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化工原理课程设计 学 院：化学生物与材料科学学院专 业：化学工程与工艺组 员：08053304杨 平08053306谢树财08053307孙玉芳08053308邱灵佳08053313王 威08053326邓攀攀08053328胡益共 设计时间：2011年6月1日1） 封面：包括课程设计题目、系别、班级、学生姓名、设计时间等。2） 目录3） 设计任务4） 概述：设计方案的分析和拟定,工艺流程简图及简介5） 设计条件及主要物性参数表6） 设计内容（按顺序说明：有关参数计算、物料衡算，主要设备各部分工艺尺寸的确定和设计计算、设计结果校核)7） 设计结果汇总表8）小结9）对本设计的评述本部分主要介绍设计者对本设计的评价及设计者的学习体会。10）参考文献11） 附录制图：主要设备图、零部件（图纸4#）根据计算结果，选取一定比例，按要求进行制图。 10000吨/年苯-氯苯分离过程筛板式精馏塔设计第一节概述填料塔与板式塔是塔设备（即塔器）的两大类型。用于吸收及精馏的塔器亦称气液传质设备。 511 生产上对塔器的要求生产上对塔器在工艺上及结构上提出的要求有下列几方面： 1分离效率高-达到一定分离程度所需塔的高度低。 2生产能力大-单位塔截面积处理量大。 3操作弹性（flexibility）大-对一定的塔器，操作时气液流量（亦称气液负荷）的变化会影响分离效率。若分离效率最高时的气液负荷作为最佳负荷点，可把分离效率比最高效率下降15%的最大负荷与最小负荷之比称为操作弹性。工程上常用的是液-气负荷比L/V为某一定值时，气相与液相的操作弹性。操作弹性大的塔必然适应性强，易于稳定操作。 4气体阻力小-气体阻力小可使气体输送的功率消耗小。对真空精馏来说，降低塔器对气流的阻力可减小塔顶，底间的压差，降低塔的操作压强，从而可降低塔底溶液泡点，降低对塔釜加热剂的要求，还可防止塔底物料的分解。 5结构简单，设备取材面广-便于加工制造与维修，价格低廉，使用面广。一 筛板塔设计须知 筛板塔设计是在有关工艺计算已完成的基础上进行的。对于气、液恒摩尔流的塔段，只须任选其中一块塔板进行设计，并可将该设计结果用于此塔段中。例如，全塔最上面一段塔段，通常选上面第一块塔板进行设计；全塔最下面一段塔段，通常选最下面一块塔板进行设计。这样计算便于查取气液相物性数据。 若不同塔段的塔板结构差别不大，可考虑采用同一塔径，但不同塔段塔板的筛孔数、孔心距与筛孔直径之比可能有差异。对筛孔少、塔径大的塔段，为减少近塔壁处液体“短路”，可在近塔壁处设置挡板。只有当不同塔段的塔径相差较大时才考虑采用不同塔径，即异径塔。二 筛板塔的设计程序 理论塔板数，实际塔板数。 选定塔板液流型式（以下只按单流型考虑）、板间距HT、溢流堰长与塔径之比、降液管型式及泛点百分数。塔径计算。 塔板板面布置设计及降液管设计。塔板操作情况的效核计算作负荷性能图及确定操作点。若校核计算后对设计方案不满意，应修改设计方案，再作校核计算，直到满意为止。三 筛板塔的设计步骤1确定 XF、XD、Xw ； 平均分子量MF、MD、MW ；物料衡算 F、D、W，F、D、W2 确定N NT 理论板数。作图法。求Rmin R设e点坐标（xe，ye），则ae线的斜率: q线方程 精馏段操作线方程 相平衡线方程 ET；实际塔板数3工艺条件及物性数据计算1） 塔顶、进料板：Tm、Pm2） Tm、Pm=1/2(PD+PF)Tm 设tD 查PA0、PB0 计算PD PD = PA0XA+ PB0 XB效正1/2（PD+ PF ）= Pm设tF查PA0、PB0 计算PF 效正1/2（PD+ PF ）= PmPF= PA0XA+ PB0 XB计算 气相：密度、质量、摩尔流量；液相：密度、粘度、质量、摩尔流量4塔及塔板计算1） D设计计算方法如下面框图所示： 设 D HT Cf umax u HT D 圆整D2） 溢流装置：溢流堰、降液管3） 塔板设计：板布置、开孔率单溢流、弓形降液管、平行受液盘、不设进口堰5 流体力学验算 1） P单板压降2） 液沫夹带是量ev0.1kg液/kg干气3） 漏液线：稳定系数K=u0/uow1.5-2.04） 液泛Hd(HT+hw)6 筛板塔操作负荷性能图操作弹性P=Vsmax/Vsmin液相下限线；液相上限线；漏液线；过量液沫夹带线；溢流液泛线筛板塔741 筛板塔的结构1） 筛板塔的主要部件（1）筛板：开有筛孔的板叫筛板。筛孔起均匀分散气体的作用。若孔径小，要求单位面积的孔数多，则加工麻烦且小孔易堵，但孔小不易漏液，操作弹性大；孔径大则反之。一般孔径为38mm。现在也有采用孔径为1225mm大筛孔的筛板，但操作弹性小，操作要求高。筛孔的排列是有规则的，以便气泡分布均匀，塔板强度好。通常筛孔是按正三角形方式排列的。如图7-14所示。在开孔区，筛孔总面积与开孔区面积之比称为开孔率。值可按一个小单元计算得。参看图7-14，令孔径为d0，孔心距为t，则（7-8）若值过小，开孔过密，塔板强度下降，且气泡容易经碰撞生成大气泡，传质面积减小，对传质不利。若值过大，板上产生气泡的点分布太疏，塔板利用率过低，亦不适宜。一般采用=2.55，常用值是34。（2）溢流堰：在液体横向流过塔板的末端，设有溢流堰。溢流堰是一块直条形板。溢流堰高hw 对板上积液的高度起控制作用。hw 值大，则板上液层厚，气液接触时间长，对传质有利，但气体通过塔板的压降亦大。常压操作时，一般hw =2050mm。真空操作时为1020mm，加压操作时为4080mm。（3）降液管：降液管是液体自上一层塔板流至其下一层塔板的通道。降液管横截面有弓形与圆形两种。因塔体多数是圆筒体，弓形降液管可充分利用塔内空间，使降液管在可能条件下截面积最大，通液能力最强，故被普遍采用。降液管下边缘在操作时必须浸没在液层内，以保证液封，即不允许气体通过降液管“短路”流至上一层塔板的液层上方空间。降液管下缘与下一块塔板的距离称为降液管底隙高度h0，h0为2025mm。若h0值过小则液体流过降液管底隙阻力太大。为保证液封，要求（hw- h0）大于6mm。筛板塔的结构如图7-15所示。2） 筛板的板面布置参看图7-15，筛板的板面可划分为若干区域。各区的名称、作用及面积算法如下。（1）有效传质区：塔板上布置有筛孔的区域，称有效传质区，面积为Aa，即图7-15右图中虚线以内的部份。有效传质区面积的计算式为（7-9）式中角度以弪为单位。（2）降液区：每根降液管所占用的塔板区域，称降液区，面积为Af。降液区内不开孔。弓形降液管的降液区面积Af可通过几何计算求得。若溢流堰长为lw，塔内径为D，塔的横截面积为AT，则由。计算结果示于图7-16中。应用时只需查图线即可。图7-16还绘有由值查取弓形降液管最大宽度Wd与塔径D之比的曲线供查用。若降液区增大，即值增大，则有效传质区占全塔截面的比值减小。一个合理的设计方案，应兼顾有效传质区与降液区两方面的需要。一般=0.60.8。（3）入口安定区：塔板上液流的上游部位有狭长的不开孔区，叫入口安定区，其宽度为Ws。此区域不开孔是为了防止因这部位液层较厚而造成倾向性漏液，同时也防止气泡窜入降液管。一般Ws=50100mm。（4）出口安定区：在塔板上液流的下游靠近溢流堰部位也有狭长的不开孔区，叫出口安定区，其宽度与入口安定区相同，亦为Ws。这部分不开孔是为了减小因流进降液管的液体中含气泡太多而增加液相在降液管内排气的困难。（5）边缘固定区：在塔板边缘有宽度为Wc的区域不开孔，这部分用于塔板固定。一般Wc=2550mm。图7-16 弓形降液管的几何关系3） 塔板上的液流型式以上介绍的塔板上液体流动的型式称为“单流型”，也是最常见的流型。若液体流量及塔径都比较大，采用“单流型”塔扳会在塔板上形成较大的液面落差（水力坡度）。塔板上液面高度的差异导致板上气体分布不均匀，对传质产生不良影响。为了减小塔板的液面落差，可采用“双流型“塔板。“双流型”塔板是采取中间安装降液管与两侧安装双降液管的两种塔板相间装置方式，令液体在塔板上只流过半程距离，而且每侧液体流量只占总流量之半，从而使液面落差大为减小。若液体流量很小，采用“单流型”塔板，越过单位长度溢流堰的液体流量不足，易发生液体偏流，导致塔板上液流分布不匀，可采用“U形流型“塔板。该型塔板的降液管置于一边，液相呈U字形流过塔板，溢流堰长度减小。三种液流型的液流方式示于图7-17。推荐的液体负荷、塔径与液流型式的选择关系示于表7-8。表7-8 液相负荷、塔径与液流型式的关系塔径D，mm液体流量Lh，m3/hU形流单溢流双溢流1000140020003000400050007以下9以下11以下11以下11以下11以下45以下70以下90以下110以下110以下110以下901601102001102301102504） 板间距相邻两层塔板间的距离叫板间距HT。板间距的大小关系到正常操作气液流量的高限值，也和塔高度相关。若板间距取得大，允许的气液流量也大，但对一定塔板数而言，需要的塔体亦高。气液流量大意味着生产能力大，而塔的高度大意味着设备投资大，设计时应从这两方面权衡比较后确定板间距。一般可按表7-9所示的经验值选取板间距的初值。 表7-9 板间距参考值（单流型）塔径D，m0.61.01.21.61.82.4板间距HT，mm300600350800450800 注：当HT500mm，HT按50mm幅度变化；HT500mm，按100mm幅度变化。本章只介绍“单流型”塔的计算方法。其它流型塔的计算可参看有关书籍。742 筛板塔正常操作的气液流量范围以下计算式中气体流速u因不同核算面积有a、o、n三种不同下标，应注意区分。1） 液相流量下限液体流过塔板存在着液流分布不均匀的问题。由于塔壁是圆柱面，更增加液流的不均匀性。经验表明，在液流量小时，平溢流堰安装的微小偏差便会引起越过溢流堰顶液体的偏流，堰顶液体偏流必导致塔板上液体的偏流。在液流严重不均匀时，靠壁处液体甚至会倒流而产生漩涡，其余区域的液流则加速。对于流得快的液体，气液接触时间短，传质不充分；对于流得慢甚至产生漩涡的液体，因气液接触时间长，液体浓度趋近于气液平衡，传质速率低，故液流量小对操作不利。但当液流量增大到一定程度后，液体越过溢流堰顶偏流现象减弱，液体在塔顶上的漩涡消除，液流不均匀性明显改善，故正常操作的液流量有下限值。一般要求，平溢流堰顶上的液层厚度how须大于6mm。计算how的半经验公式为（7-10）式中Lh液相体积流量，m3/h；E考虑到圆筒塔壁的液流收缩系数，其值可由图7-18查得。顶部呈锯齿形的溢流堰，适用小液流量操作。其how计算法可参看气液传质设备。2） 液相流量上限液体离开塔板进入降液管时总夹带有气泡。这些本应进入该塔上方空间的气体被液体夹带到该板下方空间，形成气相返混，削弱传质效果。为减轻气相夹带程度，要求液体在降液管内流动时能排除气体，为此，液体在降液管内应有充分的停留时间。一般规定，液体在降液管内的停留时间须满足下述关系式：（7-11）式中 Ls液相体积流量，m3/s。值应根据不同液体的性质在3至5秒内定值。3） 漏液限正常操作时，液体应横贯塔板，在与气体进行充分接触传质后流入降液管。但有少量液体会由筛孔漏下。这少量漏下的液体如同“短路”，传质不充分，故操作中应尽可能减少漏液。当液体流量一定，气体流量降到一定程度时漏液量会明显增多。一般将漏液量明显增多时的空塔气速称为在该液体流量下的漏液点空速ua，w，由于人们对漏液点判别的定量指标不同，所以不同研究者提出的计算漏液点的经验式亦不同。漏液现象分为两种类型，一种叫倾向性漏液，一种叫随机性漏液。倾向性漏液指液体刚流进塔板时因液层最厚，该部位的筛孔在操作中产生的漏液现象。塔板上安排不开孔的入口安定区或把塔板冲压成局部突起的形状，以减小液体刚进入塔板时的液层厚度，都是为了避免倾向性漏液。随机性漏液指操作中时而某些筛孔漏液，时而另一些筛孔漏液，即漏液区域带有不定性的漏液现象。产生随机性漏液的原因是对于某一液体流量，气体空速偏低；其表现特点是漏液位置与液面波动密切相关。在液面波峰处，液层厚，液体位能大，波峰下面的筛孔漏液；在液面波谷处，液层薄，气体集中由波谷下面的筛孔通过。由于液面起伏的随机性，导致漏液的随机性。因倾向性漏液的消除或减弱涉及塔板结构，在塔板结构改进后可不考虑此因素，故一般对漏液问题的讨论只集中在随机性漏液问题上。随机性漏液同气体通过筛板的阻力（干板阻力）与通过塔板上液层的阻力之比值有关。气体通过各筛孔及液层属并联流动。若干板阻力在总阻力（干板阻力与液层阻力之和）中所占比例增加，液面波动因素对气体分布不匀的影响就减小，漏液可减轻。这说明，研究漏液问题应同干板阻力及液层阻力相联系。戴维斯（Davies）等对漏液点问题进行研究并提出了漏液点操作状况下干板阻力与液层阻力的经验关联图线，如图7-19所示。图中hd与hc的计算式如下：（7-12）式中hd干板阻力，mH2O；u0，w漏液点时的筛孔气速，m/s；C0干板孔流系数，无因次。C0值可由图7-20查得。图中为塔板厚，d0为筛孔孔径，单位都是mm。开孔率可按（7-8）式计算，或按塔板上所有筛孔的总面积除以有效传质区面积（AT2Af）算得。hc是漏液点时塔板上泡沫层厚度按等压降原则折算的清液层厚度，其经验计算式为（7-13）式中Fa气相动能因子，ua，w是以面积（AT2Af）计的漏液点空塔气速，m/s；Ls液相体积流量，m3/s。4） 溢流液泛限当降液管排液能力不足，液体仍不断加入，降液管内液位上升至上层塔板溢流堰顶，影响上层塔板的排液，导致塔板上积液增加直至淹塔，这现象称为液泛。发生液泛时气体通过塔板的压降急剧上升，出塔气体大量带液，正常操作受到破坏。可见正常操作的塔设备不允许发生液泛。液泛产生的原因有： 气流量或液流量过大。 气体中夹带过量的液体，增加降液管的排液负荷。 某块塔板的降液管下端堵塞，造成该塔板以上塔段液泛。由堵塞引起的液泛可通过塔的清洗及进塔液体予以解决。由过量液沫夹带引起的液泛可通过下面将介绍的把液沫夹带量控制在允许范围内的方法予以避免。以下只讨论由于气液流量过大导致的液泛即溢流液泛问题。参看图7-21。降液管内清液（不含气泡）高度Hd可按下式算得：（7-14）式中Hf气体通过一层塔板的压降折算成的清液高度（即通过一块塔板的阻力），m；Hf液体流过降液管进入塔板的阻力，m。气体通过一块塔板的阻力Hf是干板阻力hd、塔板上液层阻力h1与在液相中生成气泡所需克服液体表面张力的阻力h三项之和。因h比其它两相阻力小得多，可略去不计，故（7-15）其中，（7-16）式中u0筛孔气速，m/s；C0塔板的干板孔流系数，可由图7-20查得。h1是塔板上泡沫层高度按等压降原则折算得的清液层高度，塔板上泡沫层高度可按hW+h0W计，二者关系为（7-17）式中 液层充气系数，无因此，可由图7-22查得。液相流过降液管进入塔板的阻力Hf主要取决于液相在降液官底隙的流动阻力，其经验计算式为（7-18）值一般为0.070.25m/s。筛板塔因塔板上没有阻碍液流的阻碍物，液面落差值很小，故可略去不计。若液流量较大且塔径甚大，塔板上有明显的水力坡度时，一般采用“双流型”塔板，值也可不计。对于具体的筛板塔和一定的气液物系，相应于一组气、液流量(Ls，Vs)i，由（7-14）式可算得相应的降液管内清液高Hd值。降液管内液相中含有气泡，令泡沫密度与清液密度之比为相对泡沫密度，则降液管内含气泡的液位高度H为（7-19）对于一般物系，值可取0.5，对于不易起泡物系，值约为0.60.7，对于易起泡物系，可取值0.30.4。当降液管内液位高度H小于板间距与溢流堰高之和（HT+hw）时，降液管内液位的上下移动使塔对气液负荷变化具有自动调节功能。当H=HT+hw+how时，降液管内液面与上一层塔板下游液面齐平，这时，似乎降液管的排液能力恰好满足排液的需要，但若气相或液相流量再有微小的增量，必引起降液管内液位上升，导致上一块塔板液层再增厚，其结果又使气相通过塔板的阻力Hf增大，使降液管内液位再上升。如此相互影响，形成恶性循环，最后必导致液泛。所以，H=HT+hw+how是从溢流液泛角度计算气、液流量上限的关联式。因how值远小于（HT+hw），一般规定溢流液泛限的关联式为（7-20）5） 过量液沫夹带限气泡通过板上液层到达液面时，气泡破裂，气体向上冲出。气体冲出时总会把部分拉成薄膜的液体向上抛起。被抛起的液体呈大小不一液滴状。液滴在上升过程中经相互碰撞，滴径还会增大。其中较大的液滴上升到一定高度，在尚未到达上一层塔板前会沉降下来。较小的液滴则随向上流动的气体被带至上一块塔板。上升气流把液滴夹带到上一块塔板的现象叫液沫夹带。液沫夹带有三点不利影响： 形成液体返混，削弱传质效果。 增大降液管负荷，增加塔板上液层厚度，从而使气相通过塔板的阻力增大。液沫夹带严重时会造成过量液沫夹带液泛。 出塔气体带液，可能对下一工序产生不良后果。例如，若出塔气体要经压缩机压缩，气体带液易造成事故。一般规定，液沫夹带量ev0.1kg液/kg干气时属过量液沫夹带，为不正常操作状况。因操作中液沫夹带不可避免，故对不正常操作的液沫夹带特加上“过量”二字。下面推荐使用的有关液沫夹带的经验关联图是费尔（Fair）关联图，如图7-23所示。图中：横坐标两相流动参数，可用FLV表示。Ls、Vs为液相与气相的体积流量，m3/s，“泛点百分比”指操作空塔气速与过量液沫夹带液泛空塔气速之比。一般泛点百分比为(8085)%，对易起泡物系可取值75%。液沫夹带分数，表示液沫夹带量占液相总流量的分率，kg/kg。其中L、V为液、气质量流量，kg/s。eV与的关系亦可写成。使用图7-23涉及到过量液沫夹带液泛的空塔气速。下面介绍费尔关于求取该液泛空塔气速的方法。如前所述，筛板塔操作时液沫夹带现象不可避免。气相夹带的液滴大小不一。假设液滴都是球形，在液滴中有一个“分割”球径，凡大于该分割球径的液滴都返回原塔板，小于此分割球径的液滴则被气流带到上一块塔板。令刚发生过量液沫夹带液泛时的分割球径为dp。苏德士和勃朗（Souders and Brown）对悬浮停留在空间、球径为dp的液滴写出力平衡式： 式中un,f气相以（ATAf）为流通截面的空塔液泛气速，m/s；气相与液滴相对运动的阻力系数，无因次。根据上述力平衡式，定义了液泛气相负荷因子Cf，即令（7-21）由式可知，求分割液滴球径dp的问题转化为求Cf的问题了。又因求Cf关系到阻力系数，而值只能通过实验取得，所以Cf值亦只能由实验取得。若Cf值被确定，则可由算出液泛空塔气速un,f。费尔把刚发生过量液沫夹带液泛的大量实验数据整理为图7-24所示的图线。图7-24的应用条件如下： 适用于筛板塔与浮阀塔。 低发泡性物系。 溢流堰高hw不超过板间距HT的15%。 该图是根据液相表面张力=20dyn/cm的关联图，故Cf带有下标“20”。若液相的表面张力不等于20dyn/cm，可按下式校正（7-22）式中液相表面张力的单位是dyn/cm。 应用该图规定塔板开孔率10%，若小于10%，查得的Cf,20须乘以k值进行校正。=0.08，k=0.9；=0.06，k=0.8。 对于筛孔，孔径不大于6mm。6） 筛板塔操作负荷性能图综上所述，筛板塔操作受到多方面约束，因此，当筛板塔结构、尺寸及物系、气液相物性确定后，可作出正常操作的气液负荷范围图，即负荷性能图，负荷性能图如图7-25所示。图中各条线的名称、意义及作法如下： 液相下限线正常操作的最低液相负荷称为液相下限。若液相负荷低于此下限值则塔板上液流分布严重不均匀。此线由how=0.006m算得，为一与气相负荷无关的直线，垂直于图7-25的横轴。正常操作区在线右侧。 液相上限线液相上限指液体在降液管内停留时间等于规定的最小停留时间的液相负荷。若液相负荷超过此上限值则液体在降液管内停留时间不足，气泡排除不充分。可由（7-11）式算出此上限值。线亦是与气相负荷无关的垂直于横轴的直线。正常操作区在线左侧。漏液线对任一液相负荷，根据Davies关联图，必有一气相负荷与之对应，这时操作刚发生漏液现象。如气相负荷低于上述对应气相负荷，则必漏液。漏液线即由刚发生漏液的液、气负荷组合的点(Ls，Vs)i连成。该线作法：在图7-19的曲线上任选一点，读出相应的（hd，hc），由h