第七章设备设计与选型1

1年产40万吨PX项目·初步设计说明书第七章设备设计与选型7.1塔设计及选型7.1.1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。7.1.2塔结构尺寸确定依据塔设计依据于ChemCAD软件模拟结果。首先在ChemCAD中经过灵敏度分析，得出最优塔板数和回流比，然后利用ChemCAD塔设计模块模拟出各个塔的塔径与塔高。7.1.3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）满足工艺要求（p、t、耐腐）；（2）生产能力大，即气液处理量大→体积↓，紧凑；（3）压力降小，即流体阻力小→能耗↓，操作费用↓；（4）操作稳定，操作弹性大；（5）效率高，即气、液两相充分接触，相际间传热面积大；（6）结构简单、可靠、省材，制造、安装方便，设备成本低（设备投资费用低）；（7）操作、维修方便（设备操作费用低）；（8）耐腐蚀，不易堵塞。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2年产40万吨PX项目·初步设计说明书产效益。7.1.4塔的分类与总体结构（1）分类：①按操作压力：a.加压塔；b.常压塔；c.减压塔。②按单元操作：a.精馏塔；b.吸收塔；c.解吸塔；d.反应塔；e.干燥塔；f.萃取塔。③按形成相际接触界面：a.固定相界面；b.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：a．板式塔（图9-1）。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（图9-2）。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。3年产40万吨PX项目·初步设计说明书1—吊柱2—气体出口3—回流液入口4—精馏段塔盘5—壳体6—料液进口7—人孔8—提馏段塔盘9—气体入口10—裙座11—釜液出口12—出入口图7-1板式塔结构4年产40万吨PX项目·初步设计说明书1—吊柱；2—人孔；3—排管式液体分布器；4—床层定位器；5—规整填料；6—填料支承栅板；7—液体收集器；8—集液管；9—散管填料；10—填料支承装置；11—支座；12—除沫器；13—槽式液体再分布器；14—规整填料；15—盘式液体分布器；16—防涡流器图7-2填料塔的总体结构（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。7.1.5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5年产40万吨PX项目·初步设计说明书裂，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；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。7.1.6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。现将板式塔与填料塔的主要结构特点列于表7-1：表7-1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6年产40万吨PX项目·初步设计说明书型散装填料也可比板式塔高些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发现效率明显下降，尤其是规整填料。压降小有点几乎无意义，处理能力下降较大，一般认为2MPa应用板式塔vP，，液量又大，易引起液相严重反混PT，，填料塔中两相分离变难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7-2：表7-2各种板式塔的优缺点及用途塔盘形式结构优点缺点用途7年产40万吨PX项目·初步设计说明书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）简单正常负荷下的效率高、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；处理量小时效率剧烈下降适于粗精馏7.1.7具体类型根据以上基本原则，我们将对T0201丙烯分离塔为例，进行详细设计。其它塔设备的设计与T0201丙烯分离塔的设计方法相同。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，我们选为本项目的塔类型。1.数据统计由模拟软件ChemCAD模拟所得T0208脱甲醇塔塔的基本数据理论板数为21块，进料板数为第11块，则模拟所得基本数据如下：ChemCAD6.0.1TowrRigorousDistillationSummaryEquip.No.16NameNo.ofstages211stfeedstage11ToppressureMPa0.70008年产40万吨PX项目·初步设计说明书Condensermode1Condenserspec.8.2803Reboilermode2Reboilerspec.93622.8984Initialflag6CalcconddutyMJ/h-89122.8906CalcrebrdutyMJ/h93623.0000Est.Dist.rate(kmol/h)263.6031Est.Refluxrate(kmol/h)2175.5740Est.TtopC110.8331Est.TbottomC149.8164Tolerance0.0087Columndiameterm2.3716Trayspacem0.6096Noofsections1CalcRefluxratio8.2803CalcRefluxmole(kmol/h)2523.5203CalcRefluxmasskg/h82632.4922Optimizationflag1表7-32.精馏塔的工艺尺寸计算（1）塔径的计算提取ChemCAD各塔板上物性参数，选取塔板上气液相负荷最大的第二块塔板进行手工计算和校核。物料参数如下表所示。Vs=16982.016m3/hLs=117.448m3/hρV=5.418kg/m3,ρL=698.457kg/m3,σ=0.012N/m适宜空塔速度u一般取最大允许气速Fu的0.6~0.8倍，即u（0.6~0.8）Fu其中：VVLFCu2.02020LCC9年产40万吨PX项目·初步设计说明书式中20C可由书中查得。图中横坐标为：07852.0418.5457.698016.16982448.117VLSSVL参考浮阀塔板间距取mHT6.0，板上液层高度mhL2.0,则mmhHLT400查得086.020C,则：068.0206086.02.0C；smCuVVLF/7691.0418.5418.5457.698068.0；取安全系数为0.8，则空塔气速为smu/6153.07691.08.0muVDS124.336006153.01698244按《GB9019-2001T》塔径尺寸圆整，则mD5.3实际塔截面积226211.94mDAT①.雾沫夹带取mDlw1.25.36.06.0错误!未找到引用源。，26211.9mAT，查得052.0TfAA,故25003.0mAf。250.0)5003.06211.9(36008199fTSGAAVWmhhLf5.02.05.25.210年产40万吨PX项目·初步设计说明书kgkghHWefTGV/018.05.06.012250.067322.0127322.02.32.3kgkgeV/1.0。②.停留时间ssLHASTf31.43600/06.2646.05003.0根据以上结果，初步认定塔径取3.5m是合理的（2）塔板主要工艺尺寸计算使用进行模拟后所得数据如下塔板结构数据(1):流型数2-塔板间距600.0000mm安定区70.0000mm边缘区50.0000mm泛点率44.1503%泛点气速2.6181m/s空塔气速1.1559m/s流动因素0.1330-降液管压降132.6214mm降液管清液高279.63