乙二醇溶剂汽提塔设计

乙二醇溶剂汽提塔设计

.1 原始材料

.1.1 汽提塔进出物料情况

表4.1 汽提塔进出物料表

1.2 汽提塔热负荷

kJ/h 109367=Q

.1.3 操作压力

P=0.15Mpa(表压)

2 汽提塔设计计算 .2.1 试选传热系数初始值

针对本设计中汽提塔的进出物料情况和温度、压力等参数，根据经验确定汽提塔传热系数的初始值h m /kJ 6202???=C K 初。 2.2 汽提塔尺寸的确定

管外以0.9MPa (表)饱和蒸汽加热，蒸汽温度为180℃。 蒸汽和混合溶剂的平均温差△t 1为： 蒸汽：180℃180℃ 溶剂：131℃

140℃

()()C

t ?=-----=

?4.42131

180140

180ln

1311801401801

蒸汽和管内汽提温差2t ?为： 蒸汽：180℃180℃ 气体：130℃

100℃

()()C t ?=----=

?7.66130

180ln 1301801001802

总的平均温差△tm 应以蒸汽和混合溶剂的平均温差为主，也要考虑蒸汽和管内气体间的平均温差，由下式计算：

C t t t m ?=?+?=?+?=?5.467.661.04.429.01.09.021

再估算传热面积：

2m 79.35

.46620109367

=?=?=

m t K Q F 初初

传热面积估算后，进而对汽提塔降膜换热管尺寸的计算。

降膜换热管管径不宜太小，以免管数太多，导致布膜复杂且不匀，根据生产能力，选用材质为N M M C 2o 14n 17r 的Φ19×2。由于液膜的传热阻力集中在靠近管壁边界层中形成这种边界层“成膜”需要一段膜的流过长度，称为热力人口端长度。在热力入口端长度内(一般为0.4~0.8米)，膜较厚，流速低，给热系数小，因此，管长以3米以上为宜。只要液膜分布器结构能确保布膜均匀，降膜管的长径比H/d 可达200，故选管长H 为3米的一段结构，保证传质传热在良好情况下进行，并尽量减少混合溶剂在塔内的停留时间。

理论管数根初

278.263

015.079

.3==??=

??=

ππH

d F n

选用正三角形排列，管心距为mm 25，查得管层数为7，总管数为37，去拉杆、排污管7根，实有管数30根。

塔径D 的计算:降膜管的管径、管长及管数估算后，即可得到塔径。管子采用焊接，取（管心距）mm 25=t 。

()()m 207.0019.03025.017310=?+?-=+-=d t b D

其中b 为中心管数。

圆整得塔径为mm 250，取管板径为mm 245。 .3 传质过程计算

主要计算列管内气速是否达到液泛速度，液体润湿率是否低于最小润湿率。

.3.1 列管内气速

在气体流人点：

气体流量为h kg /20，温度为100℃，操作压力1.5atm （表）

h /m 28.73

12731002734.22282031=?+??=V

s /m 38.03600

30015.04

74

.83600

4

221

1=???=

???=

π

π

ωn d V

在气体流出点：

气体流量为h /kg 74.32，温度为130℃，操作压力1.5atm （表）

h /m 25.325.112731302734.221774.1228

2032=?+?

????

??+=V 秒米/69.13600

30015.04

35

.193600

4

222

2=???=

???=

π

π

ωn d V

平均值：

()()秒米/04.12/69.138.02/21=+=+=ωωωm

.3.2 流体周边流量

n d W ??=

Γπ L

e R μΓ

=4

液体物性参数采用在液膜温度下之值 在液体流入点：

h /kg 28.36041=L W

h m /kg 5.254930

015.028.360411?=??=??=

Γππn d W L

混合溶剂的粘度取乙二醇之值

h m /kg 94.51?=L μ

1717

94.55

.2549441

1

1=?=

Γ=

L e R μ

在液体流出点：

h /kg 54.35912=L W

h m /kg 5.254030

015.054

.359122?=??=??=

Γππn d W L

h m /kg 29.52?=L μ

1921

29.55

.2540442

2

2=?=

Γ=

L e R μ

平均值

()()h /kg 91.35972/54.359128.36042/21=+=+=L L Lm W W W

h m kg n d W Lm m ?=??=??=

Γ/254530

015.091

.3597ππ

()()h m kg L L Lm ?=+=+=/62.52/29.594.52/21μμμ

181362

.52545

44=?=

Γ=

Lm

m

eLm R μ

3.3 液膜厚度

在液体流入点，210017171<=e R ，采用下式计算

()3

13???

? ??-Γ=φρρρμδSin g G L L L 液体物性参数采用液体流人点液膜温度下之值，(前面已出现过的，不再列出—下同)。

31m /kg 1032=L ρ

32m /kg 692.1=G ρ )(1垂直管=φSin

28/1027.1小时米?=g

()()m 100.71692.1103210321027.15.254994.5334

3

183

1211111-?=???? ???-?????=?

??

? ??-Γ=φρρρμδSin g G L L L

在有气体逆流扫过时，液膜厚度增大，1.1/'≤δδ，取1.1/'

=δδ。

m 107.7100.71.11.1441'--?=??==δδ

液体平均膜厚，由于21001813<=eLm R ，采用下式计算：

()3

13???

? ??-Γ=φρρρμδSin g Gm Lm Lm m

Lm m

液体物性参数采用液体流入点和流出点物性参数之算术平均值。

3m /kg 1030=Lm ρ

3m /kg 99.1=G m ρ

()m 108.6199.1103010301027.1254562.534

3

1

8-?=?

??

?

???-?????=Gm δ 同样，在有气体逆流扫过时，取1.1/'

=δδ

m 105.7108.61.11.144'--?=??==m m δδ

3.4 液泛速度计算

由于气体流出点，即液体流人点的气速为最大值，液泛速度计算应以此点为依据。液体开始溢出时的关联式为：

()232

.0221313

.071

.023

.02225.1198?

??

? ??????

? ?????? ?????

? ?????=--L L G L G

L e

L eL g d g d g R L G μρρρμμρσ

液体各特性参数采用流人点液膜温度下之数值，气体各物性参数采用流出点之值。

混合溶剂的表面张力，取乙二醇液之值。

m /kg 109.31002.13.38/3.38341--?=??==厘米达因L σ

气体粘度用平方根规律求得

h m /kg 0641.02?=G μ

代入上式，得：

043.0=L

G

因液体流人管子处的热力人口端长度内膜较厚，计算液体重量流速时的膜厚采用正常成膜厚度的两倍。

m 00153.02107.724'=??=?=-δδ ()()h

m /kg 8.18554783000153.000153

.0015.028

.360421

?=??-=

?-=πδδπn

d W L L

h m /kg 1.797928.1855478043.0043.02?=?==L G

s /m 1.133600

692.11

.7979236002=?=?=

G G ρω液泛

液泛

ωω<=s m /01.12，管内气速在允许范围之内。

3.5 液体最小润湿率计算

由于液体流出点，即气体流人点的液体润湿率为最小植，核算液体润湿率应以此点为依据，最小润湿率由下式求得：

6

6min 10

69.1102.13L

L L L g q σσρμ?-?=- 各物性参数采用液体流出点之值：

m /kg 1086.31002.18.37/8.37342--?=??==厘米达因L σ

m

/1051002.15.0/5.05

42--?=??==?厘米达因L σ

()h m /m 0126.010

29.531027.110281051086.369.1102.136

8536

min

?=?????????-?=---q 液体在流出点的实际润湿率为：

h m /m 47.21028

5

.254032

2

2?==

Γ=

L q ρ

min 2q q >，液体润湿率在正常范围之内。 3.6 液膜停留时间和液膜平均速度

在液体周边流量变化时，液膜在管内停留时间为：

)(332

13

123

113

1小时H g L

L ?Γ-ΓΓ-Γ????

??=ρμτ L μ、L ρ采用液体流人点和流出点的算术平均值，周边流量1Γ、2Γ分别采

用液体流入点和流出点之值。

s

0.3103.835.25405.25495.25405.25491027.11030615.5333343

13

13

1

8

2

13

12

3

113

1=?=?--???

? ?????=?Γ-ΓΓ-Γ????

?

?=-h H g Lm Lm ρμτ 液膜平均速度：

s /m 0.1/3.361910

3.83

4

==?=

=

-h m H

U m τ

.4 复核传热系数

管外为0.9MPa （表）之饱和燕汽，蒸汽冷凝用量水蒸汽W ： 查得水蒸汽焓变：kg kJ H /2015=?，所以

h /kg 3.542015

109367==?=

H Q W 水蒸汽 h m /kg 40.3830

015.03

.54?=??=??=Γππn d W 水蒸汽

水蒸汽

物性参数在液膜温度下求取，

C

t f ?=180

h m /kg 53.0?=水μ

29053

.040

.3844=?=

Γ=

水

水蒸汽

μe R

管外蒸汽冷凝时的给热系数1α： 由于2100

3

1

22

3

3

115.1??

?? ???=-

水水μρλβαg R e

同样，物性参数在液膜温度下求取。 垂直管上冷凝）(25.1=β

C ???=h m /kJ 423.2λ

3m /kg 3.882=水ρ C ???=???

?

?

???????=-h m /kJ 4847153.010

27.13.882423.229025.15.12

3

128

233

1

1α 管内液体沿垂直壁面成膜下流时的给热系数2α： 21001813<=eLm R ，给热系数关联式如下：

3

23

1'

3

2

'2

416.3/-

???

? ??Γ????

??=???

? ?

?Γ?Lm m m Lm p m

m p H C C μδλμδα

液体各物性参数采用流人点和流出点液膜物性参数之算术平均值。

C C p ??=kg /kJ 97.2

C ???=h m /kJ 879.0λ

C ???=?

?

?

??????

?

??

???????? ????=

--

-h m /kJ 1894879.062.597.2105.7254597.262.5254543105.716.323

2

4

3

23

14

2α

管外蒸汽热阻1R ，取kJ /h m 0001.02C ??? 液膜产生的气泡热阻2R ，取kJ /h m 0001.02C ??? 不锈钢的导热系数1λ，取C ???h m /kJ 60 总传热系数：

C R R K m

???=?+++++=

+++++=

-h m /kJ 4.619879.0105.76000070.00001.00001.0189414847111

1

1

1

24

2

'112121λδλδαα计

前面计算过C t m ?=?5.46

2m 80.35

.464.619109367

=?=?=

m t K Q F 计

增加10%的设计裕量后为218.4m 实际传热面积复核：

30根219?φ不锈钢管长3米。由于21αα>，传热面积以内壁计。

2m 24.4330015.0=???=???=ππH n d F 实 5 精度计算

%1.0620

4

.619620=-=

-初

计

初K K K

由精度计算结果可知，满足了设计要求，故汽提塔塔径为mm 250。

.6 塔体及裙座设计计算 6.1 塔壁厚的确定

根据选材分析，本汽提塔选用Q235-A 钢材来制作塔体和封头。 壁厚δ根据下式计算：

[]212C C P

PD i

++-=

φσδ

式中：D —汽提塔的内径，为mm 250；

φ—焊缝系数（双面对接焊，100%无损探伤）

，取0.1=φ； 1C —钢板负偏差，取mm 8.01=C ； 2C —腐蚀裕量，取mm 0.32=C ；

σ—许用应力，取MPa 105=σ。

于是：

mm 0.50.38.01

0.11052250

1=++-???=

δ

6.2 封头的选择

由于mm 250=i D ，选择椭圆型封头737/23510250TG J A Q DAN B ---?,封头高度为mm 5.621=h

直边高度mm 252=h ，取壁厚mm 10=d δ .6.3 塔高的计算

塔的底部空间高度是指塔底封头直边到下塔盘的高度为H 2，因为塔底空间具有中间储槽作用，由于COOH R -具有酸性易腐蚀设备，停留时间不宜过长，故这里取1.5分钟，所以：

3087.01028605

.154.3591m m V =?=

=

ρ

釜液

釜液

m D

V H 8.125

.04

087

.04

2

2

2=?=

=

釜液

塔的顶部空间高度是指上塔盘到塔顶封头直边的高度为H 2，为了减少塔顶出口气体中夹带的液体量，顶部空间一般去m 5.1~2.1，故这里取塔顶高度H 3=1.5m ，裙座高度H 1=2.5m 。

总塔高为：

m 8625.80625.05.18.15.231321=++++=++++=h H H H H H 总

.6.4 塔设备的稳定计算 （1）风载荷

风载荷是安装在室外的塔设备的基本载荷之一，塔除了使塔体产生应力而外，还会使塔体产生方向与风向相同的顺风向振动和垂直于风向的横风向振动，振动的结果使塔设备产生挠度，过大的应力会造成塔体的强度和稳定失效，过大的挠度不仅会使塔的分离效果降低，也会使塔的偏心矩增加。若产生共振，还可能导致塔体的破坏。因此，不可忽视风载荷的作用。

由当地最大风力12级，查得风速s /m 6.32，风压2254=P Pa ，塔高为

m 995.6。

风载荷D H f P K K F i ?????=21

式中：1K —体型系数，表示稳定风压在设备上的分布情况，它与设备的形状有关。在塔设备计算中，通常取0.7。

2K —塔器各计算段的风振系数，与风压脉动和塔体特征有关，通常当塔高

m 20≤H 时，取70.12=K 。

i f —风压高度变化系数，这里取71.0=i f 所以

N 422025.08625.871.0225470.17.021=?????=?????=D H f P K K F i 塔底部截面的最大弯矩： ① 风弯矩：

m N 1087.12

8625

.8422024??=?==H F

M W ② 偏心弯矩：

塔设备在使用中，有时要承受偏心载荷，故应考虑偏心载荷在塔设备上引起的偏心弯矩。

mm N ???=e

g m M e e

在本设计中认为偏心弯矩很小，所以忽略不计

MPa M M M M M M e W E e

W ??

?+++=25.0max ，取其中较大值，所以

m N 1087.14max ??==W M M

.7 裙座设计

1、裙座高度：m 5.21=H ，厚度mm 10=d δ，直径：mm 250=D 。

2、裙座手孔：DN=200

3、基础环：基础环压在混凝土基础之上，其结构尺寸的确定应考虑到地脚螺栓的位置及基础混凝土的抗压强度。混凝土基础上的最大压应力考虑正常操作

与水压试验两种状态，取其较大者。

基础环的内、外径使用下列公式选取：

()()mm 400~160mm 400~160-=+=D D D D i o

故这里选取

mm

50200250mm 450200250=-==+=i o D D

所以基础环的实际受力面积为：

()

()22222

2m 157.0m 157080504504

4==-?=-=ππi o D D S 环

基础环的厚度计算：

本基础环采用有筋板设计，故：

[]mm 6b

W

b M σδ=

其中：

[]b σ—基础环材料的许用应力，对于Q235-A 钢材[]MPa 147=b σ。

mm 6.2710147107.1866

3

=???=b δ

圆整得mm 28=b δ 4、地脚螺栓的确定

塔设备必须用地脚螺栓牢牢地固定在基础上，以防在风、地震等载荷的作用下使其翻到。塔设备的基础环在轴向载荷和组合弯矩的作用下，在迎风侧的地脚螺栓中可能出现拉应力，背风出现压应力，拉应力通过地脚螺栓传递给基础。因此，地脚螺栓必须有足够的强度。

基础环截面系数：

(

)()

3336443

4

4m 109.8mm 109.8450

3250450mm

32-?=?=?-=

-=

ππo

i o b D D D Z

地脚落地受的最大拉应力：

MPa 97.11097.110

9.8107.186

3

3=?=??==-Pa Z M W B σ 当0>B σ时，塔设备必须设置地脚螺栓。地脚螺栓的螺纹小径可按下式计算：

[]24C n S d bt

B i +=

σπσ环

式中：d i —地脚螺栓螺纹小径，mm ； C 2—地脚螺栓腐蚀裕量，取C 2=3mm ；

n —地脚螺栓个数，对小直径塔器可取6=n ； []bt σ—地脚螺栓材料的许用应力MPa 。圆整后地脚螺栓的公称直径不得小

于M24。地脚螺栓材料选用Q235-A 。

mm 1.243147

6157080

97.14=+????=

πi d

圆整后地脚螺栓的公称直径为M27。