筛板精馏塔设计课件.ppt

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资源描述
化工原理课程设计,筛板精馏塔设计,常压分离环己醇苯酚连续操作 筛板精馏塔工艺设计任务书,基础设计数据: 1. 处理能力:50000 t/a(年工作按8000小时计) 2. 进料组成:环己醇30%,苯酚70%(mol%,下同) 3. 进料状态:泡点进料 4. 产品要求:塔顶馏出液组成:环己醇98%,苯酚2% 塔釜釜残液组成:环己醇1%,苯酚99% 5. 塔顶压强:101kPa(绝压) 6. 公用工程:循环冷却水:进口温度32,出口温度38 导热油:进口温度260,出口温度250,总体要求: 绘制带控制点工艺流程图,完成精馏塔工艺设计以及有关附属设备的计算与选型。绘制塔板结构简图,编制设计说明书。 1. 精馏塔工艺设计内容:全塔物料恒算、确定回流比;确定塔径、实际板数及加料板位置。 2. 精馏塔塔板工艺设计内容:塔板结构设计、流体力学计算、负荷性能图、工艺尺寸装配图。 3. 换热器设计:确定冷热流体流动方式,根据换热面积初选换热器;核算总传热系数;计算实际传热面积;选定换热器型号,计算管程、壳程压降。 说明: 1. 写出详细计算步骤,并注明选用数据的来源。 2. 每项设计结束后,列出计算结果明细表。 3. 设计说明书要求字迹工整,按规范装订成册。,带控制点工艺流程图,用3号图纸画 塔设备条件图(带管口),用3号图纸画 其余工艺设计图,用坐标纸,课程设计的要求,注意事项: 写出详细计算步骤,并注明选用数据的来源 每项设计结束后,列出计算结果明细表 设计说明书要求字迹工整,装订成册上交,学号1-10号,单号,双号,处理量,环己醇组成,苯酚组成,45000 t/a,55000 t/a,35%,65%,72%,28%,学号11-21号,单号,双号,处理量,环己醇组成,苯酚组成,55000 t/a,45000 t/a,32%,68%,72%,28%,学号22以后,单号,双号,处理量,环己醇组成,苯酚组成,50000 t/a,45000 t/a,26%,74%,77%,23%,计算说明书目录,设计任务书 带控制点工艺流程图与工艺说明 精馏塔工艺计算 塔板结构设计 换热器选型 精馏塔工艺条件图 塔板结构设计结果汇总 符号说明 结束语,常压分离环己醇苯酚连续操作筛板塔设计计算示例,1. 设计任务书 按要求填入处理量和进料组成 2. 带控制点工艺流程图与工艺说明 (1)带控制点工艺流程图 (2)操作压力的选择 (3)工艺流程叙述,3. 精馏塔工艺计算,3.1 平均相对挥发度的计算,181.9,0.000,0.000,179.1,0.025,0.099,4.28,176.4,0.050,0.186,4.34,173.8,0.075,0.263,4.40,171.3,0.100,0.333,4.49,说明:平均相对挥发度为 5.62,3.2 绘制t-x-y图及x-y图 在坐标纸上绘图,上大小要求t-x-y图为1010cm, x-y图为 2020cm,表1 物料衡算表,3.3 全塔物料衡算,料液平均分子量:Mm = 0.3100 + 0.794 = 95.8 进料流量:F = 50000103 /800095.8 = 65.24 kmol/h F = D + W D=19.5 kmol/h Fxf = DxD + Wxw W=45.74 kmol/h,3.4 实际板数及进料位置的确定,1. 确定最小回流比Rmin,2. 确定操作回流比R 由Fenske方程计算最小理论板数Nmin,利用吉利兰关联图,计算NT R如下:,0.863,14.7,0.988,11.8,1.140,10.7,1.292,9.9,1.444,9.3,绘制NT R关系图,找出最佳回流比。,说明:R取(1.0、1.2、1.4、1.6、 1.8、2.0)Rmin 6 个点,图解法求得NT =5.5(不包括塔釜) 加料板位置nT = 3.0,3. 图解法求理论板数及加料板位置,4.实际板数及加料板位置的确定 全塔效率由Oconnell关联式计算:,表2 塔板计算结果,包括板间距的初估,塔径的计算,塔板溢流 形式的确定,板上清液高度、堰长、堰高的初 估与计算,降液管的选型及系列参数的计算, 塔板布置和筛孔/阀孔的布置等,最后是水力 学校核和负荷性能图。,4. 塔板结构设计,4.1 常用塔板的类型,(1)泡罩塔,优点:塔板操作弹性大,塔效率也比较高,不易堵。 缺点:结构复杂,制造成本高,塔板阻力大但生产能力不大。,塔板是气液两相接触传质的场所,为提高塔板性能,采用各种形式塔板。,组成:升气管和泡罩,圆形泡罩,条形泡罩,泡罩塔,(2)筛板塔板,优点:结构简单、造价低、塔板阻力小。 目前,广泛应用的一种塔型。,塔板上开圆孔,孔径d0:3 - 8 mm; 大孔径筛板d0 :12 - 25 mm。,lw,WD,(3)浮阀塔板,圆形浮阀,条形浮阀,浮阀塔盘,方形浮阀,优点:浮阀根据气体流量,自动调节开度,提高了塔板的操作弹性、降低塔板的压降,同时具有较高塔板效率,在生产中得到广泛的应用。 缺点:浮阀易脱落或损坏。,方形浮阀,F1型浮阀,(4)喷射型塔板 气流方向:垂直 小角度倾斜, 改善液沫夹带、液面落差 。,气液接触状态:喷射状态 连续相:气相;分散相:液相 促进两相传质。,形式:舌形塔板、浮舌塔板、斜孔塔板、垂直筛板等。,缺点:气泡夹带现象比较严重。,舌形塔板:,(5)斜孔塔板,(6)网孔塔板,(6)垂直筛板,(7)多降液管(MD)塔板 优点:提高允许液体流量,(8)林德筛板(导向筛板) 应用:用于减压塔的低阻力、高效率塔板。 斜台:抵消液面落差的影响。 导向孔:使气、液流向一致,减小液面落差。,(9)无溢流塔板 有溢流塔板:有降液管的塔板; 无溢流塔板:无降液管的塔板; 形式:无溢流栅板和无溢流筛板; 特点:生产能力大,结构简单,塔板阻力小; 但操作弹性小,塔板效率低。,设计参数如下(以塔顶第一块塔板数据为设计依据): 液相密度 L = 950 kg / m3 汽相密度 V = PM/ RT = 2.92 kg / m3 液相表面张力 = 32 dyn /cm 汽相流量VS = (R+1) DM /3600 V=0.408 m3/s 液相流量LS = RDM / 3600 L =0.000684 m3/s,4.2 初估塔径,取板间距HT = 350 mm,板上液层厚度hL= 0.07 m, 则HT -hL= 0.28m。,塔板间距和塔径的经验关系,说明:工业塔中,板间距范围200900 mm,两相流动参数FLV=,则液泛气速:,对于筛板塔、浮阀、泡罩塔,可查图 ,C20=(HT 、FLV),C20 :=20 dyn/cm 时的气体负荷因子,0.2,HT=0.6,0.45,0.3,0.15,0.4,0.3,0.2,1.0,0.7,0.1,0.04,0.03,0.02,0.07,0.01,0.04,0.03,0.02,0.07,0.01,0.1,0.09,0.06,0.05,塔板泛点关联图,取操作气速u =(0.6-0.8)uf=0.75uf =0.893 m/s 则气体流通面积 An= VS / u =0.457 m2,选取单溢流塔盘,取lw / D =0.7,查图得A f /AT = 0.088,则塔截面积:,塔径 D = ,圆整为0.8m,说明:计算得到的塔径需圆整,系列化标准: 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200m 等,由此重新计算: A T =0.785D2 =0.5024 m2 A f = 0.088AT =0.0442 m2 A n= AT - Af =0.4582 m2 u = VS /An =0.89 m/s 实际泛点百分率: u /u f =0.75,注意: 1)必须用圆整后的D重新计算确定实际的气体流通截 面积、实际气速及泛点率。 2)校核HT与D的范围。,D-塔径 hw-堰高 how-堰上液层高度 HT-板间距 ho-降液管底隙高度 Hd-降液管内清液层高度 hL-板上液层高度 hL=hw+how,溢流装置(1020cm),4.3 塔板结构设计,4.3.1 溢流装置 溢流型式的选择 依据:塔径 、流量; 型式:单流型、U 形流型、双流型、阶梯流型等。, 降液管形式和底隙 降液管:弓形、圆形。 降液管截面积:由Af /AT 确定; 底隙高度 h0:通常在 40 60 mm。, 溢流堰(出口堰) 作用:维持塔板上一定液层,使液体均匀横向流过。 型式:平直堰、溢流辅堰、三角形齿堰及栅栏堰。,采用弓形降液管,平堰及平型受液盘,l w =0.7D=0.56 m 堰上液层高度 堰高 h w =h L - h o w =0.06238 m 液管底隙高度 h o =h w -0.006=0.05638 m,要求:,本设计采用:,一般取安定区宽度 WS =(50-100)mm 一般取边缘区宽度 WC =(30-50)mm,4.3.2 塔盘布置,1. 受液区和降液区 一般两区面积相等。 2. 入口安定区和出口 安定区。,取筛孔直径d o =(38)mm,孔径比取 t/d0 = 3.0-3.5 由l w /D = 0.7,查图得 Wd /D=0.15 则 Wd = 0.15D=0.12 m x = D/2 - (Wd + Ws )= 0.21 m r = D/2 - Wc =0.36 m,鼓泡区面积:,开孔率 = A0 /A a = 0.907 /(t/d0)2 = 0.074 筛孔面积 A 0 = Aa = 0.021 m2 筛孔气速 u 0 =VS / A 0 =19.43 m/s 筛孔数目 n = 4 A 0 / d02 =1672个 以Aa为面积计算的气速 ua=VS/Aa,3. 筛板塔有效传质区布置,正三角排列,4.4 塔板流体力学校核,4.4.1 塔板阻力,塔板阻力 hf包括 以下几部分: (a)干板阻力 hd 气体通过板上孔的阻力(无液体时); (b)液层阻力 hl 气体通过液层阻力; (c)克服液体表面张力阻力 h孔口处表面张力。,可用清液柱高度表示:,(a)干板阻力hd,查得 孔流系数C0=0.75,则:,取板厚 = 3 mm,,(b)液层阻力 hl,查图得充气系数=0.58,于是:,说明:(1)若塔板阻力过大,可增加开孔率或 降低 堰高。 (2)对于常压和加压塔,塔板阻力一般没有 什么特别要求。 (3)对于减压塔,塔板阻力有一定的要求。,(c)克服液体表面张力阻力(一般可不计),故塔板阻力:,4.4.2 液沫夹带量校核 单位质量(或摩尔)气体所夹带的液体质量(或摩尔)ev : kg 液体 / kg气体,或 kmol液体 / kmol气体。指标为ev 0.1。 液沫夹带分率:夹带的液体流量占横过塔板液体流量的分数。故有:,方法1:利用Fair关联图,由 和实际泛点百分率0.75,查得=0.08,进而求出ev=0.0470.1。,ev的计算方法:,(1) 筛板塔液沫夹带量校核,方法2:用亨特(Hunt)经验公式计算ev:,说明:超过允许值,可调整塔板间距或塔径。,式中Hf 为板上泡沫层高度:,要求: ev 0.1 kg 液体 / kg气体,4.4.3 降液管溢流液泛校核 (1) 筛板塔降液管溢流液泛校核,降液管中清液柱高度 (m):,(a)液面落差一般较小,可不计。当不可忽略时:,一般要求:0.5h0,主要为底隙阻力,而进口堰阻力一般为0(当无进口堰时):,(b)液体通过降液管阻力 hf,降液管中泡沫层高度:,要求:,说明:若泡沫高度过大,可减小塔板阻力或增大塔板间距。,对不易起泡物系:,易起泡物系:,而 H d / = 0.34 (HT +hw) = 0.41,4.4.4 液体在降液管中停留时间校核 目的:避免严重的气泡夹带降低板效率。,停留时间:,要求:,说明:停留时间过小,可增加降液管面积或增大塔板间距。,(a)计算严重漏液时干板阻力 hd,(b)计算漏液点气速 uow,说明:如果稳定系数k过小,可减小开孔率或降低堰高。,(5)严重漏液校核 漏液点气速 uow:发生严重漏液时筛孔气速。 稳定系数:,要求:,(c)计算稳定系数,4.5 塔板负荷性能图,在确定了塔板的工艺尺寸,又按前述各款进行了流体力学验算之后,便可确认所设计的塔板能在任务规定的气液负荷下正常操作。此时,有必要进一步揭示该塔板的操作性能,即求出维持该塔板正常操作所允许的气、液负荷波动范围。这个范围通常以塔板负荷性能图的形式表示。,操作弹性=Vmax / Vmin,(1)漏液线,(,第一点:L h = L S ( 0.000684)3600 = 2.46 m3/h V h = A0 u ow3600 = 491.4 m3/h 第二点:取L h = 10 m3/h,同样可以计算得到: u ow = 7.5 m/s, 则V h = A0 u ow3600 = 567 m3/h,在图中作平行与横坐标的直线即可。,漏液量增大,导致塔板上难以维持正常操作所需的液面,无法操作。此漏液为严重漏液,称相应的孔流气速为漏液点气速。,(2)过量液沫夹带线(气相负荷上限线),(,规定:ev = 0.1( kg 液体 / kg气体)为限制条件。,把u、Hf、how和hw的计算公式代入ev计算公式,得到Vh和Lh的关系式,作图。,原因: 气相在液层中鼓泡,气泡破裂,将雾沫弹溅至上一层塔板; 气相运动是喷射状,将液体分散并可携带一部分液沫流动。,(3)液相负荷下限线,(,对于平直堰,一般取堰上液层高度,作为液相负荷下限条件,低于此限便不能保证板上液流均匀分布,降低气液接触效果。,依此式可求得液相负荷下限,据此作出液 相负荷下限线(3)。塔板的适宜操作区应在竖直 线(3)的右方。,(4)液相负荷上限线,(,此线反映对于液体在降液管内停留时间的起码要求。对于尺寸已经确定的降液管,若液体流量超过某一限度,使液体在降液管中的停留时间过短,则其中气泡来不及放出就进入下层塔板,造成气相返混,降低塔板效率。,依此式可求得液相负荷上限,据此作出液 相负荷上限线(4)。塔板的适宜操作区应在竖直 线(4)的左方。,(5)液泛线,(,液泛线表示降液管内泡沫层高度超过最大允许值时,破坏塔的正常操作。,由以下公式得到Vh和Lh的关系式:,液泛现象,5. 换热器选型,5.1 换热器的初步选型,(1)塔顶冷凝器 热负荷QC = (R+1)D(IVD - ILD)= (R+1)DMDrD = 4.63105 kcal/h。 取冷却水的进口温度为32,出口温度为38,则换热平均温 差tm =87.3,取换热系数K = 350 w/m2,则所需换热面积: S = 4.631051034.18 / (360035087.3) = 17.7 m2 选择型号:标准系列JB1145-73 Fg18(双程),(2)塔底再沸器 热负荷QB = (R+1)DMBrB = 2.08106 kJ/h。 取导热油进口温度为260,出口温度为250, 则换热平均温差tm =57.5,取换热系数K = 500 w /m2;则所需换热面积:S = 2.08106103 / (360050057.5) = 20.0 m2 选择型号:标准系列JB1145-73 Fg20(单程),5.2 塔顶冷凝器设计,设计步骤: (1)根据工艺要求,确定换热器类型; (2)根据物料情况,确定流体流径(管程、壳程的安排); (3)确定定性温度下冷热流体的物性数据; (4)计算热负荷、冷却水量以及传热温差; (5)根据经验,初步估计K值;,高温流体,低温流体,K值推荐/kcal/m2.h. ,有机蒸汽,水,350-650,高沸点碳氢化合物蒸汽,水,450-850,有机蒸汽与水蒸汽混合物,水,400-750,油汽蒸汽,水,350-450,水蒸汽,水,1500-2500,甲醇蒸汽,水,450-550,(6)由传热方程 Q=KAtm 计算换热面积。考虑10%-15%的裕度,确定面积; (7)根据换热器类型和面积,选定换热器型号, 列出该换热器的参数;,换热器参数表,外壳直径D/mm,公称压力P/Mpa,公称面积A/m2,管程数Np,管子排列方式,管子尺寸/mm,管长l/m,管数NT/根,管心距t/mm,500,1.6,57,2,正方形,252.5,3,248,32,(8)计算管程给热系数ai,利用以下公式计算:,其中管程流动面积:,管程流体流速:,雷诺准数:,(9)计算总传热系数K,(10)计算传热面积,温度校正系数:,根据R和P查温度校正系数,实际传热温差为,计算传热面积为,实际传热面积为,若,则所选换热器合适,否则重新选择,(11)计算管程压力降,(12)计算壳程压力降,ft 为管程结垢校正系数,对三角形排列的取1.5 对正方形排列的取1.4,换热器设计计算结果汇总,塔顶冷凝器设计计算结果汇总表,项目,数值,备注,换热器类型,固定管板式,换热器面积,57m2,管程流体,冷却水,壳程流体,塔顶汽相,外壳直径,500mm,管程流速,2.5m/s,壳程流速,12.5m/s,管程数,双程,管子长度,3.0m,管子尺寸,252.5,正方形排列,管程压降,壳程压降,3.7kpa,5.3kpa,折流板型式,弓形折流板,折流板间距,200mm,塔顶空间HD,塔顶空间HD的作用是供安装塔板和开人孔的需要, 也使气体中的液滴自由沉降,一般取11.5m。,塔底空间HB,塔底空间HB具有中间贮槽的作用,塔釜料液最好能在塔底有1015分钟的储量,以保证塔釜料液不致迅速排完,一般取2.02.5m。,6.1 塔体总高,6. 精馏塔工艺条件图,人孔,一般每隔68层塔板设一人孔(供安装、检修 用),人孔处板间距650mm,人孔直径一般为 450550mm,其伸出塔体的筒体长为200250mm, 人孔中心距操作平台约8001200mm。,塔高,H=(n-np-2)HT+HF+nPHp+HD+HB n实际塔板数 HF进料板处板间距,m nP人孔数 Hp人孔处的板间距,取0.8m HD塔顶空间,m(不包括头盖部分) HB塔底空间,m(不包括底盖部分) HT板间距,m,进料板处间距HF取1000mm 塔底空间高度HB取2500mm 塔顶空间高度HD取1000mm,(1)塔顶汽相管径dp 塔顶汽相出口流速uv与塔的操作压力有关,常压可取1220m/s,减压可取2030m/s。,6.2 精馏塔配管尺寸的计算,(2)回流液管径dR 回流量前已算出,自回流的流速范围为0.20.5 m/s;若用泵输送回流液,流速uR可取11.5 m/s。,(3)加料管径dF 料液由泵送时流速uF可取1.5 2.0m/s。,(4)釜液排出管径dw 塔釜液出塔的流速uw可取0.5 1.0m/s。,(5)再沸器返塔蒸汽管径dv,常压与加压塔流速uv可取10m/s,减压塔可取15m/s 。,说明:以上计算的管径,均应圆整到相应规格的管径,有以下两种方法表示: (A)DN50 (B)563,6.3 精馏塔工艺尺寸图,6.4 进料泵的选型,泵的选型参数为:流量(m3/h)和扬程(m)。,泵的流量(m3/h):进料量。 泵的扬程根据伯努利方程计算:,根据计算得到的流量(m3/h)和 扬程(m)选择合适的离心泵。,7. 塔板结构设计结果汇总,塔板结构计算结果汇总,项 目,数值或说明,备 注,塔径/mm 塔板数/块 板间距/mm 塔板类型 溢流堰类型 堰长/mm 堰高/mm降液管底隙高度/mm筛孔个数/个 孔速/m/s 开孔率/% 板压降/mmH2O 降液管内液体停留时间/s 降液管内液体清液层高度/mm 泛点率/% 操作弹性,8. 符号说明,D塔径,mm ; HT 板间离,mm; AT 塔截面积,m2 ; Af 降液管面积, m2 ; ,9. 结束语,
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