塔计算

三：塔型选择与依据

最常见的塔设备为板式塔和填料塔两大类。作为主要用于传质过程的塔设备，首先必须使气（汽）液两相能充分接触，以获得高的传质效率。此外，为满足工业生产的需要，塔设备还必须满足以下要求：生产能力大；操作稳定，弹性大；流体流动阻力小;结构简单、材料耗用量少，制造和安装容易；耐腐蚀和不易阻塞，操作方便，调节和检修容易。

板式塔与填料塔都是气－液传质过程的常用设备。板式塔是与填料塔具有不同特点的气－液传质设备。与填料塔相比较，具有效率较稳定，检修清理较易，液气比适应范围较大的优点。但它也有结构比较复杂，压降较大并且耐腐性较差的特点。

表6.4 板式塔与填料塔比较 项 目 塔 型

板式塔 填料塔

压 力 降 压力降一般比填料塔大 压力降小，较适于要求压力降小

的场合

空 塔 气 速 空塔气速小 空塔气速大 （生产能力）

塔 效 率 效率稳定，大塔效率比小塔塔径在Φ1400mm以下效率较高，

有所提高 塔径增大，效率常下降

液 气 比 适应范围较大 对液体喷林量有一定要求 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直径小于Φ800mm，一般比板式

价低 塔便宜，直径增大，造价显著增

加

重 量 较轻 重

因为板式塔处理量大、效率高、清洗检修方便且造价低，故工业上多采用板式塔。因而本设计中选用板式塔。

板式塔大致可分为两类，一类是有降液管的塔板，如泡罩、浮阀、筛板、导向筛板、新型垂直筛板、舌形、S型、多降液管塔板等。另一类是无降液管的塔板，如穿流式筛板（栅板）、穿流式波纹板等，工业应用较多的是有降液管的浮阀、筛板和泡罩塔板等。

工业上常见的几种的板式塔及其优缺点：

Ⅰ、浮阀塔：

浮阀塔广泛应用于精馏、吸收和解吸等过程。其主要特点是在塔板的开孔上装有可浮动的浮阀，气流从浮阀周边以稳定的速度水平地进入塔板上的液层进行两相接触。浮阀可根据气体流量的大小而上下浮动，自行调节。

浮阀有盘式、条式等多种，国内多用盘式浮阀。盘式浮阀的主要优点是生产能力大，操作弹性较大，分离效率较高，塔板结构较泡罩塔简单。

在塔板开孔上方，安装可浮动的阀片，浮阀可随气体流量的变化自动调节开度，可避免漏液，操作弹性大，造价低，且安装检修方便，但对材料的抗腐蚀性能要求高。 Ⅱ、筛孔塔：

结构简单、造价低廉、筛板塔压降小、液面落差也较小、生产能力及塔板效率都较泡罩塔高，故应用广泛。

筛板是在塔板上钻有均布的筛孔，上升气流经筛孔分散、鼓泡通过板上液层，形成气液密切接触到泡沫层（和喷射的液滴群）。

筛板塔的优点是结构简单，制造维修方便，造价低，相同条件下生产能力高于浮阀塔，塔板效率接近浮阀塔。其缺点是稳定操作范围窄，小孔径筛板易堵塞，不适宜处理粘性大的、脏的和带固体粒子的料液。但设计良好的筛板塔仍具有足够的操作弹性，对易引起堵塞的物系可采用大孔径筛板，故近年我国对筛板的应用日益增多。 Ⅲ、泡罩塔：

泡罩塔是最早使用的板式塔，其主要构件是泡罩、升气管及降液管。泡罩的种类很多，国内应用较多的是圆形泡罩。泡罩塔的主要优点是操作弹性较大，液气比范围大，适用于多种介质，操作稳定可靠；但其结构复杂、造价高、安全维修不便，气相压降较大。现虽已为其它新型塔板取代，但鉴于其某些优点，仍有沿用。

其气体通道是升气管和泡罩，由于升气管高出塔板，即使在气体负荷很低时也不会发生严重漏液，操作弹性大，升气管为气液两相提供了大量的传质界面。但泡罩塔板结构复杂，成本高，安装检修不便，生产能力小。

经过比较及结合本设计要求，选择筛板塔。

第二部分 产品精馏塔工艺计算 MTBE精馏塔

（1）塔径、塔板间距计算 通过PRO/II简捷塔模拟得：

MINIMUM REFLUX RATIO 0.28739 FEED CONDITION Q 1.21134 FENSKE MINIMUM TRAYS 12.22857 总理论板数是30块，进料板是第19块。 精馏塔效率ET?65%，实际板数N?300.65?46，实际进料位置Nf?190.65?29

由严格精馏塔进行模拟计算可得塔径D=1219mm，圆整到1400mm。根据《化学工程师手册》表15.32 筛板塔的塔板间距的选则，见下表：

表6.5 筛板塔的塔板间距[2] 塔径D （m） 0.3~0.5 0.5~0.8 0.8~1.6 塔板间距HT（m） 0.2~0.3 0.3~0.35 0.35~0.45 塔径D （m） 1.6~2.0 2.0~2.4 >2.4 塔板间距HT（m） 0.45~0.6 0.5~0.8 》0.6 根据塔径确定塔板间距取400mm，总塔板高为H?0.4?46?18.4m 液泛速度uf=C??L??V??V 式中uf—液泛速度（m/s）；

C—气体符合因子（m/s）；

?L—液体密度（kg/m3）； ?V—气体密度（kg/m3）；

其中C?C20?(一塔径的原则，

?20)0.2，由PRO/II物性查询知：我们对该精馏塔采用全塔统

由软件计算精馏塔报告中得到相关数据：

表6.6 各塔板有关数据

气体体积流量

液体体积流

液相密度

气相密度

气体质量流

液相质量流

m

3

/s

m

3

/s （kg/m3）

kg/m3

量t/h

量t/h 0.203 0.201 0.2 0.199 0.197 0.196 0.195 0.193 0.192 0.191 0.19 0.188 0.187 0.186 0.184 0.183 0.18 0.174 0.175 0.177 0.172 0.171 0.169 0.166 0.162 0.164 0.179 0.195

0.00255 0.00255 0.00256 0.00256 0.00257 0.00257 0.00257 0.00258 0.00258 0.00258 0.00258 0.00259 0.00259 0.00259 0.00258 0.00255 0.00248 0.00612 0.00609 0.00607 0.00606 0.00605 0.00602 0.00596 0.0059 0.00619 0.00701 0.0078

537.091 13.44986 536.512 13.54928 535.947 13.65361 535.415 13.75609 536.974 13.85586 534.908 13.95369 534.415 14.05036 533.93 14.14638 533.452 14.24203 532.982 14.33745 532.528 14.4327 532.115 14.52782 531.803 14.62279 531.756 14.71762 532.397 14.81226 534.786 14.90676 541.291 15.00202 555.427 15.10528 555.757 15.1879 555.874 15.28295 555.947 15.38573 556.32 15.49047 597.2 15.59737 563.23 15.72624 576.88 15.9695 594.264 16.6581 599.769 18.1225 598.308

19.56738

9.922 9.889 9.893 9.901 9.907 9.911 9.913 9.915 9.916 9.916 9.917 9.917 9.917 9.915 9.91 9.897 9.865 9.794 9.695 9.647 9.617 9.598 9.579 9.555 9.542 9.723 10.704

4.928 4.932 4.94 4.946 4.95 4.952 4.954 4.955 4.955 4.956 4.956 4.956 4.954 4.949 4.936 4.904 4.833 12.234 12.186 12.157 12.137 12.118 12.095 12.081 12.263 13.243 15.145 16.798

12.606

平均值0.184607

计算：

0.004032 549.9028 15.00393 9.94575 8.086179

两相流动参数 FLV?LSVS??L?V?0.004?0.185549.9?0.13 119C f 20 ? 0 . 062

由图6.5，查得

图6.5 筛板塔的泛点关联图

算得液泛气速

uf=0.062?(8.3520)0.2??549.9?19?19 =0.311m/s

塔板总面积

AT??D42??4?1.4?1.5386,Af?0.088?1.5386?0.1354m，

222An?AT?Af?1.4032m，un?VSAn?0.1851.4032?0.1318m/s

堰长lW?0.75D?0.75?1.4?1.05m， 实际泛点百分数

unuf?0.13180.311?42.4%

（2）塔板详细设计

选择平顶溢流堰，采用分块式塔板。

堰高的确定：对一般的液流量堰高可以取25~50mm，加压操作精馏塔堰高可以取40~80mm，此处精馏塔为加压操作，故堰高为 底隙

h0h?0.05mw。

的选定。为了使溢流的液体能够顺利流入下层塔板，并防止沉淀物的

堆积和堵塞，降液管与下层塔板间必须保持一定的高度，但为保证降液管的底缘有一定液封，底隙应稍小于堰高。同时对于小塔径，底隙又不得小于25mm。此

?0.04m0处采用垂直弓形降液管和普通平底受液盘，取h。

安定区Ws的选定。对于筛板塔，安定区常取50~100mm。取

?W?W?0.07mss。

?0.05mc 塔板边缘区Wc的选定。筛板塔一般取50~60mm，取W。由前面计算

知：lW?0.75D?0.75?1.4?1.05m从图6.6，查得Wd?0.145D?0.203m

图6.6 弓形降液管的宽度与面积图

可以算得：

X=D/2-(Wd+WS)=0.427， r=D/2-W0=0.7-0.05=0.65

Aa?2(xr?x?rsin222?1xr)?1.024m2

塔板上孔径d0的选择。工业塔中筛板塔常用的筛孔直径为3~8mm。若孔太小，则加工困难，容易堵塞，而且由于加工的公差而影响开孔率的大小。此处采用：d0=6mm。

塔板厚度δ的选择。一般碳钢塔板的δ取3~4mm，合金钢板的δ取2~2.5mm。此取板厚δ=3mm。

筛孔的排列选择。在塔板上筛孔一般按等边三角形排列。

孔中心距t的选择。t/ d0 的选定直接决定了开孔率。若t/ d0选得过小，气流相互干扰，使传质效率降低，且由于开孔率过大使干板压降小而漏液点高，塔板操作弹性下降；若t/ d0选得过大，则会鼓泡不均匀，也要使传质效率下降，且开孔率过大会使板阻力增大，雾沫夹带量大，易造成液泛，限制了塔的生产能

力。因次t/ d0的选择需要全面考虑，在一般情况下，可取t/ d0为2.5~5。此处选择t/ d0=4。

??A0由此算得开孔率：A?0.90742?0.0567a

A0?Aa??0.0567?1.024?0.0581m2

塔板的孔数：

N A

孔 ?? o ? 2056个

24 d o （3）板压降的校核 ??3mm,??3?0.5 板厚d06

A0 / ?A T ? 2 A f ??

0 . 0581 /( 1 . 5386 ? 2 ? 0 . 1354 ) ? 0 . 0458

由图6.7，查出C0?0.71

图6.7 干板孔流系数

可求出干板压降（以液柱表示）

h d ? 1 2 g ? ? ? ?? ? U ? 2 15 V0 ?? ? 1 ? . ? ?? 0 . 185 ?? 2 ? 0 . 028L ? C ? 19 . 6 549 . 9 ? 0 . 71? 0

0 . 0581 ?

Lh3600lwl2.5?0.004?w1.052.5?12.75,D?0.75,

由图6.8，查得E=1.018.

m ，

图6.8 液流收缩系数E

所以可求得堰上液高：

2how?2.84?10?3?Lh?3E??l?w?2?2.84?10?0.0163m?3?14.4?3

?1.018????1.05?按面积（

）计算的气体速度：

0 . 185 s ? V ? ? 0 u . 146 m / s a AT ? 2 A 1. 5386 ? 2 ? 0 .1354

f

. 5 ? 0 . 5 ? 0 Fa ? u ? 0 . 146 ? . 15 0 . 565

a V

相应的气体动能因子：. 从图6.9，查得液层充气系数??0.68

A?2AfT

图6.9 充气系数β和动能因子Fa间的关系 求出液层阻力：

? h ? 0 h f ? h . 028 ? 0 . 0517 ? 0 . 0797 m d L

板压降

0 . 0797 ? 46 ? 3 . 7 m . 023 MPa ? 0 . 6 MPa 液柱 ? 0 所以

? ? ?? h ?? 0 h h. 68 ? ?0. 05 ? 0 . 0163 ? ? 0 . 0517 m l w w

0

,满足要求。

（4）液沫夹带量的校核

. 0045 。 按FLV?0.131和泛点百分率为0.424，从图6.10，查得? ? 0

图6.10 液沫夹带关联图

求得：eV??1???LsVs??L?V?0.00451?0.0045?0.0040.185?549.915?0.003583kg液体/kg干气<0.1

kg液体/kg干气 所以不会产生严重的液膜夹带

（5）溢流液泛条件的校核

溢流管中的当量清液高度可由下式计算，已知：

? 0 h . 05 m, h0 w ? 0 . 0163 m , ? ? 0, h f ? 0 . 0797 m , w

?Ls??0.004? ?hf?0.153??0.153?????0.001388m

?lwho??1.05?0.04?22所以降液管内的当量清液高度： Hd?hw?hf?how??Hd?0.147390.6hf0?.05?0.079?70.01?630.0?0138 8m?0.6.则降液管内泡沫层高度： 对不易发泡物系，取?Hfd???0.24565m?HT?how?0.4?0.0163?0.4163m

不会发生液泛。

液体在降液管内停留时间的校核

A H . 1354 ? 0 . 14379

? ? f d ? 0 ? 5 . 0 s ? 3 s

液体在降液管内停留时间： 不会产生严重气泡夹带。

Ls

0 . 004

（6）漏液点的校核

? 2 u . 5 m / s w A?2Af 设漏液点孔速，相应的气体动能因子（以T为基准 塔板上当量清液高度

F?uowA0AT?2Af?v0.5?2.5?0.0458?19?0.699LSlw

?0.0428hc?0.0061?0.725hw?0.006F?1.23

图6.11 筛板漏夜点关联图

由图6.11查得漏液点的干板压降. hd?0.011m水柱=0.019m液柱 由此求出漏液点孔速为uow?Co2ghd?L???2.0m/s

V此计算值与假定值相当接近，故计算结果正确。 故塔板的稳定系数

u 0 . 185

? 1 k ? o ? . 6 ? (1 . 5 ~ 2 . 0 )

u 0 . 0581 ? 2 . 0 ow

满足条件。 （7）负荷性能图

1液相下限线 ○

令

h?0.006m;E?1.02ow 则

L?3/3h2h?2.84?10E()owlwL / 3

0 . 006 ? 2 . 84 ? 10? 3 ? 1 . 02 ? ( h ) 2 得 Lh ? 3 . 1390 m3 / h

1 . 05

Lhlw2.?50.00?4lw3600?12.75,?2.51.05D0 . 7 5以,此查液流收缩系数E图，有

E=1.02，表明计算结果正确。在负荷性能图上Lmin?3.139m3/h 处做垂线便得到

液相下限线。

2 液相上限线 ○

取液体在降液管中停留时间为3s，则

HTAfLmax?3,0.40?0.1354Lmax?3,Lmax?65m/h

3

在负荷性能图Lmax?65m3/h处做垂线即为液相上限线。

3漏液线 ○

把漏液点近似看成直线，可由两点大致确定其位置。

第一点取液体流量为设计负荷Lk?14.4m3/h，其漏液点孔速uow?2.0m/s,，相应的气体流量为Vmin?A0uow?3600?0.0581?2?3600?418.32m3/h，即第一点为(14.4,418.32)。

第二点取液体流量Lk?120m3/h，设此时的孔速为uow?4.0m/s,有

F?uowA0AT?2Af?v0.5?4?0.0458?19?0.7095LSlw

?0.829hc?0.0061?0.725hw?0.006F?1.23由图6.11查得漏液点的干板压降hd?0.0221m水柱=0.0399液柱. 由此求出漏液点孔速为

uow?Co?3.8m/s2ghd?L?V 此计算值与假定值相当接近，故计算结果正确。 可得到此时的气相负荷

Vmax?A0uow?3600?0.0581?3.8?3600?794.808m/h3

则第二点为（160，794.808） 由以上两点可得漏液线。

4过量液沫夹带线 ○

同样将此线近似看成直线，由两点确定其位置。

e?0.1Kg液沫/Kg气 第一点取液气比与设计点相同FLV?0.131.令v

??eV?WL??e?V?W?V??0.18.0869.946?0.1?0.1095

查图6.10得泛点百分率为92%，泛点速度uf?0.311m/s已算出，则

un?0.92?0.311?0.29545m/s，相应气体流量 Vk?Anun?3600?1.4032?0.29545?3600?1392.5m/s

液体流量 Lk?FLVV?vk?L?32.3m3/ h即第一点为（32.3，1392.5）

WL 第二点，取液气质量比WV???0.1Kg液沫/Kg气v令e，

?2,有FLVev(?ev)WVWLLS??L?????VS??V?0.5WL??V?????WV??L?0.5?0.33

?0.0476

查图6.10得泛点百分率为95%。

根据FLV?0.33和HT?0.4m，查图1，得Cf20?0.048 液泛气速 uf=0.048??549.9?19?19.=0.241m/s

0.m22s8，相应气体流量

?0.2?41所以 un?0.95Vk?Anun?3600?1.4032?0.2287?3600?1255.3m/s

液体流量 Lk?FLVV即第二点为(62.97,1255.3)

5溢流液泛线 ○

?vk?L?62.97m3 /h当降液管内当量清夜高度体量

lwDL,h,h,h?owfLH??(H?h)dTw时，将发生溢流液泛。对于一定液

与气体流量无关，液面落差可忽略不计。这样，可求出液泛

时的干板压降及相应的气体流量。第一点取Lk?60m3/h，根据

?0.75,Lkl2.?5601.052.5?53 图

23查6.8

2得

E=1.058,how?2.84?10?3E??Lh??60?3?3?2.84?10?1.058?????0.04458m

?1.05??lw?22?Ls??60/3600?降液管阻力?hf?0.153??0.153?????0.02409m

lwho1.05?0.04????液层阻力h1??(hw?how)?0.68(0.05?0.04458)?0.06431m

Hd???HT?hw??0.6(0.4?0.05)?0.27m

可得出液泛时的干板压降

hd?Hd?hw?h1?how??hf?0.27?0.05?0.06431?0.04458?0.02409?0.08702m相应的孔速

u0?c02ghd?L??0.71?2?9.8?0.08702?549.919?5.614m/s

V则气体流量为V= u0?A0?5.614?0.0581?3600?1174.3m3/h 即第一点为(60,1174.3) 第二点取Lk?80m3/h，根据堰上液高

2lwD?0.75,Lkl2.5?801.052.5查图6.8，得E=1.06。 ?70.67，

how?2.84?10?3?Lh?3E??l?w?2

?2.84?10?3?80?3?1.058????0.0541?1.05?降液管阻力

?Ls??80/3600??hf?0.153??0.153?????0.04283m

?lwho??1.05?0.04?22液层阻力h1??(hw?how)?0.68(0.05?0.0541)?0.07079m

Hd???HT?hw??0.6(0.4?0.05)?0.27m

板压降

hd?Hd?hw?h1?how??hf?0.27?0.05?0.07079?0.0541?0.04283?0.05228m相应的孔速

u0?c02ghd?L??0.71?2?9.8?0.05228?549.919?4.34m/s

V则气体流量为V= u0?A0?4.34?0.0581?3600?850m3/h 即第二点为(80,850)

同样将溢流液泛线近似看成直线，由以上两点画出。 则得到图6.12 负荷性能图如下：

25002000150010005000020406080100

2-液相下限3-液相上限6-溢流液泛线4-漏液线5-液沫夹带线1-操作线由图知操作点落在合理区内，符合要求。 （8）塔高的计算 筒体高度的计算

H0?HD??N?2?S?HT?SHT?HF?HB'?1.2?(46?2?3)?0.4?3?0.7?0.6?2.5?22.8m

HD———塔顶的第一块板到顶部封头底边的距离，一般取1～1.5m,此处选择HD为1.2m.

N———实际塔板数,46块。

S——人孔数目，此处取3个不包括塔顶空间和塔底空间的人孔。 HT ——塔板间距，0.4m。

H?T——人空处的塔板间距，一般等于或大于600mm,人孔直径取为500mm，此

处取为700mm。

HF——进料段高度，取为600mm。

HB——塔底空间高度，塔底最末一层塔板到塔底封头底边处的距离。为保证塔底有一定的储量，取为2.5m。 塔的总高

裙座高度：2.8m。

查得封头尺寸为：曲面高度350mm，直边高度40mm。型号为JB/T 4737-95，材质为Q235-A，则可以算得塔的总高=22.8+2.8+0.78=26.38m。

6.3.2 萃取塔设计

MTBE 装置反应产物在经过共沸塔将MTBE产品分离出来后,甲醇与碳四混合物由于形成共沸物无法再用蒸馏的方法进行分离,为了回收未反应的甲醇,改善装置运行的经济性,采用了与甲醇能完全互溶、与碳四基本不互溶的水为萃取剂,将未反应碳四中的甲醇萃取出来,再用蒸馏的方法对甲醇进行提纯回收。

萃取塔选择筛板萃取塔，用水将甲醇—C4溶液中的甲醇萃取出来。操作条

2?件：压力6.642kg/cm，温度为52C，由PRO/II模拟知加入水，最终定位500kg/h。

表6.7 萃取液性质 萃取水 甲醇—C4 密度kg/m3 985.431 536.974 黏度mPa?s 0.53 0.12 体积流量m3/h 0.501 8.467 界面张力为??56?10?3N/m

连续相体积流量vc?0.501m3/h,分散相体积稳定流量vd?8.467m3/h 取筛孔孔径d0孔速u0?0.12m/s。所以筛孔数n?按正三角形排列，孔间距

A1?0.866tn?0.866?0.016?1561?0.346m222vd0.785d0u02?1561

t=4d0，开孔区面积为

????7.25?0.15?g??P??0.5P??c?423g?c???4.913?1011，临界液滴直径dp,c?3.435?10m

?3取dp,m?0.0001m,dp,c?dp,用下式计算分散相液滴上什速度：

ut?3.04????dp,m0.7?0.45c??0.11c?0.0521m/s

连续相流经降液管速度ucd?ut?0.0521m/s 降液区面积A2?vcucd?0.05013600?0.0521?2.67?10m?32

受液盘面积A3?A2?2.67?10?3m2 暂设边缘区面积A4?0

则A?A1?A2?A3?A4?0.346?2?2.67?10?3?0.35134m2

?0.35134?D????0.785?0.5?0.67m圆整后D取0.8m。

塔高计算

设板间距HT?0.60m。筛板萃取塔总级效率用下式计算 筛板萃取塔 ET?5.67?10H30.5T??ud????uc?0.42

分散相空塔流速ud=0.00468m/s,连续相uc=0.00028m/s

?0.00468?总级效率ET?利用PRO/II模拟出的理??25.6%，???356?10?0.00028?5论板数为5块，则实际板数N??20

0.256

5.67?10?3?0.60.50.42

设板间距HT?0.60m。筛板萃取塔总级效率用下式计算 筛板萃取塔 ET?5.67?10H30.5T??ud????uc?0.42

分散相空塔流速ud=0.00468m/s,连续相uc=0.00028m/s

?0.00468?总级效率ET?利用PRO/II模拟出的理??25.6%，???356?10?0.00028?5论板数为5块，则实际板数N??20

0.256

5.67?10?3?0.60.50.42

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