设备选型馏塔设计说明书

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第三章设备选型-精馏塔设计说明书

3.1概括

本章是对各种塔设备的设计说明与选型。

3.2设计依据

气液传质分别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、汲取等气液传质过程，但二者各有优弊端，依据详细状况进行选择。设计所依据的标准以下：

《F1型浮阀》JBT1118《钢制压力容器》GB150-1998《钢制塔式容器》JB4710-92《碳素钢、低合金钢人孔与手孔种类与技术条件》HG21514-95《钢制压力容器用封头标准》JB/T4746-2002《中国地动动参数区划图》GB18306-2001《建筑构造荷载标准》GB50009-20013.3塔简述

填料塔简述

(1)填料塔填料塔是以塔内的填料看作气液两相间接触构件的传质设备，由外壳、填料、填料支承、液体分布器、中间支承和再分布器、气体和液体出入口接收等零件构成。

填料是填料塔的核心，它供给了塔内气液两相的接触面，填料与塔的构造选择了塔的性能。填料必然具备较大的比表面，有较高的缝隙率、优异的湿润性、

耐腐化、必然的机械强度、密度小、价钱低价等。常用的填料有拉西环、鲍尔环、弧鞍形和矩鞍形填料，20世纪80年头后开发的新式填料如QH—1型扁环填料、八四内弧环、刺猬形填料、金属板状填料、规整板涟漪填料、格栅填料等，为先进的填料塔设计供给了基础。

填料塔合用于赶忙和瞬时反响的汲取过程，多用于气体的净化。该塔构造简

单，易于用耐腐化资料制作，气液接触面积大，接触时间长，胸襟变化时塔的适应性强，塔阻力小，压力亏折为300～700Pa，与板式塔比较办理风量小，空塔

气速凡是为m/s，气速过大会产生液泛，喷淋密度6-8m3/(m2.h)以保证填

3

战胜塔内气液分布不均的问题。

(2)规整填料

塔填料分为散装填料、规整填料(含格栅填料)和散装填料规整布列3种，

前2种填料应用遍布。

在规整填猜中，单向斜波填料如JKB，SM，SP等国产涟漪填料已达到外国

MELLAPAK、FLEXIPAC等同类填料水平；双向斜波填料如ZUPAK、DAPAK

等填料与外国的RASCHIGSUPER-PAK、INTALOXSTRUCTUREDPACKING

同处国际先进水平；双向曲波填料如CHAOPAK等乃最新自主改革技术，与相

应型号的单向斜波填料比较，在分别效率同样的状况下，通量可提升25％

-35％，比外国的单向曲波填料MELLAPAKPLUS通量最少提升5％。上述规整

填料已成功应用于φ6400，φ8200，φ8400，φ8600，φ8800，φ10200mm等多座大

塔中。

(3)板涟漪填料

板涟漪填料由开孔板构成，资料薄，缝隙率大，加之布列规整，因此气体通

过本事大，压降小。其比表面积大，能从选材上保证液体在板面上产生坚固薄液层，使填料表面湿润率提升，防范沟留现象，从而提升传质效率。气液两相在填

猜中不停呈Z形曲线运动，流体分布优异，混淆丰饶，无积液死角，因此放大

效应很小，合用于大直径的塔。

板式塔简述

〔1〕板式塔

板式塔是一种逐级〔板〕接触型的汽液传质设备，塔内以塔板看作基本构件，气体以鼓泡或发射的形式穿过塔板上的液层，汽液两相的组分浓度沿塔高呈阶梯式变化。板式塔主要包含传统的筛板塔、泡罩塔、浮阀塔、舌片塔板与浮舌塔板、穿流塔板和各种改良型浮阀塔板、多种传质元件混排塔板和造成板上大循环的立体发射塔板等。

〔2)筛孔塔板

筛孔塔板简称筛板，构造特点为塔板上开设好多平匀的小孔。依据孔径的大小，分为小孔径塔板〔孔径3～8mm〕和大孔径塔板〔孔径为10～25mm〕两类。工业应用以小孔径筛板为主，大空径筛板多用于某些特别场合〔如分别粘度大、易结焦的物系〕。

3.4选型原则

〔1〕以下状况优先采纳填料塔：

1〕在分别程度要求高的状况下，因某些新式填料拥有很高的传质效率，故

可采纳新式填料以变低塔的高度;

2〕关于热敏性物料的蒸馏分别，因新式填料的持液量较小，压降小，故可

优先选择真空操作下的填料塔；

3〕拥有腐化性的物料，可采纳填料塔，因为填料塔克采纳非金属资料，如

陶瓷、塑料等；

4〕简单发泡的物料，宜采纳填料塔。

〔2〕以下状况优先采纳板式塔：

塔内液体滞液量较大，操作负荷变化限制较宽，对进料浓度变化要求不敏感，操作易于坚固；

液相负荷较小；

含固体颗粒，简单结垢，有结晶的物料，因为板式塔可采纳液畅达道较大的塔板，阻截的危险性较小；

在操作过程中陪伴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

构造上简单实现，其他，塔板上有好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纳板式塔。

板式塔和填料塔的优势比较以下：

表3-1板式塔和填料塔的优势比较塔型

填

料塔

板

式塔

优势

1〕小直径塔开销低，便于安装；

2〕液压变低，有益于真空精馏；

3〕用于难分其他场合以变低塔高；

4〕用于腐化重要的场合，在这类状况下可采纳耐腐化材质填料；

5〕合适于发泡物系；

改造老塔，增加通量，减少耗费，提升产质量量；

用于间歇精缩，因为填料塔的持液量低。

关于大直径塔设备开销低；

不易阻截，且易清理；

3〕合适大液量操作。因为板式塔气流为错流，流量增大对气体负荷影响不

大；

合适中间内部换热、侧线出料多的场合。

3.5塔设备选型

塔设备选型

比较了板式塔和填料塔的特点，并联合系统的特点，其他考虑设备的制造、

投资和维修，采纳板式精馏塔。

塔板选型

板式塔塔板种类

依据塔板上气、液两相的相对流动状态，板式塔分为穿流式与溢流式。当前

板式塔大多采纳溢流式塔板。穿流式塔板操作不坚固，极少使用。

2〕各种塔板性能比较

工业上需分其他物料及其操作条件多种多样，为了适应各种不同样的操作要

求，迄今已开发和使用的塔板种类众多。这些塔板各有各的特点和合用系统，我

们将几种主要塔板的性能比较列表以下：

表3-2几种主要塔板的性能比较

项目泡罩塔板浮阀塔板筛板塔板

相对开销2.01.21.0

压力降最高中等最低

板效率高最高最低

蒸汽负荷最低最高最高

操作弹性542〔3〕塔板的选择生产本事大，分别要求高。综合考虑塔板的效率、分别见效和设备的成本、

制造、维修等，我们采纳了较为成熟，当前遍布使用的F1型浮阀塔板。

3.6精馏塔T2塔详细设计

AspenPlus模拟气液负荷和物性数据的计算

依据AspenPlus模拟的结果可获得以下数据：

表3-3由AspenPlus模拟气液负荷和物性数据

塔板液相体气相体积流液相密度气相密度液相粘度液体表面张编号积流率m3/h率m3/hkg/m3kg/m3cP力mN/m1175.71452658831.87671423.421294.251365290.4099029523.33215152144.82940459410.79771413.603794.288017750.39434193221254559454.40481412.917514.290236350.3933050222.0661948414597291412.87634.290372240.3932429822.0615626514595841412.874354.29038530.3932400822.0613192614576671412.874974.290389910.3932410922.0613539714562911412.875294.290388040.3932421422.0613983814561331412.868794.290297360.393243222.06147119145.07649159457.62341412.723964.288368420.3932534322.062502710183.22916559941.48371409.690554.297564280.3934609122.083854511183.01431959961.73691408.916374.288698760.3932240622.06735031217705721394.281754.11359320.3941623722.166899213146.49713954907.10441202.338463.195307860.4006303523.430427414132.49500852250.9006904.1831112.279495740.3442392323.1707742151432479824.76392.094992430.3052671221.4999116

16145.58887256843.0262814.4655442.073835350.2997880821.198809517145.87170756937.5416813.3543192.071591730.2991950921.165133218145.90171756947.5645813.2372532.071355810.299132621.16157219145.90487356948.6186813.2249522.071331030.2991260421.1611977200.8534466456948.6186813.223662.071331030.2991253521.1611583每块板上的负荷如以以下列图所示：

0.0BlockT2(RadFrac)ProfilesTPFQ0520.0002

rh/l0.o0m0k5W1OLF-.0E0L0

0.005Liquidflow

Vaporflow

1.06.011.016.021.0Stage

图3-1每块板上的负荷量

由上图可知，在第5块板上，汽液两相的负荷最大，辩解为：

Ls=145.143905m3/h=0.0403m3/s,ρL=1412.87435kg/m3

Vs=59456.9584m3/h=16.516m3/s,ρv=4.2903853kg/m3

液相表面张力为σ=22.0613192mN/m

塔板数和操作参数本项目使用AspenPlus对精馏塔的模拟结果以下表：

表3-4AspenPlus对精馏塔的模拟结果

操作压力(MPa)回流比加料状态所需理论板数加料地点

第10块理论

0.14液体20

板

初估塔径

塔板初步设计

采纳史密斯关系图预计，初选塔板间距HT=0.6m，板上清液层高度

hL=0.1m则

HT-hL=0.6-0.1=0.5m

又

LS0.50.0430.5L1412.874FLV16.5160.04428VSV4.290C可由史密斯关系图查出。查得C20=0.12m/s，CC20()0.2=0.12(22.061)0.2=0.1222020最大赞成气速uFLV1412.8744.29〔〕=C=0.12=2.217m/sv4.29取泛液分率等于0.85，得出它的有效面积为

An=16.516=8.763m20.852.217取Ad/A=0.12，则塔的总面积为

A=0.876=9.958m21－0.12

塔径为

4V49.958D===3.56〔m〕

按标准塔径圆整为D=3.6m

得出塔截面积为A=D2=×3.62=10.174〔m2〕44

降液管总截面面积Ad=0.12A=0.12×10.174=1.221m2塔净截面积An=0.88A=0.88×10.174=8.953m2

2塔板工作面积Aa=0.76A=0.76×10.174=7.732m

2孔总面积Ao=0.1A=0.1×10.174=1.017m

孔径do=0.005mm

板厚tp=0.0025mm

偃高hw=0.05mm

水力学性能计算

〔1〕修正气速数值及液泛分率数值

u=16.516=1.623m/s10.174

液泛分率=u=1.623=0.732uF2.217

〔2〕计算液沫夹带分率依据FLV=0.443及液泛分率为，查图得0.732

ψ=0.06

〔3〕塔板压降Ht=ho-he

①干板压降已知do/tp=0.005/0.0025=2，查图得Co=0.77

uO=VG=16.516=16.234m/sAO1.0171uo2116.2342因此ρG4.290.0688hoCoρL29.810.77141.82742gm清液柱

②气体经过泡沫层的压降

he=hw+how

已规定堰高hw=0.05m

采纳双流型，Ad/A=0.12，这里的Ad应当为两个降液管的截面积，以前按Ad为

一个截面积，故应改为Ad/A=0.06计，查图得

lW1/D=0.63,wd/D=0.109

l/D=0.97W2

于是得出：lW1=0.63D=2.268m

lW2=0.97D=3.492m

wd=0.11D=0.396m

按双侧均设有降液管来计算how，液体流率VL'应取总量的0.5，故得

VL'=0.5×0.04×3600=72.54m3/h

'V2L.5=9.364lw1查图得Fw=1.045故堰液头howw〔VL'〕2/3××〔72.54〕2/3=0.029=0.0028F=0.00281.045lW12.268

ua=VG=16.516=2.136m/sAa7.732

uaρG0.5=2.136×4.290.5=4.425

查图得充气系数

he=β〔hw+how〕=0.57×(0.05+0.029)=0.045m清夜柱

③总压降

△Ht=ho+he=0.069+0.045=0.114m清夜柱

〔4〕液面落差前已判断堰高的值，又已算出堰液头的值，故可得

hw+how=0.05+0.029=0.079m

由式可得漏液点的干板压降

hO'=0.0056+0.13×0.05-0.0025=0.0096m

依据式可知压降平易速的平方成正比，即

h‘o=(u‘o)2houo故得筛孔处操作气速和漏点气速之比为

u‘o=〔h‘o〕0.5=2.166＞1.5uoho

〔6〕降液管经过本事核算

①降液管内液面高先利用公式计算流过降液管的压头亏折。取降液管下沿与塔板面间隔为40mm，则液体从降液面出时所经过的漏洞畅达截面积等于此间隔乘

以lw1

Ada=0.04×2.268=0.091m2液体经过降液管的压头亏折

1.3921.390.042VL0.028hdAda9.810.091gm

降液管内的液面高

Hd=△Ht+hw+how+△+hd=0.222m

以泡沫液计，液面高应为〔取泡沫液的相对密度φ=0.5〕

Hd‘=Hd=0.222=0.443m0.5

Hd'0.443HT==2.7hw0.1140.05②液体在降液管内的逗留时间

逗留时间=HdAd=0.2221.221＞VL0.043=6.711s3s3.6.3.3计算结果

〔1〕主要规格版型双流型溢流堰〔在双侧〕长2.268塔径3.6m溢流堰〔在中央〕长3.492板距600孔总面积1.017m2降液管面积1.22m2孔径5mm降液管下沿与塔板面间隔40mm板厚2.5溢流堰高50mm〔2〕水动力学性能

液泛分率0.732操作气速/漏液点气速2.166＞1.5液沫夹带分率0.06降液管内泡沫液面高/板距0.55△/h_降液管内液体逗留时间＞3so6.711堰液头29mm(＞6mm)

负荷性能图

〔1〕漏液线漏液点的干板压降为

‘ho=0.0056+0.13×〔hw+how〕-hσ

已规定hw=0.05

又已算出hσ=0.0025

堰液头how与VL相关

how=0.0028Fw〔VL'〕2/3=0.0028×1.045×〔3600VL〕2/3=0.381VL2/3lW12.268故有ho‘×〔0.05+0.381VL2/3〕-0.0025=0.0056+0.132/3=0.0096+0.0495VL

依据干板压降的式

221uoGhoCo2gL1VGG2gAocoL1VG4.29

2g1.020.771412.8

=2.52×10-4VG2

令ho‘=ho，漏液点VG与VL的关系为

0.0096+0.0495VL2/3=2.52×10-4VG2

化简得VG=38.1196.4VL2/3

〔2〕液体流率下限线规定how=6mm或0.06m时，液体流率到下限，已求得owL2/3h=0.381V将达到下限的值带入0.006=0.381VL2/3解出3VL=0.00198m/s〔3〕液体流率上限值以液体在降液管内的逗留时间为3s规定液体的流率上限。因逗留时间=HdAdVL代入得3=0.2221.22VL解得液体流率上限流率VL=0.09028m3·s-1

〔4〕液泛线当降液管内的泡沫页面高等于板距与偃高之和，便达到液泛，即

Hd‘=Hd=