精馏塔的设计计算

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. 查阅数据手册，正确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）设计说明书及主要内容：,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、辅助设备的设计： 换热器的热负荷：求取塔顶冷凝器、冷却器的热负荷和所需冷却水用量；再沸器的热负荷和所需加热蒸汽用量。,换热器的设计选型 输液用泵的型号：根据流体的输送量、杨程和流体物性，选定泵的型号(在各输液泵中任选一个选型)； 流程中主要管线的设计：先选定物料在管路中的适宜流速，经计算、圆整，最后确定管路尺寸和材质。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、设计方案确定的原则：满足工艺和操作的要求：保证产品达到任务规定的要求，质量要稳定 ，有一定的操作弹性 ，要考虑必需装置的仪表(如温度计、压强计，流量计等)。 经济方面：要节省热能和电能的消耗，降低操作费用；减少设备及基建费用。保证安全生产,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。 减压操作有利于分离相对挥发度较大组分及热敏性的物料，但压力降低将导致塔径增加，同时还需要使用抽真空的设备。对于沸点低、在常压下为气态的物料，则应在加压下进行蒸馏。当物性无特殊要求时，一般是在稍高于大气压下操作。 本次设计，塔顶操作压力为4kPa（表压），每层塔板压降p0.7kPa。,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、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：T180，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。,5、冷却方式冷却器：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。冷却剂的选择：由塔顶蒸汽温度决定。如果塔顶蒸汽温度低，可选用冷冻盐水或深井水作冷却剂。如果能用常温水作冷却剂，是最经济的。水的入口温度：由气温决定，出口温度由设计者确定。冷却水出口温度取得高些，冷却剂的消耗可以减少，但同时温度差较小，传热面积将增加。冷却水出口温度的选择由当地水资源确定，但一般不宜超过50，否则溶于水中的无机盐将析出，生成水垢附着在换热器的表面而影响传热。,6、热能的利用精馏过程耗能较多，节约和合理地利用精馏过程本身的热能。选取适宜的回流比，使过程处于最佳条件下进行，可使能耗降至最低。塔顶蒸汽冷凝潜热及釜液产品的余热充分利用。,（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MF、塔顶MD 、塔底MW ）3、物料衡算求W、D (或F) kmol/h4、塔板数的计算（1）理论板数的计算：作yx图、txy图；求最小回流比Rmin、实际回流比R；图解法求理论板数N。,二、工艺计算,（2）全塔效率ET 可查P145页图11-21确定(筛板塔、浮阀塔应进行校正)或：av =0.11.0时，（3）实际塔板数NP分别求精馏段和提馏段所需实际板数，确定进料板位置。（二）塔的工艺条件及物性数据1、操作压强,平均压强：pm(精)=( pD+ pF)/2 pm(提)=( pW+ pF)/2,2、操作温度塔顶tD ：可由t-x-y图查得塔顶tD 、塔底tW 、进料处tF 。,平均温度：tm(精)=( tD+ tF)/2 tm(提)=( tW+ tF)/2,如图：xF=0.5， xw=0.05时，泡点进料tF=92（露点进料tF=101）塔底tw=108提馏段平均温度： tm=( tW+ tF)/2(92+108)/2100 ,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MVm (精)、 MLm (精)；（3）计算提馏段平均摩尔质量MVm (提)、 MLm (提)。如塔顶：y1 = xD =0.966， 可查得x1 =0.916 气液平衡关系则：MVDm= 0.96678.11+(10.966) 92.13=78.59 kg/kmol MLDm= 0.91678.11+(10.916) 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)/2Vm (精)=(VD+ VF)/2 Lm (提)=(LW+ LF)/2Vm (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。,物性参数表,(三)气液负荷的计算精馏段：V(R1)D kmol/h m3/s LRD m3/s 提馏段： VV (q1)F L L F,设计主要内容：塔高、板间距、塔径、塔板形式、溢流装置、塔板布置、流体力学效验及负荷性能图等。,设计目的：塔板设计是以塔内气液的物流量、操作条件和特性数据为依据，设计出具有良好性能(压降小、弹性宽、效率高)的塔板结构尺寸。设计的基本思路：以塔内气液的物流量和板上的气液组成、温度、压力等条件为依据，先参考经验数据初步确定有关结构参数，然后进行流体力学计算，校核单项指标是否符合经验数据范围，再绘制负荷性能图，考核其操作弹性等综合指标是否合适。如不符合要求必须调整结构参数，重复上述设计步骤，直到满意为止。,第三节板式塔主要尺寸的计算,设计过程： 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。,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 NP ； 选取塔板间距 HT；,塔板间距和塔径的经验关系,实际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 umax (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 C20 ；浮阀塔可查数据手册书确定C20 。,筛板塔气体负荷因子关联图,课本P.129, 选取设计气速 u 选取泛点率： u / umax 一般液体， 0.6 0.8 易起泡液体， 0.5 0.6,设计气速 u = 泛点率 umax,气体流通有效截面积An, 计算塔径 D(教材P137),A：塔截面Ad：降液管截面,说明：计算得到的塔径需圆整。标准直径为：0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0（m）。直径确定后应重新计算实际气速及泛点率。,lw/D的确定：,Ad/A也可由lw/D查图得（教材P.137）,lw/D,Ad /A 和 Wd /D,底隙： hb堰头液高： h0W堰高： hW,3、溢流装置设计（教材P136）, 溢流型式的选择 依据：塔径 、流量； 型式：单流型、回流型、双流型等。,回流型单流型双流型,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Ad/A = 0.06 0.12 ，由lw /D确定(图11-16) Ad/A 过大，气液两相接触传质区小，生产能力和板效率将较低； Ad/A 过小，易产生气泡夹带，引起降液管液泛。 底隙 hb ：应小于hw ，通常在 30 40 mm。 液体流经底隙的流速 ub =Ls/ (lwhb)，一般ub = 0.070.25m/s。,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hw和堰长lw,堰高 hW：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： hW =50 80 mm ； 减压塔： hW = 25 mm 。 hW = hL h0W板上液层高度（常压）： hL = 50100mm,E 可由图11-11查取(P.131) 。若Lh不是过大，可近似取E=1。,堰上方液头高度 hOW可用经验式计算：,how过小时，板上液体流动不均，效率降低，可调整lW/D 。,Lh ：液体流量m3/h,堰长 lW ：对于弓形降液管,堰长由计算得到的塔径确定,lW/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,塔径小于0.9m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)：,筛孔直径 d0 : 3 8 mm 常用d0 : 3、3.5、6、8mm 孔中心距 t : 常压: t (34) d0取整。板厚：碳钢（3 4mm）、不锈钢2 4mm 。,孔气速：,孔数：,开孔率(常压): 通常为 0.10 0.14。 有效传质区内，常按正三角形排列。,选定do，计算得到Aa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 ：d0 =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u0 : 常压塔： u0 =37m/s 减压塔： u0 10m/s开孔率(常压)：,hf 为板上泡沫层高度： 有效传质区的气速： u=Vs/(A Ad),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） ev ： kg 液体 / kg气体，或 kmol液体 / kmol气体,要求： ev 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ev,说明：两式计算的F1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 F0.80.82,单流型：液体在塔板上流动的行程 Z = D2Wd 塔板上的液流面积 An = A2Ad 物性系数(正常系统) K =1.0 泛点负荷因数 CF 查图求取,塔板阻力：塔板阻力 hp包括 以下几部分: 干板阻力 hc气体通过板上孔的阻力（设无液体时）； 液层阻力 he 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hc浮阀塔,临界孔速, =1.15 校正系数C0 孔流系数，查图得。,塔板孔流系数,筛板塔,d012mm,d012mm,孔径与板厚之比,（2）液层阻力 he,充气系数 浮阀塔： 0.5筛板塔：由Fa查图求,单板压降 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）,故塔板阻力：,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。,降液管中清液柱高度 (m),其中hw 、 h0w已确定， hp 已算出，还要计算出 、hd,（1） 液面落差一般较小，可不计。 浮阀塔可忽略。筛板塔若D1600mm时，可忽略。不可忽略时：,一般要求： 0.5hc,（2）液体通过降液管阻力 hd,不设进口堰时：,设进口堰时：,Av：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：=0.60.7 一般物系： =0.5 0.6易起泡物系： =0.30.4,4、 液体在降液管中停留时间校核 目的：避免严重的气泡夹带。,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 h0 ,（2）计算漏液点气速 u0,min,5、 严重漏液校核 漏液点气速 u0,min ：发生严重漏液时的孔气速。 稳定系数：,要求：筛板塔：,说明：如果稳定系数K过小，可减小开孔率或降低堰高。,浮阀塔：一般取F=5时对应的阀孔气速为漏液点气速 u0,min,不发生漏液时，动能因子 F0=5,由u0,min可算出此时的最小气相量Vs，是一水平直线。, 过量液沫夹带线（气相负荷上限线） 筛板塔： 规定：ev = 0.1（ 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。,板上泡沫层高度： 有效传质区的气速： u=Vs/(A Ad),浮阀塔：令泛点率F1=0.8,可整理出Vs与Ls关系。 Vs与Ls关系为直线方程，有两点即可确定直线 。,严重漏液线（气相下限线）,浮阀塔：不发生漏液时，动能因子 F0=5,由u0,min可算出此时的最小气相量Vs，是一水平直线。,当：hL30mm，或d03mm,一般情况：,筛板塔：,可由上式关联出L与V的关系。,整理出：液相下限线是一条垂直与L轴的直线,与气相流量无关。,流体流量过低，塔板上的液层就不均匀，因此流体流量应使堰上液层高度how达到0.006m：,液相下限线, 液相上限线,可得Ls=常数的垂直线。,液体流量过大则降液管内超负荷，流体在其中停留时间短使其中的泡沫来不及破碎，为此规定液体在降液管中的停留时间最短为35s。, 降液管液泛线,液体或气体流量过大，便会导致液泛。为避免液泛，降液管内泡沫层高度应小于板间距与堰高之和。,如浮阀塔：,塔板的操作弹性： 或,画出塔板负荷性能图,三、塔高计算,（1）塔顶空间HD：一般取1.21.5m（2）塔底空间HB使储液量停留35min，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D1000mm，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,一、塔盘当塔径大于800mm时可采用分块,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。 Di：塔内径mmC：壁厚附加量，可取C3mm; t ：材料的许用应力， Mpapc：工作压力，Mpa：焊缝系数(1)，可取0.85,塔体的壁厚：,焊接接头系数f,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,a.板式平焊,HG20592-97 管法兰类型：,b.带颈对焊法兰,五、裙座：参见附录四,其它尺寸见手册,裙座与塔体的连接,六、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P.33）；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。附录六,一、传热设备冷凝器、再沸器、进料预热器及产品冷却器可任选一进行计算并选用(参见化工原理上册)二、 除沫器：见手册三、原料泵：教材第二章,第五节辅助设备的设计及选型,