设备设计与选型

设备设计与选型

6.1设备设计依据

《钢制压力容器》 GB150《压力容器用钢板》 GB6654《奥氏体不锈钢焊接钢管选用规定》 HG20537.1《化工装置用不锈钢大口径焊接钢管技术要求》 HG20537.4《安全阀的设置和选用》 HG/T20570.2《爆破片的设置和选用》 HG/T20570.3《设备进、出管口压力损失计算》 HG/T20570.9《钢制化工容器设计基础规定》 HG20580《钢制化工容器材料选用规定》 HG20581《钢制化工容器强度计算规定》 HG20582《钢制化工容器结构设计规定》 HG20583《钢制化工容器制造技术规定》 HG20584《化工设备设计基础规定》 HG/T20643《压力容器无损检测》 JB4730《钢制压力容器焊接工艺评定》 JB4708《钢制压力容器焊接规程》 JB/T4709《钢制压力容器产品焊接试板的力学性能检验》 JB4744《压力容器用钢锻件》 JB4726-472

6.2典型塔器设计计算与选型

6.2.1概述

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。

在塔设备中常见的单元操作有：吸收、精馏、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。

6.2.2设计依据

《化工容器设计》王志文蔡仁良第三版化学工业出版社《化工设计概论》李国庭等著化学工业出版社《化工工艺设计手册》第二版化学工业出版社6.2.3设计原则

作为主要用于传质过程的塔设备，首先必须使气液两相能充分接触，以获得较高的传质效率。此外，为满足工业生产的需要，塔设备还得考虑下列各项要求：

（1）生产能力大。在较大的气（汽）液流速下，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液、或液泛等破坏正常操作的现象；

（2）操作稳定、弹性大。当塔设备的气（汽）液负荷量有较大波动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作，并且塔设备应保证能长期稳定操作；

（3）流体流动的阻力小，即流体通过塔设备的压降小。这将大大节省生产中的动力消耗，以降低正常操作费用。对于减压蒸馏操作，较大的压力降还将使系统无法维持必要的真空度；

（4）结构简单、材料耗用量小，制造和安装容易。这可以减少基建过程中

的投资费用；

（5）耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。

事实上，对于现有的任何一种塔器，都不可能完全满足上述所有要求，但是我们可以在某些方面做到独特之处。以此来达到较大的生产效率，提高企业的生产效益。

6.2.4塔结构尺寸确定依据

塔设计依据于CAMCAD软件模拟结果。经过灵敏度分析，得出最优塔板数和回流比，然后根据塔设计标准方法计算出各个塔的塔径与塔高。

6.2.5塔设备设计影响因素

6.2.5.1与操作条件有关的因素

（1）若气相传质阻力大（即气相控制系统，如低黏度液体的蒸馏，空气增湿等），宜采用填料塔，因填料层中气相呈湍流，液相为膜状流。反之，受液相

CO），宜采用板式塔，因为板式塔中液相呈湍流，用气体控制的系统（如水洗

2

在液层中鼓泡；

（2）大的液体负荷系统，可选用填料塔，若用板式塔时宜选用气液并流的塔型或选用板上液流阻力较小的塔型。此外，导向筛板塔盘和多降液管筛板塔盘都能承受较大的液体负荷；

（3）低的液体负荷，一般不宜采用填料塔。因为填料塔要求一定量的喷淋密度，但网体填料能用于低液体负荷的场合；

（4）液气比波动的稳定性，板式塔优于填料塔，故当液气比波动大时，选用板式塔。

6.2.5.2其他因素

（1）对于多种情况，塔径小于800mm时，不宜采用板式塔，宜用填料塔。对于大塔径塔设备来说，需进行加压或常压操作时，应优先选用板式塔；对于减压操作过程，宜采用新型填料；

（2）一般填料塔比板式塔重；

（3）大塔以填料塔造价便宜。因填料价格约与塔体的容积成正比，板式塔按单位面积计算的价格，随塔径增大而减小。

6.2.6塔的分类与总体结构

（1）分类

①按操作压力：加压塔；常压塔；减压塔。

②按单元操作：精馏塔；吸收塔；解吸塔；反应塔；干燥塔；萃取塔。

③按形成相际接触界面：固定相界面；流动过程中形成相界面。

④按内件结构：其中按内部结构又可分为以下两种：

a．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。

b．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。

（2）总体结构：

①塔体：即塔外壳，包括筒节、封头、连接法兰等。除操作压力（内压或外压）、温度外，要考虑风载、地震载荷、偏心载荷及试压、运输吊装时的强度、

刚度、稳定性等要求。

②内件：塔板或填料及支承装置等。

③支座：塔体与基础的连接结构，一般采用裙式支座。

④附件：人孔或手孔、除沫器、接管、吊柱及扶梯、操作平台、保温层等。

板式塔与填料塔的主要结构特点列于表6-1：

表 6-1 板式塔和填料塔的主要特点比较

P↑，ρv ↑，流量又大，

易引起液相严重返混；

P↑，T↑，σ↑，填料塔

中两相分离变难

在实际操作中，塔盘的结构在一定程度上仍然影响着操作的流体力学状态和传质性能的优劣。现将各种板式塔的优缺点及用途列于表 6-2：

表 6-2 各种板式塔的优缺点及用途

6.2.7塔设备设计举例

根据以上基本原则，以 DMO精馏塔（T0201）为例，进行详细设计。其它塔设备的设计与该精馏塔的设计方法相同。

6.2.

7.1塔的基础数据

根据T0201的处理量及物性，我们选择板式塔。根据操作条件，物系的组成和特点及要达到的分离要求，考虑到设备的制造、维修成本，我们选浮阀塔作为本项目的塔类型。

塔设计依据于Aspen plus软件模拟结果。经过灵敏度分析，得出最优塔板数为15和回流比为2.7。

T0201塔的基础参数如下

表6-3 T0201塔参数

6.2.

7.2精馏塔结构设计

我们将得到的aspen模拟数据输入到cup-tower中，进行计算，可得到塔的设计数据。

我们对塔也进行了详细计算。

（一）塔径的计算

塔的直径根据适宜的空塔气速和蒸汽流量按下式求出：

u

V D S

π4=

max

6.0u u =，max u 为空塔的泛点：V

V L C u ρρρ-=max

C 为蒸汽负荷因子2

.02020??

? ??=L C C σ，20C 根据Smith 图查得

图中横坐标：

3124.089

.9644284

.145.71583.58121=?

?? ??=??? ??L V G L ρρ 图中纵坐标为L T h H -：

板间距取m H T 6.0=，板上液层高度 m h L 078.0=，mm h H L T 522=-。 由以上数据查的07.020=C ，则：

077.0206.3107.0202

.02

.020=?

?

? ??=?

?

?

??=L C C σ

s m C

u V V L /24284

.14284

.189.964077.0max =-=-=ρρρ s m u u /2.126.06.0max =?=?=

m u V D S 2.13600

2.162.501144=???==

ππ 按《GB9019-2001T 》塔径尺寸圆整，则m D T 2.1= 实际塔截面积：22

31.14

m D A T T ==

π

实际空塔气速：s m A V u T S /32.13

1.13600

/62.5011/==

=

安全系数：62.02/23.1/==F u u ,在0.6-0.8安全系数范围内。

根据以上结果，初步认定塔径取1.2m 是合理的。 （二）塔板主要工艺尺寸计算

塔板主要尺寸的确定：

1.溢流装置采用双溢流型的平顶弓形溢流堰、弓形降液管、平形受液盘，且不设进口内堰。

(1)溢流堰长(出口堰长)w L 取m 48.02.17.07.0T w =?==D L

堰上溢流强度h)m (/m 130~100h)m (/m 9348.0/236.60/335.25

.2h ?

足筛板塔的堰上溢流强度要求。

(2)出口堰高w h

对平直堰3/2w h ow )/(00284.0L L E h =

由7.0/T w =D L 及9384

.0/236.60/5

.22.5w h ==L L ，取0.1=E ，于是： m 006.0m 490.0)924.0/236.60(0.100284.03/2ow >=??=h （满足要求）

因为w h 不能超过板间距的15%，故取得出口堰高为m h w 05.0= (3)降液管的宽度d W 和降液管的面积f A

由7.0/T w =D L ，查弓形降液管几何关系图得142.0/T d =D W ，

177.0/=T f A A

即：m 17.0142.02.1d =?=W ，22

T

T 3m 1.1785.0==D A ，2f m 20.0=A 。 液体在降液管内的停留时间

s 5s 2.7)3600/236.60/(6.020.0/T f >=?==h L H A τ（满足要求）

(4)降液管的底隙高度o h

液体通过降液管底隙的流速一般为0.07～0.25m/s ，取液体通过降液管底隙

的流速m/s 25.0o

='u ，则有：

m 055.0360025.02.1236

.60o

w o =??='=

u L L h h （o h 不宜小于0.02～0.025m ，本结果满足要求）

2. 阀孔孔径：

孔径的大小直接影响塔板操作性能。在开孔率、空塔汽速和液流量相同的条件下增大孔径，虽可减小板压降，不易阻塞，但漏液量增大，操作弹性降低。一般工业上常用的孔径经常取mm 4~3，结合本设计mm d 390=为宜。

3. 阀孔中心距0t 和开孔率0Φ：

开孔一般采用正三角形排列，筛孔中心距0t 取0t =75mm

245.075399069.09069.02

2

0=??? ???=???

? ??=t

d ? 所以开孔率0?为24.5%，大于15%，开孔率过大，容易产生漏液，在操作时要特别注意控制操作条件，以免漏液。

4. 塔板厚度p t ：

在塔板结构强度、刚度许可的条件下，应尽可能选取较薄的板材制作塔板，这不仅可以降低干板压降，而且可以改善气液接触状态。浮阀塔塔板有2mm 、3mm 、4mm 三种厚度的塔板，本塔选用3mm 厚度的塔板。

5. 浮阀数及排列方式： （1）浮阀数

初取阀动能因数100=F ，阀孔气速为：

s m F u V

/6.8284

4.110

0==

=

ρ 每层塔板上浮阀个数个1353600

6.8039.04

62

.50113600

4

2020≈???=

?=

π

π

u d V N s

（2）浮阀的排列

浮阀有多种排列方式，在本项目的反应器中，以三角形排列为好，各排浮阀垂直于液流方向，使气液两相均匀接触。在垂直于液流方向上，浮阀的中心距固定不变，=75t mm ，平行于液流方向上65~100t mm '=之间。

在排列浮阀时，还应当注意使外围浮阀与塔壁和堰之间保留相当距离，以便于安装和操作。分块式塔盘外围浮阀的中心至塔壁的距离一般为70mm —90。

浮阀排列方式采用等腰三角形交叉排列。取同一横排的孔心距

750.075t mm m ==，则可按下式估算排间距t '：

mm t 384.0)135075.0/(89.3'=?=

考虑到塔的直径较大，必须采用分块式塔板。而各分块的支承与衔接也要占去一部分鼓泡区面积，因此排间距不宜采用384mm,而应小于此值，故取

，，mm t mm t '7575==以正三角形交叉排方式作图，排得浮阀数为135个。

5. 阀孔气速：

()

s m d

N V u S

/6.82

0==π

6. 动能因数：

3.10284

4.16.800=?=?=v u F ρ

在误差允许范围内合适。 （三）塔板流体力学计算

对T0201塔进行了流体力学计算。 （1）塔板压降

液体表面张力造成的阻力很小，可忽略，浮阀塔的压降为干板压降和液层阻力之和，即：

p c l h h h =+

式中p h ——塔板压降，m 液柱；

c h ——干板压降，m 液柱；

l h ——塔板上的液层阻力，m 液柱。

（1）干板压降

s m u V

oc /8.120.8825

.1175

.0==ρ

因oc u u <0，故：

m u h l

c 03.089

.9646.89.199

.19175

.0175.00

=?==ρ液柱，即在正常操作下，干板压降为

0.03m 液柱。

（2）液层阻力

本设备分离液相为草酸二甲酯，碳酸二甲酯，亚硝酸甲酯等，可取充气系数为0.6，则m h h L 0468.0078.06.001=?==ε液柱。

因此，m h p 0768.00468.003.0=+= 2）雾沫夹带

V

e

浮阀塔的雾沫夹带可按下式计算：

20

.056.173.042.3)073.0()(14.2σ

φεK c e V =，

及ρ

ρ?=G

u

c ，[])35.0()35.0(5w ow w ow T h h h h H K ++-= 式中： V e ——雾沫夹带量，kg 夹带/kg 气体；

T H ——板间距，m ；

w h ——堰高，m ；

ow h ——堰上清夜高度，m ；

u ——空塔气速，m/s ；

ε——空塔截面积与有效截面积之比；

G ρ——气象相密度，3

/m kg ； ρ

?——气液两相密度差，3

/m kg ；

σ——液体表面张力，m N /；

φ——以塔截面积为基准的塔板开孔率，% 将数据代入公式计算得：

干气液体干气液体kg kg kg kg /1.0/09.0<

故符合雾沫夹带要求。 计算结果如下：

表6-4塔数据

6.2.8塔板水力学检核

我们采用《维维塔板流体力学软件》对T0201塔进行了流体力学校核。。

根据以上计算结果，可以绘制塔的负荷性能图如图6-1所示：

图6-1 浮阀塔T0201负荷性能图

由图中我们可以看出：

规定的气液相负荷下的操作点处在适宜操作区内的适中位置。 塔板的气相负荷上限由雾沫夹带控制，操作下限由漏液控制。 计算板面情况如下：

6.2.9塔高的计算

（一）塔高计算 1）实际塔板数N ：

根据工业经验值0E 取55%，理N =15（包括冷凝器、再沸器），进料板为第9块。

块理2555

.02

1520=-=-=

E N N

进料板位置为1555

.08

190==-=

E S 块。 2）塔顶空间高度D H ：

塔顶空间高度的作用是安装塔板和开人孔的需要，也使气体中的液体自由沉降，减少塔顶出口气体中液滴夹带，空间高度一般取1.2~1.5m ，这里取D H =1.2m 。 3）塔板间距T H ：

取T H =0.6m

4）开有人孔的板间距'

T H ：

设有人孔的上下两塔板间距应该大于等于600mm ，这里取'

T H =650mm 。

5）人孔数：

取6块板设置一个人孔，实际塔板25块，所以开设4个人孔（不包括塔顶和塔底人孔数）。 6）进料段空间高度F H ：

进料段高度取决与进料口的结构形式和物料状态，一般F H 比T H 大， 取mm H F 800=。 7）塔底空间高度B H ：

塔的底部空间高度是指塔底底末一层塔盘到塔底封头切线处的距离，当进料系统有缓冲容积可取5—20min 。提取ASPEN 数据塔底料液出口体积流量V=60.236

h m /3，塔径D=1.2m ，t=5min ，所以：

m D t

V H B 44.460

785.02

=???=

综上可知塔筒体高度：

()()m

H H SH H S N H H B

F T T D 99.2044.48.065.0156.0151242.11=++?+?--+=++'

+--+=。

8）裙座高度：

筒体高度大于10m ，塔径m m D 12.1>=，所以采用圆柱形裙座，

m D

H 1.22

5.12.1=?+

=' 9）封头高度：

封头选取标准椭圆形封头，参考《JB/T4737—95》取直边段m h 251=，曲边高度mm h 3002=。

所以封头高度：mm h h H 32521=+=。

塔的实际高度：m H 47.23325.021.299.20=?++=。 （二）接管的计算 1）顶气体接管：

取塔顶气体流速s m u v /30=，提取ASPEN 数据V=5011.62h m /3， 则： 管径： mm u V

d v 2433600

785.01=??=

圆整后选取管子规格为mm 12273?φ。 实际流速： s m d V

u /6.283600

785.02=??=。

2）进料管：

取进料液体流速s m u v /5.1=，液相体积流量V=67.978h m /3 则:

进料管径：mm u V

d v 1273600

785.02=??=

；

圆整后选取管子规格为mm 5144?φ。