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

5.5  冷凝器年运转费用

5.6  再沸器年运转费用或加热蒸汽费用

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

>8

6.3核算喷淋密度

 [m3/(m.h)]

回流液

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

                  7-1

式中			冷凝器传热量，；
			精馏段汽相流量，；
			冷凝器中汽相冷凝潜热，；
			塔顶产品流量，；
	、		回流比和最佳回流比。

7.1.1.2  冷凝器传热推动力

                              7-2

式中			冷凝器传热推动力，；
			冷凝器汽相（第一块塔板汽相）露点温度，；
			冷凝器中冷却水进口温度，；
			冷凝器中冷却水最佳出口温度，。

若，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

                7-3

式中			冷凝器传热面积，；
			冷凝器总传热系数，。

取（初估）值代入式7-3 得（初估）。

根据（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

    

                  7-4

式中	、		冷凝器管内、外对流给热系数，；
	、		冷凝器管内、外污垢热阻，；
			冷凝器管壁导热系数，；
	、		冷凝器管内、外径，m；
			冷凝器管壁平均直径，m；
			冷凝器管壁厚度，m。
			冷凝器总传热系数，；。

管外为有机物甲醇，管内为未经处理的井水，可查得、；

    （1）管外的计算

    对水平管外冷凝的对流给热系数可用下式计算

                      7-5

其中                              

式中			冷凝液质量流量，；；
			冷凝液平均分子量；
			冷凝器管长，m；
			冷凝器总管数；
			冷凝液粘度，；（注意：粘度、密度、导热系数的混合规则）
			冷凝液密度，；
			冷凝液导热系数，。

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

假设冷凝器壁温，可求得，查得此温度下物性参数，并计算得α2。

    根据牛顿粘性定律

                           7-6

式中			冷凝器管外壁温度，；
			冷凝器管外表面积，即冷凝器的换热面积。

代入式7-6计算得管外侧壁温，直至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）管内的计算

    当、、时，管内对流给热系数可用下式计算

                     7-7

该式适用于低粘度流体（），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。

式中			冷却剂（水）导热系数，；
			冷凝器管内径，m；即；
			冷凝器管内流速，m/s；
			冷凝器管内流体密度，；
			冷凝器管内流体粘度，；
			冷凝器管内流体的比热，；

    注意点：

    ①的单位为；

    ② 物性参数、、、等应由平均温度查表或计算，；

    ③流速的计算：

       管内流体（冷却水）的用量：，；则流速为

                            7-8

式中为单程管子数。

把以上相关数据代入计算得，及（计算值）

7.1.2.2  冷凝器传热面积的校核

由可求得（计算值），则可由求得实际所需冷凝器传热面积AD（需要）。

K（计算）值需大于K（初估）值，即AD（初估）需大于AD（需要），所选择的换热器才能满足要求，其裕度需满足： 。

（1）如果K（计算）值小于K（初估）值，即AD（初估）小于AD（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AD（初估）需大于AD（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AD（初估）需大于AD（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AD（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

                       7-9

其中：                     ， 

式中			每程直管压降，；
			每程局部阻力，；
			壳程数；
			每壳程的管程数；
			冷凝器管内流体密度，；
			冷凝器管内流体流动摩擦因素。
			局部阻力系数，含回弯及进出口阻力系数， =3

参考化原上册P206：

碳钢的粗糙度, 

（2）壳程阻力损失

                          7-10

其中：                      ， 

式中			换热器壳程内径，m；
			折流板数目；蒸汽冷凝时折流挡板间距只有480、600mm两种类型；
			冷凝器壳程当量直径，m；
			冷凝器壳程流速，m/s；；设有折流挡板时，；无折流挡板时，；
			冷凝器壳程折流挡板间距，m；
			管子外径，m；
			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，；正三角形排列时，。

7.2  接管选型

    针对不同的流体，选择适宜的流速，由求得接管的直径，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(<295kPa)，40~60m/s(<785kPa)，80m/s(>2950kPa)

注意：计算中为体积流量，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/m3

所以求得=13.68 m3/h

设=1.0m/s , 则=69.59mm

设=2.5m/s,  则=44.01mm

选取的无缝钢管，验算=1.94m/s，符合要求。

7.3  冷却水输送泵

7.3.1  塔高计算

                   7-11

式中			塔高，m；
			塔顶空间高度，m；0.5~1m
			理论塔板数；
			等板高度，m；
			塔内件及人孔、手孔、进料位置等空间的总高度；1.8m
			塔釜空间高度，m；保证釜液10~15min的储量；
			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=L’=RD+F（Kmol/h）

有，可得

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和扬程。

                                7-12

                       7-13

其中：               ，， 

式中			体积流量，；
			扬程，m；
			冷却水流量，kg/h；
			冷却水密度，。
			塔高，H
	l		H+管长余量4m
			含2个弯头，1个阀门
			冷凝器管程阻力损失

（由粗糙度和雷诺数计算，由接管选型得到，由和计算得到。）

查泵的型号如下表：

表2 泵的选型

转速

r/min	流量/m3	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