《板式塔筛板塔设计》PPT课件

板式塔（筛板塔）设计,精馏方案选定,相平衡关系,工艺计算,塔和塔板主要尺寸的设计,塔体总高及辅助装置,1.精馏方案选定,方案选定是指确定整个精馏设备的流程、主要设备的结构型式和主要操作条件。所选方案必须：（1）满足工艺要求；（2）操作平稳、易于调节；（3）经济合理；（4）生产安全。,1.1操作压力,精馏可在常压、加压或减压下进行。沸点低、常压下为气态的物料必须选用加压精馏；热敏性、高沸点物料常用减压精馏。,1.2进料状态,一般将料液预热到泡点或接近泡点后送入塔内。这样可使：(1)塔的操作比较容易控制；(2)精馏段和提馏段的上升蒸汽量相近，塔径相似，设计制造比较方便。,1.3加热方式,（1）间接蒸汽加热（2）直接蒸汽加热适用场合：待分离物系为某轻组分和水的混合物。优点：可省去再沸器；并可利用压力较低的蒸汽进行加热。操作费用和设备费用均可降低。,2.相平衡关系,2.1图查取操作压力下的气相摩尔分率和相应的液相摩尔分率，标绘图。,2.2相对挥发度对于理想物系饱和蒸汽压可直接由手册查取，或由Antoine方程计算。全塔平均相对挥发度分别为塔顶、加料、塔底组成的相对挥发度。汽液相平衡关系：,3.工艺计算,3.1物料衡算物料衡算的任务（1）由设计任务所给定的F、求D、W（2）在q和R选定后，计算,（3）写出精馏段和提馏段的操作线方程精馏段：提馏段：,3.2回流比的选定,选择原则：使塔的设备费用和操作费用的总和最低，同时应考虑到操作时的调节弹性。选择方法：（1）参考生产现场所提供的回流比数据；（2）回流比取最小回流比Rmin的1.22倍；（3）先求最少理论板数Nmin,以理论板数为Nmin的两倍求取回流比R；（4）作出回流比R和理论板数N的曲线图，在曲线图上确定合适的回流比R。,3.3理论板数的确定,（1）若物系符合恒摩尔流假定，可用逐板计算法或图解法求取理论板数NT及理论加料板位置。（2）对于非恒摩尔流物系，应在焓浓度图上图解求取理论板数。,3.4实际塔板数的确定,3.4.1实际塔板数及实际加料板位置的确定塔釜为一块理论板式中N塔内实际板数NT理论板数ET全塔总效率,式中Nm实际加料板位置NR精馏段理论板数由于在计算中引用了诸多简化假定，Nm与实际情况有一定偏差。所以在设计时可在Nm的上下各多设一个加料口，待开车调试时再确定最佳实际加料板位置。,3.4.2塔板效率的估计,塔板效率与物系性质、塔板结构及操作条件等众多因素有关，尚无精确的计算方法。常用的估计方法有：（1）参考生产现场同类型的塔板、物系性质相同（或相近）的塔板效率数据。（2）（3）朱汝瑾公式（4）VanWinkle关联（5）AIChE法,Oconnell关联图,ET全塔效率塔顶、塔底平均温度下的相对挥发度液体平均粘度，mNs/m2;温度以塔顶、塔底平均温度计；组成以进料组成计。,图1精馏塔全塔效率关联图,3.5热量衡算,目的：确定再沸器的热负荷和冷凝器的冷却负荷。塔顶蒸汽带出热量Qv=VIv(I焓，kJ/kg)塔底产品带出热量Qw=WIw进料带入热量QF=FIF回流带入热量QL=LIL塔釜加热量QB设备热损失Qn0.1QB总热量衡算Qv+Qw+Qn=QL+QF+QBQB=1.1(Qv+Qw-QL-QF),塔顶冷凝器带走的热量QC塔顶产品带走的热量QD=DID冷凝器热量衡算QV=QC+QD+QL塔顶冷凝器冷却负荷QC=QV-QD-QL若为恒摩尔流，塔顶全凝，泡点回流且热损失很小，则可化简计算：QBQC=Vrc式中rc组成为的混合液的平均气化热rb组成为的混合液的平均气化热。,4.塔和塔板主要尺寸的设计,4.1塔和塔板设计的主要依据进行塔和塔板设计时，所依据的主要参数是：汽相流量VS(m/s),密度V(kg/m)液相流量LS(m/s),密度L(kg/m)表面张力（mN/m）注意：由于各块塔板的组成和温度不同，所以各块塔板上的上述参数均不同，设计时应取平均值。具体方法如下：(1)若V、L变化不大，可以精馏段或提馏段的平均值为代表进行设计.(2)若V、L变化较大，应分段处理，各段分别取平均值进行设计。,4.2塔板的设计参数,筛板塔设计必须确定的主要结构参数有（参阅）：（1）塔板直径D；（2）板间距HT；（3）溢流堰的型式，长度和高度hw；（4）降液管型式、降液管底部与塔板间的距离ho；（5）液体进、出口安定区的宽度Ws、Ws,边缘区宽度Wc；（6）筛孔直径do,孔间距t。,图2,图2筛板的板面布置及主要尺寸,4.3筛孔塔板的设计程序,塔板设计的基本程序是：（1）选择板间距和初步确定塔径；（2）根据初选塔径，对筛板进行具体结构的设计；（3）对所设计的塔板进行流体力学校核，如有必要，需对某些结构参数加以调整。,4.3.1板间距的选择和塔径的初步确定,一、板间距的选择HT的大小与液泛和雾沫夹带有密切关系理论上，存在一个经济上最佳的HT；实际上，HT的选择常取决于制造和维修的方便，可参考下表选择。表1不同塔径的板间距参考表,二、塔径计算HT选定之后，可根据夹带液泛条件初步确定D。具体方法是：(1)计算液泛速度式中气体负荷因子，m/s；可由查取液相表面张力，mN/m气、液相密度，kg/m注意：是以塔内气体流通面积，即塔的横截面积减去降液管面积（ATAf）为依据计算的。,图3,图3筛板塔的泛点关联图,(2)确定泛点百分率泛点百分率可取为0.80.85；对易起泡物系可取为0.75。泛点百分率确定后，便可计算出。,(3)确定液流型式和液流型式可由确定的选取与液体流量L及系统发泡情况有关。单流型：=0.60.8双流型：=0.50.7对易发泡的物质：可取得高一些当液流型式和确定后，降液管面积Af和塔板总面积AT之比可由求得。,表2,图4,表2选择液流型式的参考表,图4弓型降液管的宽度与面积,(4)计算塔径塔内气体流通面积且已求出，所以AT可确定。塔径根据塔设备系列化规格，将D圆整后作为初选塔径。,4.3.2塔板结构设计,一、溢流堰的型式和高度的选择（1）溢流堰一般为平顶的，当堰上液高how6mm时应采用齿形堰。（2）溢流堰高度hw太低，板上泡沫层亦低，相际接触表面小；hw太高，液层阻力大，板压降高。堰高hw可参考下表选定。,表3各种操作情况的堰高参考表,二、降液管和受液盘的结构和有关尺寸的选择(1)降液管分为圆形降液管和弓形降液管两种，一般多采用弓形降液管。(2)受液盘有平型和凹型两种型式，对直径大于800mm的塔板推荐使用凹形受液盘。(3)为保证液封,ho应小于hw,但不应小于2025mm以免堵塞。,三、安定区和边缘区宽度的选择Ws可取为50100mmWs一般等于WsWc与塔径有关，一般可取2550mmWs、Ws、Wc取定以后，单流型塔板的有效传质面积Aa可以确定。,式中分别为弓形降液管和受液盘的宽度，m。可由图4查出。,四、孔径和开孔率的选择(1)孔径do的选择do小，加工麻烦，易堵塞；但不易漏液，操作弹性大。do大，加工容易，不易堵塞；但漏液点高，操作弹性小。推荐取38mm(2)的选择小，相际接触表面小，且板压降大。大，干板压降小且漏液点高，操作弹性下降。一般情况下，可取孔间距t=(2.55)do,开孔率,开孔率是孔径与孔间距t的比值d0/t决定的,式中Ao筛孔总面积Aa有效面积,4.3.3塔板的校核,一、板压降的校核板压降等于干板压降与液层阻力之和，即(1)干板压降,图5干板孔流系数,图中塔板厚度，一般碳钢塔板取34mm;合金钢板取22.5mmdo孔径,(2)液层阻力式中堰上液高,E,Fa,为液层充气系数，可由图7求取若算出的板压降hf超过允许值，可增大开孔率或降低堰高hw使hf下降。,图7充气系数和动能因子Fa间的关系,E为校正系数，也称液流收缩系数，其值可由图6查出。,图3-6液流收缩系数,式中以塔截面积与降液面积之差即为基准计算的气体速度，m/s。,二、液沫夹带的校核为使筛板具有较高的板效率，应控制液沫夹带量ev0.1kg液体/kg干气，可增大塔径或板间距使ev下降。,图8,图8液沫夹带关联图,三、溢流液泛条件的校核为避免发生溢流液泛，必须满足式中相对泡沫密度与物系的发泡性有关：对一般物系，可取为0.5；对不易发泡物系可取为0.60.7;对于容易发泡物系，可取为0.30.4。,降液管内清液高度其中hw已选定，hf,how前已算出，其余二项分别计算如下：(a)液面落差对筛板塔，液面落差通常可忽略不计。(b)降液管阻力主要集中于降液管出口，可由下式计算,四、液体在降液管内停留时间的校核为避免严重的气泡夹带现象，通常规定液体在降液管的停留时间不小于35s,即对易起泡物系，可取其中较高数值。,五、漏液点的校核为使塔板具有足够的操作弹性，通常要求设计孔速uo与漏液点孔速uow之比不小于1.52.0，即k称为筛板的稳定系数,漏液点的干板压降hd或漏液点孔速uow与板上当量清液高度hc有关，Davies和Gordon对hd和hc进行了关联，结果如右图所示。,图9筛板漏液点关联图,图中hc为漏液点当量清液高度，可由下式计算式中：气体的动能因子，以面积（AT-2Af）计算的漏液点气速，m/s。利用上式和图9可以试差求出漏液点的干板压降和相应的孔速。若算出的k值太小，可减少开孔率和降低堰高hw。,4.3.4负荷性能图,对一定物系和一定的塔结构，必相应有一个适宜的气液流量范围。该范围即为塔板负荷性能图所包围的区域。图10筛板塔的负荷性能图,V/(m/h),图中线1为过量液沫夹带线。其位置通常是以液沫夹带量ev=0.1kg液体/kg干气为依据确定的。图中线2为漏液线。其位置可根据漏液点气速确定。图中线3为溢流液泛线。该线可根据溢流液泛的产生条件确定。图中线4为液量下限线。其位置可根据how=6mm确定。图中线5为液量上限线。其位置可根据液体在降液管中停留时间不小于35s确定。负荷性能图对于现有塔的操作、塔板的改造和设计有一定的指导意义。,5.塔体总高及辅助装置,5.1塔体总高度塔总高度（不包括裙座）由下式决定H=HD+(N2S)HT+SHT+HF+HB式中H塔高（不包括裙座），m塔顶空间，mHT塔板间距，m开有人孔的塔板间距，m进料段高度，m塔底空间，mN实际塔板数人孔数目（不包括塔顶空间和塔底空间的人孔）,HD,HT,HF,HB,S,塔顶空间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，减少塔顶出口气体中液体夹带。一般HD取1.01.5m。,HT应大于或等于600mm。,一般HF要比HT大，有时要大一倍，以保证防冲设施的安装。,塔底空间具有中间贮槽的作用，釜液在此应有1015分钟的储量。,对于易结垢、结焦的物料每隔46块板开一个人孔；对于较清洁的物料，可每隔810板开一个人孔。人孔直径一般450550mm。,5.2接管尺寸,5.2.1塔顶蒸汽管式中Vs汽相流量，m/s;蒸汽速度，m/s。常压操作取1220m/s。,5.2.2回流管dR,式中Lh回流液量，kg/h;L液相密度，kg/m;液相在回流管内速度，m/s。重力回流取0.20.5m/s;强制回流取1.52.5m/s。,5.2.3进料管df,式中F进料量，kg/h;进料管内流速，一般取0.40.8m/s;由泵输送时取1.52.5m/s。,5.2.4塔釜出料管dw,式中W塔釜出料量，kg/h;塔釜出料速度，一般取0.51.0m/s注意：所有计算所得尺寸均应圆整到相应规格的管径。,5.3回流冷凝器,5.3.1回流型式（1）小型塔冷凝器可安装在塔顶，冷凝液由重力作用回流入塔。（2）大型塔冷凝器安装在地面或平台上，回流液由泵输送，即强制回流。冷凝器常采用管壳式换热器，一般认为卧式壳程冷凝较好。,5.3.2工艺计算,回流冷凝器的工艺计算内容包括：(1)按工艺要求决定冷凝器的热负荷QR，选择冷却剂、冷却剂进出口温度并计算冷却剂用量；(2)初估设备尺寸，由