精餾塔的計算

4.3塔設(shè)備設(shè)計概述在化工、石油化工及煉油中，由于煉油工藝和化工生產(chǎn)工藝過程的不同，以及操作條件的不同，塔設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式和材料也不同。塔設(shè)備的工藝性能，對整個裝置的產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量、生產(chǎn)能力和消耗定額，以及“三廢”處理和環(huán)境保護等各個方面，都用重大的影響。在石油煉廠和化工生產(chǎn)裝置中，塔設(shè)備的投資費用占整個工藝設(shè)備費用的25.93%。塔設(shè)備所耗用的鋼材料重量在各類工藝設(shè)備中所占的比例也較多，例如在年產(chǎn)250萬噸常壓減壓煉油裝置中耗用的鋼材重量占62.4%，在年產(chǎn)60-120萬噸催化裂化裝置中占48.9%。因此，塔設(shè)備的設(shè)計和研究，對石油、化工等工業(yè)的發(fā)展起著重要的作用。本項目以正丁醇精餾塔的為例進(jìn)行設(shè)計。塔型的選擇塔主要有板式塔和填料塔兩種，它們都可以用作蒸餾和吸收等氣液傳質(zhì)過程，但兩者各有優(yōu)缺點，要根據(jù)具體情況選擇。板式塔。塔內(nèi)裝有一定數(shù)量的塔盤，是氣液接觸和傳質(zhì)的基本構(gòu)件；屬逐級（板）接觸的氣液傳質(zhì)設(shè)備；氣體自塔底向上以鼓泡或噴射的形式穿過塔板上的液層，使氣液相密切接觸而進(jìn)行傳質(zhì)與傳熱；兩相的組分濃度呈階梯式變化。填料塔。塔內(nèi)裝有一定高度的填料，是氣液接觸和傳質(zhì)的基本構(gòu)件；屬微分接觸型氣液傳質(zhì)設(shè)備；液體在填料表面呈膜狀自上而下流動；氣體呈連續(xù)相自下而上與液體作逆流流動，并進(jìn)行氣液兩相的傳質(zhì)和傳熱；兩相的組分濃度或溫度沿塔高連續(xù)變化。4.3.2.1填料塔與板式塔的比較：表4-2填料塔與板式塔的比較塔型項目 填料塔 板式塔

壓降小尺寸填料，壓降較大，大尺寸及規(guī)整填料，壓降較小。較大空塔氣速小尺寸填料氣速較小，大尺較大（生產(chǎn)能力）寸及規(guī)整填料氣速較大。塔效率傳統(tǒng)填料，效率較低，新型亂堆及規(guī)整填料效率較咼。較穩(wěn)定、效率較咼液-氣比對液體量有一定要求。適用范圍較大持液量較小較大安裝、檢修較難較容易材質(zhì)金屬及非金屬材料均可一般用金屬材料造價新型填料，投資較大大直徑時造價較低4.3.2.2塔型選擇一般原則：選擇時應(yīng)考慮的因素有：物料性質(zhì)、操作條件、塔設(shè)備性能及塔的制造、安裝、運轉(zhuǎn)、維修等。（1）下列情況優(yōu)先選用填料塔：在分離程度要求高的情況下，因某些新型填料具有很高的傳質(zhì)效率，故可采用新型填料以降低塔的高度；對于熱敏性物料的蒸餾分離，因新型填料的持液量較小，壓降小，故可優(yōu)先選擇真空操作下的填料塔；具有腐蝕性的物料，可選用填料塔。因為填料塔可采用非金屬材料，如陶瓷、塑料等；容易發(fā)泡的物料，宜選用填料塔。（2）下列情況優(yōu)先選用板式塔：塔內(nèi)液體滯液量較大，操作負(fù)荷變化范圍較寬，對進(jìn)料濃度變化要求不敏感，操作易于穩(wěn)定；液相負(fù)荷較??；含固體顆粒，容易結(jié)垢，有結(jié)晶的物料，因為板式塔可選用液流通道較大的塔板，堵塞的危險較??；在操作過程中伴隨有放熱或需要加熱的物料，需要在塔內(nèi)設(shè)置內(nèi)部換熱組件，如加熱盤管，需要多個進(jìn)料口或多個側(cè)線出料口。這是因為一方面板式塔的結(jié)構(gòu)上容易實現(xiàn)，此外，塔板上有較多的滯液以便與加熱或冷卻管進(jìn)行有效地傳熱；在較高壓力下操作的蒸餾塔仍多采用板式塔。綜合考慮，本項目采用板式塔。塔盤的類型與選擇板式塔塔板種類：根據(jù)塔板上氣、液兩相的相對流動狀態(tài)，板式塔分為穿流式和溢流式。目前板式塔大多采用溢流式塔板。穿流式塔板操作不穩(wěn)定，很少使用。各種塔盤性能比較：工業(yè)上需分離的物料及其操作條件多種多樣，為了適應(yīng)各種不同的操作要求，迄今已開發(fā)和使用的塔板類型繁多。這些塔板各有各的特點和使用體系，現(xiàn)將幾種主要塔板的性能比較列表如下：表4-3幾種主要塔板的性能比較塔盤類型優(yōu)點缺點適用場合泡罩板較成熟、操作穩(wěn)定結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高、塔板阻力大、處理能力小特別容易堵塞的物系

浮閥板效率高、操作范圍寬浮閥易脫落分離要求咼、負(fù)荷變化大篩板結(jié)構(gòu)簡單、造價低、塔板效率高易堵塞、操作彈性較小分離要求咼、塔板數(shù)較多舌型板結(jié)構(gòu)簡單、塔板阻力小操作彈性窄、效率低分離要求較低的閃蒸塔浮動噴射板壓降小、處理量大浮板易脫落、效率較低分離要求較低的減壓塔下表給出了幾種主要塔板性能的量化比較表4-4幾種主要塔板性能的量化比較塔盤類型塔板效率處理能力操作彈性 壓降 結(jié)構(gòu)成本泡罩板1.01.051復(fù)雜1篩板1.2?1.41.430.5簡單0.4?0.5浮閥板1.2?1.31.590.6一般0.7?0.9舌型板1.1?1.21.530.8簡單0.5?0.6從以上各圖可以看出：浮閥塔在蒸汽負(fù)荷、操作彈性、效率和價格等方面都比泡罩塔優(yōu)越，結(jié)合本項目實際情況，初步選擇浮閥塔。浮閥塔的工藝尺寸計算提取Aspenplus各塔板上的物性參數(shù)，選取塔板上氣液相負(fù)荷最大的第3塊塔板進(jìn)行手工計算和校核，然后再用KG-TOWER進(jìn)行軟件計算，通過比較來檢查計算的正確性。第3塊物性參數(shù)如下表：

表4-5浮閥塔塔板參數(shù)氣相流液相流氣相密度液相密度混合液表面7.850.0333.045726.0330.007塔徑計算初選塔板間距叫Hmm板上液層高度h二100mmLHt—hL=0.7m氣液兩相流動參數(shù)：LsVs(\0.5Pl0.03306[726.033丫LsVs(\0.5Pl0.03306[726.033丫?57.8498613.045丿二0.065查史密斯關(guān)聯(lián)圖；：*'12 0.0^IZH..!圖4.1史密斯關(guān)聯(lián)圖可查得：C20=0.14矯正到表面張力為0.00699157N/m時(0.2二0.14(0.2二0.14x(15.919)0.220丿二0.134泛點氣速uf二c：泛點氣速uf二c：Pl-Pv二0.134X」726.003—3.045二2.065m/sfbPv3.045為避免霧沫夾帶及液泛的發(fā)生，一般情況，u'=（0.6?0.8）今在此取安全系數(shù)0.7u'=0.7xuf=0.75x2.065=1.45m/s流通截面積A'=VA'=Vs=u'7.849861.45=5.43m2由《化工原理》（朱家驊編制）表11.3選取塔板上的液體流動方式本次設(shè)計選擇雙溢流弓形降液管，一般雙溢流型九由《化工原理》（朱家驊編制）表11.3選取塔板上的液體流動方式本次設(shè)計選擇雙溢流弓形降液管，一般雙溢流型九=0.5?0.7D此處取九=0.7D由《化工原理》（朱家驊編制）圖11.19查弓形降液管的參數(shù)，如下圖企=0.088AT所以A= A'=仝3=5.96T1-0.088 0.912'iAT；4x5.96=2.75m兀兀0-00.2?咎O9 1-0.50.10,3.4 0,5O,'iAT；4x5.96=2.75m兀兀0-00.2?咎O9 1-0.50.10,3.4 0,5O,6 0.7OAv/Q0.08eg0,050,040.030.02O圖4.2弓形降液管參數(shù)圖精餾段的塔徑圓整為2.8m，由《化工原理》（朱家驊編制）表11-2校核。對應(yīng)板間距范圍為$800mm,故滿足條件，假設(shè)成立。實際塔載面積A=兀D2/4=5.955m2實際空塔氣速u'=竺=4X7.85 =1.275m/s兀D2 3.14x2.752溢流裝置弓形降液管：故堰長l=°.7x2.8=1.96w

降液管面積A二0.99A二0.09x6.955二0.524m2fT由《化工原理》（朱家驊編制）圖11.19弓形降液管的參數(shù)圖查得Wd二0.148D故降液管寬度Wd=0.148x2.8=0.148m為降低氣泡夾帶，液體在降液管內(nèi)應(yīng)有足夠的停留時間以使氣體從液相中分離出，一般要求T不應(yīng)小于3?5s,而對于高壓下操作的塔以及易起泡的物系，停留時間應(yīng)更長些，為此，必須進(jìn)行校核。液體在降液管中停留時間：A廠Ht0.524x0.8t=fT= =12.6s>5sL0.033147s故降液管尺寸適宜。溢流堰取h]=0.1m則—(1)2$

w119.33則—(1)2$

w=11933=22.191.962.5

圖4.3圖4.3液體收縮系數(shù)計算圖由《化工原理》（朱家驊編制）圖11.20液體收縮系數(shù)計算圖查得：E二1.03由弗朗西斯公式，堰上液層高度h=ow2.84口(Lh=ow2.84口(L)3 E-」21000Jl丿w0.00284x1.03x(119.33、231.96丿=4.53x10-2m堰高h(yuǎn)=h—h=0.1—0.0453=0.0547wLow受液盤和底隙：塔板上接受降液管流下液體的那部分區(qū)域稱為受液盤，常用平形型式。為減小液體流動阻力和考慮到固體雜質(zhì)可能在底隙處沉積，所以h0不可過小。但若h0過大，氣體又可能通過底隙竄入降液管，故底隙宜小些以保證液封。取Uol=0.15m/s則h二丄二0.033147二0.113m0lw?u1.96x0.15OL

塔板布置受液區(qū)和降液區(qū)：一般這兩個區(qū)域的面積相等,均可按降液管截面積Af計。邊緣區(qū)：在塔壁邊緣留出一定寬度的環(huán)形區(qū)域供固定塔板用。入口安定區(qū)和出口安定區(qū)，通常寬度相等。有效傳質(zhì)區(qū)：余下的塔板上有浮閥孔的區(qū)域。于此處考慮：塔徑D>900mm，采用分塊組裝式；邊緣寬度取W=50mm=0.05m；c安定區(qū)寬度均取W二0.08m；s降液管寬Wd二0.3md4.3.4浮閥數(shù)目N及孔間距F1重型浮閥閥孔直徑d0二0.039m。取F0=12。閥孔氣速u- - -6.88m/s0JpJ3.04528259.5086/3600 —28259.5086/3600 —955.671x0.0392x6.884每層塔板浮閥數(shù)N二 Vs兀,xd2u4 00圓整為N二956浮閥排列：采用等腰三角形叉排。由上一小節(jié)所假設(shè),鼓泡區(qū)面積為A二1 兀(x'\ix寸r2兀 .(x\x叮r2一x2+ r2sin-1一+一x2+ r2sin-i—aL 180Ir丿180Ir丿其中

D2.8x'二x二込-Wd-Ws二T-0.4144-°.°8二0?9056mD2.8r二乙-1丁-°?05二1.35m故A故A二2x0.9056X、：1.252x0.90562+X1.352XsinJ9056）二4.49180 1.354.49取t=0.075m4.49At'=a= =0.0626N?t956x0.075由于塔直徑D=2.8m，采用分塊式塔板四塊（其中兩塊弓形板、通道板和矩形板各一塊）。t=0.075、t=0.0626m以等腰三角形交叉方式繪圖排列如圖所示：圖4.4塔板內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖由排布圖可得實際的開孔數(shù)950個Vs7.8496.92mVs7.8496.92m/s?2N冗X0.039X950F0=u”Pv=6.92x^3.045=1207在適宜范圍8-12內(nèi)塔板開孔率x100%=x100%=950x/0.039丫<2.8,=8.4%1.塔板的流體力學(xué)校核塔板壓降校核：hf=hd+hia、干板阻力閥全開前(uo<uoc):hd=1嚀閥全開后（u0〉uoc）:=5.34=5.34PV?u022PLg臨界速度uoc1o.5PVuoc1o.5PV1.82510.53.0451.825=5.71m/s有u〉u0oc故h二5.34匕工。2二5.34x3.045x6.8822x726.033x9.810.054b、板上充氣液層阻力取0二0.6h.=0(h+h)=0.6x0.1=0.06m1 wowh=h.+h.=0.06+0.054=0.114mfd1故塔板壓降為AP=pLghf=726.033x9.81x0.114=811.9Pa滿足要求。液沫夾帶的校核：因塔徑D>900mm,應(yīng)控制泛點率不超過80%。由p=3.045Kg/m3及H=0.6mvT查《化工原理》（朱家驊編制）圖11.22泛點負(fù)荷因子圖：板鉅02prk^/m1泛點負(fù)荷系魏DJV.20,3 0板鉅02prk^/m1泛點負(fù)荷系魏DJV.20,3 0育3 45 71U 3U刖訊7V100?.18D.OS圖4.5泛點負(fù)荷因子圖得Cf=0.15，并查物性系數(shù)表得K=1v Blfiv Blfi二o78AkCx100%二304528259.5086x■'726.03-3.0453600x0.78x0.15x5.96x100%二73.1%<80%滿足上述條件，不會發(fā)生過量霧沫夾帶。2.溢流液泛校核：為了防止液泛發(fā)生，降液管中清液層高度應(yīng)滿足如下關(guān)系式Hd<e(H+hw)H=h+h +h+h斤dwowf(L)s2=0.153(0.028]11h丿〔1.33x0.04丿w2=0.043m其中h產(chǎn)0.153hf=0.14m故Hd=0.1+0.114+0.023=0.237取泡沫層液泛因子申=0.5虹Ht+hw)=0.5x(0.5+0.0547)=0.42735mH<e(H+hw)故不會發(fā)生液泛，塔板間距選擇合適。塔板負(fù)荷性能圖：a?漏液線(氣相負(fù)荷下限線)取F0二5時由下式計算得到最小氣量V兀 5 兀 5=—d02N( )=0.0392x162( )=0.1365m3/ss40.vPV 4 <50.21標(biāo)繪于塔板負(fù)荷性能圖中得到直線1。b?過量霧沫夾帶線(氣相負(fù)荷上限線)由于塔徑D>900mm，臨界泛點率為80%。代入下式，得到Vs與Ls關(guān)系式V巳+1.36LZF=5PT1 AbKCF其中Ab二at-2Af二5?95-2x0?524二4.902m2乙二D-W二2.8-0.3二2.5mLd代入數(shù)據(jù)整理得：二9.08-41.3Lss標(biāo)繪于塔板負(fù)荷性能圖中得到直線2。液相負(fù)荷下限線

以平堰上液層高度how=0.006m作為液相負(fù)荷下限標(biāo)準(zhǔn)有h=0.006=0.00284E(Lsx3600)2owlw代入數(shù)據(jù)Ls=1.6x10-3m3/s標(biāo)繪于塔板負(fù)荷性能圖中得到直線3。液相負(fù)荷上限線液體在降液管中最短停留時間以3s計算，計算液相負(fù)荷的最大值L二Hta^二0.6X0.524二0.1048m3/sTOC\o"1-5"\h\zst 3標(biāo)繪于塔板負(fù)荷性能圖中得到直線4。溢流液泛線H=h+h +h+h斤d wowf 兀已知堰高h(yuǎn)=0.0547mwHd=Q(Ht+hw)=0.42735mh=0.00284E(Lsx3600)3=0.00284x1.02x(LsX3600)3=0.5626L3ow I 1.33 swh=h+hfd1=5.34Pv?u022Pl&其中V3.045x(一一)2p -dN聯(lián)立解得h=5.34?Pv?U02=5.34x 「 =8.9x10-4V2d 2pg 2x736.033x9.8 sL

h1=B(h+h)=0.03282+0.263L31wowsh=0.153(厶)2=0.153(L)2=3.12L2兀 lh0 1.96x0.113 sw0將上述各式代入Hd=h+h+hf+h_聯(lián)立得dwowf兀V2二381.8-788L2-3505L2s s3 s標(biāo)繪于塔板負(fù)荷性能圖中得到直線5浮閥塔塔板操作性能圖1、漏液線（氣相負(fù)荷下限線）2、3、4、過量霧沫夾帶線（氣相負(fù)荷上限線）液相負(fù)荷下限線浮閥塔塔板操作性能圖1、漏液線（氣相負(fù)荷下限線）2、3、4、過量霧沫夾帶線（氣相負(fù)荷上限線）液相負(fù)荷下限線液相負(fù)荷上限線5、溢流液泛線操作點4.6浮閥塔塔板操作性能圖由圖可知，操作線位介五條曲線之間，且有一定操作彈性空間，設(shè)計合理。4.3.6塔機械工程設(shè)計1.塔高的計算實際塔板數(shù)N由Aspenplus提取的數(shù)據(jù)可以，實際塔盤數(shù)為18塔頂空間高HD

塔頂空間高度的作用時安裝塔板和開人孔的需要，也使氣體中的液體自由沉降，減少塔頂出口氣中的液滴夾帶，空間高度一般取1.0?1.5m,這里取H=1.2m。D塔板間距HT由上面計算可知H=0.6m。T開設(shè)人孔的板間距H'T設(shè)有人孔的上下兩塔板間距應(yīng)大于等于600mm，這里取H'=800mm。T人孔數(shù)取10塊板設(shè)置一個人孔，實際塔板18塊，所以開3個人孔（包括塔頂和塔底人孔數(shù)）。進(jìn)料段空間高度Hf進(jìn)料段高度取決于進(jìn)料口結(jié)構(gòu)形式和物料狀態(tài)，一般H要比H大，取FTH=1000mm。F塔底空間高度HB塔底空間高度具有貯存槽的作用，塔底釜液最好能在塔底有10?15min的儲量，以保證塔底料液不至排完。對于塔底產(chǎn)量較大的塔，塔底容量可取小些，取2~5min的儲量。提取Aspen數(shù)據(jù)塔底料液出口體積流量V=119.33m3/s，塔徑D=2.8m，t=3minHBVHBV?t0.785?D2=0.97m綜上可知塔筒體高度H二H+(N-2-S)H+SH'+H+H二17.97mD T TFB裙座高度筒體高度大于10m，塔徑1.9m>lm，所以采用圓柱形裙座：口、c1.5-D…H=2