精馏塔设备设计及选型.doc
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精馏塔设备设计及选型.doc
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第四章设备设计及选型
4.1设备设计标准
Ø《钢制压力容器》GB150-98
Ø《压力容器用钢板》GB6654-96
Ø《化工装置用不锈钢大口径焊接钢管技术要求》HG20537.4-92
Ø《安全阀的设置和选用》HG/T20570.2-95
Ø《设备进、出管口压力损失计算》HG/T20570.9-95
Ø《钢制化工容器设计基础规定》HG20580-98
Ø《钢制化工容器材料选用规定》HG20581-98
Ø《钢制化工容器强度计算规定》HG20582-98
Ø《钢制化工容器结构设计规定》HG20583-98
Ø《钢制化工容器制造技术规定》HG20584-98
Ø《化工设备设计基础规定》HG/T20643-98
Ø《压力容器无损检测》JB4730-2005
Ø《钢制压力容器焊接工艺评定》JB4708-2000
Ø《钢制压力容器焊接规程》JB/T4709-2000
Ø《钢制压力容器产品焊接试板的力学性能检验》JB4744-2007
Ø《压力容器用钢锻件》JB4726-2000
Ø《石油化工塔型设备设计规范》SH3030-1997
4.2设备设计及选型
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。
4.2.1塔设备设计原则
Ø具有适宜的流体力学条件,可使气液两相良好接触;
Ø结构简单,处理能力大,压降低;
Ø强化质量传递和能量传递。
4.2.2塔设备的设计目标
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。
4.2.3塔设备类型及选择
为了便于研究和比较,人们从不同角度对塔设备进行了分类。
例如:
按操作压力的不同可分为加压塔、常压塔、减压塔;按单元操作可分为精馏塔、吸收塔、解吸塔、萃取塔、反应塔和干燥塔;但最常用的分类是按塔的内件结构进行划分,分为板式塔和填料塔。
塔型的合理选择是做好塔设备设计的首要环节,选择时应考虑的因素有:
物料性质、操作条件、塔设备性能,以及塔设备的制造、安装、运转、维修等。
4.2.4与物性有关的因素
(1)易起泡的物系,如处理量不大时,以选用填料塔为宜。
因为填料能使泡沫破裂,在板式塔中则易引起液泛;
(2)具有腐蚀性的介质,可选用填料塔。
如必须用板式塔,宜选用结构简单造价便宜的筛板塔,穿流式塔盘或舌形塔盘,以便及时更换;
(3)具有热敏性的物料需减压操作,以防过热引起分解或聚合,故应选用压力降较小的塔型。
如可采用装填规整填料或散堆填料等,当要求真空度较低时,也可用筛板塔或浮阀塔;
(4)黏性较大的物系,可以选用大尺寸填料。
因为板式塔的传质效率较差;
(5)含有悬浮物的物料,应选择液流通道较大的塔型,以板式塔为宜。
可选用泡罩塔、浮阀塔、栅板塔、舌形塔和孔径较大的筛板塔等,不宜使用填料塔;
(6)操作过程中有热效应的系统,用板式塔为宜。
因塔板上积有液层,可在其中安放换热管进行有效地加热或冷却。
4.2.5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,受液相控制的系统,宜采用板式塔,因为板式塔中液相呈湍流,用气体在液层中鼓泡;
(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。
4.2.6其他因素
(1)对于多种情况,塔径小于时,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。
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。
现将板式塔与填料塔的主要结构特点作简要对比列于表4-1:
表4-1板式塔和填料塔的主要特点比较
项目
板式塔
填料塔
备注
各块理论板压降
约1KPa
散装填料约0.3KPa
规整填料约0.15KPa
每块塔板的开孔率为5%-10%,又有25-50mm清液层,故压降大。
压降小是填料塔的主要优点
分离效率(HETP)
分离效率比较稳定,大塔效率会更高些
规整填料的HETP值比板式塔小,丝网的效率更高,新型散装填料与板式塔相当
填料塔效率受液体分布影响大,预测比较难,可靠性不如板式塔
处理能力与操作弹性
操作弹性大
规整填料处理能力比板式塔大,在真空和常压塔中为30%-50%,新型散装填料也可比板式塔高些
由于填料塔压降低,在高真空塔时还可以使相对挥发度有所上升
对高真空操作的适应性(热敏、高沸物料)
因压降大较难适应,尤其在高真空板中有多的场合
压降小的优点使其特别适用,高真空下应用规整填料会更佳
高真空填料塔的液体分布器往往要特殊设计才能达到高的分布质量。
且散装填料可能会 对腐蚀性物料的适应性 必须用耐腐蚀性材料制作,往往比较困难或价格太高 易用陶瓷性耐腐蚀性材料,较合适 — 对易结垢、易堵塞系统的适应性 比较容易解决,清理也较容易 不适用 — 易起泡物系 较难,塔径、塔高均需要较大值 比较合适 填料塔的液体分布器需特别留意 大直径塔 很适合,造价低 填料费用上升很大,尤其是丝网规整填料,而且汽液分布均匀较难 减压大直径填料塔已有不少成功实例,此时因高效、高处理能力使塔体积减小 间歇精馏 可以用 因持液量少而更合适 多进料、轴测线的方便性 比较容易实现 不太合适 因没增加一项,均要增加一个再分布器,结构复杂而造价高,不太合适 中间换热 易实现 较难实施 — 塔的检修 容易 较难实现,规整填料几乎不可能 — 4.2.7塔板的选择 塔板的主要特征为气液两相在板面上以气体鼓泡和液体喷射状态完成气液接触,传热和传质有明显的“级”式过程。 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。 现将几种主要塔板的性能比较列表如下: 表4-2几种主要塔板的性能比较 塔板类型 优点 缺点 适用场合 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 浮阀 效率高、操作范围宽 浮阀易脱落 分离要求高、负荷变化大 泡罩 较成熟、操作稳定 结构复杂、造价高、塔板阻力大、处理能力小 特别容易堵塞的物系 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 下表给出了几种主要塔板性能的量化比较: 表4-3几种主要塔板性能的量化比较 塔板类型 塔板效率 处理能力 操作弹性 压降 结构 成本 泡罩 1.0 1.0 5 1 复杂 1 筛板 1.2~1.4 1.4 3 0.5 简单 0.4~0.5 浮阀 1.2~1.3 1.5 9 0.6 一般 0.7~0.9 舌型板 1.1~1.2 1.5 3 0.8 简单 0.5~0.6 此塔进行产品脱甲苯精馏塔的分离过程,要求生产能力大,产量稳定,效率高,但对操作弹性要求不高,负荷变化不大。 综合考虑塔板的效率、分离效果和设备的成本、维修等,我们初步选择目前使用较为广泛的筛板塔,下面通过具体的计算,论证选择筛板是否能满足生产要求。 4.2.8脱甲苯精制塔(T0101)设计及选型 4.2.8.1精馏塔精馏段的设计 1.物性参数 在设计中使用AspenPlus进行模拟,计算得到精馏段为1~19块塔板,现将精馏段各个理论板上的计算结果列于下表: 表4-4精馏段各理论板上的流量及物性数据列表 塔板序号 温度(℃) 压力(Map) 液体摩尔流量(kmol/hr) 气体摩尔流量(kmol/hr) 液体密度(kg/cum) 气体密度(kg/cum) 液体粘度(P) 液体表面张力(N/m) 1 104.490 0.102 6900 3450 829.639 2.56778 0.00322 0.010 2 108.576 0.1021 7056.301 10350 828.435 2.57125 0.00317 0.010 3 108.746 0.1022 7065.483 10506.3 827.280 2.58207 0.00312 0.009 4 108.819 0.1023 7068.535 10515.48 826.279 2.58802 0.00309 0.009 5 108.880 0.1024 7069.505 10518.53 825.500 2.59303 0.00307 0.009 6 108.941 0.1025 7069.105 10519.5 824.941 2.59713 0.00307 0.009 7 109.010 0.1026 7067.468 10519.1 824.559 2.60051 0.00304 0.009 8 109.095 0.1027 7064.352 10517.46 824.304 2.61587 0.00300 0.008 9 109.208 0.1028 7059.156 10514.35 824.131 2.62599 0.00298 0.008 10 109.366 0.1029 7050.874 10509.15 824.009 2.63499 0.00297 0.008 11 109.595 0.103 7038.019 10500.87 823.918 2.64878 0.00296 0.008 12 109.930 0.1031 7018.602 10488.01 823.845 2.65841 0.00295 0.008 13 110.421 0.1032 6990.327 10468.6 822.781 2.67583 0.00295 0.008 14 111.124 0.1033 6942.31 10440.32 821.722 2.68898 0.00295 0.008 (1)气相平均流量和平均密度 (2)液相平均流量和平均密度 (3)液相平均表面张力和粘度 2.初算塔径 令,假设,则 又 查Smith泛点关联图 图4-1Smith泛点关联图 得: 则气相负荷因子: 所以允许有效空塔气速: 选取表观空塔气速 所以初算塔径 圆整后取 3.塔径的初步核算 雾沫夹带 取, 则弓形降液管面积 所以 则雾沫夹带 停留时间 根据以上两步核算的结果,可认为塔径是合适的。 4.塔板布置设计 (1)塔板结构形式 降液管主要有弓形、圆形和倾斜弓形三种。 现将不同降液管的对比列于下表: 表4-5不同降液管的对比 降液管形式 弓形 圆形 倾斜弓形 简图 特点及适用条件 堰与壁之间的全部截面区域均作为降液容积,适用于较大直径的塔,塔板面积利用率较高。 在弓形降液管内另装圆管作为降液管,适用于液量较小的情况。 此形式有利于塔截面的充分利用,适用于大直径的塔及气液负荷较大的情况。 综合以上条件,选取弓形降液管。 液体在塔板上的流动路径是由降液管的布置方式决定的。 常用的布置方式有以下几种形式: U型流、单流型、双流型、阶梯流型。 下表列出了溢流类型、塔径、液体负荷之间的关系。 表4-6液体负荷与板上流型的关系 塔径 (mm) 液体流量(m3/h) U形流 单流型 双流型 阶梯流型 1000 7以下 45以下 1400 9以下 70以下 2000 11以下 90以下 90~160 3000 11以下 110以下 110~200 200~300 4000 11以下 110以下 110~230 230~350 5000 11以下 110以下 110~250 250~400 6000 11以下 110以下 110~250 250~450 由于反应精馏塔精馏段液体流量为77.34,而初步计算塔径为3.4m,所以选择单流型。 (2)堰及降液管设计 堰的设计 因为受液盘为凹形受液盘,所以没有内堰。 堰长 则 查流体收缩系数图 图4-2流体收缩系数 得 则堰上清液层高度: 由于,所以采用平堰。 堰高,圆整后得。 所以板上清液层高度 因为 所以的假设合适。 (3)液面梯度 查弓形宽度与面积表 图4-3弓形宽度与面积 得弓形降液管管宽 则平均溢流宽度 液体流道长度 塔板上鼓泡层高度 则液面梯度 液面梯度较小,可以忽略。 (4).降液管的设计 降液管的面积 降液管管宽 假设比少10mm 则降液管底部距下一板的间距 (5).孔布置 筛孔按正三角形排列,取筛孔直径, 则孔中心距 查开孔面积与开孔区面积图 图4-4开孔面积与开孔区面积 得开孔率 取外堰前的安定区边缘区的宽度 则 查开孔区面积图 图4-5开孔区面积 得 所以开孔面积 查筛孔数求取图 图4-6筛孔数的求取 得 所以筛孔数 5.流体力学计算与校核 (1).干板压降 取板厚 则 查干筛孔的流量系数图 图4-7干筛孔的流量系数 得 所以 (2)塔板压降 气相动能因数 查有效液层阻力图 图4-8有效液层阻力 得液层有效阻力 所以气体通过塔板的总压降 (3)稳定性校核 则 即按漏液气速考虑的负荷下限为设计负荷值的 (4).雾沫夹带量校核 则雾沫夹带量 所以符合要求。 (5).液泛校核 因为泡沫液的相对密度为 所以 所以不可能产生降液管内液泛。 6.负荷性能图 (1)漏液线 筛板塔的操作有一个下限气速,当气速低于此点时,液体开始从筛孔中泄漏,称为漏液点。 取板厚 所以 因为 所以 又 联立以上方程可得 (2)过量雾沫夹带线 以为限,将各数据代入式 得: 又 联立以上方程可得 (3)液相下限线 因为 以作为规定的液相下限 得 (4)液相上限线 因为 以作为液体在降液管中停留时间的下限 得 (5)液泛线 为避免降液管液泛,应满足,其中 因为,, 将hp、hL、hd的计算式代入上式,整理得液泛线 根据各线的方程,作出如下筛板塔的负荷性能图 7.反应精馏塔上部塔精馏段的设计结果 表4-7反应精馏塔上部塔精馏段的设计结果 项目 名称 数值 已知条件 气相流量V 9.17m3/s 气相密度 2.617kg/m3 液相流量L 0.0215m3/s 液相密度 825.15kg/m3 液体表面张力σ 8.6dyne/cm 液体粘度μ 0.3038cP 设计结果 塔型 筛板 塔径D 3.4m 塔板间距HT 0.45m 溢流型式 单溢流 空塔气速u0 0.97m/s 堰型 平堰 堰长lw 2.04m 堰高hw 0.06m 板上清液层高度hL 0.056m 降液管底与板距离h0 0.05m 孔径d 0.005m 孔间距t 0.0175m 开孔区边缘与塔壁距离Wc 0.05m 开孔区边缘与堰距离Ws 0.08m 孔数n 39500 开孔率Φ 0.078 开孔面积A0 0.616 稳定系数K 1.93 塔板压降 降液管内清液层高度Hd 雾沫夹带ev 4.2.7.2精馏塔提馏段的设计 1.物性参数 在设计中使用AspenPlus进行模拟,计算得到精馏段为15~33块塔板,现将精馏段各个理论板上的计算结果列于下表: 表4-8精馏段各理论板上的流量及物性数据列表 塔板序号 温度(℃) 压力(Map) 液体摩尔流量(cum/hr) 气体摩尔流量(cum/hr) 液体密度(kg/cum) 气体密度(kg/cum) 液体粘度(P) 液体表面张力(N/m) 15 113.692 0.1034 10955.5 9527.37 820.711 2.71029 0.00295 0.02242 16 114.068 0.1035 10985.8 10093.9 819.608 2.84009 0.00286 0.02197 17 114.187 0.1036 10996.9 10124.2 818.550 2.85420 0.00279 0.02156 18 114.285 0.1037 11003.5 10135.4 817.492 2.85798 0.00275 0.02109 19 114.388 0.1038 11006.2 10141.9 816.781 2.86014 0.00271 0.02076 20 114.519 0.1039 11004.4 10144.7 816.222 2.86456 0.00268 0.02041 21 114.716 0.104 10995.4 10142.9 815.711 2.86999 0.00265 0.02001 22 115.052 0.1041 10974.7 10133.9 815.608 2.87345 0.00261 0.01974 23 115.655 0.1042 10934.2 10113.2 814.550 2.87569 0.00257 0.01938 24 116.735 0.1043 10863.9 10072.7 813.492 2.88014 0.00251 0.01894 25 118.580 0.1044 10758.8 10002.4 813.507 2.88458 0.00249 0.01862 26 121.434 0.1045 10632.3 9897.34 813.992 2.90125 0.00245 0.01823 27 125.214 0.1046 10519.7 9770.79 817.603 2.92566 0.00236 0.01796 28 129.333 0.1047 10452.9 9658.18 825.500 2.94512 0.00231 0.01754 29 132.993 0.1048 10433.3 9591.43 827.026 2.97895 0.00227 0.01709 30 135.713 0.1049 10439.7 9571.78 832.849 3.08996 0.00224 0.01657 31 137.488 0.105 10452.9 9578.26 838.660 3.15923 0.0022 0.01621 32 138.556 0.1051 10463.9 9591.38 842.798 3.24594 0.00218 0.01591 33 139.174 0.1052 861.532 9602.46 848.492 3.25141 0.00217 0.01586 (1)气相平均流量和平均密度 (2)液相平均流量和平均密度 (3)液相平均表面张力和粘度 2.初算塔径 令,假设,则 又 查Smith泛点关联图 图4-10Smith泛点关联图 得: 则气相负荷因子: 所以允许有效空塔气速: 选取表观空塔气速 所以初算塔径 圆整后取 3.塔径的初步核算 雾沫夹带 取, 则弓形降液管面积 所以 则雾沫夹带 停留时间 根据以上两步核算的结果,可认为塔径是合适的。 4.塔板布置设计 (1)塔板结构形式 降液管主要有弓形、圆形和倾斜弓形三种。 现将不同降液管的对比列于下表: 表4-9不同降液管的对比 降液管形式 弓形 圆形 倾斜弓形 简图 特点及适用条件 堰与壁之间的全部截面区域均作为降液容积,适用于较大直径的塔,塔板面积利用率较高。 在弓形降液管内另装圆管作为降液管,适用于液量较小的情况。 此形式有利于塔截面的充分利用,适用于大直径的塔及气液负荷较大的情况。 综合以上条件,选取弓形降液管。 液体在塔板上的流动路径是由降液管的布置方式决定的。 常用的布置方式有以下几种形式: U型流、单流型、双流型、阶梯流型。 下表列出了溢流类型、塔径、液体负荷之间的关系。 表4-10液体负荷与板上流型的关系 塔径 (mm) 液体流量(m3/h) U形流 单流型 双流型 阶梯流型 1000 7以下 45以下 1400 9以下 70以下 2000 11以下 90以下 90~160 3000 11以下 110以下 110~200 200~300 4000 11以下 110以下 110~230 230~350 5
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