1、第6章 Hysys在化工設(shè)備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,-精餾塔水力學(xué)計(jì)算,一、塔設(shè)備的一般要求 工藝性能好； 生產(chǎn)能力大； 操作穩(wěn)定性好； 能量消耗少 結(jié)構(gòu)合理； 選材要合理； 安全可靠。,第一節(jié) 塔設(shè)備的應(yīng)用及類型,塔設(shè)備的分類 按操作壓力分：常壓塔、減壓塔、加壓塔 按生產(chǎn)單元分：吸收塔、精餾塔、萃取塔、干燥塔、 洗滌塔 按塔的內(nèi)件結(jié)構(gòu)分：板式塔、填料塔 板式塔 內(nèi)部有一定數(shù)量的塔盤，氣體自塔底向上以鼓泡噴射的形式穿過塔盤上的液層，使氣液兩相充分接觸，進(jìn)行傳質(zhì)。氣液兩相的組份濃度呈階梯式變化。 填料塔 內(nèi)部填有一定高度的填料，液體自塔的上部沿填料表面向下流動(dòng)，氣體作為連續(xù)相自塔底向上流動(dòng)，與液體進(jìn)行逆流

2、傳質(zhì)。氣液兩相的組份濃度沿塔高連續(xù)變化。,板式塔結(jié)構(gòu),填料塔結(jié)構(gòu),二 板式塔,板式塔塔盤的形式及特點(diǎn) 板式塔塔盤的形式 泡罩形、浮閥形、篩板形、舌形、浮動(dòng)噴射形 泡罩塔盤（Bubble Cap）,泡罩塔盤 1升氣管；2泡罩；3塔盤板, 浮閥塔盤（Valve）,浮閥塔盤氣液接觸狀況,篩板塔盤,Dual Flow Tray,篩板塔盤示意圖,舌形和浮舌塔盤,塔板的比較,塔板性能比較,成本,泡罩板,1.0,1.0,10100,高,復(fù)雜,篩板,1.21.4,1.1,35100,低,簡單,浮閥板,1.21.3,1.11.2,10100,中,一般,舌型塔板,1.31.5,01.1,50100,低,最簡單,斜

3、孔板,1.51.8,1.1,30100,低,簡單,各種塔板的優(yōu)點(diǎn)及適用范圍,適用范圍,泡罩板,較成熟，操 作范圍寬,結(jié)構(gòu)復(fù)雜，阻力大，生產(chǎn)能力低,浮閥板,效率高，操 作范圍寬,采用不銹鋼，浮閥易脫落,篩板,效率較高， 成本低,安裝要求水平,易堵,操作范圍窄,舌型板,結(jié)構(gòu)簡單,生產(chǎn)能力大,操作范圍窄，效率較低,斜孔板,生產(chǎn)能力大,效率高,操作范圍比浮閥塔和泡罩塔窄,塔板上的異常操作現(xiàn)象,1）漏液,漏液,兩相在塔板上的接觸時(shí)間,板效率,控制：漏液量不大于液體流量的10%。,漏液氣速：,漏液量達(dá)到10%的氣體速度。,板式塔操作的氣速下限,原因：,氣速太小、板面上液面落差引起的氣流分布不均勻,2）液沫

4、夾帶,影響因素 空塔氣速：空塔氣速減小，液沫夾帶量減小 塔板間距：板間距增大，液沫夾帶量減小,現(xiàn)象：,液滴隨氣體進(jìn)入上層塔板。,后果：,過量液沫夾帶，造成液相在板間的返混，板效率下降,控制：,液沫夾帶量eV0.1kg(液)/kg(氣)。,3）液泛,夾帶液泛,降液管液泛,原因：,氣液兩相流速過大,影響因素：,流量、塔板結(jié)構(gòu),板間距大,液泛速度高,塔板效率,1、塔板效率的表示法,1）總板效率ET( 全塔效率）,達(dá)到指定分離效果所需理論板層數(shù)與實(shí)際板層數(shù)的比值。,簡單地反映了整個(gè)塔內(nèi)的平均傳質(zhì)效果。,2）單板效率EM(默弗里效率 ),直接反映該層塔板的傳質(zhì)效果,3）點(diǎn)效率EO,試比較點(diǎn)效率與單板效率

5、、全塔效率,2、塔板效率的估算,1）影響塔板效率的因素,a）物系性質(zhì)：粘度、密度、表面張力及相對(duì)揮發(fā)度等。 b）塔板結(jié)構(gòu)：塔徑、板間距、堰高及開孔率等。 c）操作條件：溫度、壓強(qiáng)、氣體上升速度及氣液流量比。,2）板效率的估算,注意公式適用條件,Overall Tray Efficiencies,三、填料塔,填料及支承結(jié)構(gòu) 填料的種類 散裝填料 規(guī)整填料 格柵填料,散堆填料,規(guī)整填料,第二節(jié) Hysys板式塔設(shè)計(jì)-水力學(xué)計(jì)算,降液管,受液區(qū),溢流堰,溢流堰,俯視圖,Down Comer,Weir,Hole,Calming Zone,板式塔設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)內(nèi)容： 塔高 塔徑 溢流裝置的結(jié)構(gòu)與尺寸 確定塔

6、板板面布置 塔板的校核 繪制負(fù)荷性能圖 （沈復(fù)教授提出，國內(nèi)廣泛使用）,填料塔設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)內(nèi)容： 塔高 塔徑 填料類型 填料段總高度 填料段分段高度 氣體分布器/液體分布器 水力學(xué)核算 泛點(diǎn)率 液體噴淋密度,塔設(shè)計(jì),1塔高的計(jì)算 N實(shí)實(shí)際塔板數(shù)； 板間距,塔設(shè)計(jì),板間距的確定 板間距的數(shù)值大都是經(jīng)驗(yàn)值。在決定板間距時(shí)還應(yīng)考慮安裝檢修的需要，例如在塔體的人孔手孔處應(yīng)留有足夠的工作空間。在設(shè)計(jì)時(shí)可參考下表選取。 表 不同塔徑的板間距參考值 塔頂空間高度是指塔頂?shù)谝粔K塔板到頂部封頭切線的距離。為了減少出口氣體中夾帶的液體量，這段高度常大于一般塔板間距，通常取 1.21.3米。 當(dāng)再沸器在塔外時(shí)，塔底空

7、間高度是指最末一塊塔板到塔底封頭切線的距離。液體自離開最末一塊塔板至流出塔外，需要有1015分鐘的停留時(shí)間，據(jù)此由釜液流量和塔徑即可求出此高度。,塔設(shè)計(jì),2塔徑的計(jì)算 根據(jù)圓管內(nèi)流量公式，塔徑可表示為 式中 塔徑，m； 塔內(nèi)汽相流量，m3/s； 空塔汽速，m/s。 顯然，計(jì)算塔徑的關(guān)鍵在于確定適宜的空塔汽速，所謂空塔汽速是指汽相通過塔整個(gè)截面時(shí)的速度。設(shè)計(jì)時(shí)，一般依據(jù)產(chǎn)生嚴(yán)重液沫夾帶時(shí)的汽速來確定，該汽速稱為極限空塔汽速，用 表示。,塔設(shè)計(jì),式中: C 汽相負(fù)荷因子，m/s。 L,V 液、汽相密度，m3。 塔徑圓整： 0.3,0.4,0.5,0.6、0.7、0.8、1.0、1.2、1.4、1.

8、6,Hysys水力學(xué)設(shè)計(jì)與核算,Tray Sizing 塔板尺寸工具可以對(duì)收斂塔進(jìn)行部分或全部的設(shè)計(jì)和確定尺寸計(jì)算?？梢灾付ㄋ?nèi)填料或塔板信息，入板直徑、填料尺寸、設(shè)計(jì)溢流和壓降參數(shù)。結(jié)果包括塔徑、壓降、溢流、塔板直徑等。,Hysys水力學(xué)設(shè)計(jì)與核算,ToolUtilitiesTray SizingAdd Utility,Hysys水力學(xué)設(shè)計(jì)與核算,選擇塔，可增加多個(gè)塔段(Tray Section)分別設(shè)計(jì),Weir,DC Clearance,Specs Page頁面,物性計(jì)算來源,Tray Sizing可用的參數(shù)配置,設(shè)計(jì)參數(shù)（Design Parameters）,Tray Sizing可用

9、的參數(shù)配置,塔板配置參數(shù)（Tray Configuration Parameters）,液流通道數(shù)（Number of Flow Paths） 通常使用多路塔板可以得到較小的塔直徑。流程越多，在塔板上安裝的浮閥和篩孔的數(shù)量就越少。這樣會(huì)導(dǎo)致壓降增加，降液管承受量增加，塔板效率降低,液流通道,塔段直徑（Section Diameter） 根據(jù)指定的流程數(shù)量顯示塔段的直徑。 塔板屬性（Tray for Properties） 僅在核算（Rating）模式下可用?？梢灾付ㄓ?jì)算塔屬性使用到的塔板 塔板間距（Tray Spacing） 塔板間距是指兩個(gè)塔板之間垂直距離：,浮閥和塔板的材料厚度 （Valv

10、e and Tray Material Thickness） 材料厚度通常用標(biāo)準(zhǔn)度量（gauge）來描述 標(biāo)準(zhǔn)度量（gauge）和英寸（inches）換算,起泡因子（Foaming Factor） 氣泡因子是度量系統(tǒng)的氣泡趨勢(shì)。氣泡因子越小會(huì)導(dǎo)致的塔板效率越低和要求的塔直徑越大,常見系統(tǒng)起泡因子,常見系統(tǒng)起泡因子,最大壓降（Maximum Pressure Drop） 每個(gè)塔板允許的最大壓降可以按液體高度輸入。如果不指定，使用默認(rèn)的液體最大高度是4 英寸。對(duì)于填料（Packed）塔板，參數(shù)是每高度填料的壓降。默認(rèn)參數(shù)是每英尺填料為0.5 英寸的水柱 最大液泛率（Maximum Flooding

11、） 塔的尺寸是按照整齊和液體通道來給定的。塔的溢流在任何塔板不能超過這個(gè)參數(shù)。正常情況下推薦最大值是85%，真空和低壓降情況下推薦77%。這些值產(chǎn)生大約10%夾帶。直徑36 英寸以下要使用65%75%的溢流參數(shù)?？梢灾付ǜ偷闹?，例如需要增加容量時(shí)，如果不指定該值，平孔板的最大溢流值是85%，文丘里孔板的溢流最大值是77%。,填料相關(guān)性（Packing Correlation） 默認(rèn)選擇是 Robbins 相關(guān)性，它能較好地來預(yù)測(cè)壓降和流體儲(chǔ)液面。特別是使用的新填料材料。 只有在負(fù)荷20000（流體負(fù)荷9200lb/hr.ft2）。當(dāng)塔操作高于該范圍時(shí)選擇SLE（Sherwood-Leva-E

12、ckert）相關(guān)性。 填料相關(guān)性（Packing Correlation）、等板高度（HETP）和填料類型（Packing Type）只有在填料塔時(shí)才有效。 填料塔信息可以有上面三個(gè)參數(shù)指定。除了填料類型和填料塔板直徑外，所有填料參數(shù)都是默認(rèn)值。 最大液泛率（Maximum Flooding） 塔的尺寸是按照整齊和液體通道來給定的。塔的溢流在任何塔板不能超過這個(gè)參數(shù)。正常情況下推薦最大值是85%，真空和低壓降情況下推薦77%。這些值產(chǎn)生大約10%的夾帶。直徑36 英寸一下要使用65-%75%的溢流參數(shù)?？梢灾付ǜ偷闹?，例如需要增加容量時(shí)，如果不指定該值，平孔板的最大溢流值是85%，文丘里孔板

13、的溢流最大值是77%。 等板高度（HETP） 高度系數(shù) HETP 與填料塔和板式塔相關(guān)。該值參考填充的高度等價(jià)于理論塔板。對(duì)于設(shè)計(jì)，最精確的HETP 系數(shù)是填料的廠商公布的,填料類型（Packing Type）,金屬（M）、塑料（P）、陶瓷（C）、金屬規(guī)整填料（S）,篩板塔溢流方法（Sieve Tray Flooding Method） 最小 Csb（Minimum Csb） 初始 Csb（Original Csb） 完全修改后的 Csb（Fairs Modified Csb） 塔板內(nèi)件頁面（Tray Internals Page） 篩板塔板參數(shù)（Sieve Tray Parameters）

14、孔距(Hole Pitch),1.55倍孔直徑以內(nèi)。默認(rèn)0.5 英寸 孔直徑（Hole Diameter）,默認(rèn)值 0.187 英寸 浮閥塔板參數(shù)（Valve Tray Parameters,默認(rèn)） 浮閥材料密度（Valve Material Density）,塔板內(nèi)件頁面（Tray Internals Page） 浮閥塔板參數(shù)（Valve Tray Parameters,默認(rèn)） 浮閥材料密度（Valve Material Density） 孔面積（Hole Area）,浮閥默認(rèn)值是15.3%， 浮閥孔板類型（Valve Orifice Type） 垂直（Straight） 文丘里（Ventu

15、ri） 液泛計(jì)算方法（Design Manual for Flooding Calculations） Glitsch Koch Nutter）,塔板內(nèi)件頁面（Tray Internals Page） 泡罩塔板（Bubble Cap Trays） 泡罩槽高度（Bubble Cap Slot Height），默認(rèn)槽高度是1.0 英寸,塔板公用參數(shù)（Common Tray Parameters） 側(cè)堰類型（Side Weir Type） 垂直（straight） 減壓（relief） 溢流堰高度（Weir Height） 默認(rèn)值為2 英寸,塔板公用參數(shù)（Common Tray Parameters

16、） 溢流堰最大允許負(fù)荷（Maximum Allowable Weir Loading） 一般值為60-120 USGPM/ft 0.7451.49 m3/(m.h) 增加液流通道或安裝溢流圍堰可以減少圍堰負(fù)載 圍堰負(fù)載可以達(dá)到240 USGPM/ft 2.98 m3/(m.h) 默認(rèn)值是120 USGPM/ft 1.49 m3/(m.h),塔板公用參數(shù)（Common Tray Parameters） 降液管類型（Downcomer Type） 垂直（vertical），默認(rèn) 傾斜（sloped） （傾斜的降液管在底端寬度比較狹窄。塔板有更多有效面積和更多閥，低壓降） 降液管底部間隙（Downc

17、omer Clearance） 一般推薦液封高度為0.5 英寸 由于高流速液體壓降較高，可減少 如果沒有指定，使用的高度比堰高小0.5 英寸。 最大允許降液管液柱高度（Maximum Allowable Downcomer Backup） 如果沒有指定，對(duì)于氣體密度大于3lb/ft3 使用40% 正常密度是50% 密度比小于1 lb/ft3 使用60%。 該項(xiàng)僅在核算模式下使用。,Report,塔器設(shè)計(jì)步驟,完成流程計(jì)算，保證收斂(塔壓降需估計(jì)) 點(diǎn)ToolsUtilitiesadd tray sizing utility，點(diǎn)Select TSFlowsheet中選擇塔，在Object中點(diǎn)塔名

18、稱，OK. 點(diǎn)擊 Add Section （或者點(diǎn)擊Auto Section，自動(dòng)分段）. 在 Design選項(xiàng)卡 Specs頁面下，按 F1可調(diào)出幫助頁面。點(diǎn)internals 選擇最合適的塔內(nèi)件，選擇design 模式，讓程序自動(dòng)選擇最優(yōu)參數(shù)。要注意的是，sieve, valve 液相，Dummy Liquid 能量流：Reactor Cooling 等溫反應(yīng)：200 壓降：100 kPa 反應(yīng)器：圓柱形，直徑10m, 高度10m,簡單操作步驟搭建流程,6.反應(yīng)器Reactions選項(xiàng)卡下，加入反應(yīng)集 Rating選項(xiàng)卡Sizing下輸入反應(yīng)器結(jié)構(gòu)：,簡單操作步驟搭建流程,8.反應(yīng)器Des

19、ign選項(xiàng)卡Parameters下，輸入反應(yīng)器壓降：,簡單操作步驟搭建流程,反應(yīng)器計(jì)算結(jié)果,簡單操作步驟搭建流程,9.添加反應(yīng)產(chǎn)物冷凝器: 單元操作類型：Cooler 名稱：Product Cooler 進(jìn)料：From Reactor 出料：Condensed Mixture 能量流：Product Cooler Duty 壓降：50 kPa 物料出口溫度：40,簡單操作步驟搭建流程,10.添加反應(yīng)產(chǎn)物凝液氣液分離器: 單元操作類型：Separator 名稱：Separator 進(jìn)料：Condensed Mixture 出料：Vapor, Liquid 能量流：絕熱 壓降：0 kPa,簡單操作

20、步驟搭建流程,11.添加分離器氣相物流分割器: 單元操作類型：Tee 名稱：Purge Splitter 進(jìn)料：Vapor 出料：Purge, Recycled 分割比：Purge 0.0001 作用：將部分氣相物料“放空”以維持系統(tǒng)內(nèi)部物料平衡,簡單操作步驟搭建流程,12.添加循環(huán)氣體增壓機(jī): 單元操作類型：Compressor 名稱：Recycle Compressor 進(jìn)料：Recycled 出料：To Recycle 能量流：Recycl Comp Power 出口壓力：4000 kPa Parameters: 默認(rèn),簡單操作步驟搭建流程,13.添加Recycle單元: 單元操作類型：

21、Recycle 名稱：Recycle 進(jìn)料：To Recycle 出料：Recycle 功能：循環(huán)迭代循環(huán)氣體Recycle，直到算出的 To Recycle條件與假設(shè)的Recycle條件誤 差達(dá)到精度要求 應(yīng)該自動(dòng)完成所有流程計(jì)算 對(duì)比完成迭代計(jì)算后的Recyce物流條件與開始時(shí)在 “搭建流程”第3部中所假設(shè)的物流條件有何差別！,反應(yīng)器結(jié)果,簡單操作步驟搭建流程,優(yōu)化反應(yīng)： 研究結(jié)果表明，生成甲烷反應(yīng)的最佳條件為： 實(shí)際轉(zhuǎn)化率為平衡轉(zhuǎn)化率的90% 反應(yīng)器高徑比 1/2 調(diào)整反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，計(jì)算反應(yīng)，考察轉(zhuǎn)化率 Height Diameter Conversion 1 2 42.65 .9 1.8

22、 41.54 .89 1.78 41.40,簡單操作步驟搭建流程,15.產(chǎn)物分離 添加精餾單元操作 單元操作類型：Distillation Column 名稱：Distillation 進(jìn)料：Liquid 出料： 塔頂氣相，Methanol; （Partial） 塔頂液相餾出物，Dummy; 塔底，Water 能量流： 冷凝器，Condenser Duty 再沸器，Reboiler Duty 理論板數(shù)：10, 進(jìn)料位置：5 壓力：頂1000 kPa, 冷凝器壓降0，底1015 kPa 初值：回流比3, 氣相餾出物19.729kmol/h，液相餾出0,點(diǎn)擊運(yùn)行,簡單操作步驟搭建流程,調(diào)整設(shè)計(jì)變量

23、(Specs) 原先規(guī)定：Reflux Ratio, Ovhd Vap Rate, Distillate Rate,簡單操作步驟搭建流程,調(diào)整設(shè)計(jì)變量(Specs) 增加：塔頂Methanol中含水量規(guī)定 (1%w) 塔頂Methanol產(chǎn)品中甲醇回收率97%,簡單操作步驟搭建流程,調(diào)整設(shè)計(jì)變量(Specs) 增加：塔頂Methanol中含水量規(guī)定 (1%w) 塔頂Methanol產(chǎn)品中甲醇回收率97%,簡單操作步驟搭建流程,17. 流程計(jì)算完成 精餾塔計(jì)算要點(diǎn)： 從進(jìn)料條件估計(jì)出塔頂餾出物流率 給出回流比初值。在多數(shù)情況下可輸入3 先在上面規(guī)定下完成塔的計(jì)算 根據(jù)實(shí)際需要更改設(shè)計(jì)規(guī)定，并激活

24、，同時(shí)使原先的相同數(shù)量的規(guī)定失效 有時(shí)可能要調(diào)整設(shè)計(jì)規(guī)定的數(shù)值。,簡單操作步驟添加甲醇產(chǎn)品水冷卻器及儲(chǔ)罐,18. 添加甲醇產(chǎn)品冷卻水物流 物流名稱：Water Source 流量：100000 kg/h 溫度：30 壓力：150 kPa 組成：純水,簡單操作步驟添加甲醇產(chǎn)品水冷卻器及儲(chǔ)罐,19. 添加甲醇產(chǎn)品冷卻水泵 單元類型：Pump 單元名稱：Water Pump 進(jìn)料物流：Water Source 出料物流：To Condenser 能量流：Pump Power 出口壓力：600 kPa,簡單操作步驟添加甲醇產(chǎn)品水冷卻器及儲(chǔ)罐,20. 添加甲醇產(chǎn)品水冷卻器 單元類型：Heat Exchanger 單元名稱：Condenser 殼程進(jìn)料：To Condense