塔设备设计

（4-25）
式中：
—塔内液体流量，m3/h；
—液流收缩系数。近似取 =1。
所以， =×1×2/3=
则 = =
4）降液管的宽度Wd和降液管的面积Af
根据Lw/D=，查图弓形的宽度和面积得：
Wd/D=,Af/AT=
经计算得：
Wd = m
AT= m2
Af= m2
图弓形的宽度与面积
降液管内液体停留时间：
（4-26）
式中:
—液体在降液管内的停留时间，s；
—降液管面积，m2；
—塔板间距，m；
—液体负荷，m3/s。
由上式计算得 =*3600)=
5）降液管底隙高度
降液管底隙高度是指降液管下端与塔板间的距离，以h0表示。降液管底隙高度h0应低于出口堰高度hw，才能保证降液管底端有良好的液封，一般不应低于6mm,即：
降液管底隙高度一般不宜小于20～25mm，否则易于堵塞，或因安装偏差而使液流不畅，造成液泛。
（4-21）
（4-22）
式中：
—气相密度，㎏/m3；
—液相密度，㎏/m3；
V—气相流量，m3/h；
Ｌ—液相流量，m3/h；
（4-23）
式中：
—塔板间距,m；
—板上清液层高度，m。
当表面张力为σ时，用上式进行修正。C20值可由下图查的，也可由曲线回归成方程计算得到。
Smith关联图见图。
图smith关联图
舌形塔板
操作气速大，可增大处理能力，塔盘上无液面落差，持
液量少，故压力降低，塔盘开孔率较大，气液处理量液胶泡沫型塔盘有所提高
液体在塔盘上的停留时间段内，塔板效率低于筛板，舌片尺寸及张角影响塔板效率及操作稳定性
分离要求较低的闪蒸
浮喷板
压力降小
浮板易脱落
分离要求较低的减压
穿流筛板
结构简单
操作范围窄
用于小直径的精馏塔
操作参数
精馏塔T101操作参数如表。
表 精馏塔T101操作参数
操作压力
回流比
进料状态
理论板数
进料位置
泡点进料
30
1
物料衡算和能量衡算
（1）物料衡算
选取整个塔作为衡算系统，则其共有3股物料：进料、塔顶出料、塔底出料，故有 =+（单位：kmol / h）。
（2）能量衡算
同样选取整个塔作为衡算系统，则能量可分为两部分：加热负荷和冷却负荷。由Aspen 模拟结果可知，加热负荷为，冷凝负荷为。
(a)U 型流：液体流径最长，可以提高版效率，其板面利用率最高，但液面落差大，仅用于小塔及液体流量小的场合；
(b)单溢流：液体流径较长，塔板效率较高，塔板结构简单，加工方便，广泛应用于直径以下的塔中；
(c)双溢流：此种溢流方式的优点是液体流径短，从而降低液面落差，但塔板结构复杂，板面利用率低，一般用于直径大于2m的塔中及气液比大的场合；
(d)阶梯式双溢流：此种溢流方式可在不缩短液体流径的情况下减小液面落差小，但塔板结构最复杂，只适用于塔径很大、液流量很大的特殊场合。
图 塔板流型
(a)单溢流流型（b）U型流（c）双溢流流型
（d）阶梯式（同一板高）（e）阶梯式（不同一塔高）
分离塔T201分离未反应的丙烯和环氧丙烷的过程，生产量较大，生产能力要求高，并要求具有一定的操作弹性。综合考虑塔板效率、分离效果和设备的成本、制造以及后期的维修等，我们选用浮阀塔。
设计规范
塔设计规范如表。
表 设计规范
规范
标准号
《石油化工塔形设备设计规范》
SH 3098-2011
《石油化工塔盘设备设计规范》
SH 3088-1998
《石油化工钢制塔、容器现场组焊施工工艺标准》
SH3524-1999
《建筑抗震设计规范》
GB 50011-2010
《建筑结构载荷规范》
GB 50009-2001
表 塔板性能比较
类型
优点
缺点
应用条件
泡罩塔板
操作弹性较大，液气比范围大，不易堵塞，适于处理各种物料，操作稳定可靠
结构复杂，造价高，塔板压降大，生产能力及板效率较低
在设计中除特殊需要（如分离粘度大、易结焦等物系）外一般不宜选用
浮阀塔板
结构简单，制造方便，造价低，塔板开孔率高，生产能力大，操作弹性大，气液接触时间长，塔板效率高
（4-18）
式中：
—塔径，m；
—塔内气体流量，m3/s;
—空塔气速，即按空塔截面积计算得气体线速度，m/s。
(4-19)
式中：
—液相密度，kg/m3；
—气相密度；kg/m3；
—极限空塔气速，m/s；
—负荷系数，m/s。
(4-20)
式中：
—操作物系的负荷系数，m/s；
—操作物系的液体表面张力，mN/m。
F1型浮阀的孔径为39㎜，故浮阀个数N为
N=837Vs/u0
对于塔T201，取阀孔动能因数 =10，则孔速
= 10/ = m / s
浮阀个数 =837*3600/=个=7个
取边缘区宽度Wｃ=,破沫区宽度Wｓ=
==
=2-+=
=2*[ +180/arcsin]
=
浮阀排列方式采用等腰三角形叉排，取排与排间阀孔中心距t＝75㎜，则同一横排的阀孔中心距 =7/75*1000=66㎜考虑到塔的直径较大，必须采用分块式塔板，而各分块板的支撑与衔接也要占去一部分鼓泡去面积，因而排间距不宜采用66㎜，而应小于此值，故取t’=60㎜按N=8，重新核算孔速及阀孔动能因子
u=max
=*
=s
代入式（4-18），得：
=(4*3600/
=
塔径向标准圆整后D=700mm；
塔截面积 = 4×D2=4×=；
实际气速 =3600/= m/s；
（1）溢流装置计算
1）流型选择
由于D=,塔径较小，根据降液管和溢流方式的选择方法，塔T201选择弓形降液管，溢流方式为单溢流如图所示。
图 降液管和塔板
2）对于热敏性物料的蒸馏分离，因新型填料的持液量较小，压降小，故可优先选择真空操作下的填料塔；
3）具有腐蚀性的物料，可选用填料塔，因为填料塔可采用非金属材料，如陶瓷、塑料等；
4）容易发泡的物料，宜选用填料塔。
（2）填料塔优点
1）小直径塔费用低，便于安装；
2）液压降低，有利于真空精馏；
3）用于难分离的场合以降低塔高；
4）流体流动阻力小，流体通过塔设备的压降小；
5）结构简单可靠，材料耗用量少，制造安装容易，以降低设备投资，同时尽可能降低操作费用；
6）耐腐蚀和不易堵塞。
本厂有5个塔，我们对其进行了详细设计，并以精馏塔T201为例阐述详细的计算和选型过程。
工艺参数设计
生产能力
根据Aspen模拟得到塔T201进料量为／h（泡点进料）,塔顶采出量为／h，塔底物料流量为／h。
5
6
7
8
9
10
11
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18
19
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23
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25
26
27
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29
30
表 T201操作条件下的物料特性
气相平均体积流量V
（m3/h）
液相平均体积流量L
(m3/h)
气相平均密度
(kg/m3)
液相平均密度
(kg/m3)
液相表面张力
（mn/m）
精馏段
17
提馏段
20
塔径的计算
塔板允许的有效空塔气相速度
处理易结焦，粘度大的物料时，阀片易与塔板粘结，在操作过程中有时会发生阀片脱落或卡死等现象，使塔板效率和操作弹性较大
分离要求高
筛孔塔板
结构简单，造价低，板上液面落差小，气体压降低。生产能力较大，气体分散均匀，传质效率高
筛孔易堵塞，不易处理易结焦、粘度大的物料
工业应用中以小孔径筛板为主，大孔径筛板多用于某些特殊场合（如分离粘度大、易结焦等物系）
图 V-1型浮阀
（4）降液管的类型与溢流方式
1）降液管的类型
降液管时塔板间流体流动的通道，也是使溢流液中所夹带气体得意分离的场所。降液管有圆形与弓形两类。通常圆形降液管一般只用于小直径塔，对于直径较大的塔，常用弓形降液管；
2）流型选择
溢流方式与降液管的布置有关，常用的有以下几种形式： U型流、单溢流、双溢流及阶梯式双溢流等（见图）。
u0’ =3600/4××8)=s
F0’ =u0’×阀孔动能因子变化不大，仍在9—13范围内。
塔板开孔率= ==%
7）进口堰与受液盘
不设进口堰，受液盘采用凹形受液盘，其深度取50㎜。
设计要求
作为主要用于传质过程的塔设备，必须保证气液两相充分接触，以获得较高的传质效率；同时还应充分考虑设备的经济费用。为此，塔设备应满足以下基本要求：
1）气液两相充分接触，分离效率高；
2）生产能力大，即气液相处理量大；
3）操作弹性大，对气液相负荷波动具有较强的适应性，即能维持操作的稳定性，保持高的分离效率；
基本结构设计
塔设备选型原则
气液传质分离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、吸收等气液传质过程，但两者各有优缺点，根据具体情况进行选择。
（1）下列情况优先选择填料塔
1）在分离程度要求高的情况下，因某些新型填料具有很高的传质效率，故可采用新型填料以降低塔的高度；
4）用于腐蚀严重的场合，在这种情况下可采用耐腐蚀材质填料；
5）适合于发泡物系；
6）改造老塔，增加通量，减少消耗，提高产品质量；
7）用于间歇精缩，因为填料塔的持液量低。
（3）下列情况优先选择板式塔