化工原理课程设计-筛板和浮阀精馏塔设计(2013).ppt

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1、化工原理课程设计,筛板/浮阀精馏塔设计,常州大学石油化工学院基础化工部,常压分离环己醇苯酚连续操作筛板/浮阀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：760 mmHg（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

2、，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号图纸画塔工艺条件图（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

3、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

4、总符号说明结束语,常压分离环己醇苯酚连续操作筛板/浮阀塔设计计算示例,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

5、，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/hF=D+W D=19.5 kmol/hFxf=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。,

6、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

7、。,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

8、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

9、 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,

10、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=（）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=

11、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,Hd,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

12、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

13、区。,取筛孔直径d o=（38）mm，孔径比取 t/d0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,采用F-1型浮阀塔盘:阀孔直径do=39 mm，取阀孔动能因子F0=9-13之间。则阀孔气

14、速为 u0=F0/(V)0.5=12/(2.92)0.5=7.02 m/s浮阀个数 N=VS/（0.785d02.u0）=48.7 圆整为49个浮阀排列：采用等腰三角形叉排，确定相邻两排孔的间距 t。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：,4.浮阀塔有效传质区布置,相邻两排孔的间距 t=Aa/（0.075*N）=0.077 m，取80mm。按孔中心距 t=75mm和两排孔的间距 t=80mm（一般有65、80和100mm三种规格）以等腰三角形叉排方式绘图排列，得到

15、实际浮阀个数为N=53个。,核算孔速和动能因子：u0=VS/（0.785d0253）=6.5 m/s F0=u0(V)0.5=11.1 F0在 9-13 之间，即在适宜范围内。,4.4 塔板流体力学校核,4.4.1 塔板阻力(1)筛板塔板阻力,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

16、，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：,(2)浮阀塔板阻力,塔板阻力 hp包括 以下几部分:（a）干板阻力 hc 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；,（a）干板阻力hc,uoc为浮阀全开前后的临界孔速度，用下式计算:,m液柱,（b）液层阻力 hl,工业浮阀塔的单板压降hp=hc+hl，一般在20-100mm水柱,一般用下面经验式计算：,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）e

17、v：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,ev的计算通常采用费尔等人提出的泛点率进行估算。按下面两个公式的结果取较大值。,(2)浮阀塔板液沫夹带量校核,式中，ZL=D-2Wd，Ab=AT-2

18、Af，K一般取，CF为泛点负荷系数，由下图查到。,对于D0.8m,泛点率80%对于减压塔,泛点率75%以上三种情况产生的ev0.1,4.4.3 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,为防止发生液泛，清液层高度Hd应满足：,对不易起泡物系：

19、,易起泡物系：,(2)浮阀塔降液管溢流液泛校核,hg为液体经过降液管底隙的局部阻力,由下式计算：,塔板上不设进口堰时：,塔板上设进口堰时：,4.4.4 液体在降液管中停留时间校核(同时适用于两种塔盘)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(针对筛板塔)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

20、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（气相负荷下限线）(筛板塔),(,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,（1）漏液线（气相负荷下限线）（浮阀塔）,取阀孔动能

21、因素F0=5时的气相负荷作为操作下限，则：,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）（筛板塔）,(,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。,（2）过量液沫夹带线（气相负荷上限线）（浮阀塔）,由以下公式得到Vh和Lh的关系式：,对于D0.8m,泛点率取0.8对于减压塔,泛点率取0.75,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

22、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（筛板塔和浮阀塔）,(,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（筛板塔和浮阀塔）,(,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

23、区应在竖直线(4)的左方。,（5）液泛线（筛板塔）,(,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：,（5）液泛线（浮阀塔）,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

24、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；

25、,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,2

26、52.5,3,248,32,（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：,雷努数：,（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

27、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

28、,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+HBn实际塔板数 HF进料板处板间距，mnP人孔数Hp人孔处的板间距，取0.8mHD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

29、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(浮阀)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,