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
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25
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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