设备选型精馏塔设计说明书.docx

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设备选型精馏塔设计说明书

第三章设备选型-精馏塔设计说明书

3.1概述

本章是对各种塔设备的设计说明与选型。

3.2设计依据

气液传质分离用的最多的为塔式设备。

它分为板式塔和填料塔两大类。

板式塔和填料塔均可用作蒸馏、吸收等气液传质过程，但两者各有优缺点，根据具体情况进行选择。

设计所依据的规范如下：

《F1型浮阀》JBT1118

《钢制压力容器》GB150-1998

《钢制塔式容器》JB4710-92

《碳素钢、低合金钢人孔与手孔类型与技术条件》HG21514-95

《钢制压力容器用封头标准》JB/T4746-2002

《中国地震动参数区划图》GB18306-2001

《建筑结构荷载规范》GB50009-2001

3.3塔简述

3.3.1填料塔简述

（1）填料塔

填料塔是以塔内的填料作为气液两相间接触构件的传质设备，由外壳、填料、填料支承、液体分布器、中间支承和再分布器、气体和液体进出口接管等部件组成。

填料是填料塔的核心，它提供了塔内气液两相的接触面，填料与塔的结构决定了塔的性能。

填料必须具备较大的比表面，有较高的空隙率、良好的润湿性、耐腐蚀、一定的机械强度、密度小、价格低廉等。

常用的填料有拉西环、鲍尔环、弧鞍形和矩鞍形填料，20世纪80年代后开发的新型填料如QH—1型扁环填料、八四内弧环、刺猬形填料、金属板状填料、规整板波纹填料、格栅填料等，为先进的填料塔设计提供了基础。

填料塔适用于快速和瞬间反应的吸收过程，多用于气体的净化。

该塔结构简单，易于用耐腐蚀材料制作，气液接触面积大，接触时间长，气量变化时塔的适应性强，塔阻力小，压力损失为300～700Pa，与板式塔相比处理风量小，空塔气速通常为0.5-1.2m/s，气速过大会形成液泛，喷淋密度6-8m3/（m2.h）以保证填料润湿，液气比控制在2-10L/m3。

填料塔不宜处理含尘量较大的烟气，设计时应克服塔内气液分布不均的问题。

（2）规整填料

塔填料分为散装填料、规整填料（含格栅填料）和散装填料规整排列3种，前2种填料应用广泛。

在规整填料中，单向斜波填料如JKB，SM，SP等国产波纹填料已达到国外MELLAPAK、FLEXIPAC等同类填料水平；双向斜波填料如ZUPAK、DAPAK等填料与国外的RASCHIGSUPER-PAK、INTALOXSTRUCTUREDPACKING同处国际先进水平；双向曲波填料如CHAOPAK等乃最新自主创新技术，与相应型号的单向斜波填料相比，在分离效率相同的情况下，通量可提高25％-35％，比国外的单向曲波填料MELLAPAKPLUS通量至少提高5％。

上述规整填料已成功应用于φ6400，φ8200，φ8400，φ8600，φ8800，φ10200mm等多座大塔中。

（3）板波纹填料

板波纹填料由开孔板组成，材料薄，空隙率大，加之排列规整，因而气体通过能力大，压降小。

其比表面积大，能从选材上确保液体在板面上形成稳定薄液层，使填料表面润湿率提高，避免沟留现象，从而提高传质效率。

气液两相在填料中不断呈Z形曲线运动，流体分布良好，混合充分，无积液死角，因而放大效应很小，适用于大直径的塔。

3.3.2板式塔简述

（1）板式塔

板式塔是一种逐级（板）接触型的汽液传质设备，塔内以塔板作为基本构件，气体以鼓泡或喷射的形式穿过塔板上的液层，汽液两相的组分浓度沿塔高呈阶梯式变化。

板式塔主要包括传统的筛板塔、泡罩塔、浮阀塔、舌片塔板与浮舌塔板、穿流塔板和各种改进型浮阀塔板、多种传质元件混排塔板和造成板上大循环的立体喷射塔板等。

（2）筛孔塔板

筛孔塔板简称筛板，结构特点为塔板上开设许多均匀的小孔。

根据孔径的大小，分为小孔径塔板（孔径3～8mm）和大孔径塔板（孔径为10～25mm）两类。

工业应用以小孔径筛板为主，大空径筛板多用于某些特殊场合（如分离粘度大、易结焦的物系）。

3.4选型原则

（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，因为填料塔克采用非金属材料，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，堵塞的危险性较小；

4）在操作过程中伴随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，另外，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。

板式塔和填料塔的优势比较如下：

表3-1板式塔和填料塔的优势比较

塔型

优势

填料塔

1）小直径塔费用低，便于安装；

2）液压降低，有利于真空精馏；

3）用于难分离的场合以降低塔高；

4）用于腐蚀严重的场合，在这种情况下可采用耐腐蚀材质填料；

5）适合于发泡物系；

6）改造老塔，增加通量，减少消耗，提高产品质量；

7）用于间歇精缩，因为填料塔的持液量低。

板式塔

1）对于大直径塔设备费用低；

2）不易堵塞，且易清理；

3）适合大液量操作。

因为板式塔气流为错流，流量增大对气体负荷影响不大；

4）适合中间内部换热、侧线出料多的场合。

3.5塔设备选型

3.5.1塔设备选型

比较了板式塔和填料塔的特点，并结合体系的特点，另外考虑设备的制造、投资和维修，选用板式精馏塔。

3.5.2塔板选型

（1）板式塔塔板种类

根据塔板上气、液两相的相对流动状态，板式塔分为穿流式与溢流式。

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）各种塔板性能比较

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适用体系，我们将几种主要塔板的性能比较列表如下：

表3-2几种主要塔板的性能比较

项目

泡罩塔板

浮阀塔板

筛板塔板

相对费用

2.0

1.2

1.0

压力降

最高

中等

最低

板效率

高

最高

最低

蒸汽负荷

最低

最高

最高

操作弹性

5

4

2

（3）塔板的选择

生产能力大，分离要求高。

综合考虑塔板的效率、分离效果和设备的成本、制造、维修等，我们选用了较为成熟，目前广泛使用的F1型浮阀塔板。

3.6精馏塔T2塔具体设计

3.6.1AspenPlus模拟气液负荷和物性数据的计算

根据AspenPlus模拟的结果可得到以下数据：

表3-3由AspenPlus模拟气液负荷和物性数据

塔板编号

液相体

积流率m3/h

气相体积流率m3/h

液相密度

kg/m3

气相密度

kg/m3

液相粘度

cP

液体表面张力mN/m

1

175.714526

58831.8767

1423.42129

4.25136529

0.40990295

23.3321515

2

144.829404

59410.7977

1413.60379

4.28801775

0.39434193

22.1435561

3

145.12545

59454.4048

1412.91751

4.29023635

0.39330502

22.0661948

4

145.143199

59456.9729

1412.8763

4.29037224

0.39324298

22.0615626

5

145.143905

59456.9584

1412.87435

4.2903853

0.39324008

22.0613192

6

145.143453

59456.7667

1412.87497

4.29038991

0.39324109

22.0613539

7

145.142923

59456.6291

1412.87529

4.29038804

0.39324214

22.0613983

8

145.139728

59456.6133

1412.86879

4.29029736

0.3932432

22.0614711

9

145.076491

59457.6234

1412.72396

4.28836842

0.39325343

22.0625027

10

183.229165

59941.4837

1409.69055

4.29756428

0.39346091

22.0838545

11

183.014319

59961.7369

1408.91637

4.28869876

0.39322406

22.0673503

12

177.154938

59877.0572

1394.28175

4.1135932

0.39416237

22.1668992

13

146.497139

54907.1044

1202.33846

3.19530786

0.40063035

23.4304274

14

132.495008

52250.9006

904.183111

2.27949574

0.34423923

23.1707742

15

143.141732

56021.2479

824.7639

2.09499243

0.30526712

21.4999116

16

145.588872

56843.0262

814.465544

2.07383535

0.29978808

21.1988095

17

145.871707

56937.5416

813.354319

2.07159173

0.29919509

21.1651332

18

145.901717

56947.5645

813.237253

2.07135581

0.2991326

21.161572

19

145.904873

56948.6186

813.224952

2.07133103

0.29912604

21.1611977

20

0.85344664

56948.6186

813.22366

2.07133103

0.29912535

21.1611583

每块板上的负荷如下图所示：

图3-1每块板上的负荷量

由上图可知，在第5块板上，汽液两相的负荷最大，分别为：

Ls=145.143905m3/h=0.0403m3/s,ρL=1412.87435kg/m3

Vs=59456.9584m3/h=16.516m3/s,ρv=4.2903853kg/m3

液相表面张力为σ=22.0613192mN/m

3.6.2塔板数和操作参数

本项目使用AspenPlus对精馏塔的模拟结果如下表：

表3-4AspenPlus对精馏塔的模拟结果

操作压力（MPa）

回流比

加料状态

所需理论板数

加料位置

0.1

4

液体

20

第10块理论板

3.6.3初估塔径

3.6.3.1塔板初步设计

采用史密斯关联图估算，初选塔板间距HT=0.6m，板上清液层高度

hL=0.1m则

HT-hL=0.6-0.1=0.5m

又

C可由史密斯关联图查出。

查得C20=0.12m/s，

20（

）0.2=0.12（

）0.2=0.122

最大允许气速uF=C

=0.12

=2.217（m/s）

取泛液分率等于0.85，得出它的有效面积为

An=

=8.763m2

取Ad/A=0.12，则塔的总面积为

A=

=9.958m2

塔径为

D=

=

=3.56（m）

按标准塔径圆整为D=3.6m

得出塔截面积为A=

D2=

×3.62=10.174（m2）

降液管总截面面积Ad=0.12A=0.12×10.174=1.221m2

塔净截面积An=0.88A=0.88×10.174=8.953m2

塔板工作面积Aa=0.76A=0.76×10.174=7.732m2

孔总面积Ao=0.1A=0.1×10.174=1.017m2

孔径do=0.005mm

板厚tp=0.0025mm

偃高hw=0.05mm

3.6.3.2水力学性能计算

（1）修正气速数值及液泛分率数值

u=

=1.623m/s

液泛分率=

=

=0.732

（2）计算液沫夹带分率根据FLV=0.443及液泛分率为0.732，查图得

ψ=0.06

（3）塔板压降

△Ht=ho-he

①干板压降已知do/tp=0.005/0.0025=2，查图得Co=0.77

uO=

=

=16.234m/s

所以

m清液柱

②气体通过泡沫层的压降

he=hw+how

已规定堰高hw=0.05m

采用双流型，Ad/A=0.12，这里的Ad应该为两个降液管的截面积，之前按Ad为一个截面积，故应改为Ad/A=0.06计，查图得

/D=0.63,wd/D=0.109

/D=0.97

于是得出：

=0.63D=2.268m

=0.97D=3.492m

wd=0.11D=0.396m

按两侧均设有降液管来计算how，液体流率VL'应取总量的0.5，故得

VL'=0.5×0.04×3600=72.54m3/h

=9.364

查图得Fw=1.045

故堰液头how=0.0028Fw（

）2/3=0.0028×1.045×（

）2/3=0.029

ua=

=

=2.136m/s

uaρG0.5=2.136×4.290.5=4.425

查图得充气系数

he=β（hw+how）=0.57×（0.05+0.029）=0.045m清夜柱

③总压降

△Ht=ho+he=0.069+0.045=0.114m清夜柱

（4）液面落差前已确定堰高的值，又已算出堰液头的值，故可得

hw+how=0.05+0.029=0.079m

由式可得漏液点的干板压降

hO'=0.0056+0.13×0.05-0.0025=0.0096m

根据式可知压降和气速的平方成正比，即

=（

）2

故得筛孔处操作气速和漏点气速之比为

=（

）0.5=2.166＞1.5

（6）降液管通过能力核算

①降液管内液面高先利用公式计算流过降液管的压头损失。

取降液管下沿与塔板面距离为40mm，则液体从降液面出时所经过的缝隙流通截面积等于此距离乘以lw1

Ada=0.04×2.268=0.091m2

液体通过降液管的压头损失

m

降液管内的液面高

Hd=△Ht+hw+how+△+hd=0.222m

以泡沫液计，液面高应为（取泡沫液的相对密度φ=0.5）

Hd‘=

=

=0.443m

=

=2.7

②液体在降液管内的停留时间

停留时间=

=

=6.711s＞3s

3.6.3.3计算结果

（1）主要规格

版型

双流型

溢流堰（在两侧）长

2.268

塔径

3.6m

溢流堰（在中央）长

3.492

板距

600

孔总面积

1.017m2

降液管面积

1.22m2

孔径

5mm

降液管下沿与塔板面距离

40mm

板厚

2.5

溢流堰高

50mm

（2）水动力学性能

液泛分率

0.732

操作气速/漏液点气速

2.166＞1.5

液沫夹带分率

0.06

降液管内泡沫液面高/板距

0.55

△/ho

_

降液管内液体停留时间

6.711＞3s

堰液头

29mm（＞6mm）

3.6.3.4负荷性能图

（1）漏液线漏液点的干板压降为

ho‘=0.0056+0.13×（hw+how）-hσ

已规定hw=0.05

又已算出hσ=0.0025

堰液头how与VL有关

how=0.0028Fw（

）2/3=0.0028×1.045×（

）2/3=0.381VL2/3

故有ho‘=0.0056+0.13×（0.05+0.381VL2/3）-0.0025

=0.0096+0.0495VL2/3

根据干板压降的式

=2.52×10-4VG2

令ho‘=ho，漏液点VG与VL的关系为

0.0096+0.0495VL2/3=2.52×10-4VG2

化简得VG=

（2）液体流率下限线规定how=6mm或0.06m时，液体流率到下限，已求得

how=0.381VL2/3

将达到下限的值带入

0.006=0.381VL2/3

解出VL=0.00198m3/s

（3）液体流率上限值以液体在降液管内的停留时间为3s规定液体的流率上限。

因

停留时间=

代入得3=

解得液体流率上限流率VL=0.09028m3·s-1

（4）液泛线当降液管内的泡沫页面高等于板距与偃高之和，便达到液泛，即

Hd‘=

=HT+hw

亦即△Ht+hw+how+△+hd=（HT+hw）φ

已确定的各量有HT=0.6m，hw=0.05m，页面落差△=0，泡沫相对密度φ=0.5，以及how=0.381VL2/3，

又因塔板压降△Ht=ho+he

已确定ho=2.52×10-4VG2

he=β（hw+how）=0.57×（0.05+0.381VL2/3）

将已确定的量代入，得

2.52×10-4VG2+0.57×（0.05+0.381VL2/3）+0.5+0.381VL2/3+17.1VL2=（0.6+0.05）×0.5

化简后得VG=62.99×（0.2456－0.598VL2/3－17.1VL2）1/2

（5）雾沫夹带上限线令可容许得雾沫夹带最大量为0.2kg·kg-1，并将已知得量和关系式代入

0.2=

化简后得VG=28.94－46.73VL2/3

根据计算的数据，可分别作出塔板负荷性能图上的五条线，见图3-3.若径流操作中，保持恒定的回流比，则

=

=409.83

为恒定值，在操作性能图上作出操作线，这样可计算出操作弹性

=

=3.002

图3-3操作弹性图

由塔板负荷性能图可以看出：

①任何规定的气、液负荷下的操作点（设计点）。

处在适宜操作区内的适中位置；

②塔板的汽相负荷上限由液泛夹带控制，操作下限由漏液控制；

③按照本次设计给的液化比，操作弹性为3.002.