筛板式精馏塔设计

1、设计题目:筛板式精馏塔设计本次课程设计的要求准备曲线板、坐标纸、A3图纸2张、说明书纸2040页、封皮。图的要求：用A3图纸画带控制点工艺流程图；用A3图纸画塔（带管接口）结构示意图；其余工艺设计图用方格纸本次课程设计的时间安排17周周三、18周周二：上课 18周周五：面试每天安排：8：509：00准时签到课程设计任务书设计题目：苯甲苯混合液筛板精馏塔设计原始数据年处理量： 查表 吨料液初温：35料液浓度： 查表 （苯质量分率）塔顶产品浓度：98% （苯质量分率）塔底釜液浓度：2%(苯质量分率） 每年实际生产天数：330天（有一个月检修）精馏塔塔顶压强：4 kpa（表压）单板压降不大于0.7

2、kpa冷却水温度：30饱和水蒸汽压力：2.5kgf/cm2(表压)设备型式：筛板塔厂址：江苏地区设计任务 完成精馏塔工艺设计，精馏设备设计，有关附属设备的设计和选用，绘制带控制点工艺流程图，塔板结构简图，换热器结构简图，编制设计说明书。 设计内容工艺设计 （1）选择工艺流程和工艺条件 a加料方式 b. 加料状态 c. 塔顶蒸汽冷凝方式 d. 塔釜加热方式 e. 塔顶塔底产品出料状态 塔顶产品由塔顶产品冷却器冷却至常温。（2）精馏工艺计算： a. 物料衡算确定各物料流量和组成。 b.经济核算确定适宜的回流比 c. 精馏塔实际塔板数 用近似后的适宜回流比通过逐板计算得到全塔理论

3、塔板数以及精馏段和提馏段各自的理论塔板数；然后根据全塔效率ET，求得全塔、精馏段、提馏段的实际塔板数，确定加料板位置。精馏塔设备设计 (1)选择塔型和板型：筛板塔 (2)塔板结构设计和流体力学计算 (3)画出精馏段或提馏段某块塔板负荷性能图 (4)有关具体机械结构和塔体附件的选定 *接管规格：根据流量和流体的性质，选取经验流速，选择标准管道； *全塔高度：包括上、下封头，裙座高度 附属设备设计和选用 (1)加料泵选型，加料管规格选型 加料泵以3小时/天计（每班打1小时）大致估计一下加料管路上的管件和阀门二周的同学加料泵要进行详细设计（考虑阀门、直管、流量计等的阻力）(2)高位槽、贮槽容量和位置

4、 高位槽以一次加满再加一定裕量来确定其容积。 贮槽容积按加满一次可生产10天计算确定。(3)换热器选型 对原料预热器，塔底再沸器，塔顶产品冷却器等进行选型。(4)塔顶冷凝器设计选型 根据换热量，回流管内流速，冷凝器高度，对塔顶冷凝器进行选型设计。 编写设计说明书 设计说明书应根据设计指导思想阐明设计特点，列出设计主要技术数据，对有关工艺流程和设备选型作出技术上和经济上的论证和评价。应按设计程序列出计算公式和计算结果；对所选用的物性数据和使用的经验公式图表应注明来历。设计说明书应附有带控制点工艺流程图，塔板结构简图和计算机程序框图和原程序。注意事项: 写出详细计算步骤,并注明选用数据的来源; 每

5、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。筛板式精馏塔设计方法(设计说明书的写法)基础数据： 苯甲苯 、Antoine常数：（或教材P355） 苯 甲苯 A 6.031 6.080 B 1211 1345 C 220.8 219.5 方程中：t °C P°kPa 2、常压沸点°C： 80.1 110.6 5、汽化热kJ/kg 80°C 394.1 379.990°C 386.9 373.8100°C 379.3 367.6110°C 371.5 361.2120°C 363.2 35

6、4.63、分子量： 78.1 92.1 4、密度：Kg/m3 80°C 815.0 810 90°C 803.9 800.2 100°C 792.5 790.3 110°C 780.3 780.3120°C 768.9 770.07、 粘度（mPa·s）80°C 0.308 0.31190°C 0.279 0.286100°C 0.255 0.264110°C 0.233 0.254120°C 0.215 0.2286、热容kJ/(kg·K)A 1.3868 2.0671B

7、-0.000416 -0.008148C 5.428E-6 3.226E-5D 0 3.0126E-98、表面张力：mN/m 80°C 21.27 21.69 90°C 20.06 20.59 100°C 18.85 19.94 110°C 17.66 18.41120°C 16.49 17.31设计说明书的写法及装订顺序目录：为使人一目了然，了解整个设计内容。设计任务书说明书1. 设计任务 年处理量：？吨苯甲苯混合液筛板精馏塔料液浓度： ？% （苯质量分率） 塔顶产品浓度：98% （苯质量分率） 塔底釜液浓度：2%(苯质量分率） 二、基础数据

8、（自查或给）三、前言：（相当于可行性报告） 可介绍本次设计的基本内容,设计的构思过程（二元双相混合物用什么方法分，该体系能不能分开；用什么设备，什么压力等）；精馏的基本特点；本设计的特点，如产品从塔顶还是从塔底出，以什么部位的物性参数为依据设计等。最后总结：进料状态q=1常压塔操作 四.带控制点流程图（参考设计书P14）F=D+W FxF=DxD+WxW五.工艺计算1.全塔物料衡算式中:F、D、W分别为进料、塔顶产品、塔底馏出液的摩尔流量(kmol/h), xF、xD、xW分别为进料、塔顶产品、塔底馏出液组成的摩尔分率 （参考设计书P146，3.5.22）以上结果可列表1表1 物料衡算总结表2

9、、 塔板数的确定（1） 相平衡关系 表2：教材P268画图：(15cm× 15cm座标纸)图1：tx(y）图2 ：xy查出塔顶产品浓度所对应温度t顶，塔釜产品浓度所对应温度t釜，并求出塔顶塔釜平均温度t平均。（2） 回流比的确定 确定最小回流比（泡点进料q=1） 确定操作回流比 一般R取1.22Rmin(3) 理论板数图解法(图4)求得理论板数,及理论加料位置（画图并用文字说明）（4） 实际板数及板效率查教材P212图5-38. 为平均相对挥发度。Li先查塔顶塔釜平均温度下对应的苯（组成为xF）的粘度（用粘度共线图,见教材P324）。再查塔顶塔釜平均温度下对应的甲苯（组成为1-xF）

10、的粘度。以上结果可列表4。表4：塔板数求取小结3. 精馏段操作工艺条件及相关物性数据的计算取塔顶第一块塔板的参数为塔板设计条件（1） 平均密度 *气相平均密度*液相平均密度先用内插法求得塔顶温度下两种组分的密度，然后： （2)精馏段气液负荷（3） 平均表面张力先用内插法求得塔顶温度下两种组分的表面张力，然后：以上精馏段各项结果可列表5。6. 筛板塔结构计算包括板间距的初估，塔径的计算，塔板液流形式的确定，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，塔板布置和筛板的筛孔和开孔率，最后是水力校核和负荷性能图。1. 塔径D(1)初选板间距板间距的大小与液泛和雾沫夹带有密切的关

11、系。板距取大些，塔可允许气流以较高的速度通过，对完成一定生产任务，塔径可较小；反之，所需塔径就要增大些。板间距取得大，还对塔板效率、操作弹性及安装检修有利。但板间距增大以后，会增加塔身总高度，增加金属耗量，增加塔基、支座等的负荷，从而又会增加全塔的造价。初选板间距时可参考下表所列的推荐值。 板间距与塔径关系参考以上关系初选板间距400mm,板上液层高度则:(2) 按Smith法求取允许的空塔气速即泛点气速（3）操作气速（4） 塔径将D圆整（见设计书P104),并求出此时的气速及泛点 ，若超出 范围，则要放大塔径。2. 塔板工艺结构尺寸的设计与计算D:塔径hw:堰高how:堰上液层高度HT:板间

12、距ho:降液管底隙高度Hd:降液管内液面高度（1）溢流装置采用单溢流型的平顶弓形溢流堰、弓形降液管、平形受液盘，且不设进口内堰。*溢流堰长（出口堰长）依据溢流型式及液体负荷决定堰长,单溢流型塔板堰长一般取为(0.60.8)D堰上溢流强度 lw:堰长Wd:堰宽Ws:安定区宽度Wc:无效区宽度筛板: 孔径d0、 孔间距t,t 时满足要求。*出口堰高 一般应大于0.006m （2） 降液管降液管的宽度 与截面积可根据堰长与塔径比值 ，查图求取，图见设计书P108图3-10。然后求出Wd，Af，AT。液体在降液管内的停留时间： 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

13、般等于或大于35秒，对低发泡系统可取低值，对高发泡系统及高压操作的塔，停留时间应加长些。 *降液管底隙高度为保证良好的液封，又不致使液流阻力太大，一般取为 小塔（塔径1m以下）0.0250.03m，大塔取0.04m以上，以免引起堵塞，产生液泛。（3） 塔板布置*塔板分块当D800mm时，常采用分块式塔板。分块方法见设计书P116图3-19及表3-7 *安定区宽度开孔区与溢流区之间的不开孔区域为安定区，其作用为使自降液管流出液体在塔板上均布并防止液体夹带大量泡沫进入降液管。其宽度 指堰与它最近一排孔中心之间的距离。 *边缘区宽度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

14、。其宽度视需要选定,小塔为3050mm，大塔可达5075mm。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。这里可取50mm。 *开孔区面积*开孔数n与开孔率取筛孔的孔径 ，正三角形排列，筛板采用碳钢，其厚度且取 故孔心距每层塔板的开孔数： 每层塔板的开孔率： 每层塔板的开孔面积：注： 应在515% 气体通过筛孔的气速：（4）精馏段的塔高Z17、 塔板上流体力学校核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。验算内容包括：塔板压力降、液面落差、液沫夹带、漏液及液泛等。（参考设计书P151）（1） 气体通过筛板压降hp0和Pp*气

15、体通过干板的压降hc或者C0也可以查图。（设计书P112图3-14）*气体通过板上液层阻力hl式中充气系数的求取如下：再查设计书P112，图3-15气体通过筛板压降（单板压降）hp和Pp气体克服液体表面张力产生的压强降h（2） 雾沫夹带量ev的验算（3） 漏液的验算（4） 液泛的验算为防止降液管发生液泛，应使降液管中的清液层高度 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。对于一般物系，取0.5。（4） 液体在降液管内的停留时间：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35秒，对低发泡系统可取低值，对高发泡系统及高压操作的塔，停留时间应加长

16、些。 注： 若不满足要求应调整降液管尺寸或板间距。八、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。参考设计书P153。（1）漏液线（气相负荷下限线） 注： 书上公式错。在操作范围内，任取几个LS值，依上式算出对应的VS,min值列于下表6：依据表中数据作出漏液线（1）ev=0.1kg(液)/kg(气)（2） 雾沫夹带线雾沫夹带线表示雾沫夹带量时的VS-LS关系，塔板的适宜操作区应

17、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。 在操作范围内，任取几个LS值，依上式算出对应的VS值列于下表7：（3） 液相负荷下限线对于平直堰，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上限，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

18、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。 在操作范围内，任取几个LS值，依上式算出对应的VS值列于下表8：依据表中数据作出液泛线（5）由上述结果可以作图5。（10cm× 10cm）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常的。 求出操作液气比 看是否在操作区域内。（6） 塔的操作弹性操作线与界限曲线交点的气相最大负荷与气相允许最小负荷之比，即：

19、板工艺设计结果一览表（表9）见设计书P155。九、塔体总高*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排完。若塔的进料设有缓冲时间的容量，塔底容量可取为35分钟的储量。*人孔一般每隔68层塔板设一人孔（安装、检修用），人孔处板间距600mm，人孔直径一般为450550mm,其伸出塔体的筒体长为200250mm,人孔中心距操作平台约8001200mm。 *塔高进料板可取2块，进料板处间距取1000mm 。以上结果列表10H=(n-n

20、F-np-1)HT+nFHF+nPHp+HD+HBn实际塔板数； nF进料板数HF进料板处板间距，mnP人孔数Hp人孔处的板间距，mHD塔顶空间，m（不包括头盖部分）HB塔底空间，m（不包括底盖部分）十、精馏塔配管的计算及泵的造型1、精馏塔配管的计算（1）塔顶蒸汽出口管径dp 依据流速uv选取，但塔顶蒸汽出口流速 与塔内操作压力有关，常压可取1220m/s。（2）回流液管径dR 当塔顶冷凝器械安装在塔顶平台时，回流液靠重力自流入塔内回流量前已算出，回流液的流速范围为0.20.5m/s；若用泵输送回流液，流速uR可取12.5 m/s。（3）加料管径dF 料液由泵送时流速uF可取1.52.5m/s

21、。（4）料液排出管径dw塔釜液出塔的流速uw可取0.51.0m/s。5） 再沸器返塔蒸汽管径流速uv选取可取15m/s。以上计算的管径，均应圆整到相应规格的管径（查华化教材上册P291钢管规格取管）以上结果列表112、 辅助设备（1） 泵根据流量，扬程选泵。参考华化版教材上册P293本设计中有两处利用泵将流体输送到指定反应器中：一是原料液由预热器出，经泵进入精馏塔中；二是塔顶回流液经泵回到塔中继续分离。选择进料泵进行计算。按进料流量 放大一倍，液体输送高度加10米选泵。（2） 冷凝器(参考设计书P144)热负荷：（r按顶温纯轻组分算）冷却水用量qm： 取冷却水的进口为30，出口温度差510，水的比热为4.18kJ/kg 平均温度