塔设备设计

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1、塔设备设计（总26页）本页仅作为文档封面，使用时可以删除This document is for reference only-rar21year.March塔设备设计设计规范塔设计规范如表。表 设计规范规范标准号石油化工塔形设备设计规范SH 3098-2011石油化工塔盘设备设计规范SH 3088-1998石油化工钢制塔、容器现场组焊施工工艺标准SH3524-1999建筑抗震设计规范GB 50011-2010建筑结构载荷规范GB 50009-2001设计要求作为主要用于传质过程的塔设备，必须保证气液两相充分接触，以获得较 高的传质效率；同时还应充分考虑设备的经济费用。为此，塔设备应满足以下

2、基本要求：1）气液两相充分接触，分离效率高；2）生产能力大，即气液相处理量大；3）操作弹性大，对气液相负荷波动具有较强的适应性，即能维持操作的稳 定性，保持高的分离效率；4）流体流动阻力小，流体通过塔设备的压降小；5）结构简单可靠，材料耗用量少，制造安装容易，以降低设备投资，同时 尽可能降低操作费用；6）耐腐蚀和不易堵塞。本厂有5个塔，我们对其进行了详细设计，并以精馏塔T201为例阐述详细 的计算和选型过程。工艺参数设计生产能力根据Aspen模拟得到塔T201进料量为/ h (泡点进料)，塔顶采出量为/ h,塔底物料流量为/ ho操作参数精馏塔 T101 操作参数如表。表 精馏塔 T101 操

3、作参数操作压力回流比进料状态理论板数进料位置泡点进料301物料衡算和能量衡算(1) 物料衡算选取整个塔作为衡算系统,则其共有 3 股物料：进料、塔顶出料、塔底出 料，故有=+ (单位：kmol / h)。( 2)能量衡算 同样选取整个塔作为衡算系统,则能量可分为两部分：加热负荷和冷却负 荷。由 Aspen 模拟结果可知,加热负荷为,冷凝负荷为。基本结构设计塔设备选型原则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。(1)下列情况优先选择填料塔1) 在分离程度要求高的情况下,因某些新型填料

4、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）填料塔优点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。（3）下列情况优先选择板式塔1）塔内液体滞液量较大，操作负荷变

5、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。（4）板式塔的优点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

6、的场合。（5）体系特点 本厂工艺液相负荷相对气体负荷较大；物料洁净且无腐蚀。比较分析板式 塔和填料塔各自的特点，结合该塔体系的特点，从分离效率、成本和操作维修 等方面考虑，主要分离段精馏塔选用板式塔。选用板式塔可以控制成本，有较 高的操作弹性，同时维修方便。塔板选型原则（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。这些塔板有各自的特点和适用体系， 几种主要塔板的性能比较见表

7、。表塔板性能比较类型优点缺点应用条件泡罩塔板操作弹性较大，液气比 范围大，不易堵塞，适 于处理各种物料，操作 稳定可靠结构复杂，造价高，塔 板压降大，生产能力及 板效率较低在设计中除特殊 需要（如分离粘 度大、易结焦等 物系）外一般不 宜选用浮阀塔 板结构简单，制造方便， 造价低，塔板开孔率 高，生产能力大，操作 弹性大，气液接触时间 长，塔板效率高处理易结焦，粘度大的 物料时，阀片易与塔板 粘结，在操作过程中有 时会发生阀片脱落或卡 死等现象，使塔板效率 和操作弹性较大分离要求高工业应用中以小结构简单，造价低，板孔径筛板为主，筛孔塔 板上液面落差小，气体压 降低。生产能力较大， 气体分散均匀

8、，传质效筛孔易堵塞，不易处理易结焦、粘度大的物料大孔径筛板多用 于某些特殊场合 （如分离粘度率高大、易结焦等物系）操作气速大，可增大处 理能力，塔盘上无液面液体在塔盘上的停留时舌形塔板落差，持 液量少，故压力降低，间段内，塔板效率低于 筛板，舌片尺寸及张角分离要求较低的闪蒸塔盘开孔率较大，气液影响塔板效率及操作稳处理量液胶泡沫型塔盘有所提高定性浮喷板压力降小浮板易脱落分离要求较低的减压穿流筛板结构简单操作范围窄用于小直径的精馏塔表是几种主要塔板的应用范围。表 塔板应用范围塔板类 型相对生产能 力相对板效护处卄审操作范围率压降结构成本泡罩板110-100高复杂筛板低简单穿流筛板低最简单浮阀板中一

9、般3）塔板的选择本厂的分离过程，生产能力要求高，操作较为稳定，负荷变化不大，对操 作范围的要求不高。综合考虑塔板的效率、分离效果和设备的成本、制造、维 修等，我们选择目前使用较为广泛的生产能力较大、操作弹性较大及塔板效率 高的浮阀塔。浮阀的类型很多，目前国内使用的浮阀有六种，最常用的时 V-1 型（即F1型），V-4型，其中V-1型浮阀最为普遍，因为V-1型浮阀已有系列 化标准，各种设计数据完善，便于设计和对比，因此综合考虑，本厂的5 个精 馏塔选择浮阀塔（V-1型塔板）。V-1型浮阀的示意图见图。图V-型浮阀(4)降液管的类型与溢流方式1) 降液管的类型 降液管时塔板间流体流动的通道，也是使

10、溢流液中所夹带气体得意分离的场所。降液管有圆形与弓形两类。通常圆形降液管一般只用于小直径塔，对于 直径较大的塔，常用弓形降液管；2) 流型选择溢流方式与降液管的布置有关，常用的有以下几种形式： U 型流、单溢 流、双溢流及阶梯式双溢流等(见图)。(a) U 型流：液体流径最长，可以提高版效率，其板面利用率最高，但液面 落差大，仅用于小塔及液体流量小的场合；(b) 单溢流：液体流径较长，塔板效率较高，塔板结构简单，加工方便，广 泛应用于直径以下的塔中；(c) 双溢流：此种溢流方式的优点是液体流径短，从而降低液面落差，但塔 板结构复杂，板面利用率低，一般用于直径大于2m的塔中及气液比大的场 合；(

11、d) 阶梯式双溢流：此种溢流方式可在不缩短液体流径的情况下减小液面落 差小，但塔板结构最复杂，只适用于塔径很大、液流量很大的特殊场合。图塔板流型（a）单溢流流型（b） U型流（c）双溢流流型（d）阶梯式（同一板高）（e）阶梯式（不同一塔高）分离塔T201分离未反应的丙烯和环氧丙烷的过程，生产量较大，生产能 力要求高，并要求具有一定的操作弹性。综合考虑塔板效率、分离效果和设 备的成本、制造以及后期的维修等，我们选用浮阀塔。T101 详细设计基本数据根据Aspe n软件的模拟结果，回流比为，共有30块塔板，其中精馏段有12块，提馏段有18块。各理论板上的流量见表。表为分离塔在操作条件下的物料 特性

12、。表体积流量表Mass flow liquid fromMass flow vapor fromStagekg/hr kg/hr1 0234567891011121415161718192021222324252627282930表T201操作条件下的物料特性气相平均体液相平均体气相平均密度液相平均密度液相表面张力积流量 V积流量LPVPL(m3/h)(m3/h)(kg/m3)(kg/m3)(mn/m精馏段17提馏段20塔径的计算塔板允许的有效空塔气相速度4-18)式中：D 塔径， mVS塔内气体流量，m3/s;u 空塔气速，即按空塔截面积计算得气体线速度， m/sU =C ,PL-PVmax

13、PV(4-19)式中：L 液相密度， kg/m3；P V气相密度；kg/m3；U ma极限空塔气速，m/s；C 负荷系数， m/s。C = C200.2(4-20)式中：C 操作物系的负荷系数， m/s；b 操作物系的液体表面张力，mN/m。50% Jpt-/k厶F一一VLV(4-21)4-22)V一气相密度，kg/m3 ；P L 液相密度，kg/m3；V 一气相流量，m3/h；L液相流量，m3/h；H = H -H（4-23）TL式中：H厂塔板间距,m；H L 板上清液层高度， m。当表面张力为。时，用上式进行修正。C20值可由下图查的，也可由曲线回归成方程计算得到。Smith 关联图见图。

14、图smi t关联图按照上述计算公式初估塔径后，要加以圆整，当塔径小于1m时，间隔按进 行圆整；当塔径大于 1m 时，间隔按进行圆整。对于塔 T201：选取板间距Ht=；板上清液层高度 h =；可得：Lv = V E)0.5 =( XV查图得：C20=，由（4-20）得:C 二 C200.2=0. 068*(20*10-3/20)代入式（4-19），得：max=（ m/s）代入式（4-21），并取安全系数为，得u=max_*=s代入式（4-18），得=(4*3600/塔径向标准圆整后 D=700mm；塔截面积A T= 4xD2=4x=；实际气速 u= V /A =3600/= m/s；s S T塔板主要工艺尺寸计算（1） 溢流装置计算1）流型选择由于D=,塔径较小，根据降液管和溢流方式的选择方法，塔T201选择弓形2）溢流堰长lw弓形降液管的弦长称为堰长，