筛板精馏塔设计课件.ppt

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,