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一、塔设备的一般要求一、塔设备的一般要求 工艺性能好；工艺性能好；生产能力大；生产能力大；操作稳定性好；操作稳定性好；能量消耗少能量消耗少 结构合理；结构合理；选材要合理；选材要合理；安全可靠。安全可靠。第一节第一节 塔设备的应用及类型塔设备的应用及类型塔设备的分类塔设备的分类 按操作压力分按操作压力分：常压塔、减压塔、加压塔：常压塔、减压塔、加压塔 按生产单元分按生产单元分：吸收塔、精馏塔、萃取塔、：吸收塔、精馏塔、萃取塔、干燥塔、干燥塔、洗涤塔洗涤塔 按塔的内件结构分按塔的内件结构分：板式塔、填料塔：板式塔、填料塔 板式塔板式塔 内部有一定数量的塔盘，气体自塔底向上以鼓泡内部有一定数量的塔盘，气体自塔底向上以鼓泡喷射的形式穿过塔盘上的液层，使气液两相充分接触，喷射的形式穿过塔盘上的液层，使气液两相充分接触，进行传质。气液两相的组份浓度呈阶梯式变化。进行传质。气液两相的组份浓度呈阶梯式变化。填料塔填料塔 内部填有一定高度的填料，液体自塔的上部沿填内部填有一定高度的填料，液体自塔的上部沿填料表面向下流动，气体作为连续相自塔底向上流动，料表面向下流动，气体作为连续相自塔底向上流动，与液体进行逆流传质。气液两相的组份浓度沿塔高连与液体进行逆流传质。气液两相的组份浓度沿塔高连续变化。续变化。板式塔结构板式塔结构 填料塔结构填料塔结构二二 板式塔板式塔板式塔塔盘的形式及特点板式塔塔盘的形式及特点 板式塔塔盘的形式板式塔塔盘的形式 泡罩形、浮阀形、筛板形、舌形、浮动喷射形泡罩形、浮阀形、筛板形、舌形、浮动喷射形 泡罩塔盘（泡罩塔盘（Bubble Cap）泡罩塔盘泡罩塔盘1升气管；2泡罩；3塔盘板 浮阀塔盘（浮阀塔盘（Valve）浮阀塔盘气液接触状况浮阀塔盘气液接触状况 筛板塔盘筛板塔盘 Dual Flow Tray筛板塔盘示意图筛板塔盘示意图 舌形和浮舌塔盘舌形和浮舌塔盘 塔板的比较塔板的比较 塔板性能比较 塔板类型 相对生产能力 相 对板效率 操作范围 压强 降 结构成本 泡罩板 1.0 1.0 10100 高 复杂 1.0 筛板 1.21.4 1.1 35100 低 简单 0.40.5 浮阀板 1.21.3 1.11.2 10100 中 一般 0.70.8 舌型塔板 1.31.5 01.1 50100 低 最简单 0.50.6 斜孔板 1.51.8 1.1 30100 低 简单 0.5 各种塔板的优点及适用范围 优 点 缺 点 适用范围 塔板类型 泡罩板 较成熟，操 作范围宽 结构复杂，阻力大，生产能力低 某些要求弹性好 的特殊塔 浮阀板 效率高，操 作范围宽 采用不锈钢，浮阀易脱落 分离要求高,负荷变化大;原油常压分馏塔 筛板 效率较高，成本低 安装要求水平,易堵,操作范围窄 分离要求高,塔板较多;化工中丙烯塔 舌型板 结 构 简 单,生产能力大 操作范围窄，效率较低 分离要求较低的闪蒸塔 斜孔板 生 产 能 力大,效率高 操作范围比浮阀塔和泡罩塔窄 分离要求高，生产能力大 塔板上的异常操作现象塔板上的异常操作现象1）漏液）漏液漏液两相在塔板上的接触时间板效率控制：控制：漏液量不大于液体流量的10%。漏液气速：漏液量达到10%的气体速度。板式塔操作的气速下限原因：原因：气速太小、板面上液面落差引起的气流分布不均匀2）液沫夹带）液沫夹带影响因素影响因素空塔气速：空塔气速减小，液沫夹带量减小塔板间距：板间距增大，液沫夹带量减小现象：现象：液滴随气体进入上层塔板。后果：后果：过量液沫夹带，造成液相在板间的返混，板效率下降控制：控制：液沫夹带量eV0.1kg(液)/kg(气)。3）液泛）液泛液泛夹带液泛降液管液泛原因：原因：气液两相流速过大影响因素：影响因素：流量、塔板结构板间距大液泛速度高塔板效率塔板效率1、塔板效率的表示法、塔板效率的表示法 1）总板效率）总板效率ET(全塔效率）全塔效率）达到指定分离效果所需理论板层数与实际板层数的比值。简单地反映了整个塔内的平均传质效果。2）单板效率）单板效率EM(默弗里效率默弗里效率)直接反映该层塔板的传质效果 3）点效率）点效率EO 试比较点效率与单板效率、全塔效率试比较点效率与单板效率、全塔效率2、塔板效率的估算、塔板效率的估算 1）影响塔板效率的因素）影响塔板效率的因素 a）物系性质：）物系性质：粘度、密度、表面张力及相对挥发度等。b）塔板结构：塔板结构：塔径、板间距、堰高及开孔率等。c）操作条件操作条件：温度、压强、气体上升速度及气液流量比。2）板效率的估算）板效率的估算 注意公式适用条件Overall Tray EfficienciesCOLUMN TYPETYPICAL ACTUALTRAYSTYPICAL EFFICIENCY,%(THEOTICAL TRAYS)ABSORBER/STRIPPERSIDE STRIPPER(STEAM)SIDE STRIPPER(REB)REBOILED ABSORBERDEETHANIZERDEPROPANIZERDEBUTANIZERNAPHTHA SPLITTERC2 SPLITTERC3 SPLITTERC4 SPLITTERAMINE CONTACTORAMINE ABSORBERCRUDE COLUMN15 254 66 825 4030 3535 4038 4530 35110 130200 25070 8020 2420 2435 4520 30(2)(3 4)45 5565 7070 8085 9070 7595 10095 10085 90(4 5)(9 12)ABOUT 50 55三、填料塔三、填料塔填料及支承结构填料及支承结构 填料的种类填料的种类 散装填料散装填料 规整填料规整填料 格栅填料格栅填料 散堆填料散堆填料 规整填料规整填料 第二节第二节 HysysHysys板式塔设计板式塔设计-水力学计算水力学计算 降降液液管管受受液液区区溢流堰溢流堰溢流堰溢流堰安定区安定区开孔区开孔区俯视图Down ComerWeirHoleCalming Zone板式塔设计板式塔设计设计内容：塔高 塔径 溢流装置的结构与尺寸 确定塔板板面布置 塔板的校核 绘制负荷性能图 （沈复教授提出，国内广泛使用）填料塔设计填料塔设计设计内容：塔高 塔径填料类型填料段总高度填料段分段高度气体分布器/液体分布器水力学核算泛点率液体喷淋密度塔设计塔设计1塔高的计算N实实际塔板数；板间距塔设计塔设计板间距的确定 板间距的数值大都是经验值。在决定板间距时还应考虑安装检修的需要，例如在塔体的人孔手孔处应留有足够的工作空间。在设计时可参考下表选取。表 不同塔径的板间距参考值 塔顶空间高度是指塔顶第一块塔板到顶部封头切线的距离。为了减少出口气体中夹带的液体量，这段高度常大于一般塔板间距，通常取 1.21.3米。当再沸器在塔外时，塔底空间高度是指最末一块塔板到塔底封头切线的距离。液体自离开最末一块塔板至流出塔外，需要有1015分钟的停留时间，据此由釜液流量和塔径即可求出此高度。塔设计塔设计 2塔径的计算 根据圆管内流量公式，塔径可表示为 式中 塔径，m；塔内汽相流量，m3/s；空塔汽速，m/s。显然，计算塔径的关键在于确定适宜的空塔汽速，所谓空塔汽速是指汽相通过塔整个截面时的速度。设计时，一般依据产生严重液沫夹带时的汽速来确定，该汽速称为极限空塔汽速，用 表示。塔设计塔设计 式中:C 汽相负荷因子，m/s。L,V 液、汽相密度，m3。塔径圆整：0.3,0.4,0.5,0.6、0.7、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6Hysys水力学设计与核算Tray Sizing塔板尺寸工具可以对收敛塔进行部分或全部的设计和确定尺寸计算。可以指定塔内填料或塔板信息，入板直径、填料尺寸、设计溢流和压降参数。结果包括塔径、压降、溢流、塔板直径等。Hysys水力学设计与核算ToolUtilitiesTray SizingAdd UtilityHysys水力学设计与核算选择塔，可增加多个塔段(Tray Section)分别设计WeirDC Clearance塔段名称（Section Name）（可以改变）开始（Start）起始塔板号结束（End）塔段结束板号塔内件Sieve(筛板)/浮阀(Valve)/泡罩(Bubble Cap)升气管（Chimney）/集液槽（Sump）填料段(Packed):Robbins 或Sherwood-Leva-Eckert预测压降和持液量模式（Mode）设计模式 根据塔中气体和液体输送通道设计尺寸核算模式 根据指定塔径和固定塔板配置进行核算激活（Active）计算的值在实际塔计算中就会使用到状态（Status）显示计算状态控制条件（Design Limit）最小直径（Minimum diameter）压降（Pressure drop）泛点率（Flooding）溢流量（Weir loading）降液管液柱高度（Downcomer backup）控制板号（Limiting Stage）显示是哪一层塔板受限制 塔板有效面积 降液管面积Specs Page页面物性计算来源物性计算来源Tray Sizing可用的参数配置参数塔板填料设计关联（Design Correlation）气泡因子（Foaming Factor）泛点率（Flooding）压降（Pressure Drop）降液管液柱高度（Downcomer Backup）溢流量（Weir Loading）设计参数（Design Parameters）Tray Sizing可用的参数配置塔板配置参数（Tray Configuration Parameters）参数浮阀筛板泡罩流程数（Number of Flow Paths）塔板间距（Tray Spacing）塔板厚度（Tray Thickness）堰高（Weir Height）降液管类型(Downcomer Type)降液管间隙(Downcomer Clearance)设计指南(Design Manual)孔面积(Hole Area)孔直径(Hole Diameter)孔间距(Hole Spacing)孔中心距(Hole Pitch)阀密度(Valve Density)阀厚度(Valve Thickness)管口类型(Orifice Type)泡罩槽高度(Bubble Cap Slot Height)液流通道数（Number of Flow Paths）通常使用多路塔板可以得到较小的塔直径。流程越多，在塔板上安装的浮阀和筛孔的数量就越少。这样会导致压降增加，降液管承受量增加，塔板效率降低液流通道 塔段直径（Section Diameter）根据指定的流程数量显示塔段的直径。塔板属性（Tray for Properties）仅在核算（Rating）模式下可用。可以指定计算塔属性使用到的塔板塔板间距（Tray Spacing）塔板间距是指两个塔板之间垂直距离：浮阀和塔板的材料厚度 （Valve and Tray Material Thickness）材料厚度通常用标准度量（gauge）来描述 标准度量（gauge）和英寸（inches）换算起泡因子（Foaming Factor）气泡因子是度量系统的气泡趋势。气泡因子越小会导致的塔板效率越低和要求的塔直径越大常见系统起泡因子系统起泡因子（Foaming Factor）环境油（Ambient Oil(T 0F)）0.85低温油（Low Temp Oil(T 0F)）0.95DGA/DEA/MEA 接触器（DGA/DEA/MEA Contactor）0.75乙二醇接触器（Glycol Contactor）0.65亚磺基接触器（Sulfinol Contactor）1.0原 油 或真空分馏(Crude/Vacuum Fractionation)1.00碳氢化合物（Hydrocarbon）1.00低分子量甲醇（Low MW Alcohols）1.00富油塔顶（Rich Oil DeC1 or DeC2(top)）0.85富油塔底（Rich Oil DeC1 or DeC2(Btm)）1.00冷却顶部（Refrigerated DeC1 or DeC2(top)）0.80冷却底部（Refrigerated DeC1 or DeC2(btm)1.00常见系统起泡因子系统起泡因子（Foaming Factor）常规碳氢化合物精馏（General HydrocarbonDistillation）1.00MEA/DEA 蒸馏（MEA/DEA Still）0.85乙二醇/DGA 蒸馏（Glycol/DGA Still）0.80亚磺基蒸馏（Sulfinol Still）1.00二氧化硫汽提塔（SO2 Stripper）0.90酸性水汽提塔（Sour Water Stripper）0.50-0.70氧气汽提塔（O2 Stripper）1.00最大压降（Maximum Pressure Drop）每个塔板允许的最大压降可以按液体高度输入。如果不指定，使用默认的液体最大高度是4 英寸。对于填料（Packed）塔板，参数是每高度填料的压降。默认参数是每英尺填料为0.5 英寸的水柱最大液泛率（Maximum Flooding）塔的尺寸是按照整齐和液体通道来给定的。塔的溢流在任何塔板不能超过这个参数。正常情况下推荐最大值是85%，真空和低压降情况下推荐77%。这些值产生大约10%夹带。直径36 英寸以下要使用65%75%的溢流参数。可以指定更低的值，例如需要增加容量时，如果不指定该值，平孔板的最大溢流值是85%，文丘里孔板的溢流最大值是77%。填料相关性（Packing Correlation）默认选择是 Robbins 相关性，它能较好地来预测压降和流体储液面。特别是使用的新填料材料。只有在负荷20000（流体负荷 CH3OH+H2O 反应产物部分冷凝，气相主要是H2和CO2，经压缩机增压后返回与原料气混合循环利用；液相（主要是CH3OH和H2O）进入精馏塔分离成甲醇和废水，产品需冷却到适合存储的温度，因此，还需一台离心泵打来冷取水到换热器与热甲醇换热。简单操作步骤基础数据1.添加组分，CO2,H2,甲醇，水2.选择流体包，SRK3.Simulattion环境下Reactions选项设计反应集：3 H2+CO2=CH3OH+H2O 4.Add RxnKineticAdd Reaction Add Comp，定义上面的反应，将该反应命名：Methanol Reaction 简单操作步骤基础数据5.Basis下将相关参数调整到与动力学方程相适应的单位：Base Component=CO2 Basis=Molar Concn Rxn Phase=VapourPhase Rate Units=kgmole/m3-h 6.Parameters 下输入Arrhenius 方程参数：简单操作步骤基础数据7.返回Simulation Basis管理器，点Reaction Set，双击Global Rxn Set，将Methanol Reaction加入到反应集：简单操作步骤基础数据8.刚才已将甲醇反应加入到反应集，但还没有将该反应集放入基础数据包Basis-1中。要这样做：在Simulation Basis Manager点Add to FP Add Set to Fluid Package。此时反应集才与流体包发生关联！9.点Return to Simulation Environment 返回模拟环境，注意保存文件！简单操作步骤搭建流程1.输入进料物流:Stream Name=Feed Temperature=40 C Pressure=4000 kPa Mass Flow=1000 kg/h 组成：vol%CO2=.25 H2=.75 简单操作步骤搭建流程2.添加混合器Recycle Mixer:名称：Recycle Mixer进料：Feed，Recycle出料：Mixed 3.输入Recycle物料条件：Temperature，pressure与Feed相同 Molar Flow=200 kgmole/h 初始组成：vol%CO2=.1 H2=.9 简单操作步骤搭建流程4.添加反应进料加热器:单元操作类型：Heater名称：Feed Heater进料：Mixed出料：To Reactor能量流：Heater Duty 压降：50 kPa物料出口温度：200（注意保存，最好更名）简单操作步骤搭建流程5.添加反应器:单元操作类型：CSTR名称：Reactor进料：To Reactor出料：气相，From Reactor;液相，Dummy Liquid 能量流：Reactor Cooling等温反应：200压降：100 kPa反应器：圆柱形，直径10m,高度10m 简单操作步骤搭建流程6.反应器Reactions选项卡下，加入反应集 7.Rating选项卡Sizing下输入反应器结构：简单操作步骤搭建流程8.反应器Design选项卡Parameters下，输入反应器压降：简单操作步骤搭建流程反应器计算结果 简单操作步骤搭建流程9.添加反应产物冷凝器:单元操作类型：Cooler名称：Product Cooler进料：From Reactor出料：Condensed Mixture能量流：Product Cooler Duty 压降：50 kPa物料出口温度：40 简单操作步骤搭建流程10.添加反应产物凝液气液分离器:单元操作类型：Separator名称：Separator进料：Condensed Mixture出料：Vapor,Liquid能量流：绝热 压降：0 kPa 简单操作步骤搭建流程11.添加分离器气相物流分割器:单元操作类型：Tee名称：Purge Splitter进料：Vapor出料：Purge,Recycled分割比：Purge 0.0001 作用：将部分气相物料“放空”以维持系统内部物料平衡 简单操作步骤搭建流程12.添加循环气体增压机:单元操作类型：Compressor名称：Recycle Compressor进料：Recycled出料：To Recycle能量流：Recycl Comp Power出口压力：4000 kPa Parameters:默认 简单操作步骤搭建流程13.添加Recycle单元:单元操作类型：Recycle名称：Recycle进料：To Recycle出料：Recycle 功能：循环迭代循环气体Recycle，直到算出的 To Recycle条件与假设的Recycle条件误 差达到精度要求应该自动完成所有流程计算 对比完成迭代计算后的Recyce物流条件与开始时在“搭建流程”第3部中所假设的物流条件有何差别！反应器结果简单操作步骤搭建流程14.优化反应：研究结果表明，生成甲烷反应的最佳条件为：实际转化率为平衡转化率的90%反应器高径比 1/2调整反应器结构，计算反应，考察转化率Height Diameter Conversion 1 2 42.65 .9 1.8 41.54 .89 1.78 41.40 简单操作步骤搭建流程15.产物分离添加精馏单元操作单元操作类型：Distillation Column名称：Distillation进料：Liquid出料：塔顶气相，Methanol;（Partial）塔顶液相馏出物，Dummy;塔底，Water能量流：冷凝器，Condenser Duty 再沸器，Reboiler Duty 理论板数：10,进料位置：5压力：顶1000 kPa,冷凝器压降0，底1015 kPa初值：回流比3,气相馏出物19.729kmol/h，液相馏出0点击运行简单操作步骤搭建流程16.调整设计变量(Specs)原先规定：Reflux Ratio,Ovhd Vap Rate,Distillate Rate简单操作步骤搭建流程16.调整设计变量(Specs)增加：塔顶Methanol中含水量规定(1%w)塔顶Methanol产品中甲醇回收率97%简单操作步骤搭建流程16.调整设计变量(Specs)增加：塔顶Methanol中含水量规定(1%w)塔顶Methanol产品中甲醇回收率97%简单操作步骤搭建流程17.流程计算完成精馏塔计算要点：从进料条件估计出塔顶馏出物流率给出回流比初值。在多数情况下可输入3先在上面规定下完成塔的计算根据实际需要更改设计规定，并激活，同时使原先的相同数量的规定失效有时可能要调整设计规定的数值。简单操作步骤添加甲醇产品水冷却器及储罐18.添加甲醇产品冷却水物流 物流名称：Water Source流量：100000 kg/h温度：30 压力：150 kPa组成：纯水简单操作步骤添加甲醇产品水冷却器及储罐19.添加甲醇产品冷却水泵 单元类型：Pump单元名称：Water Pump进料物流：Water Source出料物流：To Condenser能量流：Pump Power出口压力：600 kPa简单操作步骤添加甲醇产品水冷却器及储罐20.添加甲醇产品水冷却器 单元类型：Heat Exchanger单元名称：Condenser壳程进料：To Condenser 出料：Water Return压降：50 kPa管程进料：Methanol 出料：Final Product压降：50 kPaUA:3333.33 W/KHysys换热器模拟方法：Heater or Cooler-最简单。只进行使物流达到目标温度的热量平衡计算 Heat Exchanger-冷、热工艺物流进行热量交换（1）指定UA，计算出口温度。如果能给出U的估计值，可用于粗略计算。（2）有相变物流，推荐采用Exchanger Design(Weighted)策略。（3）无相变物流，可采用Exchanger Design(EndPoint)策略。（4）Steady State Rating-换热器核算（最复杂）需要输入换热器结构信息，由Hysys计算出管程与壳程流动压降和U值，从而计算出口温度。（即将换热器结构作为自由度）（2）与（3）两种计算策略需指定1个自由度变量的数值，如1股出口物流温度、传热温差、换热负荷、过冷或过热度等。本例采用第2种方法，要控制甲醇与冷却水的出口温度分别是40和45设定换热器自由度为甲醇出口温度，用Adj调节冷却水流量，使冷却水返回温度为45度初步结果冷却水出口温度太低，用量太大解决方法：增加Adjust单元，算出满足冷却水最高出口温度所需冷却水量简单操作步骤添加甲醇产品水冷却器及储罐21.添加Adjust单元单元类型：Adjust单元名称：Water T Control如果达到设计最大迭代次数，在询问时，选择继续迭代简单操作步骤添加甲醇产品水冷却器及储罐22.添加Tank单元单元类型：Tank单元名称：Methanol Storage进料物流：Final Product出料物流：气相，Vent;液相，Shipping输出压力：200 kPa第4节 塔水力学计算
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