化工设计竞赛3-3塔设备设计文档

2019年“东华科技-恒途石化杯”

第十三届全国大学生化工设计竞赛

顺达化工年产18万吨醋酸乙雄酯项目

塔设备

设计文档

设计团队：蹄部大开发

指导老师：张子东、郭泉辉、李嫌、李娟、李庆华

团队成员：张超、陈慧慧、刘刽、刘贺芳、李恒博

目录

第一章塔设备的设计依据..........................................................3

第二章塔设备概述...............................................................4

1.塔设备设计的基本目标和原则...............................................4

2.塔类型的选择原则..........................................................5

2.1板式塔的塔盘类型与选择..............................................6

2.2填料塔的填料类型和选择..............................................7

2.3塔型的结构和选型.....................................................9

3.塔设备设计与选型.........................................................10

第三章典型塔设备结构设计......................................................12

L塔选型....................................................................12

1.1选择板式塔..........................................................12

2.Aspenplus模拟过程说明..................................................12

2.1Aspen塔设备优化....................................................12

3.结构设计.................................................................15

.3.1使用软件列表........................................................15

3.2塔设备基础数据......................................................16

4.3塔径计算............................................................17

4.4筒体的设计..........................................................17

4.5封头的设计..........................................................18

4.6裙座、地脚骡栓设计.................................................19

4.7塔高计算............................................................19

4.8液体再分布装置......................................................20

4.9除沫器..............................................................20

5.CUP-TOWER校核.........................................................21

5.1CUP-TOWER软件概述...............................................22

5.2CUP-TOWER校核结果如下:..........................................22

5.3设备条件图..........................................................25

6.塔强度校核...............................................................26

6.1风载荷及地震载荷计算、耐压试验校核................................26

6.2SW6计算书.........................................................30

7.总结.................................................................50

笫四章塔设备设计一览表........................................................51

第一章塔设备的设计依据

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，塔可以使气液

相或者液液相之间进行紧密接触，达到较为良好的相际传质及传热的目的。

表1-1塔选型参考标准如下

标准编号或出版日期

《固定式压力容器》GB150-2011

《压力容器封头》GB/T25198-2010

《石油化工塔器设计规范》SHT3098-2011

《钢制化工容器结构设计规定》HG/T20583-2011

《工艺系统工程设计技术规范》HG/T20570-1995

《塔顶吊柱》HG/T21639-2005

《不锈钢人、手孔》HG21594-21604

《钢制人孔和手孔的类型与技术条件》HG/T21514-2005

《钢制塔式容器》JB/T4710-2005

《钢制管法兰、垫片、紧固件》HG/T20592〜20635-2009

在塔设备中常见的单元操作有：吸收、精饰、解吸和萃取等。此外工业气体

的冷却与回收、气体的湿法净制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的增湿和

减湿等效果。

第二章塔设备概述

L塔设备设计的基本目标和原则

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；同时还应保证塔设备的经济性。为此，塔设备应满足以下基本要

求：

1.生产能力大，弹性好。随着化工装置大型化，生产能力要求尽量地大，

而根据生产经验，工艺流程中精储往往是限制环节。很多精储塔设计中考虑

诸如造价、结构或压降、分离效率等因素较多，而常常未将塔的操作弹性放在重

要位置，从而造成投产后设备不大适应工艺条件和生产能力的较大波动。

2.满足工艺要求，分离效率高。工艺上要分离的液体有很多特殊要求，

如沸点低、难分离、有腐蚀性、有污垢物等，对塔型要慎重选择。

3.运转可靠性高，操作、维修方便。

4.结构简单，加工方便，造价较低。

5.塔压降小。对于真空塔或者要求塔压降低的塔来说，压降小的意义更为明

显。但值得注意的是，通常选择塔型未必能满足所有的原则，应抓住主要矛盾，

最大限度满足工艺要求。

2.塔类型的选择和初步设计

依据传质机理,从生产能力,分离效率,塔压降，操作弹性,操作便利性,垢构,

制造及造价等等方面分析,板式塔与填料塔的性能大致如下：

（1）生产能力板式塔的传质是通过上升的蒸气穿过板上的液池来实现，塔

板的开孔率一般占塔截面积的7%~15%,其优化设计要考虑塔板面积与降液管

面积的平衡，否则即使开孔率加大也不会使生产能力提高。而填料塔的传质是通

过上升的蒸气和靠重力沿填料表面下降的液体逆流接触实现，填料塔内件的开孔

率通常在30%以上,而填料层的空隙率则超过80%,一般液泛点较高,其优化设计

主要考虑与塔内件的IE配,若塔内件设计合理,填料塔单位塔截面积上的生产能

力一般均高于板式塔。

(2)分离效率塔的分离效率决定于被分离物系的性质、操作状态(压力、

温度、流量等)以及塔的类型及性能，一般情况下，填料塔具有较高的分离效率,

但其效率会随着操作状态的变化而变化，工业上常用填料塔每米理论级为2~8级

而常用的板式塔，每米理论板最多不超过2级。塔的操作处于真空或低液量下,

这时填料塔的分离效率明显高于板式塔；当塔的操作处于高压或高液量下，这时

板式塔占有一定的优势,分离效率较高。这就是说,真空或常压操作,填料塔具有

较高的分离效率,而在高压下操作,板式塔具有较高的分离效率。

(3)塔压降填料塔由于空隙率高，故其压降远小于板式塔，一般情况下，板

式塔的每个理论级压降在0.4~l.lkPa,填料塔为0.01~0.27kPa,通常，板式塔压降

高于填料塔5倍左右。压降低不仅能降低操作费用，节约能耗,对于精微过程,可

使塔釜温度降低,有利于热敏性物系的分离。

(4)操作弹性操作弹性是指塔对负荷的适应性。塔正常操作负荷的变动范

围越宽，则操作弹性越大。一般来说，由于填料本身对负荷变化的适应性很大，故

填料塔的操作弹性决定于塔内件的设计,特别是液体分布器的设计，一般操作弹

性较小，因而可以根据实际需要确定填料塔的操作弹性。而板式塔的操作弹性受

到塔板液泛、雾沫夹带及降液管能力的限制,一般操作弹性较大。

(5)操作弹性持液量大,可使塔的操作平稳,不易引起产品的迅速变化填料

塔的持液量小于板式塔，故板式塔较填料塔更易于操作。板式塔容易实现侧线进

料和出料,而填料塔对侧线进料和出料等复杂情况不太适合。对于比表面积较大

的高性能填料，填料层容易堵塞，故填料塔不宜直接处理有悬浮物或容易聚合的

物料。

(6)结构、制造及造价等一般来说,填料塔的结构较板式塔简单，故制造维

修也较为方便,但填料塔的造价通常高于板式塔。

2.塔类型的选择原则

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。对于真空精储和常压精储，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。而对于加压精帽，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。具

体来讲，应着重考虑以下几个方面：

（1）与物性有关的因素

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。

④粘性较大的物系，可以选用大尺寸填料。板式塔的传质效率太差。

⑤含有悬浮物的物料，应选择液流通道大的塔型，以板式塔为宜C

⑥操作过程中有热效应的系统，用板式塔为宜。

（2）与操作条件有关的因素

①若气相传质阻力大，宜采用填料塔。

②大的液体负荷，可选用填料塔。

③液气比波动的适应性，板式塔优于填料塔。

④操作弹性，板式塔较填料塔大，其中以浮阀塔最大，泡罩塔次之。

（3）其他因素

①对于多数情况，塔径大于800nmi地，宜用板式塔，小于800nlm时，则可用填料

塔。但也有例外，鲍尔环及某些新型填料在大塔中的使用效果可优于板式塔。

②一般填料塔比板式塔重。

③大塔以板式塔造价较廉。

2.1板式塔的塔盘类型与选择

板式塔主要有筛板塔、浮阀塔和泡罩塔。板式塔的设计主要是选择塔型、选

择流体流动形式、操作状态一一鼓泡或喷射态等。板式塔一般认为用于大型塔是

经济合理的，比一般填料塔具有效率高和能力大的优点。

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。

表2T不同塔板性能比较

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、塔特别容易堵塞的

板阻力大、处理能力小物系

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、易堵塞、操作弹性较小分离要求高、塔板

塔板效率高数较多

舌型板结构简单且阻力小操作弹性窄、效率低分离要求较低的

闪蒸塔

表2-2主要塔板性能的量化比较

塔板类型生产能力塔板效率操作弹性压降结构成本

泡罩板1.01.051复杂1

浮阀板1.2-1.31.1-1.290.6一般0.7-0.9

筛板1.2-1.41.130.5简单0.4-0.5

舌型板1.3-1.51.130.8简单0.5-0.6

为使塔板不同区域气液稳定、均匀分布及减少塔板“非活化区”对塔板效率

的影响，本项目中反应精馈塔使用筛板塔，从而提高装置分离效率、减少生产能

耗。

2.2填料塔的填料类型和选择

塔填料是填料塔的核心构件，它为气液两相间热、质传递提供了有效的相界

面，只有性能优良的塔填料再辅以理想的塔内件，才有望构成技术上先进的填料

塔。因此，人们对塔填料的研究十分活跃。对塔填料的发展、改进与更新，其目

的在于改善流体的均匀分布，提高传递效率，减少流动阻力，增大流体的流动通

量以满足降耗、节能、设备放大、高纯产品制备等各种需要。

表2-3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，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GlitschGrid

板片形压延金属板，多孔金属板

绕圈形古德洛形，Hyperfil

填料的选取包括确定其种类、规格、及材质等。颗粒填料包括拉稀环、鲍尔

环、阶梯环等，规整填料主要有波纹填料、格栅填料、绕卷填料等。国内学者采

用模糊数学方法对九种常用填料的性能进行了评价如表所示：

表2-4主要填料性能的量化比较

填料名称评估值排序

丝网波纹填料0.861

孔板波纹填料0.612

金属1nta1ox0.593

金属鞍形环0.574

金属阶梯环0.535

金属鲍尔环0.516

瓷1nta1ox0.417

瓷鞍形环0.388

瓷拉西坤0.369

2.3塔型的结构和选型

除了塔板结构之外，塔的其他附件也十分重要，塔设备的总体结构均包括：

塔体、内件、支座及附件。塔体是典型的高大直立容器，多由筒节、封头组成。

当塔体直径大于800nlm时，各塔节焊接成一个整体；直径小的塔多分段制造，然

后再用法兰连接起来。内件是物料进行工艺过程的地方，由塔盘或填料支承等件

组成。支座常用裙式支座。附件包括人、手孔，各种接管、平台、扶梯、吊柱等。

图2T板式塔说明图图2-1填料塔说明甚

L吊柱：2-排气口：3-回流液入口：4-精管段塔盘；5-壳体：「吊柱；2排气LI：3-喷淋装置：4-壳体；5-液体再分

6-进料口：7-人孔：8-提馀段塔盘；9-进气口：10-裙座；11-配器：6-填料：7-卸填料人孔：8-支撑装置：9-进气

排液；12-裙座人孔口；10-排液口：11-裙座；12-裙座人孔

3.塔设备设计与选型

塔内参数由多方面决定，尤其与工艺参数有着密切的关系。所以在设备选型

主要应用AspenPlusV8.8、CUP-TOWER、SW6进行塔设备的设计，其中AspenPlus

V8.8为了模拟水力学参数及选型结果核算；CUP-TOWER是用于塔水力学设计；

SW6-2011是为了塔机械强度设计。此外设计标准主要参考《化工设备设计全书

一塔设备设计》、《化工工艺设计手册》以及国标等。

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。本项目塔设条形式见表2-5。

表2-5塔设备型式

1设备位号设备名称塔类型

T101乙烯精微塔板式塔

T102乙醇回收塔板式塔

T301C02热碱吸收塔板式塔

T302热碱吸收塔板式塔

T304三甲苯吸收塔板式塔

T401粗分塔板式塔

T402脱轻塔板式塔

T403Vac共沸精得塔板式塔

T404NMF醋酸萃取塔板式塔

T405醋酸精储塔板式塔

T406乙醛精镭塔板式塔

第三章典型塔设备结构设计

以醋酸精储塔T405为例进行精馈塔的设计与校核，结果如下：

L塔选型

1.1选择板式塔

板式塔较填料塔优点：操作弹性持液量大，可使塔的操作平稳，不易引起产

品的迅速变化。填料塔的持液量小于板式塔，故板式塔较填料塔更易于操作，故

采用板式塔有利于操作便利。

2.Aspenplus模拟过程说明

2.1Aspen塔设备优化

以醋酸精僧塔T405为例，通过灵敏度分析，对回流比、采出比、总板数、

进料板位置进行优化，分析他们对塔顶醋酸含量以及萃取剂NMF含量以及塔顶

冷凝器与塔釜再沸器负荷的影响。

醋酸精储塔

图3TT405灵敏度分析示意图

1.回流比优化

SensitivityRcuiksCurve

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20500

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2.采出比优化

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3.塔板数优化

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4.进料板位置优化

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通过对回流比、采出比、塔板数、进料板位置进行灵敏度分析最终确定回流

比为0.95,采出比为0.452,塔板数为20块，进料板位置为第6块板。此时塔

顶醋酸产品纯度达到99.91%(wt)o

2.2流股信息

表3TT405流股信息

MassFlowkg/hr进料物流塔顶物流塔底物流

ETOH5.6858E-2300

H2O80.7532280.753227.46364E-07

02000

C2H4000

VAC8.505IE-1500

HAC100632100448184.2301

N2000

DEE000

MEOH000

IPA1.3089E-2000

NPA5.5E-I200

EAC5.689E-1300

C2H4O4.7436E-4200

CO2000

C3H4O7.1381E-2600

C3H6O25.9084E-2300

KHCO3000

K2CO3000

H3O+000

K+000

HCO3-000

CO3-000

OH-000

C9H12000

NMF1199396.588965119933

TemperatureC152.2138117.9324199.6226

PressureMPa0.1013250.1013250.101325

VaporFrac000

LiquidFrac111

SolidFrac000

Densitymol/cc0.01478710.01536450.0140294

Densitygm/cc0.87928960.92095120.8287087

AverageMW59.4629459.9401559.06933

3.结构设计

.3.1使用软件列表

表3-2软件使用列表

名称用途来源

AspenPlusV8.8分离性能设计AspenTech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

3.2塔设备基础数据

由Aspen优化得到塔的工艺参数，工作压力为latm,设计压力一般为工作

压力的1.2倍，故设计压力为0.125MPa,工作温度最大200℃,一般设计温度比

工作温度高20℃左右，取220℃,理论板数20块,进料位置第6块，回流比0.95。

利用AspenPlusV8.8对T405塔添加TraySizing,选用条形浮阀型塔板。

得到水力学参数表后，从中选择精储段与提储段流量最大的塔板的水力学参数取

均值,作为设计的计算依据。表3-3为AspenPlusV8.8塔径模拟后的TraySizing

Result数据汇总。

表3-3TraySizingResult

Sectionstartingstage2

Sectionendingstage19

Columndiameter4.2meter

Maximumfloodingfactor0.7530289

Stage2

PanelPANELA

Sectionpressuredrop0.01709497MPa

由AspenPlus模拟后的Profiles中调出Hydraulics水力学数据，调出其

具体数据汇总于下表3-3.