塔设备选型讲解--实用.doc

塔设备选型

1.1 设计标准

设计依据标准号

《钢制压力容器》GB151-2011

《压力容器用钢板》GB6654-96 《钢制化工容器设计基础规定》HG20580-98

《钢制化工容器材料选用规定》HG20581-98

《钢制化工容器强度计算规定》HG20582-98

《钢制化工容器结构设计规定》HG20583-98

《钢制化工容器制造技术规定》HG20584-98 《化工设备设计基础规定》HG/T20643-98

《压力容器无损检测》JB4730-2005

1.2 塔设备设计原则

塔设备设计应满足以下原则：

(1)生产能力大。在较大的气 (汽)液流速下，仍不致发生大量的雾沫夹带、

拦液或液泛等破坏正常操作的现象。

(2)操作稳定、弹性大。当塔设备的气 (汽 )液负荷量有较大的波动时，仍能

在较高的传质效率下进行稳定的操作，并且塔设备应保证能长期连续操作。

(3)流体流动阻力小，即流体透过塔设备的压力降小。这将大大节省生产中的动力消耗，以降低操作费用。对于减压蒸馏操作，较大的压力降还将使系统无

法维持必要的真空度。

(4)结构简单、材料耗用量小、制造和安装容易。这可以减少基建过程中的

投资费用。

(5)耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。

1.3 塔型的选择

1.3.1 板式塔与填料塔的比较

精馏塔按传质元件区别可分为两大类，即板式精馏塔和填料精馏塔。根据上述要求，可对板式塔和填料塔的性能作一简要的比较，详见表1-1 所示。

表 1-1 板式塔与填料塔的对比

项目板式塔填料塔空塔气速空塔气速小空塔气速大

塔效率效率稳定，大塔效率比小塔效塔径在1400mm 一下效率较高，率有所提高塔径增大，效率常会下降

液气比适应范围较大对液体喷淋量有一定要求持液量较大较小

材质要求一般用金属材料制作可用非金属耐腐蚀材料安装维修较容易较困难

造价直径大时一般比填料塔造价低直径小于800mm，一般比板式塔便宜，直径增大，造价明显增加

重量较轻重

1.3.2塔型选择时应考虑的因素

选择塔型时应考虑的因素有很多，主要有：物料性质、操作条件、塔设备的

性能，以及塔设备的制造、安装、运输和维修等，具体如下：

与物性有关的因素

a）易起泡的物系，如处理量不大时，以选择填料塔为宜。因为填料能使

泡沫破裂，在板式塔中则易引起液泛。

b）具有腐蚀性的介质，可选用填料塔，如必须用板式塔，宜选用结构简

单、造价便宜的筛板塔、穿流式塔盘或舌形塔盘，以便及时更换。

c）具有热敏性的物料需减压操作，以防过热引起分解或聚合时，应选用压

力降较小的塔型，如可采用装填规整填料的塔、湿壁塔等，当要求真空度较低时，宜用筛板塔和浮阀塔。

d）粘性较大的物系，可以选用大尺寸填料。板式塔的传质效率太差。

含有悬浮物的物料，应选择液流通道较大的塔型，以板式塔为宜。可选用泡罩塔、浮阀塔、栅板塔、舌形塔和孔径较大的筛板塔等。不宜使用小填料。

e）操作过程中有热效应的系统，用板式塔为宜。因塔盘上有液层，可在其

中安放换热管，进行有效的加热或冷却。

与操作条件有关的因素

a）若气相传质阻力大 (即气相控制系统，如低粘度液体的蒸馏，空气增湿等 )，

宜采用填料塔，因填料层中气相呈湍流，液相为膜状流。反之，受液相控制的系

统，宜采用板式塔，因为板式塔中液相呈湍流，用气体在液层中鼓泡。

b）大的液体负荷，可选用填料塔，若用板式塔时，宜选用气液并流的塔型 (如喷射型塔盘 )或选用板上液流阻力较小的塔型 (如筛板和浮阀 )。此外，导向筛板塔

盘和多降液管筛板塔盘都能承受较大的液体负荷。

c）低的液体负荷，一般不宜采用填料塔。因为填料塔要求一定数量的喷淋

密度，但网体填料能用于低液体负荷的场合。

d）液气比波动的适宜性，板式塔优于填料塔，故当液气比波动较大的宜用

板式塔。

e）操作弹性，板式塔较填料塔大，其中以浮阀塔为最大，泡罩塔次之，

一般地说，穿流式塔的操作弹性较小。

其他原因

a）对于多数情况，塔径大于 800mm 时，宜用板式塔，小于 800mm 时，宜用填料塔。但也有例外，鲍尔环及某些新型填料在大塔中的使用效果可优于板式塔。同样，塔径小于 800mm 时，也有使用板式塔的。

b）一般填料塔比板式塔重。

c）大塔以板式塔造价较廉。因填料价格约与塔体的容积成正比，板式塔按

单位面积计算价格，随塔径增大而减小。

1.4 板式塔中板型的选择

1.4.1 塔盘的选择

板式塔的塔盘有泡罩、筛板、浮阀及穿流式，其性能比较如1-2 表所示：

表 1-2 板式塔塔盘比较

塔板形式蒸汽量液量效率操作弹性压力降造价可靠性泡罩良优良优差高优筛板优优优优优低优浮阀优优优优良高优穿流式优低差差优低良各塔板的优缺点及用途比较如表1-3 所示

表 1-3 塔板优缺点比较

塔板形式结构优点缺点用途

费用高；

用于具有特殊圆形泡罩复杂弹性好；无泄漏板间距大；

要求的场合

压降比较大

泡罩型

费用高；

稍简用于具有特定S 型泡罩简化了泡罩的形式板间距大；

单要求的场合

压降比较大

筛板型筛孔塔板简单弹性好；费用低；板效

易漏液用途广泛率高；处理量大

条形浮阀

适用于加压及

较简操作弹性好；板效率费用较高；

浮阀型重盘式浮阀常压下的气液

单高；处理量大安装较困难

T 型浮阀传质过程

筛板正常负荷下板效率高；未定操作范围

适于处理变动费用最低；压降小窄；要么扩大

小且不析出固比筛板压降稍高孔径，否则易

波纹筛板体物的系统穿流气液分布好堵塞物料

简单

型式操作弹性较

处理量大；

小；处理量小

栅板压降小；适于粗精馏

时，效率剧烈

费用低

下降

1.4.2 溢流形式的选择

塔盘上液相流动形式取决于液相负荷的范围，单流型是最常用的；当塔径较大，或液相负荷较大时，宜采用双流型。甚至三、四流型或阶梯型；在液气比很

小时才采用 U 形流型。下表 1-4 是液相负荷（m

3

/ h

）与塔板溢流型式的关系表。

表 1-4 液相负荷 ( m3/ h）与塔板溢流形式的关系

塔径 D/mm

液体流量 L s( m3 / h)

U 流型单溢流双溢流阶梯式双溢流

600 <5 5～25 ——900 <7 7～25 ——1000 <7 <45 ——1400 <9 <70 ——2000 <11 <110 90～ 160 —3000 <11 <110 110～200 200～ 300 4000 <11 <110 110～230 230～ 350 5000 <11 <110 110～250 250～ 400 6000 <11 <110 110～250 250～ 450

应用场合用于较低液、气比

用于高液、气比用于极高液、气一般场合

比或超大型塔板

或大型塔板

下表给出了几种主要塔板性能的量化比较。

几种主要塔板性能的量化比较

塔板类型塔板处理能操作压结成本效率力弹性降构泡罩板 1.0 1.0 5 1 复 1

杂筛板 1.2~1. 1.4 3 0.5 简0.4~0.

4 单 5

浮阀板 1.2~1. 1.5 9 0.6 一0.7~0.

3 般9

舌型板 1.1~1. 1.5 3 0.8 简0.5~0.

2 单 6 1.5 环己烷精制塔T302 的工艺设计

1.5.1 概述

T302 为环己烷精制塔。根据 Aspen Plus 模拟的结果可得环己烷精制塔 T302

各塔板参数，各塔板参数详见表 1-5。本工艺的主要物料为含有部分氢气和甲烷的环

己烷，物料洁净、腐蚀性小，粘度小，且无悬浮物，整套装置产量及气液相

负荷较大，结合表 1-1，本项目设计小组拟采用板式塔。又参照表 1-2 和 1-3 各种塔板形式的比较，可知浮阀塔板集合了泡罩塔和筛板塔的优点，它结构简单、造价低、制造方便、生产能力大、操作弹性大，因此本工艺选用浮阀塔板，溢流形式为单溢流。

序号温度（o C ）液体体积流量气体体积流量

液相密度气相密度液相黏度液相表面张力（cum/h）（ cum/h)

（kg/cum) （ kg/cum) （cp) （ dyne/cm)

1 269.5985

2 2.73269177 1.17325576 779.578

3 213.173639 0.603677 27.9392

2 355.91318 3.84372961 3.90594755 780.0315 609.443501 0.271314 17.6784

3 360.733337 3.94180762 5.01698282 780.3319 647.467626 0.26182 17.1692

4 361.130468 3.94831746 5.1150573 780.5091 650.240404 0.26117

5 17.139

5 361.203073 3.94811071 5.1215648 780.6415 650.542084 0.261095 17.1391

6 361.241386 3.94739345 5.12135809 780.7429 650.638883 0.2611099 17.14331

7 361.268865 3.8655396 5.12064882 780.8204 650.700006 0.261142 17.1477

8 378.153461 5.55592046 3.52604566 781.2086 780.523168 0.230019 15.282

9 378.259503 5.55888967 4.26337776 781.2456 781.164205 0.229879 15.2728

10 378.273082 5.55858133 4.26634697 781.281 781.212422 0.229875 15.2746

11 378.286487 5.55824369 4.26603863 781.3175 781.258612 0.229888 15.2765

12 378.300279 1.29254272 4.26570095 781.355 781.306139 0.2189 15.2774

1.5.2 CYH 精馏塔 T302 具体工艺设计

1.5.

2.1塔径D的计算

因精馏段气相流量较大，故以精馏段数据确定全塔塔径更为安全可靠，本设计以精馏段数据为设计依据。

设板间距 H T =0.45m，板上清液层高度为h L =0.07m 计算两相流动参数

L h 0.5

L =0.42

FLV=

V h V

由（ H T -h L）及FLV查Smith关联图得C20=0.05m/s，故

0.2

C C

2020

=0.0486m/s

液泛气速

u max c L V=0.02m/s

V

对于一般液体，泛点率为0.6～ 0.8，此处泛点率取0.8，则表观空塔气速

u 0.8u max =0.016m/s

故塔径

D= 4V

S = 0.752m，圆整为 0.8m。u

1.5.

2.2 塔高的计算

实际塔板数的确定：

N

12 12

E t 23.1 ,圆整取24.

0.52

釜液高度的计算：

A T = 1 2

2

D = 0.20 m 4

H B 1.0m

塔顶空间高度取 1.0m

塔板间距：每隔 6 块塔板开一人孔，共需人孔 4 个（不包括塔顶和塔底的） , 开设人孔处的塔板间距改为 0.80m，进料口处离上板高度为 0.80m.

塔筒体高度的计算：

H H D (N 2 S)H T SH T H F H B

其中： H ——塔高（不包括裙座），m

H D——塔顶空间， m

H T——塔板间距， m

H T——开有人孔的塔板间距， m

H F——进料段高度， m

H B——塔底空间， m

N——实际塔板数

S ——人孔数目

则H=1.0+（24-2-4）×0.45+4×0.8+0.8+1.2=14.3m

裙座高度为 2.0+1.5D/2=2.6m

封头高度取 0.6m

塔的总高为：

Z=14.3+2.6+0.6=17.5m

1.5.

2.3塔板结构设计

由于液体流量为 5.14m3/h，塔径为 0.8m，根据表 5-4，塔板溢流形式应该选择单流型

（1）溢流堰尺

寸堰长 l w

溢流堰选择平直堰，取堰长

l w=0.65D=0.528m

堰高 h w

堰上液层高度

h ow= 2.84 E l h

1000l

w 2 3

近似取 E=1，则可由列线图查出h

ow值。查得h

ow =0.024m

堰高 h w由选取清液层高度h L确定

h w=h L -h ow=0.07-0.024=0.046m

降液管底隙高度h o

选取凹形受液盘，考虑降液管阻力和液封，即一般 h o

h o=40mm

降液管宽度 W d和面积 A f

查降液管宽度与面积图， l w /D=0.65,得：

A f /A T =0.07

W d /D=0.14

由以上设计结果得弓形降所占面积

A f =0.5027 ×0.07=0.035m 2 降液管宽度

W d =0.112m

液体在降液管中的停留时间，即

=

3600A f H T

=13.70s >3～5s

L h

故降液管尺寸满足要求。

1.5.

2.4 塔板布置及浮阀数目排列

取阀孔动能因子 F o =10，求得孔速：

u o =

F

O

0.39m / s m/s

V

求每层板上的浮阀数：采用 F 1 型浮阀，取孔直径 d o =40mm ，则浮阀数

n=

V

= 8.17,圆整取 9.

d 02 u 0

4

取塔板边缘区宽度 W c =0.04m ，溢流堰前的安定区宽度 W s =0.08m 对

单流型塔板，开孔区面积如下，即：

（

R 2 -X 2

R 2 sin -1 X ）

A a =2 X

+ R

180

其中： X= D

) 0.28m;

W s

W d

2

D

R=

-0.04= 0.36m;

sin 1 0.28

51

0.36

则鼓泡区面积

A a =0.36m 2

浮阀排列方式采用等腰三角形叉排。三角形的底边 t 固定为

，则估算

75mm

三角形的高 h （排间距），

A

p

h== 53mm 1.5.2.5塔板流体力学校核

（1）压降

气相通过浮阀塔的压强降

h p=h c+h1+h

干板阻力

u oc 1.825 73.1

0.30m / s

v

因 u o小于 u oc，故

h c= 19.9u 00.175 = 0.024m液柱

v

板上充气液层阻力：本设备分离环己烷和甲醇等的混合物，取充气系数β=0.，6则

h1=β（h w+h ow）=0.0042m 液柱

液体表面引力的阻力

h = 4

L = 2.26×10-4m液柱L

gd

o

此阻力很小，可以忽略不计。

因此，与气体流经一层浮阀塔板的压强降所相应的液柱高度为：

h p=0.024+0.042=0.066m

则单板压降

p p =h p L g=0.066×780.76×9.81=505.51Pa

（ 2）液泛

为防止液泛现象的发生，要求控制降液管中清液层的高度，即要求

H d < H T +h W，而H d h p h L h d，

h p为气体通过塔板的压强降所相当的液柱高度，前已算出h p=0.064m 液柱

液体通过降液管的压头损失

因不设进口堰，则

h d 1.53(L s) 2

l w h o

=0.00454 液柱

板上清液层高度 h L=0.07m

则 H d =0.066+0.00454+0.07=0.141m

取 =0.6，又已选定 H T =0.45m ， h w =0.046m ，

则

H T +h W =0.6 ×（ 0.45+0.046）=0.2976m

可见 H d < H T +h W ，符合防止淹塔要求。

（ 3）雾沫夹带

按下列式计算泛点率，即

V

V

+1.36LZ

L

-

F=

V

100%

KC F A b

其中 Z=D-2W d

=0.576m

A b =A T -2A f =0.4329m

2

C F =0.05

10.512

664.81

1.36 4.14 0.576

780.76 664.81 代入数据得 F=

36.53%

1.0 0.05 0.4329

3600

泛点率在 80%以下，故可知雾沫夹带量能满足 e V <0.1Kg （液） /Kg （气）的 要求。

1.5.

2.6 塔板的负荷曲线计算

（ 1） 过量雾沫夹带线（气相负荷上限线）

由泛点率整理得出过量雾沫夹带线

（2）液泛线

V S

20 10 6 0.24 10 6 L S

由式H T

h W = = h c h l h

H L h d 确定液泛线。忽略式中的 h ，

将式

h c

5.34 V

u 2

， h

h ， h h h

2 L

g

1

L

L

w

ow

2

2

2.84 E L h 3

h

， h 0 . 1 5 3

L s

1000 l w

l w h o

V S

V 1.36L S Z L

F= L V 100%

KC F A b

代入上式得：

V u

2

L s

2

2.84 L h H T h W = 5.34

+ 1

h w

2 L g + 0.153

1000

E

l w h o

l w

2

3

因物系一定，塔板结构尺寸一定，则 H T 、 h w 、 h o 、 v 、 及 等均为定 值，而 u o 与 V S 有如下关系，即

u 0

V S

d 0 2 N

4

其中阀孔数 N 与孔径 d 0 亦为定值，因此可将上式简化成 V S 与 L S 的关系如

下：

aV S 2

2

b-cL S 2 -dL S 3 ，

2

2

3/2

即 0.0000511V S 53.76 0.028 L S

21.322 L S

（3）液相负荷上限线

降液管的最大流量应保证在降液管中的停留时间不低于 3～ 5s ，以 5 秒作为

液体在降液管中停留时间的下限，则

L S

A f H T

3

MAX

5

0.00315m /s

（4）漏液线

对于 F 1 型重阀，依式 F 0

u 0

5

5

V

计算，则 u 0

V

又知 V

S

d 0 2 N 5 ，以 F 0 u 0 V

=5 作为规定气体最小负荷标准，

4

V

则

V

S MIN

4 d 0 2

Nu 0

=

d 0 2 N F 0

4

V

=0.02196m 3/s

(5) 液相负荷下限线

取堰上液层高度 h ow =0.006m 作为液体负荷下限条件，依 h ow 的计算式计算

出 L S 的下限值，该线为与气量流量无关的竖直线，将所求值代入上式可得严重

漏液线曲线为

2.84 E 3600L

2/3

0.007

1000

l

W

取 E=1，则

3/2

3

L

0.007 1000

0.528 0.000568

m

=0.001220m 3/s

2.84 3600

S

（ 6）操作线

操作线斜率为

K V S 10.512 =2.54 L S 4.14

（7）负荷性能图

根据上述六个方程，可以利用 Excel 办公软件做出该塔的负荷性能图，如下所示：

图 1-7 PO 精馏塔负荷性能图

从图中可以看出， 设计点位于正常操作区的内部， 表明该塔板对气液负荷的波动有较好的适应能力。在给定的气液负荷比条件下，塔板的气液相负荷的上、

下 限分别由降液管液泛和严重 漏液所限制。由图查得上限为 3.6m 3/s,下限为 0.4 m 3

/s ，得该塔的操作弹性 =

3.6

=9。可见，设计比较合理、适宜。

0.4

1.5.

2.7 塔板主要工艺尺寸及水力学核算结果

所设计的单溢流浮阀塔的主要设计结果如表 1-6 所示：

表 1-6 环己烷精馏塔 T0401 手算结果汇总

结构及尺寸

操作性能

塔内径 D （m ）

0.8

空塔气速 u （m/s ）

0.016 板间距 H T （ m ）

0.45

泛点率 u/u f 0.08 液流型式

单流型 动能因子 F 0 10 降液管截面积与塔截面积比 A f /A T

0.07 孔口流速 U 0（m/s ） 0.39 出口堰堰长 l w (m)

0.528 鼓泡区面积 Aa （m 2） 0.36 弓形降液管宽度 W d （m ）

0.112

塔板横截面积 A T （m 2）

0.5027

出口堰堰高 h w（mm）0.046 孔心距（ mm）75 降液管底隙 h0（mm）0.040 堰上液层高度 h ow（ mm）24 边缘区宽度 W c（mm）0.04 单板压降（ Pa）505.51 破沫区宽度 W s（mm）0.08 降液管清液层高度 H d（mm）141 板厚度 b（ mm） 5 进口堰与降液管水平距离 h1（mm）42 浮阀个数82 降液管液体停留时间（s）13.70 浮阀直径（ mm）40 釜液高度为（ m）0.50

1.6 环己烷精制塔T303 的工艺设计

1.6.1 概述

T303 为环己烷精制塔。根据 Aspen Plus 模拟的结果可得环己烷精制塔T302

各塔板参数，各塔板参数详见表1-5。本工艺的主要物料为含有部分氢气和甲烷

的环己烷，物料洁净、腐蚀性小，粘度小，且无悬浮物，整套装置产量及气液相

负荷较大，结合表1-1，本项目设计小组拟采用板式塔。又参照表1-2 和 1-3 各

种塔板形式的比较，可知浮阀塔板集合了泡罩塔和筛板塔的优点，它结构简单、

造价低、制造方便、生产能力大、操作弹性大，因此本工艺选用浮阀塔板，溢流

形式为单溢流。

序号1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

11

12

13 温度（o C ）

液体体积流量气体体积流量

液相密度气相密度液相黏度液相表面张力（cum/h）（ cum/h)

（kg/cum) （ kg/cum) （cp) （ dyne/cm) 170.662747 19.260864 0 775.311728 0 211.672278 41.1 352.19698 31.033044 19.260864 780.418072 775.311728 0.445 18.2 353.091659 31.143348 32.784048 780.667714 780.144954 0.442 18.1 353.305014 31.141044 32.894352 780.842205 780.382222 0.441 18.1 353.500332 31.140792 32.892048 780.970586 780.547405 0.44 18.1 353.683502 31.142268 32.891796 781.065438 780.668952 0.44 18.1 353.857557 31.145076 32.893272 781.133919 780.758764 0.439 18 354.024758 31.148784 32.896044 781.184847 780.824481 0.438 18 354.186786 31.153176 32.899752 781.222177 780.872735 0.437 18 354.344883 31.158072 32.90418 781.249368 780.907268 0.437 18 354.499965 31.163328 32.909076 781.269259 780.933057 0.436 18 354.652706 31.168872 32.914332 781.283098 780.951942 0.436 18 354.803601 31.17456 32.91984 781.294089 780.965952 0.435 17.9

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30 354.953016 31.180392 32.925564 781.301934 780.975558 0.435 17.9 355.101218 31.186332 32.931396 781.307324 780.983041 0.434 17.9 355.248404 31.192344 32.937336 781.311003 780.988202 0.434 17.9 355.394719 31.198392 32.943312 781.313760 780.992597 0.433 17.9 355.540269 31.20444 32.94936 781.316418 780.995266 0.432 17.8 355.685135 31.210524 32.955444 781.318009 780.996988 0.432 17.8 355.829375 31.216608 32.961528 781.319399 780.998555 0.432 17.8 355.973033 31.222728 32.967612 781.319656 780.999929 0.431 17.8 356.116142 31.228812 32.973732 781.320554 781.000231 0.43 17.8 356.258727 31.234932 32.979816 781.320282 781.001140 0.43 17.8 356.400808 31.241016 32.9859 781.320632 781.001798 0.429 17.8 356.5424 31.246776 32.991984 781.321294 781.002185 0.429 17.7 356.709032 49.82724 32.898276 781.321734 781.172573 0.428 17.7 356.863025 49.851576 33.73776 781.323479 781.259818 0.428 17.7 357.003939 49.872204 33.762096 781.325206 781.262444 0.427 17.7 357.144442 49.892724 33.782688 781.327561 781.265858 0.427 17.7 357.284608 49.913208 33.803244 781.329678 781.268541 0.426 17.6

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45 357.424456 49.933584 33.823692 781.332668 781.272525 0.426 17.6 357.564004 49.953924 33.844104 781.335397 781.276139 0.425 17.6 357.703276 49.974156 33.864408 781.338992 781.281035 0.425 17.6 357.842295 49.99428 33.88464 781.343421 781.286362 0.424 17.6 357.981091 50.014332 33.904764 781.348116 781.292930 0.424 17.6 358.119694 50.034276 33.924852 781.353629 781.299058 0.423 17.6 358.258139 50.054148 33.944796 781.359356 781.307207 0.423 17.5 358.396466 50.073876 33.964632 781.366413 781.316507 0.422 17.5 358.534718 50.093496 33.98436 781.3742 781.326926 0.422 17.5 358.672947 50.112972 34.00398 781.383241 781.338418 0.422 17.5 358.811207 50.132304 34.023456 781.393508 781.351763 0.421 17.5 358.949563 50.151492 34.042788 781.404948 781.366897 0.421 17.5 359.088086 50.170464 34.061976 781.418639 781.383756 0.42 17.4 359.226856 50.189292 34.080984 781.433392 781.403088 0.42 17.4 359.365964 16.08948 34.099776 781.451562 781.425635 0.419 17.4

1.6.2 CYH 精馏塔 T303 具体工艺设计

1.6.

2.1塔径D的计算

因精馏段气相流量较大，故以精馏段数据确定全塔塔径更为安全可靠，本设计以精馏段数据为设计依据。