化工原理课程设计连续精馏塔设计课件

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1、化工原理课程设计（连续精馏塔设计）,2,一、课程设计的目的和要求,目的： 锻炼学生的综合能力：资料查阅、知识综合应用、理论计算、设备选型、绘制图形、编写说明书。 培养工程观念：理论小试放大。 要求： 1. 进行有关计算，得出设备主要尺寸和参数 （塔高，塔径，塔板数等）； 2. 选择附属设备； 3. 编写设计说明书； 4. 绘制工艺流程图； 5. 根据计算结果绘制主体设备图形 设备设计部分。,3,具体要求,所有工作必须独立完成； 课程设计时间：2 周； 化工原理部分时间: 1 周 完成设计说明书 工艺流程图绘制在第2周进行 说明书用 A4 纸书写； 考核。,4,二、化工原理课程设计题目,板式精馏

2、塔的设计 设计题目： 苯-氯苯连续精馏塔的设计 甲醇-水连续精馏塔的设计,5,三、课程设计理论基础,6,精馏与简单蒸馏的区别：汽相和液相的部分回流。也是精馏操作的基本条件。,提馏段：下降液体（包括回流液和料液中的液体部分）中的轻组分向汽相（回流）传递，而汽相中的重组分则向液相传递，从而完成下降液体重组分的提浓。,3.1 精馏原理,精馏段：汽相中的重组分向液相（回流液）传递，而液相中的轻组分向汽相传递，从而完成上升蒸气的精制。,料液, xF Feed,塔顶产品, xD Overhead product,塔底产品, xW Bottoms product,液相回流 Liquid reflux,汽相回

3、流 Vapor reflux,精馏段 Rectifying section,提馏段 Stripping section,再沸器 Reboiler,冷凝器condenser,7,精馏分析计算中常用的三种汽、液相平衡关系表达方式： 相图 相平衡常数 相对挥发度,3.2 双组分溶液的汽液相平衡关系,8,相平衡图,图1.苯-氯苯物系相平衡图,9,图2 甲醇-水物系相平衡图,10,相平衡常数K,式中： yi 、xi 为 i 组分在汽、液平衡两相中的摩尔分数。 对于易挥发组分，Ki 1，即 yi xi。 Ki 值越大，组分在汽、液两相中的摩尔分数相差越大，分离也越容易。,11,相对挥发度, 大小可以判断该

4、混合液能否用精馏加以分离及分离的难易。 值越大，两个组分在两相中相对含量的差别越大，越容易用 精馏方法分离； 若=1，yA=xA，则不能用普通精馏方法分离,相平衡方程,若已知两组分的相对挥发度，可由上式确定平衡时汽液两相的组成,12,对理想体系，苯-氯苯可视为理想体系, 值随温度变化相对较小，平均（塔顶、进料板、塔釜）可用于逐板法计算理论板数。,对非理想体系，甲醇-水可视为非理想体系,非理想体系中， 值随温度有显著变化， 平均用于逐板计算理论板数误差较大，一般用图解法求出理论板数。,13,四 板 式 塔,板式塔结构及性能 （1） 板式塔结构,14,塔板结构, 气体通道 形式很多，如筛板、浮阀、

5、泡罩等，对塔板性能影响很大。, 降液管（液体通道） 液体流通通道，多为弓形。, 受液盘 塔板上接受液体的部分。, 溢流堰 使塔板上维持一定高度的液层，保证两相充分接触。,15,浮阀塔板结构,16,（2） 塔板上的气液两相流动,17,汽、液两相接触方式,两相流动的推动力,全塔：逆流接触 塔板上：错流接触,液体：重力 气体：压力差,18,塔板上理想流动情况： 液体横向均匀流过塔板，气体从气体通道上升，均匀穿过液层。气液两相接触传质，达到传质传热平衡，分离后继续流动。,塔板上的非理想流动情况： 空间不均匀流动：气相或液相返混 液相返混：液沫夹带；气相返混：气泡夹带,后果：板效率降低，全塔效率降低。,

6、 塔板上不均匀流动 液面落差（水力坡度）：引起塔板上气体分布不均匀； 塔壁作用（阻力）：引起塔板上液体分布不均匀。,后果：使塔板上气液接触不充分，板效率降低。,19,液泛现象,2 塔内气、液两相异常流动,（1）液泛 如果由于某种原因，使得气、液两相流动不畅，使板上液层迅速积累，以致充满整个空间，破坏塔的正常操作，称此现象为液泛。,20,1) 夹带液泛,原因：气体流量过大，塔板上气液接触为高度喷射状态，过度的液沫夹带使得液层厚度增大，恶性循环导致液体充满全塔，发生液泛或淹塔现象。,液泛气速： 开始发生液泛时的气速。,21,2）溢流液泛 当塔内液相流量过大或汽、液相流量都较大时，导致塔板阻力及降液

7、管内阻力增大时，均会引起降液管液层升高，以致达到上一层塔板，破坏降液管的正常流动，直至液相逐渐充满塔板空间，发生液泛。,说明：两种液泛互相影响和关联，其最终现象相同。,22,（2） 严重漏液,一般漏液影响不大，但严重漏液将导致塔板上难以维持正常操作所需的液面，无法操作。发生严重漏液时的孔流气速为漏液点气速 。,23,常用塔板的类型,（1）泡罩塔板,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。,组成：升气管和泡罩,24,圆形泡罩,条形泡罩,泡罩塔,25,（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

8、：3 - 8 mm，大孔径筛板：12 - 25 mm。,26,多降液管（MD）塔板 优点：提高允许液体流量,27,五、设计说明书的内容,1. 目录 2. 设计任务书 (原始数据) 3. 设计方案的确定及流程说明 4. 塔设备的有关计算 物料衡算、理论及实际塔板数、塔工艺条件及物性数据计算、塔体及塔板工艺尺寸计算（塔径、塔高）等 5. 塔板流体力学验算 6. 塔板负荷性能图 7. 设计计算结果总表教材P133 8. 精馏塔接管尺寸计算 9. 主要附属设备的选型与计算 10. 设计感想及对设计过程有关问题的讨论 12. 参考文献 13. 绘制工艺流程图,28,三 设计方案的确定及流程说明,设计方案

9、包括精馏方式、塔设备的结构类型和操作参数等 的确定。例如塔设备的形式、操作压力、进料热状态、 塔顶蒸气的冷凝方式、余热利用的方案、安全、调节机构 和测量控制仪表的设置等。,流程说明举例：,首先，苯和氯苯的原料混合物进入原料罐，停留一定时间后，通过泵进入原料预热器，加热到泡点温度后，原料从进料口进入到精馏塔中。塔内气相混合物上升，液相混合物在下降。气相混合物上升到塔顶上方的冷凝器中，冷凝至泡点后部分回流，部分经冷却进入到塔顶产品储罐。液相混合物从塔底流出，一部分经冷却后进入塔底产品储罐，另一部分经过再沸器中加热，以气相回流的形式重新回到精馏塔。最终完成苯与氯苯的分离。,29,设计方案举例： 1.

10、1精馏方式：本设计采用连续精馏方式。原料液连续加入精馏塔中，并连续收集产物和排出残液。其优点是集成度高，可控性好，产品质量稳定。由于所涉浓度范围内甲醇和水的挥发度相差较大，因而无须采用特殊精馏。 1.2操作压力：本设计选择常压，常压操作对设备要求低，操作费用低，适用于甲醇-水此类物系的分离。 1.3塔板形式：根据生产要求，选择结构简单，易于加工，造价低廉的筛板塔，筛板塔处理能力大，塔板效率高，压降较低，在甲醇和水这种黏度不大的分离工艺中有很好表现。 1.4加料方式和加料热状态：加料方式选择加料泵打入。原料预热至泡点进料。 1.5加热及冷却方式：进料及再沸器采用间接蒸汽加热，塔顶冷凝器采用间壁式

11、水冷。 1.6再沸器、冷凝器等附属设备的安排：塔底设置再沸器，塔顶蒸汽完全冷凝后经分配器（回流比控制器）分流后泡点回流入塔。塔顶馏出液经冷却后进入产品储罐。塔釜经冷却后进入储罐。,30,（1）塔的有效高度计算 Z 已知：理论塔板数 NT ； 塔板间距 HT；,实际塔高：有效高度+塔顶+塔釜+ 其它（如人孔、裙座等）,有效塔高：,四 塔设备的有关计算,31,（2） 板式塔塔径的估算,塔径可按流量方程求得，即 因此,计算塔径须先设定塔板间距HT，后算得圆整塔径D，然后确定二者是否符合P107表5-1的数据，如不符应重新设定HT，重复以上步骤直至二者符合。,32,（3）溢流装置设计,33,堰长 lW

12、 ：影响液层高度。,堰高 hW：直接影响塔板上液层厚度 塔板上液层厚度HL：HL=hW+hOW,34,堰液头高度 hOW ：,液体在降液管截中的停留时间：一般要求液体在降液管的停留时间大于35 s,即按下式计算：,图3 降液管的形状图,35,降液管底隙高度h0 一般情况下，h0值应使液体通过降液管的阻力损失不要超过25mm。此外，降液管底部应浸没在板上液层中以保持液封状态，防止下层上升的气体进入降液管，所以此值应小于堰高 ，一般取：,36,(4) 塔板及其布置,4.无效区/边缘区：,3.安定区：入口安定区和出口安定区,2.溢流区：受液区和降液区，一般两区面积相等。,1.开孔区,37,筛孔的尺寸

13、和排列 筛孔：常按正三角形排列。 筛板开孔率 ：,单流型弓形降液管塔板：,开孔区面积计算：,38,五 筛板塔上流体力学计算 1塔板压降（流体阻力）,塔板压降由如下三部分组成： （）干板压降； （）液层压降； 气体通过液层的压降按有效液层阻力计算 （）表面张力引起的压降。,由表面张力引起的压降值一般可忽略，故重要由前两项组成,39,筛板的几个操作极限,（1）漏液点,（2）液沫夹带,（）液泛,板式塔的设计中要求降液管中的液柱高Hd 不超过板间距HT的0.50.6倍,40, 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。,六 塔板的负荷性能图确定塔板

14、的操作弹性,漏液线（气相负荷下限线）,液相负荷下限线,规定：,41, 液相负荷上限线, 液泛线,规定：,42,塔板的操作弹性：,液量(m3/h),气量(m3/h),43,表1 工艺设计计算结果总表,44,精馏塔接管尺寸计算,加料口、回流液进口、塔底出料口接管尺寸 塔顶蒸汽出口、塔底蒸汽进口接管尺寸 上述尺寸均需圆整为公称直径 另需要确定温度、压力、液位的测量仪表接口 需要安装人孔或手孔的要给出安装位置及尺寸,45,计算举例：进料管： 进料体积流量,F：摩尔流量 mol/h；Mf：平均摩尔质量kg / mol；f：密度 m3/kg 取适宜的输送速度,经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64)，规

15、格：,实际管内流速：,46,加料管、回流液管径计算,由高位槽流入塔内时，速度取0.40.8 m/s； 用泵送料液入塔时，速度取为1.52.5 m/s。,料液排出管径的计算,塔釜液出塔的速度一般可取为 0.51.0 m/s,47,计算举例：塔顶上升蒸汽管 塔顶上升蒸汽的体积流量：,取适宜速度,经圆整选取热轧无缝钢管(YB231-64)，规格：,实际管内流速：,48,表2 塔顶蒸汽出口、塔底蒸汽进口管径参考气速表,49,主要附属设备的选型与计算（换热器）,附属设备：预热器、冷凝器、再沸器任选一个计算 1、原料预热器、塔顶冷凝器的计算。 参考本书、天津大学贾绍义版化工原理课程设计中换热器设计。 2、

16、塔底再沸器的计算 参考本书、匡国柱主编化工单元过程及设备课程设计。 3、泵只需选型，无需设计。,50,少谈或不谈感想，多谈问题及讨论！,51,参考文献及应注意的问题,1.参考文献：作者、刊名、出版地、出版社、年 份、参考页数。具体可参考本书参考文献。 2.版面：上下左右要有足够间距，美观而便于修改 3.图：要有图题、横纵坐标说明及点线说明； 4.表：要有表头，数据及字体比正文小一号，尽量 使用三线表；,52,绘制生产工艺流程图,1. 要包含冷凝器、再沸器、泵等辅助设备； 2. 要有温度、流量、压力等控制点； 3. 每个设备都要有设备编号； 4. 主物料线要用粗实线； 5. 要有图标、图例； 6. 尺寸：A 2号图纸 420594 mm。 流程图可参考教材P216,53,流程图绘制的要求,1. 用细实线(0.35mm)画出设备简单外形； 2. 设备一般按1:100或1:50的比例绘制； 3. 常用设备外形可参照P3表1-1； 4. 用粗实线(0.9