清华精馏塔设计.docx
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清华精馏塔设计
乙二醇分离塔精馏段具体设计
1工艺参数
乙二醇分离塔T105的操作条件及工艺参数见表1。
表1：
乙二醇分离塔T105操作条件工艺参数一览表
操作压力
蒸出比
进料状态
理论板数
进料位置
0.3MPa
5.25
液体进料
21
11
2设备选型
精馏塔主要有板式塔和填料塔两大类，二者各有优缺点，要根据具体情况进行选择。
选择时应考虑的因素有：
物料性质、操作条件、塔设备的性能，以及塔设备的制造、安装、运转和维修等。
一般来说，易起泡、有腐蚀性、热敏性的物质，或者液体负荷较大时选用填料塔；而当物料中有悬浮物，要求操作弹性较大时选用板式塔。
根据经验，对于多数情况，塔径大于800mm时，宜用板式塔；小于800mm时，则可用填料塔。
但也有例外，鲍尔环及某些新型填料在大塔中的使用效果可优于板式塔。
同样，塔径小于800mm时，也有使用板式塔的。
乙二醇分离塔的液相负荷不大，但气相负荷较大，因而导致塔径较大，同时这里要求操作弹性，因而最终选择了板式塔。
3乙二醇分离塔精馏段详细设计
3.1基本水力学数据
根据AspenPlus模拟的结果，将精馏段各理论板上的气液负荷及物性数据列于表2。
表2：
AspenPlus模拟得到的各理论板上的气液负荷及物性数据
塔板
液相体积流
率/（m3/hr）
气相体积流
率/（m3/hr）
液相密度
/（kg/m3）
气相密度
/（kg/m3）
液相粘度/Pa·s
液体表面张力/（N/m）
1
60.5387
5.2785
845.0941
0.3012
0.001121
0.025641
2
46.3458
16273.9241
704.2973
3.1438
0.000265
0.016109
3
46.3353
19085.6392
704.3378
3.1445
0.000265
0.016110
4
46.3272
19083.1163
704.3705
3.1446
0.000265
0.016112
5
46.3216
19081.2627
704.3930
3.1447
0.000265
0.016113
6
46.3178
19079.9900
704.4085
3.1448
0.000265
0.016113
7
46.3152
19079.1127
704.4193
3.1448
0.000265
0.016114
8
46.3133
19078.5099
704.4272
3.1449
0.000265
0.016114
9
46.3118
19078.0986
704.4388
3.1449
0.000265
0.016114
10
46.5396
19077.8391
704.5220
3.1449
0.000265
0.016116
3.2塔径初选
为了确定塔径，首先要确定适宜的操作气速，而适宜的操作气速的选择一般根据泛点气
速选择，所以，估算塔径的关键就是泛点气速的求解。
以精馏段水力学数据的平均值作为设计和校核的依据，计算所用数据如表3：
表3：
精馏段水力学数据平均值
液相体积流率
气相体积流率
液相密度
气相密度
液相粘度
液体表面张力
m3/h
m3/h
kg/m3
kg/m3
Pa·s
N/m
46.3475
18768.6103
704.4016
3.1447
0.000265
0.016113
在估算塔径时，板上清液层高度hL的经验值可在50~100mm选取，根据经验，小塔板
间距HT为0.2~0.4m，大塔HT为0.4~0.6m，初选塔板间距HT=0.6m，板上清液层高度
hL=0.1m则
HT-hL=0.5m
0.5
又LL=0.037
VV
查Smith泛点关联图得：
c20=0.113
则泛点气速：
uf=c20L-V=1.616m/s
f200.02V
塔的适宜操作气速应比泛点气速低，根据经验，适宜气速uop=（0.6~0.8）uf，对于加
压操作、不易起泡的物系，可取较高的安全系数。
本设计中，取安全系数为0.75，则适宜的
操作气速
uop=0.75uf=1.212m/s
则塔径：
V
D==2.34m
4uop
圆整后取塔径D=2.4m。
则实际的空塔气速为1.152m/s。
对于塔径在1.6~3.0m的塔，一般选取板间距可取500mm、600mm或800mm，故上述选定的600mm板间距是合理的。
3.3塔盘结构设计
3.3.1液流型式对于溢流型塔盘，液流在塔盘上的分布是十分重要的，因此，应根据气液流量及塔盘特点，选择液流型式。
常用的液流型式主要有单溢流、双溢流、U型流和多溢流，液流型式主要根据塔径和液体流量进行选择。
本项目设计的乙二醇分离塔，塔径为2400mm，平均液体流量为46.3475m3/h，液体流
量较小，因而可以选择单溢流形式。
3.3.2塔盘型式
塔盘是精馏塔内部的主要构件，塔盘由塔盘板、气液接触元件（如浮阀、筛孔、泡罩等）、受液盘、溢流堰、降液管、塔盘支持件与紧固件等部分组成。
塔盘按结构特点可分为整块式和分块式两种类型，一般塔径在300~900mm时，采用整块式塔盘，当塔径在800mm
以上时，能在塔内进行装拆，可用分块式塔盘。
乙二醇分离塔塔径为2400mm，因而可以选
用分块式塔盘。
3.3.3塔盘板塔盘板分为平板式、槽式和自身梁式三种，平板式塔盘板需在塔内设置支撑梁，由于
塔内设梁，减小了有效面积，且紧固件的装拆件增多，增加了材料消耗。
槽式塔盘板和自身梁式塔盘板可用通用模具冲压制成不同长度的塔盘板，由于支承梁直接从塔盘板上压成，既简化了塔盘结构，有增大了塔盘板的刚性，耗材也少。
自身梁式塔盘板缺点是自身梁部位不能开孔，槽式塔盘板的开孔率比平板式和自身梁式都高，但当塔盘板的制造有偏差时，梁上的螺栓孔眼不易对齐，给安装带来困难，此外，焊上的梁板在运输过程中容易掉下，且易产生焊接变形。
综合考虑三种塔盘板的特点，虽然自身梁式塔盘板存在开孔率低的缺点，但其加工、运输及安装都比较简单，这里使用自身梁式塔盘板。
3.3.4气液接触元件
气液接触元件主要分为浮阀、泡罩、筛孔等。
浮阀塔盘由于制造方便及性能上的优点，很多场合已取代了泡罩塔盘，它适用于一切情况，在较宽的气体负荷变动范围内，均能保持稳定操作，但当真空操作时泄漏较大，与泡罩塔盘相比，处理能力较大，压力降较低，而塔板效率较高。
筛板适用于处理变动少且不析出固体物的系统，稳定操作范围窄，易堵物料不适用，容易发生液体泄漏。
综合考虑这里选用浮阀塔盘。
浮阀的种类很多，具有代表性的有重盘式浮阀、盘式浮阀、条型浮阀及锥心形浮阀等。
其中重盘式浮阀又有多种形式的结构：
V-0型、V-1型、V-2型、V-3型、V-4型、V-5型、V-6型等，其中V-1型浮阀是目前使用最为广泛的形式，其结构简单，制造方便，性能良好，相当于标准中的F1型浮阀，又分为轻阀和重阀两种，为了使操作比较稳定，一般选用重阀。
本项目中的乙二醇分离塔采用V-1型重阀。
阀径一般为48~50mm，按照《F1型浮阀》标准中的数据，阀径取48mm；起始开度过小时对低流量下鼓泡不起作用，开度过大时泄漏严重，这里取2.5mm；最大开度对于板压力降有较大影响，综合文献推荐的数据以及标准的规定，这里将最大开度设定为8.5mm；阀孔直径与阀径的比值一般在0.75~0.85之间，这里取0.8，故阀孔直径为38.4mm；对于直径在50mm左右的重阀，质量为32~35g，这里阀径较小，这里取33g；选用的V-1型重阀使用3mm薄钢板冲制，使用的材料为0Gr13。
这里将乙二醇分离塔采用的V-1型重阀的主要参数列于表4。
表4：
V-1型重阀主要参数
阀径/mm
起始开度/mm
最大开度/mm
阀孔直径/mm
阀重/g
材料
48
2.5
8.5
38.4
33
0Gr13
3.3.5溢流堰
由于乙二醇分离塔采用凹形受液盘（见本说明书3.3.7），所以不用入口堰，只需要设计
出口堰。
对于单溢流的弓形降液管，溢流堰的长度一般为0.6~0.8D，这里取0.75D，则溢流堰的长度为lw=0.75D=1.8m，堰上液流强度为Li=L=25.75m3/（hm），一般堰上液流强度lw
<60m3/（hm·），所以设计的溢流堰的长度满足要求。
最常用的溢流堰是平堰，其堰上液头高how可用弗朗西斯公式计算，从图中查得收缩系
数E=1.02.
满足how>13mm，因而可以采用平堰，不需要使用齿形堰。
所以，溢流堰高度为hw=hLhow=75mm。
3.3.6降液管降液管是塔板间液体流动的通道，也是使溢流液中夹带气体得以分离的场所。
降液管有圆形和弓形之分，圆形降液管只适用于小直径塔，对于直径较大的塔，常用弓形降液管，本项目中的乙二醇分离塔属于较大的塔，因而这里选用弓形降液管。
降液管设计应遵循的原则有：
液体在降液管内的流速为0.03~0.12m/s液体通过降液管的最大压降为250Pa降液管内清液高度不超过塔板间距的一半液体越堰时不应射及塔壁
3.3.6.1降液管的结构设计下面计算乙二醇分离塔的弓形降液管的主要结构参数。
对应于堰长的圆心角：
=2arcsin0.75=97.18
弓形降液管截面积：
降液管面积占塔盘总面积的百分比为4Ad2100%=112.%，对于浮阀塔，降液管面积
D
占塔盘总面积不小于10%，这里设计的降液管满足要求。
用于分块式塔盘的降液管分为可拆式和焊接固定式两种，形式又分为垂直式、倾斜式和阶梯式，垂直式降液管主要用于小直径塔盘和负荷很小的塔盘，当降液管面积占塔盘总面积
12%以上时，应选用倾斜式降液管，可以扩大塔盘的有效面积。
这里弓形降液管面积占塔盘总面积的11.2%，因而可以采用结构较简单的可拆式垂直降液管。
3.3.6.2降液管的液层高度校核为了防止液泛，我国的设计规定，控制降液管内清液层高度Hd为塔板间距与堰高之和
的一半，即HdHT+hw，实际上降液管内是充气的液体，降液管内的实际液层高度为
H
Hdd，是充气液体与清夜的重度比值，对于一般物质=0.5，这里HT=0.6m，hw=0.75m，
故Hd0.675m。
降液管中清液层高度可按下式计算：
Hd=hd+hp+hw+how+
其中，hd为液流通过降液管的压头损失，不设进口堰时可按下式计算：
L2hd=0.153lLhlwh0
h0为降液管底边至受液盘的距离，可以根据公式h0=L，其中，wb为降液管底边
lwwb
出口处的液体流速，一般取<0.4m/s，这里取为0.3m/s，可以得到降液管底边到受液盘的距
离为h0=0.024m，计算得到hd=0.014m。
hp为与气体通过一块塔板的总压降，对于浮阀塔板hp=hc+hl，其中，hc为干板压降，
在浮阀全开后，可按如下公式计算：
hl为液层压力，可按下式计算：
hl=0.5（hw+how）=0.05m
所以，hp=0.106m。
液面落差一般很小，这里将其忽略。
最终得到，Hd=hd+hp+hw+how+=0.22m，满足小于等于0.675m的要求，因而不会发生液泛。
3.3.6.3降液管内的流速和停留时间校核
降液管内液体的流速为w0=L=0.03m/s，满足前面的降液管内流体的速度在0Ad
0.03~0.12m/s之间的原则。
AdHT
液体在降液管内的停留时间为=dT=23.63s。
对于乙二醇吸收塔，停留时间要求L
7s以上，所以，降液管的设计是合理的。
3.3.6.4液体越堰时的抛射距离校核
液体越堰时的抛射距离可按下式计算：
Wt=0.8how（HT+hw-Hd）=0.085m
则
Wt
t100%=21%
Wd
其中，Wd为弓形降液管宽度，计算得Wd=0.406m，为了能充分分离气泡，液流的最大抛射距离不应超过降液管宽度Wd的60%。
上述降液管的设计满足要求。
3.3.7受液盘
为保证降液管出口处液封，在塔盘上设置受液盘。
受液盘有平型和凹型两种，当液体通过降液管与受液盘的压力降大于25mm时，应采用凹型受液盘，可对液体流向有缓冲作用，降低塔盘入口处的液峰，使得液流平稳。
乙二醇分离塔采用凹型受液盘，根据经验，受液盘深度为50mm。
则阀孔气速为
3.3.8塔盘排布取阀孔动能因数F0=12，
u0F06.77m/s
0G
可以计算得到浮阀数：
V
N=665
2
u0d0
4
阀孔开孔率可按下式计算：
对于分块式塔盘，由于塔盘板分块的宽度是相同的，所以采用等腰三角形排列。
在垂直于液流的方向上，浮阀的中心距t定为75mm，在平行于液流的方向上，排中心间距t即
等腰三角形的高可在65~110mm之间选取，下面通过计算确定排中心间距。
首先需要计算总鼓泡面积Aa，对于单溢流，可以根据下式确定：
Aa=2xr
其中，x=D-（Wd+Ws），r=D-Wc。
222-1x
2-x2+r2sin-1
r
Wd为弓形降液管宽度，计算得Wd=0.406m；Ws为
外堰侧安定区，一般取Ws=70~100mm，这里取Ws=0.08m；Wc为边缘区宽度，一般取
Wc=40~60mm，这里取Wc=0.05m。
计算得到，x=0.714m，r=1.15m。
最后得到，总鼓
泡区面积为Aa=3.06m2。
当浮阀按照等腰三角形排布时，排中心距t可以根据下式确定：
t=NAat=0.061m
Nt
3.4设计校核
3.4.1液沫夹带校核气速增加，液沫夹带增加，过量液沫夹带将造成液体返混使板效率下降，故生产中必须将气速控制在一定值以下。
浮阀塔板的液沫夹带可按下式计算：
=AA-TA=1.126，最终计算得到AT-Ad
2.14（c）3.42
0.731.56
K
K=HT-5（how+0.35hw）（how+0.35hw）=0.0176，
ev=0.047kg（液体）/kg（气体），正常操作时的液体夹
带量ev应不大于0.1kg（液体）kg/（气体），计算出的结果满足要求。
气泡夹带和停留时间的校核已经在降液管的设计中完成，这里不再赘述。
3.4.2漏液点气速的校核
把基本不漏时的气速称为漏液点，相对漏液量10%时的气速为u0,漏=F0=2.82m/s，
V
对于浮阀塔，孔的动能因子F0=5m/s·（kg/m3）1/2，实际操作中的孔速为6.77m/s，因而不会发
生严重的漏夜现象。
3.5塔板的负荷性能图
3.5.1漏液线（气体流量下限线）
对于F1型（V1型）浮阀，在漏液点处，阀孔的动能因数为5m/s·（kg/m3）1/2，则气体流
速的下限为u0,漏=F0=2.82m/s，阀孔直径为38.4mm，则气相负荷下限：
V
3.5.2液沫夹带限制线（气体流量上限线）
以ev=0.1kg（液体）/kg（干气体）为限，使用的计算公式为
其中
T=1.126
AT-Ad
K=HT-5（how+0.35hw）（how+0.35hw）=0.46875-2.2992L2/30.02625+0.4598L2/3
当ev=0.1kg（液体）/kg（干气体）时，将液相负荷与气相负荷的关系列于表5：
表5：
液沫夹带时液相负荷与气相负荷的关系
3
L/（m3/s）
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
V/（m3/s）
5.52
6.44
6.57
6.47
6.221
5.83
5.3
4.58
3.55
3.5.3液相流量下限线
液体流量应使溢流堰上的液头高how>6mm，液相流量下限线是根据how=6mm确定的，
计算公式为
L2/3how=0.00284EL
ow
lw
3一般情况下，E可取为1.02，当how=6mm时，计算得液体负荷下限为Lmin=0.0015m3/s。
3.5.4液体流量上限线
根据经验，液相在降液管内至少要停留3~5s，以3s作为停留时间的下限，则
=AdHT
L
Lmax=0.1014m3/s。
所以，LAdHT=0.1014m3/s，得到液体负荷上限为
3
3.5.5液泛线
降液管液泛时取极限值
Hd=0.5（HT+Hw）=0.675m
Hd=hd+hp+hw+how+，
hd为液流通过降液管的压头损失，不设进口堰时可按下式计算：
前面已计算得到h0=0.024m，计算得到hd=81.98L2。
hp为与气体通过一块塔板的总压降，对于浮阀塔板hp=hc+hl，其中，hc为干板压降，
在浮阀全开后，可按如下公式计算：
hl为液层压力，可按下式计算：
hl=0.5（hw+how）=0.05m
所以，hp=0.05+0.00122u02。
液面落差一般很小，这里将其忽略。
最终得到，Hd=hd+hp+hw+how+=81.98L2+0.00122u02+0.15=0.25，其中
4V22
u0=2=1.V2，9带8入得81.98L2+0.002057V2=0.1，将V-L关系整理为表6。
0Nd02
表6：
液泛时V-L关系表
3
L/（m/s）
0
0.01
0.02
0.03
V/（m3/s）
6.97
6.68
5.72
3.57
3.5.6精馏段塔板的负荷性能图根据上面得到的结果，可以得到精馏段塔板的负荷性能图，如图2所示：
稳定操作区
图2：
乙二醇分离塔精馏段负荷性能图
从负荷性能图中可以看出，操作点位于稳定操作区内，说明设计合理。
3.6乙二醇分离塔设计参数汇总
将乙二醇分离塔精馏段的所有参数汇总于表7.
表7：
乙二醇分离塔精馏段设计参数汇总
项目
名称
符号
单位
精馏段
设计参数
气相负荷
V
m3/h
18768.6103
液相负荷
L
m3/h
46.3475
气相密度
ρV
kg/m3
3.1447
设计参数
液相密度
ρL
3kg/m
704.4016
表面张力
σ
N/m
0.016113
液相粘度
μ
Pa·s
0.000265
基本参数
塔型
板式塔
塔盘
浮阀塔盘
塔径
D
m
2.4
空塔气速
u
m/s
1.152
板间距
HT
m
0.6
单板压降
hp
m
0.106
浮阀
类型
F1（V1）型重阀
阀径
dv
m
0.048
起始开度
hv0
m
0.0025
最大开度
hvmax
m
0.0085
阀孔直径
d0
m
0.0384
对于提馏段可以使用相同的方法计算，这里就不再重复。
4整体结构设计
4.1塔高估算
4.1.1主体高度
使用奥康纳尔（O'Connell效）率关联图估计全塔效率，乙二醇分离塔的轻关键组分为甲醇，重关键组分为碳酸二甲酯，甲醇-碳酸二甲酯体系的相对挥发度为2.75，塔顶、塔底液体平
均粘度为0.3mPa·s，查图得乙二醇分离塔全塔效率：
ET=50%
N-1
则实际板数N=T40，进料位置为第22块塔板，精馏段共22块塔板，提馏段共ET
18块塔板。
计算主体高度时还应该考虑人孔和加料板的存在使板间距增大，乙二醇分离塔为液相进料，因而加料板间距可以与塔板间距相同。
所以总塔高为
Z=（40-1）0.6=23.4m
4.1.2塔顶部空间高度
为了减少塔顶出口气体中夹带的液体量，顶部空间一般取间高度H11.5m。
4.1.3塔底部空间高度
当进料系统有15min的缓冲容量时，釜液的停留时间可取
1.2~1.5m，这里取塔顶部空
3~5min，这里取停留时间为
4min，则塔底部空间高度为
4.1.4裙座高度
D
H3=2+1.5=3.8m
32故乙二醇分离塔总高为
H=23.4+1.5+0.84+3.8=29.54m
4.2塔体选材及壁厚
4.2.1塔体选材乙二醇分离塔操作温度在95~233℃之间，压力为0.3MPa，属于常温低压容器，虽然精馏塔中存在氢气，但是其量较少，并且所处的温度不高，氢脆现象不明显，这里可选用普通的16MnR压力容器用钢板。
4.2.2塔体壁厚
查得16MnR钢在设计温度下的许用应力[]t=170MPa，取焊接系数0.85，取设
计压力为最大压力的1.15倍，则塔体壁厚
S=pctDi=2.9mm
2[]t-pc
取钢材厚度负偏差为0.5mm，腐蚀裕量3mm，并圆整，实际可取塔体壁厚为8mm。
4.2.3封头
采用标准椭圆形封头，材料同样为16MnR钢，封头厚度为
Di
对于标准椭圆形封头，i=2，封头形状系数K=1，可得到厚度S=2.9mm2hi
考虑负偏差和腐蚀裕量，可取厚度与壁厚相同，为8mm。
4.3辅助装置及附件
4.3.1裙座这里可以采用采用圆锥形裙座。
塔体设计温度为常温，裙座可采用较便宜的20R钢，筒体厚度取为8mm，外径与塔釜封头外径相等。
焊接接头采用对接型式，连接焊缝采用全焊透的边续焊，且此塔釜封头外壁圆滑过渡。
裙座高度为3.8m。
4.3.2人孔一般板间距较大的板式塔每隔5~10m设置一个人孔，这里每隔10m设置一个人孔，总共需要4个人孔，按照HG21514-95标准，采用回转盖带颈对焊法兰人孔，人孔公称直径选为500mm。
4.3.3吊柱
一般高度15m以上的塔，都设置吊柱。
按照HG/T21639标准，采用HG/T21639-74型吊柱，起吊重量为1000
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