4 1-典型设备的设计与选型

典型设备的设计与选型中南大学PIE团队 700万立方米/年含硫废气处理联产硫磺及甲醇项目 典型设备的设计与选型目 录第一章 总述11.1 过程设备的基本要求11.2 过程设备设计的作用11.3 过程设备设计与选型的主要内容1第二章 塔设备设计32.1 塔设备设计依据32.2 设计要求32.3 塔设备简介42.3.1 板式塔42.3.2 填料塔52.4 塔型的选择72.4.1 塔型选择一般原则72.4.2 塔型选择结果92.5 板式浮阀塔的设计计算（以T0401为例）92.5.1 Aspen设计92.5.2 塔的具体计算112.6 塔板结构设计152.7 塔板流体力学验算172.7.1 压力验算172.7.2 塔板负荷性能图192.8 Cup-Tower 在塔盘工艺结构计算的运用212.9 塔机械工程设计232.9.1 塔高的计算232.9.2 接管的计算242.10 塔机械强度的校核262.11 塔设备设计说明书282.12 新型ADV浮阀塔板的运用402.12.1 设计依据402.12.2 新型ADV浮阀塔板简介402.12.3 ADV微分浮阀结构41第三章 换热器的选型423.1 换热器选型设计依据423.2 换热器类型简介423.3 换热器选型原则453.3.1 简介453.3.2 工艺条件选择463.4 换热器选型（以E0209硫冷凝器为例）483.4.1 换热目标483.4.2 换热器结构选择483.4.3 污垢热阻与传热系数503.5 换热器设计软件503.6 换热器软件计算503.6.1 尺寸计算503.6.2 详细结构523.6.3 换热器的机械结构及强度校核533.7 换热器设计说明书543.8 换热设备的创新753.8.1 硫冷凝器E0106工艺特性753.8.2 硫冷凝器的腐蚀问题753.8.3 硫冷凝器腐蚀的防护措施783.8.4 换热设备创新小结80第四章 压缩机选型814.1 概述814.2 选型依据814.3 选用要求814.4 压缩机类型及特点824.5 压缩机适用范围824.6 选型示例（以压缩机C0201为例）834.6.1 进出口物料衡算834.5.2 压缩机模拟结果83第五章 泵的选型855.1 泵的概述855.2 泵的类型及特点855.3 泵的选型原则和选型依据865.4 设计实例（以P0101为例）875.4.1 设计目标875.4.2 双螺杆泵在液硫输送中的应用87第六章 储罐选型916.1 概述916.2 储罐选型依据916.3 储罐类型916.4 储罐系列916.5 储罐的选型926.5.1 V0504甲醇储罐的选型936.5.2 V0407甲醇精馏塔回流罐的选型94第七章 气液分离器设计957.1 气液分离器设计依据957.2 设计目标957.3 气液分离器类型957.4 气液分离器工艺参数957.5 分离器类型的选择957.6 立式重力分离器的尺寸设计967.6.1 浮动流速967.6.2 分离器直径967.6.3 高度967.6.4 进出口管径97 中南大学PIE团队 4第一章 总述1.1 过程设备的基本要求过程设备最基本的要求是满足安全性与经济性，安全是核心，在充分保证安全的前提下尽可能做到经济。经济性包括经济的制造过程，经济的安装、使用与维护，设备的长期安全运行本身就是最大的经济。在满足工艺要求的前提下，为了确保安全与经济，过程设备应满足以下基本要求。首先，结构合理，安全可靠。过程设备上所有部件都必须有足够的强度、刚度和稳定性，可靠的密封性和一定的耐久性。其次，设备必须具有先进的技术经济指标，技术经济指标是衡量过程设备优劣的重要参数。再次，运转性能好，操作简单，运转方便；最后，还要具有优良的环境性能。上述要求很难全部满足，设计选用时应针对具体问题具体分析，满足主要要求，兼顾次要要求。1.2 过程设备设计的作用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，并可以从厂家的产品目录或手册中查到其规格及型号，可直接从设备生产厂家购买；另一类是非标设备或称非定型设备，是根据工艺要求、通过工艺计算及设备专业设计人员设计、需要专门设计的特殊设备，然后由有资格的厂家制造。1.3 过程设备设计与选型的主要内容（1）确定单元操作所用设备的类型。这项工作应与工艺流程设计结合起来进行。（2）确定设备的材质。根据工艺操作条件（温度、压力、介质的性质）和对设备的工艺要求确定符合要求的设备材质。这项工作应与设备设计专业人员共同完成。（3）确定设备的设计参数。设备的设计参数是由工艺流程设计、物料衡算、热量衡算、设备的工艺计算多项工作得到的。对不同的设备，它们有不同的设计参数。对塔设备，需要确定进出口物料的流量、组成、温度、压力塔径与塔的材质、填料类型与填料高度或塔板类型与塔板数等，对于精馏塔还要确定塔顶冷凝器和塔底再沸器的热负荷、换热流体的种类等；对换热器，则需要知道热负荷、换热面积、冷热流体的种类及流量。（4）确定定型设备（即标准设备）的型号或牌号以及数量。定型设备是一些加工厂成批、成系列生产的设备，即那些可以直接向生产厂家订货或购买的现成设备。对已有标准图纸的设备，确定标准图的图号和型号。随着中国化工设备标准化的推进，有些本来用于非标设备的化工装置，已逐步走向系列化、定型化。这些设备包括换热器系列、容器系列、搪玻璃设备系列以及圆泡罩、F1型浮阀和浮阀塔塔盘系列等，它们已经有了国家标准。（5）对非标设备，向化工设备专业设计人员提出设计条件和设备草图，明确设备的型式、材质、基本设计参数、管口、维修安装要求、支承要求及其他要求（如防爆口、人孔、手孔、卸料口、液面计接口等）。（6）编制工艺设备一览表。在初步设计阶段，根据设备工艺设计的结果，编制工艺设备一览表，可按非定型工艺设备和定型工艺设备两类编制。初步设计阶段的工艺设备一览表作为设计说明书的组成部分提供给有关部门进行设计审查。第二章 塔设备设计塔设备是化工、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。在化工厂、石油化工厂、炼油厂等中，塔设备的性能对于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，都有重大的影响。因此，塔设备的设计和研究，受到化工炼油等行业的极大重视。本项目为700万立方米/年含硫废气处理副产硫磺甲醇项目，该项目所涉及的塔设备共4座，其中板式塔2座，填料塔2座。本项目借助Aspen Plus V9.0软件得到塔设备水力学数据，并利用中国石油大学（华东）自主研发的Cup-Tower 软件对板式塔进行水力学校核，使用全国化工设备设计中心站研发的SW6软件对塔设备进行机械强度校核。2.1 塔设备设计依据化工设备设计全书塔设备 2003-5压力容器 GB 150-2011塔式容器 NB/T 47041-2014压力容器封头 GB/T 25198-2010塔顶吊柱 HG/T 21639-2005化工配管用无缝及焊接钢管尺寸选用系列 HG/T 20553-2011钢制管法兰、垫片和紧固件 HG/T 2059220635-2009常压人孔 HG 21515-2014补强圈 JB/T 4736-20022.2 设计要求（1）分离效率高，达到一定分离程度所需塔的高度低；（2）生产能力大，单位塔截面积处理量大；（3） 操作弹性大，对一定的塔器，操作时气液流量的变化会影响分离效率。若将分离效率最高时的气液负荷作为最佳负荷点，可把分离效率比最高效率下降15%的最大负荷与最小负荷之比称为操作弹性，易于稳定操作；（4）气体阻力小可使气体的输送功率消耗小。对真空精馏来说，降低塔器对气流的阻力可减小塔顶、塔底间的压差，降低塔底操作的压强，从而可降低塔底溶液泡点，降低对塔釜加热剂的要求，还可防止塔底物料的分解；（5）结构简单，设备取材面广便于加工制造与维修，价格低廉，适用面广。2.3 塔设备简介塔从不同的角度有多种分类方法，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。2.3.1 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。根据目前国内外的实际使用情况，主要塔型是浮阀塔、筛板塔及泡罩塔。对塔型的评价具体可以从一下几个方面进行比较，生产能力、塔板效率、操作弹性、气体通过塔盘的压力降、造价和操作是否方便等方面来考虑。下表别对上述特点从定量和定性两个方面对各种板式塔的优缺点加以总结。表2-1 板式塔的优缺点总结塔盘型式结构优点缺点用途泡罩型圆形泡罩复杂弹性好无泄漏费用高板间距大压降大特定要求S型泡罩塔板简单简化形式特定要求浮阀型条形浮阀简单操作弹性好，塔板效率高处理能力大无特别缺点加压常压下的气液传质重盘式浮阀简单/复杂T形浮阀简单穿流型筛板(溢流式)简单正常负荷下的效率高，费用最低压力降小稳定操作范围窄，易堵，易泄露变动量少且不析出固体波纹筛板简单处理量大压降小，便宜效率低，弹性小，量少粗蒸馏栅板简单处理量大，压力降小，便宜塔效率低，弹性较小，量少适合粗蒸馏表2-2 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压降结构成本泡罩板1.01.01.0复杂1.0筛板1.21.41.40.5简单0.40.5浮阀板1.21.31.50.6一般0.70.92.3.2 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。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2-3 填料塔填料简介填料类型填料名称散装填料环形拉西环形拉西环，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散装填料：（1）拉西环：目前已被淘汰。（2）矩鞍填料：属于乱堆敞开式填料。 图2-1 拉西环 图2-2 矩鞍填料（3）鲍尔环：是在拉西环壁面上开一层或两层长方形小窗。 图2-3 钢环鲍尔环 图2-4 瓷环鲍尔环（4）金属环矩鞍：1977年由美国诺顿公司开发成功，它结合了鲍尔环的空隙大和矩鞍填料流体均布性好的优点，是目前应用最广的一种散装填料可用金属、陶瓷做成。（5）纳特环：开发于20世纪80年代初，也是环和鞍组合成的填料。 图2-5 金属环矩鞍 图2-6 纳特环（6）阶梯环：图2-7 阶梯环（7）规整填料：目前常用的规整填料为波纹填料，其基本类型有丝网形和孔板形两大类，均是20世纪60年代以后发展起来的新型规整填料，主要是由平行丝网波纹片或（开孔）板波纹片平行（波纹）、垂直排列组装而成，盘高约40300mm，具有以下特点：填料由丝网或（开孔）板组成，材料细（或薄），孔隙率大，加之排列规整，因而气流通过能力大，压降小。能适用于高真空及精密精馏塔器。由于丝网（或开孔）板波纹材料细（或薄），比表面积大，又能从选材（或加工）上确保液体能在网体或板面上形成稳定薄液层，使填料表面润湿率提高、避免沟流现象，从而提高传质效率。气液两相在填料中不断呈Z形曲线运动、液体分布良好、充分混合、无积液死角，因而放大效应很小。适用于大直径塔设备。近年来波纹填料发展较快，有逐步取代其他填料及部分板式塔的倾向，但造价、安装要求较高，因而受到某种程度的影响。 图2-8 丝网型 图2-9 孔板型2.4 塔型的选择2.4.1 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。表2-4 填料塔与板式塔的对比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造价新型填料，投资较大大直径时造价较低表2-5 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2.4.2 塔型选择结果综合塔型的选择原则，考虑到各塔的操作压力、操作温度、处理负荷、物料性质、前后设备的具体情况以及工业上的经验等，最终确定各塔的类型如表2-6所示：表2-6 塔型确定塔设备编号塔设备名称设备类型备注T0201尾气急冷塔填料塔填料类型选择M250Y型规整填料。T0202尾气吸收塔填料塔T0203溶剂回收塔板式塔塔板类型为ADV微分浮阀塔板T0301甲醇精馏塔板式塔2.5 板式浮阀塔的设计计算（以T0401为例）表2-7 设计所用软件名称用途来源Aspen Plus V9.0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2.5.1 Aspen设计利用Aspen Plus V9.0的Column Internals ，结合各塔板的操作负荷，利用Sizing 和Rating进行优化设计和校核，根据设计得到的结果进行校核的参数输入情况如下图2-10所示。图2-10 校核参数输入情况校核结果如图2-11、2-12所示图2-11 塔板的校核结果图2-12 塔板的校核结果由校核结果知，各塔板的液泛均在合理的范围内，故设计合理。2.5.2 塔的具体计算2.5.2.1 物性参数提取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14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14块物性参数如表2-8：表2-8 浮阀塔塔板参数液相质量流量Lkg/h气相质量流量Vkg/h液相密度Lkg/ m3气相密度Vkg/ m3液相体积流量LS m3/h气相体积流量VS m3/h混合液表面张力mN/m6769.645095.7979418.535101.6439.94液相体积流量：LS=8.533600=0.0024m3s气相体积流量：LS=5101.643600=1.42m3s2.5.2.2 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AT为塔板截面积，A为气体流通截面积，Af为降液管截面积，则：AfAT=1-AAT若设气体流通截面上的适宜气速为u，当塔内处理的气体体积流量为VS，A=VSu塔板的计算中，通常是以泛点气速uf作为u的上限。一般取：u=0.60.85uf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2-13。图2-13 史密斯关联图关联图横坐标即气液两相流动参数的确定：LSVSLV=0.00241.47941=0.048（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9-8列出的塔板间距的经验数值选取。表2-9 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初取板间距HT=450mm。（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=70mm，则液滴沉降高度为HT-hL=380mm。查取史密斯关联图可知：液相表面张力=20mN/m时的气体负荷因子C20=0.072m/s，由于所处理的液相表面张力为=39.94mN/m，则需矫正：C=C20l200.2=0.07239.94200.5=0.1则可求得泛点气速为：uf=CL-VV=0.1794-11=2.8m/s取u=0.8uf，即u=0.82.8=2.24m/s，则可求得塔径为：D=4VSu=41.422.24=0.9m塔径圆整为D=1m。2.5.2.3 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=1m，所以根据经验与工艺要求，溢流装置定为单溢流。（1）弓形降液管尺寸降液管面积由化工原理（下）（夏清等编.天津大学出版社）图2-14弓形降液管的参数图查得。图2-14 弓形降液管的参数对于堰长lw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=0.65。因此可查得AfAT=0.07，WdD=0.125,则：实际塔板截面积AT=4D2=412=0.785m2;弓形降液管面积Af=0.07AT=0.070.785=0.05m2;弓形降液管宽度Wd=0.15D=0.151=0.15m2。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=AfHTLS=0.050.450.0024=9s3s由于停留时间3s，故降液管尺寸设合理。（2）溢流堰尺寸溢流堰长lw=0.65D=0.651=0.65m采用平直堰，求得横坐标Lhlw2.5=8.530.652.5=25查液体收缩系数计算图：图2-15 液体收缩系数计算图可得，E=1.05，则堰上液层高度how可由下式计算how=2.841000ELhlw23=2.8410001.058.530.6523=0.017m出口堰高hw=hL-how=0.07-0.017=0.053m取降液管低隙处液体流速uo=0.13m/s则降液管底隙高度为：ho=LSlwuo=0.00240.650.13=0.028m取ho=0.03m。2.6 塔板结构设计a.鼓泡区：塔板上气、液接触构建（浮阀）设置在此区域内，为气、液传质的有效区域；b.无效区：在塔壁边缘留出一定宽度的环形区域供固定塔板用；c.破沫区：在液体进入降液管之前设置不鼓泡的安定地带，以免液体大量夹带泡沫进入降液管；d.溢流区：降液管及受液盘所占的区域为溢流区；于此处考虑，由经验可知：a.浮阀选用F1重型浮阀，其阀孔为do=0.039m；b.塔径较小时，无效区宽度取Wc=0.05m；c.当D1.5m时，破沫区宽度Ws=0.06m；d.根据之前计算可知，降液管宽度为Wd=0.15m。（1）浮阀数初取阀孔动能因数F0=12，阀孔气速为uo=FoV=121=12m/s每层塔板上浮阀数目为：N=Vs4do2uo=1.4240.039212=99可取N=99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=0.15m，破沫区宽度Ws=0.06m,边缘区宽度Wc取为0.05m。单溢流塔板鼓泡区面积计算公式如下：Aa=2xR2-x2+180R2arcsinxR其中x=D2-Wd+WS=0.5-0.15+0.06=0.29mR=D2-WC=0.5-0.05=0.45m带入数据得Aa=20.290.452-0.292+1800.452arcsin0.290.45=0.48m2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t=75mm，则相邻两排间的距离为t=AaNt=0.48990.075=0.065m由于塔直径D=1m，按同一横排的阀孔中心距，相邻两排间的距离t=65mm的等腰三角形叉排方式得到最终的浮阀数。 可排出阀孔数为92个，重新衡算一下参数：阀孔气速：uo=VS4do2N=1.4240.039292=12.9m/s动能因数：Fo=uoV=12.91=12.9塔板的开孔率为：=NdoD2=920.03912100%=13.9%根据经验，塔的开孔率应14%,所以塔板设计满足要求。2.7 塔板流体力学验算2.7.1 压力验算(1) 塔板压降塔板压降可用下式计算：hp=hc+hl+h临界孔速：uoc=1.87573.1V=1.87573.11=9.86m/s因阀孔气速u0=12m/s ,大于其临界阀孔气速u0c，故干板阻力计算式为：hc=5.34Vuoc22Lg=5.3419.86227949.81=0.033m可取充气系数为o=0.5，为则板上气液层阻力为hl=ohL=0.50.07=0.035m由于表面张力引起的阻力较小，此处忽略不计。单板压降：hp=hc+hl=0.033+0.035=0.068mP=hpLg=0.0687949.81=529Pa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HdHT+hW，忽略液面落差的影响，不设进口堰，可利用下式计算：Hd=hp+hL+hd与气体通过塔板的压力降所相当的液柱高度hp=0.068m液体通过降液管的压头损失:hd=0.153LSlwho2=0.1530.00240.650.032=0.002m板上液层高度hL=0.07m,则Hd=hp+hL+hd=0.068+0.002+0.07=0.14m取降液管中泡沫层相对密度为=0.5，则有：HT+hW=0.50.45+0.05=0.25m显然，0.140.25 满足HdHT+hW，符合溢流液泛要求。(3) 雾沫夹带量校核依下式分别计算泛点率F，即：F=VSVL-V+1.36LSZLKCFAb100%其中有ZL=D-Wd=1-0.15=0.85mAb=AT-2Af=0.785-20.05=0.69m2由泛点符合因子图：图2-16 泛点符合因子图得CF=0.11，并查物性系数表取K=1.0，将以上数据代入上式，得：F=VSVL-V+1.36LSZLKCFAb100%=1.421794-1+1.360.00240.8510.120.69100%=65% 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。2.7.2 塔板负荷性能图（1）雾沫夹带线按泛点率为80% 如下：VS1794-1+1.36LS0.8510.120.69=0.8整理得VS=2.1-29LS（2）液泛线由HT+hW=hp+hL+hd=hc+hl+h+hL+hd确定液泛线，将各式代入得HT+hW=5.34Vuo2L2g+0.153LSlwho2+1+ohW+2.841000E3600LSlw23又有uo=VS4do2N整理变形，得：VS2=8.4-13400LS2-50LS23（3）液相负荷上限线液体的最大流量应保证在降液管中停留时间不低于35s。以=5s作为液体在降液管中停留时间的下限，则LSmax=AfHT5=0.050.455=0.0045m/s(4)漏液线以Fo=5作为规定气体最小负荷标准，则VSmin=4do2NFoV=40.03929251=0.55m/s(5)液相负荷下限线以平堰上液层高度how=0.006m作为液相负荷下限标准取E=1.05，代入数值，则可求得：LSmin=0.0060.002841.06320.653600=0.0005m3/s据此方程可以作出液相负荷下限线。由以上各方程绘图得到下图的塔板性能负荷图。图2-17 负荷性能曲线由此可见，此塔板操作负荷点位于合适的范围内。现将浮阀塔精馏段塔板工艺设计结果列于表2-15表2-10 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/m1-塔间距HT/m0.45-塔板型单溢流降液管适宜气速u/ms-12.2-溢流堰长lw/m0.65-溢流堰出口高hw/m0.053-板上液层高度hL/m0.07-降液管底隙高度ho/m0.03-浮阀数/个92等腰三角形叉排阀孔气速uo/ms-112-阀孔动能因数Fo12.9-临界阀孔气速uoc/ms-19.86-孔心距t/m0.075同一排的中心线距离排间距t/m0.065相邻二横排的中心线距离单板压降Pp/Pa529-液体在降液管内停留时间/s9-降液管内清液层高度Hd/m0.15-泛点率%65-液相负荷上限（LS）max/m3s-10.0045-液相负荷下限（LS）min/m3s-10.00052.8 Cup-Tower 在塔盘工艺结构计算的运用初步计算得到T401塔径为1000mm，选定塔间距为450mm，开孔率选用14%，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）工艺条件信息输入图2-18 塔板结果参数输入CupTower示意图a图2-19 塔板结果参数输入CupTower示意图b（2）浮阀校核结果Cup Tower 校核T401塔结果如下图所示。图2-20 Cup Tower 校核塔板工艺参数结果a图2-20 Cup Tower 校核塔板工艺参数结果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。2.9 塔机械工程设计2.9.1 塔高的计算（1）实际塔板数N由Aspen plus提取的数据可知，该塔共有理论塔板数20块，因ADV微分浮阀塔板的效率较高，故取塔板效率为0.8，则实际板数为N=200.8=25块。（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HTHT=0.45m（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HT=0.6m。（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HF比HT大，取HF=1m。（7）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=1.8m3h，塔径D=1m，t=5minHB=Vt4D2=1.8/605412=0.2m（8）塔筒体高度H H=HD+N-SHT+SHT+HF+HB=1+25-30.45+30.6+1+0.2=13.9m（9）裙座高度采用圆柱形裙座，裙座高度为:H=2+1.5D2=2+1.512=2.75m（10）封头高度封头选取标准椭圆形封头，根据JB/T4746-2002，取直边段h=40mm，曲面高度H=250mm。（11）塔的总高H=13.9+2.75+0.252=17.2m2.9.2 接管的计算（1）塔顶蒸汽接管取塔顶蒸汽流速uv=20m/s,提取Aspen数据V=4810.8m/h，则管径d1=V4uv3600=4810.84203600=0.29m圆整后选取管子规格为325x6mm。实际流速uV=V4d123600=18.9m/s（2）回流管取回流液体流速uv=2m/s，液相体积流量L=3.6m/h，则回流管径为d2=V4uv3600=3.6423600=0.025m圆整后取管子规格为38x3mm。实际流速uV=V4d223600=1.4m/s（3）进料管取进料管液体流速为uv=2m/s，液相体积流量L=8.53m/h，则进料管d2=V4uv3600=8.53423600=0.039m圆整后管径45x3mm。实际流速uV=V4d323600=1.88m/s（4）塔底液体出料管径取料液流速为uv=2m/s，液相体积流量L=1.8m/h，则出料管d4=V4uv3600=21.754423600=0.018m圆整后取管子规格25x2mm。实际流速uV=V4d423600=1.6m/s（5）塔底气体进料管径取气体流速为uv=20m/s，气相体积流量L= 4936.6m/h，则进料管d5=V4uv3600=4936.64203600=0.3m圆整后取管子规格325x6mm。实际流速uV=V4d523600=19.4m/s2.10 塔机械强度的校核本设计采用机械强度常规设计软件SW6-2011，对塔的强度进行常规校核。基本参数包括：设计压力、设计温度、设备直径及计算长度等输入如图所示。图2-21 SW6-2011校核筒体参数输入a图2-22 SW6-2011校核筒体参数输入b图2-23 SW6-2011校核筒体参数输入c校核结果如下图所示，校核合格。图2-24 SW6-2011校核结果2.11 塔设备设计说明书塔设备设计条件及结果如下表所示。表2-11 塔设备设计条件及结果项目分离介质及摩尔分率设计压力/MPa设计温度/设备直径/mm计算长度/mm备注甲醇精馏塔甲醇（0.5）、水（0.5）0.11110100017200见表1-15表2-12 塔板工艺设计结果项目数值及说明备注塔径D/m1-塔间距HT/m0.45-塔板型单溢流降液管适宜气速u/ms-12.2-溢流堰长lw/m0.65-溢流堰出口高hw/m0.053-板上液层高度hL/m0.07-降液管底隙高度ho/m0.03-浮阀数/个92等腰三角形叉排阀孔气速uo/ms-112-阀孔动能因数Fo12.9-临界阀孔气速uoc/ms-19.86-孔心距t/m0.075同一排的中心线距离排间距t/m0.065相邻二横排的中心线距离单板压降Pp/Pa529-液体在降液管内停留时间/s9-降液管内清液层高度Hd/m0.15-泛点率%65-液相负荷上限（LS）max/m3s-10.0045-液相负荷下限（LS）min/m3s-10.0005该塔的设备条件图见T0402工艺条件图，装配图见T0402装配图。SW6-2011校核结果如下表所示。表2-13 塔设备校核结果表核算内容核算结果备 注风载荷计算合格见表2-16地震载荷计算合格见表2-16表2-14 计算结果表项目计算结果/mm备注设备筒体壁厚6见表2-21下封头壁厚6见表2-20上封头壁厚6见表2-19裙座壁厚6见表2-18地脚螺栓个数及大小8 - M36见表2-17表2-15 塔设备SW6-2011校核结果 塔 设 备 校 核计 算 单 位中南大学PIE团队计算依据：NB/T 47041-2014计 算 条 件塔 型 板式容 器 分 段 数（不 包 括 裙 座） 1压 力 试 验 类 型 液压封头上 封 头下 封 头材料名称 Q345R Q345R名义厚度(mm) 6 6腐蚀裕量(mm) 2 2焊接接头系数 0.85 0.85封头形状 椭圆形 椭圆形圆筒设计压力(Mpa)设计温度()长度(mm)名义厚度(mm)内径/外径(mm)材料名称(即钢号)10.111101720061000Q345R2345678910圆筒腐蚀裕量(mm)纵向焊接接头系数环向焊接接头系数外压计算长度(mm)试验压力(立) (Mpa)试验压力(卧)(Mpa)120.850.8500.140.3115772345678910内 件 及 偏 心 载 荷介 质 密 度kg/m3 0塔 釜 液 面 离 焊 接 接 头 的 高 度mm 0塔 板 分 段 数12345塔 板 型 式 浮阀 塔 板 层 数 0 每 层 塔 板 上 积 液 厚 度mm 0 最 高 一 层 塔 板 高 度mm 0 最 低 一 层 塔 板 高 度mm 0 填 料 分 段 数12345填 料 顶 部 高 度mm 填 料 底 部 高 度mm 填 料 密 度kg