塔设备设计示例.doc

塔设备设计示例
（1）塔板的选型
由以上比较，综合考虑塔板的效率、分离效果和设备的成本、维修等，我们初步选择筛板。
（2）物性参数
提取Aspen plus各塔板上的物性参数，选取塔板上气液相负荷最大的第11块塔板进行手工计算和校核，然后再用KG-TOWER进行软件计算，通过比较来检查计算的正确性。第11块塔板物性参数如表7-11所示，各塔板上的物性参数如表7-11所示。
表7-11 第11块塔板物性参数
气相流量m3/s
液相流量m3/s
气相密度kg/ m3
液相密度kg/ m3
液体表面张力N/m
41.980
0.0811
1.5806
799.450
0.02044

- 28 -

表7-12 各塔板上的物性参数
塔板序号
液体温度（℃）
气体温度（℃）
液体质量流量（kg/hr）
气体质量流量（kg/hr）
液体体积流量（m3/s）
气体体积流量（m3/s）
液体密度
（kg/m3）
气体密度
（kg/m3）
液体粘度
（cP）
气体粘度
（cP）
液体表面张力（N/m）
1
58.8498487
58.8714992
227632.002
227632.002
0.075512566
44.01650133
837.358808
1.43653198
0.401511389
0.008450734
0.02380294
2
58.8714992
58.92832
222148.954
227631.917
0.073696999
44.01474117
837.320976
1.43658889
0.401401721
0.008451318
0.023800378
3
58.92832
59.076873
222148.921
227631.884
0.07370571
44.01011383
837.221893
1.43673972
0.401114312
0.008452841
0.023793657
4
59.076873
59.4614253
222150.111
227633.074
0.073728795
43.997968
836.964229
1.43714386
0.4003657
0.008456742
0.023776107
5
59.4614253
60.4318828
222161.658
227644.621
0.073790636
43.96626867
836.306274
1.43825298
0.398446545
0.008466311
0.023730827
6
60.4318828
62.7291035
222244.714
227727.677
0.073960202
43.88573767
834.70084
1.44141791
0.393721356
0.008487304
0.023617504
7
62.7291035
67.4280288
222722.24
228205.203
0.074433354
43.703646
831.176965
1.45045871
0.383170876
0.008522243
0.023354395
8
67.4280288
74.8621096
224550.388
230033.351
0.075616775
43.41321683
824.884529
1.47185944
0.364012729
0.008554424
0.022836697
9
74.8621096
83.8689856
228253.969
233736.932
0.077655788
43.13634783
816.473335
1.50515583
0.33907801
0.008564181
0.022070209
10
83.8689856
94.4544399
231558.673
237041.636
0.079627572
42.7552785
807.783691
1.5400414
0.316510705
0.008571354
0.021243711
11
94.4544399
107.802956
233394.823
238877.785
0.08109566
41.980401
799.449632
1.58061711
0.299545758
0.008574498
0.020443638
12
103.903708
104.240263
512677.85
144655.328
0.179514603
25.61491717
793.308798
1.56869669
0.288670895
0.008578482
0.019825802
13
104.240263
104.550413
513486.263
145463.74
0.179859027
25.70445533
793.038166
1.57196851
0.287894052
0.008571932
0.01979486
14
104.550413
104.83107
514233.817
146211.293
0.180177575
25.78741033
792.788598
1.5749642
0.287180733
0.008565903
0.019766364
15
104.83107
105.0809
514912.384
146889.86
0.180466772
25.86283883
792.562623
1.57765893
0.286537363
0.008560455
0.019740594
16
105.0809
105.300077
515518.072
147495.547
0.180724947
25.93026783
792.361361
1.58004481
0.285966351
0.008555613
0.019717667
17
105.300077
105.489965
516050.699
148028.173
0.180952012
25.9896395
792.184709
1.58212803
0.28546672
0.008551371
0.019697563
18
105.489965
105.652813
516513.037
148490.51
0.181149138
26.04122767
792.031606
1.58392548
0.285034893
0.008547702
0.019680155
19
105.652813
105.791565
516910.026
148887.499
0.181318435
26.0855465
791.900276
1.58546184
0.284665457
0.008544561
0.019665235
20
105.791565
105.909994
517248.181
149225.654
0.181462688
26.12327
791.788395
1.58676806
0.284351703
0.008541892
0.019652537
21
105.909994
106.013609
517535.494
149512.967
0.181585357
26.15518033
791.693019
1.58788351
0.284085671
0.008539627
0.019641731
22
106.013609
106.112602
517782.493
149759.966
0.181691083
26.18217783
791.609956
1.5888667
0.283857045
0.008537676
0.019632359
23
106.112602
106.230451
518006.194
149983.666
0.181787553
26.20542
791.53169
1.58982873
0.283649223
0.008535898
0.019623623
24
106.230451
106.428936
518241.482
150218.955
0.181890877
26.22675667
791.441387
1.59102736
0.283427929
0.008534008
0.019613768
25
106.428936
106.884868
518571.228
150548.701
0.182040063
26.24969367
791.295941
1.59312654
0.283109776
0.008531436
0.019598331
26
106.884868
108.152008
519198.832
151176.305
0.182333952
26.27984033
790.976646
1.59793277
0.282475914
0.008527412
0.019565054
27
108.152008
112.117077
520630.02
152607.495
0.18303148
26.3122585
790.134296
1.61107306
0.280924181
0.008522143
0.019477962
28
112.117077
112.117077
368022.522
0
0.129786197
0
787.668341

0.276613832

0.019223776

（3）塔径计算
塔板间距HT的选取与塔高、塔径、物性性质、分离效率、操作弹性以及塔的安装、检修等因素有关。设计时通常根据塔径的大小，由表7-13列出的塔板间距的经验数值选取。
表7-13 塔板间距和塔径的关系
塔径
D，m
0.3～0.5
0.5～0.8
0.8～1.6
1.6～2.0
2.0～2.4
>2.4
板间距
HT,mm
200～300
300～350
350～450
450～600
500～800
≥800
初选塔板间距：
板上液层高度：

气液两相流动参数：

查史密斯关联图

图7-32 史密斯关联图
可查得：

矫正到表面张力为0.0159N/m时

泛点气速:

为避免雾沫夹带及液泛的发生，一般情况，

在此取安全系数0.6，

所以， 初算塔径D’=
圆整后取D=5400mm
对应板间距范围为≥800mm，故满足条件，假设成立。
实际塔载面积
实际空塔气速
（4）塔径的初步核算
1）雾沫夹带
，取
故堰长
由《化工原理》（管国锋编制）图8—16查弓形降液管的参数，如下图所示：
由图可知 ，

图7-33 弓形降液管的几何关系
则弓形降液管面积：

所以 ，
又因为
带入数据可得：
则雾沫夹带量 ：
因为
故在设计负荷下不会发生过量雾沫夹带。
2）停留时间
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，一般要求不应小于3~5s，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：

根据以上两步核算的结果，可认为塔径 是合适的。
（5）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7-14 不同降液管的比较
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7-15 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
由于异构物分离塔液体流量为292.0m3/h，而初步计算塔径为5.4m，所以选阶梯流型。
2）堰及降液管设计
①　 堰的设计
因为受液盘为凹形受液盘，所以没有内堰。

图7-34 液流收缩系数
由《化工原理》（管国锋编制）图8-18液流收缩系数图查得：

由弗朗西斯公式，堰上液层高度

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。
②　 液面梯度

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。
③　 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

3）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7-35 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7-36 开孔区面积
得
所以开孔面积
查筛孔数求取图

图7-37 筛孔数求取图
得
所以筛孔数
（6）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7-38 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7-39 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
即在设计负荷下不会产生过量漏液。
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。
（7）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。
板厚

因为
所以
又
代入得：

计算得到

2） 过量雾沫夹带线
以为限，将各数据代入式
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
，

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。

图7-40 筛板塔负荷性能图
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。
（8） 苯塔的设计结果
表7-16 苯塔设计结果
项目
名称
数值
已知条件
气相流量V
41.980m3/s
气相密度
1.5806kg/m3
液相流量L
0.0811m3/s
液相密度
799.450kg/m3
液体表面张力σ
0.02044N/m
液体粘度μ
0.2995cP
设计结果

塔型
筛板
塔径D
5.4m
塔板间距HT
0.8m
溢流型式
阶梯流型
空塔气速u0
12.214m/s
堰型
平堰
堰长lw
3.24m
堰高hw
0.0306m
板上清液层高度hW
0.090m
降液管底与板距离h0
0.20m
孔径d
0.006m
孔间距t
0.021m
开孔区边缘与塔壁距离 Wc
0.05m
开孔区边缘与堰距离 Ws
0.10m
孔数n
23700
开孔率Φ
0.5
开孔面积A0
0.79
稳定系数K
0.011
塔板压降
0.052m液柱
降液管内清液层高度 Hd
0.142m液柱
雾沫夹带 ev

（9）KG-TOWER在塔盘工艺结构计算的运用
KG-TOWER可以用来计算塔盘，在掌握了塔盘工艺结构的具体计算步骤之后，可以通过软件的便捷的计算方法来服务于本设计。
1）输入工艺参数
将不同序号塔板的工艺参数输进软件内，并设定每块塔板的操作范围在90%到110%之间，参数设置如下：

图7-41 筛板塔物性参数
2）输入塔盘结构参数
选择塔盘类型为筛板塔，塔径设定最初是根据Aspen模拟得到的塔径进行的，当设定塔径之后，再设定其他结构参数，如溢流形式、开孔率大小、塔板间距、降液管宽度、溢流堰长、溢流堰高度、降液管底隙高度等参数，其最初设的依据是根据《设备设计全书一塔设备》的结构进行设计要求进行设计的，设定后，如果在左下脚出现警告时，说明设定的参数出问题，此时会提示哪些参数出问题，通过调整参数相对大小，使设定满足要求。其设定如图所示：

图7-42 筛板塔板参数图
塔盘结构如下图所示：

图7-43 筛板塔塔盘结构图
以下分别为塔盘在操作负荷为90%、100%、110%下塔盘的液泛率，降液管液泛率，降液管持液量，降液管出口速度，干板压降，总版压降，气相负荷因子，流强度，堰上液层高度，以及降液管停留时间等的设计结果。

图7-44 操作负荷为90%时的结果

图7- 45 操作负荷为100%时的结果

图7- 46 操作负荷为105%时的结果

图7-47 校核曲线图
其设计结果如图所示：

图7-48 塔设计报告

图7-49 塔设计结果
通过比较软件计算出来的结果和手算结果还可以得到以下结论：
KG-TOWER计算结果和详细设计计算结果都能够满足工艺要求，在设定结果参数时，KG-TOWER调整起来比较方便，通过反复调整可获得较合理的设计结构，保证塔盘的操作弹性。
KG-TOWER可以用于不同类型的塔板，计算方便，便于塔盘选型。
（10）塔机械工程设计
1）塔高的计算
①　 实际塔板数N：经计算可得实际塔盘数为28。
②　 塔顶空间高HD：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1.0~1.5m，这里取=1m。
③　 塔板间距HT：由上面计算可知HT=0.8m。
④　 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600mm，这里取。
⑤　 人孔数:取8块板设置一个人孔，实际塔板28块，所以开4个人孔（包括塔顶和塔底人孔数）。
⑥　 进料段空间高度:进料段高度取决于进料口结构形式和物料状态，一般要比大，取=1000mm。
⑦　 塔底空间高度HB：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10~15min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2~5min的储量。提取Aspen数据塔底料液出口体积流量V=467.27，塔径D=5.4m，t=6min

综上可知塔筒体高度

⑧　 裙座高度
筒体高度大于10m，塔径5.4m>1m，所以采用圆柱形裙座：

⑨　 封头高度
封头选取标准椭圆形封头，根据JB/T4746-2002，知h=40mm，H=1390mm。
2）接管的计算
①　 塔顶蒸汽接管
取塔顶蒸汽流速，提取Aspen数据V=158459.0m³/h，则管径

圆整后选取管子规格为Φmm
实际流速
②　 进料管
取进料管液体流速为，液相体积流量为V=271.845m³/h，则进料管径为
圆整后管径
实际流速
③　 塔底出料管径
，液相体积流量V=467.27m³/h
则管径
圆整后取管子规格Φ
实际流速：
3）塔体和封头选材
精馏塔内操作压力为0.05MPa，最低操作温度为60℃，最高操作温度为150℃，从耐腐蚀性选取Q345R做为塔体和封头的材料。
4）封头壁厚计算
这里采用SW6-1998进行塔的封头强度计算，封头采用标准椭圆封头，输入参数如下：
表7-17 上封头数据输入
内压椭圆封头校核
计算单位
中航一集团航空动力控制系统研究所
计算所依据的标准
GB 150.3-2011
计算条件
椭圆封头简图
计算压力 Pc
0.06
MPa

设计温度 t
150.00
° C
内径 Di
5400.00
mm
曲面深度 hi
1350.00
mm
材料
Q345R (板材)
设计温度许用应力 [s]t
189.00
MPa
试验温度许用应力 [s]
189.00
MPa
钢板负偏差 C1
0.30
mm
腐蚀裕量 C2
3.00
mm
焊接接头系数 f
1.00
压力试验时应力校核
压力试验类型
液压试验
试验压力值
PT = 1.25Pc= 0.0750 (或由用户输入)
MPa
压力试验允许通过的应力[s]t
[s]T£ 0.90 ss = 310.50
MPa
试验压力下封头的应力
sT = = 23.29
MPa
校核条件
sT£ [s]T
校核结果
合格
厚度及重量计算
形状系数
K = = 1.0000
计算厚度
dh = = 0.86
mm
有效厚度
deh =dnh - C1- C2= 8.70
mm
最小厚度
dmin = 8.10
mm
名义厚度
dnh = 12.00
mm
结论
满足最小厚度要求
重量
2956.51
Kg
压 力 计 算
最大允许工作压力
[Pw]= = 0.60851
MPa
结论
合格

表7-18 下封头数据输入
下封头校核计算
计算单位
中航一集团航空动力控制系统研究所
计算所依据的标准
GB 150.3-2011
计算条件
椭圆封头简图
计算压力 Pc
0.52
MPa

设计温度 t
150.00
° C
内径 Di
5400.00
mm
曲面深度 hi
1350.00
mm
材料
Q345R (板材)
设计温度许用应力 [s]t
189.00
MPa
试验温度许用应力 [s]
189.00
MPa
钢板负偏差 C1
0.30
mm
腐蚀裕量 C2
3.00
mm
焊接接头系数 f
1.00
压力试验时应力校核
压力试验类型
液压试验
试验压力值
PT = 1.25Pc= 0.6500 (或由用户输入)
MPa
压力试验允许通过的应力[s]t
[s]T£ 0.90 ss = 310.50
MPa
试验压力下封头的应力
sT = = 201.89
MPa
校核条件
sT£ [s]T
校核结果
合格
厚度及重量计算
形状系数
K = = 1.0000
计算厚度
dh = = 7.43
mm
有效厚度
deh =dnh - C1- C2= 8.70
mm
最小厚度
dmin = 8.10
mm
名义厚度
dnh = 12.00
mm
结论
满足最小厚度要求
重量
2956.51
Kg
压 力 计 算
最大允许工作压力
[Pw]= = 0.60851
MPa
结论
合格