精馏塔的计算.docx

1、 精馏塔的计算精馏塔的计算 精馏塔的计算 4.3 塔设备设计 4.3.1 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

2、，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。4.3.2 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。a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。b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

3、；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(生产能力)小尺寸填料气速较小，大尺寸及规整填料气速较大。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高。较稳定、效率较高 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

4、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：a.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；b.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；c.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；d.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：a.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；b.液相负荷较小；c.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；

5、d.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；e.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。4.3.3 塔盘的类型与选择 4.3.3.1 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。4.3.3.2 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

6、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 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 所以 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 实际空塔气速 2.溢流装置 弓形降液管：故堰长 降液管面积 由化工原理（朱家骅编制）图 11.19弓形降液管的参数图 查得 故降液管宽度 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

7、应小于 35s，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：故降液管尺寸适宜。溢流堰 取 则 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：由弗朗西斯公式，堰上液层高度 堰高 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，所以不可过小。但若 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 则 塔板布置 a.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计。b.边缘区：在塔壁边缘留出

8、一定宽度的环形区域供固定塔板用。c.入口安定区和出口安定区，通常宽度相等。d.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，采用分块组装式；边缘宽度取；安定区宽度均取；降液管宽 4.3.4 浮阀数目 N 及孔间距 F1重型浮阀阀孔直径。取。阀孔气速 每层塔板浮阀数 圆整为 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 其中 故 则 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）。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 在适宜范围 8-12内 塔板开孔率 1.塔板的流体

9、力学校核 塔板压降校核：a、干板阻力 阀全开前：阀全开后：临界速度 有 故 b、板上充气液层阻力 故塔板压降为 满足要求。液沫夹带的校核：因塔径 D900mm,应控制泛点率不超过 80%。由及 查化工原理（朱家骅编制）图 11.22泛点负荷因子图：图 4.5 泛点负荷因子图 得 CF=0.15，并查物性系数表得 K=1 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 其中 故 取泡沫层液泛因子 故不会发生液泛，塔板间距选择合适。3.塔板负荷性能图：a.漏液线（气相负荷下限线）取时由下式计算得到最小气量 VS 标绘于塔板负荷性能图中得到

10、直线 1。b.过量雾沫夹带线（气相负荷上限线）由于塔径 D900mm，临界泛点率为 80%。代入下式，得到 Vs与 Ls关系式 其中 代入数据整理得：标绘于塔板负荷性能图中得到直线 2。c.液相负荷下限线 以平堰上液层高度作为液相负荷下限标准 有 标绘于塔板负荷性能图中得到直线 3。d.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 标绘于塔板负荷性能图中得到直线 4。e.溢流液泛线 已知堰高 其中 联立解得 将上述各式代入联立得 标绘于塔板负荷性能图中得到直线 5。图 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

11、。4.3.6塔机械工程设计 1.塔高的计算 实际塔板数 N 由 Aspen plus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 1.01.5m，这里取=1.2m。塔板间距 HT 由上面计算可知。开设人孔的板间距 设有人孔的上下两塔板间距应大于等于 600mm，这里取。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 进料段高度取决于进料口结构形式和物料状态，一般要比大，取=1000mm。塔底空间高度 HB 塔底空

12、间高度具有贮存槽的作用，塔底釜液最好能在塔底有 1015min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 25min的储量。提取 Aspen数据塔底料液出口体积流量 V=119.33，塔径 D=2.8m，t=3min 综上可知塔筒体高度 裙座高度 筒体高度大于 10m，塔径 1.9m1m，所以采用圆柱形裙座：封头高度 封头选取标准椭圆形封头，根据 JB/T4746-2002，知 h=40mm，H=700mm。接管的计算（1）塔顶蒸汽接管 取塔顶蒸汽流速提取 Aspen数据 V=23103.0472m/h，则管径 圆整后选取管子规格为 720 x10mm 实际流速

13、 u=16.7m/s（2）进料管 取进料管液体流速为，液相体积流量为 V=29.944m/h，则进料管 圆整后管径 88.5x4mm 实际流速 u=V/(0.785D2)=1.64m/s （3）回流管径 取回流液体流速 液相体积流量 V=49.8m/h，则回流管径为 圆整后取管子规格为 114x5mm（4）塔底出料管径，液相体积流量 V=83.75m/h 圆整后取管子规格 21.3x2.75mm（5）再沸器入口管径，液相体积流量 V=119.33m/h 圆整后取管子规格 60 x4.5mm 4.3.7 正丁醇塔的设计结果 名称：正丁醛塔 编号：T201 类型：浮阀塔 通体高度：12000mm 塔径：2800mm 封头形式：标准椭圆形封头 设计温度：140 设计压力：1.1bar 材料：16Mn 保温层：30mm岩棉 防腐：外涂防腐漆 其他精馏塔设计结果见附录