第6章-Hysys在化工设备设计中的应用

第6章Hysys在化工设备设计中的应用----精馏塔水力学计算一、塔设备的一般要求●工艺性能好；●生产能力大；●操作稳定性好；●能量消耗少●结构合理；●选材要合理；●安全可靠。第一节塔设备的应用及类型塔设备的分类按操作压力分：常压塔、减压塔、加压塔按生产单元分：吸收塔、精馏塔、萃取塔、干燥塔、洗涤塔按塔的内件结构分：板式塔、填料塔◆板式塔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，进行传质。气液两相的组份浓度呈阶梯式变化。◆填料塔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，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。板式塔结构填料塔结构二板式塔板式塔塔盘的形式及特点◆板式塔塔盘的形式泡罩形、浮阀形、筛板形、舌形、浮动喷射形●泡罩塔盘（BubbleCap）泡罩塔盘1—升气管；2—泡罩；3—塔盘板●浮阀塔盘（Valve）浮阀塔盘气液接触状况●筛板塔盘DualFlowTray筛板塔盘示意图●舌形和浮舌塔盘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1.01.010～100高复杂1.0筛板1.2～1.41.135～100低简单0.4～0.5浮阀板1.2～1.31.1～1.210～100中一般0.7～0.8舌型塔板1.3～1.501.150～100低最简单0.5~0.6斜孔板1.5～1.81.130～100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1）漏液漏液两相在塔板上的接触时间↓板效率↓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：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：液滴随气体进入上层塔板。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：液沫夹带量eV＜0.1kg(液)/kg(气)。3）液泛液泛夹带液泛降液管液泛原因：气液两相流速过大影响因素：流量、塔板结构板间距大液泛速度高塔板效率1、塔板效率的表示法1）总板效率ET(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。pTTNNE简单地反映了整个塔内的平均传质效果。2）单板效率EM(默弗里效率)直接反映该层塔板的传质效果1*1nnnnMVyyyyE*11nnnnMLxxxxE3）点效率EO1*1nnOVyyyyE试比较点效率与单板效率、全塔效率2、塔板效率的估算1）影响塔板效率的因素a）物系性质：粘度、密度、表面张力及相对挥发度等。•b）塔板结构：塔径、板间距、堰高及开孔率等。c）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——注意公式适用条件OverallTrayEfficienciesCOLUMNTYPETYPICALACTUALTRAYSTYPICALEFFICIENCY,%(THEOTICALTRAYS)ABSORBER/STRIPPERSIDESTRIPPER(STEAM)SIDESTRIPPER(REB)REBOILEDABSORBERDEETHANIZERDEPROPANIZERDEBUTANIZERNAPHTHASPLITTERC2SPLITTERC3SPLITTERC4SPLITTERAMINECONTACTORAMINEABSORBERCRUDECOLUMN15–254–66–825–4030–3535–4038–4530–35110–130200–25070–8020–2420–2435–4520–30(2)(3–4)45–5565–7070–8085–9070–7595–10095–10085–90(4–5)(9–12)ABOUT50–55三、填料塔填料及支承结构◆填料的种类散装填料规整填料格栅填料散堆填料规整填料第二节Hysys板式塔设计----水力学计算降液管受液区溢流堰溢流堰安定区开孔区俯视图DownComerWeirHoleCalmingZone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1．塔高的计算N实――实际塔板数；ＨＴ――板间距THNZ)1(实塔设计ＨＴ――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1.2～1.3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10～15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。uVDs4DsVumaxu塔设计式中:C——汽相负荷因子，m/s。ρL,ρV——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、1.6……VVLCumaxmax)8.0~6.0(uuHysys水力学设计与核算•TraySizing•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•Tool→Utilities→TraySizing→AddUtilityHysys水力学设计与核算•选择塔，可增加多个塔段(TraySection)分别设计DCClearanceWeirheight塔段名称（SectionName）（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(BubbleCap)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（DesignLimit）最小直径（Minimumdiameter）压降（Pressuredrop）泛点率（Flooding）溢流量（Weirloading）降液管液柱高度（Downcomerbackup）控制板号（LimitingStage）显示是哪一层塔板受限制塔板有效面积降液管面积SpecsPage页面物性计算来源TraySizing可用的参数配置参数塔板填料设计关联（DesignCorrelation）√气泡因子（FoamingFactor）√√泛点率（Flooding）√√压降（PressureDrop）√√降液管液柱高度（DowncomerBackup）√√溢流量（WeirLoading）√√设计参数（DesignParameters）TraySizing可用的参数配置塔板配置参数（TrayConfigurationParameters）参数浮阀筛板泡罩流程数（NumberofFlowPaths）√√√塔板间距（TraySpacing）√√√塔板厚度（TrayThickness）√√√堰高（WeirHeight）√√√降液管类型(DowncomerType)√√√降液管间隙(DowncomerClearance)√√√设计指南(DesignManual)√孔面积(HoleArea)√√孔直径(HoleDiameter)√孔间距(HoleSpacing)√孔中心距(HolePitch)√阀密度(ValveDensity)√阀厚度(ValveThickness)√管口类型(OrificeType)√泡罩槽高度(BubbleCapSlotHeight)√液流通道数（NumberofFlowPaths）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（SectionDiameter）根据指定的流程数量显示塔段的直径。•塔板属性（TrayforProperties）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（TraySpacing）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（ValveandTrayMaterialThickness）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（FoamingFactor）–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（FoamingFactor）环境油（AmbientOil(T0°F)）0.85低温油（LowTempOil(T0°F)）0.95DGA/DEA/MEA接触器（DGA/DEA/MEAContactor）0.75乙二醇接触器（GlycolContactor）0.65亚磺基接触器（SulfinolContactor）1.0原油或真空分馏(Crude/VacuumFractionation)1.00碳氢化合物（Hydrocarbon）1.00低分子量甲醇（LowMWAlcohols）1.00富油塔顶（RichOilDeC1orDeC2(top)）0.85富油塔底（RichOilDeC1orDeC2(Btm)）1.00冷却顶部（RefrigeratedDeC1orDeC2(top)）0.80冷却底部（RefrigeratedDeC1orDeC2(btm)1.00•常见系统起泡因子系统起泡因子（FoamingFactor）常规碳氢化合物精馏（GeneralHydrocarbonDistillation）1.00MEA/DEA蒸馏（MEA/DEAStill）0.85乙二醇/DGA蒸馏（Glycol/DGAStill）0.80亚磺基蒸馏（SulfinolStill）1.00二氧化硫汽提塔（SO2Stripper）0.90酸性水汽提塔（SourWaterStripper）0.50-0.70氧气汽提塔（O2Stripper）1.00•最大压降（MaximumPressureDrop）–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（MaximumFlooding）–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