co2化学吸收工艺的设计及相关问题研究(毕业设计)[管理资料]

电厂燃煤烟气所排放的二氧化碳会造成温室效应和全球气候变化，引发严重的环境问题。因此控制二氧化碳的排放已成为应对气候变暖的最重要的技术路线之一。可以采取多种控制技术控制锅炉烟气中二氧化碳的排放，本文着重介绍了应用广泛的化学吸收工艺技术。

本论文主要对二氧化碳化学吸收法的基本原理、反应机理、工艺流程、应用设备、存在的问题及解决措施作简要的介绍；对二氧化碳化学吸收主体设备作详细的设计，主要包括填料、筒体、塔内件（液体分布装置、填料支承装置、气体分布装置、除沫器）；对填料塔附件作详细的设计，进行强度校核、工程概预算。

通过本设计，尽量解决二氧化碳吸收过程中存在的问题，并对二氧化碳化学吸收工艺的发展前景予以展望。

关键词：二氧化碳吸收，填料塔，设计

Abstract

Carbon dioxide emission from coal-fired power plant flue would cause the greenhouse effect and global climate change and serious environmental problems. Therefore control the emissions of carbon dioxide has become the most important technical routes of response to climate warming .There are many technologies to control emissions of carbon dioxide. This text emphasizes to introduce the chemical absorption process technology of Carbon dioxide which is applied extensively.

The article introduced the basic principles of the chemical absorption process technology of carbon dioxide, reaction mechanism, process, application and the problems presented and solutions to them.; A detailed design to the chemical absorption of the carbon dioxide is made，mainly including packing, shell, internals(liquid distribution device, packing supporting device, bed locator, gas distribution installations, mist eliminator) ; annex to the packed tower for the detailed design, checking for strength, and making the budget.

Through this design, the existed problems are solved as possible as we can and the future development of the chemical absorption process technology of carbon dioxide is introduced.

Key words：Carbon dioxide absorption，Packed tower，Design

目 录

第一章 前 言 ...................................................... 1

引言 ........................................................... 1 研究二氧化碳吸收的意义 ......................................... 1 吸收二氧化碳技术分类 ........................................... 2 几种吸收二氧化碳的方法 ......................................... 2 第二章 吸收塔的设计计算 ............................................. 6

确定塔设备的选型 ............................................... 6 吸收剂的确定 ................................................... 7 吸收剂的确定 ................................................... 8 填料的选择 .................................................... 11 塔径的计算 .................................................... 11 填料层高度的计算 .............................................. 14 吸收塔附件的设计与选用 ........................................ 15 塔高 .......................................................... 24 第三章 吸收塔的强度校核 ............................................ 24

选择材料 ...................................................... 25 按计算压力计算筒体和封头的壁厚 ................................ 25 塔的质量载荷计算 .............................................. 26 塔的自振周期计算 .............................................. 27 地震载荷计算 .................................................. 28 风载荷计算 .................................................... 29 地脚螺栓计算 .................................................. 34 第四章 解吸塔的设计计算 ............................................ 36

平衡线 ........................................................ 36 解吸所需蒸汽量 ................................................ 36 填料的选择 .................................................... 37 塔径的计算 .................................................... 38 填料层高度的计算 .............................................. 39 吸收塔附件的设计与选用 ........................................ 39 塔高 .......................................................... 42 第五章 解吸塔的强度校核 ............................................ 43

选择材料 ...................................................... 43 按计算压力计算筒体和封头的壁厚 ................................ 43 塔的质量载荷计算 .............................................. 44 塔的自振周期计算 .............................................. 45 ............................................................... 46 风载荷计算 .................................................... 47 地脚螺栓计算 .................................................. 51 第六章 辅助辅助设备的设计选型 ..................................... 53

............................................................... 53 ............................................................... 53 ............................................................... 54 第七章 经济分析与工程概算 ......................................... 55

经济分析与评价的意义和基本原理 ................................ 55 工程概算 ...................................................... 56 技术经济分析 .................................................. 56 第八章 结论 ....................................................... 59 参 考 文 献 ........................................................ 60

致 谢 ............................................................ 61 声 明 ............................................................ 62

第一章 前 言

引言

各种含碳物质的燃烧、氧化、人和动物的呼吸活动，都会产生CO2。其中，燃煤产生的CO2所占的比例是最大的。据统计，%，而燃煤电厂主要以烟道气将CO2释放到大气中从电厂排放的烟道气中通常含有13% CO2、73% N2，10% H2O、3% O2和少于1%的各种污染物质。1990-2001年，，占世界同期增加量的27% ；预计到2020年，[1]。

近年来，随着国民经济的快速发展，天然碳资源不断地被消耗，使大气中的CO2含量迅速增加，导致“温室效应”和气候变暖，这给社会和经济带来严重的负面影响。温室效应和气候变暖会带来以下列几种严重恶果：

1)地球上的病虫害增加；2)海平面上升；3)气候反常，海洋风暴增多；4)土地干旱，沙漠化面积增大。

科学家预测：如果地球表面温度的升高按现在的速度继续发展，到2050年全球温度将上升2－4摄氏度，南北极地冰山将大幅度融化，导致海平面大大上升，一些岛屿国家和沿海城市将淹于水中，其中包括几个著名的国际大城市：纽约，上海，东京和悉尼[2]。

因此，减少CO2的排放量，改善气候变暖和温室效应是当务之急。

研究二氧化碳吸收的意义

温室效应、气候变暖是近年来国际政治、经济、科学和环境等领域最为关注的课题。据报道，约60%的温室效应由CO2产生，因此控制CO2的排放已成为应对气候变暖的最重要的技术路线之一。

中国于1998年5月签署并于2002年8月核准了《京都议定书》。虽然作为发展中国家，中国目前还没有被要求履行《京都议定书》，但是要求我国减排CO2的国际压力和环境压力越来越大，而且温室气体的减排直接影响到一个时期国民经济的发展，因此，我国必须保持适当的减排率，充分发挥科技进步在经济发展和气候保护方面的作用，以技术创新控制CO2的排放。同时，CO2作为化工原料、致冷剂、油田增产剂、惰性介质、溶剂和压力源等在国民经济各部门有着广泛的用途。为了

保护环境和充分利用资源，各国科学家都开始了CO2的减排和利用的研究工作[3]。

吸收二氧化碳技术分类

二氧化碳的处理技术一般分可为从大气中分离固定和从燃放气中分离回收两大类。

煤基电站主要有三类：一是传统的燃煤电站；二是整体煤气化联合循环电站( IGCC) ；再就是富氧燃烧电站。现在，绝大多数商业运行的燃煤电站是传统的燃煤电厂，只在欧美等有极少几个商业运行的IGCC电站和中试的富氧燃烧电站[4]。CO2 捕集主要有：

(1) 燃烧后捕集。CO2捕集是将低浓度的CO2进行富集，这样更容易进行封存和利用。燃烧后捕集，即在燃烧排放的烟气中进行捕碳。理论上讲，该技术路线适合于任何一种火力发电。但是，通过燃烧系统产生的烟气通常压力接近于大气压，而且CO2的浓度低(10%～15%)，含有大量的氮气，产生的气体流量巨大，捕集系统庞大，需耗费大量的能源。

(2) 燃烧前捕集。燃烧前捕集主要运用于IGCC系统中。由于IGCC一般为高压富氧气化(>20×105Pa)，产生的煤气经过水煤气变换后，主要含有H2和CO2，气体压力和CO2的浓度都很高。在此时对CO2进行富集，捕集系统小、能耗低，加上在其他污染物控制以及效率上的潜力，这种路线得到了广泛关注。近年来，很多国家都重新提出并开始了IGCC发电的项目。国内除了国家电网公司的烟台IGCC项目外，华能、大唐、中电投等发电集团也开始在实质性推进IGCC项目。但IGCC发电技术仍存在投资成本高、可靠性还有待提高等问题。

(3) 富氧燃烧技术。富氧燃烧仍采用传统燃煤电站的技术流程，只是通过制氧技术，将空气中大比例的N2脱除，直接采用高浓度的氧气与抽回的部分烟气的 混合气体来替代空气，这样烟气中将直接得到高浓度的CO2气体，可以直接进行处理和封存。现在，在欧洲已有在小型电厂进行改造的富氧燃烧的项目。该技术路线遇到的最大的困难是制氧技术的投资和能耗太高，现在还没找到一种廉价低耗能动技术。

几种吸收二氧化碳的方法

物理法分离处理二氧化碳技术主要有：物理吸收法、膜分离法、物理吸附法等。

1. 物理吸收法

通过交替改变二氧化碳与吸收剂(有机溶剂)之间的操作压力和操作温度以实现二氧化碳的吸收和解析，从而达到分离处理二氧化碳的目的。在整个过程中不发生化学反应，因而所需的能量消耗相对较少。一般讲来，有机溶剂吸收二氧化碳的能力随着压力增加和温度下降而增大，反之则减小。

物理吸收法其关键在于确定优良的吸收剂。对吸收剂的要求是：对二氧化碳的溶解度大、选择性好、沸点高、无腐蚀、无毒性、化学性能稳定。常见吸收剂有丙烯酸酯、N-甲基-2-D吡咯烷酮、甲醇、乙醇、聚乙二醇及噻吩烷等高沸点有机溶剂，以减少溶液损耗和蒸气外泄[5]。

分离CO2的典型物理吸收法是Norton公司的聚乙二醇二甲醚法（Selexol法）和Lurgi公司低温甲醇法（Rectisol法)。这两种方法都属于低温吸收过程。Selexol法的吸收温度一般在-10～15℃；Rectisol法的吸收温度一般在-75～0℃。另外，这两种技术能够同时脱除CO2和H2S，且净化度较高[6]。

2. 膜分离法

膜分离法是利用一些聚合材料，如醋酸纤维和聚酰亚胺等制成的薄膜对不同气体具有不同的渗透率这一特性来分离气体，其中包括分离膜和吸收膜两种类型。

工业上用于二氧化碳分离的膜材质主要有醋酸纤维、乙基纤维素、巨苯醚及聚砜等。近些年来，随着材料科学的迅速发展，涌现出不少性能优异的新型膜质材料，如聚酰亚胺膜、聚苯氧改性膜、二胺基聚砜复合膜、含二胺的聚碳酸酯复合膜及含相对分子质量低的丙烯酸脂的浸膜等，它们均表现出了良好的二氧化碳渗透性。随着高分子材料的不断发展和制膜技术的不断完善，膜分离法在从燃放气中分离二氧化碳方面一定会大有作为。

3. 物理吸附法

物理吸附法是利用固态吸附剂(活性炭、天然沸石、分子筛、活性氧化铝和硅胶等)对原料混合气中的二氧化碳进行有选择性的可逆吸附作用来分离回收二氧化碳的技术。吸附剂在高温(或高压) 条件下吸附二氧化碳，降温(或降压) 后将二氧化碳解吸出来，通过周期性的温度(或压力)变化，实现二氧化碳与其他气体的分离。采用吸附法时，一般需要多座吸附塔并联使用，以保证整个过程中能连续地输入原

料气，连续地取出二氧化碳气及未吸附气体[7].

物理吸附法有变压吸附法( PSA)、变温吸附法(TSA)等。相对来说，由于TSA热惯性较大，所以系统庞大。PSA是更适合于电厂捕碳的物理吸附技术，原理是利用气体组分在固体材料上吸附特性的差异以及吸附量随压力变化而变化的特性，通过周期性的压力变换过程实现气体的分离或提纯。

化学法分离处理二氧化碳主要包括化学吸收法及碳氢化合物转化法等。 1. 化学吸收法

化学吸收法是利用CO2的酸性特点，采用碱性溶液进行酸碱化学反应吸收，然后借助逆反应实现溶剂的再生。一般使用有机胺类化合物作为吸收剂，利用吸收塔和再生塔组成系统对CO2进行捕集，吸收后的液体加热到100℃左右，放出高浓度的CO2后重新再生利用[8]。

反应式为：

RNH2H2OCO2RNH3CO2

化学吸收法是使原料气和化学溶剂在吸收塔内发生化学反应，二氧化碳进入溶剂形成富液，富液进入脱吸塔加热分解出二氧化碳，吸收与脱吸交替进行，从而实现二氧化碳的分离回收。其关键是控制好吸收塔和脱吸塔的操作温度和操作压力。 化学吸收工艺的流程如下图所示：

图1-1 化学吸收工艺的简单流程[9]

烟气进入系统，化学吸收剂和CO2分别进入吸收器中，发生化学反应后形成松散的中间化合物。中间化合物的形态为液体，然后被单独输送至再生容器中，通过加热分解成吸收剂和CO2。CO2然后被冷凝并经过脱水、压缩、最后被储存，用于商业应用或封存。

影响化学吸收效率的参数包括废气流速，废气中CO2的含量，CO2的去除率，溶剂流速，所需的能量等。

化学吸收法有两个显著的优点：它能产生相对纯净的CO2气流；它的技术已经成熟，已实现商业化。采用化学吸收法进行燃烧后捕获技术将增加70%的发电成本。吸收剂能减少能量损失，并能降低化学吸收过程的成本[10]。

2. 碳氢化合物转化法

碳氢化合物转化法是在催化剂作用下，将二氧化碳转化为甲烷、丙烷、一氧化碳、甲醇及乙醇等基本化工原料的方法。日本东北电力公司以铑-镁为催化剂，可使二氧化碳与氢按1∶4 (体积比) 的比例，在一定的温度与压力下混合，生成甲烷。日本东芝公司采用一种工程上更为可行的原料配合，直接用燃放气与以氢为基底的乙炔混合，利用电子束或激光束激励，生产甲醇和一氧化碳，一氧化碳作为原料，可进一步合成甲醇。碳氢化合物转化法还处于实验室研究阶段，距离工业大规模实用阶段尚远。

物理-化学法

目前，物理-化学法主要是二氧化碳分解法。该法是借助高能射线或电子射线等放射线，对排出的含有大量二氧化碳的燃放气进行辐射，使其中的二氧化碳分解为一氧化碳和氧气，一氧化碳在经过高能辐射，转而生成C3O2和O2[11]。

这种方法，尚处于基础研究阶段，要实现工业化，还有大量技术问题需要解决。

第二章 吸收塔的设计计算

确定塔设备的选型

烟气量：

40000 m3/h（160oC时）

≥95%

CO2回收率：

吸收塔操作温度：38~45oC 再生塔操作温度：110~120oC 吸收液（MEA溶液）浓度：15%~20%

表2-1 烟气成分及其含量

成分 含量

N2 %

CO2 %

O2 %

根据以上参数及吸收液的性质，将吸收塔和再生塔均设计为填料塔。 填料塔是化工分离过程的主体设备之一，与板式塔相比，具有生产能力大，分离效率高、压降小、操作弹性大塔内持液量小等突出特点，因而在化工生产中得到广泛应用。

填料塔结构如下图所示：

图2-1 填料塔结构

吸收剂的确定

确定吸收塔操作条件为： 温度： 压力： 平衡线

缺少CO2在15%MEA溶液、40oC时的溶解度数据，%重量的MEA溶液中的溶解度，并把分压转化为操作压力下的气相摩尔分数y：

表2-2 不同压力下CO2气相、液相摩尔分数的变化

p，mmHg

y x

1

5

10

30

50

70

100

200

40oC 1atm

由上表可得所需的平衡曲线。

0.40.350.30.250.20.150.10.0500.30.350.40.45X

Y0.50.550.60.65图2-2 平衡曲线

吸收量的确定

y1 12.0%

（2-1） y2 y（ 12.0%（1－95%） 0.6% 11－）Y0.12)  0.136 （2-2） 1 y1/(1－y1)  0.12/(1－Y2 y2/(1－y2)  0.006/(1－0.006)  0.006 （2-3）

式中：Y1——进口混合气体中吸收质与惰性气体的摩尔比； Y2——出口混合气体中吸收质与惰性气体的摩尔比；

y1——进口气相溶质的摩尔分数；

y2——出口气相溶质的摩尔分数；

x1——出口液相溶质的摩尔分数； x2——进口液相溶质的摩尔分数。

~ mol CO2/mol MEA，使用低压解吸塔， mol CO2/mol MEA，故可取：x2 0.15

吸收塔温度：

40273313K

15%MEA溶液的比重：

L 0.996g/mL

运动粘度：

 0.82 cSt

MEA分子量：M=，MEA溶液的粘度：

LL 0.820.996  0.82 cP

质量浓度：

99615% 149.4 kg/m3

摩尔浓度：

149.4/61.1  2.44 mol/L

入塔烟气密度：

2-4）

（mN2mCO2mO2)TG(22.4103（0.8428440.12360.036）103273（/40  273）122.41031.17 kg/m3

烟气摩尔流量：

nQGT273Vm 40000（273160）273 22.4103 1.13106mol/h质量流量：

G=n3G mN2mCO2mO210 1.13106（0.8428440.12360.036）103 3.36104kg/h惰性气体流量：

G'MnG1y1.13106（1－0.12） 9.92105mol/h

查平衡曲线，y1=，x1*=， 最小气液比为：

(G'Mx*1－x2L')maxMy1－y20.572－0.150.136－0.0121

3.41式中：x1*——与气相溶质摩尔分数成平衡的液相溶质摩尔分数 液体最小流量：

(L'M)min2.91105mol/h L'M（1.2~2.0）(L'M)min

，则

（2-5）

（2-6）

（2-7） （2-8）

（2-9）

(LM') 1.5(LM')min 1.52.91105 4.37105mol/h

MEA溶液量：

L'ML M x24.3710561.1103=

0.15 1.76104kg/hGM'x1 （y1－y2） x2'LM9.9210（0.136－0.0121） 0.15 54.3710 0.43 5（2-10）

（2-11）

填料的选择

本设计采用瓷拉西环。具体参数见下表[12]：

表2-3 瓷拉西环结构特征参数（D=80mm）

公称直径/mm 个数/(1/m3) 堆积密度/(kg/m3)

80 1910 714

孔隙率/% 比表面积/(m2/m3) 填料因子/[(干)]m-1]

76 243

塔径的计算

液体浓度： 气体浓度： 气体密度： 液体密度： 液体运动粘度：

L  1.76105kg/h G  3.36104kg/h

G1.17 kg/m3

L996 kg/m3

L 0.82 cP

XWLG0.5() WGL（2-12）

式中：ρV ——气体密度

ρL ——液体密度 因此：

1.761051.17X43.3610996查泛点气速关联表[13]可知：

0.50.17

图2-3 Eckert 泛点气速关联表

可得：Y= 又因为：

u2Yfg(gL0.2)()0.05Lw

式中：uf——泛点气速，m/s； Ф——实验填料因子，m-1； φ——水的密度与液体密度的之比； ρG——气体密度，kg/m3； ρL——液体密度，kg/m3； 可知：

Yg0.5uL0.2fG0.50.059.89962431.170.820.21.78ms

对于一般的空塔气速u，取：

u0.6~0.8uf，

而MEA溶液容易起泡，：

u0.5uf0.7ms烟气流量：

VQT2T136004000027340127316036008.03m3s因此：

D4V8.03u40.73.82m 取圆整：D=4m。

校核填料直径与塔体直径的比： dD80400015011810 符合要求。

并且塔径大于填料环径的20~30倍，填料的预先选择也是可取的。（2-13）

（2-14）

（2-15）

（2-16）

（2-17）

填料层高度的计算

－GM'dY  kGaP（y－y*）dh

式中：kGa ——以体积分数差为推动力的传质系数。 由操作线及平衡线图可知：y*≈0

y*——与液相溶质摩尔分数成平衡的气相溶质摩尔分数。 故得：

（2-18）

－GM'dY  kGapYdh1Y

Y11YhdY

Y2kpYGkGa随液体中CO2的浓度而变，这里采用下式来计算kGa：

kGa F（LL2/3（1.8t32）-3.4p）[ 15.7M（x*－x）e0.0067]

（2-19）

式中： L —— 液相重量流速，kg/(m2·h)，

L 1.76105（//42.02） 5.610kg/mh42（2-20）

M—— 溶液中MEA摩尔浓度，mol MEA/L；

M 2.44 mol/L

F—— 根据填料类型和尺寸而定的系数，80mm瓷质拉西环的F=

(~)×10-3，这里取F= ×10-3。

L——液体粘度，μL=；

p——操作压力，p=1atm； t——操作温度，t=40 oC

而x*可由平衡曲线得到。

GM'X  ' x2LM（Y－Y2） 3.3610 0.15(4.37105)(Y－0.0121)Yp1atm 1Y4（2-21）

用辛普生法作数值积分[14]，计算如表2-4（n = 6）：

表2-4 积分结果

i 0 1 2 3 4 5 6

Y

X

Xe

p KG·a (1+Y)/(KGa·PY)

HY2Y11YdYKGPY（2-22）

0.1360.012142.1421.2281.09821.4831.1225.331.114

180.203从而填料层高：

h  992/（/44.02）0.203 15.98 m

取整到h=16m，分两层填料。

吸收塔附件的设计与选用

液体分布装置

填料塔操作时，在任一横截面上，保证气液的均匀分布都是十分重要的。对于任一装填完毕的填料塔，气速的分布是否均匀，主要取决于液体分布的均匀程度。因此，液体在塔顶的初始均匀喷淋，是保证填料塔达到预期分离效果的重要条件。

实际上，液体初始不良分布，相当于损失了一段填料高度。因此，正确设计液体分布装置是十分重要的[15]。

为了满足不同塔径、不同液流量以及不同均布程度的要求，液体分布装置有多种结构型式。

最简单的液体分布装置是单管喷淋器，有直管式、弯管式和缺口式等样式。单管的喷洒面积小、均匀性很差，只适用于塔径小于300mm且对喷淋均匀性要求不高的场合。

目前常用的喷淋装置主要是多孔型和溢流型两类，以及冲击式分布器。 多空型分布装置又分为多种型式：多孔直管式喷淋器、多管式喷淋器、排管式

喷淋器、环管式喷淋器和筛孔盘式分布器等。这里选用环管式喷淋器中的多环管喷淋器。如图2-4所示：

图2-4 多环管喷淋器

工作原理是液体由垂直的中心管引入，经水平主管通过环管上的小孔喷淋。其小孔直径为3~8mm，~.

多环管喷淋器参数：

根据塔径是4000mm，查表可得： 主管直径：600mm； 环管圈数：4圈；

排管外缘直径：3100mm； 最大体积流量：300m3/h。 填料支承装置

填料支承装置对保证填料塔的操作性能具有重大作用。纵使填料本身的通过能力很大，如果支承装置设计不当，液泛仍将提前到来，使塔的生产能力降低。因此设计合理的支承结构是非常重要的。

对填料支承装置的基本要求是：有足够的强度以支承填料的重量；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；耐腐蚀性能好；

便于用各种材料制造；以及安装拆卸方便等。

典型的填料支承是气体喷射式支承板，如图2-5所示：

图2-4 气体喷射式支承板

气体喷射式支承板的结构特点是：对气体和液体提供了不同的通道，于是气体容易进入填料层内，而液体也可自由排出，既避免了液体在板上的积聚，又有利于液体的均匀再分配。

气体喷射式支承板有两种结构：钟罩型和梁型。这里采用梁型气体喷射式支承板。梁型气体喷射式支承板可提供超过100%的自由截面，更重要的是由于支承板凹凸的几何形状，填料装入后，仅有很小一部分开孔为填料所堵塞，从而保存了足够大的有效自由截面。下图为梁型气体喷射式支承板外观：

图2-5梁型气体喷射式支承板

梁型气体喷射式支承板的结构型式见图2-6和2-7所示：

图2-6 支承板波形尺寸

图2-7 DN2600~4000mm 支承板结构示意图

液体再分布装置

当液体沿填料层向下流动时，有流向器壁形成“壁流”的倾向。结果是液体分布不均匀，降低传质效率，严重时使塔中心的填料不能被湿润而形成“干锥”。为了提高塔的传质效率，必须安装液体再分布装置，作用是收集上一填料层的液体，并使其在下一填料层均匀分布。

液体再分布装置的结构设计与液体分布装置相同，但需配有是以的液体收集装置。这里采用的是多孔盘式再分布器。如下图所示：

图2-8 多孔盘式再分布器

气体分布器

，则需要性能更好地气体分布装置。采用大塔的气体分布装置。 除沫器

当空塔气速较大，塔顶溅液现象严重，以及工艺过程不允许出塔气体夹带雾滴的情况下，设置除沫器可用于分离塔顶出口气体中夹带的液滴，以保证传质效率、减少有价值物料的损失及改善下游设备的操作条件。

工业上常用的除沫装置有折板除沫器、丝网除沫器，以及旋流板除沫器。此外，还有链条型除沫器、多孔材料除沫器及玻璃纤维除沫器等。在分离要求不严格的操作场合，还将干填料层作除沫器用[16]。

图2-9 丝网除沫器

丝网除沫器具有比表面积大，重量轻，空隙率大以及使用方便等优点。尤其是它具有除沫效率高，压力降小的特点，是最常用的除沫器。本次设计采用丝网除沫器。这里采用高效型网固定式丝网除沫器。如下图所示：

图2-10 高效型丝网

固定式丝网除沫器分上装式丝网除沫器和下装式丝网除沫器，根据塔径是4000mm可知，设计应选用上装式丝网除沫器。 填料压板

填料压板主要有两种形式，一种是栅条形压板，另一种是丝网压板。丝网压板是用金属丝编织的大孔金属网焊接于金属支撑圈上，压板可制成分块结构，入塔后用螺栓连接。因为本设计中塔径大于1200mm，需要附加压铁才能达到所需压强。压板的外径比塔的内径小25~38mm。 进出料接管

，设计选择用于大塔的进气管；

，设计采用设置在塔顶封头上的出气管。 裙座

由于裙座于介质不直接接触，也不承受容器内的介质压力，因此可不受压力容器用材所限制，可以选用较经济的非受压元件碳素钢材料，但由于裙座对整个塔器而言是个至关重要的元件，支撑整个塔器，如他破坏将直接影响塔器的正常使用。并且裙座所耗费材料对整个他而言不多，提高他的用材要求，在经济上不会造成太多的费用。

裙座的选材除满足载荷要求外，还要考虑到塔的操作工况、塔釜头的材料等因素。对于在室外操作的塔，还要考虑环境温度。

常用的裙座材料为Q235-B和16MnR。当裙座设计温度低于0℃时，材料的选择及检验要求按照GB150《钢制压力容器》，至材料应具有在相应温度下的冲击韧性要求。这里选用16MnR。

裙座的结构形式有圆筒形和圆锥形两种，圆筒形裙座制造方便。圆锥形裙座可提高设备的稳定性，降低基础环支承面上的应力，在此设计中采用圆锥形裙座，如下图所示：

图2-11 圆锥形裙座

裙座与塔体的连接采用焊接。焊接接头采用对接型式。如下图所示：

图2-12 对接型式

（4）裙座筒体上端面至塔釜椭园封头切线距离h

根据塔径是4000mm，查表可得：裙座筒体上端面至塔釜椭园封头切线距离为100mm。 地脚螺栓座

地脚螺栓座的结构有多种型式

：外螺栓座结构型式为常用型式，这种结构对地脚螺栓预埋或不预埋均适用。

设计采用外螺栓座结构，地脚螺栓个数为24个。 开孔

压力容器开设手孔和人孔是为了检查设备的内部空间以及安装和拆卸设备的内部构件。人孔设置一般在气液进出口等需经常维修清理的部位，应设人孔

人孔的选择应考虑设计压力，实验条件，设计温度，物料特性及安装环境等因素。

人孔应采用HG21514标准。 人孔补强

由于本设计中，人孔直径较大，所以，应设计人孔补强。本设计中所选用的人 孔筒节内径为2000mm，壁厚10mm，故补强圈尺寸为：补强圈内径2030mm，外径

为3000mm，补强圈的厚度按下式估算：

补de2000(101.8)16.9mm D2D130002030（2-23）

取补强圈厚度为17mm。 封头

根据吸收塔的公称直径查得适合的封头尺寸，如下表：

表2-5 椭圆形封头的尺寸、内表面积和容积（JB/T4337-95）

公称直径DN

(mm) 4000 塔高

曲面高度 h1

(mm) 1000 直边高度 h2

(mm) 40 内表面积 Fh （mm2）

容积Vh (mm3) 上下封头高度各为1m；；；由于分两个填料层，因此喷淋器、填料层、布水器、支承、再分布器各两个，；塔底空间取2m；裙座高度为5m。整个塔高为：

H120.90.324.62534.8m

第三章 吸收塔的强度校核

选择材料

筒体与封头材料选用16MnR，裙座材料选用Q235-A[17]。 查表可得：

表3-1所选塔体材料规格参数：

钢号 16MnR Q235-A

钢板标准 GB 6654 GB 912

使用状态 热轧，正火 热轧，正火

厚度（mm） 6～16 3～4

σt（MPa） σs（MPa） 510 113

345 235

20oC下的许用应力

170 113

按计算压力计算筒体和封头的壁厚

筒体

SpcDi2pct（3-1）

0.101400025100.850.1010.47mm

式中：pc——压力，MPa；

Di——塔体内径，mm；

t[] ——为设计温度t下筒体材料的许用应力，MPa； ——为焊接接头系数； C——为壁厚附加量，mm

取钢板厚度为10mm，在钢板厚度范围内，符合要求。 封头

封头采用标准椭圆性封头：

SpcDiK20.5pct（3-2）

0.1014000125100.850.50.1010.47mm

加上壁厚附加量C=2mm，并圆整，还应考虑刚度，稳定性及多种载荷等因素，取筒体、封头和裙座的名义厚度Sn均为12mm。

SeSnC12210mm

塔的质量载荷计算

圆筒和裙座质量

m201=(D0D2i)h=3.14(4.02242)34.88000=140217(kg)

人孔、法兰、接管和附属物质量

ma＝0.25 m01＝0.25140217＝35054 kg

保温材料质量

m03=4[( D20+0.1)-D20] h3.144(4.122-4.02)34.8300 =7985.5 kg 平台、扶梯质量

m044D02s2B2D022s12nqpqFHF44.0220.120.924.0220.1212415050406342kg式中：qp——平台单位质量，取150kg/m2；

HF——扶梯高度，取40m；

qF——笼式扶梯单位质量，取50kg/m2； n——平台数量。 操作时塔内物料质量

（3-3）

（3-4）

（3-5）

（3-6）

2m054DiZ填料=3.1444216714

=143485kg 充水质量

mw=4D2i H0 w2Vfw=3.1444234.81000+28.881000=454848 kg

全塔操作质量

m0＝m01＋m02＋m03＋m04＋m05＋ma14021707985.5634214348535054 333083.5kg 全塔最小质量

mminm01＋2m02＋m03＋m04＋ma14021707985.5634235054 189598.5kg 全塔最大质量

mmax m01＋m02＋m03+m04+ma＋mw14021707985.5634235054454848644446.5kg 塔的自振周期计算

TH3190.33Hm0ESD310ei90.33348007874973480031.71051240003101.44s

式中：T1—— 塔的基本自振周期，s；

（3-7）

（3-8）

（3-9）

（3-10）（3-11）（3-12）

H —— 塔的总高度，mm；

E —— 塔壳体材料在设计温度下的弹性模量，MPa； Se —— 塔壳有效壁厚，mm； Di —— 塔壳内径，mm。

结果取2s

地震载荷计算

由表3-2查得：

max0.45（设计地震烈度8级）。

由表3-3查得：

Tg0.3

（Ⅱ类场地土，近震）。

表3-2 地震影响系数α的最大值

设计地震烈度

Αmax

7

8

9

表3-3 场地土的特征周期Tg/s

场地土 Ⅰ Ⅱ

近震

远振

场地土 Ⅲ Ⅳ

近震

远振

地震影响系数：

T1gT1

0.90.3max0.451.440.11

0.9（3-13） （3-14）

结构综合影响系数：

Cz0.5 H348008.715Di4000

不用考虑高振型影响。

风载荷计算

风力计算

安装在室外的支撑式塔设备，可视为支撑在地基上的悬臂梁。塔设备在风力作用下，一方面产生顺风向的弯矩，即风弯矩，它在迎风面塔壁和裙座体壁上产生拉应力，背风面一侧产生压应力。另一方面是气流在塔的背后引起周期性旋涡，产生垂直于风向的诱发振动弯矩。诱发振动弯矩只在塔的H/D较大、风速较大时比较明显，一般可忽略不计。需要考虑时，可将诱发共振弯矩与弯矩按矢量相加。 当塔高大于20m，按下式计算：

K2i1izifi（3-13）

式中：ξ——脉动增大系数， νi——脉动影响系数， Φzi——振型系数，

表3-4 脉动增大系数ξ

塔体自振周期T(s)

动力系数ξ

< 1

1

表3-5 脉动影响系数νi

距地面高度m 脉动影响系数

10

20

30

40

2

2

3 4 ≥5 3

表3-6 振型系数Φzi

相对高度hit/H

振型系数

表3-7 风压高度变化系数

距地面高度Hit m 风压高度变化系数

5

10

15

20

30

40

危险截面取为： ① 0-0截面为裙座底截面； ② 1-1截面为裙座人孔处截面；

③ 2-2截面为裙座与塔釜封头焊接缝面。 各塔段高度为：

图3-1 塔体及裙座机械计算简图

第一段h1=；第二段h2=；第三段h3=2m；第四段h4=；第五段h5=；第六段h6=。 各塔段的风振系数计算如下：

表3-8 各塔段的风振系数

塔段号 计算截面距地面高度hit/m 脉动增大系数（B类） 脉动影响系数i（B类） 振型系数zi

风压高度变化系数fi（B类）

K2i11 0..01

2 6

3 8

4

5

6

izifi

设笼式扶梯与塔顶管线成90°角，取平台构件的投影面积Σ=，则Dei取下式计算值中的较大者。

Dei＝D0i＋2is＋K4d02ps式中，Doi——塔设备各计算段的外径。

塔和管线的保温层厚度： 塔顶管线外径：d0=225mm；

Dei＝D0i＋2is＋K3＋K4

（3-14）

isps100mm

K3400mm；

K42Ali。

式中：K3——笼式扶梯当量宽度，mm； K4——操作平台当量宽度，mm。 各塔段Dei计算结果列于表3-9.

表3-9 各塔段的有效直径/mm

塔段号 塔段长度li

K3 K4 Dei

1 1600

2 4400

3 2000

400

4 12250

5 12250

6 2300

625 5270

227 4874

500 5145

由下式计算各塔段的水平风力：

6PKKqflD10i12i0iiei

（3-15）

式中：K1 ——体型系数，；

K2i ——塔设备各计算段的风振系数； q0 ——基本风压值，N/m2； fi ——风压高度变化系数。

各段有关参数及计算结果列于下表：

表3-10 各塔段水平风力计算结果

塔段号

K1 K2i q0/(N/m2)

fi li/mm Dei/mm Pi/N

风弯矩计算

1 1600 5270

2 4400 4874

3

350 2000 5145

4 12250

5 12250

6 2300

根据下式计算风弯矩：

M11Wlili2li1PiPi1liPi2lili1222Pnlili1li2ln（3-16） 2

式中：Pi——塔第i段的水平风力，N。 0-0截面：

00MWP1ll1llP2l12P3l1l23P4l1l2l342222lP5l1l2l3l452lP6l1l2l3l4l562160044002000694.14539.616002563.9160044002221225027839.416004400200021225043812.5160044002000122502122509660.816004400200012250122502555280172504801794730039323152511555546882548036001.84109Nmm1-1截面：

11MWP2

ll2lP3l23P4l2l34222l5l6P5l2l3l4P6l2l3l4l52244002000122504539.62563.9440027839.4440020002221225043812.544002000122502122509660.8440020001225012250299871201384506034868848510854546883576911201.82109Nmm

2-2截面：

M22l32Pl4llWP34l32P5l53l42P6l3l4l5622563.92000227839.4122502000243812.5200012250122502

9660.8200012250122501225022563900226195125892679687.53151836001.44109Nmm地脚螺栓计算

地脚螺栓承受的最大拉应力

M00wmmingBZbAb

式中：Zb——基础环的抗弯截面系数，mm3；

Ab——基础环的面积，mm2

ZD4obD4ibb32Dab3.1443004370043243003.5109mm3

AbD24obD2ib3.14430023700243.77106mm

式中：Dob——基础环外直径，mm； Dib——基础环内直径，mm。 将已知数据带入公式得：

3-16）3-17）3-18） （

（

（

Mw00mmingBZbAb1.841092135559.893.5103.771060.29MPa

地脚螺栓直径

因为σB>0，故此塔设备必须安装地脚螺栓。 取地脚螺栓个数n=24，地脚螺栓材料的许用应力

4BAbd1nbt40.293.771063.142417018.48(mm)

表3-11 螺栓根径与公称尺寸对照表

螺栓公称尺寸 螺栓根径d1/mm

M24

M27

M30

M36

M42

M48

M56

bt170MPa

（3-19）

查表3-11，取地脚螺栓为M24。以上各项计算均满足强度条件及稳定性条件。

第四章 解吸塔的设计计算

解吸塔操作温度：120oC 操作压力：1 atm

以下计算假定加热到120oC的MEA溶液的浓度仍为15%

平衡线

%MEA溶液、120oC时CO2的溶解度数据。

表4-1 不同压力下CO2气相、液相摩尔分数的变化

p，mmHg Y

X，100oC时 X，120oC时

1 —

5 —

10 —

30 —

50 —

70

100

200

解吸所需蒸汽量

x2 0.38，y2 0.45 x1 0.15，y1 0

式中：y1——进口气相溶质的摩尔分数； y2——出口气相溶质的摩尔分数；

x1——出口液相溶质的摩尔分数； x2——进口液相溶质的摩尔分数。 液气比：

(L'/G')max0.45－00.38－0.15 1.96

Y2－Y1X2－X1（4-1）

L' 4.37105mol/h G'min 2.23105mol/h

，则：

G' 1.42.23105 3.12105mol/h

L'Y2 GY1X2－X14.37105  0 52.2310(0.38－0.15) 0.45回流比：

'（4-2）

Ｒ 3.12105（/4.37105(0.38－0.15)） 3.1

操作温度：

t120273393K

（4-3）

MEA溶液密度：

%、 mol CO2/mol MEA的MEA溶液的运动粘度：

L0.40 cSt

LLL 0.400.960  0.38 cP

蒸汽的体积流率：

V  3.1210522.4103（273120）/273 1.0104m3/h， 质量流率：

L960 kg/m3

（4-4）

G  3.1210518103 5.61103kg/h

密度：

G G/V 0.561 kg/m3

（4-5）

填料的选择

本设计中选用塔料为拉西环瓷质填料。具体参数见下表：

表4-2 瓷拉西环结构特征参数（D=80mm）

公称直径/mm

个数/(1/m3) 堆积密度/(kg/m3) 80 1910 714 孔隙率/% 比表面积/(m2/m3) 填料因子/[(干)]m-1] 76 243

塔径的计算

液体浓度： 气体浓度： L  1.8105kg/h G 5.61103kg/h气体密度：

G0.561 kg/m3液体密度： L960 kg/m3 液体粘度：

L 0.82 cP因为：

XWLW(G)0.5 GL式中：ρV ——气体密度；

ρL ——液体密度。 根据以上数据，可得：

1.81050.5X0.5615.611039600.761

查关联表可得：

Y0.03

0.5u0.039.89600.2f24310.5610.381.6msu0.7u

f1.12ms

烟气流量：

V40000273402731201360013.95m3s

D4Vu13.9541.123.9m 取圆整 ：

D4m

4-6）4-7） （

（

填料层高度的计算

解吸塔的填料高度，通常不是根据严格的计算而是凭经验确定的(见<<气体净化>> P32)，这里只作简单估算（等板高度法）[18]。

由操作线及平衡线，理论塔板数：

NT5

填料层用于吸收（脱吸）~，这里取HETP 1.8m。 则填料层高：

h51.89 m

吸收塔附件的设计与选用

液体分布装置

液体初始分布器设置于填料塔内填料层顶部，用于将塔顶液体均匀分布在填料表面上，液体初始分布器性能对填料塔效率影响很大，特别对于大直径、低填料层的填料塔，尤其需要性能良好的液体初始分布装置。

这里选用排管式喷淋器。排管式喷淋器是目前应用较为广泛的分布器之一。液体进入排管喷淋器的方式是：由垂直的中心管引入，经水平主管通过支管上的小孔喷淋。

排管式喷淋器一般用不锈钢制造。排管式喷淋器见下图所示：

图4-1 排管式喷淋器

排管式喷淋器参数： 主管直径：500mm 支管排数：7个

排管外缘直径：3850mm

填料支承装置

填料支承的主要目的是支撑其上方的填料及填料的持液质量。设计时应考虑要有足够的强度和刚度，同时，应避免在此发生液泛。支承板的通量要大，阻力要小，安装要方便，最好具有一定的气液均一功能。

一般地，只有栅板型多用于规整填料塔，其他几种形式则多用于散堆填料。这里选用钟罩型气体喷射式支承板。 液体再分布装置

液体再分布装置的结构设计与液体分布装置相同，但需配备适宜的液体收集装置。在设计液体再分布装置时，应尽量少占用塔的有效高度。液体再分布装置分为分配锥、改进分配锥、多孔盘式再分布器、梁型再分布器和复合式再分布器。本设计中采用多孔盘式再分布器。 气体分布器

，则需要性能更好地气体分布装置。采用大塔的气体分布装置。 除沫器

本设计中采用丝网除沫器。丝网除沫器具有比表面积大、质量轻、空隙率大以及使用方便等优点，尤其是它具有除沫效率高，压力降小的特点，使它成为一种广泛使用的除沫装置。如下图所示：

图4-2 丝网除沫器

填料压板

丝网压板是用金属丝编织的大孔金属网焊接于金属支撑圈上，压板可制成分

块结构，入塔后用螺栓连接。因为本设计中塔径大于1200mm，需要附加压铁才能达到所需压强。 进出料接管

，设计选择用于大塔的进气管；

，设计采用设置在塔顶封头上的出气管。 裙座

常用的裙座材料为Q235-B和16MnR。当裙座设计温度低于0℃时，材料的选择及检验要求按照GB150《钢制压力容器》，至材料应具有在相应温度下的冲击韧性要求。这里选用16MnR。

裙座的结构形式有圆筒形和圆锥形两种，圆筒形裙座制造方便，经纪商合理。圆锥形裙座可提高设备的稳定性，降低基础换支承面上的应力，在此设计中采用圆锥形裙座. 地脚螺栓座

地脚螺栓座的结构有多种型式

：外螺栓座结构型式为常用型式，这种结构对地脚螺栓预埋或不预埋均适用。

设计采用外螺栓座结构，地脚螺栓个数为24个。 开孔

压力容器开设手孔和人孔是为了检查设备的内部空间以及安装和拆卸设备的内部构件。人孔设置一般在气液进出口等需经常维修清理的部位，应设人孔。

人孔的选择应考虑设计压力，实验条件，设计温度，物料特性及安装环境等因素。人孔应采用HG21514标准。 人孔补强

由于本设计中，人孔直径较大，所以，应设计人孔补强。本设计中所选用的人 孔筒节内径为2000mm，壁厚10mm，故补强圈尺寸为：补强圈内径2030mm，外径为3000mm，补强圈的厚度按下式估算：

补de2000(101.8)16.9mm D2D130002030（4-8）

取补强圈厚度为17mm。 封头

根据吸收塔的公称直径查得适合的封头尺寸，如下表：

表2-5 椭圆形封头的尺寸、内表面积和容积（JB/T4337-95）

公称直径DN

(mm) 4000 塔高

曲面高度 h1

(mm) 1000 直边高度 h2

(mm) 40 内表面积 Fh （mm2）

容积Vh (mm3) ；；出气管高为1m；喷淋器、填料层、布水器、支承、；塔底空间取2m；。因此，整个塔高为：

H11.0420.4212.524.522.5m

第五章 解吸塔的强度校核

选择材料

筒体与封头材料选用16MnR，裙座材料选用Q235-A。

表5-1 所选塔体材料规格参数：

钢号 16MnR Q235-A

钢板标准 GB 6654 GB 912

使用状态 热轧，正火 热轧，正火

厚度（mm）

6～16 3～4

σt（MPa） σs（MPa）

510 113

345 235

20oC下的许用应力

170 113

按计算压力计算筒体和封头的壁厚

筒体：

SpcDi2pct（5-1）

0.101400025100.850.1010.47mm

式中：pc——压力，MPa；

Di——塔体内径，mm；

t[] ——为设计温度t下筒体材料的许用应力，MPa； ——为焊接接头系数； C——为壁厚附加量，mm

取钢板厚度为10mm，在钢板厚度范围内，符合要求。 封头采用标准椭圆性封头：

SpcDiK20.5pct（5-2）

0.1014000125100.850.50.1010.47mm

加上壁厚附加量C=2mm，并圆整，还应考虑刚度，稳定性及多种载荷等因素，

（5-3）

取筒体、封头和裙座的名义厚度Sn均为12mm，

SeSnC12210mm

塔的质量载荷计算

圆筒和裙座质量

m2201=(D0Di)h=3.14(4.02242)22.58000=90658(kg)

人孔、法兰、接管和附属物质量

ma＝0.25 m01＝0.2590658＝22664.5 kg

保温材料质量

m03=4[( D20+0.1)2-D0] h3.144(4.122-42)22.5300

=5163.1 kg 平台、扶梯质量

m4D2D210402s2B02s2nqpqFHF44.0220.120.924.0220.1212415050406342kg式中：qp——平台单位质量，取150kg/m2； HF——扶梯高度，取40m；

qF——笼式扶梯单位质量，取50kg/m2； n——平台数量。 操作时塔内物料质量

5-4）5-5）5-6）5-7）（

（

（

（

2m054DiZ填料=3.1444216714

=143485kg 充水质量

m2w=4Di H0 w2Vfw=3.1444222.51000+28.881000=300360 kg

全塔操作质量

m0＝m01＋m02＋m03＋m04＋m05＋ma9065805163.1634214348522664.5268312.6kg 全塔最小质量

mminm01＋2m02＋m03＋m04＋ma9065805163.1634222664.5 124827.6kg 全塔最大质量

mmax m01＋m02＋m03+m04+ma＋mw9065805163.1634222664.5300360 425187.6kg 塔的自振周期计算

T0H190.33HmES1033eDi90.3322500714258.9225001.710512400031030.71s

式中：T1 —— 塔的基本自振周期，s

（5-8）

（5-9）

（5-10）（5-11）5-12）

5-13）

（（ H —— 塔的总高度，mm

E —— 塔壳体材料在设计温度下的弹性模量，MPa Se —— 塔壳有效壁厚，mm Di —— 塔壳内径，mm

由表3-2查得：

max0.45（设计地震烈度8级）。

由表3-3查得：

Tg0.3

（Ⅱ类场地土，近震）。

表5-2 地震影响系数α的最大值

设计地震烈度

Αmax

7

8

9

表5-3 场地土的特征周期Tg/s

场地土 Ⅰ Ⅱ

近震

远振

场地土 Ⅲ Ⅳ

近震

远振

地震影响系数：

Tg1T1

0.90.3max0.450.710.21

结构综合影响系数：

0.9（5-14）

Cz0.5 H225005.615Di4000

不用考虑高振型影响。

风载荷计算

风力计算

安装在室外的支撑式塔设备，可视为支撑在地基上的悬臂梁。塔设备在风力作用下，一方面产生顺风向的弯矩，即风弯矩，它在迎风面塔壁和裙座体壁上产生拉应力，背风面一侧产生压应力。另一方面是气流在塔的背后引起周期性旋涡，产生垂直于风向的诱发振动弯矩。诱发振动弯矩只在塔的H/D较大、风速较大时比较明显，一般可忽略不计。需要考虑时，可将诱发共振弯矩与弯矩按矢量相加。

当塔高大于20m，按下式计算：

K2i1izifi

（5-15）

式中：ξ——脉动增大系数， νi——脉动影响系数， Φzi——振型系数，

表5-4 脉动增大系数ξ

塔体自振周期T(s)

动力系数ξ

< 1

表5-5 脉动影响系数νi

距地面高度m 脉动影响系数 10 20 表5-6 振型系数Φzi

相对高度hit/H

振型系数

30 40 1

2

2

3 4 ≥5 3

表5-7 风压高度变化系数

距地面高度Hit m 风压高度变化系数

5

10

15

20

30

40

危险截面取为： ① 0-0截面为裙座底截面； ② 1-1截面为裙座人孔处截面；

③ 2-2截面为裙座与塔釜封头焊接缝面。 各塔段高度为：

第一段h1=；第二段h2=；第三段h3=2m；第四段h4=；第五段h5=2270m。 各塔段的风振系数计算如下：

表5-8 各塔段的风振系数

塔段号

计算截面距地面高度hit/m 脉动增大系数ξ（B类） 脉动影响系数

1

2

3

4

5

i（B类）

振型系数zi

风压高度变化系数fi（B类）

K2i1izifi

设笼式扶梯与塔顶管线成90°角，取平台构件的投影面积A0.5m，则Dei取下式计算值中的较大者。

2Dei＝D0i＋2is＋K3＋K4式中，Doi——塔设备各计算段的外径，mm

塔和管线的保温层厚度

Dei＝D0i＋2is＋K4d02ps

（5-16）

isps100mm；

塔顶管线外径：

d0225mm

K3400mm 2AK4li

式中：K3——笼式扶梯当量宽度，mm； K4——操作平台当量宽度，mm。 各塔段Dei计算结果列于表3-7.

（5-17）

表5-9 各塔段的有效直径/mm

塔段号 塔段长度li

K3 K4 Dei 637 5282 227 4872 1 1570

2 4410

3 2000 400 500 5145 800 5445 440 5085 4 1250

5 2270

由下式计算各塔段的水平风力：

6PKKqflD10i12i0iiei

（5-18）

式中：K1 ——体型系数，；

K2i ——塔设备各计算段的风振系数； q0 ——基本风压值，N/m2； fi ——风压高度变化系数；

各段有关参数及计算结果列于下表：

表5-10 各塔段水平风力计算结果

塔段号 K1 K2i q0/(N/m2)

fi li/mm Dei/mm Pi/N

1 1600 5235

2 4400 4837

3

350 2000 5060

12250

12250

2300

4

5

6

根据下式计算风弯矩：

lll11MWPiiPi1lii1Pi2lili1i2222式中：Pi——塔第i段的水平风力，N。

Pnlili1li2ln（5-19） 2

0-0截面：

00MWP1ll1llP2l12P3l1l23P4l1l2l342222llP5l1l2l3l45P6l1l2l3l4l5622160044002000689.54505.116002521.5160044002221225027338.8160044002000 21225043024.6160044002000122502122509499.216004400200012250122502551600171193801765050038616055011347738253669066001.92109Nmm1-1截面：

11MWP2ll2lP3l23P4l2l34222llP5l2l3l45P6l2l3l4l5622440020004505.12521.54400221225027338.844002000 21225043024.644002000122502122509499.2440020001225012250299112201361610034241847010659344653517078801.78109Nmm

2-2截面：

M22WPl3PlPll6324l3425l3l452P6l3l4l522521.52000227338.8200012250243024.6200012250122502

9499.22000122501225012250225215002221277508766262253099114001.41109Nmm 地脚螺栓计算

地脚螺栓承受的最大拉应力

M00wmmingBZbAb

式中：Zb——基础环的抗弯截面系数，mm3；

Ab——基础环的面积，mm2

ZD4obD4ibb32Dab3.1443004370043243003.5109mm3

A2bD24obDib3.14430023700243.77106mm

式中：Dob——基础环外直径，mm；

Dib——基础环内直径，mm。 将已知数据带入公式得：

5-21）5-22）5-23）（

（

（

Mw00mmingBZbAb1.92109140316.99.893.5103.771060.65MPa（5-24）

地脚螺栓直径

因为σB>0，故此塔设备必须安装地脚螺栓。

取地脚螺栓个数n=24，地脚螺栓材料的许用应力[σ]bt=170Mpa。

d14BAbnbt（5-25）

40.653.771063.142417027.7(mm)

表5-11 螺栓根径与公称尺寸对照表

螺栓公称尺寸 螺栓根径d1/mm

M24

M27

M30

M36

M42

M48

M56

查表5-11，取地脚螺栓为M36。

以上各项计算均满足强度条件及稳定性条件。

第六章 辅助辅助设备的设计选型

热量的计算

热量衡算方程：

Qms1Cp1t2t1

式中，msi——冷流体的质量流率，kg； Cp1——冷流体的定压比热，kJ/kg·K； t1，t2——冷流体的进出口温度，K。

将数据带入上式，得：

Qms1Cp1t2t19.31393313

744kJ/s744kW根据热量选择GH-6型列管换热器，管子规格Ф20×15mm，，300mm，。

计算风机鼓风量

在吸收过程中，CO2为12%，。

假设氧气利用率为20%，则需要理论空气量为：

mg0.48/21%/20%11.4kg/s

空气密度ρ=，则风机鼓风量为：

Vmgg11.41.29.8m3/s35280m3/h

（6-1）筒体直径是（6- 2）

选择风机

根据鼓入塔内空气量35280m3/h =588m3/min来选择风机的型号。本设计中选用上海帕潮鼓风机制造有限公司生产的多级离心鼓风机。主要参数见下表：

表6-1 D600风机性能表

风机型号 D600

流量（m3/min）

20~600

出口风压（KPa）

~

电机功率（Kw）

22~200

图6-1 D600多级鼓风机

，用泵将吸收液提升至进液口，，选用离心泵的参数如下：

表6-2 40-200(I)A泵的综合性能参数

型号 40-200(I)A

流量Q

(m3/h)

扬程 m 42

效率 % 45

转速 r/min 2900

电机功率 kw 4

第七章 经济分析与工程概算

经济分析与评价的意义和基本原理

经济分析与评价的意义

设计是科学研究与工程应用的桥梁，是科技转化为生产力的途径，是新的技术研究成败的关键。设计过程本身也是技术与经济相结合的过程，在设计中需要对技术方案进行技术经济计算与分析评价，从经济上对技术进行优化，以期得到更完美的技术。因此，重视技术经济指标分析，比较不仅能使工程造价最低，也是促进生产力发展的一个重要动力。 经济分析与评价的基本原理

经济分析与评价的目的是追求费用最小或者效益最大。

在满足功能目标(特定需要)的前提下，追求所支出的全生命(服务)期费用最小。特别是像脱硫除尘这类以环境保护、提高环境质量、维护生态效益、提高人民生活质量、维持经济和社会的可持续性发展为基本任务的工程项目，往往是以满足上述功能目标为前提的，这样的项目应以追求生命(服务)期费用最小为原则。

项目的服务期费用包含了与项目有关的一切费用，如项目的前期费用、建设期费用(含制造、购买、建设、安装、试运行等)、生产期运营费用以及工程寿命期结束时的拆除费用。

效益最大化就是指工程全服务期的效益是最大化的。当一项工程或一个技术方案的经济效益比较容易定量地进行计算时，效益最大化应是项目经济评价所追求的目标。

经济效益（E）=总产出-总投入 或 经济效益（E）=总产出/总投入 经济效益（E）=总投入-总产出/总投入

工程概算

编制依据

1．定额(指标)

参照类似工程结算资料。 2．材料价格

采用当地市场信息价。 3．设备价格

工艺设备及通用设备价格根据制造厂近期报价、订货价及其他类似工程的设备价格资料进行计算，设备运杂费按设备原价的8%计。

4．工程建设其他费用及预备费 根据本工程的实际情况进行估算。

本工程不计固定资产投资方向调节税和涨价预备金。 投资概算[19]

1．工程费用

工程费用投资概算采用估算的方法，具体费用见表。 2．其他费用

其他费用包括设计、监理、报建费用等，估算为180万元，预备费100万元，总共280万元。

3．静态投资

建筑工程费用为955万元，设备及工器费用为1230万元，安装费用为530万元，其他基建工作费用250万元，则工程静态投资2965万元。

技术经济分析

投资总额

总投资包括建设资金和生产流动资金两部分。本工程总投资3730万元，其中：工程静态投资3000万元，建设期利息650万元，流动资金80万元。 职工定员

热电厂采用三班三运转连续工作制，年工作时间为7648小时，节假日不停产。

职工总定员为30人，其中：生产工人18人，管理、技术及非生产人员12人。 生产成本计算

本燃煤电厂按40000 m3/h处理能力计算年运行费用，生产负荷为处理烟气量的百分之百。

燃煤电厂年运行费用有以下几项费用组成。 1．动力费用

燃煤电厂的动力费用主要是电费。电费由两部分电价组成，即：基本电价+电度电价。基本电价以电变压器的容量（kVA）按月计算。

动力费用还包括燃料和水费。 2．药剂费

烟气处理过程中必须投加的药剂的费用。本工艺烟气处理所需的药剂为MEA。 3．工资福利费

热电厂职工每年的平均工资及福利费。 4． 大修理基金提存

企业用于固定资产大修理的专用资金。 5．日常检修维护费

固定资产的备用件、低值易耗品和经常需要的维护修理费用。

表7-1 运行成本计算的基本数据

项目或费用名称

烟气量 电机等设备 总功率 电费单价 变压器容量

基本数据 项目或费用名称 单位

3

40000 基本电价 元/h m/h

kW 897 人均年工资福利费 元 KVA 2300 大修理基金提存率 %

元/度 日常检修维护费 % 48 % 元/（kVA·月） 管理费及其他

单位

基本数据 350 20000

表7-2 年运行成本计算

序号 1 2 3 4 5 6

项目或费用名称

电费 药剂费 职工福利费 大修理基金提存 日常检修维护费 管理费及其他

单位 万元 万元 万元 万元 万元 万元

基本数据 180 280 360 190 120 220

总计1350万元。

第八章 结论

通过对二氧化碳化学吸收工艺的设计，以及对填料塔的设计，得到下列结论： 化学吸收法是利用CO2的酸性特点，采用碱性溶液进行酸碱化学反应吸收，然后借助逆反应实现溶剂的再生，达到净化回收二氧化碳的目的。它能产生相对纯净的CO2气流，并且这项的技术已经成熟，实现商业化。

化学吸收工艺回收二氧化碳的效率高，采用的吸收剂能减少能量损失，并能降低化学吸收过程的成本。

因此二氧化碳化学吸收工艺是一种技术成熟，应用广泛的净化二氧化碳的方法。

参 考 文 献

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[2]毛玉如，张永刚，张国胜，[J].锅炉制造，2003，45（1）：20~22. [3]黄斌，刘练波，许世森，[J].电力设备，2008，9（5）：3~6. [4]张学模，储政，[J].化学工业与工程技术，2001，22（2）：14~23. [5]李天成，冯霞，[J].化学工业与工程，2002，19（2）：191~196.

[6] Mandal B P，Bandyopadhyay S S. Simultaneous absorption of carbon dioxide and hydrogen sulfide into aqueous of 2-amine-2-methyl-1-propanol and diethanolamine[J].Chemical Engineering Science，2005，60：6438~6451.

[7]晏水平，方梦祥，张卫风，[J]. 化工进展， 2006，25（9）：1018~1024. [8]宿辉，[J].环境科学与管理，2006，31（8）：7~11.

[9] Mimura T，Matsumoto K，lijuma M，et al. Development and application of flue gas carbon dioxide recovery technology Proceedings of the fifth international conference on greenhouse gas control technologies，Caims，Australia，2001：138~142. [10]陈航，[J].工业污染防治，2005，25（94）：117~133. [11]Meier，， Weinstein Engineering ，9（11）：71~77， [12]匡国柱，[M].：化学工业出版社，2007，197~231. [13]郝吉明，[M].：高等教育出版社，2002，235~252. [14]路秀林，王者相，[M].：化学工业出版社，2004，158~200.

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[21]张卫风，晏水平，[J].浙江大学学报，2007，41（12）：2077~2081.

致 谢

衷心感谢我的指导教师朱玲在数据处理、设计设备分析、论文创作中所给予的帮助，以及整个毕设过程中对我的无微不至的关心。当我在设计的过程中遇到困难的时候，朱老师耐心地为我讲解，鼓励我不断地在学习上取得进步。

感谢北京石油化工学院环境工程系的其他各位老师对我在学习上的帮助与支持。感谢我的家人和朋友一直以来对我的关心和支持。

声 明

本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作的总结。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

签名： 日期： 年 月 日星期