第四章精馏塔设备设计及选型

1、 第四章 设备设计及选型4.1 设备设计标准Ø 钢制压力容器GB150-98Ø 压力容器用钢板GB6654-96Ø 化工装置用不锈钢大口径焊接钢管技术要求HG20537.4-92Ø 安全阀的设置和选用HG/T20570.2-95Ø 设备进、出管口压力损失计算HG/T20570.9-95Ø 钢制化工容器设计基础规定HG20580-98Ø 钢制化工容器材料选用规定HG20581-98Ø 钢制化工容器强度计算规定HG20582-98Ø 钢制化工容器结构设计规定HG20583-98Ø 钢制化工容器制造技

2、术规定HG20584-98Ø 化工设备设计基础规定HG/T20643-98Ø 压力容器无损检测JB4730-2005Ø 钢制压力容器焊接工艺评定JB4708-2000Ø 钢制压力容器焊接规程JB/T4709-2000Ø 钢制压力容器产品焊接试板的力学性能检验JB4744-2007Ø 压力容器用钢锻件JB4726-2000Ø 石油化工塔型设备设计规范SH 3030-1997 4.2 设备设计及选型塔设备是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一，塔可以使气液相或者液液相之间进行紧密接触，达到较为良好的相际传质及传热的目的。

3、在塔设备中常见的单元操作有：吸收、精馏、解吸和萃取等。此外工业气体的冷却与回收、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和减湿等效果。4.2.1 塔设备设计原则Ø 具有适宜的流体力学条件，可使气液两相良好接触；Ø 结构简单，处理能力大，压降低；Ø 强化质量传递和能量传递。4.2.2 塔设备的设计目标作为主要用于传质过程的塔设备，首先必须使气液两相能充分接触，以获得较高的传质效率。此外，为满足工业生产的需要，塔设备还得考虑下列各项要求：（1）生产能力大。在较大的气（汽）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；（2）操作稳定

4、、弹性大。当塔设备的气（汽）液负荷量有较大波动时，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稳定操作；（3）流体流动的阻力小，即流体通过塔设备的压降小。这将大大节省生产中的动力消耗，以降低正常操作费用。对于减压蒸馏操作，较大的压力降还将使系统无法维持必要的真空度；（4）结构简单、材料耗用量小，制造和安装容易。这可以减少基建过程中的投资费用；（5）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器，都不可能完全满足上述所有要求，但是我们可以在某些方面做到独特之处。以此来达到较大的生产效率，提高企业的生产效益。4.2.3 塔设备类型及选择为了便于研究和比较，人

5、们从不同角度对塔设备进行了分类。例如：按操作压力的不同可分为加压塔、常压塔、减压塔；按单元操作可分为精馏塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反应塔和干燥塔；但最常用的分类是按塔的内件结构进行划分，分为板式塔和填料塔。塔型的合理选择是做好塔设备设计的首要环节，选择时应考虑的因素有：物料性质、操作条件、塔设备性能，以及塔设备的制造、安装、运转、维修等。4.2.4 与物性有关的因素（1）易起泡的物系，如处理量不大时，以选用填料塔为宜。因为填料能使泡沫破裂，在板式塔中则易引起液泛；（2）具有腐蚀性的介质，可选用填料塔。如必须用板式塔，宜选用结构简单造价便宜的筛板塔，穿流式塔盘或舌形塔盘，以便及时更换；（3）具

6、有热敏性的物料需减压操作，以防过热引起分解或聚合，故应选用压力降较小的塔型。如可采用装填规整填料或散堆填料等，当要求真空度较低时，也可用筛板塔或浮阀塔；（4）黏性较大的物系，可以选用大尺寸填料。因为板式塔的传质效率较差；（5）含有悬浮物的物料，应选择液流通道较大的塔型，以板式塔为宜。可选用泡罩塔、浮阀塔、栅板塔、舌形塔和孔径较大的筛板塔等，不宜使用填料塔；（6）操作过程中有热效应的系统，用板式塔为宜。因塔板上积有液层，可在其中安放换热管进行有效地加热或冷却。4.2.5 与操作条件有关的因素（1）若气相传质阻力大（即气相控制系统，如低黏度液体的蒸馏，空气增湿等），宜采用填料塔，因填料层中气相呈湍

7、流，液相为膜状流。反之，受液相控制的系统，宜采用板式塔，因为板式塔中液相呈湍流，用气体在液层中鼓泡；（2）大的液体负荷系统，可选用填料塔，若用板式塔时宜选用气液并流的塔型或选用板上液流阻力较小的塔型。此外，导向筛板塔盘和多降液管筛板塔盘都能承受较大的液体负荷；（3）低的液体负荷，一般不宜采用填料塔。因为填料塔要求一定量的喷淋密度，但网体填料能用于低液体负荷的场合；（4）液气比波动的稳定性，板式塔优于填料塔，故当液气比波动大时，选用板式塔。4.2.6 其他因素（1）对于多种情况，塔径小于时，不宜采用板式塔，宜用填料塔。对于大塔径塔设备来说，需进行加压或常压操作时，应优先选用板式塔；对于减压操作过

8、程，宜采用新型填料；（2）一般填料塔比板式塔重；（3）大塔以填料塔造价便宜。因填料价格约与塔体的容积成正比，板式塔按单位面积计算的价格，随塔径增大而减小。 气液传质分离用的最多的为塔式设备。它分为板式塔和填料塔两大类。板式塔和填料塔均可用作蒸馏、吸收等气液传质过程，但两者各有优缺点，根据具体情况进行选择。现将板式塔与填料塔的主要结构特点作简要对比列于表4-1：表4-1 板式塔和填料塔的主要特点比较项目板式塔填料塔备注各块理论板压降约1KPa散装填料约0.3KPa规整填料约0.15KPa每块塔板的开孔率为5%-10%，又有25-50mm清液层，故压降大。压降小是填料塔的主要优点分离效率（HETP

9、）分离效率比较稳定，大塔效率会更高些规整填料的HETP值比板式塔小，丝网的效率更高，新型散装填料与板式塔相当填料塔效率受液体分布影响大，预测比较难，可靠性不如板式塔处理能力与操作弹性操作弹性大规整填料处理能力比板式塔大，在真空和常压塔中为30%-50%，新型散装填料也可比板式塔高些由于填料塔压降低，在高真空塔时还可以使相对挥发度有所上升对高真空操作的适应性（热敏、高沸物料）因压降大较难适应，尤其在高真空板中有多的场合压降小的优点使其特别适用，高真空下应用规整填料会更佳高真空填料塔的液体分布器往往要特殊设计才能达到高的分布质量。且散装填料可能会<Qmin对腐蚀性物料的适应性必须用耐腐蚀性材

10、料制作，往往比较困难或价格太高易用陶瓷性耐腐蚀性材料，较合适对易结垢、易堵塞系统的适应性比较容易解决，清理也较容易不适用易起泡物系较难，塔径、塔高均需要较大值比较合适填料塔的液体分布器需特别留意大直径塔很适合，造价低填料费用上升很大，尤其是丝网规整填料，而且汽液分布均匀较难减压大直径填料塔已有不少成功实例，此时因高效、高处理能力使塔体积减小间歇精馏可以用因持液量少而更合适多进料、轴测线的方便性比较容易实现不太合适因没增加一项，均要增加一个再分布器，结构复杂而造价高，不太合适中间换热易实现较难实施塔的检修容易较难实现，规整填料几乎不可能4.2.7 塔板的选择 塔板的主要特征为气液两相在板面上以气

11、体鼓泡和液体喷射状态完成气液接触，传热和传质有明显的“级”式过程。在实际操作中，塔盘的结构在一定程度上仍然影响着操作的流体力学状态和传质性能的优劣。现将几种主要塔板的性能比较列表如下：表4-2 几种主要塔板的性能比较塔板类型优点缺点适用场合筛板结构简单、造价低、塔板效率高易堵塞、操作弹性较小分离要求高、塔板数较多浮阀效率高、操作范围宽浮阀易脱落分离要求高、负荷变化大泡罩较成熟、操作稳定结构复杂、造价高、塔板阻力大、处理能力小特别容易堵塞的物系舌型板结构简单、塔板阻力小操作弹性窄、效率低分离要求较低的闪蒸塔浮动喷射板压降小、处理量大浮板易脱落、效率较低分离要求较低的减压塔 下表给出了几种主要塔板

12、性能的量化比较：表4-3 几种主要塔板性能的量化比较塔板类型塔板效率处理能力操作弹性压降结构成本泡罩1.01.051复杂1筛板1.21.41.430.5简单0.40.5浮阀1.21.31.590.6一般0.70.9舌型板1.11.21.530.8简单0.50.6 此塔进行产品脱甲苯精馏塔的分离过程，要求生产能力大，产量稳定，效率高，但对操作弹性要求不高，负荷变化不大。综合考虑塔板的效率、分离效果和设备的成本、维修等，我们初步选择目前使用较为广泛的筛板塔，下面通过具体的计算，论证选择筛板是否能满足生产要求。4.2.8 脱甲苯精制塔(T0101)设计及选型4.2.8.1 精馏塔精馏段的设计 1.物

13、性参数 在设计中使用Aspen Plus进行模拟，计算得到精馏段为119块塔板，现将精馏段各个理论板上的计算结果列于下表：表4-4 精馏段各理论板上的流量及物性数据列表塔板序号温度（）压力（Map）液体摩尔流量（kmol/hr）气体摩尔流量（kmol/hr）液体密度（kg/cum）气体密度（kg/cum）液体粘度（P）液体表面张力（N/m）1104.4900.10269003450829.6392.567780.003220.0102108.5760.10217056.30110350828.4352.571250.003170.0103108.7460.10227065.48310506.3

14、827.2802.582070.003120.0094108.8190.10237068.53510515.48826.2792.588020.003090.0095108.8800.10247069.50510518.53825.5002.593030.003070.0096108.9410.10257069.10510519.5824.9412.597130.003070.0097109.0100.10267067.46810519.1824.5592.600510.003040.0098109.0950.10277064.35210517.46824.3042.615870.003000

15、.0089109.2080.10287059.15610514.35824.1312.625990.002980.00810109.3660.10297050.87410509.15824.0092.634990.002970.00811109.5950.1037038.01910500.87823.9182.648780.002960.00812109.9300.10317018.60210488.01823.8452.658410.002950.00813110.4210.10326990.32710468.6822.7812.675830.002950.00814111.1240.103

16、36942.3110440.32821.7222.688980.002950.008（1）气相平均流量和平均密度（2）液相平均流量和平均密度（3）液相平均表面张力和粘度2.初算塔径令，假设，则又查Smith泛点关联图图4-1 Smith泛点关联图得：则气相负荷因子：所以允许有效空塔气速：选取表观空塔气速 所以初算塔径圆整后取3.塔径的初步核算雾沫夹带取，则弓形降液管面积所以则雾沫夹带停留时间根据以上两步核算的结果，可认为塔径是合适的。4.塔板布置设计（1）塔板结构形式降液管主要有弓形、圆形和倾斜弓形三种。现将不同降液管的对比列于下表：表4-5 不同降液管的对比降液管形式弓形圆形倾斜弓形简图特点

17、及适用条件堰与壁之间的全部截面区域均作为降液容积，适用于较大直径的塔，塔板面积利用率较高。在弓形降液管内另装圆管作为降液管，适用于液量较小的情况。此形式有利于塔截面的充分利用，适用于大直径的塔及气液负荷较大的情况。综合以上条件，选取弓形降液管。液体在塔板上的流动路径是由降液管的布置方式决定的。常用的布置方式有以下几种形式：U型流、单流型、双流型、阶梯流型。下表列出了溢流类型、塔径、液体负荷之间的关系。表4-6 液体负荷与板上流型的关系塔径（mm）液体流量（m3/h）U形流单流型双流型阶梯流型10007以下45以下14009以下70以下200011以下90以下90160300011以下110以下

18、110200200300400011以下110以下110230230350500011以下110以下110250250400600011以下110以下110250250450由于反应精馏塔精馏段液体流量为77.34，而初步计算塔径为3.4m，所以选择单流型。（2）堰及降液管设计堰的设计因为受液盘为凹形受液盘，所以没有内堰。堰长则查流体收缩系数图图4-2 流体收缩系数得则堰上清液层高度：由于，所以采用平堰。堰高，圆整后得。所以板上清液层高度因为所以的假设合适。（3）液面梯度查弓形宽度与面积表图4-3 弓形宽度与面积得弓形降液管管宽则平均溢流宽度液体流道长度塔板上鼓泡层高度则液面梯度 液面梯度较小

19、，可以忽略。（4）.降液管的设计降液管的面积降液管管宽假设比少10mm则降液管底部距下一板的间距 （5）.孔布置筛孔按正三角形排列，取筛孔直径，则孔中心距查开孔面积与开孔区面积图图4-4 开孔面积与开孔区面积得开孔率取外堰前的安定区 边缘区的宽度 则查开孔区面积图图4-5 开孔区面积得所以开孔面积查筛孔数求取图图4-6 筛孔数的求取得所以筛孔数5.流体力学计算与校核（1）.干板压降取板厚则查干筛孔的流量系数图图4-7 干筛孔的流量系数得所以（2）塔板压降气相动能因数查有效液层阻力图图4-8 有效液层阻力得液层有效阻力所以气体通过塔板的总压降（3）稳定性校核则即按漏液气速考虑的负荷下限为设计负荷

20、值的（4）.雾沫夹带量校核则雾沫夹带量所以符合要求。（5）.液泛校核因为泡沫液的相对密度为所以所以不可能产生降液管内液泛。 6.负荷性能图（1）漏液线筛板塔的操作有一个下限气速，当气速低于此点时，液体开始从筛孔中泄漏，称为漏液点。取板厚所以 因为所以又联立以上方程可得（2）过量雾沫夹带线以为限，将各数据代入式得：又 联立以上方程可得（3）液相下限线因为以作为规定的液相下限得（4）液相上限线因为以作为液体在降液管中停留时间的下限得（5）液泛线为避免降液管液泛，应满足，其中因为，将hp、hL、hd的计算式代入上式，整理得液泛线根据各线的方程，作出如下筛板塔的负荷性能图7.反应精馏塔上部塔精馏段的设

21、计结果表4-7 反应精馏塔上部塔精馏段的设计结果项目名称数值已知条件气相流量V9.17m3/s气相密度2.617kg/m3液相流量L0.0215m3/s液相密度825.15kg/m3液体表面张力8.6dyne/cm液体粘度0.3038cP设计结果塔型筛板塔径D3.4m塔板间距HT0.45m溢流型式单溢流空塔气速u00.97m/s堰型平堰堰长lw2.04m堰高hw0.06m板上清液层高度hL0.056m降液管底与板距离h00.05m孔径d0.005m孔间距t0.0175m开孔区边缘与塔壁距离 Wc0.05m开孔区边缘与堰距离 Ws0.08m孔数n39500开孔率0.078开孔面积A00.616稳

22、定系数K1.93塔板压降降液管内清液层高度 Hd雾沫夹带 ev4.2.7.2 精馏塔提馏段的设计 1.物性参数 在设计中使用Aspen Plus进行模拟，计算得到精馏段为1533块塔板，现将精馏段各个理论板上的计算结果列于下表：表4-8 精馏段各理论板上的流量及物性数据列表塔板序号温度（）压力（Map）液体摩尔流量（cum/hr）气体摩尔流量（cum/hr）液体密度（kg/cum）气体密度（kg/cum）液体粘度（P）液体表面张力（N/m）15113.6920.103410955.59527.37820.7112.710290.002950.0224216114.0680.103510985.

23、810093.9819.6082.840090.002860.0219717114.1870.103610996.910124.2818.5502.854200.002790.0215618114.2850.103711003.510135.4817.4922.857980.002750.0210919114.3880.103811006.210141.9816.7812.860140.002710.0207620114.5190.103911004.410144.7816.2222.864560.002680.0204121114.7160.10410995.410142.9815.7112

24、.869990.002650.0200122115.0520.104110974.710133.9815.6082.873450.002610.0197423115.6550.104210934.210113.2814.5502.875690.002570.0193824116.7350.104310863.910072.7813.4922.880140.002510.0189425118.5800.104410758.810002.4813.5072.884580.002490.0186226121.4340.104510632.39897.34813.9922.901250.002450.

25、0182327125.2140.104610519.79770.79817.6032.925660.002360.0179628129.3330.104710452.99658.18825.5002.945120.002310.0175429132.9930.104810433.39591.43827.0262.978950.002270.0170930135.7130.104910439.79571.78832.8493.089960.002240.0165731137.4880.10510452.99578.26838.6603.159230.00220.0162132138.5560.1

26、05110463.99591.38842.7983.245940.002180.0159133139.1740.1052861.5329602.46848.4923.251410.002170.01586（1）气相平均流量和平均密度（2）液相平均流量和平均密度（3）液相平均表面张力和粘度2.初算塔径令，假设，则又查Smith泛点关联图图4-10 Smith泛点关联图得：则气相负荷因子：所以允许有效空塔气速：选取表观空塔气速 所以初算塔径圆整后取3.塔径的初步核算雾沫夹带取，则弓形降液管面积所以则雾沫夹带停留时间根据以上两步核算的结果，可认为塔径是合适的。4.塔板布置设计（1）塔板结构形式降液管

27、主要有弓形、圆形和倾斜弓形三种。现将不同降液管的对比列于下表：表4-9 不同降液管的对比降液管形式弓形圆形倾斜弓形简图特点及适用条件堰与壁之间的全部截面区域均作为降液容积，适用于较大直径的塔，塔板面积利用率较高。在弓形降液管内另装圆管作为降液管，适用于液量较小的情况。此形式有利于塔截面的充分利用，适用于大直径的塔及气液负荷较大的情况。综合以上条件，选取弓形降液管。液体在塔板上的流动路径是由降液管的布置方式决定的。常用的布置方式有以下几种形式：U型流、单流型、双流型、阶梯流型。下表列出了溢流类型、塔径、液体负荷之间的关系。表4-10 液体负荷与板上流型的关系塔径（mm）液体流量（m3/h）U形流

28、单流型双流型阶梯流型10007以下45以下14009以下70以下200011以下90以下90160300011以下110以下110200200300400011以下110以下110230230350500011以下110以下110250250400600011以下110以下110250250450由于反应精馏塔精馏段液体流量为107.28，而初步计算塔径为3.4m，所以选择单流型。（2）堰及降液管设计堰的设计因为受液盘为凹形受液盘，所以没有内堰。堰长则查流体收缩系数图图4-11 流体收缩系数得则堰上清液层高度：由于，所以采用平堰。堰高，圆整后得。所以板上清液层高度因为所以的假设合适。（3）液面梯度查弓形宽度与面积表图4-12 弓形宽度与面积得弓形降液管管宽则平均溢流宽度液体流道长度塔板上鼓泡层高度则液面梯度 液面梯度