苯酚生產(chǎn)的塔設(shè)備設(shè)計案例綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u3908苯酚生產(chǎn)的塔設(shè)備設(shè)計案例綜述 1326091.1設(shè)計概述 1140141.2塔設(shè)備選型 2282171.2.1概述 243611.2.2塔設(shè)計要求 2263741.2.3塔的類型 269661.2.4填料塔 4184011.2.5填料塔和板式塔的比較 5253751.2.6塔型的結(jié)構(gòu)與選擇 6304181.3塔設(shè)計計算 7286381.3.1水力學(xué)參數(shù) 7314841.3.2塔徑的計算 7324631.3.3工藝尺寸的計算 9112661.4流體力學(xué)驗算 12168551.4.1降液管液泛 1245411.4.2停留時間 13288791.4.3霧沫夾帶量校核 1378041.4.4嚴(yán)重漏液校核 14202821.5精餾段塔板負(fù)荷性能圖 14991.5.1漏液線 1442701.5.2過量霧沫夾帶線 14273031.5.3液相負(fù)荷下限線 1565601.5.4液相負(fù)荷上限線 15321791.5.5液泛線 15182891.5.6負(fù)荷性能圖 15280321.6提餾段塔板負(fù)荷性能圖 164881.6.1漏液線 16162941.6.2過量霧沫夾帶線 16106231.6.3液相負(fù)荷下限線 1717711.6.4液相負(fù)荷上限線 17207881.6.5液泛線 17287671.6.6負(fù)荷性能圖 17設(shè)計概述設(shè)備選型在項目建設(shè)中具有極其重要的地位。從工藝設(shè)備上來看，化工設(shè)備具體可分為兩大類，其一是標(biāo)準(zhǔn)型設(shè)備，其二就是非標(biāo)準(zhǔn)性設(shè)備。按照定義，標(biāo)準(zhǔn)型設(shè)備指的是已經(jīng)按照根據(jù)相關(guān)的國家規(guī)定，統(tǒng)一按照對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，不用做過多調(diào)整，能進(jìn)行批量生產(chǎn)的設(shè)備；而與之相對應(yīng)的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備是指從設(shè)備的實際用途和需求出發(fā)，參考目前的工藝條件，再結(jié)合物料計算，從而計算出相應(yīng)的尺寸，或者是專業(yè)的設(shè)備設(shè)計人員對現(xiàn)有的圖紙進(jìn)行修改，再交予生產(chǎn)商按照圖紙內(nèi)容進(jìn)行制造。本項目擬建一套年產(chǎn)15萬噸異丙苯法制苯酚氧化工段工藝設(shè)計。本次設(shè)備設(shè)計對部分的主要設(shè)備進(jìn)行選型設(shè)計，過程中主要確定設(shè)備的直徑、高度等基本尺寸，部分設(shè)備的制造材料、接口尺寸。為設(shè)備的制圖做基礎(chǔ)。塔設(shè)備選型概述精餾塔以氣液或液液等形式來進(jìn)行質(zhì)量交換，從而達(dá)到物質(zhì)分離的的目的。塔器在化工、制藥等行業(yè)的分離中是常見的設(shè)備，也是關(guān)鍵性的設(shè)備。塔設(shè)計要求(1)確定具體的分離效率，并核算出與之對應(yīng)的塔高。(2)從設(shè)計選型中選出兼顧生產(chǎn)能力和單位塔截面積處理量的設(shè)計(3)實際生產(chǎn)中，傳質(zhì)分離的效果與操作彈性系數(shù)有著息息相關(guān)的聯(lián)系。對于實際的氣液負(fù)荷曲線來說，把分離效率最高的點所處的位置下調(diào)15%的，與之對應(yīng)的最大負(fù)荷和最小負(fù)荷，它們的比值稱為操作彈性。通常，在這一區(qū)間，操作趨于平穩(wěn)。(4)從流體力學(xué)的角度來看，通過的氣體阻力越小，它的輸送功率就越低。在真空精餾的環(huán)境下，降低流經(jīng)的氣流的阻力，能使塔頂與塔底的壓強差變小，當(dāng)塔底操作壓強減小，塔底溶液的氣泡點也隨之減小，對塔釜加熱劑的要求也隨之降低，同時還能緩解塔底物料的分解。(5)造型簡單，造價相對低廉，設(shè)備的原材料來源豐富，在加工、維修和制造上方便快捷，能應(yīng)對多種場景。塔的類型工業(yè)上使用的塔類型主要是填料塔和板式塔兩種，對于填料塔和板式塔的比較和選擇如下。（1）板式塔常見的板式塔如下。通常，把塔內(nèi)有多層塔板的塔稱為板式塔。每一層塔板上都能進(jìn)行熱量傳遞和物質(zhì)傳遞，再通過辨別塔板的形狀、塔板的結(jié)構(gòu)或者氣液兩相在塔板上的表現(xiàn)，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(chǎn)量大的特點。同時，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計，它的傳遞物質(zhì)的效率也優(yōu)于其他塔，也具有霧沫夾帶量少、液面梯度較為平緩、塔設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單的特點。浮閥塔的出現(xiàn)時間較晚，成長潛力很大，目前有很多專家不斷對浮閥塔進(jìn)行改進(jìn)，因此，新的浮閥塔不斷涌出。=2\*GB3②泡罩塔從板式塔的歷史來看，泡罩塔是最早出現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)上的，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計，氣相與液相能充分接觸，有較大的操作彈性，但這也導(dǎo)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(fù)雜，在應(yīng)用層面處于劣勢地位。=3\*GB3③篩板塔篩板塔是結(jié)構(gòu)最簡單的板式塔，它具有降液管，孔徑取4~8mm。由于結(jié)構(gòu)簡單，在制造上比較方便，具有處理量大、塔體清洗方便、結(jié)構(gòu)件修理、更換方便。但是操作范圍相對較小，只適用于粘性較小的物料，以防止堵塞。④波紋穿流板塔波紋穿流塔板是最近幾年新研發(fā)的一種板式塔，從氣液兩相流經(jīng)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(chǎn)能力強的特點。同時，由于霧沫夾帶量較小，塔內(nèi)壓強小，塔體內(nèi)方便清潔，不容易堵塞。目前來看，我國應(yīng)用最廣泛的浮閥塔類型有F1型、V-4型和T型。其中，F(xiàn)1型浮閥塔的結(jié)構(gòu)最簡單，應(yīng)用也最廣泛。而F1型浮閥塔又有重閥和輕閥之分，它們主要區(qū)別在重量和厚度上。一般來說，浮閥的重量對操作的穩(wěn)定性有較大影響，隨著閥的重量增加，穩(wěn)定性也會增強，但是相應(yīng)的氣體阻力也會變大。綜合來看，重閥的使用場景更廣闊，但是在某些壓降比較小的場景，就必須使用輕閥，比如真空精餾。表4-1三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(zhì)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(jìn)，液相從塔頂進(jìn)，熱量傳遞和物質(zhì)傳遞主要在填充物料的表面進(jìn)行，因此，填料塔的關(guān)鍵在于選擇合適的填料。填料塔的類型比較多，從裝填的類型來看，可分為散裝填料和規(guī)整填料，具體原則有以下幾條：（1）需要較大的比表面積，通量高，傳質(zhì)效率也比較高；（2）填料塔的壓降比較??；（3）較高的操作性能，且流經(jīng)的液體再分布性能要好；（4）塔體的機(jī)械強度合適，造價低廉；填料的選擇要以類型、填料規(guī)格、填料材料更方面考慮。填料的主要幾種類型有拉西環(huán)、鮑爾環(huán)以及階梯環(huán)等。包裝形式又有波紋、網(wǎng)格以及纏繞等方式。九種常用填料的性能評價見表4-2:表4-2九種常用填料性能對比排序填料名稱評價評估值1絲網(wǎng)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(huán)效果非常好0.575金屬階梯環(huán)效果不錯0.536金屬鮑爾環(huán)效果不錯0.517瓷Intalox效果還行0.418瓷鞍形環(huán)效果差0.389瓷拉西環(huán)效果差0.36填料的選擇既要滿足工藝條件，也要滿足生產(chǎn)條件，還要節(jié)約成本，使設(shè)備等投資費用達(dá)到最低。填料塔和板式塔的比較表4-3精餾塔的主要類型及特點類型板式塔填料塔結(jié)構(gòu)特點每層板上裝配有不同型式的氣液接觸元件或特殊結(jié)構(gòu)塔內(nèi)設(shè)置有多層整砌或亂堆的填料，如拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、鞍型填料等散裝填料，格柵、波紋板等規(guī)整填料操作特點氣液逆流逐級接觸微分式接觸，可采用逆流操作，也可采用并流操作設(shè)備性能空塔速度（亦即生產(chǎn)能力）高，效率高而且穩(wěn)定；塔壓降大，液體量大，操作彈性大。空塔氣速與塔徑成反比，液相的噴淋密度要大，但持液量不宜過大，操作的彈性大，效率低制造與維修直徑在600mm以下的塔安裝困難，金屬材料耗量大新型填料制備復(fù)雜，造價高，檢修清理困難，可采用非金屬材料制造，但安裝過程較為困難適用場合處理量大，操作彈性大，帶有污垢的物料處理強腐蝕性，液氣比大，真空操作要求壓力降小的物料確定塔的參數(shù)選型需要綜合各種因素，例如操作物質(zhì)的物性，操作的條件，塔的適應(yīng)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(nèi)空間利用充分，能提供更大的傳質(zhì)面積，導(dǎo)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(yōu)先考慮填料塔。當(dāng)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。從吸收過程考慮，主要類型有液膜控制和氣膜控制，還有介于兩者之間的共同控制吸收這三種類型。氣膜控制吸收類似于真空精餾，選擇高效規(guī)整的填料塔；液膜控制類似于加壓蒸餾，優(yōu)先選擇板式塔；介于二者之間的按照經(jīng)驗，多數(shù)選用散裝填料塔?？偟膩碚f，具體選型應(yīng)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(xiàn)液泛現(xiàn)象。對于腐蝕性強的物系，選擇填料塔是最合適的，但必須選擇板式塔時，可以考慮篩板塔，篩板塔的結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，結(jié)構(gòu)件更換更方便。對于熱敏性的物料，應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)臏p壓操作，以防止溫度太高引起物料分解或聚合，因此應(yīng)該選擇壓降較小的塔型。對于粘性較大的物系，可以選用大尺寸較大的填料塔。對于含有懸浮物的物料，應(yīng)選擇液相流通道大的塔型，這里優(yōu)先考慮板式塔。對于操作過程中有較大熱效應(yīng)的系統(tǒng)，優(yōu)先考慮板式塔。（2）操作條件因素當(dāng)氣相傳質(zhì)阻力較大時，宜采用填料塔。當(dāng)液體負(fù)荷較大時，可選用填料塔。（3）其他因素通常，當(dāng)塔體直徑大于800mm時，優(yōu)先考慮板式塔最優(yōu)，否則選擇填料塔。填料塔用于吸收和解吸過程，可以達(dá)到很好的傳質(zhì)效果，因為它具有通量大、阻力小、傳質(zhì)效率高等性能。因此實際過程中，吸收、解吸和氣體洗滌過程絕大多數(shù)都使用填料塔。由于填料塔具有通量大、傳質(zhì)效率高和阻力小的特點，因此它的吸收、解吸過程的物質(zhì)傳遞效果很好。塔型的結(jié)構(gòu)與選擇塔設(shè)備結(jié)構(gòu)主要有：附件、內(nèi)件、塔體及支座。（1）塔體的結(jié)構(gòu)比較簡單，主要由封頭和筒節(jié)組成。當(dāng)塔體直徑大于800mm時，多節(jié)塔體焊接，形成一個整體；當(dāng)塔體直徑小于800mm時，塔體分多段制造，再用法蘭連接起來，形成整體結(jié)構(gòu)；（2）板式塔的塔內(nèi)件主要是塔盤，填料塔的內(nèi)件主要是填料制支承，同時也是物料經(jīng)過的區(qū)域；（3）常用的支座是裙式支座；（4）附件包括手孔、人孔，各種扶梯、平臺、吊柱、接管等。同時，還需考慮物料的特殊物性、操作壓力的具體范圍以及經(jīng)濟(jì)成本等因素。塔設(shè)計計算本次計算以塔T201計算為例，操作壓力為0.15MPa，塔頂溫度41.245℃，塔底溫度194.127℃，塔板數(shù)50塊，詳細(xì)的計算過程如下所述。水力學(xué)參數(shù)提取Aspenplus各塔板上的物性參數(shù)，選取塔板上氣液相負(fù)荷最大的第1塊塔板進(jìn)行手工計算和校核，然后再用Aspenplus進(jìn)行塔的設(shè)計和校核，通過比較來檢查計算的正確性。表4-1塔板物性數(shù)據(jù)物性參數(shù)符號液體L氣體V溫度/℃T41.245102.085質(zhì)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—塔徑的計算塔板間距HT的選取與塔高、塔徑、物性性質(zhì)、分離效率、操作彈性以及塔的安裝、檢修等因素有關(guān)。設(shè)計時通常根據(jù)塔徑的大小，由表4-2列出的塔板間距的經(jīng)驗數(shù)值選取。表4-2塔板間距和塔徑的關(guān)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(shù)：L圖4-1史密斯關(guān)聯(lián)圖查圖4-1得C20矯正到表面張力為21.631mN/m時C=u取安全系數(shù)為0.600，則空塔氣速為u=0.600D=按標(biāo)準(zhǔn)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(shù)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）溢流裝置計算塔徑D=2.400m，可選用單溢流弓形降液管，采用凹形受液盤。各項計算如下：①降液管尺寸取堰長：l由弓形降液管的幾何關(guān)系圖如下所示：結(jié)構(gòu)參數(shù)圖查得：圖4-2弓形降液管的幾何關(guān)系圖結(jié)構(gòu)參數(shù)查圖得：A因此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(nèi)堰。L圖4-3液流收縮系數(shù)由《化工原理》（夏清、賈紹義編制）圖液流收縮系數(shù)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(shè)計取u0'選用凹形受液盤，深度hw（2）閥孔數(shù)選用F1型重閥，氣體動能因數(shù)F0的數(shù)值常在8~20之間。閥孔直徑d0初取動能因數(shù)F0u每層塔板上閥孔個數(shù)n=（3）閥孔排列可將塔板分為四個區(qū)域，分別為：①溢流區(qū)降液管及受液盤所占的區(qū)域：W②安定區(qū)溢流區(qū)與鼓泡區(qū)之間的面積安定區(qū)寬度一般在60-70mm，本設(shè)計取WS③無效邊緣區(qū)靠近塔壁的一圈邊緣區(qū)域，主要供支持塔板的邊緣之用。無效邊緣區(qū)寬度一般在50-60mm，取WC④鼓泡區(qū)塔板上氣液接觸的有效面積開孔區(qū)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(shù)：n閥孔氣速u動能因數(shù)F0=u（4）開孔率φ=Aφ=開孔率在10-15%之間，滿足要求。流體力學(xué)驗算降液管液泛降液管內(nèi)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(shù)ε0hl=ε所以：hP=hc+計算H取降液管中泡沫層相對密度?=0.5，則φ（HT可見，Hd＜?（H停留時間應(yīng)保證液體在降液管內(nèi)的停留時間大于5s，才能使得液體所夾帶氣體的釋出。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(jīng)長度：ZL=D-2W板上液流面積：Ab=AT-2A泛點負(fù)荷系數(shù)CF由泛點負(fù)荷系數(shù)圖查得CF=0.130圖4-4泛點負(fù)荷系數(shù)并取物性系數(shù)K=1.5，將以上數(shù)據(jù)代入得到F=0.346及F=0.398可見，兩式均小于80%，故霧沫夾帶量