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塔设备设计说明书资料
塔设备选型说明书
1.1塔型的选择原则
精馏塔主要有板式塔、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。
塔选型参考标准
《固定式压力容器》
GB150-2011
《压力容器封头》
GB/T25198-2010
《石油化工塔器设计规范》
SHT3098-2011
《钢制化工容器结构设计规定》
HG/T20583-2011
《工艺系统工程设计技术规范》
HG/T20570-1995
《塔顶吊柱》
HG/T21639-2005
《不锈钢人、手孔》
HG21594-21604
《钢制人孔和手孔的类型与技术条件》
HG/T21514-2005
《钢制塔式容器》
JB/T4710-2005
《钢制管法兰、垫片、紧固件》
HG/T20592~20635-2009
1.2填料塔和板式塔的比较
表1-1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，效率高且稳定；压降大，液气比的适应范围大，持液量大，操作弹性小
大尺寸空塔气速较大，小尺寸空塔气速较小；要求液相喷淋量较大，持液量小，操作弹性大
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
1.2.1板式塔塔型选择的一般原则
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：
（1）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；
（2）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；
（3）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；
（4）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：
（1）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；
（2）液相负荷较小；
（3）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；
（4）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；
（5）在较高压力下操作的蒸馏塔仍多采用板式塔。
1.2.2板式塔的塔盘类型与选择
1.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。
2.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。
表1-2塔板性能的比较
塔板类型
优点
缺点
适用范围
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
分离要求高、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
分离要求高、塔板数较多
舌型板
结构简单且阻力小
操作弹性窄、效率低
分离要求较低的闪蒸塔
表1-3塔板性能的量化比较
塔板类型
生产能力
操作弹性
塔板效率
压降
结构
成本
泡罩板
1.0
5
1.0
1
复杂
1
浮阀板
1.2-1.3
9
1.1-1.2
0.6
一般
0.7-0.9
筛板
1.2-1.4
3
1.1
0.5
简单
0.4-0.5
舌型板
1.3-1.5
3
1.1
0.8
简单
0.5-0.6
1.2.3填料塔填料选择
填料的种类很多，根据装填方式的不同，可分为散装填料和规整填料两大类。
填料的选择主要根据以下几个方面来考虑：
（1）比表面积要大，有较高的传质效率；
（2）有较大的通量；
（3）填料层的压降小；
（4）填料的操作性能好；
（5）液体的再分布性能要好；
（6）要有足够的机械强度；
（7）价格低廉。
填料的选取包括确定其种类、规格、及材质等。
颗粒填料包括拉稀环、鲍尔环、阶梯环等，规整填料主要有波纹填料、格栅填料、绕卷填料等。
国内学者采用模糊数学方法对九种常用填料的性能进行了评价如表所示：
表1-4九种常用填料性能对比
填料名称
评估值
评价
排序
丝网波纹填料
0.86
很好
1
孔板波纹填料
0.61
相当好
2
金属Intalox
0.59
相当好
3
金属鞍形环
0.57
相当好
4
金属阶梯环
0.53
一般好
5
金属鲍尔环
0.51
一般好
6
瓷Intalox
0.41
较好
7
瓷鞍形环
0.38
略好
8
瓷拉西环
0.36
略好
9
填料的选择包括确定填料的种类、规格及材质等。
所选填料既要满足生产工艺的要求，又要使设备投资和操作费用最低。
1.3塔型的结构与选择
塔设备的总体结构均包括：
塔体、内件、支座及附件。
塔体是典型的高大直立容器，多由筒节、封头组成。
当塔体直径大于800mm时，各塔节焊接成一个整体；直径小的塔多分段制造，然后再用法兰连接起来。
内件是物料进行工艺过程的地方，由塔盘或填料支承等件组成。
支座常用裙式支座。
附件包括人、手孔，各种接管、平台、扶梯、吊柱等。
具体来讲，应着重考虑以下几个方面：
1.3.1与物性有关的因素
（1）易气泡的物系，如果处理量不大，宜选用填料塔。
因为易起泡的物质容易在塔内产生泡沫，填料可以使泡沫破裂，而在板式塔上会产生液泛。
（2）具有腐蚀性的介质可选用填料塔，若必须用板式塔，宜选用结构简单、造价较低的筛板塔盘、穿流式塔盘或者舌形塔盘，以便及时更换。
（3）操作过程中有热效应的系统，应选用板式塔。
（4）粘性较大的物系，可以选用大尺寸填料。
板式塔传质效率太差。
（5）具有热敏性的物料必须减压操作，以防过热引起的分解或聚合，故应选用压力降较小的塔型。
（6）含有悬浮物的物料，宜选择液通道较大的塔型，应选以板式塔。
1.3.2与操作条件有关的因素
（1）液气比波动的适应性，板式塔优于填料塔。
（2）若气相传质阻力大，宜选用填料塔。
（3）大的液体负荷，宜选用填料塔。
（4）操作弹性，板式塔较填料塔大，其中以浮阀塔最大，泡罩塔次之。
1.3.3其他因素
（1）一般填料塔比板式塔重。
（2）大塔以板式塔造价较为经济。
（3）对于多数情况，塔径大于0.8m的宜选用板式塔，小于0.8m时可选用填料塔。
但也有例外，某些新型填料在大塔中的使用效果优于板式塔。
（4）填料塔用于吸收和解吸过程，可以达到很好的传质效果，它具有通量大、阻力小、传质效率高等性能。
因此在实际过程中，解吸和洗涤气体的过程绝大多数使用填料塔。
1.3.4本厂实际情况的选择
（1）在各个工段中，既含有腐蚀性小的物系，又含有腐蚀性较大的物系，因此在塔型选择时应分别考虑。
（2）在部分工段会产生悬浮物。
（3）常压、减压、加压操作均存在。
（4）塔径一般较大，个别为小尺寸。
（5）从成本出发，优先考虑板式塔，但在一些吸收过程中，同时使用填料塔。
具体的选择结果如表1-5所示：
表1-5塔型确定
塔设备编号
塔设备名称
设备类型
备注
T0101
急冷塔
浮阀塔
T0201
脱轻塔
浮阀塔
T0202
磷铵解吸塔
浮阀塔
T0203
氨精制塔
浮阀塔
T0301
吸收塔
填料塔
Y250规整填料
T0302
回收塔
浮阀塔
T0303
脱氢腈酸塔
浮阀塔
T0304
丙烯腈精制塔
浮阀塔
T0401
乙腈除氨塔
浮阀塔
T0402
乙腈塔
浮阀塔
T0403
乙腈双压精馏低压塔
浮阀塔
T0404
乙腈双压精馏高压塔
浮阀塔
1.4塔的设计
对加压共沸精馏塔T0404进行设计：
加压共沸精馏塔T0404是，操作压力为0.3MPa，塔顶温度111.17℃，塔底温度124.33℃，理论板数20块，一股进料，来自T0403的馏液从第4块板进料，T0404的详细计算过程如下所示：
水力学参数获得
采用AspenPlus对T0404添加TraySizing，选用圆形浮阀型塔板。
得到水力学参数表后，分为提馏段与精馏段，分别从中选择流量最大的塔板，作为设计的计算依据。
表1-6AspenPlus对T0404精馏段的模拟结果
塔板
液相温度/℃
气象温度
/℃
液相质量流量
kg/h
气相质量流量kg/h
液相体积流量m3/h
气相体积流量
m3/h
4.
113.72
116.92
39157.52
36935.25
59.82
10482.05
液相
分子量
气相分子量
液相密度kg/m3
气相密度kg/m3
液相粘度cP
气相粘度cP
液相表面张力dyne/cm
37.50
37.31
654.61
3.52
0.19
0.01
23.64
发泡
指数
dyne/cm
气流参数
减少蒸汽量m3/hr
-5.86
0.08
771.12
1.4.1塔的主要工艺尺寸计算
1.塔径计算
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。
初选塔板间距：
HT=600mm；
板上液层高度：
hT=80mm；
HT-hT=600-94=520mm；
汽液两相流动参数：
查史密斯关联图：
图1-1史密斯关联图
可查得：
C20=0.08；
矫正到表面张力为0.0236N/m：
泛点气速：
为避免雾沫夹带及液泛的发生，一般情况：
在此取安全系数0.8：
所以，初算塔径为D’=2.56m；
圆整后取D=2.6m；
实际塔截面积
实际空塔气速
2.塔径的初步核算
（1）雾沫夹带
，取
故堰长
由《化工原理》（陈敏恒编制）图1-2查弓形降液管的参数，如下图所示：
图1-2弓形降液管的几何关系
由图可知：
，
则弓形降液管截面积：
所以，
又因为
=2.5
=2.5
=0.2m
则雾沫夹带量
：
kg液/kg气<0.1kg液/kg气，
故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带。
（2）停留时间
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
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：
根据以上两步核算的结果，可以认为塔径D=2.6m合理。
3.塔板布置设计
（1）塔板结构形式
降液管主要有圆形、弓形和倾斜弓形三种。
三种降液管的对比如下：
表1-6不同降液管的比较
降液管形式
圆形
弓形
倾斜弓形
简图
特点及适用
范围
在弓形降液管内另装圆管作为降液管，适用于液量较小的情况。
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。
此形式有利于塔截面的充分利用，适用于大直径的塔及气液负荷较大的情况。
综合以上情况比较，这里选用倾斜弓形降液管。
液体在塔板上的流动路径是由降液管的布置方式决定的。
常用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。
表1-7列出了溢流类型、塔径、液体负荷之间的关系。
表1-7液体负荷与板上流型的关系
塔径
（mm）
液体流量（m3/h）
U形流
单流型
双流型
阶梯流型
1000
7以下
45以下
1400
9以下
70以下
2000
11以下
90以下
90~160
3000
11以下
110以下
110~200
200~300
4000
11以下
110以下
110~230
230~350
5000
11以下
110以下
110~250
250~400
6000
11以下
110以下
110~250
250~450
由于高压塔精馏段流量为59.82m3/h，且估算塔径为2.6m，所以选择单流型。
4.堰及降液管设计
（1）堰的设计
因为受液盘为凹形受液盘，所以没有内堰。
图1-3液流收缩系数
由《化工原理》（陈敏恒编制）图8-18液流收缩系数图查得：
E=1.03
由弗朗西斯公式，堰上液层高度：
由于堰上液层高度大于6mm，所以采用平堰。
堰高
，圆整后得堰高为0.05m。
所以板上清液层高度为
.0832
因为
所以假设的
合适。
（2）降液管的设计
降液管的截面积
降液管管宽
假设h0比hw少10mm
则降液管底部距下一板的间距为
5.孔布置
阀孔直径，这里选用F1型浮阀，其阀孔直径为39mm。
阀孔数，取决于操作时的阀孔气速u0，而u0由阀孔的动能因数F0决定，根据试验表明正常负荷下，希望浮阀刚好全开时F0=7~11，这里取F0=10，则
所以阀孔数
该塔板为整块式塔板，阀孔选择正三角形排列，则其孔心距为：
。
6.流体力学计算与校核
（1）塔板压降
1）干板阻力
阀全开的临界气速
解得：
故浮阀全开，则干板压降：
2）板上充气液层阻力
取
，则
3）液体表面张力所造成的阻力
此阻力很小，可忽略不计。
4）塔板压降
气体通过塔板的压降:
（2）降液管液泛校核
降液管液柱高度：
其中，液体通过降液管的压头损失：
板上液层高度
，则
故液泛符合要求，降液管不会发生液泛。
（3）雾沫夹带量校核
根据泛点负荷因数图可得：
CF=0.135，由于乙腈-水属于发泡物系，取物性系数K=0.73
图1-4泛点负荷系数图
或：
F取较大值，因为F<0.80，所以符合要求。
7.负荷性能图
（1）雾沫夹带线
泛点率：
按泛点率为80%计算：
0.8
整理得：
（2）液泛线
对于易起泡物系，
由此确定液泛线，式中可忽略
，
其中
带入数据整理得：
（3）液相负荷上限
液体的最大流量应保证降液管中停留时间不低于3~5s。
液体在降液管内停留时间
以
作为液体在降液管内停留时间的下限，则：
（4）漏液线
对于F1重型浮阀，以F0=5作为规定气体最小负荷标准，则
（5）液相负荷下限
取堰上液层高度
作为液相负荷下限条件作出液相负荷下限线，该线为与气相流量无关的竖直线。
取E=1.0，则
由以上1~5作出塔板的负荷性能图如下：
图1-5塔板的负荷性能图
上述各线围成的区域为稳定操作区，操作点在稳定操作区适中位置，有较好的操作弹性。
综上所以塔0404精馏段设计合理。
1.5CupTower校核
以双压精馏高压塔T0404为例，从Aspenplus中导出水力学数据，将塔分为精馏段与提馏段进行设计校核。
选择流量最大的板进行CupTower塔校核设计，T0404校核设计结果如下。
（CupTower设计校核数据与CupTower源文件见Cuptower文件夹）
表1-8T0404精馏段Cuptower校核表
基本信息
1
项目名称
7
校核人
2
装置名称
8
日期
2016/8/16
3
塔的名称
T0404
9
说明
4
塔板编号（实际）
1#—5#
10
计算选用的理论版
4#
5
塔板层数
5
11
塔板编号（理论）
#—#
6
塔板形式
圆形浮阀
12
分段说明
工艺设计条件
液相
气相
1
质量流量
kg/h
39157.54
7
质量流量
kg/h
36935.23
2
密度
kg/m3
654.61
8
密度
kg/m3
3.52
3
体积流量
m3/h
59.82
9
体积流量
m3/h
10482.05
4
粘度
cp
0.19
10
粘度
cp
0.01
5
表面张力
dyn/cm
23.64
11
安全因子
/
0.82
6
体系因子
/
0.50
12
充气因子
/
0.60
塔板结构参数
1
塔径
m
2.60
6
孔数
#
578.07
2
板间距
m
0.6000
7
开孔密度
#/m2
136.67
3
塔截面积
m2
5.3093
8
溢流程数
/
1
4
开孔区面积
m2
4.2298
9
堰的形式
/
平堰
5
开孔率
%
13.00
溢流区尺寸
两侧
中心
1
降液管面积比
%
5.20
2
堰径比
%
60.00
3
降液管顶部宽度
m
0.2600
4
弯折距离
m
0.0971
5
降液管底部宽度
m
0.1629
6
受液盘深度
m
0.0500
7
受液盘宽度
m
0.2600
8
堰高
m
0.0500
9
降液管底隙
m
0.0500
10
降液管顶部面积
m2
0.2763
11
降液管底部面积
m2
0.1387
12
顶部堰长
m
1.5600
13
底部堰长
m
1.2602
14
进口堰高度
m
15
进口堰宽度
m
圆形浮阀参数
1
浮阀孔径
m
0.039
5
2
单阀重量
kg
0.033
6
3
7
4
8
工艺计算结果
正常操作
150%操作
60%操作
1
空塔气速
m/s
0.5484
0.8226
0.3290
2
空塔动能因子
m/s（kg/m3）^0.5
1.0294
1.5442
0.6177
3
空塔容量因子
m/s
0.0403
0.0605
0.0242
4
孔速
m/s
4.2186
6.3278
2.5311
5
孔动能因子
m/s（kg/m3）^0.5
7.9188
11.8782
4.7513
6
漏点气速
m/s
2.6636
2.6636
2.6636
7
漏点动能因子
m/s（kg/m3）^0.5
5.0000
5.0000
5.0000
8
相对泄露量
kg液/100kg液
-
-
-
9
溢流强度
m^3/（h.m）
38.3447
57.5171
23.0068
10
流动参数
/
0.0778
0.0778
0.0778
11
板上液层高度
m
0.0823
0.0923
0.0730
12
堰上液层高度
m
0.0323
0.0423
0.0230
13
液面梯度
m
-
-
-
14
板上液层阻力
m液柱
0.0411
0.0462
0.0365
15
干板压降
m液柱
0.0391
0.0590
0.0358
16
总板压降
m液柱
0.0803
0.1052
0.0723
17
雾沫夹带
kg液/kg气
0.0039
0.0202
0.0005
18
降液管液泛
%
44.4074
56.7708
38.2190
19
降液管内液体高度
m
0.1732
0.2214
0.1491
20
降液管停留时间
s
9.9777
6.6518
16.6295
21
降液管内线速度
m/s
0.0601
0.0902
0.0361
22
降液管底隙速度
m/s
0.2637
0.3955
0.1582
23
降液管底隙阻力
m液柱
0.0106
0.0239
0.0038
24
稳定系数
/
1.5838
2.3756
0.9503
25
降液管最小停留时间
s
3.0000
3.0000
3.0000
负荷性能图参数
1
操作点横坐标
m3/h
59.82
2
操作点纵坐标
10^3m3/h
10.48
3
操作上限百分比
--
150.00%
4
操作下限百分比
--
60.00%
5
5%漏液时漏点动能因子
m/s（kg/m3）^0.5
5.00
6
10%漏液时漏点动能因子
m/s（kg/m3）^0.5
X液相体积流量m3/h
Y气相体积流量10^3*m3/h
0-操作线
1-雾沫夹带线
2-液泛线
3-液相负荷上限线
4-漏液线
5-液相下限线
1-9T0404提馏段提馏段Cuotower校核表
基本信息
1
项目名称
7
校核人
2
装置名称
8
日期
2016/8/16
3
塔的名称
T0404
9
说明
4
塔板编号（实际）
6#—30#
10
计算选用的理论版
15#
5
塔板层数
25
11
塔板编号（理论）
#—#
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