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 塔器是气—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，其余7个用于精《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—触，以获得较高的传质效率；同时还应保证塔设备的经济性。为此，塔设备应满足以下基本要求：气液两相充分接触，相际传热面积大生产能力大，即气液相处理能操作稳定，操作弹性大流体流动阻力小，流体通过塔设备的压降结构简单、耗用材料少，制造与安装容易耐腐蚀和不易堵塞综合考虑物料性质、操作条件、塔设备的性能，以及塔的制蚀性较小；②无悬浮物；③常压操作；④塔径较大。便，但对于T0104反应精馏塔，压降不大，分离要求高，对产物的用板式。而对于甲醇吸收塔和MN提馏塔，则使用高效规整填效节能具体选择结果如下表塔设备初选塔 选择类 填料 板式 填料 填料加板式 板式 板式 板式 板式 板式 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。T0104亚硝酸甲酯的再生反应，无需催化剂，常压下，在就可以进行反应，是一个快速的气相控制反应热反应，从热力学角度分析，降低温度，增加压力有利于反应进行反应过程中生成的水可能会合

或MN反应生成硝酸，亚少两者接触时间。因此亚硝酸甲酯再生反应选择反应精馏塔为r0.384exp(19560)P1P0它的动力学方

NO因此，在进行T0104设计时我们把T0104分为3段，包括精馏酯，进入到CO偶联工段为了更好的使气液两相接触，精馏段和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为2～15块理论板，现将精馏和反应段各个理论板上的计算结果精馏和反应段各理论板上的流量及物性数

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 692.94415.1732960.230299计算依据：AspenPlus模拟的T0104工艺liquidvaporMassflowfromMassflowvaporto6MolecularMolecularwtDensityliquidfromliquidfromvaportoliquidDensitySurfaceFoamingtoliquid-要满足生产工艺的要求，又要使设备投资和操作费用最低。塔效果尤为明显。通过比较最终选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气液相质量流量wL311052.4kg气相质量流量wv573008.606kg液相体积流量

420.895m3/h0.1169m3/气相体积流量

98434.2375m3/h27.342m3/vL气相密度5.8212kg/m3液相密度739.0259kgm3液相黏度0.297cpvL空隙率填料因子比表面积a125m2/重力加对金属孔板波纹填料，常数A=0.291，K=1.75，得泛点气速uF1.90m/况，对于易起的物系，泛点率应取低限值，而无的物系，可以取较高的泛点率；二是填料塔的操作压力，对于加压操作的考虑到石油组分可近似看做无物系，且为加压操作，取泛点率

故空塔气速u1.33ms②气相动能因子气相负荷F LL

③塔径塔横截④填料装填计等板高HETP0.8m；理论板数NT13，则填料层高度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h13HETP130.810.4m又因为该同类型的填料的分段推荐高度为6m，故分三段，第一段为4m第二段和第三段每一段为4.5m。⑤喷淋液体喷淋密度是指单位塔截面积上，单位时间内喷淋的液体体积，单位是3（2·h料表面流动的液膜上进行的。要形成液膜，填料表面必须被液体充分润湿，而填料表面的润湿状况取决于塔内的液体喷淋密度以及填料材质的表面润湿性U 21.4m3/(m2查询《工业塔新型规整填料应用手册（主编，在060m3/（2h）润湿，和一定的操作余量。采用表面处理方法，改善其表面的润湿性能。⑥塔板对于125X金属孔板波纹填料，查询规整填料的性能参数，米填料层的压

p1.3104MpaZ工作状态下，填料层总压降p22.51.3104⑦持液所积存的液体体积，以（m3液体/m3填料，%）表示，持液量可分为持液量使用Leva关联式进行总持液

H

0

00.1169 0.015m3液体/0.1169 D 利用Cuptower，对设计进行水力学校规整填料工艺参数详127384952/1/20211:0561234567891%2345678/91/6m2/7m38%4%9/5°FPa00.3-1/23填料层附件设分布器一般分为两类：①液体自流式；②液体受压进料式。通过对（重力推动）排管式（压力推动）排管式、环管式（圆形升气管）孔盘式（矩形升气管）孔盘式、堰盘式、堰槽式7种通用型典型的液体分布器性能对比，最终选定采用喷淋密度围2.5~125m3m2h)、适用于大塔径、高处理能力的堰槽式液体布器，堰槽式液体分布器还有诸如堵塞可能性小、对气流阻力小、分布受腐蚀的能力小、分布质量较好的优点，堰槽式液体分布器的缺点在于其受不水平度的影响很大，需要在安装时严格保证水平，并且做好固定设施。按一般要求，设计保证水平度最大偏差不大于5m负荷较大，且要保证一定的余量。在塔间进料位置，因进料负荷量更大，适当加高堰槽高度和材料强度。体分布器等直接向厂家。液体收集与再分布装计算得到的填料装填高度13m，因此将填料层分为3段；其中精馏段填料高度4m；反应段填料高度9m，分为2段每段4.5m。3段填料层需要2套液体收集与再分布装置液体再分布器由集液器与常规液体分布器组合而得，无论是简效果，而且气流通量大，阻力小，很适用于大塔径。液体收集装置选用遮板式液体收集器，液体收集器需要从人孔组装成整体。对于我们大直径、大液量的填料塔，采流式结由横槽导液管流入再分布器。填料支撑填料支撑的基本要求充满液体的重量及可能加到装置上冲击压力的总和。②支撑装置的自由流动净截面面积应是塔截面积的65%，或更振动的和热的冲击负荷，影响塔的操作。规整填料常用的填料支撑的尺寸和负荷如下表的支撑，其空隙率比较大，采用金属材料，其空隙率在95%~97%范格栅板材质为不锈钢，高度h＝65mm，格栅板支撑在塔体的支撑圈上，支撑环宽度B＝76mm。填料床层固定装对于规整填料的固定，需要结合床层结构特点来设计，本设计几乎不影响气液流动和分布。在通过两相的密切接触和分离以促进相见组分的传递，达到液止排出的气体夹带吸收或有用组成成分的小液滴。对于应用排出塔顶，依旧会在冷凝器中冷却，再次回流到精馏塔中。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，再沸气体从塔底排列的导气板，向动，再从塔的中部上升，达到均匀分布的目气相流量液相流量液体表面张力液体表面张力液体粘度填料外径比表面积a空隙率0.985m3个数53500个干填料因子a130.8m-湿填料因子130.8m-塔径泛点气速泛点气速单位压降Z填料层总压降总持液量

1.3104支承 圆筒液体分布 槽式分布提馏段计我们选用了筛板。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

量

流

度

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气相平均流量和平均密V21536.98m3/h5.982m3/vv②液相平均流量和平均密L309.073m3/h0.08585m3/L689.407kg/L③液相平均表面张力和粘19.7789dyne/初算塔令HT0.8m，假设hL0.08m， HThLL

又LVV

Smith泛点关联得C20

Smith0 19.77890则气相负荷因CC2020

689.407所以允许有689.407LL

1.392m/选取表观空塔气速u0.8umax0.81.3921.1139m所以初算塔径D又因为精馏段和反应段的塔径为5m,考虑实际D

4取lw0.7D0.753.5m，A0.09A HV 所以WGAHV

0.33496m/则雾沫夹带

停留时HTL

0.81.7662516.46根据以上两步核算的结果，可认为塔径D5m是合适（1）塔板结构现将不同降液管的对比列于下表：表7.9不同降液管的对件

综合以上条件，选取弓形降液管

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。堰及降液管设堰的设堰长w7D75m则L则w 2w

查《化工原理》第二版第164页流体收缩系数图得E1.01

Lw则堰上清液层高度how1000Elw

由于0.006m<how0.06m，所以采用平堰堰高hwhLhow0.080.0568 ，圆整后得hw0.03m所以板上清液层高度h'h 0.03 因为所以hL的假设合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hf)则液面梯度)

)2 (1000bh 液面梯度较小，可以忽略降液管的面积A

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/Aa取外堰前的安定区Ws

边缘区的

Wc xDWW50.080.75 rD

2.50.06x1.67 查开孔区面积

所以开孔面积

a

所以筛孔数n1.155Aa气体通过阀孔的气速

流体力学计算与校取板厚0.004md0查干筛孔的流量系数得C0

所以

0.0512(u0)2

0.0512(

)2

0.0426m液 c塔板压c

19.164查有效液层阻得液层有效阻力hl

所以气体通过塔板的总压降hphlhc0.0460.04260.0886m液h 0.002325m液柱

(0.0056+0.13hL(0.0056+0.13hL-h

4则K1.771.5，无漏液hf2.5hL2.50.08则雾沫夹带He 57 H 所以符合要求液泛校L2 L2hd0.1534l w0HdhLhdhp0.08因为液的相对密度为所以Hdh0.1830.030.275m 所以不可能产生降液管内液提馏段H4HETP40.8反应精馏塔提馏段的设计结气相流量液相流量液体表面张力液体粘度塔径塔板间距空塔气速堰长堰高板上清液层高度hL降液管底与板距离h0孔径d孔间距开孔区边缘与塔壁距离开孔区边缘与堰距离孔数开孔率开孔面积稳定系数0.0886m液降液管内清液层高度0.183m液雾沫夹带05.2.7提馏段的水力学校#—12开孔率#—筛孔校基本信1728394#—#51#—6普通筛工艺设计条液气17283945/6//塔板结构参1m6#2m738/249/平5%溢流区尺1%2%3m4m5m6m7m8m9mmmmm普通筛孔参1m52m63748工艺计算结正常操120%操80%操12345678相对kg液/100kg---9m^3/(h/mmmm液m液m液kg液/kg%msm液/s负荷123-4-55%漏液时动能因610%漏液时动能因-X液相体积流量 B Y单流程塔 双流程塔双流程塔（1）人孔的选在每段填料的上、下方各设一个人孔，塔底设一个人孔，选择N600的标准圆形人孔。人孔中心高度一般比操作平台高0.8－1m，不宜超过1.5m。取填料层上方人孔中心距槽式分布器上缘0.85m封头直边下缘1m；填料下方人孔中心距离塔板0.8m，距填料下缘0.8m；塔底人孔中心距最后一块塔板下缘1。（2)塔顶空查阅资料知，塔顶空间Ha＝1.2－1.5m，取塔顶空间（不含封头高度塔底空式塔的板间距确定，一般不小于相应的板间距。取该距离为0.8m。塔底贮液面高度：取塔底停留t=3min，液体体积流量为2.50183m3/min，则塔底贮液面高度为h＝VS*t/(πD2/4)=2.50183×塔底空间封头的选选择标准椭圆封头，封头高塔H133.21.21.8860.91.921.25227.236m用SW6对计算结果进行校板式+1名义厚度腐蚀裕量22圆筒长度123456789圆筒度(立(卧120234567891234541234512345000000000233置IA7度5风载及载1－1(头操作质量m0m01m02m03m04m05ma最小质量m0m010.2m02m03m04ma风弯 II 2 nMca(I)MII(2/T)2Ym(hh)(h knMca(II)MII(2/T)2 m(hh)(h T kkMIIMII组合风弯矩 max(MII,(MII)2(MII)2 nMIIF(hh注:计及高振型时,B.24 kMeme00000 max(MIIM,MII0.25MIIM 需横风向计算时 max(MIIM,MII0.25MIIM (D4D4Zb (D2D2基础环板面积Ab 4基础环板计算力矩max(MC b2,MC l2 x y 00 b 0.