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3J

5.7 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

80032825

T p D d ==>>8 6.3核算喷淋密度

v min ()(M.W.R)0.0820916.72

L 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

opt

D 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

1

2

1121222111d 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

3

1'3

13222451.1-??

????=??

????μλρμαM g 7-5

其中 32'T

s

Ln 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

2

26.3A Q T T D

D 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

n

d W u 224

3600/π

ρ?

=

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： 2

2

u d L p i ρλ=?，∑=

?2

2

u 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(2

0u d N D p e B s s ρλ+=? 7-10

其中： 19.0Re 72.1-=s λ，μ

ρ

0Re 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 ；0

0)1(S M

D 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 2

02004

4

π

π

-

=

；

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，0

2

02)

785.0(4d d t d e π-=；正三角形排列时，

???

? ??-=

2020

4234d 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

u

d V s 24

π

=

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u

V d S

π4=

=69.59mm

设u =2.5m/s, 则u

V d S

π4=

=44.01mm 选取57 3.5mm f ′的无缝钢管，验算2

4s

v u d

p ==1.94m/s ，符合要求。 7.3 冷却水输送泵 7.3.1 塔高计算

Q

B 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 ；0.5~1m

N 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；

Q

H

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

*4

4.958181060/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

∑+?+?+?=f

e h g

u g p Z H 22

ρ 7-13

其中： 0

=?g p ρ，022

≈?g u ，

g p g u d l l h t

f 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，3

kg/m 。

Z ?

塔高，H

l

H+管长余量4m

∑l

含2个弯头，1个阀门

t p ?

冷凝器管程阻力损失

（λ由粗糙度和雷诺数计算，d 由接管选型得到，u 由Q 和d 计算得到。） 查泵的型号如下表： 表2 泵的选型

转速 r/min 流量/m 3 扬程m 效率 轴功率 电机功率 NPSH

7.4 填料支承结构 7.5 填料压紧装置 7.6 液体分布装置 7.7 液体收集再分布装置 7.8 气体分布装置 8 设计结果汇总

表3 工艺参数表

参数

数值

单位

参数

数值

单位

处理量 Kmol/h 产品汽化潜热 kJ/kmol

进料浓度 摩尔分率 塔顶蒸汽温度 ℃

产品浓度 摩尔分率

塔顶产品流率 Kmol/h 回收率 等板高度HETP m 实际生产时间

小时/年

空塔气速

m/s

表4 精馏塔费用表

项目

费用 / 元/年

项目

费用/ 元/年

精馏塔塔体设备费 冷凝器设备费 精馏塔塔体年投资折旧费用及维修费

冷却水费用

填料年折旧费用 加热蒸汽费用

表5 填料精馏塔参数

参数

参数值

单位

塔材料 塔材料密度 塔壁厚度

塔径

塔高

填料类型

填料比表面

填料层高度

精馏段填料层高

精馏段填料层分层数

精馏段填料层第一层高度

精馏段填料层第二层高度

提馏段填料层高

提馏段填料层分层数

填料压降

表6 接管表

接管物流型号流量

m3/h 流速

m/s

适宜流速范围

m/s

进料管

塔顶液相回流管

塔顶蒸汽管

塔顶产品管

冷却水输送管

塔底残液管

塔底蒸汽管

9 设计心得：

参考文献格式：

[1]王梦华.精馏过程节能技术探讨.齐鲁石油化工，2003,31(4):324-326

[2]王明辉.化工单元过程课程设计. 北京：化学工业出版社,2002