填料塔附属设备设计

5 优化设计计算 5.1 数据预处理 5.2 塔径的计算 5.3 填料层高度的计算5.4 精馏塔塔体年投资折旧费及维修费用1J 5.5 冷凝器年运转费用2J 5.6 再沸器年运转费用或加热蒸汽费用3J5.7 填料年折旧费用 5.8 汽液负荷5.9 年总费用与回流比的关系6 填料塔水力学性能校核 6.1 泛点率校核 6.2核算径比80032825T p D d ==>>8 6.3核算喷淋密度v min ()(M.W.R)0.0820916.72L a =?? t a [m 3/(m .h)] 回流液opt L R D mol h==? 6.4 填料塔压降化原下册P151图11-27Ekert 泛点和压降通用关联图可查得每米填料层压力降。

7 附属设备的设计与选型 7.1 塔顶冷凝器7.1.1 初估冷凝器传热面积 7.1.1.1 冷凝器传热量D opt D D D Dr R Dr R Vr Q )1()1(+=+== 7-1式中 D Q冷凝器传热量，kJ/h ； V 精馏段汽相流量，kmol/h ；D r冷凝器中汽相冷凝潜热，kmol kJ/； D塔顶产品流量，kmol/h ；R 、opt R回流比和最佳回流比。

7.1.1.2 冷凝器传热推动力optD D opt m t T t T t t t ,211,2ln ---=∆ 7-2式中 m t ∆ 冷凝器传热推动力，C ︒；D T 冷凝器汽相（第一块塔板汽相）露点温度，C ︒； 1t冷凝器中冷却水进口温度，C ︒；opt t ,2冷凝器中冷却水最佳出口温度，C ︒。

若C 50)(1max ︒>-=∆t T t D m ，则冷凝器应装有温度补偿装置或采用浮头式换热器。

7.1.1.3 初估冷凝器传热面积)(m D D D t K Q A ∆= 7-3式中 D A 冷凝器传热面积，2m ；D K冷凝器总传热系数，C)h kJ/(m 2︒⋅⋅。

取D K （初估）值代入式7-3 得D A （初估）。

根据D A （初估）从换热器系列型号中选择固定管板式列管换热器，其尺寸为：公称直径 公称压力 管程数 管子根数 换热面积 管长管子排列方式 管子规格 7.1.2 冷凝器选型7.1.2.1 冷凝器传热系数的校核121121222111d d d d R d d b R K s m s αλα++++= 7-4 式中1α、2α冷凝器管内、外对流给热系数，C)W/(m 2︒⋅；1s R 、2s R冷凝器管内、外污垢热阻，/W C)(m 2︒⋅； λ冷凝器管壁导热系数，C)W/(m ︒⋅； 1d 、2d冷凝器管内、外径，m ； m d冷凝器管壁平均直径，m ； b冷凝器管壁厚度，m 。

K冷凝器总传热系数，C)W/(m 2︒⋅；6.3/D K K =。

管外为有机物甲醇，管内为未经处理的井水，可查得1s R 、2s R ； （1）管外2α的计算对水平管外冷凝的对流给热系数可用下式计算31'313222451.1-⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡μλρμαM g 7-5其中 32'TsLn m M =式中 s m冷凝液质量流量，kg/s ；3600/)1(M D R m opt s +=；M冷凝液平均分子量； L冷凝器管长，m ； T n冷凝器总管数；μ 冷凝液粘度，s Pa ⋅；（注意：粘度、密度、导热系数的混合规则） ρ冷凝液密度，3kg/m ；λ冷凝液导热系数，C)W/(m ︒⋅。

注意：物性参数μ、ρ、λ等应用塔顶蒸汽温度D T 和冷凝器壁温w T 的平均值即膜温计算，故应先初估冷凝器管外侧壁温（接近D T ）。

假设冷凝器壁温w T ，可求得63.37C T =，查得此温度下物性参数，并计算得α2。

根据牛顿粘性定律226.3A Q T T DD w α-= 7-6式中 w T冷凝器管外壁温度，C ︒；2A冷凝器管外表面积，即冷凝器的换热面积2m 。

代入式7-6计算得管外侧壁温w T ，直至w T 的计算值与初估值接近，迭代计算成功。

（可以采用Excel 软件进行迭代计算） （2）管内1α的计算当10000Re >、160~6.0Pr =、50/>d l 时，管内对流给热系数可用下式计算4.08.01023.0⎪⎪⎭⎫⎝⎛⎪⎪⎭⎫⎝⎛=λμμρλαp C du d 7-7 该式适用于低粘度流体（o H 22μμ<），本次设计对像为甲醇—水溶液，为低粘度流体，故该式可用。

当雷诺数小于10000时，应乘以校正因子8.15Re /1061⨯-=f 。

式中 λ冷却剂（水）导热系数，C)W/(m ︒⋅； d冷凝器管内径，m ；即2d ； u冷凝器管内流速，m/s ； ρ冷凝器管内流体密度，3kg/m ； μ冷凝器管内流体粘度，s Pa ⋅；p C冷凝器管内流体的比热，C)kJ/(kg ︒⋅；注意点：① p C 的单位为C)J/(kg ︒⋅；② 物性参数λ、ρ、μ、p C 等应由平均温度查表或计算，2/)(1,2t t t opt m +=； ③流速的计算：管内流体（冷却水）的用量：)(1,2t t C Q W opt p D-=，kg/h ；则流速为nd W u 2243600/πρ⨯=7-8式中n 为单程管子数。

把以上相关数据代入计算得13374.3a =，2835.95a =及K =（计算值） 7.1.2.2 冷凝器传热面积的校核由.3/D K K =可求得D K K ==（计算值），则可由)46.59D D D m A Q K t =D =求得实际所需冷凝器传热面积A D （需要）。

K （计算）值需大于K （初估）值，即A D （初估）需大于A D （需要），所选择的换热器才能满足要求，其裕度需满足：（初估）（需要）初估）D D D A A A-( %10~15%D D A A A -?>。

（1）如果K （计算）值小于K （初估）值，即A D （初估）小于A D （需要），所选择的换热器不满足要求，应重新选择面积更大的换热器。

（2）如果K （计算）值大于K （初估）值，即A D （初估）需大于A D （需要）， 但裕度太小，也可重新选择选择面积较大的换热器。

（3）如果K （计算）值大于K （初估）值，即A D （初估）需大于A D （需要），但裕度太大，比如达到30%以上，则要重新选择换热器，可以选择采用以下方案：① 选择管程数较少的换热器，如原来为四管程，重选时可以选择双管程，使总管数不变得情况下单程管子数增大，管内流速u 增减小，最终可使K （计算）减小，使A D （需要）增大，裕度减小；②选择其它参数相同但换热管直径较大的换热器，如原来为A 型换热管的改为B 型换热管的换热器，使管内流速u 减小，同样可使裕度减小，原理同①。

7.1.2.3 冷凝器管程、壳程流动阻力 （1）管程阻力损失t p ∆p s r i t N N p p p ⨯⨯∆+∆=∆)( 7-9其中： 22u d L p i ρλ=∆，∑=∆22u p r ρξ式中 i p ∆每程直管压降，Pa ； r p ∆ 每程局部阻力，Pa ； s N壳程数； p N每壳程的管程数；ρ冷凝器管内流体密度，3kg/m ； λ冷凝器管内流体流动摩擦因素。

∑ξ局部阻力系数，含回弯及进出口阻力系数，∑ξ=3参考化原上册P206： 碳钢的粗糙度0.2mm e =,（2）壳程阻力损失s p ∆2)1(20u d N D p e B s s ρλ+=∆ 7-10其中： 19.0Re 72.1-=s λ，μρ0Re u d e =式中 0D 换热器壳程内径，m ；B N折流板数目；蒸汽冷凝时折流挡板间距只有480、600mm 两种类型；e d冷凝器壳程当量直径，m ；0u冷凝器壳程流速，m/s ；00)1(S MD R u opt ρ+=；设有折流挡板时，)1(000d hD S -=；无折流挡板时，T n d D S 2020044ππ-=；h 冷凝器壳程折流挡板间距，m ； 0d管子外径，m ；t管子中心距，m 。

参考化原上册P207。

当换热器管子正方形排列时，0202)785.0(4d d t d e π-=；正三角形排列时，⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=20204234d t d d e ππ。

7.2 接管选型针对不同的流体，选择适宜的流速u ，由ud V s 24π=求得接管的直径，依据它选择合适的接管型号，最后校核接管中的实际流速，本次设计所选择的钢管材料均为无缝钢管。

需选型的接管主要有：进料接管：0.4~0.8m/s ，泵送1.5~2.5m/s 冷却水接管：1.0~2.5m/s 塔顶蒸汽接管：12~20m/s 塔顶产品接管：0.5~1.0m/s 塔底产品接管：0.5~1.0m/s塔顶产品回流接管：0.2~0.5m/s ，泵送1.0~2.5m/s 塔底加热蒸汽接管：20~40m/s(表压p <295kPa)，40~60m/s(表压p <785kPa)，80m/s(表压p >2950kPa)注意：计算中s V 为体积流量，必须针对不同流体、不同状态（气体），不同组成（气体、液体）计算。

举例：冷却水接管尺寸计算 冷却水用量为13662kg/h , 密度为998.2kg/m 3 所以求得s V =13.68 m 3/h设u =1.0m/s , 则uV d Sπ4==69.59mm设u =2.5m/s, 则uV d Sπ4==44.01mm 选取57 3.5mm f ´的无缝钢管，验算24sv u dp ==1.94m/s ，符合要求。

7.3 冷却水输送泵 7.3.1 塔高计算QB F D H H H HETP N H H +++⨯+= 7-11式中 H 塔高，m ； D H 塔顶空间高度，m ；0.5~1mN 理论塔板数； HETP 等板高度，m ； F H 塔内件及人孔、手孔、进料位置等空间的总高度；1.8m B H 塔釜空间高度，m ；保证釜液10~15min 的储量；QH裙座高度，m 。

1.2~2m 塔釜空间高度要保证釜液有一定的储量，假设为10min 的储量，由*W =L ’=RD +F （Kmol/h ）有B T H D W 2*44.958181060/π=⨯⨯，可得B H 7.3.2 冷却水输送泵选型输水泵的选型主要计算体积流量Q 和扬程e H 。

ρ/W Q = 7-12∑+∆+∆+∆=fe h gu g p Z H 22ρ 7-13其中： 0=∆g p ρ，022≈∆g u ，g p g u d l l h tf ρλ∆++=∑∑22式中 Q 体积流量，/h m 3； e H 扬程，m ；W 冷却水流量，kg/h ； ρ 冷却水密度，3kg/m 。