精馏塔的计算.docx
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精馏塔的计算
塔设备设计
概述
在化工、石油化工及炼油中,由于炼油工艺和化工生产工艺过程的不同,以及操作条件的不同,塔设备内部结构形式和材料也不同。
塔设备的工艺性能,对整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额,以及“三废”处理和环境保护等各个方面,都用重大的影响。
在石油炼厂和化工生产装置中,塔设备的投资费用占整个工艺设备费用的。
塔设备所耗用的钢材料重量在各类工艺设备中所占的比例也较多,例如在年产万吨常压减压炼油装置中耗用的钢材重量占,在年产万吨催化裂化装置中占。
因此,塔设备的设计和研究,对石油、化工等工业的发展起着重要的作用。
本项目以正丁醇精饰塔的为例进行设计。
塔型的选择
塔主要有板式塔和填料塔两种,它们都可以用作蒸係和吸收等气液传质过程,但两者各有优缺点,要根据具体情况选择。
.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。
.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。
填料塔与板式塔的比较:
表填料塔与板式塔的比较
塔型项目填料塔板式塔
压降
小尺寸填料,压降较大,大尺寸及规整填料,压降较小。
较大
空塔气速
小尺寸填料气速较小,大尺
较大
(生产能力)
寸及规整填料气速较大。
塔效率
传统填料,效率较低,新型乱堆及规整填料效率较高。
较稳定、效率较高
液气比
对液体量有一定要求。
适用范围较大
持液量
较小
较大
安装、检修
较难
较容易
材质
金属及非金属材料均可
一般用金属材料
造价
新型填料,投资较大
大直径时造价较低
塔型选择一般原则:
选择时应考虑的因素有:
物料性质、操作条件、塔设备性能及塔的制造、安装、运转、维修等。
()下列情况优先选用填料塔:
•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,故可釆用新型填料以降低塔的高度。
•对于热敏性物料的蒸镉分离,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。
•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。
•容易发泡的物料,宜选用填料塔。
()下列情况优先选用板式塔:
•塔内液体滞液量较大,操作负荷变化范围较宽,对进料浓度变化要求不敏感,操作易于稳定。
.液相负荷较小。
•含固体颗粒,容易结垢,有结晶的物料,因为板式塔可选用液流通道较大的塔板,堵塞的危险较小。
•在操作过程中伴随有放热或需要加热的物料,需要在塔内设置内部换热组件,如加热盘管,需要多个进料口或多个侧线出料口。
这是因为一方面板式塔的结构上容易实现,此外,塔板上有较多的滞液以便与加热或冷却管进行有效地传热。
•在较高压力下操作的蒸懈塔仍多采用板式塔。
综合考虑,本项目釆用板式塔。
塔盘的类型与选择
板式塔塔板种类:
根据塔板上气、液两相的相对流动状态,板式塔分为穿流式和溢流式。
目前板式塔大多采用溢流式塔板。
穿流式塔板操作不稳定,很少使用。
各种塔盘性能比较:
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,迄今己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,现将儿种主要塔板的性能比较列表如下:
表几种主要塔板的性能比较
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
特别容易堵塞的物
£6工技术文什
板阻力大、处理能力小
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、塔
板效率高
易堵塞、操作弹性较小
分离要求高、
塔板数较多
舌型板
结构简单、塔板阻力小
操作弹性窄、效率低
分离要求较低的闪
蒸塔
浮动喷射
板
压降小、处理量大
浮板易脱落、效率较低
分离要求较低的减
压塔
下表给出了儿种主要塔板性能的量化比较
表几种主要塔板性能的量化比较
塔盘类型
塔板效率
处理能力
操作弹性
压降
结构
成本
泡罩板
复杂
筛板
简单
浮阀板
一般
舌型板
简单
从以上各图可以看出:
浮阀塔在蒸汽负荷、操作弹性、效率和价格等方面都比泡罩塔优越,结合本项目实际情况,初步选择浮阀塔。
浮阀塔的工艺尺寸计算
提取各塔板上的物性参数,选取塔板上气液相负荷最大的第块塔板进行手
工计算和校核,然后再用进行软件计算,通过比较來检查计算的正确性。
第块物
性参数如下表:
表浮阀塔塔板参数
气相流
液相流
气相密度
液相密度
混合液表面
•塔径计算
初选塔板间距4
板上液层高度hL=100/n/w
//?
-//£=0.7/z?
气液两相流动参数:
/、
A
57
0.03306
[726.033]
\丿
7.84986
;3.045)
0.5
=0.065
查史密斯关联图
图史密斯关联图
可查得:
C2o=0.14
絕工技术文件
矫正到表面张力为时
C=cJ^r=0.14xf^r=0.134
(20丿I20丿
泛点气速
Uf=c
为避免雾沫夹带及液泛的发生,一般情况,
0=(0.6〜0.8)u/
在此取安全系数,
0=0.7xh/=0.75x2.065=1.45/77/5
流通截面积
由《化工原理》(朱家骅编制)表选取塔板上的液体流动方式
本次设计选择双溢流弓形降液管,一般双溢流型
土=0.5〜0.7
D
此处取±=0.7
D
由《化工原理》(朱家骅编制)图查弓形降液管的参数,如下图
Af
—=0.088
Ar
£6工技术文什
图弓形降液管参数图
精镉段的塔径圆整为,由《化工原理》(朱家骅编制)表校核。
对应板间距范围为2,故满足条件,假设成立。
实际塔载面积Ar=^D2/4=5.955/n2
•溢流装置
弓形降液管:
4=07
故堰长L=0・7x2・8=1.96
降液管面积Af=0.994=0.09x6.955=0.524m2
由《化工原理》(朱家骅编制)图弓形降液管的参数图查得吆=0.148
D
故降液管宽度
^=0.148x2.8=0.148/7?
为降低气泡夹带,液体在降液管内应有足够的停留时间以使气体从液相中分离出,一般要求r不应小于,而对于高压下操作的塔以及易起泡的物系,停留时间应更长些,为此,必须进行校核。
液体在降液管中停留时间:
A/-Hr0.524x0.8“公•
L0.033147
故降液管尺寸适宜。
溢流堰
取Hl=0.Im
=22.19
图液体收缩系数计算图
由《化工原理》(朱家骅编制)图液体收缩系数计算图查得:
E=1.03
由弗朗西斯公式,堰上液层高度
32
呱=竺匕.(纠'=0.00284x1.03x(竺弐J=4.53灯0一讪1000“丿t1.96)
堰高九=hL-how=0.1-0.0453=0.0547
受液盘和底隙:
塔板上接受降液管流下液体的那部分区域称为受液盘,常用平形型式。
为减
小液体流动阻力和考虑到固体杂质可能在底隙处沉积,所以九不可过小。
但若
九过大,气体乂可能通过底隙窜入降液管,故底隙宜小些以保证液封。
取Uol=0.15m/s
则九==W⑷=o.113,w
lw-uOL1.96x0.15
絕工技术文样
塔板布置
•受液区和降液区:
一般这两个区域的面积相等,均可按降液管截面积人计。
•边缘区:
在塔壁边缘留出一定宽度的环形区域供固定塔板用。
.入口安定区和出口安定区,通常宽度相等。
.有效传质区:
余下的塔板上有浮阀孔的区域。
于此处考虑:
塔径D>900/?
?
/?
?
釆用分块组装式。
边缘宽度取Wc=5Qmm=0.05m。
安定区宽度均取瞅=0.08加o
降液管宽W/=0.3/h
浮阀数目及孔间距
重型浮阀阀孔直径do=0.039加o取化=12。
阀孔气速叫=令=磊=6.88皿
圆整为N=956
浮阀排列:
采用等腰三角形义排。
由上一小节所假设,鼓泡区面积为
北77厂〒+71r2sin-1
ZI\
x'
+
xv广-x"+—rsm
/\
X
180
[r)
180
其中
D98
x1=x=—-VE/-W.=—-0.4144-0.08=0.9056/n
22
7)O
r=—一VK=-—0.05=1.35/h
22
故—2x0.905&济丽而+盒心齐s『(需)=4.49
取t=0.075/7?
贝ijr=2L=——_=0.0626
NJ956x0.075
由于塔直径,釆用分块式塔板四块(其中两块弓形板、通道板和矩形板各一块)。
t=0.075加、€=0.0626m
以等腰三角形交叉方式绘图排列如图所示:
图塔板内部结构图
由排布图可得实际的开孔数个
1.849
uo
Vs
4
6.92m/s
r°-0392x950
Fq==6.92x』3・045=12.07
在适宜范围内
塔板开孔率
•塔板的流体力学校核
塔板压降校核:
hj=hd+hi
阀全开前(Uo 局=19・9 阀全开后(WO>Uoc): 临界速度 10.5 10.5 r =5.71/? ? /5 A4'8253.045皿5 故%=5.34亠=5.34x」竺空一=0.054d2pL・g2x726.033x9.81 、板上充气液层阻力 取0=0.6 In=0(瓜+/? <>h)=0.6x0.1=0.06//7 hf=h(i+Ai=0.06+0.054=0.114〃? 故塔板压降为 △P=prghf=726.033x9.81x0.114=811.9Pci 满足要求。 液沫夹带的校核: 因塔径>,应控制泛点率不超过。 由p、=3.045Kg/屛及Ht=0.6m 查《化工原理》(朱家骅编制)图泛点负荷因子图: 俺工技术文件 0.10.20.30.50.71.Q23457JU20304U5Q70丨°° p»・kg/m3 泛点负荷系放 图泛点负荷因子图 得,并查物性系数表得 =73.1%<80%满足上述条件,不会发生过量雾沫夹带。 •溢流液泛校核: 为了防止液泛发生,降液管中清液层高度应满足如下关系式 H(i<(/^Ht+h、\) Hd=hw+ho、、+hf+hx A/=0.14m 故Hd=0.1+0.114+0.023=0.237 俺工技术文样 取泡沫层液泛因子0=0・5 伙Ht+hw)=0.5x(0.5+0.0547)=0.42735加 Hd<+hw) 故不会发生液泛,塔板间距选择合适。 •塔板负荷性能图: ・漏液线(气相负荷下限线) 取Fo=5时由下式计算得到最小气量 Vs=-do2N(丄)=-0.0392x162(「)=0.1365》/$4侮4V5021 标绘于塔板负荷性能图中得到直线。 •过量雾沫夹带线(气相负荷上限线) 由于塔径〉,临界泛点率为。 代入下式,得到与关系式 AbKCr 其中 Ab=At-2/V=5.95—2x0.524=4.902/n2 ZL=D-Wd=2.8-0.3=2.5m 代入数据整理得: 匕=9.08—41.3厶 标绘于塔板负荷性能图中得到直线。 £6工技术文样 ・液相负荷下限线 以平堰上液层高度孤=0.006川作为液相负荷下限标准 有ho.=0.006=0.00284E(仝空型卢 代入数据Ls=1.6x103“'/$ 标绘于塔板负荷性能图中得到直线。 •液相负荷上限线 液体在降液管中最短停留时间以计算,计算液相负荷的最大值乙=独=0.6x0.524=0]04伽讥 r3 标绘于塔板负荷性能图中得到直线。 •溢流液泛线 Hd=hw+how+h/+h^ 己知堰高hw=0.0547m Hd=+/? H)=0.42735m h/=h 其中“o= —do2N 4 絕工技术文样 V 3.045x (一)2 -dQN 联立解得力=5・34・£■生=5・34x=8.9xW4V2 "lpLg2x736.033x9.8‘ In=0(仏+ho.)=0.03282+0.263/J 仏=0.153(—)2=0.153()2=3.12LJ Mo1.96x0.113 将上述各式代入Hd=仏+仏,+k+氐联立得 Vr=381.8-788LJ-3505Lv: 标绘于塔板负荷性能图中得到直线。 1、潟液钱(气相负荷下限线) 2、过董雾沬夹带线(气相负荷上限线) 3、液相负荷下限銭 4、液相负荷上限钱 5、溢流液泛践 •操作点 浮阀塔塔板操作性能图 由图可知,操作线位介五条曲线之间,且有一定操作弹性空间,设计合理。 塔机械工程设计 •塔高的计算 (6工技术文样 实际塔板数 由提取的数据可以,实际塔盘数为 塔顶空间高 塔顶空间高度的作用时安装塔板和开人孔的需要,也使气体中的液体自由沉降,减少塔顶出口气中的液滴夹带,空间高度一般取,这里取hd. 塔板间距 由上面计算可知 =0.6mo 开设人孔的板间距 设有人孔的上下两塔板间距应大于等于,这里取Ht=SOOmm。 人孔数 取块板设置一个人孔,实际塔板块,所以开个人孔(包括塔顶和塔底人孔数)。 进料段空间高度日尸 进料段高度取决于进料口结构形式和物料状态,一般孔要比Hr大,取片。 塔底空间高度 塔底空间高度具有贮存槽的作用,塔底釜液最好能在塔底有的储量,以保证塔底料液不至排完。 对于塔底产量较大的塔,塔底容量可取小些,取的储量。 提取数据塔底料液出口体积流量m%,塔径, 综上可知塔筒体高度 £6工技术文样 H=HD+(Ar-2-S)Ht+SHt+Hf+Hb=17.97m裙座高度 筒体高度大于,塔径〉,所以采用圆柱形裙座: H=2+k°'29=4.2m 2 封头高度 封头选取标准椭圆形封头,根据,知,。 接管的计算 O塔顶蒸汽接管 取塔顶蒸汽流速uv=20in/s提取数据彳,则管径 d.=/=640mm 1\0.785-uv-3600 圆整后选取管子规格为① 实际流速 O进料管 则进料管 取进料管液体流速为%=2m/s,液相体积流量为3 径为I=Jo.785•3600=73mni 圆整后管径① 实际流速(八) ()回流管径 £6工技术文什 取回流液体流速 uv=2in/s 液相体积流量人则回流管径为 IV d3=」=94mm ]0.785-uv・3600圆整后取管子规格为① V 实际流速u==1.63m/s 0.785・F・3600 ()塔底出料管径 取进进料液体流uv=2111/s,液相体积流量3 =14mm 0.785・uv・3600 则管径d4= 圆整后取管子规格① V实际流速u==1.12m/s 0.785・占・3600 ()再沸器入口管径 取进进料液体流uv=20111/s,液相体积流量3 =45mm 0.785・匕・3600 则管径d4= 实际流速 圆整后取管子规格① 0.785•F•3600_16'2ms (6工技术文件 正丁醇塔的设计结果 洛称: 正丁醛塔 编号: 类型: 浮阀塔 通体高度: 塔径: 封头形式: 标准椭圆形封头 设计温度: 。 C 设计压力: 材料: 保温层: 岩棉 防腐: 外涂防腐漆 其他精憎塔设计结果见附录
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