塔设备设计

4.3 塔设备设计

4.3.1 设计规范

塔设计规范如表4.3.1。

表4.3.1 设计规范

规范

《石油化工塔形设备设计规范》 《石油化工塔盘设备设计规范》

《石油化工钢制塔、容器现场组焊施工工艺标准》 《建筑抗震设计规范》 《建筑结构载荷规范》

标准号 SH 3098-2011 SH 3088-1998 SH3524-1999 GB 50011-2010 GB 50009-2001

4.3.2 设计要求

作为主要用于传质过程的塔设备，必须保证气液两相充分接触，以获得较高的传质效率；同时还应充分考虑设备的经济费用。为此，塔设备应满足以下基本要求：

1）气液两相充分接触，分离效率高； 2）生产能力大，即气液相处理量大；

3）操作弹性大，对气液相负荷波动具有较强的适应性，即能维持操作的稳定性，保持高的分离效率；

4）流体流动阻力小，流体通过塔设备的压降小；

5）结构简单可靠，材料耗用量少，制造安装容易，以降低设备投资，同时尽可能降低操作费用；

6）耐腐蚀和不易堵塞。

本厂有5个塔，我们对其进行了详细设计，并以精馏塔T201为例阐述详细的计算和选型过程。

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4.3.3 工艺参数设计

4.3.3.1 生产能力

根据Aspen模拟得到塔T201进料量为66.032kmol／h（泡点进料）,塔顶采出量为6.603kmol／h，塔底物料流量为59.429kmol／h。 4.3.3.2操作参数

精馏塔T101操作参数如表4.3.2。

表4.3.2 精馏塔T101操作参数

操作压力 0.1MPa

回流比 0.07705

进料状态 泡点进料

理论板数 30

进料位置

1

4.3.3.3物料衡算和能量衡算

（1）物料衡算

选取整个塔作为衡算系统，则其共有3股物料：进料、塔顶出料、塔底出料，故有 66.032=6.603+59.429（单位：kmol / h）。

（2）能量衡算

同样选取整个塔作为衡算系统，则能量可分为两部分：加热负荷和冷却负荷。由Aspen 模拟结果可知，加热负荷为5071.37kW，冷凝负荷为-4958.21kW。

4.3.4 基本结构设计

4.3.4.1塔设备选型原则

气液传质分离用的最多的为塔式设备。它分为板式塔和填料塔两大类。板式塔和填料塔均可用作蒸馏、吸收等气液传质过程，但两者各有优缺点，根据具体情况进行选择。

（1）下列情况优先选择填料塔

1）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；

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2）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；

3）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；

4）容易发泡的物料，宜选用填料塔。 （2）填料塔优点

1）小直径塔费用低，便于安装； 2）液压降低，有利于真空精馏； 3）用于难分离的场合以降低塔高；

4）用于腐蚀严重的场合，在这种情况下可采用耐腐蚀材质填料； 5）适合于发泡物系；

6）改造老塔，增加通量，减少消耗，提高产品质量； 7）用于间歇精缩，因为填料塔的持液量低。 （3）下列情况优先选择板式塔

1）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；

2）液相负荷较小；

3）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，堵塞的危险性较小；

4）在操作过程中伴随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，另外，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；

5）在较高压力下操作的蒸馏塔仍多采用板式塔。 （4）板式塔的优点

1）对于大直径塔设备费用低； 2）不易堵塞，且易清理；

3）适合大液量操作。因为板式塔气流为错流，流量增大对气体负荷影响不大；

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4）适合中间内部换热、侧线出料多的场合。 （5）体系特点

本厂工艺液相负荷相对气体负荷较大；物料洁净且无腐蚀。比较分析板式塔和填料塔各自的特点，结合该塔体系的特点，从分离效率、成本和操作维修等方面考虑，主要分离段精馏塔选用板式塔。选用板式塔可以控制成本，有较高的操作弹性，同时维修方便。 4.3.4.2塔板选型原则

（1）板式塔塔板种类

根据塔板上气液两相的相对流动状态，板式塔分为穿流式与溢流式。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。

（2）各种塔板性能比较

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。这些塔板有各自的特点和适用体系，几种主要塔板的性能比较见表4.3.3。

表4.3.3 塔板性能比较

类型

优点

缺点

结构复杂，造价高，塔板压降大，生产能力及板效率较低

处理易结焦，粘度大的物料时，阀片易与塔板粘结，在操作过程中有时会发生阀片脱落或卡死等现象，使塔板效率和操作弹性较大

应用条件 在设计中除特殊需要（如分离粘度大、易结焦等物系）外一般不宜选用

操作弹性较大，液气比范围

泡罩塔板 大，不易堵塞，适于处理各

种物料，操作稳定可靠 结构简单，制造方便，造价低，塔板开孔率高，生产能

浮阀塔板

力大，操作弹性大，气液接触时间长，塔板效率高

分离要求高

结构简单，造价低，板上液

面落差小，气体压降低。生筛孔易堵塞，不易处理易结

筛孔塔板

产能力较大，气体分散均匀，焦、粘度大的物料 传质效率高 操作气速大，可增大处理能力，塔盘上无液面落差，持

舌形塔板

液量少，故压力降低，塔盘开孔率较大，气液处理量液

液体在塔盘上的停留时间段内，塔板效率低于筛板，舌片尺寸及张角影响塔板效率及操作稳定性

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工业应用中以小孔径筛板为主，大孔径筛板多用于某些特殊场合（如分离粘度大、易结焦等物系）

分离要求较低的闪蒸

胶泡沫型塔盘有所提高

浮喷板

压力降小

浮板易脱落 操作范围窄

分离要求较低的减压

用于小直径的精馏塔

穿流筛板 结构简单

表4.3.4是几种主要塔板的应用范围。

表4.3.4 塔板应用范围

塔板类型 相对生产能力 相对板效率 泡罩板 筛板 穿流筛板 浮阀板

1 1.2-1.4 1.2-1.5 1.2-1.3

1.0 1.1 0.8 1.2

操作范围 10-100 35-100 50-100 10-100

压降 高 低 低 中

结构 复杂 简单 最简单 一般

成本 1.0 0.4-0.5 0.5 0.7-0.9

（3）塔板的选择

本厂的分离过程，生产能力要求高，操作较为稳定，负荷变化不大，对操作范围的要求不高。综合考虑塔板的效率、分离效果和设备的成本、制造、维修等，我们选择目前使用较为广泛的生产能力较大、操作弹性较大及塔板效率高的浮阀塔。浮阀的类型很多，目前国内使用的浮阀有六种，最常用的时V-1型（即F1型），V-4型，其中V-1型浮阀最为普遍，因为V-1型浮阀已有系列化标准，各种设计数据完善，便于设计和对比，因此综合考虑，本厂的5个精馏塔选择浮阀塔（V-1型塔板）。V-1型浮阀的示意图见图4.3.1。

图4.3.1 V-1型浮阀

（4）降液管的类型与溢流方式 1）降液管的类型

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