求达到的条件来精确计算。
1. 3. 1 半水煤气的热负荷计算 半水煤气的热负荷计算以每小时为基准
1. 3. 1. 1 干煤气的热量计算
各组分的质量分别为:
m CO 2 =
43
000 ∀ 7. 22. 4
0%
∀ 44= 5 912.
50( kg)
同理: mCO = 17 468. 75( kg) ,
p = 93. 9+ 7. 5= 101. 4( kPa绝 )
42 时半水煤气中水蒸气的质量为:
2 2.
43 000 ∀ 8. 259 4 4 ∀ ( 101. 4- 8. 259 4)
∀ 18=
3 064.
10( kg)
30 时半水煤气中水蒸气的质量为:
2 2.
43 000 ∀ 4. 247 4 4 ∀ ( 101. 4- 4. 247 4)
半水煤气的密度:
放热量 Q汽 = 2 572. 28 ∀ 3 064. 10 - ( 2 549. 3 ∀
1 510. 64+ 125. 60 ∀ 1 553. 46) = 3 835 534. 02 ( kJ) 1. 3. 1. 3 半水煤气的总热负荷
半水煤气的总热负荷:
Q = Q气 + Q汽 = 4 517 194. 32( kJ/ h) 1. 3. 2 冷却水用量