Word1-设计文档集4-1 塔设备设计

塔设备设计2018年“东华科技-陕鼓杯”第十二届全国大学生化工设计竞赛兰州石化5万吨/年甲基丙烯酸甲酯项目塔设备设计团队名称： 府学路18号团队 团队成员：陈弘男 曾辉 陈钊宜 要馨惠 晏燕指导老师：黄星亮 孟祥海 王成秀 杜巍 徐建2018年8月目录第一章 塔设备选择11.1 塔设备选型设计依据11.2 对塔设备的要求11.3 塔类型的选择11.3.1 塔设备简介21.3.2 塔设备选型原则31.4 板式塔及塔板选择51.5 填料塔填料及内件选择61.5.1 填料的选择61.5.2 内件的选择101.5.3 文氏棒13第二章 板式塔设备设计计算152.1 T0102分水塔设计计算152.1.1 使用软件列表152.1.2 塔设备基础数据152.1.3 塔径的计算182.1.4 溢流装置的设计计算192.1.5 浮阀塔板结构参数的确定212.2 水力学计算232.2.1 塔板压力降232.2.2 雾沫夹带量242.2.3 降液管内液面高度252.2.4 漏液的检验252.2.5 降液管液体停留时间262.3 塔板的负荷性能图262.3.1 过量雾沫夹带线262.3.2 淹塔线262.3.3 过量泄漏线272.3.4 降液管超负荷线272.3.5 液相负荷下限线272.3.6 单板负荷性能图282.4 全塔负荷性能图282.4.1 降液管停留时间282.4.2 湿板压降292.4.3 降液管出口液速292.4.4 泄漏302.4.5 雾沫夹带302.4.6 液泛312.4.7阀孔动能因数312.4.8 图像结论322.5 Cup-Tower水力学校核322.5.1 精馏段水力学校核322.5.2 提馏段水力学校核352.6 塔机械工程设计382.6.1 塔高的计算382.6.2 接管的计算392.6.3 塔体和封头选材412.6.4 裙座的设计412.6.5 塔设备强度校核42第三章 填料塔设备设计计算653.1 T0201急冷吸收塔设计653.1.1 概述653.1.2 使用软件列表663.1.3 塔径的计算663.1.4 Sulcol水力学校核683.1.5 急冷段的设计703.2 T0201急冷吸收塔的强度校核713.2.1 钢材选用713.2.2 塔设备强度校核713.3 设备条件图93第四章 塔设备设计一览表94府学路18号团队 第一章 塔设备选择1.1 塔设备选型设计依据表1-1 塔设备设计规范参考标准及文献标准编号或出版日期化工设备设计全书塔设备2004.01石油化工设备设计便查手册2002.10固定式压力容器GB 150-2011塔器设计技术规定HG 20652-1998钢制化工容器设计基础规定HG/T 20580-2011塔式容器NB/T 47041-2014塔顶吊柱HG/T 21639-2005不锈钢人、手孔HG 21594-21604建筑抗震设计规范GB 50011-2010钢制塔式容器JB/T 4710-20051.2 对塔设备的要求作为主要用于传质过程的塔设备，首先必须使气液两相充分接触，以获得较高的传质效率；此外，为了满足工业生产的需要，塔设备还得考虑下类各项要求：（1）生产能力大。在较大的气液流速下，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或者液泛等破坏正常操作的现象。（2）操作稳定弹性大。当塔设备的气液负荷有较大波动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作。并且塔设备应保证在能长期连续操作。（3）流体流动阻力小，流体通过塔设备的压降小。这将大大节省生产中的动力消耗，以降低操作费用。对于减压蒸馏操作，较大的压力降还将使系统无法维持必要的真空度。（4）结构简单、耗用材料少，制造与安装容易。这可以减少基建过程当中的投资费用。（5）耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。1.3 塔类型的选择1.3.1 塔设备简介塔设备的分类可以从不同的角度进行。例如：按操作压力分为加压塔、常压塔和减压塔；按单元操作分为精馏塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反应塔和干燥塔；按形成相际接触界面的方式分为具有固定相界面的塔和流动过程中形成相界面的塔；也有按塔釜形式分类的，但是长期以来最常用的分类是按塔的内件结构分为板式塔和填料塔。填料塔以填料作为气液接触元件，气液两相在填料层中逆向连续接触。它具有结构简单、压力降小、易于用耐腐蚀非金属材料制造等优点，对于气体吸收、真空蒸馏以及处理腐蚀性流体的操作，颇为适用。当塔径增大时，引起气液分布不均、接触不良等，造成效率下降，即称为放大效应。同时，填料塔还有重量大、造价高、清理维修麻烦、填料损耗大等缺点，以致使填料塔在很长时期以来不及板式塔使用广泛。但是随着新型高效填料的出现，流体分布技术的改进，填料塔的效率有所提高，放大效应也在逐步得以解决。板式塔是分级式接触型气液传质设备，种类繁多。板式塔为逐级接触式气液传质设备。在一个圆筒形的壳体内装有若干层按一定间距放置的水平塔板，塔板上开有很多筛孔，每层塔板靠塔壁处设有降液管。气液两相在塔板内进行逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化。板式塔的空塔气速很高，因而生产能力较大，塔板效率稳定，造价低，检修、清理方便。根据目前国内外实际使用的情况，主要的塔型是泡罩塔、筛板塔、浮阀塔、舌形塔、浮动喷射塔、等等。板式塔与填料塔对比见表1-2。表1-2 板式塔与填料塔的对比项目填料塔板式塔散堆填料规整填料空塔气速稍小大比散堆填料大压降小更小一般比填料塔大塔效率小塔效率高高，对大直径塔无放大效应较稳定，效率较高液气比对液体喷淋量有一定要求范围大适应范围大持液量较小较小较大材质可用非金属耐腐蚀材料适应各类材料金属材料造价小塔较低较板式塔高大直径塔较低安装检修较困难适中较容易1.3.2 塔设备选型原则类型选择时需要考虑多方面的因素，如物料性质、操作条件、塔设备的性能，以及塔的制造、安装、运转和维修等。对于真空精馏和常压精馏，通常填料塔塔效率优于板式塔，应优先考虑选用填料塔，其原因在于填料充分利用了塔内空间，提供的传质面积很大，使得汽液两相能够充分接触传质。而对于加压精馏，若没有特殊情况，一般不采用填料塔。这是因为填料塔的投资大，耐波动能力差。同样，吸收过程也分为液膜控制、气膜控制和介于两者之间的共同控制吸收三种类型。气膜控制的吸收优先考虑选用高效规整填料塔；液膜控制的吸收往往选用板式塔或汽液湍动大、持液量高的散装填料塔；介于两者之间的，宜采用比表面积大、持液量高、液相湍动大的填料塔，一般多采用散装填料塔。（一）物料性质对塔设备选择的影响（1）易起泡的物系，如处理量不大时，以选用填料塔为宜。因为填料能使泡沫破裂，在板式塔中则易引起液泛。（2）具有腐蚀性的介质，可选用填料塔。如必须用板式塔，宜选用结构简单、造价便宜的筛板塔盘、穿流式塔盘或舌形塔盘，以便及时更换。（3）具有热敏性的物料须减压操作，以防过热引起分解或聚合，故应选用压力降较小的塔型。如可采用装填规整填料的散堆填料等，当要求真空度较低时，也可用筛板塔和浮阀塔。（4）黏性较大的物系，可以选用大尺寸填料，板式塔的传质效率较差。（5）含有悬浮物的物料，应选择液流通道较大的塔型，以板式塔为宜。可选用泡罩塔、浮阀塔、栅板塔、舌形塔和孔径较大的筛板塔等。不宜使用填料。（6）操作过程中有热效应的系统，用板式塔为宜。因塔板上积有液层，可在其中安放换热管，进行有效的加热或冷却。（二）操作条件对塔设备选择的影响（1）若气相传质阻力大（即气相控制系统。如低黏度液体的蒸馏，空气增湿等），宜采用填料塔，因填料层中气相呈湍流，液相为膜状流。反之，受液相控制的系统（如水洗CO2），宜采用板式塔，因为板式塔中液相呈湍流，用气相在液层中鼓泡。（2）大的液体负荷，可选用填料塔，若用板式塔时，宜选用气液并流的塔型（如喷射型塔盘）或选用板上液流阻力较小的塔型（如筛板和浮阀）。（3）低的液体负荷，一般不宜采用填料塔。因为填料塔要求一定量的喷淋密度，但网体填料能用于低液体负荷的场合。（4）液气比波动的适应性，板式塔优于填料塔，故当液气比波动较大时宜用板式塔。（三）其他因素对塔设备选择的影响（1）对于多数情况，塔径小于800mm时，不宜采用板式塔，宜用填料塔。对于大塔径，对加压或常压操作过程，应优先选用板式塔；对减压操作过程，宜采用新型填料。（2）一般填料塔比板式塔重。（3）大塔以板式塔造价较廉。因填料价格约与塔体的容积成正比，板式塔按单位面积计算的价格，随塔径增大而减小。表1-3 塔型选用顺序表考虑因素选择顺序塔径800mm以下，填料塔大塔径，板式塔具有腐蚀性的物料填料塔穿流式塔筛板塔喷射型塔污浊液体大孔径筛板塔穿流式塔喷射型塔浮阀塔泡罩塔操作弹性浮阀塔泡罩塔筛板塔真空操作填料塔导向筛板网孔塔板筛板浮阀塔板大液气比多降液管筛板塔填料塔喷射型塔浮阀塔筛板塔存在两液相的场合穿流式塔填料塔本项目液相处理量均较大，优先选用板式塔，部分处理量小的塔设备，采用填料塔。本项目塔设备形式见表1-4。表1-4 塔设备型式设备位号设备名称选择类型T0101水合反应精馏塔复合塔T0102分水塔-1板式塔T0103脱水反应精馏塔填料塔T0201急冷吸收塔空塔/填料塔T0202共沸精馏塔板式塔T0203甲醇回收塔-1填料塔T0204甲醇-水精馏高压塔板式塔T0205甲醇-水精馏低压塔板式塔T0301甲醇回收塔-2填料塔T0302双溶剂萃取塔填料塔T0303产品精制塔板式塔T0304萃取剂回收塔填料塔T0305分水塔-2板式塔T0306MAL回收塔板式塔1.4 板式塔及塔板选择根据塔板上气、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。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，几种主要塔板的性能比较如下：表1-5 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、处理能力小特别容易堵塞的物系浮阀板效率高、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可以知道，浮阀塔和其他几类塔板相比，具有结构简单、造价低，生产能力大，操作弹性大，塔板效率较高的优点。但是，其缺点是处理易结焦、高粘度的物料时，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下降。尤其是当浮阀因磨损脱落时，会形成大筛孔，造成大量的漏液，影响塔板效率。1.5 填料塔填料及内件选择1.5.1 填料的选择填料塔是一个圆筒塔体，塔内装载一层或多层填料，气相由下而上、液相由上而下接触，传热和传质主要在填料表面上进行，因此，填料的选择是填料塔的关键。填料的种类很多，许多研究者还在不断地试图改进填料，填料塔的命名也以填料名称为依据，如金属鲍尔环塔、波网填料塔。常用的填料还有拉西环填料、鲍尔环填料、矩鞍形填料、阶梯形填料、波纹填料、波网（丝网）填料、螺旋环填料、十字环填料等。填料塔制造方便，结构简单，便于采用耐腐蚀材料，特别适用于塔径较小的情况，使用金属材料省，一次投资较少，塔高相对较低。表1-6常用填料的分类与名称填料类型填料名称散装填料环形拉西环形拉西环，环，十字环，内螺旋环开孔环形鲍尔环，改进型鲍尔环，阶梯环鞍形弧鞍形，矩鞍形，改进矩鞍形环鞍形金属环矩鞍形，金属双弧形，纳特环其他新型塑料球形，花环形，麦勒环形规整填料波纹型垂直波纹型网波纹型，板波纹型水平波纹型Spraypak，Panapak非波纹型珊格形Glitsch Grid板片形压延金属板，多孔金属板绕圈形古德洛形，Hyperfil填料根据材质分为陶瓷、金属和塑料三大类。（1）陶瓷填料陶瓷填料具有很好的耐腐蚀性及耐热性，陶瓷填料价格便宜，具有很好的表面润湿性能，质脆、易碎是其 最大缺点。在气体吸收、气体洗涤、液体萃取等过程中应用较为普遍。（2）金属填料 金属填料可用多种材质制成，选择时主要考虑腐蚀问题。碳钢填料造价低，且具有良好的表面润湿性能，对于无腐蚀或低腐蚀性物系应优先考虑使用；不锈钢填料耐腐蚀性强，一般能耐除Cl- 以外常见物系的腐蚀，但其造价较高，且表面润湿性能较差，在某些特殊场合（如极低喷淋密度下的减压精馏过程），需对其表面进行处理，才能取得良好的使用效果；钛材、特种合金钢等材质制成的填料造价很高，一般只在某些腐蚀性极强的物系下使用。一般来说，金属填料可制成薄壁结构，它的通量大、气体阻力小，且具有很高的抗冲击性能，能在高温、高压、高冲击强度下使用，应用范围最为广泛。（3）塑料填料 塑料填料的材质主要包括聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）及聚氯乙烯（PVC）等，国内一般多采用聚丙烯材质。塑料填料的耐腐蚀性能较好，可耐一般的无机酸、碱和有机溶剂的腐蚀。其耐温性良好，可长期在100C以下使用。塑料填料质轻、价廉，具有良好的韧性，耐冲击、不易碎，可以制成薄壁结构。它的通量大、压降低，多用于吸收、解吸、萃取、除尘等装置中。本项目选用Sulzer公司系列填料，第一工段温度较高，采用金属规整填料，对于处理温度小于100以下的情况，采用Mellapak聚丙烯塑料填料。表1-7 MELLAPAK系列技术数据Mellapak250.X250.Y170.X170.YSpecific surface area250m2/m3250m2/m3170m2/m3170m2/m3Element height(approx)500mm400mm500mm800mmSurface structuresmoothMaterial thickness0.5 to 2mmMaterialCeramic，plastic，stainless steel本项目使用的Mellapak聚丙烯塑料填料，我们选用性能优异的Mellapak 250Y填料，填料实物图如图1-7所示：图1-1 Mellapak 250Y聚丙烯塑料填料本项目所选的Mellapak 250Y聚丙烯塑料填料，其填料性能如图1-2（分离效率）、图1-3（压降性能图）所示：图1-2 Mellapak 250Y聚丙烯塑料填料分离效率图1-3 Mellapak 250Y聚丙烯塑料填料压降性能图本项目所选的Kerapak陶瓷板波纹填料，我们选用Kerapak 250Y填料，填料实物如图1-4所示，性能如表1-8所示：图1-4 Kerapak 250Y陶瓷填料表1-8 Kerapak 陶瓷板波纹填料技术参数本项目在萃取过程中，参考了中国专利CN89109152.1内弯弧形筋片扁环填料其实物图如下。图1-5 QH-1型扁环填料根据国内外技术发展的最新动向的多年研究工作的基础，清华大学化工系提出了内弯弧形筋片扁环填料即QH-I型扁环填料的发明专利。其主要特点有两个：第一，它把填料环壁的开孔窗叶由传统的断开式内弯舌片改为连续内弯的弧形筋片，并且取消了环壁端面的翻边；第二，它采用了较小的环的高径比，使环的高径比约为1/3。由于结构上的改变，特别是减小了填料层由环的翻边以及内弯叶片的端点所形成的汇集分散点，特别使用于液液两相的流动，减少了分散相液液群在此处的汇结；而结构对称均匀的内弯弧形筋片结构，对流体流动的均匀性有较好的影响，促进了液滴群的分散-汇合-再分散的循环过程，有效地降低了填料层的轴向返混，提高了液液两相间的传质效率。所以此种填料用于液液传质的萃取过程，取得了很好的技术经济效果。1.5.2 内件的选择填料塔内件主要有填料支撑装置、填料压紧装置、液体分布装置、液体收集再分布装置等。合理地选用和设计塔内件，对保证填料塔的正常操作及优良的传质性能十分重要。（1）液体分布装置：不良的流体初始分布难以达到填料层的自然流分布，会导致传递效率急剧下降，实践证明，没有良好的液体分布器，填料塔甚至不可能正常操作，新型高效填料的优越性难以发挥。性质优良的液体分布器除了常规的技术经济要求外，还必须满足操作的可行性、分布的均匀性、合适的操作，弹性和足够的气流通道。表1-9 液体分布器的性能比较重力管式压力管式喷洒式槽式孔流槽式溢流盘式孔流盘式溢流分布质量高中低-中高低-中高低-中处理能力m3/(m2h)0.25100.252.5范围较宽范围宽范围宽范围宽范围宽塔径/m任意0.4任意任意，通常0.6任意，通常0.61.21.2留堵程度高高中-高中低中低气体阻力低低低低低-高高高对水平度的要求低无无低载荷时高高低载荷时高高腐蚀影响中大大大小大小液相夹带重量低高高低低低低通过对（重力推动）排管式、（压力推动）排管式、环管式、（圆形升气管）孔盘式、（矩形升气管）孔盘式、堰盘式、堰槽式等七种通用型典型的液体分布器性能对比，最终选定采用槽式溢流液体分布器。槽式液体分布器是一种多功能的液体分布器，它不仅集液体收集、液体分布及气体分布于一体，而且具有结构简单、占位低、高弹性、抗堵塞、防夹带和性能稳定等特点，是一种性能卓越的液体分布器。（2）喷淋装置：本项目选择排管式喷淋器。排管式液体分布器由于结构简单而得到广泛的应用。它由进液口 1、液位管 2、液体分配管 3及布液管 4 组成。液体分配管将进口液体分流给各布液管，布液管底部打孔以将液体分布到填料上。图1-6 排管式液体分布器（3）填料支撑板：格栅式支撑板最适合于规整填料的支撑，一般而言其造价要比气体喷射式低，空隙率也比较大，采用金属材料，其空隙率在95%97%范围。图1-7 格栅式支撑板格栅式支撑板是由一定数量栅条平行排列而成，为便于安装和使用，将栅条分组连接拼接成格栅块，再成功安装于支撑面上，块的宽度需小于人孔直径，以便从人孔送入塔内。经计算，仅适用于栅条支撑无法满足强度要求，故增设主梁。主梁一般采用工字钢或角钢，当塔直径较大时，梁的型号也随之增大，影响其上面的气体分布和横向混合，因而会降低填料效率。本设备采用了三条工字钢主梁，既满足了强度要求，也满足了气体分布要求，同时合理地利用了塔内空间。（4）填料床层固定装置：对于规整填料的固定，需要结合床层结构特点来设计，我们采用的是波纹板，在填料层顶面垂直于板片方向，设置一定数量的压条来防止填料盘向上松动，压条采用扁钢制作，竖直放置并将其两头固定在塔壁上。这种方法简单、可靠，又几乎不影响气液流动和分布。（5）除沫装置：在塔内操作气速较大时，会出现塔顶雾沫夹带，这不但会造成物料的流失，同时还可能造成环境的污染，为避免这种情况，需要在塔顶设置除沫装置，从而减少液体的夹带损失，确保气体的纯度，保证后续设备的正常操作。常用的除沫装置有丝网除沫器、折流板除沫器以及旋流板除沫器。本设备采用丝网除沫器，依据的标准为HG/T 21618-1998。图1-8 丝网除沫器1.5.3 文氏棒受到中国石油大学（北京）孙国刚教授专利“一种双循环文氏棒塔烟气除尘脱硫系统”（CN103908879A）的启发，提出了一种新型文氏棒填料塔，在T0201急冷吸收塔的急冷段设将文氏棒层与填料层耦合，从而提高整个塔的气液传质与传热效率。将此设备用于急冷吸收塔，可进一步提高传质和传热效率。在传统填料塔中，气液两相仅在填料层中进行传质。若在急冷段气体和液体进口处加上两排文丘里棒，在该区域形成一个气液相持的薄层并造成强烈的气液湍流接触，无需大幅增加塔高即可进一步提高传质传热效率。在急冷段内域内，高温气体与低温液体极速对撞，与液体分布器喷出的甲醇液传质效果不佳。在设置文氏棒层后，错位布置的文氏棒形成无数个渐缩渐扩的文丘里效应，高温气体穿流通过文氏棒层时由于棒层处流通面积小，流速大大提高，使气流的湍动能大大增加，如图1-9。高温气液在文氏棒层上进行气液接触反应，文氏棒层提供气液接触的界面，增加气液传质，提高急冷吸收效率。图1-9 文氏棒湍流强度文氏棒层由一块或多块按设定间距排布的耐腐蚀、有足够机械强度的金属或非金属固体实心棒或空心管排构成，覆盖塔全截面，如图1-10所示。该棒文氏棒层至少一层，优选为两层，棒层间距100300 mm。图1-10 文氏棒层示意图文氏棒原理如图1-11所示，设置文氏棒层后，在相邻文氏棒之间形成无数个文丘里，当气流通过棒层时，与下落的液滴接触并在棒层上方形成鼓泡传质的泡沫层。在泡沫层内，液体被高速向上的气流击碎，产生新的传质表面，极大地增加了气液相之间的传质和传热表面，此外，气体通过棒层时，以“液体包围气体”的鼓泡传质过程，提高了传质效率。通过调节文氏棒间距可调节泡沫层的高度，棒缝过宽，棒层上存液较小，覆盖不住棒缝，气液两相交替通过棒缝，传质面积不大。棒缝过小，气液湍动剧烈，在竖直方向上会发生严重的逆向混合，雾沫夹带较大，因此棒缝尺寸的选择在设计过程中尤为重要。另外，中国石油大学(北京)在实验室内进行的文氏棒塔与空塔的压降对比测试表明，增加文氏棒层后，压降增加仅在100200 Pa，对塔的操作几乎没有影响，因此达到了高效低阻的传质效果。 图1-11 文氏棒层示意图第二章 板式塔设备设计计算2.1 T0102分水塔设计计算2.1.1 使用软件列表表2-1 使用软件列表名称用途来源Aspen Plus V8.6分离性能设计Aspen Tech公司CUP-Tower流体力学设计中国石油大学（华东）SW6-2011塔体强度结构设计全国化工设备设计技术中心站AutoCAD2010精馏塔平面布置图绘制Autodesk公司2.1.2 塔设备基础数据由Aspen优化得到塔的工艺参数，设计压力0.11Mpa，设计温度130，理论板数20块，进料位置8块，回流比1.8。利用Aspen PlusV8.6对T0102塔添加Tray Sizing，选用条形浮阀型塔板。得到水力学参数表后，从中选择流量最大的塔板，作为设计的计算依据。表2-2为Aspen Plus V8.4塔径模拟后的Tray Sizing Result数据汇总。表2-2 T0102 Tray Sizing ResultSection starting stage:2Section ending stage:19Column diameter:1.56444meterDowncomer area/Column area0.1Side downcomer velocity0.073144m/secFlow path length1.07484meterSide downcomer width0.244795meterSide weir length1.13673meter由Aspen Plus模拟后的Profiles中调出Hydraulics水力学数据，得知第五块塔板上气液负荷最大，调出其具体数据汇总于下表2-3中。表2-3 Aspen Plus对T0102精馏段的模拟结果塔板液相温度/气相温度/液相质量流量kg/h气相质量流量kg/h液相体积流量 m3/h气相体积流量m3/h895.7899.6446666.88711676.88750.8018689.66液相分子量气相分子量液相密度kg/m3气相密度kg/m3液相粘度cP气相粘度cP液相表面张力dyne/cm918.6070.6250.290.0158.89T0102塔设备内介质及组成见表2-4。表2-4 T0102内介质名称及其组成 进出口inout物流编号S107S108S112介质名称水-叔丁醇水-叔丁醇水Mass Flow kg/hrISOC4H80.0000 0.0000 0.0000 H2O37654.3800 2664.3810 34990.0000 MAL0.0000 0.0000 0.0000 O20.0000 0.0000 0.0000 N20.0000 0.0000 0.0000 CH4O0.0000 0.0000 0.0000 MMA0.0000 0.0000 0.0000 N-HEX-010.0000 0.0000 0.0000 C3H60.0000 0.0000 0.0000 C3H80.0000 0.0000 0.0000 NC4H103.8305 3.8305 0.0000 ISOC4H100.0801 0.0801 0.0000 1C4H80.2710 0.2710 0.0000 CISC4H81.1551 1.1551 0.0000 TRANC4H80.4776 0.4776 0.0000 13C4H60.0000 0.0000 0.0000 NC5H120.0000 0.0000 0.0000 ISOC5H120.0000 0.0000 0.0000 TBA5365.2280 5365.2280 0.0000 CO0.0000 0.0000 0.0000 CO20.0000 0.0000 0.0000 MAA0.0000 0.0000 0.0000 HQ0.0000 0.0000 0.0000 按照设计要求，需要对塔设备进行优化，使塔设备达到更好的操作效果。优化后将数据导入Aspen Plus，可得到每层塔板的水力学数据及塔设备操作性能数据。表2-5 T0102 Tray Rating Result（精馏段）StageFlooding factorDowncomer velocityVelocity / Design velDowncomer backupBackup / Tray spacePressure dropDowncomer res. timem/secmeterbarhr20.7104840.0099320.0794530.1221280.2442570.0062650.01398530.7070870.009610.0768810.1213540.2427080.006250.01445240.7064780.0096060.0768480.1212750.2425510.0062420.01445950.705830.0096070.0768530.1211960.2423920.0062350.01445860.7051820.0096070.0768590.1211170.2422340.0062270.01445770.7045360.0096080.0768650.1210390.2420770.006220.01445580.7519790.0701720.5613780.1764470.3528940.0074970.001979表2-6 T0102 Tray Rating Result（提馏段）StageFlooding factorDowncomer velocityVelocity / Design velDowncomer backupBackup / Tray spacePressure dropDowncomer res. timem/secmeterbarhr80.7519790.0701720.5613780.1764470.3528940.0074970.00197990.763970.0699180.5593450.1770690.3541390.0075680.001986100.7649110.0699150.5593230.1771390.3542780.0075740.001987110.7645060.0699250.5594040.1771060.3542120.0075690.001986120.7639790.0699360.5594930.1770630.3541270.0075640.001986130.7634430.0699470.5595830.177020.3540410.0075590.001986140.7629080.0699590.5596730.1769770.3539540.0075540.001985150.7623740.069970.5597630.1769340.3538690.0075490.001985160.7618410.0699810.5598530.1768920.3537830.0075440.001985170.761310.0699920.5599420.1768490.3536980.0075390.001984180.7607810.0700030.5600320.1768070.3536130.0075340.001984190.7602530.0700150.5601210.1767650.3535290.0075290.001984由列表可知，所有塔板的液泛因子均在0.6-0.85之间，降液管停留时间大于5秒。2.1.3 塔径的计算由于带有降液管，所以溢流式的塔板的塔截面实际分为了两个部分，即气体流通截面和降液管所占截面。若AT为塔板截面积，A为气体流通截面积，为降液管截面积，则：若设气体流通截面上的适宜气速为，当塔内处理的气体体积流量为VS，塔板的计算中，通常是以泛点气速uf作为u的上限。一般取：根据索德尔斯和布朗公式：uf=CL-VV式中C为气体负荷因子，由C=C20l0.020.2计算,其中的C20由史密斯关联图查取。如图2-1所示：图2-1 史密斯关联图关联图横坐标即气液两相流动参数的确定：LSVSLV0.5=50.8018689.66918.610.620.5=0.104塔板间距HT的选取与塔高、塔径、物性性质、分离效率、操作弹性以及塔的安装、检修等因素有关。设计时通常根据塔径的大小，由表2-7列出的塔板间距的经验数值选取。表2-7 塔间距参考数值塔径D（mm）塔板间距HT（mm）600-7003003504508001000350*45050060012001400350*450500600800*16003000450*50060080033004200600800*不推荐采用通过AspenPlus估算可以塔径为1.6米左右，故取板间距HT=500mm。一般常压塔取hL=6080mm，减压塔取hL=2030mm，故取板上液层高度hL=60mm，则液滴沉降高度为HT-hL=440mm。查出史密斯关联图：得到C20为0.08C=C200.020.2=0.08*0.590.020.2=0.157泛点气速：u=CL-VV=0.157*918.61-0.620.62=6.06 m/s取u=0.6u=0.6*6.06=3.63m/s，则可求得塔径为：D=4*Vs*u=4*5.192*3.63=1.45m按照标准塔径圆整后，最终确定T0202塔径为1.6m。2.1.4 溢流装置的设计计算（1）板上液流型式的确定T0102塔径为1600mm，塔内最大液相流量为50.80m3/h。则可确定选择塔板流型为单溢流型，详细参考见下表。表2-8 液体负荷与板上流型的关系塔径（mm）液体流量（m3/h）U形流单流型双流型阶梯流型10007以下45以下14009以下70以下200011以下90以下90160300011以下110以下110200200300400011以下110以下110230230350500011以下110以下110250250400600011以下110以下110250250450（2）溢流堰主要尺寸溢流堰主要作用是维持塔板上有一定的液层厚度，并使液体能较均匀地横过塔板流动，其主要尺寸是堰高和堰长。根据经验数据，单流式塔板的堰长一般为塔径的60%80%，此处取为60%，可得堰长lw=16000.6=960 mm此时对应堰上的最大液流量（液流强度）52.92m3/(m堰长h)，不超过经验值7087.5 m3/(m堰长h)，检验合格。对于本例中的加压萃取精馏塔，经验值选取堰高为4060mm，此处选取堰高hw=50mm，溢流堰选用平口堰。（3）降液管本精馏塔中采用弓形降液管，根据之前所选的塔径D和堰长lw，由化工原理（陈敏恒编制）查弓形降液管的参数，如下图2-2所示：图2-2 弓形降液管相关属性图得到AdAT=0.051 WdD=0.1降液管Wd=0.11600=160 mm面积Ad=0.0514D2=0.1025m2。4）受液盘为了避免塔板上出现死角，同时可以缓冲液体流向，更好地使气泡分离，在这里选用凹形受液盘，深度为50mm。此外，为了停工时能够排尽板上的废液，在受液盘上开有两个10的泪孔，关于受液盘中心线对称，位置在受液盘中间。（5）进口堰本精馏塔中液相流量相对较小，同时选用了凹形受液盘，故不设进口堰。（6）降液管底隙高度对凹形受液盘，选取底隙高度等于盘深，即hb=50 mm。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。则液体在降液管的停留时间为：=AdHTLS=0.10520.50.0141=3.73s3s由于停留时间，故降液管尺寸设合理。2.1.5 浮阀塔板结构参数的确定（1）浮阀阀型采用条形浮阀塔。在设计计算中仍采用F1型浮阀进行计算。（2）浮阀排列方式浮阀的排列方式多采用三角形排列，又分顺排和叉排两种。根据我国的标准，浮阀采用叉排的排列方式。对于塔径大于1000mm的塔板，常常采用分块式塔板，按等腰三角形排列，其底边固定为75mm。2.1.6塔板结构设计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Ad计算；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，由经验可知：a.塔径D900mm，采用分块组装式；b.塔径在2.5m以下，边缘宽度取WC=0.05m；c.分布区宽度WF取0.05m;d.根据之前计算可知，降液管宽度为Wd=0.16m。图2-3 溢流板区域划分每层塔板上浮阀数目为：N=VS4d02u0=5.19240.039218.5=234.9可取N=236个。阀孔动能因数：F0=u0v=18.50.62=14.6处于817范围之内。开孔率：=Nd0D2=2360.0391.62=14.0%处于515%范围之内。2.2 水力学计算2.2.1 塔板压力降塔板压力降P由三部分组成，分别为气体流过干塔板的压力降PC、通过液层的压力降PL及克服液相表面张力的压力降P，一般来说克服液相表面张力的压力降很小，可以忽略不计，于是塔板压降可简化为：P=PC+PL（1）干板压力降在浮阀排列时得到的阀孔动能因数约为14，故浮阀处于全开状态。对于33g F-1型重阀，全开后的干板压降为：hc=5.37u022gvl=0.028 m（2）液层压力降忽略塔板上的液面落差，则气体通过液层的压力降为：hl=(hw+how)其中取充气系数=0.6，出口堰高hw=0.05 m。对于平口堰，堰上液头高为：how=0.00284E*(Lhlw)2/3由图2-4读出液流收缩系数为1.10图2-4 液流收缩系数图how=0.002841.1Lhlw23=0.0440 mhl=(hw+how)=0.6(0.05+0.0440)=0.06 m总的塔板压力降为：hp=hc+hl=0.028+0.06 m液柱=760.8Pa符合36mmHg的单板压力降要求。2.2.2 雾沫夹带量（1）雾沫夹带量对浮阀塔板，分别采用阿列克山德罗夫经验式和泛点率来估计雾沫夹带量。阿列克山德罗夫经验式根据塔板间距、浮阀塔系数、空塔气速、板上液层高度、气相粘度等来估计雾沫夹带量，采用下式估算：e=A(0.052h1-1.72)HTn2(um)3.7对于HT400mm的塔板，其A=0.159，n=0.95。对于本浮阀塔,取浮阀塔系数=0.7，可以得到此塔的雾沫夹带量:e=0.0172kg雾沫/kg气体0.1kg雾沫/kg气体可以看出，雾沫夹带量远小于0.1kg雾沫/kg气体，满足要求。（2）泛点率泛点率可由以下两式得出，取两者中的较大值。F1=100CV+136LSZABKSCFF1=100CV0.78ATKSCF浮阀塔板泛点负荷因数图2-5如下：图2-5 浮阀塔板泛点负荷因数图最终求出T0102塔的泛点率F1=65.7%，根据Glitsch公司建议，当直径大于900mm的塔，泛点率F1控制在：F180%82%时，雾沫夹带量e0.1kg雾沫/kg气体。由此可见，泛点率符合要求。2.2.3 降液管内液面高度为了防止出现淹塔现象，需对降液管内清液层高度Hd进行校核。Hd=hw+how+h+hd+hp流体流过降液管的阻力损失为：hd=hd1+hd2其中，hd1=0.153(LSlw*hb)2hd2=0.1(LSAr)2为了防止淹塔，应使：Hd(HT+hw)对一般物性相对泡沫密度=0.5，求出Hd=0.2003，(HT+hw)=0.275可见设计符合淹塔要求。2.2.4 漏液的检验漏液检验其泄漏点的阀孔动能因数可以用下式计算：Foa=2.968a0.19Hw0.027L0.219解出泄漏点的阀孔动能因数Foa=4.71，由前计算的Fo=14.6Foa=4.71，可知此时塔设备不发生泄露。2.2.5 降液管液体停留时间液体在降液管内的平均停留时间为：=HTAdLS解出:=AdHTLS=0.10250.50.0141=3.63S3S其停留时间大于最小降液管停留时间3S，可以认为符合要求。液体在降液管中的允许流速为：(ud)max=0.17KS要求液体在降液管中的