苯酚生產的塔設備設計案例綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u5720苯酚生產的塔設備設計案例綜述 1126711.1設計概述 18681.2塔設備選型 1297221.2.1概述 2157391.2.2塔設計要求 2252741.2.3塔的類型 2130601.2.4填料塔 3300841.2.5填料塔和板式塔的比較 4311321.2.6塔型的結構與選擇 565271.3塔設計計算 5185651.3.1水力學參數 655891.3.2塔徑的計算 6193071.3.3工藝尺寸的計算 830791.4流體力學驗算 11144071.4.1降液管液泛 11293721.4.2停留時間 12106061.4.3霧沫夾帶量校核 12102631.4.4嚴重漏液校核 1312951.5精餾段塔板負荷性能圖 13245071.5.1漏液線 13178381.5.2過量霧沫夾帶線 1345761.5.3液相負荷下限線 13213371.5.4液相負荷上限線 13317871.5.5液泛線 14234721.5.6負荷性能圖 1425971.6提餾段塔板負荷性能圖 15181601.6.1漏液線 15272651.6.2過量霧沫夾帶線 1568221.6.3液相負荷下限線 16326671.6.4液相負荷上限線 16242511.6.5液泛線 1632791.6.6負荷性能圖 16設計概述設備選型在項目建設中具有極其重要的地位。從工藝設備上來看，化工設備具體可分為兩大類，其一是標準型設備，其二就是非標準性設備。本項目擬建一套年產15萬噸異丙苯法制苯酚和丙酮氧化工段工藝設計。本次設備設計對部分的主要設備進行選型設計，過程中主要確定設備的直徑、高度等基本尺寸，部分設備的制造材料、接口尺寸。為設備的制圖做基礎。塔設備選型概述精餾塔以氣液或液液等形式來進行質量交換，從而達到物質分離的的目的。塔器是化學、制藥和其他工業分離的常見和關鍵設備。塔設計要求(1)確定具體的分離效率，并核算出與之對應的塔高。(2)從設計選型中選出兼顧生產能力和單位塔截面積處理量的設計。(3)實際生產中，傳質分離的效果與操作彈性系數有著息息相關的聯系。對于實際的氣液負荷曲線來說，把分離效率最高的點所處的位置下調15%的，與之對應的最大負荷和最小負荷，它們的比值稱為操作彈性。通常，在這一區間，操作趨于平穩。(4)從流體力學的角度來看，通過的氣體阻力越小，它的輸送功率就越低。(5)造型簡單，造價相對低廉，設備的原材料來源豐富，在加工、維修和制造上方便快捷，能應對多種場景。塔的類型（1）板式塔常見的板式塔如下。通常，把塔內有多層塔板的塔稱為板式塔。每一層塔板上都能進行熱量傳遞和物質傳遞，再通過辨別塔板的形狀、塔板的結構或者氣液兩相在塔板上的表現，就能大致確定這個塔的類型。例如篩板塔、波紋型板塔、噴射塔等。=1\*GB3①浮閥塔浮閥塔的具有效率高、產量大的特點。同時，由于結構設計，它的傳遞物質的效率也優于其他塔，也具有霧沫夾帶量少、液面梯度較為平緩、塔設計結構簡單的特點。=2\*GB3②泡罩塔泡罩塔由于結構設計，氣相與液相能充分接觸，有較大的操作彈性，但這也導致了它的分離效率較低，而且，需要使用較多的金屬來保證塔體的強度，加工相對復雜，在應用層面處于劣勢地位。=3\*GB3③篩板塔篩板塔是板式塔最簡單的結構，它有一個降液管，孔徑取4至8毫米。由于結構簡單，制造方便，具有強大的加工能力，塔體清潔方便，結構部件的維修，更換方便。但是，操作范圍相對較小，僅適用于粘度較低的物料，以防止堵塞。④波紋穿流板塔波紋流板塔是近年來開發的一種新型板式塔，從氣液兩相流經路徑來看，它們從塔板上穿流通過，不具有降液管，具有制造方便、生產能力強的特點。同時，由于霧沫夾帶量較小，塔內壓強小，塔體內方便清潔，不容易堵塞。目前來看，中國使用最廣泛的浮閥塔類型是F1、V-4和T型，其中F1型浮閥塔結構最簡單、應用最廣泛。表19三種閥主要尺寸閥的類型F1型（重閥）V-4型T型篩孔直徑/mm393939閥片直徑/mm484850閥片厚度/mm21.52最大開度/mm8.58.58靜止開度/mm2.52.51.0-2.0閥片質量/mm32-3435-2630-32填料塔填料塔的外形呈圓筒狀，能填充一層或者多層填料。氣相從塔底進，液相從塔頂進，熱量傳遞和物質傳遞主要在填充物料的表層進行，因此，選擇正確的填料是填料塔的關鍵地方。填料塔有很多類型，從裝填類型，可以分為標準散裝填料和規整填料，其原則有以下幾方面：（1）對比表面積、通量、傳質效率有相當高的要求：（2）填料塔壓降較小：（3）操作性能高，流動流體的再分布性能較好：（4）塔體機械強度適宜，成本低：要從類型、填料規格、填料材料多方面考慮填料的選擇。填料的主要幾種類型有拉西環、鮑爾環以及階梯環等。包裝形式又有波紋、網格以及纏繞等方式。九種常用填料的性能評價見表20:表20九種常用填料性能對比排序填料名稱評價評估值1絲網波紋填料效果很好0.862孔板波紋填料效果非常好0.613金屬Intalox效果非常好0.594金屬鞍形環效果非常好0.575金屬階梯環效果不錯0.536金屬鮑爾環效果不錯0.517瓷Intalox效果還行0.418瓷鞍形環效果差0.389瓷拉西環效果差0.36填料的選擇既要滿足工藝條件，也要滿足生產條件，還要節約成本，使設備等投資費用達到最低。填料塔和板式塔的比較表21精餾塔的主要類型及特點類型板式塔填料塔結構特點不同類型的氣液接觸元件或者特殊結構被安裝在每一層板上有鮑爾環、鞍型填料、拉西環等亂堆的散裝填料，以及波紋板、格柵等整砌的規整填料在塔內設置操作特點氣液逆向流動，并且一層一層接觸微分式接觸，可以使用并流操作，也可以使用逆流操作設備性能空塔速度（亦即生產能力）高，效率高而且穩定；塔壓降大，液體量大，可操作范圍大。塔徑高則空塔氣速低，反之亦然，液相的噴淋密度要大，但持液量不宜過大，可操作范圍大，效率低制造與維修安裝直徑在600mm以下的塔比較困難，消耗金屬材料數量大制做新型填料比較復雜，檢查修理困難，制造價格昂貴，因此可以使用非金屬材料制做，但會造成安裝艱難麻煩適用場合處理數量大，可操作范圍大，帶有污垢的物料處理液氣比值較大，腐蝕性強，真空操作要求壓力降小的物料確定塔的參數選型需要綜合各種因素，例如操作物質的物性，操作的條件，塔的適應性，同時還要為塔的制造，安裝以及維修的難度，還有塔體的材料和成本。在精餾段，若是真空精餾或常壓精餾，由于填料塔的塔內空間利用充分，能提供更大的傳質面積，導致氣相與液相能充分接觸，因此，填料塔的效率比板式塔的效率更高，這時能優先考慮填料塔。當考慮加壓精餾的場景時，由于填料塔的投資大，且耐波動能力較弱，此時便不推薦填料塔。總的來說，具體選型應著重考慮以下幾個方面：（1）物性因素物料容易起泡，處理的量又比較小時，選擇填料塔比較好，若選擇板式塔容易出現液泛現象。對于腐蝕性較強的物系，最好選擇填充塔，但當必須選擇板塔時，可以考慮篩板塔，篩板塔的結構簡單，制造成本低，結構件更換更方便。對于熱敏材料，應選擇壓降較小的塔類型。對于較大的粘性材料系統，可以選擇更大的填料塔。對于含有懸浮物質的材料，應選擇液相流通道大的塔類型，優先選擇板式塔。對于在運行過程中具有較大熱效應的系統，優先考慮板式塔。（2）操作條件因素當液體負荷較大時，可以選擇使用填料塔。當氣相傳質阻力較大時，適合使用填料塔。（3）其他因素通常，當塔體直徑大于800mm時，優先考慮板式塔最優，否則選擇填料塔。填料塔采用吸收和解吸，能達到良好的傳質效果，因為它具有通量大、阻力小、傳輸效率高等性能。因此，在實踐中，大部分過程的吸收，解吸和氣體清洗多使用填料塔。塔型的結構與選擇主要有這幾個塔設備結構：塔體，附件，支座，及內件。塔體的結構相對來說比較簡單，主要是由筒節和封頭組成的。多節塔體會焊接成為一個整體當塔體的直徑大于800毫米時；反之則塔體會分成多個被制造，之后再用法蘭將它連接在一起，成為一個整體的結構；板式塔的塔內件主要是塔盤，填料塔的內件主要是填料制支承，同時也是物料經過的區域；（3）裙式支座則是平常比較多為使用的支座；（4）附件則包含各種扶梯、手孔、接管、吊柱、人孔、平臺等。并且同一時刻，要考慮經濟成本、物料的特殊物性以及操作壓力的具體范圍等因素。塔設計計算本次計算以塔T201為例，塔頂溫度41.245℃，塔底溫度194.127℃，塔板數50塊，操作壓力為0.15MPa，計算過程具體如下。水力學參數選取塔板上氣液相負荷最大的第1塊塔板進行校核和手工計算，提取Aspenplus各塔板上的物性參數，然后再用Aspenplus進行塔的校核和設計，確保計算的正確性可以經過對比來實現。表22塔板物性數據物性參數符號液體L氣體V溫度/℃T41.245102.085質量流率/（kg/h）-31508.00031581.600體積流率/（m3/h）-40.59511669.400密度/（kg/m3）ρ776.1472.706表面張力/（dyne/cm）σ21.631—塔徑的計算物性性質、操作彈性、塔高、分離效率、塔的安裝、檢修以及塔徑等因素與塔板間距HT的選取有關。在進行設計的時候可以根據塔徑的大小，由表23列出的塔板間距的經驗數值中進行選擇。表23塔板間距和塔徑的關系塔徑Di/m0.3～0.50.5～0.80.8～1.61.6～2.02.0～2.4>2.4板間距HT/mm200～300300～350350～600450～600500～800≥800初選塔板間距HT=500mm板上液層高度hL=60mmHT-hL=440mm氣液兩相流動參數：L圖10史密斯關聯圖查圖10得C20矯正到表面張力為21.631mN/m時C=u取安全系數為0.600，則空塔氣速為u=0.600D=按標準塔徑圓整后為：D=2.400m塔截面積為：A實際空塔氣速為：u=安全系數u在0.5~0.8 范圍間，合適。工藝尺寸的計算以精餾段計算為例。（1）溢流裝置計算當塔徑D=2.400m，單溢流弓形降液管可以被選擇，使用凹形受液盤。計算具體如下：①降液管尺寸取堰長：l弓形降液管的幾何關系圖如下所示：結構參數圖查得：圖11弓形降液管的幾何關系圖結構參數查圖得：A由此得弓形降液管所占面積：A弓形降液管寬度：W驗算：液體在降液管的停留時間：τ=合適。②溢流堰尺寸因為受液盤為凹形受液盤，所以沒有內堰。L圖12液流收縮系數由《化工原理》（夏清、賈紹義編制）圖液流收縮系數計算圖查得：E=1.02由弗朗西斯公式，堰上液層高度?溢流堰高：hw=hL-③降液管底隙高度h計算公式：h一般u0'=（0.06-0.25）m/s，本設計取u0選用凹形受液盤，深度hw（2）閥孔數選用F1型重閥，閥孔直徑d0=39mm，氣體動能因數F0最開始可以取動能因數F0u每層塔板上閥孔個數n=（3）閥孔排列塔板可以被分為四個區域，如下：①溢流區受液盤及降液管所占的區域：W②安定區鼓泡區與溢流區之間的面積安定區寬度一般在60-70mm，此次設計可以選取WS③無效邊緣區環繞塔壁邊緣區域，主要支撐塔板邊緣。無效邊緣區寬度一般在50-60mm，取WC④鼓泡區塔板上氣液接觸的有效面積開孔區面積AaAx=r=所以A采用等腰三角形錯列，底邊長L0=75mm，排間距t=取t=180mm閥孔排數：n閥孔氣速u動能因數F0=u（4）開孔率φ=Aφ=開孔率在10-15%之間，滿足要求。流體力學驗算降液管液泛降液管內清液層高度：H（1）降液管阻力?（2）塔板壓降?①干板阻力臨界孔速:u閥全開前（u0?閥全開后（u0?所以?②板上充氣液層阻力取充氣系數ε0hl=ε所以：hP=hc+計算H當選取降液管中泡沫層相對密度?=0.5時，則φ（HT可見，Hd＜?（H停留時間有必要確保液體在管中停留超過5s，以便允許液體中所含氣體的排放。τ=可見，所夾帶氣體可以釋出。霧沫夾帶量校核泛點率計算公式：F=板上液體流經長度：ZL=D-2W板上液流經面積：Ab=AT-2A泛點負荷系數CF由泛點負荷系數圖查得CF=0.130圖13泛點負荷系數并取物性系數K=1.5，將以上數據代入得到F=0.346及F=0.398可見兩者均低于80%，因此霧沫夾帶量可滿足<0.1千克（液體）<0.1千克（氣體）的要求。嚴重漏液校核閥門孔的動能系數<5時，嚴重泄漏將會發生，而先前計算得到F0=u精餾段塔板負荷性能圖漏液線對于F1重型閥門，由于動能因子F0＜5時，嚴重漏液將會發生，所以采用FV過量霧沫夾帶線根據霧沫夾帶校核可知，對于本塔，取泛點率F=0.8，那么0.8=化簡得：VV液相負荷下限線對于平直堰，其堰上液層高度how必須要大于0.006m。取hh取E=1.00，代入lw，求得（液相負荷上限線液體的最大流量應該保證停留在不少于3s在降液管中，并選擇液體在降液管中的停留時間的下限為τ=5s，則（液泛線液泛線計算公式aV其中，a=1.91×b=?c=d=(1+ε（取?=0.5，整理得V負荷性能圖將以上五條線標繪在同一VS?LS直角坐標系中，塔板的操作負荷性能圖如圖所示。將設計點（LV圖14負荷性能圖提餾段塔板負荷性能圖漏液