设备设计与选型

1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》JB4726-4726.2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2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。36.2.5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，受液相控制的系统（如水洗2CO），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。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：4a．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HETP值比板式塔小，丝网效率更高，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，真空和常压塔为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Qmin对操作压力高的适应性很适应，因为有较高效率，并且液量大也易处理不少场合效率下降尤其是规整填料，压降小点几乎无意义，处理能力下降较大，一般认P↑，ρv↑，流量又大，易引起液相严重返混；P↑，T↑，σ↑，填料塔中5为2MPa应用板式塔两相分离变难对腐蚀性物料的适应性须用耐腐蚀性材料制作，比较困难或价格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小直径塔0.6m以下较难制作很合适液体均布较易达到，应有较大的径向混合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规整填料几乎不可能在实际操作中，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塔盘形式结构优点缺点用途泡罩型圆形泡罩复杂弹性好无泄漏费用高；板间距大；压力降比较大用于具有特定要求的场合S形泡罩塔板稍简单简化了泡罩的形式因此性能相似费用高；板间距大；压力降比较大用于具有特定要求的场合浮阀型条形浮阀简单操作弹性较好、塔板效率较高、处理能力较大无其他明显缺点适用于加压及常压下的气液传递过程重盘式浮阀有简单的和稍复杂的T行浮阀简单穿流型筛板（溢流式）简单正常负荷下效率高、费用最低、压力将小稳定操作范适于处理量波纹筛板简单比筛板压力降稍高，但具有同样的优点；气液分布好围窄；易堵塞原料；容易发生液体泄漏变动小且不析出固体物的系统栅板简单处理能力大；压力降小；费用便宜塔板效率低；弹性较小适于粗精馏66.2.7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Aspenplus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6-3T0201塔参数气相体积流速Vs5011.62m3/h密度V1.4284kg/m3质量流量G7158.45kg/h液相体积流速V60.236m3/h密度L964.89kg/m3质量流量L58121.3kg/h6.2.7.2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。7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：uVDS4max6.0uu，maxu为空塔的泛点：VVLCumaxC为蒸汽负荷因子2.02020LCC，20C根据Smith图查得图中横坐标：83124.089.9644284.145.71583.58121LVGL图中纵坐标为LThH：板间距取mHT6.0，板上液层高度mhL078.0，mmhHLT522。由以上数据查的07.020C，则：077.0206.3107.0202.02.020LCCsmCuVVL/24284.14284.189.964077.0maxsmuu/2.126.06.0maxmuVDS2.136002.162.501144按《GB9019-2001T》塔径尺寸圆整，则mDT2.1实际塔截面积：2231.14mDATT实际空塔气速：smAVuTS/32.131.13600/62.5011/安全系数：62.02/23.1/Fuu,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)wL取m48.02.17.07.0TwDL堰上溢流强度h)m(/m130~100h)m(/m9348.0/236.60/335.25.2hWLL，满足筛板塔的堰上溢流强度要求。(2)出口堰高wh对平直堰3/2whow)/(00284.0LLEh由7.0/TwDL及9384.0/236.60/5.22.5whLL，取0.1E，于是：m006.0m490.0)924.0/236.60(0.100284.03/2owh（满足要求）因为wh不能超过板间距的15%，故取得出口堰高为mhw05.09(3)降液管的宽度dW和降液管的面积fA由7.0/TwDL，查弓形降液管几何关系图得142.0/TdDW，177.0/TfAA即：m17.0142.02.1dW，22TT3m1.1785.0DA，2fm20.0A。液体在降液管内的停留时间s5s2.7)3600/236.60/(6.020.0/TfhLHA（满足要求）(4)降液管的底隙高度oh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/s25.0ou，则有：m055.0360025.02.1236.60owouLLhh（oh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mm4~3，