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1、板式精馏塔课程设计课程目的先修课程的综合训练,培养工程能力的训练n掌握化工设计的基本程序和方法;n学会查阅技术资料、选用公式和数据;n用简洁文字和图表表达设计结果;n用CAD制图以及计算机辅助计算等能力方面 得到一次基本训练。 设计主要内容n设计方案简介n主要设备的工艺设计计算 n板式塔的结构 n辅助设备的选型n主要设备的工艺条件图 n设计说明书的编写 对给定或选定的工艺 流程、主要设备的型 式进行简要的论述 设计方案的确定(一)装置流 程的确定 要求在设计说设计说 明书书上画出流 程简图简图 。n塔顶顶冷凝装置根据生产产情况以决定采用 分凝器或全凝器。一般,塔顶顶分凝器对对 上升蒸汽虽虽有一
2、定增浓浓作用,但在石油 等工业业中获获取液相产产品时时往往采用全凝 器,以便于准确地控制回流比。若后继继 装置使用气态态物料,则则宜用分凝器。(二) 操作压强的选择n精馏馏操作可在常压压、减压压或加压压下进进行。操 作压压强常取决于冷凝温度。n一般,除热热敏性物料以外,凡通过过常压压蒸馏馏 不难实现难实现 分离要求,并能用江河水或循环环水 将馏馏出物冷凝下来的系统统,都应应采用常压压蒸 馏馏;对热对热 敏性物料或混合液沸点过过高的系统统 则则宜采用减压压蒸馏馏;对对常压压下馏馏出物的冷凝 温度过过低的系统统,需提高塔压压或采用深井水、 冷冻盐冻盐 水作为为冷却剂剂;而常压压下呈气态态度物 料必
3、须须采用加压压蒸馏馏。(三) 进料热状况的选择n原则则上,在供热热量一定的情况下,热热量 应应尽可能由塔底输输入,使产产生的气相回 流在全塔发挥发挥 作用,即宜冷进进料。但为为 使塔的操作稳稳定,免受季节节气温影响, 精、提馏馏段采用相同塔径以便于制造, 则则常采用饱饱和液体(泡点)进进料,但需 增设设原料预热预热 器。若工艺艺要求减少塔釜 加热热量避免釜温过过高、料液产产生聚合或 结结焦,则应则应 采用气态进态进 料。(四)加热方式(四)加热方式n蒸馏馏大多采用间间接蒸汽加热热,设设置再沸器。 有时时也可采用直接蒸汽,例如蒸馏馏釜残液中的 主要成分是水,且在低浓浓度下轻组轻组 分的相对对 挥
4、发挥发 度较较大时时(如乙醇与水混合液)宜用直 接蒸汽加热热,其优优点是可以利用压压强较较低的 加热热蒸汽以节节省操作费费用,并省掉中间间加热热 设备设备 。但由于直接蒸汽的加入,对对釜内溶液起 一定的稀释释作用,在进进料条件和产产品纯纯度、 轻组轻组 分收率一定的前提下,釜液浓浓度相应应降 低,故需在提馏馏段增加塔板以达到生产产要求。二元连续连续 板式精馏馏塔的工艺计艺计 算n物料衡算n实际实际 塔板数的确定n塔高和塔径的计计算n塔板结结构参数的确定n塔板流动性能校核一、物料衡算一、物料衡算n全塔物料衡算间间接加热时热时 : F=D+W FxF= DxD+WxW 可以解出F,W。二二 实际塔
5、板数的确定实际塔板数的确定1.确定理论板数 可以采用图解法或逐板计算法. n平衡数据n回流比n精馏段操作线n加料线n提馏段操作线相关说明n平均挥发挥发 度的求法:nav的计计算: 平均粘度由乙醇和水在平均 温度下的粘度线线性加和得到 av= 乙醇xF+ 水(1xF) n 平均塔温为为塔顶顶和塔底温度的算术术平均 值值其中 i=yi(1-xi)/xi(1-yi)2.总总板效率 Oconnel关联图查得,见化 工原理书图图8-32精馏塔总总板效率关联图联图 ,由横坐标标L可求得总总板效率E 3.实际实际 板数NE NE=(N-1)/E,N为为理论论板 数,分别别算出精馏馏段和提馏馏段的实际实际 板
6、 数并标标明加料板的位置。三 塔高、塔径的计算n物性参数的查找、计算塔径由精馏塔内各段物料的摩尔流率(或说 体积流率)决定的,其影响因素有F(进料 流率)、R(回流比)及q,涉及单位换算1、 平均分子量的计算(1)塔顶的平均分子量 x1为与y1=XD平衡 的液相组 成) MVDM= XDM轻组分+(1XD)M重组分 MLDM= x1M轻组分+(1x1)M重组分 (2)进料板的平均分子量 进料板对应的组成Xn 和yn (进料板对应的组成由逐 板计算得到,n值各人不同) MVFM= ynM轻组分+(1yn)M重组分 MLFM= XnM轻组分+(1Xn)M重组分1、 平均分子量的计算(3)塔底的平均
7、分子量(yw为与xw平衡的气相组成) MVWM= ywM轻组分+(1yw)M重组分 MLWM= xwM轻组分+(1xw)M重组分 (4)精馏段、提馏段的平均分子量 精馏段平均分子量 MLM=( MLDM+ MLFM)/2=MVM=( MVDM+ MVFM)/2= 提馏段平均分子量 MLM=( MLWM+ MLFM)/2=MVM=( MVWM+ MVFM)/2=2、平均密度的计算(1)液相平均密度 查物性数据:易挥发组分密度1 Kg/m3难挥发组分密度2 Kg/ m3 举例: LD1/a1/1+(1-a1) /2 Kg/ m3(2)汽相平均密度根据塔顶温度TD、进料板温度TF及塔底温度TW 分别
8、确定精馏段及提馏段的汽相平均密度 如:TM=(TF+TD)/2VMPMV/RTM= Kg/ m33塔的有效高度和板间间距的初 选选 板式塔的有效高度是指安装塔板部分的高 度,可按下式计算:塔板间距,m 板间距的初选 板间距NT的选定很重要。选取时应考虑塔高、塔 径、物系性质、分离效率、操作弹性及塔的安装检 修等因素。4 塔径的计算 计算塔径的方法有两类: 1)据适宜空塔气速,求出塔截面积,求出塔径 2)确定适宜孔速进而求出塔径塔径的计算n初步计算塔径塔内气体流量 m3/s空塔气速m/s允许空塔气速,m/s气相和液相的密度, kg/m3气体负荷系数, m/s6.10.5 筛板塔化工设计计算(1)
9、塔的有效高度 Z已知:实际塔板数 NP ; 塔板间距 HT;选取塔板间距 HT :理论塔板数计算软件塔板间距和塔径的经验关系塔体高度:有效高+顶部+底部+ 其它有效塔高:C:气体负荷因子,与 HT、 液体表面张力和两相接触状况有关。 液泛气速两相流动参数 FLV:(2)塔径确定原则: 防止过量液沫夹带液泛步骤: 先确定液泛气速 uf (m/s);然后选设计气速 u;最后计算塔径 D。对于筛板塔(浮阀、泡罩塔),可查图 ,C20=(HT 、FLV)0.2HT=0.60.450.30.150.40.30.21.00.70.10.040.030.020.070.010.040.030.020.070
10、.010.10.090.06 0.05筛板塔泛点关联图 选取设计气速 u 选取泛点率: u / uf一般液体, 0.6 0.8易起泡液体,0.5 0.6所需气体流通截面积设计气速 u = 泛点率 ufADAd 计算塔径 D塔截面积:A = AT - Ad塔径说明:计算塔径需圆整,且重新计算实际气速及泛点率。(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。 降液管形式和底隙降液管:弓形、圆形。降液管截面积:由Ad/AT = 0.06 0.12 确定;底隙 hb :通常在 30 40 mm。 溢流堰(出口堰)作用:维持塔板上一定液层,使液体均匀横
11、向流过。型式:平直堰、溢流辅堰、三角形齿堰及栅栏堰。堰长 lW :影响液层高度。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:40 80 mm ;减压塔:25 mm 左右。 说明:通常应使溢流强度qVLh/lW 不大于100130 m3/(mh)。或:双流型:单流型:(4) 塔板及其布置 受液区和降液区一般两区面积相等。 入口安定区和出口安定区 其中, E:液流收缩系数,一般可近似取 E =1。堰上方液头高度 hOW :要求: 边缘区:bcbdbs lWrx(5)筛孔的尺寸和排列筛孔:有效传质区内,常按正三角形排列。筛板开孔率 : 单流型弓形降
12、液管塔板: 有效传质区: 双流型弓形降液管塔板:bcbdbslWrxd0t筛孔直径 d0 : 3 8 mm (一般)。12 25 mm (大筛孔)孔中心距 t : (2.55) d0 取整。开孔率: 通常为 0.08 0.12。板厚:碳钢(3 4mm)、不锈钢。 筛孔气速:筛孔数:d0t(6) 塔板的校核对初步设计的结果进行调整和修正。 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 单位时间夹带到上层塔板的液体质量(或摩尔) e:kg 液体 / h 或 kmol液体 / h 液沫夹带分率:夹带的液体流量占横
13、过塔板液体流量的分数。故有: 所以说明:超过允许值,可调整塔板间距或塔径。 ev的计算方法:方法1:利用Fair关联图求,进而求出ev。方法2:用Hunt经验公式计算ev。式中Hf 为板上泡沫层高度:要求: ev 0.1 kg 液体 / kg气体。 塔板阻力的计算和校核塔板阻力:塔板阻力 hf包括 以下几部分:(a)干板阻力 h0气体通过板上孔的阻力(设无液体时);(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。清液柱高度表示:(a)干板阻力h0d0/C0塔板孔流系数C0 孔流系数(b)液层阻力 hl查图求充气系数说明:若塔板阻力过大,可增加开孔率或 降低
14、堰高。(c)克服液体表面张力阻力(一般可不计) 降液管液泛校核故塔板阻力: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(b) 液体通过降液管阻力 hd包括底隙阻力 hd1和进口堰阻力hd2。无进口堰时: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:对不易起泡物系,易起泡物系, 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。(a)计算严重漏液时干板阻力 h0 (b)计算漏液点气速 u0 说明:如果稳定系数k过小,可 减小开孔率
15、 或 降低堰高。 严重漏液校核漏液点气速 u0 :发生严重漏液时筛孔气速。稳定系数:要求: 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。(6)塔板的负荷性能图确定塔板的操作弹性 液相下限线整理出:规定: 严重漏液线(气相下限线)代入相关公式,如hOW、u0,整理出。 液相上限线 降液管液泛线规定:塔板的操作弹性: 或塔径的计算n塔径的圆整 目前,塔的直径已标准化。所求得的塔径 必须圆整到标准值。塔径在1米以下者, 标准化先按100mm增值变化;塔径在1 米以上者,按200mm增值变化n塔径校核(后面进行)四、塔板结构参数的确定四、塔板结构参数的确定塔径初核后,可进进行塔板的平面布置。 一 般顺顺次确定如下一些尺寸和数据:堰长长安定区宽宽度1.堰长长/塔径(l/D)2.堰长长l 3.降液管道截面积积/塔截面积积(Ad/A)4.塔净净截面积积/塔截面积积(An/A,An=A-Ad)5.塔工作面积积/塔截面积积(Aa/A,Aa=A-2Ad)6.在塔板溢流堰、降液管旁,应应考虑虑安定区宽宽 度WS,它是开孔区与堰之间间的距离;开孔区与 塔内壁之间间的距离为为Wc。7.开孔区面积积Aa按下式计计算:8.确定筛筛孔直径d0及孔