筛板塔设计幻灯片

1、 常 州 大 学 2011年1月 第一部分：化工原理课程设计任务书第一部分：化工原理课程设计任务书一一. 设计题目：苯设计题目：苯甲苯混合液筛板甲苯混合液筛板(浮阀浮阀)精馏塔设计精馏塔设计 二二. 原始数据原始数据年处理量：年处理量：25000 30000 35000 40000 45000 5000025000 30000 35000 40000 45000 50000吨吨料液初温：料液初温：3535料液浓度：料液浓度：40% 45% 50% 55% 60%40% 45% 50% 55% 60%（苯质量分率）（苯质量分率）塔顶产品浓度：塔顶产品浓度：98.5%98.5%（苯质量分率）（苯质

2、量分率）塔底釜液含甲苯量不低于塔底釜液含甲苯量不低于 98%(98%(以质量计以质量计) )每年实际生产天数：每年实际生产天数：330330天（一年中有一个月检修）天（一年中有一个月检修）精馏塔塔顶压强：精馏塔塔顶压强：4 kpa4 kpa（表压）（表压）冷却水温度：冷却水温度：1010饱和水蒸汽压力：饱和水蒸汽压力：0.25mpa(0.25mpa(表压表压) )设备型式：筛板设备型式：筛板( (浮阀浮阀) )塔塔厂址：江苏地区厂址：江苏地区 四四. . 设计内容设计内容 1.1. 工艺设计工艺设计 4 4板式塔：板式塔： 逐级接触式，内装塔板，气逐级接触式，内装塔板，气液传质在板上液层空间内

3、进行液传质在板上液层空间内进行第二部分：第二部分： 板板 式式 塔塔板式塔溶剂气体一一. .塔板结构塔板结构l筛板塔筛板塔操作弹性小小孔筛板易堵塞缺：板效率较高小气流压降小、液面落差结构简单、造价低优：筛板l泡罩塔板：泡罩塔板：渐被淘汰板效率低、生产能力低到限制雾沫夹带严重，气速受液层厚，气流压降大结构复杂、造价高缺：定操作弹性高、板效率稳优：不易漏液和堵塞、塔板泡罩l浮阀塔板：浮阀塔板： 粘粘度度大大的的系系统统缺缺：不不宜宜处处理理易易结结焦焦或或造造价价低低板板效效率率较较高高小小气气流流压压降降小小、液液面面落落差差大大生生产产能能力力大大、操操作作弹弹性性优优：浮浮阀阀塔塔板板三种塔

4、板的比较三种塔板的比较: :l生产能力：生产能力： 筛板筛板 浮阀浮阀 泡罩泡罩l压降：压降： 泡罩泡罩 浮阀浮阀 筛板筛板l操作弹性：操作弹性： 浮阀浮阀 泡罩泡罩 筛板筛板l造价：造价： 泡罩泡罩 浮阀浮阀 筛板筛板l板效率：板效率： 浮阀、筛板相当浮阀、筛板相当 泡罩泡罩l喷射型塔板：喷射型塔板：舌形塔板舌形塔板浮舌塔板浮舌塔板 板板 式式 塔塔塔板类型塔板类型 板板效效率率并并不不是是很很高高新新，传传质质效效果果提提高高传传质质表表面面增增大大且且不不断断更更并并流流喷喷射射，液液面面落落差差小小高高，生生产产能能力力增增大大雾雾沫沫夹夹带带少少，气气速速可可较较压压降降降降低低无无

5、溢溢流流堰堰，液液层层较较薄薄，塔塔板板喷喷射射型型特适用减压蒸馏操作弹性大、压降低，、浮舌塔板板效率降低存在漏夜和吹干现象，弹性大气流截面积可调，操作、浮动喷射塔板降低气相夹带严重，板效率弹性小气流截面积固定，操作、舌型塔板cba气液接触状态气液接触状态二二. .塔板上汽液两相的流动现象塔板上汽液两相的流动现象 塔板上汽液两相的流动现象塔板上汽液两相的流动现象塔板上汽液两相的流动现象塔板上汽液两相的流动现象注意注意塔板上汽液两相的流动现象塔板上汽液两相的流动现象l通常希望在泡沫状态、喷射状态或两者的过渡状态下操作通常希望在泡沫状态、喷射状态或两者的过渡状态下操作l液汽比较大时处于泡沫状态，较

6、小时处于喷射状态液汽比较大时处于泡沫状态，较小时处于喷射状态l易挥发组分与难挥发组分的表面张力的相对大小对汽液易挥发组分与难挥发组分的表面张力的相对大小对汽液接触状态有影响接触状态有影响 易易难，难，宜在泡沫状态下操作宜在泡沫状态下操作 这时汽液两相所形成的泡沫层中的气泡稳定，泡这时汽液两相所形成的泡沫层中的气泡稳定，泡沫层较高，汽液两相接触面积大，塔板效率高沫层较高，汽液两相接触面积大，塔板效率高l筛板的筛孔孔径与开孔率较小时易形成泡沫接触状态筛板的筛孔孔径与开孔率较小时易形成泡沫接触状态l雾雾( (液液) )沫夹带：沫夹带：*分析分析：板板间间反反混混塔塔板板效效率率降降低低*产生原因产生

7、原因：气气速速过过大大板板间间距距过过小小*确定原则确定原则：()()0.1kgkg液液气气夹夹带带量量*防范措施：防范措施：适当加大板间距适当加大板间距三三、塔板上汽液两相的非理想流动现象塔板上汽液两相的非理想流动现象l 气泡夹带气泡夹带l 空间不均匀流动空间不均匀流动l 气体流速不均匀气体流速不均匀l 液体流速不均匀液体流速不均匀l液泛液泛( (淹塔淹塔) )：四四、塔板上汽液两相的不正常流动现象塔板上汽液两相的不正常流动现象*危害性危害性：*产生原因产生原因：*防范措施：防范措施：优化板结构优化板结构, ,增大板间距增大板间距, ,可提高液泛气速可提高液泛气速操作被完全破坏操作被完全破坏

8、()上上限限为为液液泛泛气气速速上上下下板板间间压压降降气气流流过过大大过过量量雾雾沫沫夹夹带带液液泛泛降降液液管管负负担担液液流流过过大大液液体体来来不不及及下下流流液液泛泛过过量量雾雾沫沫夹夹带带塔板上汽液两相的流动现象塔板上汽液两相的流动现象l 漏液漏液： 塔板上汽液两相的流动现象塔板上汽液两相的流动现象*危害性：危害性：*产生原因：产生原因：*防范措施防范措施：预留安定区预留安定区 10%()一一般般：板板效效率率下下降降严严重重：不不能能操操作作 （漏漏液液量量液液体体流流量量）此此时时为为气气速速下下限限漏漏夜夜气气速速气气流流过过小小气气布布不不均均塔板上汽液两相的流动现象塔板上

9、汽液两相的流动现象l塔板效率：塔板效率：l表示法：表示法：五五、塔板效率、塔高及塔径计算塔板效率、塔高及塔径计算0()e全塔效率总板效率100%()ttpnnn理论板数实际板数不包括蒸馏釜()me默弗里效率单板效率气相表示:液相表示：*1*11 (1)nnnmvnnnnyyxeyyyx；*1*1(1)nnnmlnnnnxxyexxxy； 塔板效率塔板效率说明说明：不同板的不同板的 通常不相等；通常不相等； me总板效率总板效率 ， 但但 。 01e 0meel影响因素影响因素：物系性质：物系性质：粘度、密度、表面张力、扩散系数等； 塔板结构：塔板结构：塔径、板间距、堰高、开孔率等； 操作条件：

10、操作条件：温度、压强、气速、气液量比等。 塔板效率塔板效率第三部分：筛板式精馏塔设计方法第三部分：筛板式精馏塔设计方法 一工艺计算一工艺计算 4 4、塔塔的的气气液液负负荷荷计计算算 (1)、精馏段气液负荷计算vrd1 lrd vvmsvmvm3600 llmslmlm3600 v塔内气体摩尔流量 kmol/h vs塔内气体体积流量 m s3 mvm、mlm分别为精馏段气相平均分子量、液相平均分子量 vmlm、分别为精馏段气相平均密度、液相平均密度 kg m3 (2)、提馏段气液负荷计算(同上)5 5、热量衡算、热量衡算 总热量衡算 qqqqqqvwlbfr式中：qqqqqqvwlbfr、分别

11、是塔顶蒸汽带出的热量、塔底产品带出的热量、塔设备的热损失、塔釜加热量、进料带入的热量、回流带入热量、 其中：塔设备的热损失qqlb 0 1 . 再沸器热负荷 qqqqqbvwrf11 . 冷凝器热负荷 qqqqcvdr qqcd、分别为塔顶冷凝器带走热量、塔顶产品带走热量5 . 0232323220)()(ln)43196. 049123. 0088307. 007291. 0(ln)3212. 139. 1079. 0474675. 0(4695. 65496. 56562. 1531. 4expvlvltvvvllhhzlzzzlzzzzzzc3 液流型式的选择液流型式的选择 4 4、溢流

12、堰、溢流堰（出口堰）的设计（出口堰）的设计(1).堰长wl: 依据溢流型式及液体负荷决定堰长,单溢流型塔板堰长lw一般取为(0.60.8)d；双溢流型塔板，两侧堰长取为(0.50.7)d，其中 d 为塔径(2).堰上液层高度how： 堰上液层高度应适宜，太小则堰上的液体均布差，太大则塔板压强增大，物沫夹带增加。对平直堰，设计时how一般应大于 0.0060.006m，若低于此值应改用齿形堰。how也不宜超过 0.060.060.070.07m，否则可改用双溢流型塔板。 平直堰的how按下式计算 hellowhw2 84100023. 式中 wl堰长, m; lh塔内液体流量，m h3 e液流收

13、缩系数，查图求取。一般可取为 1，误差不大 齿形堰 how不超过齿顶时 2517. 1wnsowlhlh how超过齿顶时2525735. 0nowownwshhhhll sl塔内液体流量,sm3 nh齿深, m;可取为 0.0150.015m(3).堰高wh 堰高与板上液层高度及堰上液层高度的关系： owlwhhh5 5、降液管的设计、降液管的设计（1） 、降液管的宽度dw与截面积fa 可根据堰长与塔径比值dlw，查图求取。 降液管的截面积应保证溢流液中夹带的气泡得以分离，液体在降液管中的停留时间一般等于或大于 3 35 5 秒，对低发泡系统可取低值，对高发泡系统及高压操作的塔，停留时间应加

14、长些。 故在求得降液管的截面积之后，应按下式验算液体在降液管内的停留时间，即 a hlfts液体在降液管中的停留时间，s af降液管截面积，m3（2）.降液管底隙高度ho 为保证良好的液封，又不致使液流阻力太大，一般取为 hhow 00060012. ., m ho也不易小于 0.020.020.025m0.025m，以免引起堵塞，产生液泛。6 6、塔板设计、塔板设计 (1).塔板布置 i. i.开孔区面积开孔区面积aa对于单流型塔板对于单流型塔板 )(sin21222rxrxrxaa 式中 xdwwds2() ,m rdwc2 ,m sin1xr以弧度表示的反三角函数对于双流型塔板ax rx

15、rxrxrxrxra222221121221sinsin式中 xwwds12(wd为双溢流中间降液管的宽度) )其它符号与单流型塔板公式同 ii 溢溢流流区区 溢溢流流区区面面积积af及及af分分别别为为降降液液管管和和受受液液盘盘所所占占面面积积. . iii 安安定定区区 开开孔孔区区与与溢溢流流区区之之间间的的不不开开孔孔区区域域为为安安定定区区，其其作作用用为为使使自自降降液液管管流流出出液液体体在在塔塔板板上上均均布布并并防防止止液液体体夹夹带带大大量量泡泡沫沫进进入入降降液液管管。其其宽宽度度ws( (ws) )指指堰堰与与它它最最近近一一排排孔孔中中心心之之间间的的距距离离，可可

16、参参考考下下列列经经验验值值选选定定： 溢流堰前的安定区 ws=7 70 01 10 00 0mm 进口堰后的安定区 ws=5 50 01 10 00 0mm 直径小于1 1m 的塔可适当减小。 iv 无无效效区区 在靠近塔壁的塔板部分需留出一圈边缘区域供支撑塔板的 边缘之用， 称无效区。 其宽度视需要选定,小塔为3 30 07 75 5mm， 大塔可达5 50 07 75 5mm。为防止液体经边缘区流过而产生短路现象，可在塔板上沿塔壁设置旁流挡板。（2） 、筛板的筛孔和开孔率 i 筛孔孔径筛孔孔径 d d0 0孔径 d0的选取与塔的操作性能要求、物系性质、塔板厚度、材质及加工费等有关。工业上

17、常用 d0=38mm，推荐 46mm。 ii 筛孔厚度筛孔厚度一般碳钢=34mm 不锈钢=22.5mmiii 孔心距孔心距 t t筛孔在筛板上一般按正三角形排列，常用孔心距 t= (2.55)d0,推荐(34)d0。t/ d0过小易形成气流相互扰动，过大则鼓泡不均匀，影响塔板传质效率。 开孔率开孔率 开孔率是指筛孔总面积 ao m2与开孔面积 aa m2之比，即 200)/(907. 0dtaaa一般,开孔率大,塔板压降低,雾沫夹带量少,但操作弹性小,漏夜量大,板效率低。通常开孔率为 5%15%。 筛孔数筛孔数 n n mmttana,:11580002孔心距孔数确定后，在塔板开孔区内布筛孔，

18、若布孔数较多可在适当位置堵孔。若塔内上下段负荷变化较大时，应根据流体力学验算情况，分段改变筛孔数以提高全塔的操作稳定性。7 7、塔板的流体力学验算、塔板的流体力学验算塔板流体力学验算目的是为了检验以上初算塔径及各项工艺尺寸的计算是否合理，塔板能否正常操作。(1) 气体通过塔板的压强降气体通过塔板的压强降:ph,m 液柱液柱 hhhhlcp ph气体通过每层塔板压降相当的液柱高度，m 液柱 hc气体通过筛板的干板压降，m 液柱 lh气体通过板上液层的阻力，m 液柱 h克服液体表面张力的阻力，m 液柱i.干板压降干板压降 hc lvccuh200)(051. 0 式中 u0筛孔气速，m/s lv、

19、分别为液、气密度，kg m3c c0 0孔流系数，孔径与塔板厚度之比).()(000338. 0)(00732. 0)(0677. 08806. 00302000ddddc ii ii.板上液层阻力lh 板上充气液层阻力受堰高、气速及溢流长度等因素的影响，一般用下面的经验公式计算：)(00owwllhhhh 式中： hl板上清液层高度，m 0反映板上液层充气程度的因数，可称为充气因数，无因次,一般 0=0.50.50.60.6。 0与气相动能因子af有关，185964.000652029.0f )(单流型塔板ftsavaaaavuuf iii.液体表面张力的阻力 mngdhl/:40表面张力气

20、体通过塔板的压降（pp=hpgl）应低于设计允许值。(2) .(2) .降液管内液体高度降液管内液体高度( (液泛液泛 or or 淹塔淹塔) ) 降液管内液体高度hd代表液体通过一层塔板时所需液位高度，可用下式表示: dpldhhhh 式中 进出口堰之间的液面梯度，m 液柱(一般很小，可以忽略) ph气体通过一块塔板的压降，m 液柱 hd液体流出降液管的压降，m 液柱hd可按下列经验公式计算： 无入口堰: hll hdsw015302. 有入口堰： hll hdsw0 202. 如果液体和气体流动所遇阻力增加，降液管中液面上升，当超过上一层塔板的堰顶后，产生液体倒流，即发生了液泛，因此，需要

21、足够的降液管高度，或控制适当阻力以防液泛的发生。实际降液管中液体和泡沫的总高度大于用上式计算的值。为了防止液泛，应保证降液管中泡沫液体总高度不超过上层塔板的出口堰。因此 hhhtwd 式中 ht板间距，m 系数。为考虑降液管内液体充气及操作安全两种因素的校正系数。对于容易起泡的物系，取 0 0. .3 30 0. .4 4；对不易起泡的物系，取0 0. .6 60 0. .7 7；对于一般物系，取0 0. .5 5。（3 3）雾雾沫沫夹夹带带 雾沫夹带是指板上液体被上升气体带入上一层塔板的现象。过多的雾沫夹带将导致塔板效率严重下降。为了保证板式塔能维持正常的操作效果，应使每千克气体夹带到上一层

22、塔板的液体量不超过 0 0. .1 1kg，即控制雾沫夹带量ev 0 0. .1 1kg(液)/kg(气)。 2 . 36)5 . 2(107 . 5ltavhhue（4）漏液点气速）漏液点气速 uow当气速逐渐减小至某值时，塔板将发生明显的漏夜现象，该气速称为漏液点气速 uow，若气速继续降低，更严重的漏夜将使筛板不能积液而破坏正常操作，故漏液点气速为筛板的下限气速。为使筛板具有足够的操作弹性，应保持稳定性系数 k:若稳定性系数偏低，可适当减小开孔率或降低堰高，前者影响较大。vllowhhcu/)13. 00056. 0(4 . 40/.,.0 . 25 . 1smuuuukowoowo漏液

23、点气速筛孔气速 塔板的负荷性能图塔板的负荷性能图 在确定了塔板的工艺尺寸，又按前述各款进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，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范围。这个范围通常以塔板负荷性能图的形式表示。表示。塔板负荷性能图塔板负荷性能图vs ,m3/sls ,m3/

24、s(1)(1)雾沫夹带线雾沫夹带线(2)(2)液泛线液泛线(3)(3)液相上限线液相上限线(4)(4)漏夜线漏夜线(5)(5)液相负液相负荷下限线荷下限线a vs,minp操作点b vs,maxo(1) .雾沫夹带线(1) 雾沫夹带线表示雾沫夹带量ev=0.1=0.1kg(液)/kg(气)时的vlss关系，塔板的适宜操作区应在此线之下，否则将因过多的雾沫夹带而使板效率严重下降。此线可根据上述流体力学验算中雾沫夹带泛点率公式作出。 (2).液泛线(2) 液泛线表示降液管内泡沫层高度达到最大允许值时的关系，塔板的适宜操作区也应在此线之下，否则将可能发生液泛现象，破坏塔的正常操作。(3).液相负荷上

25、限线(3) 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，降底塔板效率。 液 体 在 降 液 管 内 的 停 留 时 间 为 ： a hlfts不 应 小 于 3 3 5 5s， 按= 5 5s计 算 ， 则 ：5max,tfshal 依 此 式 可 求 得 液 相 负 荷 上 限 ， 据 此 作 出 液 相 负 荷 上 限 线 (3)。塔 板 的 适 宜 操 作 区 应 在 竖 直 线 (3)的 左 方 。(4).泄 漏 线(4) 由 漏 液 点 气 速 uow

26、标 绘 对 应 的 vs ls。(5).液 相 负 荷 下 限 线 （ 5） 对 于 平 直 堰 ， 一 般 取 堰 上 液 层 高 度how= 0 0. .0 00 06 6m m 作 为 液 相 负 荷下 限 条 件 ， 低 于 此 限 便 不 能 保 证 板 上 液 流 均 匀 分 布 ， 降 低 气 液 接 触效 果 。 平 直 堰how按 下 式 计 算 32min,3600100084.2wsowlleh 将 已 知 的lw及how的 下 限 值 (0 0. .0 00 06 6m m)代 入 上 表 ， 并 取e=1 1， 便 可取 得ls的 下 限 值 ， 据 此 作 出 液 相 负 荷 下 限 线。塔 板 的 适 宜 操 作 区 应在 竖 直 线 （ 5） 右 侧。在负荷性能图上，由上述线所包围的阴影区域，应是所设计的塔板用于处理指定物系时的适宜操作区。在此区域内，塔板上的流体力学状况是正