精馏塔的计算

4.3 塔设备设计

4.3.1 概述

在化工、石油化工及炼油中，由于炼油工艺和化工生产工艺过程的不同，以及操作条件的不同，塔设备内部结构形式和材料也不同。塔设备的工艺性能，对整个装置的产品产量、质量、生产能力和消耗定额，以及“三废”处理和环境保护等各个方面，都用重大的影响。

在石油炼厂和化工生产装置中，塔设备的投资费用占整个工艺设备费用的25.93%。塔设备所耗用的钢材料重量在各类工艺设备中所占的比例也较多，例如在年产250万吨常压减压炼油装置中耗用的钢材重量占62.4%，在年产60-120万吨催化裂化装置中占48.9%。因此，塔设备的设计和研究，对石油、化工等工业的发展起着重要的作用。本项目以正丁醇精馏塔的为例进行设计。

4.3.2 塔型的选择

塔主要有板式塔和填料塔两种，它们都可以用作蒸馏和吸收等气液传质过程，但两者各有优缺点，要根据具体情况选择。

a．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。

4.3.2.1 填料塔与板式塔的比较：

表4-2 填料塔与板式塔的比较

塔型项目 填料塔 板式塔

压降 小尺寸填料，压降较大，大尺寸及规整填料，压降较小。 较大

空塔气速

(生产能力) 小尺寸填料气速较小，大尺寸及规整填料气速较大。 较大

塔效率 传统填料，效率较低，新型乱堆及规整填料效率较高。 较稳定、效率较高

液-气比 对液体量有一定要求。 适用范围较大

持液量 较小 较大

安装、检修 较难 较容易

材质 金属及非金属材料均可 一般用金属材料

造价 新型填料，投资较大 大直径时造价较低

4.3.2.2 塔型选择一般原则：

选择时应考虑的因素有：物料性质、操作条件、塔设备性能及塔的制造、安装、运转、维修等。

（1）下列情况优先选用填料塔：

a.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；

b.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；

c.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；

d.容易发泡的物料，宜选用填料塔。

（2）下列情况优先选用板式塔：

a.塔内液体滞液量较大，操作负荷变化范围较宽，对进料浓度变化要求不敏感，操作易于稳定；

b.液相负荷较小；

c.含固体颗粒，容易结垢，有结晶的物料，因为板式塔可选用液流通道较大的塔板，堵塞的危险较小；

d.在操作过程中伴随有放热或需要加热的物料，需要在塔内设置内部换热组件，如加热盘管，需要多个进料口或多个侧线出料口。这是因为一方面板式塔的结构上容易实现，此外，塔板上有较多的滞液以便与加热或冷却管进行有效地传热；

e.在较高压力下操作的蒸馏塔仍多采用板式塔。

综合考虑，本项目采用板式塔。

4.3.3 塔盘的类型与选择

4.3.3.1 板式塔塔板种类：

根据塔板上气、液两相的相对流动状态，板式塔分为穿流式和溢流式。目前板式塔大多采用溢流式塔板。穿流式塔板操作不稳定，很少使用。

4.3.3.2 各种塔盘性能比较：

工业上需分离的物料及其操作条件多种多样，为了适应各种不同的操作要求，迄今已开发和使用的塔板类型繁多。这些塔板各有各的特点和使用体系，现将几种主要塔板的性能比较列表如下：

表4-3 几种主要塔板的性能比较

塔盘类型 优点 缺点 适用场合

泡罩板 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

浮阀板 效率高、操作范围宽 浮阀易脱落 分离要求高、负荷变化大

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

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4-4 几种主要塔板性能的量化比较

塔盘类型 塔板效率 处理能力 操作弹性 压降 结构 成本

泡罩板 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

浮阀板 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

从以上各图可以看出：浮阀塔在蒸汽负荷、操作弹性、效率和价格等方面都比泡罩塔优越，结合本项目实际情况，初步选择浮阀塔。

浮阀塔的工艺尺寸计算

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3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3块物性参数如下表：

表4-5 浮阀塔塔板参数

气相流液相流气相密度液相密度混合液表面7.85 0.033 3.045 726.033 0.007

1.塔径计算

初选塔板间距mmH800

板上液层高度mmhL100

mhHLT7.0

气液两相流动参数：

0.0653.045726.03384986.703306.05.05.0VLssVL

查史密斯关联图

图4.1 史密斯关联图

可查得：

14.020C

矫正到表面张力为0.00699157N/m时

134.020919.1514.020σ2.02.020CC

泛点气速

smcuf/065.23.045045.3003.267134.0-VVL

为避免雾沫夹带及液泛的发生，一般情况，

fuu)8.0~6.0('

在此取安全系数0.7，

smuuf/45.1065.257.07.0'

流通截面积

243.545.184986.7''muVAs

由《化工原理》（朱家骅编制）表11.3选取塔板上的液体流动方式

本次设计选择双溢流弓形降液管，一般双溢流型

7.0~5.0Dlw

此处取0.7wlD

由《化工原理》（朱家骅编制）图11.19查弓形降液管的参数，如下图

088.0TfAA

所以96.5912.043.5088.01'AAT

mADT75.296.544

图4.2

弓形降液管参数图

精馏段的塔径圆整为2.8m，由《化工原理》（朱家骅编制）表11-2校核。

对应板间距范围为≥800mm，故满足条件，假设成立。

实际塔载面积22955.54/mDAT

实际空塔气速smDVus/275.175.214.385.744'22

2.溢流装置

弓形降液管：

0.7wlD

故堰长96.18.27.0wl

降液管面积2524.0955.609.099.0mAATf

由《化工原理》（朱家骅编制）图11.19弓形降液管的参数图

查得148.0DWd

故降液管宽度

mWd481.08.2148.0

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：

ssLHAsTf56.21033147.08.0245.0

故降液管尺寸适宜。

溢流堰

取0.1Lhm

则19.2296.133.119)(5.25.2whlL

图4.3 液体收缩系数计算图

由《化工原理》（朱家骅编制）图11.20液体收缩系数计算图查得：

30.1E

由弗朗西斯公式，堰上液层高度

mlLEhwsow232231053.41.9633.11930.100284.0100084.2

堰高0547.00453.01.0owLwhhh

受液盘和底隙：

塔板上接受降液管流下液体的那部分区域称为受液盘，常用平形型式。为减小液体流动阻力和考虑到固体杂质可能在底隙处沉积，所以0h不可过小。但若

0h过大，气体又可能通过底隙窜入降液管，故底隙宜小些以保证液封。

取0.15/OLmsu

则mulwLshOL113.015.096.1033147.00

塔板布置

a.受液区和降液区：一般这两个区域的面积相等，均可按降液管截面积fA计。

b.边缘区：在塔壁边缘留出一定宽度的环形区域供固定塔板用。

c.入口安定区和出口安定区，通常宽度相等。

d.有效传质区：余下的塔板上有浮阀孔的区域。

于此处考虑：

塔径900Dmm，采用分块组装式；

边缘宽度取500.05cWmmm；

安定区宽度均取0.08sWm；

降液管宽0.3dWm

4.3.4 浮阀数目N及孔间距

F1重型浮阀阀孔直径00.039dm。取120F。

阀孔气速smFuv/88.6045.31200

每层塔板浮阀数6.95588.6039.043600/5086.2825942020udVsN

圆整为956N

浮阀排列：采用等腰三角形叉排。

由上一小节所假设,鼓泡区面积为

rxrxrxrxrxrxAa12221222sin180'sin180''

其中