精馏塔的设计计算

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,精馏塔的设计计算,一、化工原理课程设计的目的和要求,通过课程设计，学生应该注重以下几个能力的训练和培养：,1. 查阅资料，选用公式和搜集数据的能力；,2. 树立既考虑技术上的先进性与可行性，又考虑经济上的合理性，并注意到操作时的劳动条件和环境保护的正确设计思想，在这种设计思想的指导下去分析和解决实际问题的能力；,3. 迅速准确的进行工程计算的能力；,4. 用简洁的文字，清晰的图表来表达自己设计思想的能力。,第一节概述,二、化工原理课程设计的内容,1、课程设计的基本内容,（1）设计方案简介,对给定或选定的工艺流程，主要的设备型式进行简要的论述；,（2）主要设备的工艺设计计算,包括工艺参数的选定、物料衡算、热量衡算、设备的工艺尺寸计算及结构设计；,（3）典型辅助设备的选型和计算,对典型辅助设备的主要工艺尺寸计算和设备型号规格的选定；,（4）工艺流程简图,以单线图的形式绘制流程图，标出主体设备和辅助设备的物料流向、物流量、能流量和主要化工参数测量点；,（5）主体设备工艺条件图（装配图）,图面上应包括设备的主要工艺尺寸，技术特性表和接管表；,封面（课程设计题目、班级、姓名、指导教师、时间 ）；,目录；,设计任务书；,工艺流程图及设计方案说明；,设计条件及主要物性参数表；,工艺设计计算；,设计结果汇总表；,辅助设备的设计及选型；,设计评述及设计者对本设计有关问题的讨论；,参考资料。,（2）,工艺流程图及主体设备装配图；,2、课程设计组成,（1）设计说明书主要内容：,3、注意事项,整个设计是由论述、计算和绘图三部分组成。,论述应该条理清晰，观点明确；,计算要求方法正确，误差小于设计要求，计算公式和所用数据必须注明出处；,图表应能简要表达计算的结果。,三、化工原理课程设计的步骤,本设计按以下几个阶段进行：,1、根据设计任务和工艺要求，确定设计方案。根据给定任务，对精馏装置的流程、操作条件、塔板类型等进行论述。,2、蒸馏塔的工艺计算,确定理论塔板数（,作图法,）、实际板数；,确定塔高和塔径。,3、塔板设计：,设计塔板各主要工艺尺寸,溢流装置、塔板布置、,筛孔或浮阀的设计及排列（图）,；,进行流体力学校核计算；,画出塔的,负荷性能图,。,4、管路及附属设备的设计与选型，如冷凝器、泵等。,5、抄写说明书。,6、绘制精馏装置工艺流程图和精馏塔装配图。,第二节板式精馏塔的工艺计算,一、设计方案的确定,1、装置流程的确定：,经济方面：充分考虑整个系统的热能利用，降低操作费用。,操作的稳定性：加热蒸汽的压力、进料量、回流液等,2、操作压力的选择：设计压力一般指塔顶压力。,蒸馏操作通常可在常压、加压和减压下进行。,确定操作压力时，必须根据所处理物料的性质，,兼顾技术上的可行性和经济上的合理性进行考虑。,可考虑取常压操作，塔顶压力为4kPa（表压），,每层塔板压降,kPa。,3、进料状况的选择,进料状态与塔板数、塔径、回流量及塔的热负荷都有密切的联系。,在实际的生产中进料状态有多种，但一般都将料液预热到泡点或接近泡点才送入塔中，这主要是由于此时塔的操作比较容易控制，不致受季节气温的影响。,此外，在泡点进料时，精馏段与提馏段的塔径相同，为设计和制造上提供了方便。,4、多股进料,本次设计宜采用单股进料。,5、加热方式的选择,加热方式：蒸馏釜的加热方式通常采用间接蒸汽加热，设置再沸器。若塔底产物近于纯水，而且在浓度稀薄时溶液的相对挥发度较大(如酒精与水的混合液)，便可采用直接蒸汽加热。,加热剂：,T,180,，常用饱和水蒸气。,再沸器结构：,小塔可在塔底，形式有夹套式、蛇管式、列管式。,大塔一般在塔外，形式为列管式，有立式和卧式两种。,6、冷却方式,通常在塔顶设置蒸气全部冷凝的全凝器。其为辅助设备，需进行选型，多采用列管式，水平或垂直放置。,二、工艺计算,（一）全塔物料衡算,1、计算原料液、塔顶、塔底浓度,2、平均分子量：（原料液,M,F,、塔顶,M,D,、塔底,M,W,）,3、物料衡算求,W,、,D,kmol/h,4、塔板数的计算,（1）理论板数的计算：,作,y,x,图、,t,x,y,图；,求最小回流比,R,min,、实际回流比,R,；,图解法求理论板数,N,。,（2）全塔效率,E,T,可查P145页图11-21确定,或：,av,时，,（3）实际塔板数,N,P,分别求精馏段和提馏段所需实际板数,（二）塔的工艺条件及物性数据,1、操作压强,平均压强：,p,m,(精)=(,p,D,+,p,F,)/2,p,m,(提)=(,p,W,+,p,F,)/2,2、操作温度,塔顶,t,D,：可由t-x-y图查得塔顶,t,D,、塔底,t,W,、进料处,t,F,。,平均温度：,t,m,(精)=(,t,D,+,t,F,)/2,t,m,(提)=(,t,W,+,t,F,)/2,如图：,x,F,，,x,w,时，,泡点进料,t,F,=92,（露点进料,t,F,=101）,塔底,t,w,=108,提馏段平均温度：,t,m,=(,t,W,+,t,F,)/2,(92+108)/2100 ,t,/,x,(,y,),t-x,t-y,p=,101.3kPa,0,1.0,80,100,90,110,2、平均摩尔质量,（1）由塔顶、塔底、进料处的浓度计算平均摩尔质量；,（2）计算精馏段平均摩尔质量M,Vm,(精)、 M,Lm,(精)；,（3）计算提馏段平均摩尔质量M,Vm,(提)、 M,Lm,(提)。,如塔顶：,y,1,=,x,D,，,按气液平衡关系,可查得,x,1,则：M,VDm,= 0.96678.11+(1,0.966) 92.13=78.59 kg/kmol,M,LDm,= 0.91678.11+(1,0.916) 92.13=79.29 kg/kmol,3、平均密度,（1）气相平均密度,（2）液相平均密度,（3）计算塔顶、塔底、进料处气、液相平均密度；,（4）计算精馏段、提馏段平均密度。,平均密度：,Lm,(精)=(,LD,+,LF,)/2,Vm,(精)=(,VD,+,VF,)/2,Lm,(提)=(,LW,+,LF,)/2,Vm,(提)=(,VW,+,VF,)/2,4、液体平均表面张力,（1）液相平均表面张力,（2）查塔顶、塔底、进料温度下的液体的表面张力；,（3）计算塔顶、塔底、进料处液相平均表面张力；,（4）计算精馏段、提馏段平均表面张力。,5、液体平均粘度,（1）液相平均粘度,（2）查塔顶、塔底、进料温度下的液体的粘度；,（3）计算塔顶、塔底、进料处液相平均粘度；,（4）计算精馏段、提馏段平均粘度。,温度,t,80,90,100,110,120,L,(苯),kg/m,3,815,803.9,792.5,780.3,768.9,L,(甲苯),kg/m,3,810,800.2,790.3,780.3,770.0,L,(苯),mN/m,21.27,20.06,18.85,17.66,16.49,L,(甲苯),mN/m,21.69,20.59,19.94,18.41,17.31,L,(苯),mPas,0.308,0.279,0.255,0.233,0.215,L,(甲苯),mPas,0.311,0.286,0.284,0.254,0.228,物性参数表,(三)气液负荷的计算,精馏段：,V,(,R,1),D,kmol/h m,3,/s,L,RD,m,3,/s,提馏段：,V,V,(,q,1),F,L,L,F,板式塔主要尺寸的设计计算：,包括塔高,塔径的设计计算,板上液流形式的选择,溢流装置的设计,塔板布置等,设计时，先选取某段塔板（如精馏段、提馏段）条件下的参数作为设计依据，以此确定塔的尺寸，应尽量保持塔径相同，以便于加工制造。,由于塔中两相流动情况和传质过程的复杂性，许多参数和塔板尺寸需根据经验来选取，因此设计过程中不可避免要进行试差，计算结果也需要工程标准化。,第三节板式塔主要尺寸的计算,一、精馏塔的结构设计,1、塔的有效高度和板间距,已知：,实际塔板数,N,P,；,选取塔板间距,H,T；,选取塔板间距,H,T,：,塔板间距和塔径的经验关系,塔体高度有效高,顶部空间底部空间塔裙座高度,有效塔高：,0.8, 最大空塔气速（液泛气速，课本P.128129）,2、塔径估算,确定原则：,防止过量液沫夹带液泛,步骤：,先确定最大空塔气速,u,max,(m/s),；,然后根据经验确定设计气速,u；,最后计算塔径,D,。,筛板塔,，可查教材Smith图 求,C,20,；,浮阀塔,可查数据手册书确定,C,20,。,H,T,=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,筛板塔气体负荷因子关联图,课本, 选取设计气速,u,选取,泛点率：,u,/,u,max,一般液体， 0.7 ,易起泡液体， 0.5 ,所需气体流通截面积,设计气速,u,= 泛点率 ,u,max, 计算塔径,D,A,T,：塔截面,A,d,：降液管截面,A,T,D,A,d,l,w,说明：,计算得到的塔径需圆整。,标准直径为：,、（m）。,直径确定后应重新计算实际气速及泛点率。,双流型:,单流型：,l,w,/D的确定：,A,d,/,A,T,也可由,l,w,/D查图得（教材）,l,w,/,D,A,d,/,A,T,和,W,d,/,D,h,b,底隙：,h,b,堰头液高：,h,0W,堰高：,h,W,W,c,W,d,W,s,l,W,r,x,3、溢流装置设计, 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。,U型流型单流型双流型,液流型式选取参考表, 降液管形式和底隙,降液管：,弓形,、圆形。,降液管截面积,：,一般,A,d,/,A,T,= 0.06 0.12 ，由,l,w,/D,确定(图11-16),A,d,/,A,T,过大，气液两相接触传质区小，生产能力和板效率将较低；,A,d,/,A,T,过小，易产生气泡夹带，引起降液管液泛。,底隙,h,b,：应小于,h,w,，通常在 30 40 mm。,液体流经底隙的流速,u,b,=,L,s,/ (,l,w,h,b,)，,一般,u,b,。,平流堰,溢流辅堰,栅栏堰,三角形齿堰,溢流堰（又称出口堰）,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。,主要尺寸,：,堰高,h,w,和堰长,l,w,堰高,h,W,：,直接影响塔板上液层厚度,过小，,相际传质面积过小；,过大,，塔板阻力大，效率低。,常、加压塔：,h,W,=50 80 mm ；,减压塔：,h,W,= 25 mm 。,h,W,=,h,L,h,0W,板上液层高度（常压）,：,h,L,=,50100mm,E,可由图11-11查取(P.131) ，若,L,h,不是过大，可近似取,E,=1。,堰上方液头高度,h,OW,可用经验式计算,：,h,ow,过小时，板上液体流动不均，效率降低，可调整,l,W,/D,。,L,h,：液体流量m,3,/h,堰长,l,W,：,对于弓形降液管,双流型:,单流型：,堰长由计算得到的塔径确定,l,W,/D,也可根据数据手册推荐值按塔径选取, 受液区和降液区,一般两区面积相等。,边缘区,小塔：,大塔：, 安定区：,入口安定区：因板上液面落差，减少漏液,出口安定区：避免夹带气泡的液体进入降液管,4、塔板及其布置,W,c,W,d,W,s,l,W,r,x,塔径小于时可用整块板；,塔径较大时，常采用分块式塔板。,5、筛孔、阀孔的尺寸和排列,（1）筛板塔,单流型弓形降液管塔板,：, 有效传质区(开孔区)：,W,c,W,d,W,s,l,W,r,x,d,0,t,筛孔直径,d,0,:,3 8 mm,常用,d,0,:,3、6、8mm,孔中心距,t,:,常压,:,t,(34),d,0,取整。,板厚：,碳钢,（3 4mm）,、不锈钢,2 4mm,。,孔气速：,孔数：,d,0,t,开孔率,(常压): 通常为 。,有效传质区内，常按正三角形排列。,选定,d,o,，计算得到,A,a,后，可确定孔数,n，,并核算开孔率,；,画出塔板排孔图。,（2）,浮阀塔,浮阀型式：,F1,、,V-4、V-6、十字架,浮阀孔径 ：,d,0,=,39 mm,排列方式：,正三角形和等腰三角形,孔中心距,t,:,正三角形排列时：75、100、125mm,大塔常采用分块，不便错排，可按等腰三角形排列：,t,=70、75、80、90、100等,液流方向,液流方向,顺排,错排(常用),阀孔数：,动能因子：,适宜阀孔气速,u,0,:,常压塔：,u,0,=37m/s,减压塔：,u,0,10m/s,开孔率(常压)：,h,f,为板上泡沫层高度：,有效传质区的气速：,u,=,V,s,/(,A,T,A,d,),二、 塔板流动性能的校核,对初步设计的结果进行调整和修正。,1、 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）,e,v,：,kg 液体 / kg气体，或 kmol液体 / kmol气体,要求： e,v, 0.1 kg 液体 / kg气体。,(1)筛板塔：查关联图或用Hunt经验公式计算,e,v,说明：两式计算的,F,1,中的较大值若超过允许值，应调整,塔板间距,或,塔径。,（2）浮阀塔：利用Fair关联图求泛点率,F,。,为控制液沫夹带量过大，应使泛点率,直径小于的塔：,F,一般大塔：,F,单流型：液体在塔板上流动的行程,Z,=,D,2,W,d,塔板上的液流面积,A,=,A,T,2,A,d,物性系数(正常系统),K,泛点负荷因数,C,F,查图求取,塔板阻力：,塔板阻力,H,t,包括,以下几部分:,干板阻力,h,o,气体通过板上孔的阻力（设无液体时）；,液层阻力,h,e,气体通过液层阻力；,克服液体表面张力阻力,h,孔口处表面张力。,2、塔板阻力的计算和校核,（1）干板阻力,h,o,浮阀塔,临界孔速, =,1.15,校正系数,C,0, 孔流系数，,可查图11-10(P131)。,d,0,/,C,0,筛板的孔流系数,筛板塔,d,0,12mm,d,0,12mm,孔径与板厚之比,（2）液层阻力,h,e,充气系数,浮阀塔：,筛板塔：,由,F,a,查图11-12求,F,a,说明：,若塔板阻力过大，可,增加开孔率,或,降低堰高。,（3）,克服液体表面张力阻力,（一般可不计）,3、降液管液泛校核,为防止降液管液泛，应保证降液管内液流畅通。液体经降液管下降时，要克服各种阻力，故必须在降液管中维持一定的高度清液层。,故塔板阻力：,降液管中清液柱高度 (m),（1） 液面落差,一般较小，可不计。,浮阀塔,可忽略。,筛板塔若,D,1600mm时，,可忽略。,不可忽略时：,一般要求：,o,（2）,液体通过降液管阻力,h,d,不设进口堰时：,设进口堰时：,A,v,：液流经堰时的最小断面,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。,泡沫层相对密度,：不易起泡物系：,一般物系：,易起泡物系：,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。,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。,（1）计算,严重漏液时干板阻力,h,0,（2,）计算,漏液点气速,u,0,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,u,0,min,：发生严重漏液时的孔气速。,稳定系数：,要求：,对于浮阀塔，一般取,F,=5时对应的阀孔气速为,漏液点气速,u,0, 过量液沫夹带线（气相负荷上限线）,筛板塔：,规定：,e,v,=,（,kg,液体 /,kg,气体） 为限制条件。,6、塔板的负荷性能图,确定塔板的操作弹性,可整理出,u,与,L,关系，因,u,又与,V,有关，故可关联出,V,与,L,关系。,L/,m,3,/h,10,30,50,70,90,V/,m,3,/h,板上泡沫层高度：,有效传质区的气速：,u,=,V,s,/(,A,T,A,d,),浮阀塔：,令泛点率,F,1,可整理出,V,s,与,L,s,关系，或,V,h,与,L,h,关系。,V,h,与,L,h,关系为直线方程，有两点即可确定直线 。, 液相下限线,整理出：,液相下限线,是一条垂直与,L,轴的直线。,规定, 严重漏液线（气相下限线）,浮阀塔：,不发生漏液时，,动能因子,F,0,=5,由,u,0,min,可算出此时的最小气相量,V,h,，是一水平直线。,当：,h,L,30mm，或,d,0,3mm,L/m,3,/h,10,30,50,70,90,V/m,3,/h,一般情况：,筛板塔：,可由上式关联出,L,与,V,的关系。, 液相上限线,保证液体在降液管中有一定的停留时间。, 降液管液泛线,可得,L,=常数的直线,液泛时，降液管内的泡沫液面高等于板间距与堰高之和,L/m,3,/h,10,20,30,50,80,100,V/m,3,/h,如浮阀塔：,忽略,和,h,当板间距,H,T,、堰高,h,w,和泡沫相对密度,一定时，可找出,L,V,关系,塔板的操作弹性：,或,L,h,V,h,V,h,min,V,h,max,画出塔板负荷性能图,三、塔高计算,（1）塔顶空间,H,D,：一般取,（2）塔底空间,H,B,使储液量停留3,5min，保证塔底料液不被排完。,塔底液面距最下层塔板间12m。,（3）人孔数目,D,1000mm，为安装、检修方便，每隔68层塔设一人孔；,人孔直径一般450600mm；设人孔处的板间距600mm。,（4）塔高,四、塔板设计结果汇总,实际塔板数：,进料板位置：,塔总高度：,精馏段塔板设计结果汇总表,提馏段塔板设计结果汇总表,塔板主要结构参数,数据,塔板主要流动参数,数据,塔径,D,1.4m,流动形式,单流型,塔板间距,H,T,0.6m,液体流量,L,h,堰长,l,w,0.98m,气体流量,V,h,堰高,h,w,0.05m,液泛气速,u,f,堰宽,W,d,0.2m,u/u,f,入口堰高,h,w,无,空塔气速,u,底隙,h,b,降液管内流速,A,d,/A,T,底隙,流速,u,b,塔截面积A,T,泛点率,F,1,降液管面积,A,d,溢流强度,u,L,有效传质区,A,a,堰上液头高度,h,ow,气相流通面积,A,塔板阻力,h,b,开孔面积,A,0,降液管液体停留时间,孔直径,d,0,降液管内清液高度,孔数,n,降液管内液沫层高度,开孔率,A,0,/A,阀孔气速,孔心距,t,阀孔动能因子,边缘区宽,W,c,漏液点气速,安定区宽,W,s,稳定系数,塔板厚,S,最大气相流量,排列方式,最小气相流量,一、塔盘,当塔径大于800mm时可采用分块,塔径/mm,8001200,14001600,18002000,22002400,分块数,3,4,5,6,1,3,2,1,3,2,4,1,3,2,4,第四节塔的机械设计,二、塔体：,选用材料：可查得材料的许用应力,t,注意：计算出的壁厚应圆整。,D,i,：塔内径mm,C,：壁厚附加量，可取,C,3mm;,t,：材料的许用应力， Mpa,p,c,：工作压力，Mpa,：,焊缝系数(1)，可取,塔体的壁厚：,焊接接头系数,f,焊接接头结构,100%无损检验,局部无损检验,示意图,双面对接焊,1.0,0.85,带垫板单面对接焊,0.90,0.80,三、封头,常用的是椭圆形，封头壁厚与塔体一致或稍厚，,封头选取参见轻院设计教材附录二。,四、容器法兰：参见附录三,法兰密封面形式,结构绘草图,五、裙座：参见附录四,裙座与塔体的连接,一、管路设计有泵的选择：,见教材第二章,1、泵的选择(见教材第二章),第五节辅助设备的设计及选型,序号,名称,型号,扬程,/m,流量/m,3,h,-1,功率,/kW,1,原料泵,2,釜液泵,3,回流泵,4,塔顶产品泵,5,塔底产品泵,2、接管及管法兰,（1）管径确定,根据流体性质选取适宜的流速,u,（课本第一章）；,计算管径,d,根据管规格圆整。,（2）接管长度：根据管的公称直径，确定接管长度。,（3）根据管的公称直径，选择管法兰。附录六,序号,管线用途,流速/m,s,-1,管规格,1,进料管,2,釜液输送管,3,塔顶蒸汽管,4,塔顶冷凝液总管,5,回流液管,6,塔顶产品管,a.板式平焊,HG20592-97 管法兰类型：,b.带颈对焊法兰,二、传热设备,的选择,冷凝器、再沸器、进料预热器、产品冷却器,任选一进行计算并选用,(参见第六章),(1),初选换热器的规格尺寸,初步选定换热器的流动方式，保证温差修正系数大于，否则应改变流动方式，重新计算。,计算热流量,Q,及平均传热温差,t,m,，根据经验估计总传热系数,K,估,，初估传热面积,A,估,。,选取管程适宜流速，估算管程数，并根据,A,估,的数值，确定换热管直径、长度及排列。,(3),计算传热面积并求裕度,一般应使所选用或设计的实际传热面积,A,大于所需传热面,A,0,20%左右为宜，即裕度为20%左右。,(2),核算总传热系数,求出总传系数,K,计,，并与估算时所取用的传热系数,K,估,进行比较。如果相差较多，应重新估算。,三、 其它标准件的选择(见手册),1、除沫器：,2、人孔,