筛板精馏塔设计方案

1 筛板精馏塔 设计 方案 1 绪论 题研究意义、研究现状及拟采用的技术路线 题研究意义、研究现状 在化工或炼油厂中，塔设备的性能对于整个装置的产品产量 ， 质量 ， 生产能力和消耗定额，以及三废处理和环境保护等各个方面都有重大的影响 。 据有关资料报道，塔设备的投资费用占整个工艺设备投资费用的较大比例 。 因此，塔设备的设计和研究，受到化工 、 炼油等行业的极大重视 6。 塔设备是化工、石油等工业中广泛使用的重要生产设备。 它可使气（或汽）液或液液两相之间进行紧密接触，达到相际传质及传热的目的 。 常见的、可在塔设备中 完成的单元操作有：精馏、吸收、解吸和萃取等 2。此外，工业气体的冷却与回收，气体的湿法净制和干燥，以及兼有气液两相传质和传热的增湿、减湿等 。 化工生产中所处理的原料，中间产物，粗产品几乎都是由若干组分组成的混合物，而且其中大部分都是均相物质。生产中为了满足储存，运输，加工和使用的需求，时常需要将这些混合物分离为较纯净或几乎纯态的物质。 塔设备的基本功能就是提供气、液两相以充分接触的机会，使传热、传质两种传递过程能够迅速有效的进行；还能使接触之后的气、液两相及时分开，互不夹带。 筛板塔是最早应用于工业生产的设备 之一，五十年代之后，通过大量的工业实践逐步改进了设计方法和结构。近年来与浮阀塔一起成为化工生产中主要的传质设备。 筛板塔 普遍用作 塔 ， 应用于 蒸馏 、 吸收和 除尘 等。 筛板精馏塔属于板式塔，筛板精 馏塔具有结构简单，造价低，板上液面落差小，气体压降小，生产能力大，气体分散均匀，传质效率高的优点，是化工生产中常见的单元操作设备之一。 筛板塔始于 1830 年，是结构最简单的一种板型。由于其操作弹性小，当气量过小或过大时，易发生严重漏液或过量液沫夹带现象；而且易堵塞，不宜处理粘度大、易结焦的物料，一度时间曾影响到它的应用推广。 20世纪 50年代后，随着林德塔板、导向塔板的应用推广，筛板塔又重新启用并日趋广泛。导向筛板是 60年代由美国联合碳化物公司林德子公司开发应用的，国内有北京化工大学进行系统研究，他们认为导向 筛板从导向喷出的水平气速均匀稳定的推动板上液 2 流前进，大大增加了塔的抗污性和抗堵能力，克服了液面梯度和非活化区，提高了传质效率和生产能力。在酒精工业，导向筛板使固含率达 10的粘稠成熟醪在塔板上均匀稳定流动，解决了长期存在的赌塔和液泛问题，并增产约筛板塔始于 1830年，是结构最简单的一种板型。由于其操作弹性小，当气量过小或过大时，易发生严重漏液或过量液沫夹带现象；而且易堵塞，不宜处理粘度大、易结焦的物料，一度时间曾影响到它的应用推广。 20 世纪 50年代后，随着林德塔板、导向塔板的应用推广，筛板塔又重新启用并日趋 广泛。导向筛板是 60年代由美国联合碳化物公司林德子公司开发应用的，国内有北京化工大学进行系统研究，他们认为导向筛板从导向喷出的水平气速均匀稳定的推动板上液流前进，大大增加了塔的抗污性和抗堵能力，克服了液面梯度和非活化区，提高了传质效率和生产能力。在酒精工业，导向筛板使固含率达 10的粘稠成熟醪在塔板上均匀稳定流动，解决了长期存在的赌塔和液泛问题，并增产约 50；在邻、对硝基氯苯精馏过程中，导向筛板解决了要求理论塔板数多、压降低的难题。这种塔板还具有结构简单，维修方便，造价低廉的特点，该类塔板经过深入研究和大 力推广，目前已广泛应用于石油、化工、轻工、香料的领域。 近年来 ， 国际上涌现出来了一些新型板式塔，如 新型垂直筛板塔（ 是世界上第三代（最新一代）板式塔技术之一，它是喷射型板式塔，与后者相比具有传质效率高、处理能力大、阻力小、操作弹性好等优异性能 6。 此外，具有优良特性的新型筛板还有 士 此就不一一阐述了。 在塔设备的技术改造中，国内多种性能优良的新型板式塔已经得到成功的应用，随着科学技术的进步，需要更多、更好的板式 塔来进行生产，这就要求板式塔向着低耗损，低成本，高效率和环保的方向发展。塔板效率是实际传质过程进行的反映 ， 是衡量塔板性能和塔板设计的主要依据 ， 由于其影响因素多而且复杂 ,准确预测有一定的难度 ， 目前解决的办法是采用经验方法或建立在较简单的传质模型 (例如双膜理论 )基础上的半经验计算方法 。为了衡量塔板的传质性能，研究人员提出了塔板点效率的概念，并对塔板的点效率进行了深入研究。板式塔作为重要的传质设备之一， 在各种分离工艺过程中广泛应用 ， 开发新型传质效率高、压降小、通量大的板式塔，塔内件始终是板式塔技术的发展方向 6。 馏塔设计的拟采用的技术路线 设计是典型的塔设备设计，其主要任务是参数选择和结构设计、计算及强度校核等 。 拟采用以下设计步骤： 一、筛板精馏塔工艺设计计算部分 3 二、筛板精馏塔结构设计计算部分 定塔高； 兰的设计 三、绘制精馏塔装备图，塔板结构图 4 2 工艺设计 计方案的确定及工艺流程的说明 原料液经卧式列管式预热器预热至泡点后送入连续板式精馏塔（筛板塔），塔顶上升蒸汽流采用循环式列管全凝器冷凝后一部分作为回流液，其余作为产品经冷却后送至苯液贮罐；塔釜采用热虹吸立式再沸器提供汽相流，塔釜产品经卧式列管式冷却器冷却后送入氯苯贮罐。 塔的物料衡算 液及塔顶底产品含苯的摩尔分率 苯的相对分子质量为 苯的相对分子量为 kg/料组分： = 液组分： = 残液组分： 平均摩尔质量 k g/ k m 5 . 2 4 9 110 . 4 9 k g/ k m k g / k m o 塔物料衡算 依题给条件：年处理量 10 万吨，一年以 330 天，一天以 24 小时计，有： 2433010100000 3 = 12626.3 F = k g / k m o l g / h = 全塔物料衡算： 5 易挥发组分： 联立方程组： （ 2 D （ 2 解方程组 （ 2（ 2得： D = W = 板数的确定 论塔板数的确定 苯 以采用图解法来求得理论塔板数。 （ 1） 绘制苯 查阅文献 3，得苯甲苯的汽液相组分。绘制图形如下： 图 2 （ 2）确定操作的回流比 R 在 上，因 q=1,查得： 712.0 Fq 6 故有： i n xy 考虑到精馏段操作线离平衡线较近，故取实际操作的回流比为最小回流比的2 倍： m （ 3）求精馏塔的气、液相负荷 1( () = 1 = = （ 4）求理论塔板数 精馏段操作线方程： 2 8 xR y D 提馏段操作线方程为过点 ( (点的直线。 图 2论塔板图 图解 得理论塔板数为 13 块（包括再沸器），理论进料板为第七块板。 7 际塔板数的计算 ( 1 )塔效率的计算 当 ， 1x 当 t， y。 塔的平均温度为： WD 查阅 文献 2，在塔的平均温度下，苯和甲苯的黏度为： A ，B 。所以进料液的平均黏度为： 塔顶相对挥发度： 1 塔底相对挥发度： 8 8 精馏塔的平均相对挥发度为： 用奥康奈尔关联公式计算全塔效率，对于筛板塔， k=以： mT ( 2 )实际塔板数 精馏段： 6/=整为 13 块；提馏段： 6/=整为 13块。加料板在第十四块板，全塔实际总共有 26 块板。 的精馏段操作工艺条件及相关物性数据的计算 作压力 取每层塔板压降为 算。 塔顶压力： k P 1 加料板压力： k P 5 塔釜压力： k P 5 k P 05 提馏段平均压强： k P 14 作温度 由苯甲苯的 ，查得塔顶温度为 进料板为 塔釜为 所以： 精馏段平均温度为： 提馏段平均温度为： 均摩尔质量 塔顶： x （查相平衡图） k g / k m o k g / k m o 加料板： y ， x （查相平衡图） k g / k m o k g / k m o 塔釜： y ， x （查相平衡图） k g / k m o k g / k m o 6 6 精馏 段： k g / k m o k g / k m o 提馏段： k g / k m o k g / k m o 均密度 (1)液相平均密度 由文献 3 查得： 9 当 ， 3, kg/ 3, kg/ ， 3, kg/ 3, kg/ t时， 3, kg/ 3, kg/料板液相质量分率： 釜液相质量分率： 0 1 3 6 6 6 顶液相平均密度： 3,kg/ 加板液相平均密度： 3,kg/ 塔釜液相平均密度 ： 3,kg/ 精馏段液相平均密度： 3, k g / 72/ 馏段液相平均密度： 3, k g / 01 2)气相平均密度 精馏段： 3, k g / m 馏段： 3, kg/ m R 液体的平均表面张力 由文献 3 查得： 当 ， ， mN/ t时， mN/ mN/10 塔顶： m N / 进料板： m N / 塔釜： m N / 精馏段： m N / m提馏段： m N / m体的平均粘度 查文献 2，得： 当 ， ， t时， 顶液体平均黏度： , 加料板液体平均黏度： , 塔釜液体平均黏度： , 精馏段液体平均黏度： 馏段液体平均黏度： 体和塔板主要工艺结构尺寸的计算 径的计算 (1)精馏段的塔径 精馏段的汽液相体积流量为： /, 11 /, 初选塔板间距 H 及板上液层高度 h ，则： LT 按 求取允许的空塔气速： 查 用关联图得： 所以： m / 80 7 2 a x 取安全系数为 空塔气速： a x 精馏段的塔径： s 圆整取 ，塔截面积 22 54 t ，此时的操作气速m/ m a ，安全系数为： 62.0 ，在 塔径合适。 (2)提馏段的塔径 提馏段的汽液相体积流量为： /, /, 初选塔板间距 H 及板上液层高度 h ，则： LT 按 求取允许的空塔气速： 查 用关联图得： C 12 负荷因子： 所以： m / 20 6 9 a x 取安全系数为 空塔气速： a x 精馏段的塔径： s 圆整取 ，塔截面积 22 54 t ，此时的操作气速m/ m a ，安全系数为： 66.0 ，在 径合适。 板工艺结构尺寸的设计与计算 (1)精馏段的塔板 溢流装置： 由于塔径中等，根据流量，可以采用单溢流型的平顶弓形溢流堰、弓形降液管、凹形受液盘，且不设进口内堰。 （ a）溢流堰长（出口堰长） 取 b）出口堰高对平直堰 3/2/0 0 2 8 由 6 0 00 0 5 0 文献 2 图 11 ，于是： 6 0 00 0 5 0 2 8 满足要求） 取 5 ，假设 13mm， wo 取 5 （ c）降液管的宽度3 由 文献 2 得 ： 22 ， 2229.0 液体在降液管内的停留时间 5 0 （满足要求） 塔板布置： 由于 00 ，所以采用分块式塔板，查文献 2 可知塔板分为 5 块。 （ a）边缘区宽度080 （ b）i i 开孔数 n 和开孔率 ： 取筛孔的孔径 三角形排列，筛板采用碳钢，其厚度 ，且取 孔心距 t 。 每层塔板的开孔数 ） 每层塔板的开孔率 1 0 9 0 2 应在 515%，故满足要求） 每层塔板的开孔面积 A 气体通过筛孔的孔速 m / 8 2 )提馏段的塔板 14 溢流装置： 由于塔径中等，根据流量，可以采用单溢流型的平顶弓形溢流堰、弓形降液管、凹形受液盘，且不设进口内堰。 （ a）溢流堰长（出口堰长） 取 b）出口堰高度对平直堰 3/2/0 0 2 8 由 6 0 00 1 文献 2 图 11 ，于是： 6 0 2 8 满足要求） 取 5 ，假设 13mm， wo 取 5 （ c）降液管的宽度文献 2 得 ： 22 ， 2229.0 液体在降液管内的停留时间 （满足要求） 塔板布置： 由于 00 ，所以采用分块式塔板，查文献 2 可知塔板分为 5 块。 （ a）边缘区宽度080 （ b）开孔区面积5 i i 开孔数 n 和开孔率 ： 取筛孔的孔径 三角形排列，筛板采用碳钢，其厚度 ，且取 孔心距 t 。 每层塔板的开孔数 ）， 每层塔板的开孔率 1 0 9 0 2 应在 515%，故满足要求）， 每层塔板的开孔面积 A ， 气体通过筛孔的孔速 m / 0 板的流体力学验算 馏段筛板的流体力学验算 (1)气体通过筛板压降的验算 （ a） 式中孔流系数文献 3 得出， 767.0 （ b） 查阅文献 3 图 12： c）气体通过筛板的压降（单板压降） 4 4 16 0 . 7 k P 3 4 （满足工艺要求）。 (2)雾沫夹带量的验算 气体通过有效流通截面积的气速单流型塔板有： m / A 足要求）液气液 / 式中： ，验算结果表明不会产生过量的雾沫夹带。 (3)漏液的验算 气体克服液体表面张力产生的压降 漏液点的气速 m / 80 0 2 0 5 5 筛板的稳定性系数 会产生过量液漏） (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 3 8 0 5 0 h 3 8 4 一般物系 液柱液柱 故不会产生液泛。 通过流体力学验算，可认为精馏段塔径及塔板各工艺结构尺寸合适。 17 馏段筛板的流体力学验算 (1)气体通过筛板压降的验算 （ a） 式中孔流系数文献 3 得出， 767.0 （ b） 查阅文献 3 图 12： c）气体通过筛板的压降（单板压降） 7 7 0 . 7 k P 8 80 7 7 2 （满足工艺要求）。 (2)雾沫夹带量的验算 气体通过有效流通截面积的气速单流型塔板有： m/ A 足要求）液气液 / k k 6 式中： ，验算结果表明不会产生过量的雾沫夹带。 (3)漏液的验算 气体克服液体表面张力产生的压降 漏液点的气速 m / 1 9 筛板的稳定性系数 会产生过量液漏） 18 (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 h 5 7 一般物系 液柱液柱 故不会产生液泛。 通过流体力学验算，可认为精馏段塔径及塔板各工艺结构尺寸合适。 板负荷性能图 馏段的塔板负荷性能图 (1)雾沫夹带线 2 式中： 3/23/23/将已知数据代入式（ 2 7 36 （ 2 在操作范围内，任取几个式（ 2出对应 的 19 表 233据表中数据作出雾沫夹带线。 (2)液泛线 3/23/23/ 2 8 2 8 3/23/ h h 23/23/ 23/22 1 5 5 0 （ 2 在操作范围内，任取几个式（ 2出对应的 表 233据表中数据作出液泛线。 (3)液相负荷上限线 / 8 2 m a x, 20 (4)漏液线（气相负荷下限线） 3/25 8 5.0 漏液点气速： u 整 理得： , V （ 2 在操作范围内，任取几个式（ 2出对应的 233据表中数据作出漏液线。 (5)液相负荷下限线 取平堰堰上液层高度 006.0 。 3/2m i n, , 精馏段塔板负荷性能图如下： 图 2馏段塔板负荷性能图 操作弹性定义为操作线与界限曲线交点的气相最大负荷： 21 操作弹性 = in,m a x, 馏段的塔板负荷性能图 (1)雾沫夹带线 2 式中： 3/23/23/ 7 0 2 8 0 00 0 2 8 将已知数据代入式（ 2 7 36 （ 2 在操作范围内，任取几个式（ 2出对应的 表 233据表中数据作出雾沫夹带线。 (2)液泛线 3/23/23/ 2 8 2 8 22 3/23/ h h 23/23/ 23/22 6 4 （ 2 在操作范围内，任取几个式（ 2出对应的 表 233据表中数据作出液泛线。 (3)液相负荷上限线 / 8 2 m a x, (4)漏液线（气相 负荷下限线） 3/25 9 5.0 漏液点气速 u 整理得： , V （ 2 在操作范围内，任取几个式（ 2出对应的 23 表 233据表中数据作出漏液线。 (5)液相负荷下限线 取平堰堰上液层高度 006.0 。 3/2m i n, , 提馏段塔板负荷性能图如下： 图 2馏段塔板负荷性能图 操作弹性定义为操作线与界限曲线交点的气相最大负荷： 操作弹性 = in,m a x, 24 3 塔盘结构设计 盘的选型 由于塔径 D = 1800 塔盘选用分块式塔盘（五块）其结构示意图如图3盘板选用自身梁式。 图 3盘结构示意图 2和 4为标准塔盘宽度为 415 3为通道板其宽度为 420 1、 5为弓形切角塔板。 液管及受液盘 液管 本设计选用可拆分、倾斜式、弓形降液管，倾斜的角度为 10 其结构示意图如图 3 受液盘 当液体通过降液管与受液盘的压力降大于 ，应采用凹型受液盘。凹型受液盘对液流流向有缓冲作用，可降低塔盘人口处的液峰，使 得液流平稳，有利于塔盘人口区更好地鼓泡。 本设计选用可拆分、凹型受液盘，其结构示意图如图 325 图 3流装置结构示意图 流装置计算 因塔径 D = 1800 用单溢流弓形降液管，采用凹型受液盘。 板布置