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  空分设备精馏塔的设计与研究 杨 修 玲 (杭州杭氧股份有限公司设计院,浙江省杭州市东新路 388号 310004) 摘要:介绍精馏塔的设计与工艺制造 ,着重分析 了精馏塔塔盘结构形式的确定、筛板塔和规 整填料塔的水力学计算、精馏塔 的强度计算与稳定性校核 。 关键词 :空分设备 ;精馏塔;筛板塔 ;规整填料塔 ;设计 ;安装 中图分类号 :TB657.6 文献标识码 :A Designandresearchofdistillationcolumninairseparationunit YangXiuling (Designing Institute,HangzhouHangyangStockCo.,Ltd.,388DongxinRoad,Hangzhou 310004,Zhejiang,P.R.China) Abstract:Thedesignandmanufacturingprocessofthedistillationcolumnareintroduced.Thedeterminationof column tray structure,thehydraulic calculation ofsieve—plate column and structured packing column,the strengthcalculationandstabilitycheckofdistillationcolumnareemphaticallyanalyzed. Keywords:Airseparationunit;Distillation column;Sieve—platecolumn;Structuredpackingcolumn;Design; Installation 随着现代化工业 的发展 ,空分设备 日趋大型 一 般来说 ,精馏塔塔盘结构形式有筛板和规整 化 ,精馏塔也 日趋大型化。杭氧生产的大型空分设 填料两种 ,无论采用哪种结构形式 ,精馏塔性能都 备 ,经历 了20000m /h、30000m /h、40000m /h、 是一样可靠。筛板塔的造价低 ,运行阻力却很大; 50000m0/h、60000m3/h几个 阶段 ,这些空分设备 规整填料 的自身特点决定了规整填料塔的运行条件 相继一次性开车成功的实例表明:杭氧空分设备精 越是接近真空环境其性能越好 。 馏塔性能良好 ,运行稳定。 综合考虑上述因素 ,并结合客户投资意愿 ,杭 现从设计 的角度对空分设备精馏塔的设计与研 氧设计的精馏塔 ,一般下塔采用筛板塔 ,其余 的塔 究略作介绍 ,希望能对大家有所启发 。 采用规整填料塔。 1 精馏塔塔盘结构形式的确定 2 精馏塔的水力学计算 塔盘结构形式的确定是整个精馏塔设计 的关键 精馏塔的水力学计算很复杂 ,不同结构塔盘的 所在 ,它对整个精馏塔 的设计起到前导性作用 。采 水力学计算也有很大不同;在不同的计算资料里 , 用不同塔盘结构形式的精馏塔所选用的设计方法不 计算的具体方法也不尽相同。下面分别介绍筛板塔 相同;而且 ,塔盘结构形式的确定还会影响精馏塔 和规整填料塔的水力学计算 。 的生产成本和周期 ,影响整个空分设备的运行阻力 2.1 筛板下塔的水力学计算 等重要参数 。 对流型筛板下塔的水力学计算方法最初来源于 收稿 日期 :2008—11-11;修 回日期 :2008.12—02 作者简介 :杨修玲 ,女 ,1975年生 ,工程师 ,毕业于甘肃工业大学化工工艺专业 ,现在杭州杭氧股份有 限公司设计院 从事单元设备设计工作 。 · 32 · 德国林德公司 10000m3/h空分设备 的实习总结。 2.1.4 孔板 开孔率的确定 空分设备发展到今天,塔器大型化使得塔的放大效 孔板是塔板上进行气液接触的传质区域 ,开孔 应越来越明显 ,原来 的计算方法 已经不再适用 。精 率的大小直接影响精馏塔的传质效果。开孔率的大 馏塔设计人员经过不断的研究与探索 ,在总结实践 小要综合考虑,把下限操作时不漏液 、上限操作时 经验的基础上针对大型空分设备摸索出了一套 自己 不产生雾沫夹带和液泛现象作为开孔率选择 的依 的计算方法。多次实践证 明,这种计算方法可行而 据 同时考虑控制合适 的阻力范围。 且可靠。 2.1.5 塔板 间距 的确定 2.1.1 塔 径 的确定 塔板间距是影响塔高度的主要参数 ,它关系到 塔的设计工艺参数确定以后 ,塔径基本上就可 塔 的制造成本和性能指标。利用尽量小的空间、选 以确定 了。 择尽量少的塔板实现尽可能充分的精馏 目标 ,是塔 确定塔径 Di,首先必须确定空塔速度 Ⅳa。 板间距确定 的主要原则 。 空塔速度的选取必须恰 当,既不能使塔板在下限操 为了使整塔设计得具有较高的性价 比,塔板间 作时发生不均匀鼓泡 ,又不能使其在上限操作时出 距必须控制在合理的范 围内。凡塔板上影响塔板间 现雾沫夹带和液泛现象,同时还要考虑合适的气液 距的设计参数 (如各进出 口的堰高、溢流斗的结构 接触时间。 形式等),都应该尽可能做到优化设计。 空塔速度 Wa确定 以后 ,根据公式 Fa=V÷ 杭氧除了在四溢流塔板各区域的比例分配方面 Wa=nDi/4,可 以计算 出塔板 的面积 Fa和塔径 积累了一定的设计经验外 ,其 自主开发的四溢流塔 Di(公式中 代表气体流量)。 板溢流斗的结构形式也向着更有利于实现气液分离 2.1.2 塔 板 通道数 的确 定 的方向不断优化 。溢流斗结构形式的优化降低 了塔 在塔板 的水力学计算中,溢流强度是一个很重 板间距 ,提高了塔的性价 比。 要的参数 ,它贯穿于整个水力学计算过程。合理的 2.2 规整填料塔的水力学计算 塔板结构 ,应该把溢流强度控制在一个合理的范围 空分设备精馏塔除下塔外还包括上塔、粗氩塔 内,这样设计 的整塔性价 比才会高。在液体量一 和精氩塔 ,杭氧所设计的精馏塔中主要在上塔 、粗 定、塔径确定的情况下,只能通过改变通道数来改 氩塔和精氩塔采用规整填料塔。与采用筛板塔相 变溢流 强度 。根据 上述 规 则 ,对 于 常规 流 程 比,规整填料塔 的运行 阻力更小 、操作弹性更大 30000m0/h等级 以上 的空分设备 ,杭氧的筛板下塔 (主要更利于下限操作)。这也是近年来规整填料塔 就开始采用 四溢流塔板结构。 应用越来越广泛的原因之一 。 2.1.3 塔板各 区域 的比例分配 规整填料塔 的水力学计算没有现成的经验可借 塔板各区域的比例分配是筛板塔设计是否成功 鉴 ,国内外可利用的相关资料也是寥寥无几。经过 的关键。合理的比例分配 ,首先保证各区域的气液 多年的摸索、总结与实践 ,杭氧开发 了自己的计算 处理量和气液接触的停 留时间与本区域的处理能力 方法 。多次使用证 明,这种计算方法是安全、正 相一致 ;其次能够很好地控制气液平衡 ,使各 区域 确 、可行和可靠的。 上的物流经过传质后得到无组分差异的物流。 在不同项 目的氩塔工艺参数 中除了产量和纯度 要想得到合理的区域比例 ,必须先确定好溢流 的差别以外 ,其他操作参数 (温度 、压力等)都相 斗和接液槽的大小。溢流斗在塔板l中既是引导液体 差不大 ,所以常常采用对 比经验 的方法进行设计 ; 下流的降液管 ,又是实现气液分离的分离器。溢流 加之其设计计算方法与上塔是相通的,所以现以规 斗的大小设置必须合理 ,既不能太大 ,也不能太 整填料上塔的水力学计算为例来介绍。 小 ;既要考虑把尽可能多的面积让给气液传质区域 2.2.1 塔径 的确定 (即孔板部分),又要考虑实现气液分离,避免气液 上塔一般有 5或 6个分离段,每个分离段都对 返混。接液槽又称受液盘,当塔板溢流斗的大小确 应不同的工艺参数 ,设计起来 比较复杂 。为了简化 定后,接液槽只要不阻挡液体流向塔板进行传质就 制造与计算,提高塔的性价比,选择统一塔径进行 可 以。 设计。 · 33 · 填料塔的各分离段中,氧的抽 出口到氩馏分的 有效利用面积 ;液体收集器必须注意保持 良好的收 抽出口之间所需要的理论塔板数最多 ,制造时花费 集效果 ,同时起到气体均布的作用。 的成本最大 ,所以选择以此段为基准进行设计。选 杭氧所设计 的液体分布器,同时具有气液均 择适合此段 的填料型号 ,求取泛点气速 (或泛点 F 布 、填料支承和液体收集 的综合作用 ,它结构简 因子),再根据泛点气速 (或泛点F因子)选取合 单、制造方便 、所 占空间小 (每只分布器的高度仅 理的空塔速度 (或实际 F因子),然后根据空塔速 有 600mm左右),是经济、高效的分布器。 度 (或实 际 F因子)确定最后的塔径。其他各分 3 精馏塔的强度计算与稳定性校核 离段则根据不同的气 、液负荷选取合适的填料,必 3.1 整塔的稳定性计算 要时缩放塔径。 在国内标准中, 《钢制塔式容器》 (JB4710) 2.2.2 填料高度的确定 是关于塔器稳定性设计的主要设计准则 ,是建立在 填料是填料塔设计的关键,直接关系到塔 的分 地震反应谱理论基础上的; 《铝制焊接容器》 (JB/ 离效果。填料型号一旦确定,在空分设备操作条件 T4734)则是铝制产品的设计规范 ,但它并没有涉 与气液负荷一定的前提下,该填料的效率也就确定 及塔式容器的计算方法。杭氧所设计的精馏塔 ,多 了。填料的效率一般用每米填料相当的理论塔板数 属铝制 (而非钢制)产品,而它又是通过螺栓与钢 来表示,相当的理论塔板数越多 ,填料的效率越高。 制基础架连接在一起 (远离地面的反应谱曲线与地 填料的效率与填料的结构形式 、几何特性、操作负 面加速度的反应谱 曲线肯定不能吻合在一起),所 荷和介质的物性有关 ,理论上是可以计算出来的。 以整塔的稳定性计算既没有现成 的经验可利用 ,也 空分设备精馏塔 的填料高度除了利用计算出来 没有与之相适应的标准来参照。 的填料效率进行选取 以外 ,还必须结合实际经验 , 所以,杭氧精馏塔的设计 ,在稳定性计算方面 根据具体项 目所要求 的侧重点来确定。 综合依据 《钢制塔式容器》和 《铝制焊接容器》2 2.2.3 填料压降的计算 个标准,采用 《钢制压力容器一分析设计》 (JB 杭氧进行填料压降的计算 ,常用关联式和冷模 4732)的方法进行 ;对于一些地震烈度较大区域的 试验所得的压降曲线 。在上塔的整塔设计 中,使用 精馏塔设计 ,还采用 了PVELITE软件进行双重校 两种方法计算得到的结果是一致的,与实际开车的 核。 结果也相吻合 ,一般都控制在 6kPa左右。 3.2 塔 内件的强度设计与校核 2.2.4 液体分布器的设计 3.2.1 塔 内支承件 的设计与校核 为了充分发挥填料的传质效果,也为了实现塔 塔内承重的内件常见结构有格栅式、圆板式、 内外物料的传承 ,填料塔内常常设置多只液体分布 梁式和环式 ,一般采用应力分析 的方法来进行这几 器 。 ’ 种结构形式支承件的设计与校核 。 液体分布器的设置必须注意做到以下四点 :① 下面对这几种结构形式 的支承件在同一承重 保持足够的液位以保证物料的混合均匀和分布器的 (按承重 50t计)和同一塔径 (按 内径 ~b5000mm) 稳定分布;②分布器的分布点数必须足够多,分布 条件下进行分析对比。 效果才会好 ;③分布器分布点数的布置必须在整塔 3.2.1.1 格栅式支承 的圆截面上尽可能均匀分布 ,在塔的近筒壁处通常 格栅式支承件的应力最大处分布在近塔壁 、各 设置支承圈,由于结构的原因,支承圈位置处的分 支承板的两端处 ,而最大挠度出现在塔中心、各支 布点数往往 比中心位置处还要多一些 ;④分布器上 承板的中心位置处。当高度不变 、各支承板的间距 的液体小孔不能太小,以防止小孔堵塞 ,影响分布 不变时,随着各支承板厚度 的增加 ,应力减小 ,挠 性能。 度减小 ;当厚度不变 、各支承板的间距不变时,随 2.2.5 塔其余 内件的设计 着高度的增加 ,应力减小 ,挠度减小。总结得出: 塔的其余内件包括填料 的支承装置 、压紧装置 增加高度是减小应力和挠度的最有效方法。 和液体收集器等。填料的支承与压紧装置必须足够 在承重 50t、内径 ~5000mm精馏塔的条件下, 牢 固,所 占的面积尽量小 ,以便于尽可能增加塔的 选用高度为 80mm、各支承板的间距为 500mm 的 · 34 · 铝 (5083)格栅做支承时,各支 承板 的厚度取 内径 ~4800mm精馏塔的条件下 ,工字铝的最大应 22mm时,最大应力为 406.177MPa;当厚度增加 力 出现 在 下 板 与 立 板 交 接 的 拐 角 处 ,仅 到 33mm 时,最大应力就降低为 221.098MPa,但 102.066MPa;挠度最大处仍然在 中间梁的中间处 , 仍然不合格。当高度为 150mm、厚度仍按 33mm 为 12.062mm。 计算时,最大应力仅为 67.193MPa,选择 的格栅 3.2.1.4 环式支承 尺寸就合格。 环式支承的环有板做的也有型材做的,在同样 3.2.1.2 圆板式支承 厚度和同样材料的情况下 ,型材做的比板做的受力 圆板式支承件结构简单 ,当承重和塔径 固定 情况要好很多;就是对于板做的环 ,它所需要的厚 时,它的应力分析结果只取决于板的材质和厚度。 度也远小于圆板结构 的支承。环式支承结构最简 在承重 50t、内径 ~5000mm精馏塔的条件下, 单 ,材料最省 ,所 以被广为使用。 选用 5083的铝圆板支承 ,当板厚为 20mm 时,最 当然 ,不 同的使用条件要选用不 同结构 的支 大应力为 289.216MPa,不合格。当板 厚为 40mm 承 :梁式支承有一定的方向性 ,环式支承只能用于 时,最大应力为 119.868MPa,才刚刚合格。 自支承 良好 的内件支承 (或是与其他支承配合使 3.2.1.3 梁式支承 用)等等 ,在设计选用时要谨慎考虑 。 梁式支承的梁有的用型材 (例如角铝或角钢、 3.2.2 塔板挠度的计算 槽铝或槽钢 、工字铝或工字钢等)制作 ,有的用支 在承重 50t、内径 ~4800mm精馏塔的条件下, 承板制作,还有的用板折弯成一定的形状来制作而 塔板选用 lmm 的 5052铝板 ,并采用 5052的铝螺 成。 栓来进行定位和支承 (塔板上的铝螺栓有 128个 , 支承板制作的梁相 当于从格栅式支承中去除了 按长 400mm、宽 350mm 的矩形分布)。用应力分 一 个方向的支承板 ,所 以它的受力情况与格栅式支 析的方法核算结果如下 :挠度和应力的最大处都位 承的类似 ,在同等高度 、承重相 同、同一塔径 、使 于螺栓的固定位置 ,最大挠度为 0.003735mm,最 用相 同材质的情况下 ,所需要的支承板厚度更大。 大应力仅 4.818MPa。塔板挠度和应力计算如图 1、 型材结构的梁当中受力最好的为工字铝或工字 2所示 。 钢结构 ,其承载能力大,不易变形 。在承重 50t、 图 1 塔板挠度计算 图 · 35 · 图2 塔板应力分析图 可见 ,选取这种结构是合理的,各零部件的厚 在大型规整填料塔安装和一些筛板塔的安装上,立 度也已经足够。 装工艺应用得越来越广泛。 4 制造工艺的确定 5 结束语 精馏的实现,不仅依赖于可靠的设计 ,先进的 大型空分设备精馏塔在杭氧的发展总体来说是 工艺与制造技术更是精馏得以实现的保障。 成功的,但也必须清醒地认识到 ,与国内外同行业 为了使设计思路得以实现,设计人员在设计时 的水平相比,还存在着差距和不足,如与林德 、液 尽可能考虑详尽 ,给予足够的可能和保障;工艺与 化空气等公司相 比,杭氧所设计 的精馏塔有些偏 制造人员也尽可能考虑周密,忠于设计 ,发挥设计。 高,制造略为粗糙 ,结构安排方面有些不够紧凑等 卧装是杭氧生产精馏塔的常见制造方式。这种 等 。这些都是有待优化和进步的地方。 制造方式用滚轮架做工具 ,用保证水平度和直线度 工业的现代化发展,迎来 了空分设备的革新时 的方法来保证塔 的垂直度 。它不仅简单、方便 ,而 代 ;精馏塔的大型化发展 ,对运输 、制造 ,尤其是 且塔内垃圾易于清除,塔 内的清洁度和油含量容易 设计提出了更高的要求 。为了节能降耗 、消除塔的 控制。最重要的一点是,塔的制造与检验都在人力 放大效应、利于运输和便于车间制造等 ,空分行业 所触及的范围内,能够及时发现问题 ,并就地解决 的设计水平有待更进一步的提高。 问题。这种制造方式被广泛应用在筛板塔和规整填 近年来 ,杭氧采用筛板下塔 、其余为规整填料 料塔的生产组配安装上。 塔的精馏塔设计结构 ,基本实现了高性价比,赢得 立装也是杭氧生产精馏塔时经常采用的制造方 了广大用户的好评 。在此基础上 ,应该把主要精力 式。它利用 吊机做工具 ,把塔 内件逐一进行安装。 投入到开发新结构形式的塔盘和研究现有结构形式 立装组配精馏塔的时候 ,生产人员往往站在塔外的 塔盘的优化上。 安装平 台上进行观察 ,用安装工艺模具把相应的塔 相信不久的将来 ,杭氧的精馏塔技术会站在世 内件安装在相应的位置上。当进行检验和修正等工 界的前列,杭氧会生产出高效率 、多产出、低成本 序时,通常需要搭建平台,做好塔 内件的保护工 和低消耗 的高档产品,为我国现代化工业 的发展贡 作 。但是 ,澳门银河娱乐网立装的塔最接近于实际运行状况 ,立装 献更多的力量。 状况的好坏最 能反 映现场的实际运行工况。所以, · 36 ·

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