化工原理课程设计——筛板精馏塔设计

1、化工原理课程设计,筛板精馏塔设计,基础化工部,常压分离环己醇苯酚连续操作 筛板精馏塔工艺设计任务书,基础设计数据： 1. 处理能力：50000 t/a（年工作按8000小时计） 2. 进料组成：环己醇30%，苯酚70%（mol%，下同） 3. 进料状态：泡点进料 4. 产品要求：塔顶馏出液组成：环己醇98%，苯酚2% 塔釜釜残液组成：环己醇1%，苯酚99% 5. 塔顶压强：760 mmhg（绝压） 6. 公用工程：循环冷却水：进口温度32，出口温度38 导热油：进口温度260，出口温度250,总体要求： 绘制带控制点工艺流程图，完成精馏塔工艺设计以及有关附属设备的计算与选型。绘制塔板结构简图，

2、编制设计说明书。 1. 精馏塔工艺设计内容：全塔物料恒算、确定回流比；确定塔径、实际板数及加料板位置。 2. 精馏塔塔板工艺设计内容：塔板结构设计、流体力学计算、负荷性能图、工艺尺寸装配图。 3. 换热器设计：确定冷热流体流动方式，根据换热面积初选换热器；核算总传热系数；计算实际传热面积；选定换热器型号，计算管程、壳程压降。 说明： 1. 写出详细计算步骤，并注明选用数据的来源。 2. 每项设计结束后，列出计算结果明细表。 3. 设计说明书要求字迹工整，按规范装订成册。,带控制点工艺流程图,用3号图纸画 塔工艺条件图（带管口）,用3号图纸画 其余工艺设计图,用坐标纸,课程设计的要求,注意事项:

3、 写出详细计算步骤,并注明选用数据的来源 每项设计结束后,列出计算结果明细表 设计说明书要求字迹工整,装订成册上交,学号1-10号,单号,双号,处理量,环己醇组成,苯酚组成,45000 t/a,55000 t/a,35%,65%,72%,28%,学号11-21号,单号,双号,处理量,环己醇组成,苯酚组成,55000 t/a,45000 t/a,32%,68%,72%,28%,学号22以后,单号,双号,处理量,环己醇组成,苯酚组成,50000 t/a,45000 t/a,26%,74%,77%,23%,计算说明书目录,设计任务书 带控制点工艺流程图与工艺说明 精馏塔工艺计算 塔板结构设计 换热器

4、选型 精馏塔工艺条件图 塔板结构设计结果汇总 符号说明 结束语,常压分离环己醇苯酚连续操作筛板精馏塔设计计算示例,1. 设计任务书 按要求填入处理量和进料组成 2. 带控制点工艺流程图与工艺说明 （1）带控制点工艺流程图 （2）操作压力的选择 （3）工艺流程叙述,3. 精馏塔工艺计算,3.1 平均相对挥发度的计算,181.9,0.000,0.000,179.1,0.025,0.099,4.28,176.4,0.050,0.186,4.34,173.8,0.075,0.263,4.40,171.3,0.100,0.333,4.49,说明：平均相对挥发度为 5.62,3.2 绘制t-x-y图及x-

5、y图 在坐标纸上绘图，上大小要求t-x-y图为1010cm， x-y图为 2020cm,表1 物料衡算表,3.3 全塔物料衡算,料液平均分子量：mm = 0.3100 + 0.794 = 95.8 进料流量：f = 50000103 /800095.8 = 65.24 kmol/h f = d + w d=19.5 kmol/h fxf = dxd + wxw w=45.74 kmol/h,3.4 实际板数及进料位置的确定,1. 确定最小回流比rmin,2. 确定操作回流比r 由fenske方程计算最小理论板数nmin,利用吉利兰关联图，计算nt r如下：,0.863,14.7,0.988,1

6、1.8,1.140,10.7,1.292,9.9,1.444,9.3,绘制nt r关系图，找出最佳回流比。,说明：r取(1.0、1.2、1.4、1.6、 1.8、2.0)rmin 6 个点,图解法求得nt =5.5（不包括塔釜） 加料板位置nt = 3.0,3. 图解法求理论板数及加料板位置,4.实际板数及加料板位置的确定 全塔效率由oconnell关联式计算：,表2 塔板计算结果,包括板间距的初估，塔径的计算，塔板溢流 形式的确定，板上清液高度、堰长、堰高的初 估与计算，降液管的选型及系列参数的计算， 塔板布置和筛孔/阀孔的布置等，最后是水力 学校核和负荷性能图。,4. 塔板结构设计,4.1

7、 常用塔板的类型,（1）泡罩塔,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，塔板阻力大但生产能力不大。,塔板是气液两相接触传质的场所，为提高塔板性能，采用各种形式塔板。,组成：升气管和泡罩,圆形泡罩,条形泡罩,泡罩塔,（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d0：3 - 8 mm; 大孔径筛板d0 ：12 - 25 mm。,lw,wd,（3）浮阀塔板,圆形浮阀,条形浮阀,浮阀塔盘,方形浮阀,优点：浮阀根据气体流量，自动调节开度，提高了塔板的操作弹性、降低塔板的压降，同时具有较高塔板效率，在生产中得到广泛

8、的应用。 缺点：浮阀易脱落或损坏。,方形浮阀,f1型浮阀,（4）喷射型塔板 气流方向：垂直 小角度倾斜， 改善液沫夹带、液面落差 。,气液接触状态：喷射状态 连续相：气相；分散相：液相 促进两相传质。,形式：舌形塔板、浮舌塔板、斜孔塔板、垂直筛板等。,缺点：气泡夹带现象比较严重。,舌形塔板：,（5）斜孔塔板,（6）网孔塔板,（6）垂直筛板,（7）多降液管（md）塔板 优点：提高允许液体流量,（8）林德筛板（导向筛板） 应用：用于减压塔的低阻力、高效率塔板。 斜台：抵消液面落差的影响。 导向孔：使气、液流向一致，减小液面落差。,（9）无溢流塔板 有溢流塔板：有降液管的塔板； 无溢流塔板：无降液管

9、的塔板； 形式：无溢流栅板和无溢流筛板； 特点：生产能力大，结构简单，塔板阻力小； 但操作弹性小，塔板效率低。,设计参数如下（以塔顶第一块塔板数据为设计依据）： 液相密度 l = 950 kg / m3 汽相密度 v = pm/ rt = 2.92 kg / m3 液相表面张力 = 32 dyn /cm 汽相流量vs = (r+1) dm /3600 v=0.408 m3/s 液相流量ls = rdm / 3600 l =0.000684 m3/s,4.2 初估塔径,取板间距ht = 350 mm，板上液层厚度hl= 0.07 m， 则ht -hl= 0.28m。,塔板间距和塔径的经验关系,说

10、明：工业塔中，板间距范围200900 mm,两相流动参数flv=,则液泛气速：,对于筛板塔、浮阀、泡罩塔，可查图 ，c20=(ht 、flv),c20 ：=20 dyn/cm 时的气体负荷因子,0.2,ht=0.6,0.45,0.3,0.15,0.4,0.3,0.2,1.0,0.7,0.1,0.04,0.03,0.02,0.07,0.01,0.04,0.03,0.02,0.07,0.01,0.1,0.09,0.06,0.05,塔板泛点关联图,取操作气速u =（0.6-0.8）uf=0.75uf =0.893 m/s 则气体流通面积 an= vs / u =0.457 m2,选取单溢流塔盘，取l

11、w / d =0.7，查图得a f /at = 0.088,则塔截面积：,塔径 d = ，圆整为0.8m。,说明：计算得到的塔径需圆整，系列化标准： 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200m 等,由此重新计算： a t =0.785d2 =0.5024 m2 a f = 0.088at =0.0442 m2 a n= at - af =0.4582 m2 u = vs /an =0.89 m/s 实际泛点百分率： u /u f =0.75,注意： 1）必须用圆整后的d重新计算确定实际的气体流通截 面积、实际气速

12、及泛点率。 2）校核ht与d的范围。,d-塔径 hw-堰高 how-堰上液层高度 ht-板间距 ho-降液管底隙高度 hd-降液管内清液层高度 hl-板上液层高度 hl=hw+how,hd,溢流装置（1020cm）,4.3 塔板结构设计,4.3.1 溢流装置 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af /at 确定； 底隙高度 h0：通常在 40 60 mm。, 溢流堰（出口堰） 作用：维持塔板上一定液层，使液体均匀横向流过。 型式：平直堰、溢流辅堰、三角形齿堰及栅栏堰。,采用弓形降液管，

13、平堰及平型受液盘，l w =0.7d=0.56 m 堰上液层高度 堰高 h w =h l - h o w =0.06238 m 液管底隙高度 h o =h w -0.006=0.05638 m,要求：,本设计采用:,一般取安定区宽度 ws =（50-100）mm 一般取边缘区宽度 wc =（30-50）mm,4.3.2 塔盘布置,1. 受液区和降液区 一般两区面积相等。 2. 入口安定区和出口 安定区。,取筛孔直径d o =（38）mm，孔径比取 t/d0 = 3.0-3.5 由l w /d = 0.7，查图得 wd /d=0.15 则 wd = 0.15d=0.12 m x = d/2 -

14、(wd + ws )= 0.21 m r = d/2 - wc =0.36 m,鼓泡区面积：,开孔率 = a0 /a a = 0.907 /(t/d0)2 = 0.074 筛孔面积 a 0 = aa = 0.021 m2 筛孔气速 u 0 =vs / a 0 =19.43 m/s 筛孔数目 n = 4 a 0 / d02 =1672个 以aa为面积计算的气速 ua=vs/aa,3. 筛板塔有效传质区布置,正三角排列,4.4 塔板流体力学校核,4.4.1 塔板阻力 筛板塔板阻力,塔板阻力 hf包括 以下几部分: （a）干板阻力 hd 气体通过板上孔的阻力（无液体时）； （b）液层阻力 hl 气体

15、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。,可用清液柱高度表示：,（a）干板阻力hd,查得 孔流系数c0=0.75，则：,取板厚 = 3 mm，,（b）液层阻力 hl,查图得充气系数=0.58,于是：,说明：（1）若塔板阻力过大，可增加开孔率或 降低 堰高。 （2）对于常压和加压塔，塔板阻力一般没有 什么特别要求。 （3）对于减压塔，塔板阻力有一定的要求。,（c）克服液体表面张力阻力（一般可不计）,故塔板阻力：,4.4.2 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。指标为ev 0.

16、1。 液沫夹带分率：夹带的液体流量占横过塔板液体流量的分数。故有：,方法1：利用fair关联图，由 和实际泛点百分率0.75，查得=0.08，进而求出ev=0.0470.1。,ev的计算方法：,筛板塔液沫夹带量校核,方法2：用亨特（hunt）经验公式计算ev：,说明：超过允许值，可调整塔板间距或塔径。,式中hf 为板上泡沫层高度：,要求： ev 0.1 kg 液体 / kg气体,4.4.3 降液管溢流液泛校核 筛板塔降液管溢流液泛校核,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,主要为底隙阻力，而进口堰阻力一般为0（当无进口堰时）：,（b

17、）液体通过降液管阻力 hf,降液管中泡沫层高度：,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。,对不易起泡物系：,易起泡物系：,而 h d / = 0.34 (ht +hw) = 0.41,4.4.4 液体在降液管中停留时间校核(同时适用于两种塔盘) 目的：避免严重的气泡夹带降低板效率。,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 hd,（b）计算漏液点气速 uow,说明：如果稳定系数k过小，可减小开孔率或降低堰高。,（5）严重漏液校核 ( 针对筛板塔 ) 漏液点气速 uow：发生严重漏液时筛孔气速。 稳定系数：,要求

18、：,（c）计算稳定系数,4.5 塔板负荷性能图,在确定了塔板的工艺尺寸，又按前述各款进行了流体力学验算之后，便可确认所设计的塔板能在任务规定的气液负荷下正常操作。此时，有必要进一步揭示该塔板的操作性能，即求出维持该塔板正常操作所允许的气、液负荷波动范围。这个范围通常以塔板负荷性能图的形式表示。,操作弹性=vmax / vmin,（1）漏液线（气相负荷下限线）(筛板塔),(,第一点：l h = l s （ 0.000684）3600 = 2.46 m3/h v h = a0 u ow3600 = 491.4 m3/h 第二点：取l h = 10 m3/h，同样可以计算得到： u ow = 7.5

19、 m/s， 则v h = a0 u ow3600 = 567 m3/h,漏液量增大，导致塔板上难以维持正常操作所需的液面，无法操作。此漏液为严重漏液，称相应的孔流气速为漏液点气速。,（2）过量液沫夹带线（气相负荷上限线） （筛板塔）,(,规定：ev = 0.1（ kg 液体 / kg气体）为限制条件。,把u、hf、how和hw的计算公式代入ev计算公式，得到vh和lh的关系式，作图。,原因： 气相在液层中鼓泡，气泡破裂，将雾沫弹溅至上一层塔板； 气相运动是喷射状，将液体分散并可携带一部分液沫流动。,（3）液相负荷下限线（筛板塔）,(,对于平直堰，一般取堰上液层高度,作为液相负荷下限条件，低于此

20、限便不能保证板上液流均匀分布，降低气液接触效果。,依此式可求得液相负荷下限，据此作出液 相负荷下限线(3)。塔板的适宜操作区应在竖直 线(3)的右方。,（4）液相负荷上限线（筛板塔）,(,此线反映对于液体在降液管内停留时间的起码要求。对于尺寸已经确定的降液管，若液体流量超过某一限度，使液体在降液管中的停留时间过短，则其中气泡来不及放出就进入下层塔板，造成气相返混，降低塔板效率。,依此式可求得液相负荷上限，据此作出液 相负荷上限线(4)。塔板的适宜操作区应在竖直 线(4)的左方。,（5）液泛线（筛板塔）,(,液泛线表示降液管内泡沫层高度超过最大允许值时，破坏塔的正常操作。,由以下公式得到vh和l

21、h的关系式：,液泛现象,5. 换热器选型,5.1 换热器的初步选型,（1）塔顶冷凝器 热负荷qc = (r+1)d(ivd - ild)= (r+1)dmdrd = 4.63105 kcal/h。 取冷却水的进口温度为32，出口温度为38，则换热平均温 差tm =87.3，取换热系数k = 350 w/m2，则所需换热面积： s = 4.631051034.18 / (360035087.3) = 17.7 m2 选择型号：标准系列jb1145-73 fg18（双程）,（2）塔底再沸器 热负荷qb = (r+1)dmbrb = 2.08106 kj/h。 取导热油进口温度为260，出口温度为2

22、50， 则换热平均温差tm =57.5，取换热系数k = 500 w /m2；则所需换热面积：s = 2.08106103 / (360050057.5) = 20.0 m2 选择型号：标准系列jb1145-73 fg20（单程）,5.2 塔顶冷凝器设计,设计步骤： （1）根据工艺要求，确定换热器类型； （2）根据物料情况，确定流体流径（管程、壳程的安排）； （3）确定定性温度下冷热流体的物性数据； （4）计算热负荷、冷却水量以及传热温差； （5）根据经验，初步估计k值；,高温流体,低温流体,k值推荐/kcal/m2.h. ,有机蒸汽,水,350-650,高沸点碳氢化合物蒸汽,水,450-85

23、0,有机蒸汽与水蒸汽混合物,水,400-750,油汽蒸汽,水,350-450,水蒸汽,水,1500-2500,甲醇蒸汽,水,450-550,（6）由传热方程 q=katm 计算换热面积。考虑10%-15%的裕度，确定面积； （7）根据换热器类型和面积，选定换热器型号, 列出该换热器的参数；,换热器参数表,外壳直径d/mm,公称压力p/mpa,公称面积a/m2,管程数np,管子排列方式,管子尺寸/mm,管长l/m,管数nt/根,管心距t/mm,500,1.6,57,2,正方形,252.5,3,248,32,（8）计算管程给热系数ai,利用以下公式计算：,其中管程流动面积：,管程流体流速：,雷努数

24、：,（9）计算总传热系数k,（10）计算传热面积,温度校正系数：,根据r和p查温度校正系数,实际传热温差为,计算传热面积为,实际传热面积为,若,则所选换热器合适，否则重新选择,（11）计算管程压力降,（12）计算壳程压力降,ft 为管程结垢校正系数,对三角形排列的取1.5 对正方形排列的取1.4,换热器设计计算结果汇总,塔顶冷凝器设计计算结果汇总表,项目,数值,备注,换热器类型,固定管板式,换热器面积,57m2,管程流体,冷却水,壳程流体,塔顶汽相,外壳直径,500mm,管程流速,2.5m/s,壳程流速,12.5m/s,管程数,双程,管子长度,3.0m,管子尺寸,252.5,正方形排列,管程压降,壳程压降,3.7kpa,5.3kpa,折流板型式,弓形折流板,折流板间距,200mm,塔顶空间hd,塔顶空间hd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，一般取11.5m。,塔底空间hb,塔底空间hb具有中间贮槽的作用，塔釜料液最好能在塔底有1015分钟的储量，以保证塔釜料液不致迅速排完，一般取2.02.5m。,6.1 塔体总高,6. 精馏塔工艺条件图,人孔,一般每隔68层塔板设一人孔（供安装、检修 用），人孔处板间距650mm，人孔直径一般为 450550mm,其伸出塔体的筒体长为2002