精馏塔设备设计及选型

第四章设备设计及选型设备设计标准《钢制压力容器》GB150-98《压力容器用钢板》GB6654-96《化工装置用不锈钢大口径焊接钢管技术要求》HG20537.4-92《安全阀的设置和选用》HG/T20570.2-95《设备进、出管口压力损失计算》HG/T20570.9-95《钢制化工容器设计根底规定》HG20580-98《钢制化工容器材料选用规定》HG20581-98《钢制化工容器强度计算规定》HG20582-98《钢制化工容器构造设计规定》HG20583-98《钢制化工容器制造技术规定》HG20584-98《化工设备设计根底规定》HG/T20643-98《压力容器无损检测》JB4730-2023《钢制压力容器焊接工艺评定》JB4708-2023《钢制压力容器焊接规程》JB/T4709-2023《钢制压力容器产品焊接试板的力学性能检验》JB4744-2023《压力容器用钢锻件》JB4726-2023《石油化工塔型设备设计标准》SH3030-1997设备设计及选型相或者液液相之间进展严密接触，到达较为良好的相际传质及传热的目的。减湿等效果。塔设备设计原则具有适宜的流体力学条件，可使气液两相良好接触；构造简洁，处理力量大，压降低；强化质量传递和能量传递。塔设备的设计目标〔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；〔汽〕液负荷量有较大波动时，仍能在较高的传质效率下进展稳定的操作，并且塔设备应保证能长期稳定操作；流体流淌的阻力小，即流体通过塔设备的压降小。这将大大节约生产系统无法维持必要的真空度；的投资费用；耐腐蚀和不易堵塞，便利操作、调整和检修。产效益。塔设备类型及选择分为板式塔和填料塔。料性质、操作条件、塔设备性能，以及塔设备的制造、安装、运转、修理等。与物性有关的因素泡沫裂开，在板式塔中则易引起液泛；造价廉价的筛板塔，穿流式塔盘或舌形塔盘，以便准时更换；具有热敏性的物料需减压操作，以防过热引起分解或聚合，故应选用也可用筛板塔或浮阀塔；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。可在其中安放换热管进展有效地加热或冷却。与操作条件有关的因素假设气相传质阻力大〔即气相掌握系统，如低黏度液体的蒸馏，空气增湿等，宜承受填料塔，因填料层中气相呈湍流，液相为膜状流。反之，受液相大的液体负荷系统，可选用填料塔，假设用板式塔时宜选用气液并流的都能承受较大的液体负荷；密度，但网体填料能用于低液体负荷的场合；用板式塔。其他因素对于多种状况，塔径小于800mm时，不宜承受板式塔，宜用填料塔。压操作过程，宜承受型填料；一般填料塔比板式塔重；按单位面积计算的价格，随塔径增大而减小。4-1：4-1板式塔和填料塔的主要特点比较工程 板式塔 填料塔 备注各块理论板压降 约1KPa分别效率比较稳分别效率〔HETP〕定，大塔效率会更高些处理力量与操作弹操作弹性大性

散装填料约0.3KPa规整填料约0.15KPa规整填料的HETP值比板式相当规整填料处理力量比板式塔大，在真空和常压塔型散装填料也可比板式塔高些压降小的优点使

每块塔板的开孔层，故压降大。压降小是填料塔的主要优点物料〕

因压降大较难适板中有多的场合

填料会更佳

可能会<Qmin应性

困难或价格太高

易用陶瓷性耐腐蚀性材料，较合 —适系统的适应性

理也较简洁

不适用 —

均需要较大值

大直径塔 很适合，造价低 难

使塔体积减小间歇精馏

适宜便利性

比较简洁实现 不太适宜 分布器，构造复太适宜中间换热中间换热易实现较难实施—塔的检修简洁较难实现，规整填料几乎不行能—塔板的选择塔板的主要特征为气液两相在板面上以气体鼓泡和液体喷射状态完成气液接触，传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：4-2几种主要塔板的性能比较分别要求高、塔筛板塔板效率高性较小板数较多效率高、操作范围分别要求高、负浮阀 浮阀易脱落宽 荷变化大构造简单、造价特别简洁堵塞的泡罩 较成熟、操作稳定高塔板阻力大、物系处理力量小构造简洁、塔板阻操作弹性窄、效分别要求较低的舌型板力小率低闪蒸塔浮板易脱落、效分别要求较低的浮动喷射板压降小、处理量大率较低减压塔下表给出了几种主要塔板性能的量化比较：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力量操作弹性压降构造本钱泡罩1.01.051简单1筛板1.2~1.41.430.5简洁0.4~0.5浮阀1.2~1.31.590.6一般0.7~0.9舌型板1.1~1.21.530.8简洁0.5~0.6的计算，论证选择筛板是否能满足生产要求。(T0101)设计及选型精馏塔精馏段的设计物性参数1~19精馏段各个理论板上的计算结果列于下表：4-4精馏段各理论板上的流量及物性数据列表〕1104.4900.10269003450829.6392.567780.003220.0102108.5760.10217056.30110350828.4352.571250.003170.0103108.7460.10227065.48310506.3827.2802.582070.003120.0094108.8190.10237068.53510515.48826.2792.588020.003090.0095108.8800.10247069.50510518.53825.5002.593030.003070.0096108.9410.10257069.10510519.5824.9412.597130.003070.0097109.0100.10267067.46810519.1824.5592.600510.003040.0098109.0950.10277064.35210517.46824.3042.615870.003000.0089109.2080.10287059.15610514.35824.1312.625990.002980.00810109.3660.10297050.87410509.15824.0092.634990.002970.00811109.5950.1037038.01910500.87823.9182.648780.002960.00812109.9300.10317018.60210488.01823.8452.658410.002950.00813110.4210.10326990.32710468.6822.7812.675830.002950.00814111.1240.10336942.3110440.32821.7222.688980.002950.008气相平均流量和平均密度V33018.3m3/h=9.17m3/s 2.617kg/m3v液相平均流量和平均密度L77.349m3/h=0.0215m3/s 825.15kg/m3l液相平均外表张力和粘度0.0086N/m=8.6dyne/cm0.003038P0.3038cP初算塔径令H 0.45m，假设h=0.08m，则H h 0.37mT L T LL ρ1 0.0215 825.151又( L)2= ( )2=0.042V ρ 9.17 2.617VSmith得：C 0.08120

图4-1 Smith泛点关联图CC20

(20

)0.2=C20

(8.620

)0.2

0.068所以允许有效空塔气速：ρ-ρ

825.152.617U =C L V=0.068 =1.21m/sg(max)

ρ 2.617V选取表观空塔气速U =0.8U =0.81.21=0.97m/sop g(max)所以初算塔径= V 0.785Uop圆整后取D3.4m3.塔径的初步核算雾沫夹带

9.170.7850.967

=3.34m取l 0.6D0.63.4=2.04m，D3.4m则弓形降液管面积A 0.062Af

0.0621.72 0.563m2所以W

9.17

1.08m/sG AAT f

1.720.563则雾沫夹带ev

0.0057(

WGH G

)3.2T f0.0057 1.08( )3.28.6 0.452.50.080.05277kg/kg汽0.1kg/kg汽停留时间H A

0.45 20.563 TL

f 0.0215

23s5s依据以上两步核算的结果，可认为塔径D3.4m是适宜的。塔板布置设计塔板构造形式现将不同降液管的比照列于下表：4-5不同降液管的比照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，适用于液量较小的状况。

此形式有利于塔截面直径的塔及气液负荷较大的状况。综合以上条件，选取弓形降液管。U下表列出了溢流类型、塔径、液体负荷之间的关系。4-6液体负荷与板上流型的关系10007以下45以下14009以下70以下202311以下90以下90~160300011以下110以下110~200200~300400011以下110以下110~230230~350500011以下110以下110~250250~400600011以下110以下110~250250~45077.34m3/h3.4m，所以选择单流型。堰及降液管设计堰的设计由于受液盘为凹形受液盘，所以没有内堰。堰长l

0.6D0.63.4=2.04m则L 77.34

13.01(l)2.5 (2.04)2.5查流体收缩系数图33

图4-2 流体收缩系数则堰上清液层高度：h

2.84

L E( )3

2.841.032(77.34)2

0.024mow 1000 l

1000 2.58由于0.006m<how

0.06m，所以承受平堰。堰高hw

h hL

0.080.0240.056m，圆整后得hw

0.06m。所以板上清液层高度hL

h hw

0.060.0240.084m由于hL

hL所以hL

的假设适宜。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Wdl

0.34mD 2.043.4则平均溢流宽度b

2.72m2 2液体流道长度Z1

D2Wd

3.420.342.72m塔板上鼓泡层高度hf

2.5hL

2.50.080.2m则液面梯度

0.215(250b1000hf

)2(3600L)Z1(1000bhf

)3L0.00008023m

0.215(2502.7210000.2)20.3038(36000.0215)2.72(10002.720.2)3825.15液面梯度较小，可以无视。〔4〕.降液管的设计Af

0.062AT

0.0621.720.563m2降液管管宽Wd

0.34m假设h0

比h10mmw则降液管底部距下一板的间距h h0 w

0.010.05m〔5〕.孔布置筛孔按正三角形排列，取筛孔直径d0则孔中心距t17.5mm查开孔面积与开孔区面积图

5mm，

t 3.5d0得开孔率A/A0 a

图4-4 开孔面积与开孔区面积0.078取外堰前的安定区Ws

0.08m 边缘区的宽度Wc

0.05mD 3.4x(W2

W) (0.080.16)=1.46md 2D 3.4r W 0.05=1.65m2 c 2r 1.65查开孔区面积图得A=7.9m2a

4-5开孔区面积AaA0查筛孔数求取图

0.078Aa

0.0787.9=0.616m24-6筛孔数的求取得=5000个/m2所以筛孔数n=A=50007.9=39500个a流体力学计算与校核〔1〕.干板压降取板厚0.004md则01.25查干筛孔的流量系数图4-7干筛孔的流量系数得C 0.80所以h

0.0512(u0

)2 Vc C 0 L0.0512(

V )2VAC V0 0 L=0.0512(

9.17 2.617)20.6160.8 825.15=0.056m液柱塔板压降Fu0 0

VV A0

=9.17 2.617=2417V 0.616查有效液层阻力图得液层有效阻力hl

0.049m

4-8有效液层阻力所以气体通过塔板的总压降hp稳定性校核4 48.6

hhl

0.049+0.056=0.105m液柱h=9810dL 0

= =0.00085m液柱9810825.150.005(0.0056+0.13h-h(0.0056+0.13h-h)VL Lom 0(0.0056+0.130.08-0.00085)(0.0056+0.130.08-0.00085)825.152.617=7.69m/sK=u0u

=14.88=1.937.56om即按漏液气速考虑的负荷下限为设计负荷值的51.6%〔4〕.雾沫夹带量校核h 2.5hf L

2.50.08=0.2m则雾沫夹带量0.0057 WGe Gv

〔HT

3.2hf0.0057 1.08〔 〔 3.28.6 0.450.2=0.05277g

液体/

气体<0.1所以符合要求。〔5〕.液泛校核h 0.153(d

L )24l h

0.0215 0.153 ( )2 0.000425 42.040.05H h hd L d

W 0h=0.08+0.000425+0.105=0.185425m液柱p由于泡沫液的相对密度为=0.5Hd

0.1854250.06=0.3109mH 0.5 T所以不行能产生降液管内液泛。负荷性能图漏液线筛板塔的操作有一个下限气速u泄漏，称为漏液点。取板厚0.004m

，当气速低于此点时，液体开头从筛孔中om所以d 1.251.250.004=0.005m04 48.6h=9810dL 0

= =0.00085m液柱9810825.150.0052.84 L 2 2.84 L 2由于h E( )3 1.035( )30.00183L2/3mow 1000 l

1000 2.04所以h h hL W OW

(0.0056+0.13h-h(0.0056+0.13h-h)VL Lom 0Vu Aom 02联立以上方程可得V2过量雾沫夹带线以e 0.1kg〔液体kg〔气体为限，将各数据代入式ve v

0.0057

〔

WGH G

3.2得：T fG0.0057( WG

)3.20.18.6 0.45hf又W V V =0.117VG A AT f

1.720.563h 2.5(hf w

h )2.5(0.060.00183L2/3)ow2联立以上方程可得V12.2960.188L32液相下限线由于h

2.84

L 2E( )3ow 1000 l以h 0.006m作为规定的液相下限ow得L 0.0187m3/smin液相上限线由于

AfHTL以5s作为液体在降液管中停留时间的下限得Lmax0.0588m3/s液泛线为避开降液管液泛，应满足Hdh H

H

h h h w T

d p L d0.06，H 0.45w Th hhp l ch 0.153(d

L )24l hW 022V=依据各线的方程，作出如下筛板塔的负荷性能图反响精馏塔上部塔精馏段的设计结果气相流量V9.17m3/s气相流量V9.17m3/s气相密度V2.617kg/m3液相流量L0.0215m3/s条件液相密度L825.15kg/m3液体外表张力σ8.6dyne/cm液体粘度μ0.3038cP塔型筛板塔径D3.4m设计结果塔板间距HT溢流型式0.45m单溢流空塔气速u00.97m/s堰型堰型平堰hw板上清液层高度hL降液管底与板距离h0d2.04m0.06m0.056m0.05m0.005m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Ws0.08mn39500开孔率Φ0.078开孔面积A0稳定系数K0.6161.93塔板压降降液管内清液层高度Hd0.185425m液柱0.05277k〔液体/k〔气体〕雾沫夹带ev精馏塔提馏段的设计物性参数15~33块塔板，现将精馏段各个理论板上的计算结果列于下表：4-8精馏段各理论板上的流量及物性数据列表15113.6920.103410955.59527.37820.7112.710290.002950.0224216114.0680.103510985.810093.9819.6082.840090.002860.0219717114.1870.103610996.910124.2818.5502.854200.002790.0215618114.2850.103711003.510135.4817.4922.857980.002750.0210919114.3880.103811006.210141.9816.7812.860140.002710.0207620114.5190.103911004.410144.7816.2222.864560.002680.0204121114.7160.10410995.410142.9815.7112.869990.002650.0202322115.0520.104110974.710133.9815.6082.873450.002610.0197423115.6550.104210934.210113.2814.5502.875690.002570.0193824116.7350.104310863.910072.7813.4922.880140.002510.0189425118.5800.104410758.810002.4813.5072.884580.002490.0186226121.4340.104510632.39897.34813.9922.901250.002450.0182327125.2140.104610519.79770.79817.6032.925660.002360.0179628129.3330.104710452.99658.18825.5002.945120.002310.0175429132.9930.104810433.39591.43827.0262.978950.002270.0170930135.7130.104910439.79571.78832.8493.089960.002240.0165731137.4880.10510452.99578.26838.6603.159230.00220.0162132138.5560.105110463.99591.38842.7983.245940.002180.0159133139.1740.1052861.5329602.46848.4923.251410.002170.01586气相平均流量和平均密度V32461.0m3/h=9.06m3/s 2.941kg/m3v液相平均流量和平均密度L107.1m3/h=0.0298m3/s 822.58kg/m3l液相平均外表张力和粘度0.01896N/m=18.96dyne/cm0.00251P0.251cP初算塔径令H 0.45m，假设hT

=0.08m，则H hT L

0.37mL ρ1 0.0298 822.581又( L)2= ( )2=0.055V ρ 9.06 2.941VSmith得：C 0.07920

图4-10 Smith泛点关联图CC20

(20

)0.2=C20

18.96( )0.220

0.078所以允许有效空塔气速：ρ-ρ

822.582.941U =C L V=0.078 =1.31m/sg(max)

ρ 2.941V选取表观空塔气速Uop=0.8Ug(max)=0.81.31=1.05m/s所以初算塔径= V 0.785Uop圆整后取D3.4m雾沫夹带

9.060.7851.05

=3.32m取l 0.6D0.63.4=2.04m，D3.4m则弓形降液管面积A 0.062Af

0.0621.72 0.563m2所以W

9.06

G AAT f

1.720.563则雾沫夹带ev

0.0057(

WGH G

)3.2T f0.0057 1.01( )3.218.96 0.452.50.070.00893kg/kg汽0.1kg/kg汽停留时间H A

0.45 20.563 TL

f 0.0298

17s5s依据以上两步核算的结果，可认为塔径D3.4m是适宜的。塔板布置设计塔板构造形式现将不同降液管的比照列于下表：4-9不同降液管的比照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，适用于液量较小的状况。

此形式有利于塔截面直径的塔及气液负荷较大的状况。综合以上条件，选取弓形降液管。U下表列出了溢流类型、塔径、液体负荷之间的关系。4-10液体负荷与板上流型的关系10007以下45以下14009以下70以下202311以下90以下90~160300011以下110以下110~200200~300400011以下110以下110~230230~350500011以下110以下110~250250~400600011以下110以下110~250250~450107.28m3/h，而初步计算塔径为3.4m，所以选择单流型。堰及降液管设计堰的设计由于受液盘为凹形受液盘，所以没有内堰。堰长l

0.6D0.63.4=2.04m则L 107.28

18.04(l)2.5 (2.04)2.5查流体收缩系数图得E1.036

图4-11 流体收缩系数则堰上清液层高度：h

2.84E

L 22.841.036

107.28)2

0.041m( )3ow 1000 l

( 31000 2.04由于0.006m<how

0.06m，所以承受平堰。堰高hw

h hL

0.080.0410.039m，圆整后得hw

0.04m。所以板上清液层高度hL

h hw

0.040.0410.081m由于hL

hL所以hL

的假设适宜。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Wdl

0.34mD 2.043.4则平均溢流宽度b

2.72m2 2液体流道长度Z1

D2Wd

3.420.342.72m塔板上鼓泡层高度hf

2.5hL

2.50.080.2m则液面梯度

0.215(250b1000hf

)2(3600L)Z1(1000bhf

)3L0.00009225m

0.215(2502.7210000.2)20.2513(36000.0298)2.72(10002.720.2)3822.58液面梯度较小，可以无视。〔4〕.降液管的设计Af

0.062AT

0.0621.720.563m2降液管管宽Wd

0.34m假设h0

比h10mmw则降液管底部距下一板的间距h h0 w

0.010.029m〔5〕.孔布置筛孔按正三角形排列，取筛孔直径d0则孔中心距t17.5mm查开孔面积与开孔区面积图

t 3.5d0得开孔率A/A0 a

图4-13 开孔面积与开孔区面积0.078取外堰前的安定区Ws

0.08m 边缘区的宽度Wc

0.05mD 3.4x2

W) (0.080.16)=1.46md 2D 3.4r W 0.05=1.65m2 c 2r 1.65查开孔区面积图得A=7.9m2a

4-14开孔区面积AaA0查筛孔数求取图

0.078Aa

0.0787.9=0.616m24-15筛孔数的求取得=5000个/m2所以筛孔数n=A=50007.9=39500个a流体力学计算与校核〔1〕.干板压降取板厚0.004md则01.25查干筛孔的流量系数图4-16干筛孔的流量系数得C 0.80所以h

0.0512(u0

)2 Vc C 0 L0.0512(

V )2VAC V0 0 L=0.0512(

9.06 2.941)20.6160.8 822.58=0.062m液柱塔板压降Fu0 0

VV A0

=9.06 2.941=2517V 0.616查有效液层阻力图得液层有效阻力hl

0.049m

4-17有效液层阻力所以气体通过塔板的总压降hp稳定性校核

hhl

0.049+0.062=0.111m液柱h= 4 = 418.962 =0.00188m液柱 9810dL 0

9810822.580.005(0.0056+0.13h-h(0.0056+0.13h-h)VL Lom 0(0.0056+0.130.08-0.00188)(0.0056+0.130.08-0.00188)822.582.941=6.99m/sK=u0u

=14.71=2.096.99om即按漏液气速考虑的负荷下限为设计负荷值的49.7%〔4〕.雾沫夹带量校核h 2.5hf L

2.50.08=0.2m则雾沫夹带量0.0057 WGe Gv

〔HT

3.2hf0.0057 1.01〔 〔 3.218.962 0.450.2=0.0262066g液体/〔气体<0.1所以符合要求。〔5〕.液泛校核h 0.153(d

L )24l h

0.0298 0.153 ( )2 0.002463 42.040.029H h hd L d

W 0h=0.08+0.002463+0.111=0.193463m液柱p由于泡沫液的相对密