精馏塔的计算

4 3 塔设备设计塔设备设计 4 3 1 概述概述 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 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 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 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 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 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 塔盘的类型与选择塔盘的类型与选择 4 3 3 1 板式塔塔板种类 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 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列表如下 表表 4 3 几种主要塔板的性能比较几种主要塔板的性能比较 塔盘类型优点缺点适用场合 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 特别容易堵塞的物 系 力小 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 塔板阻力 小 操作弹性窄 效率低 分离要求较低的闪 蒸塔 浮动喷射 板 压降小 处理量大 浮板易脱落 效率较 低 分离要求较低的减 压塔 下表给出了几种主要塔板性能的量化比较 表表 4 4 几种主要塔板性能的量化比较几种主要塔板性能的量化比较 塔盘类型塔板效率处理能力操作弹性压降结构成本 泡罩板1 01 051复杂1 筛板1 2 1 41 430 5简单0 4 0 5 浮阀板1 2 1 31 590 6一般0 7 0 9 舌型板1 1 1 21 530 8简单0 5 0 6 从以上各图可以看出 浮阀塔在蒸汽负荷 操作弹性 效率和价格等方面 都比泡罩塔优越 结合本项目实际情况 初步选择浮阀塔 浮阀塔的工艺尺寸计算浮阀塔的工艺尺寸计算 提取 Aspen plus 各塔板上的物性参数 选取塔板上气液相负荷最大的第 3 块塔板进行手工计算和校核 然后再用 KG TOWER 进行软件计算 通过比较 来检查计算的正确性 第 3 块物性参数如下表 表表 4 5 浮阀塔塔板参数浮阀塔塔板参数 气相流 量 m3 s 液相流 量 m3 s 气相密度 kg m3 液相密度 kg m3 混合液表面 张力 N m 7 850 0333 045726 0330 007 1 塔径计算塔径计算 初选塔板间距 mmHT800 板上液层高度mmhL100 mhHLT7 0 气液两相流动参数 0 065 3 045 726 033 84986 7 03306 0 5 0 5 0 V L s s V L 查史密斯关联图 图 4 1 史密斯关联图 可查得 14 0 20 C 矫正到表面张力为 0 00699157N m 时 134 0 20 919 15 14 0 20 2 02 0 20 CC 泛点气速 smcuf 065 2 3 045 045 3 003 267 134 0 V VL 为避免雾沫夹带及液泛的发生 一般情况 fuu 8 0 6 0 在此取安全系数 0 7 smuuf 45 1065 2 57 07 0 流通截面积 2 43 5 45 1 84986 7 m u V A s 由 化工原理 朱家骅编制 表 11 3 选取塔板上的液体流动方式 本次设计选择双溢流弓形降液管 一般双溢流型 7 0 5 0 D lw 此处取0 7 wl D 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 088 0 T f A A 所以96 5 912 0 43 5 088 0 1 A AT m A D T 75 2 96 544 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 22 955 5 4 mDAT 实际空塔气速sm D V u s 275 1 75 2 14 3 85 7 44 22 2 溢流装置溢流装置 弓形降液管 弓形降液管 0 7 wl D Q 故堰长96 1 8 27 0 w l 降液管面积 2 524 0 955 609 0 99 0mAA Tf 由 化工原理 朱家骅编制 图 11 19 弓形降液管的参数图 查得148 0 D Wd 故降液管宽度 mWd481 08 2148 0 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 ss L HA s Tf 56 21 033147 0 8 0245 0 故降液管尺寸适宜 溢流堰溢流堰 取0 1Lhm 则19 22 96 1 33 119 5 25 2 w h l L 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 30 1 E 由弗朗西斯公式 堰上液层高度 m l L Eh w s ow 2 3 2 2 3 1053 4 1 96 33 119 30 100284 0 1000 84 2 堰高 0547 0 0453 0 1 0 owLw hhh 受液盘和底隙 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 0 h 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 0 h 取0 15 OLm su 则m ulw Ls h OL 113 0 15 096 1 033147 0 0 塔板布置塔板布置 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 fA b 边缘区 在塔壁边缘留出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 900Dmm 边缘宽度取 500 05cWmmm 安定区宽度均取 0 08sWm 降液管宽0 3dWm 4 3 4 浮阀数目浮阀数目 N 及孔间距及孔间距 F1 重型浮阀阀孔直径00 039dm 取 12 0 F 阀孔气速sm F u v 88 6 045 3 12 0 0 每层塔板浮阀数 6 955 88 6 039 0 4 3600 5086 28259 4 2 0 2 0 ud Vs N 圆整为956 N 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 r x rxrx r x rxrxAa 12221222 sin 180 sin 180 其中 mWW D xxsd9056 0 08 0 41440 2 2 8 2 mW D rc35 1 05 0 2 2 8 2 故49 4 35 1 9056 0 sin35 1 180 9056 0 25 1 9056 02 1222 a A 0 075tm 取 则0626 0 075 0956 49 4 tN A t a 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 0626m 0t 075 0 mt 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 sm Nd V u s 6 92 950039 0 4 849 7 4 22 0 07 12045 392 600 VuF 在适宜范围 8 12 内 塔板开孔率 4 8 8 2 039 0 950 100 22 0 D d N 1 塔板的流体力学校核塔板的流体力学校核 塔板压降校核 1fdhhh a 干板阻力 干板阻力 阀全开前 0 ocuu L d u h 175 0 0 9 19 阀全开后 0 ocuu g u h L V d 2 34 5 2 0 临界速度 smu V oc 71 5 045 3 5 105 10 825 1 1 825 1 1 有 oc uu 0 故054 0 81 9033 7262 88 6 045 3 34 5 2 34 5 2 2 g u h L ov d b 板上充气液层阻力 板上充气液层阻力 0 6 取 mhhhoww60 01 06 0 1 mhhhdf114 0 540 060 01 故塔板压降为 PaghPfL 9 118114 0 81 9 033 726 满足要求 液沫夹带的校核 液沫夹带的校核 因塔径 D 900mm 应控制泛点率不超过 80 由及 3 045 3 mKg v mHT6 0 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 80 1 73 100 96 5 0 1578 03600 045 3 03 726 3 045 5086 28259 100 78 0 1 FT VL V s KCA V F 满足上述条件 不会发生过量雾沫夹带 2 溢流液泛校核 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 wTdhHH hhhhHfowwd 其中 22 0 0 028 0 1530 1530 043 1 33 0 04 s w L hm l h mhf14 0 故237 0 023 0 114 0 1 0 Hd 取泡沫层液泛因子0 5 mhHwT27354 0 4750 05 0 5 0 wTdhHH 故不会发生液泛 塔板间距选择合适 3 3 塔板负荷性能图 塔板负荷性能图 a a 漏液线 气相负荷下限线 漏液线 气相负荷下限线 取时由下式计算得到最小气量 VS05F smNdV V s 1365 0 21 50 5 162039 0 4 5 4 322 0 标绘于塔板负荷性能图中得到直线 1 b b 过量雾沫夹带线 气相负荷上限线 过量雾沫夹带线 气相负荷上限线 由于塔径 D 900mm 临界泛点率为 80 代入下式 得到 Vs 与 Ls 关系式 Fb Ls VL V s KCA ZLV F 36 1 1 其中 mWDZ mAAA dL fTb 5 23 02 8 902 4 524 0 295 5 2 2 代入数据整理得 ssLV 3 41 089 标绘于塔板负荷性能图中得到直线 2 c c 液相负荷下限线液相负荷下限线 以平堰上液层高度作为液相负荷下限标准0 006owhm 有 2 3 3600 0 0060 00284 s ow w L hE l 代入数据smLs 106 1 33 标绘于塔板负荷性能图中得到直线 3 d d 液相负荷上限线液相负荷上限线 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 sm AH L fT s 1048 0 3 245 06 0 3 标绘于塔板负荷性能图中得到直线 4 e e 溢流液泛线溢流液泛线 hhhhHfowwd 已知堰高mhw0547 0 mhHHwTd42735 0 3 2 3 2 3 2 5626 0 33 1 3600 02 1 00284 0 3600 00284 0 s s w s owL L l L Eh 1hhhdf g u h L V d 2 34 5 2 0 其中0 2 0 4 sV u dN 联立解得 2 4 2 0 02 109 8 8 9033 7362 4 045 3 34 5 2 34 5 s s L v d V Nd V g u h 3 2 1632 028230 0 sowwLhhh 2 12 3 113 0 96 1 153 0 153 0 22 0 s s w s L L hl L h 将上述各式代入联立得dwowfHhhhh 2 3 2 35057888 381 2 sssLLV 标绘于塔板负荷性能图中得到直线 5 0 0 0 0 0 01 10 0 0 02 20 0 0 03 30 0 0 04 4 0 0 2 2 0 0 4 4 0 0 6 6 0 0 1 1 0 0 3 3 0 0 5 5 0 0 0 05 5 3 3 1 1 2 2 4 4 5 5 L Ls s m m 3 3 s s V Vs s mm 3 3 s s 1 1 2 2 3 3 4 4 5 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 4 3 6 塔机械工程设计塔机械工程设计 1 塔高的计算塔高的计算 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 0 1 5m 这里取 1 2m D H 塔板间距 HT 由上面计算可知 0 6m T H 开设人孔的板间距 T H 设有人孔的上下两塔板间距应大于等于 600mm 这里取 800 T mHm 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 F H 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 F H T H 1000mm F H 塔底空间高度 HB 塔底空间高度具有贮存槽的作用 塔底釜液最好能在塔底有 10 15min 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 2 5min 的储量 提取 Aspen 数据塔底料液出口体积流量 V 119 33 塔s m3 径 D 2 8m t 3min m97 0 785 0 t 2 D V H B 综上可知塔筒体高度 17 97m 2 BFTTD HHSHHSNHH 裙座高度 筒体高度大于 10m 塔径 1 9m 1m 所以采用圆柱形裙座 4 2m 2 5 1 2 D H 封头高度 封头选