工程原理-筛板精馏塔的设计.doc

筛板精馏塔的设计一、 概述1、 精馏塔的设计要求1） 生产能力大，即气、液处理量大2） 操作弹性大，分离效率高3） 流体流动阻力小，操作费用低4） 结构简单，造价低，制造、安装、维修方便2、 筛板塔的特点1） 结构简单，易于加工，造价低2） 生产能力大3） 板效率较高4） 操作压力低5） 操作弹性相对较小，安装水平度要求较高，筛孔易堵。3、 设计步骤和内容1） 确定设计方案和操作流程2） 进行工艺计算3） 塔板设计：主要包括计算塔板主要工艺尺寸、进行流体力学校核。4） 板式塔的结构设计5） 管路和辅助设备的计算和选型6） 绘制图纸7） 编制设计说明书二、 设计方案的确定设计方案指精馏装置的流程、设备的结构类型和操作参数等。确定的设计方案应该满足工艺和操作的要求、满足经济性要求和满足安全生产的要求。设计方案主要包括以下主要内容：1、 操作压力塔内的操作压力的选择不仅牵涉到分离问题，而且与塔顶和塔底温度的选择有关。其选择原则是：对热敏性的物料可采用减压操作；对于常态下呈气态的物料，可在加压下进行精馏；对于一般物料可采用常压精馏。2、 进料热状态进料有五种状态，分别为过冷进料（q1）；泡点进料（q=1）；气、液混合物进料（0q1 ；饱和蒸汽进料（q=0）；过热蒸汽进料（q0）；泡点进料时操作比较容易控制，且不受季节气温的影响。此外，泡点进料时精馏段和提馏段塔经相等，设计和制造比较方便。3、 加热方式通常，蒸馏釜的加热方式多采用间接蒸汽加热，但在塔底产物基本是水，且在低浓度时的相对挥发度较大的体系，也可以采用直接蒸汽加热。直接蒸汽加热可利用压力较低的蒸汽加热，不必设置庞大的传热面，塔釜只需安装鼓泡管，故可节省设备费和操作费用。4、 冷却方式塔顶冷凝器的冷却剂常采用水，若所需冷却温度较低，可采用冷却盐水。5、 回流比的选择回流比的大小不仅影响到所需的理论板数，而且影响到加热蒸汽和冷却剂的消耗量，以及塔板、塔径、蒸馏釜和冷凝器的结构尺寸的选择。因此，适宜的回流比的选择是一个很重要的问题。作为目前的课程设计，可先求出最小回流比Rmin，再根据经验公式R=（1. 12）Rmin确定操作回流比。也可以在一定的范围内，选择五种以上的回流比，并计算出相应的理论板数，作出回流比与理论板数的曲线。当R=Rmin时，塔板数为 ；当RRmin后，塔板数由无限多降至有限数；R继续增加，塔板数虽然可以减少，但是减少速率变得缓慢。因此可以在曲线的斜线部分区域选择一合适的回流比。三、 精馏工艺计算本课程设计仅考虑二元物系的精馏分离，并假定恒摩尔流的假设成立。1、 物料衡算和操作线1） 全塔物料衡算QF=QD+QWQFxF=QDxD+QWxW2） 精馏段操作线方程yn+1=（R/R+1）xn+xD/(R+1)3)提馏段操作线方程间接蒸汽加热时，由物料衡算可得提馏段操作线方程ym+1=（QL+qQF）（QLqQFQW）xmQW（QLqQFQW）x）q线方程q线方程即进料方程为y（qq）x（xq）上面各式中符号的意义为：QF进料流量，kmol/s；QD塔顶溜出产品流量，kmol/s；QW塔底釜液流量，kmol/s；xF进料液中易挥发组分的摩尔分数；xD溜出液中易挥发组分的摩尔分数；x釜液中易挥发组分的摩尔分数；QL精馏段内溢流液体的流量，kmol/s；回流比；qkmol的进料液中液相所占的比例、热量衡算通过热量衡算，可以确定加热蒸汽和冷却剂的用量以及再釜器、冷凝器和原料预热器的热负荷围绕进料点作热量横算，可以得到进料状态参数q的表达式q=1+cpt/r=1+ cp(ts-t)/r上式中: r混合物的汽化潜热，KJ/Kg；cp混合物的定压比热容， KJ/KgK；t 传热温差，K；ts混合物在泡点状态下的温度 ， K；t进料温度， K；3、 理论塔板数的确定可根据所学理论知识,采用图解法或解析法(逐板计算法)确定理论塔板数(参见教材P505页)。4、塔板效率和实际塔板数（1）塔板效率在实际塔板上，气液两相并未达到平衡，这种气液两相间传质的不完善的程度用塔板效率来表示，在设计计算是往往采用总板效率求出实际塔板数。塔板效率一般可以采用下列方法取得：1） 从条件相同的生产装置中取得经验数据，这种数据已经得到实践的验证，十分可靠。2）采用O，connell（奥克勒尔）法，将总板效率对进料液体黏度与关键组分相对挥发度的乘积进行关联，得到图示曲线（参见附图7）。其曲线的表达式为：ET=0.49(L)-0.245式中：ET总板效率 塔顶与塔底平均温度下的相对挥发度 L进料在塔顶与塔底平均温度下的黏度 mPas对于多组分情况，L可以按照下式进行计算： L=xiLi xi进料中组分i的摩尔分数 Lii组分的液态黏度mPas（2）实际塔板数 N=（NT-1）/ET N塔内实际塔板数 NT理论塔板数四、 塔板和塔的主要工艺尺寸设计1、 板间距的初选板间距的大小对液沫夹带量和液泛气速有重要影响，板距大，塔身高度大，但允许气速大，对一定的生产任务来讲，所需的塔径较小。故在经济上存在一个合理的板间距。板间距的选择还要考虑制造、安装和维修的方便。下表中的板间距，可供设计时参考。 不同塔径的板间距参考表 （附表一）塔径 D（）80012001400240026006600板间距HT（）300、350、400、450、500400、450、500、550、600、650、700450、500、550、600、650、700、750、800计算塔径时，需先选定板间距，最后确定的板间距要根据流体力学计算结果进行适当的调整。2、 塔径的计算塔径的计算方法有两类。一类是根据适宜的空塔气速，求出塔径另一类，是先确定适宜的孔径，定出每块塔板上所需的孔数，进行孔的排列后得到塔径。现仅推荐前一类方法。根据流量公式，可计算塔径，即： D=（4Vh/u）1/2式中：D塔径，m。 Vh操作条件下气相体积流量，m3/s。可以由生产量和回流比的相关数据以及气体密度计算求得。当操作压强较低时，气相可视为理想气体混合物，则有： V=(22.4Vh/3600)(TP0/T0P)式中：T、T0分别为操作条件下的平均温度和标准状态下的热力学温度，K。 P、P0分别为操作条件下的平均压强和标准状态下的压强，Pa。 u适宜的空塔气速，m/s。计算塔径关键是确定适宜的空塔气速u，一般适宜的空塔气速为最大允许的气速(液泛气速)的0.60.8倍，即：u=(0.60.8)umax而umax=C（L-V）/V1/2式中：umax最大允许气速（即液泛气速），m/s； C气体负荷系数；L、V分别为液体和气体的密度,kg/m3；气体负荷系数C由下式求得：C=C20（/0.02）0.2式中：操作物系的液体表面张力，N/m； C20物系的液体表面张力为0.02N/m时的气体负荷系数。C20可由史密斯（Smith）关联图查得（参见附图2）。图中的符号意义为：Vh、Lh分别为塔内气、液两项的体积流量，m3/h；HT塔板间距，m；hL板上清液层高度，m。根据经验，板上清液层高度一般为50100。3、 塔板详细设计1） 塔板上的流型选择塔板上的流型常用的有三种型式，分别称之为回流型（U流型）、单流型和双流型。初选塔板上的流型时可以参考下表的经验参数：流型选择参考表 （附表二）塔径， 液体流量，m3/h回流型单流型 双流型1000以下7以下45以下14009以下70以下200011以下90以下90160300011以下110以下110200400011以下110以下110230500011以下110以下110250600011以下110以下1102502） 堰的计算溢流堰一般为平顶，堰高hw可以用下式确定：50-howhw100- how （）式中：how堰上液高，。其值可以用Francis（佛兰西斯）公式计算：how=（2.84/1000）E(Lh/lw)2/3 E弓形堰修正系数，可以从附图2中查得； Lh液体体积流量，m3/h； lw堰长，m。一般可取lw=（0.60.8）D。3） 降液管降液管有圆形和弓形两种，圆形降液管一般仅用于较小的塔径（如我们精流实验所用的精流塔），生产中多采用弓形降液管。降液管底部与塔板之间的间隙ho应小于堰高，一般取： hw-ho=612mm，但间隙ho也不宜小于mm，以免发生堵塞。降液管的设计还应该注意：a)液管中的液体的平均流速宜小于0.1m/s；b)液体在降液管中需要逗留一定时间，以保证汽液充分分离，避免产生泛液现象。逗留时间的计算公式为：=AfHT/Lh其中：Af降液管横截面面积根据经验，液体在降液管中的停留时间一般不小于秒.弓形降液管的宽度Wd可由附图4中计算查得。）受液盘塔板上接受上一层流下的液体的地方称之为受液盘。目前生产中使用的受液盘有两种：（）平受液盘（用于塔径小于以及含有固体悬浮液的液体；（）凹形受液盘，用于塔径大于的场合，凹形受液盘的深度一般为。）安定区和边缘区（） 安定区：在入口堰（内堰，一般很少设置）附近和溢流堰（外堰）处需要有一个狭长的不开孔区，分别称之为进、出口安定区。设置入口安定区的目的是为了防止气体进入降液管，避免因降液管流出的液流的冲击而漏夜；设置出口安定区的目的是为了使液体在进入降液管之前，有一定的时间脱除其中所含气体。安全区的经验值为：内堰侧安定区宽度WSn=50100 外堰侧安定区宽度WS70100（） 边缘区板面靠近塔壁的部分留出的不开孔的区域为固定塔板之用，其边缘区的宽度WC与塔径有关，小塔可取3050mm，大塔可取5060mm。）孔径及开孔率（） 孔径孔径大，加工简单，不宜堵塞，但操作弹性要小一些。筛孔常用的孔径为38mm ,推荐使用45mm。（） 开孔率筛孔一般按三角形排列，孔间距与孔径之比t/do一般可取2.58,开孔率一般为515%。筛板按正三角形排列时，开孔率的表达式为=0.907/(t/do)2=AO/APAO筛孔总面积AP筛板开孔区面积：其表达式为AP=2x(r2-x2)1/2+r2sin-1(x/r)x=（D/2）-（Wd-Ws） m;Wd弓形降液管的宽度，m;Ws外堰侧安定区宽度，m；WS70100。r=（D/2）-WC，m;WC边缘区的宽度，小塔可取3050mm，大塔可取5060mm。4、 塔板流体力学校核1） 气体通过塔板的压降（板压降）板压降hp等于干板压降hC与液层阻力h1之和：hp=hC+h1 式中：（1）hC=(1/2g)(uO/CO)2(G/L) (m液柱) g重力加速度，m/s2 uO筛孔的气速，m/s CO孔流系数，其值可根据孔径与板厚之比dO/从附图5中查得v、L气体与液体的密度，/m3 （2）h1 气体通过泡沫液层的压降与通过筛孔的气相动能因子FO以及板上清液层的高度hL有关，可以由FO和hL的数值从附图6中查得。 气相动能因子FO的计算公式为：FO=uo(v)1/22） 雾沫夹带为了保证筛板具有较高的效率，每kg上升的气体夹带到上一层塔板的液体量不应超过0.1kg，即雾沫夹带量ev0.1kg液体/kg干气体。ev=（5.710-6/）uG/(HT-hf)3.2 uG按有效截面计算的气速，m/s； uG=Vh/（AT-Af）Vh气体流量，m3/s；AT塔截面面积，；Af降液管截面面积，。hf塔板上的鼓泡层的高度，m；一般hf=2.5hL3） 漏夜点筛板的操作有一个下限气速，当气速低于此值时，筛板就开始漏夜，称为漏夜点。实际孔速uo与漏夜点孔速uom之比叫稳定系数k，通常稳定系数k不小于1.52。uom=FO/(V)1/2FO气体通过孔的动能因子，kg1/2/(sm1/2)；V气体密度，kg/m3。4） 液泛校核当塔板上的液体流量很大，上升气体的速度很高时，液体被气体夹带到上一层塔板上，使得上一层塔板上液体的量猛增，造成塔板间充满了气、液混合物，最终使整个塔板内都充满了液体，这种现象称为夹带液泛。另一种液泛是由于降液管通过能力的限制（尺寸过小、堵塞等原因），流动阻力过大，造成液泛，这种液泛称为溢流液泛。两种液泛相互影响，一般先发生夹带液泛，进而导致发生溢流液泛。液泛现象使整个塔内液体不能正常下流，液体大量反混，严重影响塔的工作，甚至发