典型设备设计

第一章塔设备设计1.1 塔设备设计依据《压力容器》GB150-2011《固定式压力容器安全技术监察规程》TSG 21-2016《化工设备基础设计规定》HG/T 20643-2012《石油化工塔器设计规范》SH/T 3098-2011《钢制化工容器结构设计规定》HG/T 20583-2011《塔顶吊柱》G/T 21639-2005《压力容器封头》GB/T 25198-20101.2 塔设备概述石化行业是国民经济中能耗较高的产业部门，其能耗占工业能耗接近1/5，占全国总能耗的14%左右。

在目前占有工业能耗接近五分之一的石化行业中，较大的能耗主要来源于化学原料及化学制品制造业能耗、石油天然气开采业能耗、石油加工、炼焦及核燃料加工业能耗、橡胶制品业能耗。

而在化工生产中，分离的能耗占主要部分，其中尤以精馏塔在分离设备中占有最大比例，因此，塔设计的好坏与否，对于整个工厂的经济效益有着很重要的作用。

所以在本设计中，对MTBE合成裂解联合车间中第二甲醇回收塔进行详细设计。

1.3塔型选择精馏塔主要有板式塔和填料塔两种，它们都可以用作蒸馏和吸收等气液传质过程，但两者各有优缺点，要根据具体情况选择。

表1-1 精馏塔主要类型及特点类型选择时需要考虑多方面的因素，如物料性质、操作条件、塔设备的性能，以及塔的制造、安装、运转和维修等。

对于真空精馏和常压精馏，通常填料塔塔效率优于板式塔，应优先考虑选用填料塔，其原因在于填料充分利用了塔内空间，提供的传质面积很大，使得汽液两相能够充分接触传质。

而对于加压精馏，若没有特殊情况，一般不采用填料塔。

这是因为填料塔的投资大，耐波动能力差。

同样，吸收过程也分为液膜控制、气膜控制和介于两者之间的共同控制吸收三种类型。

气膜控制的吸收与真空精馏相似，应优先考虑选用高效规整填料塔；液膜控制的吸收与加压精馏相似，往往选用板式塔或汽液湍动大、持液量高的散装填料塔；介于两者之间的，宜采用比表面积大、持液量高、液相湍动大的填料塔，一般多采用散装填料塔。

具体来讲，应着重考虑以下几个方面：（1）与物性有关的因素易起泡的物系，如处理量不大时，以选用填料塔为宜。

因为填料能使泡沫破裂，在板式塔中则易引起液泛。

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、造价便宜的筛板塔盘、穿流式塔盘或舌形塔盘，以便及时更换。

具有热敏性的物料须减压操作，以防过热引起分解或聚合，故应选用压力降较小的塔型。

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，应选择液流通道大的塔型，以板式塔为宜。

操作过程中有热效应的系统，用板式塔为宜。

（2）与操作条件有关的因素若气相传质阻力大，宜采用填料塔。

大的液体负荷，可选用填料塔。

液气比波动的适应性，板式塔优于填料塔。

操作弹性，板式塔较填料塔大，其中以浮阀塔最大，泡罩塔次之。

（3）其他因素对于多数情况，塔径大于800mm，宜用板式塔，小于800mm时，则可用填料塔。

但也有例外，鲍尔环及某些新型规整填料在大塔中的使用效果也可优于板式塔。

一般填料塔比板式塔重。

大塔以板式塔造价较廉。

填料塔用于吸收和解吸过程，可以达到很好的传质效果，它具有通量大、阻力小、传质效率高等性能。

因此实际过程中，吸收、解吸和气体洗涤过程绝大多数都使用填料塔。

第二甲醇回收塔中，介质甲醇腐蚀性小，塔压为常压，操作条件下，物系不起泡且无悬浮物质，物系分离难度不大，充分考虑各物系特点等因素，最大化权衡塔的通量、分离效率、操作弹性造价、检修的难易程度等进行塔型的选取，最终确定第二甲醇回收塔为填料塔。

1.4 填料塔填料类型的选取表1-2 常用填料的分类与名称填料的几何特性数据主要包括比表面积、空隙率、填料因子等，是评价填料性能的基本参数。

（1）比表面积单位体积填料的填料表面积称为比表面积，以a表示，其单位为m2/m3。

填料的比表面积愈大，所提供的气液传质面积愈大。

因此，比表面积是评价填料性能优劣的一个重要指标。

（2）空隙率单位体积填料中的空隙体积称为空隙率，以ε表示，其单位为m3/m3，或以%表示。

填料的空隙率越大，气体通过的能力越大且压降低。

因此，空隙率是评价填料性能优劣的又一重要指标。

（3）填料因子填料的比表面积与空隙率三次方的比值，即a/ε3，称为填料因子，以φ表示，其单位为1/m。

它表示填料的流体力学性能，φ值越小，表明流动阻力越小。

通常情况下，散堆填料应用于小直径塔，而规整填料因为其规定了气、液流径，改善了气、液分布状况，在低压降下也能提供很大的比表面积和高空隙率使塔的传质性能和生产能力得到大幅提高，且规整填料几乎无放大效应，应用于大直径塔，可以强化传质，降低塔高。

综合考虑各类型填料性能、造价及更换成本，对于T0105小直径塔我们选用CMR阶梯环填料，其锥形翻边不仅增加了填料的机械强度，而且使填料之间由线接触为主变成以点接触为主，这样不但增加了填料间的空隙，同时成为液体沿填料表面流动的汇集分散点，可以促进液膜的表面更新，有利于传质效率的提高，同时节约成本。

1.5塔设备详细设计计算（T0105）T0105 第一甲醇回收塔为填料塔，操作介质为甲醇、水、二异丁烯，操作温度100℃，操作压力0.1Mpa，由Aspen模拟结果知，塔顶温度64.33℃，塔底温度99.66℃，理论塔板数38，以下结合模拟数据对该塔进行详细计算。

1.5.1水力学参数的获取由Aspen模拟得到塔内各板上气液相流量分布，取流量最大的30块塔板进行计算，其模拟得到结果如下：表1-3 塔板水力学数据表1-4散装填料特性数据1.5.2填料塔工艺尺寸概算（1）液泛气速和空塔气速采用Bain-Hougen关联式，可以计算填料的泛点气速;lg[u2Fε2∙ag∙ρVρLμL0.2]=A−K∙(W LW V)0.25∙(ρVρL)0.125将上表中各参数带入式中求得 u F=4.11m/s泛点率的选择主要考虑一下两方面的因素，一是物性的发泡情况，对于易起泡沫的物系，泛点率应取低限值，而无泡沫的物系，可以取较高的泛点率；二是填料塔的操作压力，对于加压操作的塔，应取较高的泛点率，对于减压操作的塔，应取较低的泛点率。

取空塔气速为泛点气速的80%，即：u=0.7u F=0.7×4.11=3.288m/s(2)气相动能因子F与气相负荷因子CsF=u∙√ρV=2.88Cs=u∙√ρVρL −ρV=0.0995(3)塔径的计算D=√4V sπu=√4×5959.513.14×3600×3.288=0.8m经圆整后取塔径为800mm。

塔的横截面积S=πD24=0.5024 m2(4)填料装填计算等板高度取HETP=0.4m，理论板数N T=38块，则填料层高度：Z=HETP∙(N T−2)=0.4×36=14.4 m填料堆积设计高度：Z′=1.5Z=1.5×14.4=21.6m填料装填体积：V=Z′∙S=21.6×0.5024=10.85 m3填料装填质量：M=ρ∙Z′∙S=230×10.85=2.5t(5)喷淋密度U min=(L w)minσ润湿速率是指在塔的横截面上，单位长度的填料周边上液体的体积流量。

对于直径不超过75mm的拉西环及其他填料，可取最小润湿速率（L w）min为0.08m3/(m∙h);对于直径大于75mm的环形填料，应取为0.12m3/(m∙ℎ)。

此塔填料是直径为38mm的金属阶梯环填料，所以取最小润湿速率0.08m3/(m∙h)。

U min=(L w)minσ=0.08×152=12.16m3/(m∙h)操作条件下的喷淋密度为：U=Q LS=7.710.5024=15.346m3m∙h>U min经核算，选用塔径0.8m符合要求。

（6）塔板压降（湿填料压降）纵坐标 u2∙φερVμL0.2gρL =3.2882×95×10009.81×841.66×0.8841.6×0.3350.2=0.091横坐标W LW V ∙(ρVρL)0.5=6487.034609.40×√(0.8841.66)=0.043查埃克特通用关联图可知∆PZ=91×9.81=892.71 Pa/m所以工作状态下，填料层总压降：∆P=892.71×21.6=19282.5Pa(7)持液量填料层的持液量是指在一定操作条件下，在单位体积填料层内所积存的液体体积，以（m3液体/m3填料，%）表示，持液量可分为静持液量、动持液量和总持液量，总持液量是指在一定操作条件下存留于填料层中的液体的总量，即总持液量为动静持液量之和。

关于持液量的计算既可由实验测定，也有相关的经验公式，本塔选用金属阶梯环作为填料，所以去持液量为3-5%。

1.5.3设计水力学校核利用CUP-TOWER对设计进行水力学校核，图1-1 CUP-TOWER校核结果结果如下页表中所示，塔顶和塔顶的操作条件都在填料塔全负荷的80%左右，气体动能因子在经济适宜的F范围内，喷淋密度符合范围之内，填料层总压降为15.2kPa，持液量6.3%。

软件计算结果与手动计算结果相似，进一步验证了计算过程与结果的正确性，设计是合理的。

T0105的流体力学校核结果如下表所示：表1-5 流体力学校核结果2 操作点纵坐标0.083 操作上限百分比120%4 操作下限百分比70%备注：1.5.4塔体附件设计（1）接管①进料管：原料进料质量W=4711.797 kg/hr，密度V=5.532 m3/hr，取流速u=2m/s，则：d=√4Vsπ∙u v=31.3mm选取DN=32mm, 规格为Φ42×5mm的热轧无缝钢管实际流速: u=W0.785∙ρ∙d2=1.91m/s②塔顶蒸汽接管：取塔顶蒸汽流速u v=20m/s，根据Aspen模拟数据可知，塔顶气相体积流量Vs=5440.72 m3/hr，则：d=√4Vsπ∙u v=310mm选取DN=350mm，规格为Φ356×22mm的热轧无缝钢管实际流速：u=V S0.785∙d2=19.78m/s③塔底流出管：取釜液流出速率u L=1.5m/s，根据Aspen数据V L=6.29m3/hr 则管径：d=√4V Lπ∙u L=38.5mm选取DN=40mm，规格为Φ45×3mm的热轧无缝钢管实际流速：u=V S0.785∙d2=1.46m/s④塔顶回流管直径取回流液体流速为u l=0.5m/s，液相体积流量为L=4.46 m3/h 则管径：d=√4V Lπ∙u L=56.1mm选取DN=65mm，规格为Φ76×10mm的热轧无缝钢管⑤裙座塔体内径Di=800,取裙座壁厚14mm，选用圆筒形裙座。