《苯酚生产的塔设备设计案例综述》6000字

苯酚生产的塔设备设计案例综述目录TOC\o"1-2"\h\u3908苯酚生产的塔设备设计案例综述 1326091.1设计概述 1140141.2塔设备选型 2282171.2.1概述 243611.2.2塔设计要求 2263741.2.3塔的类型 269661.2.4填料塔 4184011.2.5填料塔和板式塔的比较 5253751.2.6塔型的结构与选择 6304181.3塔设计计算 7286381.3.1水力学参数 7314841.3.2塔径的计算 7324631.3.3工艺尺寸的计算 9112661.4流体力学验算 12168551.4.1降液管液泛 1245411.4.2停留时间 13288791.4.3雾沫夹带量校核 1378041.4.4严重漏液校核 14202821.5精馏段塔板负荷性能图 14991.5.1漏液线 1442701.5.2过量雾沫夹带线 14273031.5.3液相负荷下限线 1565601.5.4液相负荷上限线 15321791.5.5液泛线 15182891.5.6负荷性能图 15280321.6提馏段塔板负荷性能图 164881.6.1漏液线 16162941.6.2过量雾沫夹带线 16106231.6.3液相负荷下限线 1717711.6.4液相负荷上限线 17207881.6.5液泛线 17287671.6.6负荷性能图 17设计概述设备选型在项目建设中具有极其重要的地位。从工艺设备上来看，化工设备具体可分为两大类，其一是标准型设备，其二就是非标准性设备。按照定义，标准型设备指的是已经按照根据相关的国家规定，统一按照对应的标准，不用做过多调整，能进行批量生产的设备；而与之相对应的非标准设备，非标准设备是指从设备的实际用途和需求出发，参考目前的工艺条件，再结合物料计算，从而计算出相应的尺寸，或者是专业的设备设计人员对现有的图纸进行修改，再交予生产商按照图纸内容进行制造。本项目拟建一套年产15万吨异丙苯法制苯酚氧化工段工艺设计。本次设备设计对部分的主要设备进行选型设计，过程中主要确定设备的直径、高度等基本尺寸，部分设备的制造材料、接口尺寸。为设备的制图做基础。塔设备选型概述精馏塔以气液或液液等形式来进行质量交换，从而达到物质分离的的目的。塔器在化工、制药等行业的分离中是常见的设备，也是关键性的设备。塔设计要求(1)确定具体的分离效率，并核算出与之对应的塔高。(2)从设计选型中选出兼顾生产能力和单位塔截面积处理量的设计(3)实际生产中，传质分离的效果与操作弹性系数有着息息相关的联系。对于实际的气液负荷曲线来说，把分离效率最高的点所处的位置下调15%的，与之对应的最大负荷和最小负荷，它们的比值称为操作弹性。通常，在这一区间，操作趋于平稳。(4)从流体力学的角度来看，通过的气体阻力越小，它的输送功率就越低。在真空精馏的环境下，降低流经的气流的阻力，能使塔顶与塔底的压强差变小，当塔底操作压强减小，塔底溶液的气泡点也随之减小，对塔釜加热剂的要求也随之降低，同时还能缓解塔底物料的分解。(5)造型简单，造价相对低廉，设备的原材料来源丰富，在加工、维修和制造上方便快捷，能应对多种场景。塔的类型工业上使用的塔类型主要是填料塔和板式塔两种，对于填料塔和板式塔的比较和选择如下。（1）板式塔常见的板式塔如下。通常，把塔内有多层塔板的塔称为板式塔。每一层塔板上都能进行热量传递和物质传递，再通过辨别塔板的形状、塔板的结构或者气液两相在塔板上的表现，就能大致确定这个塔的类型。例如筛板塔、波纹型板塔、喷射塔等。=1\*GB3①浮阀塔浮阀塔的具有效率高、产量大的特点。同时，由于结构设计，它的传递物质的效率也优于其他塔，也具有雾沫夹带量少、液面梯度较为平缓、塔设计结构简单的特点。浮阀塔的出现时间较晚，成长潜力很大，目前有很多专家不断对浮阀塔进行改进，因此，新的浮阀塔不断涌出。=2\*GB3②泡罩塔从板式塔的历史来看，泡罩塔是最早出现在工业生产上的，由于结构设计，气相与液相能充分接触，有较大的操作弹性，但这也导致了它的分离效率较低，而且，需要使用较多的金属来保证塔体的强度，加工相对复杂，在应用层面处于劣势地位。=3\*GB3③筛板塔筛板塔是结构最简单的板式塔，它具有降液管，孔径取4~8mm。由于结构简单，在制造上比较方便，具有处理量大、塔体清洗方便、结构件修理、更换方便。但是操作范围相对较小，只适用于粘性较小的物料，以防止堵塞。④波纹穿流板塔波纹穿流塔板是最近几年新研发的一种板式塔，从气液两相流经路径来看，它们从塔板上穿流通过，不具有降液管，具有制造方便、生产能力强的特点。同时，由于雾沫夹带量较小，塔内压强小，塔体内方便清洁，不容易堵塞。目前来看，我国应用最广泛的浮阀塔类型有F1型、V-4型和T型。其中，F1型浮阀塔的结构最简单，应用也最广泛。而F1型浮阀塔又有重阀和轻阀之分，它们主要区别在重量和厚度上。一般来说，浮阀的重量对操作的稳定性有较大影响，随着阀的重量增加，稳定性也会增强，但是相应的气体阻力也会变大。综合来看，重阀的使用场景更广阔，但是在某些压降比较小的场景，就必须使用轻阀，比如真空精馏。表4-1三种阀主要尺寸阀的类型F1型（重阀）V-4型T型筛孔直径/mm393939阀片直径/mm484850阀片厚度/mm21.52最大开度/mm8.58.58静止开度/mm2.52.51.0-2.0阀片质量/mm32-3435-2630-32填料塔填料塔的外形呈圆筒状，能填充一层或者多层填料。气相从塔底进，液相从塔顶进，热量传递和物质传递主要在填充物料的表面进行，因此，填料塔的关键在于选择合适的填料。填料塔的类型比较多，从装填的类型来看，可分为散装填料和规整填料，具体原则有以下几条：（1）需要较大的比表面积，通量高，传质效率也比较高；（2）填料塔的压降比较小；（3）较高的操作性能，且流经的液体再分布性能要好；（4）塔体的机械强度合适，造价低廉；填料的选择要以类型、填料规格、填料材料更方面考虑。填料的主要几种类型有拉西环、鲍尔环以及阶梯环等。包装形式又有波纹、网格以及缠绕等方式。九种常用填料的性能评价见表4-2:表4-2九种常用填料性能对比排序填料名称评价评估值1丝网波纹填料效果很好0.862孔板波纹填料效果非常好0.613金属Intalox效果非常好0.594金属鞍形环效果非常好0.575金属阶梯环效果不错0.536金属鲍尔环效果不错0.517瓷Intalox效果还行0.418瓷鞍形环效果差0.389瓷拉西环效果差0.36填料的选择既要满足工艺条件，也要满足生产条件，还要节约成本，使设备等投资费用达到最低。填料塔和板式塔的比较表4-3精馏塔的主要类型及特点类型板式塔填料塔结构特点每层板上装配有不同型式的气液接触元件或特殊结构塔内设置有多层整砌或乱堆的填料，如拉西环、鲍尔环、鞍型填料等散装填料，格栅、波纹板等规整填料操作特点气液逆流逐级接触微分式接触，可采用逆流操作，也可采用并流操作设备性能空塔速度（亦即生产能力）高，效率高而且稳定；塔压降大，液体量大，操作弹性大。空塔气速与塔径成反比，液相的喷淋密度要大，但持液量不宜过大，操作的弹性大，效率低制造与维修直径在600mm以下的塔安装困难，金属材料耗量大新型填料制备复杂，造价高，检修清理困难，可采用非金属材料制造，但安装过程较为困难适用场合处理量大，操作弹性大，带有污垢的物料处理强腐蚀性，液气比大，真空操作要求压力降小的物料确定塔的参数选型需要综合各种因素，例如操作物质的物性，操作的条件，塔的适应性，同时还要为塔的制造，安装以及维修的难度，还有塔体的材料和成本。在精馏段，若是真空精馏或常压精馏，由于填料塔的塔内空间利用充分，能提供更大的传质面积，导致气相与液相能充分接触，因此，填料塔的效率比板式塔的效率更高，这时能优先考虑填料塔。当考虑加压精馏的场景时，由于填料塔的投资大，且耐波动能力较弱，此时便不推荐填料塔。从吸收过程考虑，主要类型有液膜控制和气膜控制，还有介于两者之间的共同控制吸收这三种类型。气膜控制吸收类似于真空精馏，选择高效规整的填料塔；液膜控制类似于加压蒸馏，优先选择板式塔；介于二者之间的按照经验，多数选用散装填料塔。总的来说，具体选型应着重考虑以下几个方面：（1）物性因素物料容易起泡，处理的量又比较小时，选择填料塔比较好，若选择板式塔容易出现液泛现象。对于腐蚀性强的物系，选择填料塔是最合适的，但必须选择板式塔时，可以考虑筛板塔，筛板塔的结构简单，制造成本低，结构件更换更方便。对于热敏性的物料，应当采取适当的减压操作，以防止温度太高引起物料分解或聚合，因此应该选择压降较小的塔型。对于粘性较大的物系，可以选用大尺寸较大的填料塔。对于含有悬浮物的物料，应选择液相流通道大的塔型，这里优先考虑板式塔。对于操作过程中有较大热效应的系统，优先考虑板式塔。（2）操作条件因素当气相传质阻力较大时，宜采用填料塔。当液体负荷较大时，可选用填料塔。（3）其他因素通常，当塔体直径大于800mm时，优先考虑板式塔最优，否则选择填料塔。填料塔用于吸收和解吸过程，可以达到很好的传质效果，因为它具有通量大、阻力小、传质效率高等性能。因此实际过程中，吸收、解吸和气体洗涤过程绝大多数都使用填料塔。由于填料塔具有通量大、传质效率高和阻力小的特点，因此它的吸收、解吸过程的物质传递效果很好。塔型的结构与选择塔设备结构主要有：附件、内件、塔体及支座。（1）塔体的结构比较简单，主要由封头和筒节组成。当塔体直径大于800mm时，多节塔体焊接，形成一个整体；当塔体直径小于800mm时，塔体分多段制造，再用法兰连接起来，形成整体结构；（2）板式塔的塔内件主要是塔盘，填料塔的内件主要是填料制支承，同时也是物料经过的区域；（3）常用的支座是裙式支座；（4）附件包括手孔、人孔，各种扶梯、平台、吊柱、接管等。同时，还需考虑物料的特殊物性、操作压力的具体范围以及经济成本等因素。塔设计计算本次计算以塔T201计算为例，操作压力为0.15MPa，塔顶温度41.245℃，塔底温度194.127℃，塔板数50块，详细的计算过程如下所述。水力学参数提取Aspenplus各塔板上的物性参数，选取塔板上气液相负荷最大的第1块塔板进行手工计算和校核，然后再用Aspenplus进行塔的设计和校核，通过比较来检查计算的正确性。表4-1塔板物性数据物性参数符号液体L气体V温度/℃T41.245102.085质量流率/（kg/h）-31508.00031581.600体积流率/（m3/h）-40.59511669.400密度/（kg/m3）ρ776.1472.706表面张力/（dyne/cm）σ21.631—塔径的计算塔板间距HT的选取与塔高、塔径、物性性质、分离效率、操作弹性以及塔的安装、检修等因素有关。设计时通常根据塔径的大小，由表4-2列出的塔板间距的经验数值选取。表4-2塔板间距和塔径的关系塔径Di/m0.3～0.50.5～0.80.8～1.61.6～2.02.0～2.4>2.4板间距HT/mm200～300300～350350～600450～600500～800≥800初选塔板间距HT=500mm板上液层高度hL=60mmHT-hL=440mm气液两相流动参数：L图4-1史密斯关联图查图4-1得C20矫正到表面张力为21.631mN/m时C=u取安全系数为0.600，则空塔气速为u=0.600D=按标准塔径圆整后为：D=2.400m塔截面积为：A实际空塔气速为：u=安全系数u在0.5~0.8 范围间，合适。工艺尺寸的计算以精馏段计算为例。（1）溢流装置计算塔径D=2.400m，可选用单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。各项计算如下：①降液管尺寸取堰长：l由弓形降液管的几何关系图如下所示：结构参数图查得：图4-2弓形降液管的几何关系图结构参数查图得：A因此弓形降液管所占面积：A弓形降液管宽度：W验算：液体在降液管的停留时间：τ=合适。②溢流堰尺寸因为受液盘为凹形受液盘，所以没有内堰。L图4-3液流收缩系数由《化工原理》（夏清、贾绍义编制）图液流收缩系数计算图查得：E=1.02由弗朗西斯公式，堰上液层高度ℎ溢流堰高：hw=hL-③降液管底隙高度h计算公式：h一般u0'=（0.06-0.25）m/s，本设计取u0'选用凹形受液盘，深度hw（2）阀孔数选用F1型重阀，气体动能因数F0的数值常在8~20之间。阀孔直径d0初取动能因数F0u每层塔板上阀孔个数n=（3）阀孔排列可将塔板分为四个区域，分别为：①溢流区降液管及受液盘所占的区域：W②安定区溢流区与鼓泡区之间的面积安定区宽度一般在60-70mm，本设计取WS③无效边缘区靠近塔壁的一圈边缘区域，主要供支持塔板的边缘之用。无效边缘区宽度一般在50-60mm，取WC④鼓泡区塔板上气液接触的有效面积开孔区面积AaAx=r=所以A采用等腰三角形错列，底边长L0=75mm，排间距t=取t=180mm阀孔排数：n阀孔气速u动能因数F0=u（4）开孔率φ=Aφ=开孔率在10-15%之间，满足要求。流体力学验算降液管液泛降液管内清液层高度：H（1）降液管阻力ℎ（2）塔板压降ℎ①干板阻力临界孔速:u阀全开前（u0ℎ阀全开后（u0ℎ所以ℎ②板上充气液层阻力取充气系数ε0hl=ε所以：hP=hc+计算H取降液管中泡沫层相对密度∅=0.5，则φ（HT可见，Hd＜∅（H停留时间应保证液体在降液管内的停留时间大于5s，才能使得液体所夹带气体的释出。τ=可见，所夹带气体可以释出。雾沫夹带量校核泛点率计算公式：F=板上液体流经长度：ZL=D-2W板上液流面积：Ab=AT-2A泛点负荷系数CF由泛点负荷系数图查得CF=0.130图4-4泛点负荷系数并取物性系数K=1.5，将以上数据代入得到F=0.346及F=0.398可见，两式均小于80%，故雾沫夹带量