精馏塔的计算

4.3塔设备设计概述在化工、石油化工及炼油中，由于炼油工艺和化工生产工艺过程的不同，以及操作条件的不同，塔设备内部结构形式和材料也不同。塔设备的工艺性能，对整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及“三废”处理和环境保护等各个方面，都用重大的影响。在石油炼厂和化工生产装置中，塔设备的投资费用占整个工艺设备费用的25.93%。塔设备所耗用的钢材料重量在各类工艺设备中所占的比例也较多，例如在年产250万吨常压减压炼油装置中耗用的钢材重量占62.4%，在年产60-120万吨催化裂化装置中占48.9%。因此，塔设备的设计和研究，对石油、化工等工业的发展起着重要的作用。本项目以正丁醇精馏塔的为例进行设计。塔型的选择塔主要有板式塔和填料塔两种，它们都可以用作蒸馏和吸收等气液传质过程，但两者各有优缺点，要根据具体情况选择。板式塔。塔内装有一定数量的塔盘，是气液接触和传质的基本构件；属逐级（板）接触的气液传质设备；气体自塔底向上以鼓泡或喷射的形式穿过塔板上的液层，使气液相密切接触而进行传质与传热；两相的组分浓度呈阶梯式变化。填料塔。塔内装有一定高度的填料，是气液接触和传质的基本构件；属微分接触型气液传质设备；液体在填料表面呈膜状自上而下流动；气体呈连续相自下而上与液体作逆流流动，并进行气液两相的传质和传热；两相的组分浓度或温度沿塔高连续变化。4.3.2.1填料塔与板式塔的比较：表4-2填料塔与板式塔的比较塔型项目 填料塔 板式塔

压降小尺寸填料，压降较大，大尺寸及规整填料，压降较小。较大空塔气速小尺寸填料气速较小，大尺较大（生产能力）寸及规整填料气速较大。塔效率传统填料，效率较低，新型乱堆及规整填料效率较咼。较稳定、效率较咼液-气比对液体量有一定要求。适用范围较大持液量较小较大安装、检修较难较容易材质金属及非金属材料均可一般用金属材料造价新型填料，投资较大大直径时造价较低4.3.2.2塔型选择一般原则：选择时应考虑的因素有：物料性质、操作条件、塔设备性能及塔的制造、安装、运转、维修等。（1）下列情况优先选用填料塔：在分离程度要求高的情况下，因某些新型填料具有很高的传质效率，故可采用新型填料以降低塔的高度；对于热敏性物料的蒸馏分离，因新型填料的持液量较小，压降小，故可优先选择真空操作下的填料塔；具有腐蚀性的物料，可选用填料塔。因为填料塔可采用非金属材料，如陶瓷、塑料等；容易发泡的物料，宜选用填料塔。（2）下列情况优先选用板式塔：塔内液体滞液量较大，操作负荷变化范围较宽，对进料浓度变化要求不敏感，操作易于稳定；液相负荷较小；含固体颗粒，容易结垢，有结晶的物料，因为板式塔可选用液流通道较大的塔板，堵塞的危险较小；在操作过程中伴随有放热或需要加热的物料，需要在塔内设置内部换热组件，如加热盘管，需要多个进料口或多个侧线出料口。这是因为一方面板式塔的结构上容易实现，此外，塔板上有较多的滞液以便与加热或冷却管进行有效地传热；在较高压力下操作的蒸馏塔仍多采用板式塔。综合考虑，本项目采用板式塔。塔盘的类型与选择板式塔塔板种类：根据塔板上气、液两相的相对流动状态，板式塔分为穿流式和溢流式。目前板式塔大多采用溢流式塔板。穿流式塔板操作不稳定，很少使用。各种塔盘性能比较：工业上需分离的物料及其操作条件多种多样，为了适应各种不同的操作要求，迄今已开发和使用的塔板类型繁多。这些塔板各有各的特点和使用体系，现将几种主要塔板的性能比较列表如下：表4-3几种主要塔板的性能比较塔盘类型优点缺点适用场合泡罩板较成熟、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

浮阀板效率高、操作范围宽浮阀易脱落分离要求咼、负荷变化大筛板结构简单、造价低、塔板效率高易堵塞、操作弹性较小分离要求咼、塔板数较多舌型板结构简单、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性能的量化比较表4-4几种主要塔板性能的量化比较塔盘类型塔板效率处理能力操作弹性 压降 结构成本泡罩板1.01.051复杂1筛板1.2〜1.41.430.5简单0.4〜0.5浮阀板1.2〜1.31.590.6一般0.7〜0.9舌型板1.1〜1.21.530.8简单0.5〜0.6从以上各图可以看出：浮阀塔在蒸汽负荷、操作弹性、效率和价格等方面都比泡罩塔优越，结合本项目实际情况，初步选择浮阀塔。浮阀塔的工艺尺寸计算提取Aspenplus各塔板上的物性参数，选取塔板上气液相负荷最大的第3块塔板进行手工计算和校核，然后再用KG-TOWER进行软件计算，通过比较来检查计算的正确性。第3块物性参数如下表：

表4-5浮阀塔塔板参数气相流液相流气相密度液相密度混合液表面7.850.0333.045726.0330.007塔径计算初选塔板间距叫Hmm板上液层高度h二100mmLHt—hL=0.7m气液两相流动参数：LsVs(\0.5Pl0.03306[726.033丫LsVs(\0.5Pl0.03306[726.033丫・57.8498613.045丿二0.065查史密斯关联图；：*'12 0.0^IZH..!图4.1史密斯关联图可查得：C20=0.14矫正到表面张力为0.00699157N/m时(0.2二0.14(0.2二0.14x(15.919)0.220丿二0.134泛点气速uf二c：泛点气速uf二c：Pl-Pv二0.134X」726.003—3.045二2.065m/sfbPv3.045为避免雾沫夹带及液泛的发生，一般情况，u'=（0.6〜0.8）今在此取安全系数0.7u'=0.7xuf=0.75x2.065=1.45m/s流通截面积A'=VA'=Vs=u'7.849861.45=5.43m2由《化工原理》（朱家骅编制）表11.3选取塔板上的液体流动方式本次设计选择双溢流弓形降液管，一般双溢流型九由《化工原理》（朱家骅编制）表11.3选取塔板上的液体流动方式本次设计选择双溢流弓形降液管，一般双溢流型九=0.5〜0.7D此处取九=0.7D由《化工原理》（朱家骅编制）图11.19查弓形降液管的参数，如下图企=0.088AT所以A= A'=仝3=5.96T1-0.088 0.912'iAT；4x5.96=2.75m兀兀0-00.2•咎O9 1-0.50.10,3.4 0,5O,'iAT；4x5.96=2.75m兀兀0-00.2•咎O9 1-0.50.10,3.4 0,5O,6 0.7OAv/Q0.08eg0,050,040.030.02O图4.2弓形降液管参数图精馏段的塔径圆整为2.8m，由《化工原理》（朱家骅编制）表11-2校核。对应板间距范围为$800mm,故满足条件，假设成立。实际塔载面积A=兀D2/4=5.955m2实际空塔气速u'=竺=4X7.85 =1.275m/s兀D2 3.14x2.752溢流装置弓形降液管：故堰长l=°.7x2.8=1.96w

降液管面积A二0.99A二0.09x6.955二0.524m2fT由《化工原理》（朱家骅编制）图11.19弓形降液管的参数图查得Wd二0.148D故降液管宽度Wd=0.148x2.8=0.148m为降低气泡夹带，液体在降液管内应有足够的停留时间以使气体从液相中分离出，一般要求T不应小于3〜5s,而对于高压下操作的塔以及易起泡的物系，停留时间应更长些，为此，必须进行校核。液体在降液管中停留时间：A厂Ht0.524x0.8t=fT= =12.6s>5sL0.033147s故降液管尺寸适宜。溢流堰取h]=0.1m则—(1)2$

w119.33则—(1)2$

w=11933=22.191.962.5

图4.3图4.3液体收缩系数计算图由《化工原理》（朱家骅编制）图11.20液体收缩系数计算图查得：E二1.03由弗朗西斯公式，堰上液层高度h=ow2.84口(Lh=ow2.84口(L)3 E-」21000Jl丿w0.00284x1.03x(119.33、231.96丿=4.53x10-2m堰高h=h—h=0.1—0.0453=0.0547wLow受液盘和底隙：塔板上接受降液管流下液体的那部分区域称为受液盘，常用平形型式。为减小液体流动阻力和考虑到固体杂质可能在底隙处沉积，所以h0不可过小。但若h0过大，气体又可能通过底隙窜入降液管，故底隙宜小些以保证液封。取Uol=0.15m/s则h二丄二0.033147二0.113m0lw・u1.96x0.15OL

塔板布置受液区和降液区：一般这两个区域的面积相等,均可按降液管截面积Af计。边缘区：在塔壁边缘留出一定宽度的环形区域供固定塔板用。入口安定区和出口安定区，通常宽度相等。有效传质区：余下的塔板上有浮阀孔的区域。于此处考虑：塔径D>900mm，采用分块组装式；边缘宽度取W=50mm=0.05m；c安定区宽度均取W二0.08m；s降液管宽Wd二0.3md4.3.4浮阀数目N及孔间距F1重型浮阀阀孔直径d0二0.039m。取F0=12。阀孔气速u- - -6.88m/s0JpJ3.04528259.5086/3600 —28259.5086/3600 —955.671x0.0392x6.884每层塔板浮阀数N二 Vs兀,xd2u4 00圆整为N二956浮阀排列：采用等腰三角形叉排。由上一小节所假设,鼓泡区面积为A二1 兀(x'\ix寸r2兀 .(x\x叮r2一x2+ r2sin-1一+一x2+ r2sin-i—aL 180Ir丿180Ir丿其中

D2.8x'二x二込-Wd-Ws二T-0.4144-°.°8二0・9056mD2.8r二乙-1丁-°・05二1.35m故A故A二2x0.9056X、：1.252x0.90562+X1.352XsinJ9056）二4.49180 1.354.49取t=0.075m4.49At'=a= =0.0626N•t956x0.075由于塔直径D=2.8m，采用分块式塔板四块（其中两块弓形板、通道板和矩形板各一块）。t=0.075、t=0.0626m以等腰三角形交叉方式绘图排列如图所示：图4.4塔板内部结构图由排布图可得实际的开孔数950个Vs7.8496.92mVs7.8496.92m/s?2N冗X0.039X950F0=u”Pv=6.92x^3.045=1207在适宜范围8-12内塔板开孔率x100%=x100%=950x/0.039丫<2.8,=8.4%1.塔板的流体力学校核塔板压降校核：hf=hd+hia、干板阻力阀全开前(uo<uoc):hd=1咛阀全开后（u0〉uoc）:=5.34=5.34PV•u022PLg临界速度uoc1o.5PVuoc1o.5PV1.82510.53.0451.825=5.71m/s有u〉u0oc故h二5.34匕工。2二5.34x3.045x6.8822x726.033x9.810.054b、板上充气液层阻力取0二0.6h.=0(h+h)=0.6x0.1=0.06m1 wowh=h.+h.=0.06+0.054=0.114mfd1故塔板压降为AP=pLghf=726.033x9.81x0.114=811.9Pa满足要求。液沫夹带的校核：因塔径D>900mm,应控制泛点率不超过80%。由p=3.045Kg/m3及H=0.6mvT查《化工原理》（朱家骅编制）图11.22泛点负荷因子图：板鉅02prk^/m1泛点负荷系魏DJV.20,3 0板鉅02prk^/m1泛点负荷系魏DJV.20,3 0育3 45 71U 3U刖讯7V100«.18D.OS图4.5泛点负荷因子图得Cf=0.15，并查物性系数表得K=1v Blfiv Blfi二o78AkCx100%二304528259.5086x■'726.03-3.0453600x0.78x0.15x5.96x100%二73.1%<80%满足上述条件，不会发生过量雾沫夹带。2.溢流液泛校核：为了防止液泛发生，降液管中清液层高度应满足如下关系式Hd<e(H+hw)H=h+h +h+h斤dwowf(L)s2=0.153(0.028]11h丿〔1.33x0.04丿w2=0.043m其中h产0.153hf=0.14m故Hd=0.1+0.114+0.023=0.237取泡沫层液泛因子申=0.5虹Ht+hw)=0.5x(0.5+0.0547)=0.42735mH<e(H+hw)故不会发生液泛，塔板间距选择合适。塔板负荷性能图：a・漏液线(气相负荷下限线)取F0二5时由下式计算得到最小气量V兀 5 兀 5=—d02N( )=0.0392x162( )=0.1365m3/ss40.vPV 4 <50.21标绘于塔板负荷性能图中得到直线1。b・过量雾沫夹带线(气相负荷上限线)由于塔径D>900mm，临界泛点率为80%。代入下式，得到Vs与Ls关系式V巳+1.36LZF=5PT1 AbKCF其中Ab二at-2Af二5・95-2x0・524二4.902m2乙二D-W二2.8-0.3二2.5mLd代入数据整理得：二9.08-41.3Lss标绘于塔板负荷性能图中得到直线2。液相负荷下限线

以平堰上液层高度how=0.006m作为液相负荷下限标准有h=0.006=0.00284E(Lsx3600)2owlw代入数据Ls=1.6x10-3m3/s标绘于塔板负荷性能图中得到直线3。液相负荷上限线液体在降液管中最短停留时间以3s计算，计算液相负荷的最大值L二Hta^二0.6X0.524二0.1048m3/sTOC\o"1-5"\h\zst 3标绘于塔板负荷性能图中得到直线4。溢流液泛线H=h+h +h+h斤d wowf 兀已知堰高h=0.0547mwHd=Q(Ht+hw)=0.42735mh=0.00284E(Lsx3600)3=0.00284x1.02x(LsX3600)3=0.5626L3ow I 1.33 swh=h+hfd1=5.34Pv•u022Pl&其中V3.045x(一一)2p -dN联立解得h=5.34•Pv•U02=5.34x 「 =8.9x10-4V2d 2pg 2x736.033x9.8 sL

h1=B(h+h)=0.03282+0.263L31wowsh=0.153(厶)2=0.153(L)2=3.12L2兀 lh0 1.96x0.113 sw0将上述各式代入Hd=h+h+hf+h_联立得dwowf兀V2二381.8-788L2-3505L2s s3 s标绘于塔板负荷性能图中得到直线5浮阀塔塔板操作性能图1、漏液线（气相负荷下限线）2、3、4、过量雾沫夹带线（气相负荷上限线）液相负荷下限线浮阀塔塔板操作性能图1、漏液线（气相负荷下限线）2、3、4、过量雾沫夹带线（气相负荷上限线）液相负荷下限线液相负荷上限线5、溢流液泛线操作点4.6浮阀塔塔板操作性能图由图可知，操作线位介五条曲线之间，且有一定操作弹性空间，设计合理。4.3.6塔机械工程设计1.塔高的计算实际塔板数N由Aspenplus提取的数据可以，实际塔盘数为18塔顶空间高HD

塔顶空间高度的作用时安装塔板和开人孔的需要，也使气体中的液体自由沉降，减少塔顶出口气中的液滴夹带，空间高度一般取1.0〜1.5m,这里取H=1.2m。D塔板间距HT由上面计算可知H=0.6m。T开设人孔的板间距H'T设有人孔的上下两塔板间距应大于等于600mm，这里取H'=800mm。T人孔数取10块板设置一个人孔，实际塔板18块，所以开3个人孔（包括塔顶和塔底人孔数）。进料段空间高度Hf进料段高度取决于进料口结构形式和物料状态，一般H要比H大，取FTH=1000mm。F塔底空间高度HB塔底空间高度具有贮存槽的作用，塔底釜液最好能在塔底有10〜15min的储量，以保证塔底料液不至排完。对于塔底产量较大的塔，塔底容量可取小些，取2~5min的储量。提取Aspen数据塔底料液出口体积流量V=119.33m3/s，塔径D=2.8m，t=3minHBVHBV•t0.785•D2=0.97m综上可知塔筒体高度H二H+(N-2-S)H+SH'+H+H二17.97mD T TFB裙座高度筒体高度大于10m，塔径1.9m>lm，所以采用圆柱形裙座：口、c1.5-D…H=2