塔设备设计计算说明书

一、概 二、塔的设计规 三、塔的设计原 四、塔设备的选 五、反应精馏塔T0104的设 精馏段和反应段设 物性参 填料的选 工艺尺寸概 填料层水力学校 填料层附件设 反应精馏塔精馏段及反应段的设计结 提馏段计 初算塔 塔径的初步核 塔板布置设 堰及降液管设 流体力学计算与校 反应精馏塔提馏段的设计结 提馏段的水力学校 六、塔高的计 七、塔的强度校 八、接管设 一、概塔器是气—液、液—液间进行传热、传质分离的主要设备，在本系统共有塔10个，其中一个是用于亚硝酸甲酯的再生的反应精馏，一个用于甲醇吸收，一个用于MN提馏，其7个用于精馏。二、塔的设计规《钢炉和压力容器用钢板 GB713—《钢制化工容器设计基础规定 HG/T20580—《钢制化工容器材料选用规定 HG/T20581—《钢制化工容器强度计算规定 HG/T20582—《钢制化工容器结构设计规定 HG/T20583—《钢制化工容器制造技术规定 HG/T20584—《化工设备设计基础规定 HG/T20643—《压力容器无损检测 JB4730—《钢制压力容器焊接工艺评定 JB4708—《钢制压力容器焊接规程 JB/T4709—《钢制压力容器产品焊接试板的力学性能检验 JB4744—《压力容器用钢锻件 JB4726—三、塔的设计原四、塔设备的选但对于T0104反应精馏塔，压降不大，分离要求高，对产物的纯度要而对于甲醇吸收塔和MN提馏塔，则使用高效规整填料，有效节能。具体选择结果如下表塔设备初选结塔填料板式通过计算确定了塔径、塔板数、塔高等参数，并对塔的其它参数进行了选择。塔设备的设计结果见塔设备一览表。此处以T0104反应精馏塔的设计为例。五、反应精馏T0104的设反应过程中生成的水可能会合N 或 反应生成硝酸，亚因此亚硝酸甲酯再生反应选择反应精馏又因为亚硝酸甲酯再生反应是有动力学控制的快速反应，其主反r0.384exp(19560)P1P0它的动力学方程 NO因此，在进行T0104设计时我们把T01043段，包括精馏入到CO偶联工段，为了更好的使气液两相接触，精馏段和反应段精馏段和反应段设物性参在设计中使用AspenPlus进行模拟，计算得到精馏段和反应段共精馏和反应段各理论板上的流量及物性

液相质量气相质液相体积相体积

液相密度气相密

液相

表面张流 流 流 72.5192775.23455152045.5550052.7203.9318 745.57025.8162750.301978 75.2345575.50183151422.8 204.7511 739.54565.7993960.297307 75.5018375.54093151286.8 204.7351 738.93945.7970250.296923 75.5409375.56782151194.8 204.6151 738.92335.7958540.296895 75.5678276.82653311052.4573008.6420.8951 5.8212330.296912 76.8265376.51398305379.8 413.6502 738.25615.7971250.293706 76.5139875.91122294624.6556580.9398.5288 739.28065.7592720.295265 75.91122 .6543332.9379.8502 740.75685.7122090.297924 75.13472 .9527854.3358.0558 742.61585.6560830.301407 74.1671872.96436248222.2510178.6333.2167 744.92715.5906090.305869 72.9643671.44976228486.1490442.6 0.311589 71.4497669.44546207185.9469142.5275.8328 751.12885.4376330.31894 69.4454660.91653188392.8450349.5 754.44945.4649730.328286 112.3613113.5219215373.6111228.2310.8095 692.94415.1732960.230299AspenPlus模拟的T0104vaporMassflowfromMassflowvaporto6VolumeVolumeMolecularMolecularwtDensityliquidfromliquidfromvaportoliquidDensityViscosityViscositySurfaceFoamingtoliquid-填料的选填料名材型倾水力直比表面密空隙不锈填料名材型倾水力直比表面密空隙不锈工艺尺寸概①泛点气速与空塔气采用Bain-Hougen关联式，可以计算填料的泛点液相质量流量wL311052.4kg气相质量流量wv573008.606kg液相体积流量VL420.895m3/h0.1169m3/气相体积流量VS98434.2375m3/h27.342m3/气相密度v5.8212kg/m3液相黏度0.297cp空隙率填料因子比表面积a125m2重力加速度对金属孔板波纹填料，常数A=0.291，K=1.75，得泛点uF1.90m/油组分可近似看做 物系，且为加压操作，取泛点率：

故空塔气速u1.33ms②气相动能因子与气相负荷F Cs③塔径计塔横截面④填料装填计等板高度取HETP0.8m；理论板数NT13，则填料层高ZHETPNT填料堆积设计高度Z'1.2Z12.48m填料装填体积VZ'S填料装填质量MZ'S填料层分h13HETP130.810.4m段为4m第二段和第三段每一段为4.5m。⑤喷淋密m3（m2·h的表面润湿性能

U

21.4m3/(m2查询《工业塔新型规整填料应用手册（主编在密度过小，可用增大回流比或采用液体再循环的方法加大液体流⑥塔板压对于125X金属孔板波纹填料，查询规整填料的性能参数填料层的压降

p1.3104Mpam1工作状态下，填料层总压降p22.51.3104⑦持液积存的液体体积，以（m3液体/m3填料，%）表示，持液量可分为静持液量使用Leva关联式进行 总持液量H0.143VL060.1430.116906 填料层水力学校利用Cuptower，对设计进行水力学校规整填料工艺参基本信1项目名2客户名7塔板名3项目8计算4装置名9校核5塔的名日7/20/20157:136塔段说工艺设计条顶底气相条1质量流2密3体积流4粘液相条5质量流6密7体积流8粘9表面张工艺计算结1液泛分%2气体动能因3液体喷淋密4单位填料层5空塔气6泛点气7气体负荷因8流动参/9填料层总压塔的结构参1填料类/6塔m2材/不锈7填料层高m3比表面8持液%4空隙%9每米理论/5倾斜°Pa00.3-操作负荷性能顶底1操作点横坐/2操作点纵坐3备填料层附件液体分布装堰槽式液体分布器还有诸如堵塞可能性小、对气流阻力小、分布受设施。按一般要求，设计保证水平度最大偏差5mm。为了保分布器等直接向厂家。计算得到的填料装填高度13m，因此将填料层分为3段；其中精馏段填料4m；反应段9m，分2段每4.5m。3段填料层需要2套液体收集与再分布装置。填料支撑填料支撑的基本要求规整填料常用的填料支撑的尺寸和负荷如下表注：塔径大于或等于2700mm的填料支撑要增加中间支撑撑，其空隙率比较大，采用金属材料，其空隙95%~97%范围。而合理，以便从人孔送入塔内填料床层固定装除雾装气体分布装由于塔填料是一个低压降的传质设备,依靠气相的自分布在填料塔内很难达到均匀分布。尤其对于大型的填料塔,一旦气相在塔内分布不均匀,势必影响到大型填料塔的分离或传热效果。对于大型填料大型精馏塔常用的再沸器为热虹吸式再沸器，再沸气体从塔底进入精馏塔时，气量特别大，因此采切向环流。气体经过梯级排列的导气板，向动，再从塔的中部上升，达到均匀分布的目的反应精馏塔精馏段及反应段的设计结 气相流量

V气相密度 V液相流量 液相密度

液体表面张力 液体粘度 填料外径d 空隙率 0.985m3D堆积密度D

53500个 130.8m- 130.8m- 泛点气速 单位压降Z

1.3104支承 圆筒液体分布 槽式分布提馏段计在设计中使用AspenPlus进行模拟，计算得到提馏段为块塔板，现将精馏段各个理论板上的计算结果列于下表液相质量流气相质量流液相体积气相体积 液相量量流量液相密气相密度表面张CC 113.5219113.8752 310.6373 689.98015.1125350.229818 113.8752114.0712 310.1639 689.03585.0842620.229825 114.0712114.3781 309.2841 688.88815.0562250.229767 114.3781115.4148 306.2087 4.9784160.229492①气相平均流量和平V21536.98m3/h5.982m3/v5.05785kg/②液相平均流量和平L309.073m3/h0.08585m3/③液相平均表面张力19.7789dyne/初算塔令HT0.8m，假设hL0.08mL1/

HThL又 LVV

查Smith泛点关联

Smith泛点关联0 19.77890 则气相负荷因子：C

0.12

689.407所以允许有689.407

0.1197 1.392m/选取表观空塔气速u0.8umax0.81.39243.14所以初算塔径D43.14又因为精馏段和反应段的塔径为5m,考虑实际情况D

4

塔径的初步雾沫夹取lw0.7D0.753.5m，Af0.09AT所以W 0.33496m/ A 则雾沫

3ev停留时

kg/kg气0.1kgkg HThf HTL

0.81.7662516.46s5s根据以上两步核算的结果，可认为塔径D5m是合适的塔板布置设（1）表7.9不同降液管的对简弓圆

综合以上条件，选取弓形降液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、液体负荷之间的关液体流量（m3U745119011110111101111011110由于反应精馏塔精馏段液体流量为309.073m3h，而初步计算塔径为5m，所以选择阶梯式双溢流型。堰及降液管堰的设堰长lw0.7D0.753.5m则 wl2w查《化工原理》第二版第164页流体收缩系数得E

L w由于0.006m<how0.06m，所以采用平堰堰高hwhLhow0.080.05680.0232m ，圆整后得hw0.03m。所以板上清液层高度h'hh 0.030.05680.868m 因为hL’所以hL的假设合适液面梯查弓形宽度与面积得弓形降液管管宽Wd0.15D则平均溢流宽度blwD3.55 液体流道长度Z1D2Wd520.75塔板上鼓泡层高度hf2.5hL h)则液面梯度 )(1000bhf3 液面梯度较小，可以降液管的设降液管管宽Wd0.15D假设h0比hw则降液管底部距下一板的间hohw0.01孔布筛孔按正三角形排列，取筛孔直径d05mm，

则孔中心距t得开孔率A0/Aa0.078取外堰前的安定区Ws0.08m边缘区的宽 Wc xDWW50.080.75rD

2.50.06 x1.67 Aa9.0m2a所以筛孔数n1.155Aat气体通过阀孔的气速u0

8.521m/流体力学计算与校d0查干筛孔的流量系数得C0

)所以h0.0512(u0)2V0.0512( 2 0.0426m液)c 塔板压气相动能因数F0 19.164查有效液层阻力得液层有效阻力hl

所以气体通过塔板的总压降hphlhc0.0460.04260.0886m液稳定性校 0.002325m液柱

4(0.0056+0.13hL-V(0.0056+0.13hL-V沫夹带量校hf2.5hL2.50.08则雾沫夹带 3e kg/kg气0.1kgkgv HThfv所以符合要求液泛校 4lhd 0.15343.50.024l w0

HdhLhdhp0.080.01440.0886因为液的相对密度为Hdh0.1830.030.275m 所以不可能产生降液管内液泛提馏段高度H4HETP40.8反应精馏塔提馏段的设计结表7.13反应精馏塔提馏段的设计结 液相流量L液相密度

液体表面张力 液体粘度 设计结 塔开孔区边缘与塔壁距离开孔区边缘与堰距离开孔率0.0886m降液管内清液层高度0.183m雾沫夹带kgkg提馏段的水力学校结构数塔板编号(实际#—塔板层1塔内径板间距液流程2开孔率堰长堰高底隙/降液管宽受液盘宽受液盘深堰平塔板形普通筛筛孔校

校核结塔板编#—溢流强度停留时间降液管液泛阀孔动能因单位塔板压降液管内线速度降液管底隙速度基本信1项目名7校核2装置名8日3塔的名9说4塔板编号(实际#—计算选用的理论#5塔板层1塔板编号(理论6塔板形分段说工艺设计液气1质量流7质量流2密8密3体积流9体积流4粘粘5表面张安全因/6体系因/充气因/塔板结构1塔m6孔#2板间m7开孔密3塔截面8溢流程/249堰的形/5开孔%溢流区尺两中1%2堰径%3降液管顶部宽m4弯折距m5降液管底部宽m6m7m8堰m9m降液管顶部面降液管底部面顶部堰m底部堰mmm普通筛孔1筛孔孔m52孔间m63748工艺计算正常操120%80%1空塔气234孔56气78相对kg液/100kg---9溢流强流动参/mm液面梯mm干板压m总板压m雾沫夹kg液/kg%降液管内液体高m降液管停留时s降液管内线速降液管底隙速降液管底隙阻m稳定系/降液管最小s负荷性能图参123操作上限百分-4操作下限百分-55%漏液时动能因610%漏液时动能因-X液相体积流量 B Y气相0-1-单流程塔 双流程塔2-3-4-5-高的计（2)查阅资料知，塔顶空间Ha＝1.2－1.5m，取塔顶空间（不含封头高度塔底空2.50183m3/min，则塔底贮液面高度为塔底空间封头的选选择标准椭圆封头，封头高度为塔H133.21.21.8860.91.921.25227.236m七、塔的强度校用SW6对计算结果进行校塔设备校计算单湖南理工学院—计算条塔板式+填容器分段数（不包括裙座1压力试验类封上封下封材料名名义厚度腐蚀裕量22焊接接头系封头形椭圆椭圆圆筒设计压设计温长度名义厚内径/外径材料名称(即钢号123456789圆筒腐蚀裕纵向焊接头系环向焊接头系外压计算度试验压(立试验压(卧12023456789内件及偏心载介质密塔釜液面离焊接接头的高塔板分段12345塔板型筛塔板层4每层塔板上积液最高一层塔板高最低一层塔板高填料分段12345填料顶部高填料底部高填料密集中载荷12345集中载000集中载荷高000集中载荷中心000心线距塔器附件及基塔器附件质量基本风2基础高塔器保温层厚保温层密3裙座防火层厚防火层密3管线保温层厚最大管线外笼式扶梯与最大管线的相对置场地土类I场地土粗糙度类A设防烈7度设计分第一影响系数最大值阻尼塔器上平台总5平台宽塔器上最高平台塔器上最低平台风载及载裙座与筒连接1－1(筒体1－1(下头操作质量m0m01m02m03m04m05ma最小质量m0m010.2m02m03m04ma压力试验时质风弯矩MIIPl/2 (l /2) (li/2)nMca(I)MII(2/T)2Ym(hh)(h knk顺风向弯MII顺风向弯MII组合风弯矩 max(MII,(MII)2(MII)2 nMIIF(hh注:计及高振型时,B.24 k00000 max(MIIM,MII0.25MIIM 需横风向计算时 max(MIIM,MII0.25MIIM 计算结地脚螺栓及地基础环板抗弯断面模 (D4D4Z (D2D2基础环板面积Ab 4基础环板计算力矩max(MxCxbmaxb,MC l y基础环板需要厚基础环板厚度厚度校核结合混凝土地基上最大压应 M00ZmgF00 bmaxmax0 大0.3M0M)/Zmg/ 地脚螺栓受风载时最大拉应力MwMemmin 地脚螺栓受载荷时最大拉应M000.25M00MmgF 地脚螺栓需要的螺纹小径d4BAb 地脚螺栓实际的螺纹小地脚螺栓校核结合筋板压应力 nl1G筋板许用应筋板校核结合3Fl盖板最大应力 21 4(l'd)(l'd 盖板许用应盖板校核结果合裙座与壳体的焊接接头校焊接接头截面上的塔器操作焊接接头截面上的最大弯上封头校核计计算单湖南理工学院—计算所依据的标GB150.3-