4-设备选型与典型设备设计

富丽达30万吨/年含硫废气资源化利用项目.2017年“东华科技-陕鼓杯”第十一届全国大学生化工设计竞赛设备选型与典型设备设计张丹阳 刘思琦 程金星 丛皓 王亦寒福州大学至诚学院 zcThe One团队2017年“东华科技-陕鼓杯”第十一届全国大学生化工设计竞赛富丽达30万吨/年含硫废气资源化利用项目设备选型与典型设备设计团队名称：zc_The One指导老师：罗祖云团队成员：张丹阳、程金星、丛皓、刘思琦、王亦寒完成时间：2017年7月目录第一章 塔设备设计11.1 概述11.2 塔设备设计11.2.1 塔设备设计依据11.2.2 塔设备简介21.2.3 塔设备选择要求31.2.4 塔型选择一般原则31.2.5 板式塔的塔盘种类和选型41.3 板式浮阀塔（T0201）的设计计算61.3.1 使用软件列表61.3.2 实际塔板数与塔径的计算61.3.3 溢流装置101.3.4 塔板结构设计121.3.5 塔板流体力学验算151.3.6 塔板负荷性能图181.3.7 Cup-Tower 在塔盘工艺结构计算的运用211.4 塔机械工程设计271.4.1 塔高的计算271.4.2 接管的计算281.4.3 塔体和封头选材291.4.4 裙座的设计301.4.5 塔设备附件301.4.6 T0201塔设备条件图311.4.7 塔机械强度校核311.5塔设备计算说明书331.6 新型高效3D圆阀塔板的运用451.6.1 设计依据451.6.2 新型塔板简介451.7 填料塔（T0202）的设计计算461.7.1 使用软件列表461.7.2 工艺尺寸概算471.7.3 塔板流体力学验算501.7.4 Cup-Tower 在塔盘工艺结构计算的运用511.7.5塔高的计算541.7.6塔机械强度校核551.7.7 填料塔内件设计591.7.8 液体分布装置601.7.9 液体收集与在分布装置611.7.10 填料支撑板611.7.11 填料床层固定装置621.7.12 除雾装置621.7.13 填料塔的设计说明书62第二章 换热器设计752.1 概述752.2 换热器设计依据752.2.1 换热器类型简介762.2.2 换热器工艺方案的确定772.3换热器（以E0205为例）设计802.3.1 工艺模拟数据802.3.2 类型选择812.3.3 类型选择812.3.4 温度822.3.5 压力822.3.6 传热系数822.3.7 尺寸822.3.8 初估冷凝器传热面积832.3.9 压力降计算862.3.10 详细结构882.3.11 换热器的机械设计及校核892.3.12 换热器设计说明书902.4 换热器（以E0303为例）设计1012.4.1 工艺模拟数据1012.4.2类型选择1022.4.3类型选择1022.4.4温度1022.4.5压力1032.4.6传热系数1032.4.7尺寸1032.4.8 初估冷凝器传热面积1042.4.9 压力降计算1072.4.10 详细结构1102.4.11换热器的机械设计及校核1102.4.12换热器设计说明书1112.4.13 E0303换热器设备条件图1272.5 板式换热器（以E0208为例）选型设计1282.5.1板式换热器的结构1282.5.2 换热流体数据1292.5.3 类型选择1302.5.4 E0208换热器组装形式1312.5.5 E0208设备条件图1322.5.6 E0208校核结果1342.5.7 E0208板式、管壳式换热器性能对比1362.6 换热器结构形式优化137第三章 储罐及回流罐的选型1423.1储罐选型依据1423.2概述1423.3甲醇储罐（V0201）的选型1433.3.1甲醇的基本性质1433.3.2工艺要求1433.3.3选型结果1433.4回流罐（V0202）的选型1443.4.1工艺要求1443.4.2选型结果144第四章 泵的选型1454.1泵的概述1454.2泵的选型原则1454.3泵的类型及特点1464.4 泵选型计算举例147第五章 压缩机选型1505.1概述及选型依据1505.2压缩机类型及特点1505.3选型原则1515.4压缩机（C0201）的选型1515.4.1工艺条件1515.4.2工艺计算1515.4.3选型结果152第六章 反应器的设计1536.1 概述1536.2 四氢噻吩合成反应器设计1556.2.1 反应方程式1556.2.2 动力学方程1556.2.3催化剂1566.2.4 反应器类型的选择1566.2.5 设计过程1566.2.6 拟均相一维模型的建立和求解1646.3 四氢噻吩合成反应器校核1686.4 四氢噻吩合成反应器设计说明书1716.5 R0301反应器设备条件图177福州大学至诚学院The one团队 第一章 塔设备设计1.1 概述设备工艺设计是工程设计的基础。化工设备从工艺设计的角度可以分为两类：一类是标准设备或定型设备，是成批、成系列生产的设备，可直接从生产厂家中购买；另一类是非标准设备或非定型设备，是根据工艺要求、通过工艺计算及设备专业设计人员设计、需专门设计的特殊设备，然后由有资格的厂家制造。本章主要对工艺过程中主要设备做了详细设计，确定单元操作所用设备的类型、材质、设计参数，确定定型设备的型号及数量；对于非定型设备，向化工设备专业设计人员提出设计条件和设备草图，明确设备的类型、材质、基本设计参数、管口、维修安装及支承等其他要求。1.2 塔设备设计1.2.1 塔设备设计依据表1-1 塔设备设计依据内容出版日期及标准号钢制塔式容器JB/T 4710-2005钢制压力容器GB 150-2011化工设备设计手册朱有庭著化工工艺设计手册中国石化集团上海工程有限公司编（2009）石油化工塔型设计规范SH 3030-2009钢制化工容器制造技术要求HG/T 20584-2011钢制化工容器结构设计规定HG/T 20583-2011钢制化工容器强度计算规定HG/T 20582-2011钢制化工容器材料选用规定HG/T 20581-2011钢制化工容器设计基础规定HG/T 20580-20111.2.2 塔设备简介塔设备是化工、石油化工和炼油等生产中最重要的设备之一。它可使气（或汽）液或液液两相进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的。可在塔设备中完成的常见操作有：精馏、吸收、解吸和萃取等。此外，工业气体的冷却与回收、气体的湿法静制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的增湿、减湿等。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。（1） 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。（2） 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。两种塔型的比较见下表：表1-2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1.2.3 塔设备选择要求（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量有较大的波动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作。并且塔设备应能保证长期连续操作。（3）流体流动的阻力小，即流体通过塔设备的压力降小。这将大大节省生产中的动力消耗，以降低经常操作费用。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、材料耗用量小、制造和安装容易。这可以减少基建过程中的投资费用。（5）耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。1.2.4 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。优先适用情况如下：表1-3 填料塔与板式塔的优先适用情况填料塔板式塔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。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。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。液相负荷较小。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。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。容易发泡的物料，宜选用填料塔。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。1.2.5 板式塔的塔盘种类和选型1.2.5.1 板式塔的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。1.2.5.2 各种塔盘的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1-4如下：表1-4 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表1-5给出了几种主要塔板性能的量化比较。表1-5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1.01.051.0复杂1.0筛板1.21.41.430.5简单0.40.5浮阀板1.21.31.590.6一般0.70.9舌型板1.11.21.530.8简单0.50.6由上面两个表可知，浮阀塔兼有泡罩塔和筛板塔的优点，现在已成为国内应用广泛的精馏塔塔型之一，并且在石油、化学工业中使用最为普遍。1.2.5.3 浮阀塔的优点（1）生产能力大由于浮阀塔板具有较大的开孔率，而且气流是水平喷出的，减少了液沫夹带，故其生产能力比泡罩塔高20%40%，与筛板塔近似。（2）操作弹性大由于阀片可随气体负荷变化而升降，使阀片与塔板的间隙大小得以自动调整，阀孔气速几乎不随气体负荷的变化而变化，在较大的气体负荷范围内，可以保证气液间的良好接触，故操作弹性比泡罩塔和筛板塔都宽，可以达到79。（3）塔板分离效率高因上升气体以水平方向吹入液层，故气液接触时间较长而液沫夹带量较小，板效率较高，比泡罩塔高10%左右。（4）气体压强降及液面落差较小因为气体通道比泡罩塔简单得多，塔板上没有复杂的障碍物，所以塔板上的气流分布较均匀，气液流过浮阀塔板时所遇到的阻力较小，故气体的压强降及板上的液面落差都比泡罩塔板小。（5）塔的造价较低因构造简单、易于制造，浮阀塔的造价一般为泡罩塔的60%80%，但比筛板塔的造价贵，为筛板塔的120%130%。尽管浮阀塔具有上述诸多优点，但浮阀塔不易处理易结焦或黏度大的系统，因为结焦或黏度大的流体会妨碍浮阀升降的灵活性。但对于黏度稍大或有一般聚合现象的系统，浮阀塔尚能正常操作。从以上各点可以看出：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。1.3 板式浮阀塔（T0201）的设计计算1.3.1 使用软件列表表1-6使用软件列表名称用途来源Aspen Plus V7.2分离性能设计Aspen Tech公司AutoCAD2007精馏塔平面布置图绘制Autodesk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1.3.2 实际塔板数与塔径的计算（1） 物性参数表1-7 塔板物性参数级数液体气体液体气体液体气体液体气体液体气体液体温度温度质量流量kg/hr质量流量kg/hr体积流量m3/hr体积流量m3/hr密度kg/ m3密度kg/ m3粘度cp粘度cp表面张力dyne/cm237.42 42.26 115.04 157.66 0.1454 450.69 791.22 0.3498 0.4928 0.0105 29.053 342.26 49.25 98.65 141.28 0.1216 446.53 811.31 0.3164 0.5055 0.0109 39.417 449.25 57.32 78.17 120.80 0.0905 441.73 864.03 0.2735 0.5121 0.0114 53.773 557.32 60.82 68.10 110.72 0.0745 442.27 913.54 0.2503 0.4791 0.0115 61.200 661.31 62.11 1571.4 366.34 1.6907 1495.7929.42 0.2449 0.4569 0.0114 62.780 762.11 62.76 1567.1362.11 1.6840 1504.8930.62 0.2406 0.4520 0.0114 62.852 862.76 63.61 1560.1355.06 1.6725 1511.4932.81 0.2349 0.4483 0.0114 63.034 963.61 64.63 1551.5346.48 1.6585 1520.2935.54 0.2279 0.4435 0.0114 63.249 1064.63 65.71 1542.2337.20 1.6432 1531.1938.58 0.2202 0.4378 0.0114 63.472 1165.71 66.73 1533.4328.35 1.6286 1542.9941.57 0.2128 0.4317 0.0115 63.673 1266.73 67.58 1525.9320.91 1.6162 1554.2944.15 0.2065 0.4260 0.0115 63.830 1367.58 68.22 1520.3315.30 1.6069 1563.9 946.15 0.2016 0.4213 0.0115 63.940 1468.22 68.66 1516.4311.41 1.6004 1571.3947.56 0.1982 0.4178 0.0114 64.011 1568.66 68.95 1513.9308.86 1.5961 1576.4948.50 0.1959 0.4154 0.0114 64.055 1668.95 69.13 1512.3307.26 1.5934 1579.8949.09 0.1945 0.4138 0.0114 64.081 1769.13 69.24 1511.3306.27 1.5918 1582.00 949.46 0.1936 0.4128 0.0114 64.097 1869.24 69.31 1510.7305.68 1.5908 1583.3949.69 0.1931 0.4122 0.0114 64.106 1969.31 69.35 1510.3305.32 1.5902 1584.1949.82 0.1927 0.4118 0.0114 64.112 2069.35 69.38 1510.1305.10 1.5898 1584.6949.90 0.1925 0.4116 0.0114 64.115 2169.38 69.39 1510.0 304.98 1.5896 1584.9949.95 0.1924 0.4115 0.0114 64.117 2269.39 69.40 1509.9304.90 1.5895 1585.0949.98 0.1924 0.4114 0.0114 64.118 2369.40 69.41 1509.9 304.86 1.5894 1585.1949.99 0.1923 0.4114 0.0114 64.119 2469.41 69.41 1509.8304.83 1.5894 1585.2950.00 0.1923 0.4113 0.0114 64.119 2569.41 69.41 1509.8304.82 1.5893 1585.2950.01 0.1923 0.4113 0.0114 64.119 2669.41 69.41 1205.00.00 1.2685 0.00 950.01 0.4113 64.120 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25塔板进行手工计算和校核，然后再用CUP-Tower进行软件计算，通过比较来检查计算的正确性。第25块物性参数如表1-7：表1-8浮阀塔塔板参数塔板液相温度气相温度液相质量流量Lkg/h气相质量流量Vkg/h液相体积流量LS m3/s气相体积流量VS m3/s2569.41 69.41 1509.8775304.815670.00044140.4403531液相分子量气相分子量液相密度Lkg/ m3气相密度Vkg/ m3液相粘度cP气相粘度cP混合液表面张力N/m18.0155 18.0161 950.008760.192279830.4113 0.0114 0.06411939（2）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。若为塔板截面积，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，塔板的计算中，通常是以泛点气速作为的上限。一般取：根据索德尔斯和布朗公式：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1-1图1-1史密斯关联图关联图横坐标即气液两相流动参数的确定：沉降高度的确定：（1）塔板间距HT：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1-8列出的塔板间距的经验数值选取。表1-9塔间距参考数值塔径D/m0.30.50.50.80.81.61.62.02.02.42.4板距HT/mm200300300350350450450600500800600通过估算可以塔径为0.3米左右，故取板间距。（2）板上液层高度hL一般常压塔取hL=50100mm，减压塔取hL=2530mm，故取板上液层高度hL=100mm，则液滴沉降高度为查取史密斯关联图可知：液相表面张力为时的气体负荷因子C20=0.039m/s,则需矫正：0.2 =0.2=0.049233m/s则可求得泛点气速为：取，即,则可求得塔径为：塔径圆整后，D=0.5m。1.3.3 溢流装置液体在塔板上的流动路径是由降液管的布置方式决定的。常用的布置方式有以下几种形式：U型流、单溢流、双溢流、多溢流。降液管主要有弓形、圆形和矩形三种。目前多采用弓形，因其结构简单，特别适合于塔径较大的场合。考虑分块塔板固定区域取D=0.5m，所以根据经验与工艺要求，溢流装置定为双溢流。（1）弓形降液管尺寸降液管面积由化工原理（下）（谭天恩等编.化学工业出版社）图11-16弓形降液管的参数图查得。图1-2 弓形降液管的参数对于堰长与塔内径D的比值，一般单流型可取，lwD=0.60.8，双流型可取lwD=0.50.7，对易起泡物系可取更高些，以保证液体在降液管中有较长的停留时间。本次可取lwD=0.7因此可查得，则：实际塔板截面积2弓形降液管面积2弓形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由于停留时间，故降液管尺寸设合理（2）溢流堰尺寸溢流堰长采用平直堰，求得横坐标Ls/(lw)2.5=1.5893301/(0.375)2.5=18.45593查液体收缩系数计算图：图1-3液体收缩系数计算图可得，E=1.039，则堰上液层高度可由下式计算2/32/3=0.0076m出口堰高m取降液管低隙处液体流速uoL=0.25m/s这降液管底隙高度为：1.3.4 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Af计；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，有经验可知：a.塔径D900mm，采用整块组装式；b.塔径在2.5m以下，边缘宽度取WC=0.05m；c.分布区宽度取0.08m; 脱气区宽度取0.08m；d.根据之前计算可知，降液管宽度为Wd=0.075m。e.浮阀选用F1重型浮阀，其阀孔为=0.039m。（1）浮阀数初取阀孔动能因数F0=12，阀孔气速为每层塔板上浮阀数目为：可取N=14个。（2）浮阀排列现按所设定的尺寸画出塔板，并在塔板的鼓泡区内依排列方式进行试排，从而确定出实际的阀孔数。已知降液管宽度Wd=0.075m，分布区宽度ws取0.08m，脱气区宽度取0.08m，边缘区宽度取为0.05m。由于选用的塔板为单溢流形式，故鼓泡区面积可由单溢流塔板鼓泡区面积计算公式计算出大概面积，已知单溢流塔板鼓泡区面积计算公式如下：2sin-1其中：带入数据得-12浮阀的排列方式采用等腰三角形叉排，使相邻的浮阀容易吹开，鼓泡更匀。取同一横排的阀孔中心距，则相邻两排间的距离为由于双溢流鼓泡区面积比单溢流小，故t值应该比计算值小，取t=60mm。由于塔直径D=0.5m，按同一横排的阀孔中心距，相邻两排间的距离的等腰三角形叉排方式得到最终的浮阀数，如图1-4所示。图1-4塔盘上浮阀排列可排出阀孔数为14个，重新衡算一下参数：阀孔气速：动能因数：在适应的范围812内。塔板的开孔率为：2=2=8.52%根据经验，加压塔的开孔率应,所以塔板设计满足要求。1.3.5 塔板流体力学验算（1）塔板压降塔板压降可用下式计算：hf=hd+hl临界孔速：因阀孔气速u0=26.3435m/s ,大于其临界阀孔气速u0c，故干板阻力计算式为：可取充气系数为，为则板上气液层阻力为由于表面张力引起的阻力较小，此处忽略不计。单板压降：可知压降在合理范围内。（2）溢流液泛校核为防止降液管液泛现象发生，需控制降液管内液层高度，忽略液面落差的影响，不设进口堰，可利用下式计算：2=2=0.00956299m则，取降液管中泡沫层相对密度为0.7，则有：显然，符合溢流液泛要求。（3）液体在降液管内的停留时间可见，所夹带气体可以被释放出。（4）雾沫夹带量校核依下面两式分别计算泛点率F，即：或其中有：2由泛点符合因子图：图1-5泛点符合因子图得CF=0.06,并查物性系数表取K=1.0，将以上数据代入上式，得：，对于大塔，为避免过量雾沫夹带，应控制泛点率不超过80%，故可知雾沫夹带能够满足要求。塔内每块塔板的泛点率见表1-9。表1-10各塔板泛点率序号液相体积流量LS m3/s气相体积流量VS m3/s液相密度L kg/m3气相密度V kg/m3CFKZLAbF%10.000035460.096535951001.6466800.367948300.05710.4250.1917.2820.000040390.12519205791.2235730.349828930.05510.4250.1925.4230.000033780.12403694811.3063030.316388910.05410.4250.1924.0740.000025130.12270215864.0268310.273460340.05310.4250.1921.8350.000020710.12285340913.5367870.250343130.05210.4250.1920.7160.000469640.41548043929.4182770.244921250.05110.4250.1972.4170.000467780.41801545930.6170310.240629760.05110.4250.1972.1780.000464580.41985469932.8064970.234912020.05010.4250.1972.9790.000460680.42230294935.5382660.227905820.04910.4250.1973.67100.000456430.42530694938.5804640.220230920.04910.4250.1972.82110.000452380.42858673941.5676230.212810010.04910.4250.1972.02120.000448950.43174659944.1518990.206467910.04910.4250.1971.37130.000446350.43442904946.1497160.201605490.04910.4250.1970.89140.000445550.43647323947.5624030.198183800.04810.4250.1972.04150.000443360.43790455948.4992120.195920490.04810.4250.1971.83160.000442620.43884784949.0942640.194484640.04810.4250.1971.69170.000442160.43944477949.4619760.193597890.04810.4250.1971.61180.000441880.43981283949.6853610.193059340.04810.4250.1971.57190.000441710.44003611949.8196670.192735600.04810.4250.1971.54200.000441610.44017025949.8999130.192542180.04810.4250.1971.52210.000441550.44025037949.9476800.192427050.04810.4250.1971.51220.000441520.44029804949.9928800.192358670.04810.4250.1971.50230.000441500.44032636950.0028540.192318110.04810.4250.1971.50240.000441480.44034315950.0087630.192294080.04810.4250.1971.50250.000441480.44035310950.0122630.192279830.04810.4250.1971.50（5）严重漏液校核前面已计算出可见不会发生严重漏液。1.3.6 塔板负荷性能图（1）气相负荷下限线即漏液线，对于F1 型重阀，取阀孔动能因子时的气体负荷为操作的下限值。与之相应的气相流量：（2）气相负荷上限线即过量液沫夹带线，根据前面雾沫夹带校核可知，对于直径小于900mm的塔，泛点率65%75%，取泛点率F1=0.7，则： 整理变形，得：雾沫夹带线为直线，由两点即可确定。（3）液相负荷下限线对于平直堰，其堰上液层高度how必须要大于0.006m。取how=0.006m，就可作出液相负荷下限线2/3=0.0076m取E=1.039，代入数值，则可求得：3/2m3/s据此方程可以作出液相负荷下限线。（4）液相负荷上限线亦称气泡夹带线，液体的最大流量应保证在降液管中停留时间不低于3-5s，取3s 作为液体在降液管中停留时间的下限，则m2/s（5）溢流液泛线由公式求得液泛线方程。已知：2/3=0.0015345LS2/32/3塔板不设进口堰时2=2=49064.96738LS2 联立上式可得:VS22/32 得到的板式塔塔板性能负荷图：图1-6 负荷性能曲线 由图可知，操作线介于五条线之间，且有一定操作弹性空间，设计合理。现将浮阀塔精馏段塔板工艺设计结果列于表1-11表1-11浮阀塔精馏段塔板工艺设计计算结果项目数值及说明备注塔径D/m0.5-塔间距HT/m0.25-塔板型双溢流降液管整块式塔板适宜气速u/ms-12.768212l-溢流堰长lw/m0.375-溢流堰出口高hw/m0.0924-板上液层高度HL/m0.1-降液管底隙高度h0/m0.004709-浮阀数/个14等腰三角形叉排阀孔气速u0/ms-126.3435-阀孔动能因数F011.55-临界阀孔气速u0c/ms-125.9152-孔心距t/m0.075同一排的中心线距离排间距t/m0.080相邻二横排的中心线距离单板压降Pp/Pa729.06189-液体在降液管内停留时间/s9.7796-降液管内清液层高度Hd/m0.18779199-泛点率%67.204-液相负荷上限（VS）max/m3s-10.0014392-液相负荷下限（VS）min/m3s-10.00043983操作弹性3.36-1.3.7 Cup-Tower 在塔盘工艺结构计算的运用根据Aspen Plus塔板设计结果及Cup Tower 校核结果，得到T0201塔径为500mm，选定塔间距为150mm，开孔率选用8.52%，溢流堰选用平口堰，降液管选用斜式降液管。将其水力学数据输入Cup-Tower中，其操作界面如下所示。（1）塔板信息输入图1-7 塔板信息输入CupTower示意图（2）工艺条件输入图1-8工艺条件输入CupTower示意图（3）塔板结构参数输入图1-9 T0201塔板结果参数输入CupTower示意图图1-10 T0201塔板平面总示意图（4）浮阀校核结果Cup Tower 校核T0201塔结果如下图所示。图1-11 Cup Tower 校核T0201塔板工艺参数结果图1-12 Cup Tower 校核T0201塔板结构参数结果针对上述选取的流体力学数据，使用CUP-Tower进行塔的主体结构设计，计算结果以及计算说明书如下：表1-12浮阀校核塔板编号(实际)#塔板层数1塔内径，m0.5板间距，mm150液流程数2d/t,%10.41开孔率,%8.52堰长，mm357.1堰高，mm92.4底隙/侧隙，mm4.7/4.7降液管宽，mm75受液盘宽，mm75受液盘深，mm堰型平堰塔板形式圆形浮阀溢流强度，m3/mh4.145停留时间，s6.275降液管液泛，%137.2956阀孔动能因子，(m/s)(kg/m3)0.511.5425单位塔板压降，Pa38.4降液管内线速度,m/s0.0239降液管底隙速度,m/s0.2702表1-13水力校核正常操作110%操作90%操作1空塔气速m/s2.24272.46702.01842空塔动能因子m/s(kg/m3)0.50.98341.08180.88513空塔容量因子m/s0.03190.03510.02874孔速m/s26.322828.955023.69055孔动能因子m/s(kg/m3)0.5 11.542512.696710.38826漏点气速m/s11.402611.402611.40267漏点动能因子m/s(kg/m3)0.55.00005.00005.00008相对泄露量kg液/100kg液0009溢流强度m3/(h.m)4.45104.89614.005910流动参数/0.07050.07050.070511板上液层高度m0.10010.10060.099612堰上液层高度m0.00770.00820.007213液面梯度m00014板上液层阻力m液柱0.05000.05030.049815干板压降m液柱0.03840.04640.036416总板压降m液柱0.08840.09670.086217雾沫夹带kg液/kg气1.09191.46030.779318降液管液泛%137.2956144.9708133.967819降液管内液体高度m0.19970.21080.194820降液管停留时间s6.27505.70466.972321降液管内线速度m/s0.02390.02630.021522降液管底隙速度m/s0.27020.29720.243223降液管底隙阻力m液柱0.01120.01350.009024稳定系数/2.30852.53932.077625降液管最小停留时间s3.00003.00003.0000负荷性能图参数1操作点横坐标m3/h1.59 2操作点纵坐标103m3/h1.593操作上限百分比-110.00%4操作下限百分比-90.00%55%漏液时漏点动能因子m/s(kg/m3)0.5 5.00610%漏液时漏点动能因子m/s(kg/m3)0.5 X 液相体积流量 m3/hY 气相体积流量 103*m3/h 0-操作线1-液相下限线2-液相上限线3-漏液线4-雾沫夹带线5-液泛线通过比较软件计算出来的结果和手算结果还可以得到以下结论：Cup Tower计算结果和详细设计计算结果都能够满足工艺要求，在设定结果参数时，Cup Tower调整起来比较方便，通过反复调整可获得较合理的设计结构，保证塔盘的操作弹性。并且Cup Tower可以用于不同类型的塔板，计算方便，便于塔盘选型。由校核结果可见，塔盘设计合理，操作点、操作上限点、操作下限点均处于液相上限线、液相下线线、漏液线和液泛线之间较合适的位置，塔设备的操作弹性较大。在核算过程中，本项目塔是以气液负荷最大的塔板为依据来校核得到负荷性能图，且各塔板的气液流量均处于负荷性能图中较合适的位置。此外，模拟使用的是实际板的气液物性数据，所以这样核算比用理论板设计更加合理。1.4 塔机械工程设计1.4.1 塔高的计算（1）实际塔板数N由Aspen plus提取的数据可以知道，精馏塔效率可由Drickaner-Bradford方法计算出，即：由Aspen Plus模拟出的物性数据可得，实际塔板数为N=26。（2）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HD=1m。（3）塔板间距HT（4）开设人孔的板间距HT设有人孔的上下两塔板间距应大于等于600mm，这里取。（5）人孔数S这里取10块板设置一个人孔，实际塔板26块，所以开4个人孔（包括塔顶和塔底人孔数）。（6）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。（7）塔底空间高度HB塔底