筛板塔【毕业论文】

黄石理工学院 课程设计 目录 1 设计条件 . 3 二 设计方案简介 . 4 三 工艺流程 . 6 四 筛板塔工艺设计 . 7 料衡算 . 7 料衡算 . 7 醇和水的有关物理性计算 . 7 量衡算 . 11 板数 . 12 流比 . 12 论塔板数 . 12 际塔板数 . 13 径计算 . 14 . 14 径及塔高的计算 . 15 . 16 流装置 . 17 流 堰 . 17 液管的宽度与降液管的面积 . 17 盘设计 . 18 体力学计算 . 18 正气速数值及液泛分率数值 . 18 沫夹带分率 . 19 . 19 面落差 . 19 液点 . 19 荷性能图 . 20 液线 . 20 体流率下限线 . 20 体流率上限线 . 21 泛线 . 21 沫夹带上限线 . 21 5 筛板塔设计计算结果 . 22 6 精馏塔接管尺寸的计算 . 23 黄石理工学院 课程设计 2 顶蒸汽管 . 23 流管 . 23 7 主要符号说明 . 24 8 参考文献 . 25 黄石理工学院 课程设计 3 1 设计条件 艺条件与数据 原料液量 1500t/a，含 乙醇 30%（质量分数，下同） ，水 70%；馏出液含 乙醇93%，残液含 乙醇 1%，回收率 99%；泡点进料； 加料方式：贮槽 加料泵 高位槽 精馏塔 。 乙醇 y=x/1+(-1)x 其中： = x=x+ x 作条件 常压操作；回流液温度为塔顶蒸汽的露点 ， 回流比自选 ；间接蒸汽加热，加热蒸汽压力为 5绝对压力）；冷却水进口温度 30 ，出口温度为 45 ；设备热损 失为加热蒸汽供热量的 5%。 3. 设计内容 物料衡算、热量衡算； 塔板数、塔径计算； 溢流装置、塔盘设计； 流体力学计算、负荷性能图。 黄石理工学院 课程设计 4 2 设计方案简介 精馏所进行的是气 (汽 )、液两相之间的传质，而作为气 (汽 )、液两相传质所用的塔设备，首先必须要能使气 (汽 )、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。但是，为了满足工业生产和需要，塔 设备还得具备下列各种基本要求： (1) 气 (汽 )、 液处理量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液泛等破坏操作的现象。 (2) 操作稳定，弹性大，即当塔设备的气 (汽 )、液负荷有较大范围的变动时，仍能在较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。 (3) 流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗，从而降低操作费用。对于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要的真空度，最终破坏物系的操作。 (4) 结构 简单，材料耗用量小，制造和安装容易。 (5) 耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。 (6) 塔内的滞留量要小。 板式塔为逐级接触型气液传质设备，其种类繁多，根据塔板上气液接触元件的不同，可分为泡罩塔、浮阀塔、筛板塔、穿流多孔板塔、舌形塔、浮动舌形塔和浮动喷射塔等多种。 筛板塔的出现，仅迟于泡罩塔 20 年左右，因长期被认为操作不易稳定，在20 世纪 50 年代以前，它的使用远不如泡罩塔普遍。其后因积极寻找一种简单而廉价的塔型，对其性能的研究不断深入，已能做出有足够操作弹性的设计，使得筛板塔成为 应用最广的一种类型。 筛板与泡罩板的差别在于取消了泡罩与升气管，而直接在板上开有很多小直径的黄石理工学院 课程设计 5 孔 筛孔。操作时气体通过小孔上升，液体则通过降液管流到下一层板。分散成泡的气体使板上液层成为强烈湍动的泡沫层。 筛板多用不锈钢板或合金钢板制成，使用碳钢的比较少。孔的直径约38 45较常用，板的厚度约为孔径的 。此外，又有一种大孔筛板，孔径在 10上，用于有悬浮颗粒与脏污的场合。 筛板塔也是传质过程常用的塔设备，它的主要优点有： (1) 结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为 泡罩塔的 60，为浮阀塔的80 左右。 (2) 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加 10 15。 (3) 塔板效率高，比泡罩塔高 15左右。 (4) 压降较低，每板压力比泡罩塔约低 30左右。 筛板塔的缺点是： (1) 塔板安装的水平度要求较高，否则气液接触不匀。 (2) 操作弹性较小 (约 2 3)。 (3) 小孔筛板容易堵塞。 黄石理工学院 课程设计 6 3 工艺流程 原料槽进料泵精馏塔产品 回流泵 产品槽产品冷却器回流槽冷却器水蒸汽再沸器水水图 3元连续精馏工艺流程图 原料乙醇的混合物通过泵进入精馏塔，同时水蒸气通过再沸器进入蒸馏塔中部。整个塔由若干塔板层按一定间距叠置而成，由塔板提供乙醇，水蒸气接触的场所，一层塔板就是一个接触级。为了向每一层塔板提供两相接触所必须的气流和液流，在塔顶设置冷凝器，将上升蒸气冷凝，并使部分冷凝液回流入塔内，已形成沿塔下降的液流；在塔顶设置再沸器，将下流液体经再沸器加热，使之部分气化返回塔内，以形成上升的气流。所需要的乙醇从塔下部收集。从塔顶冒出的含有少量乙醇的水蒸汽通过冷凝，回流等操作，残留乙醇得到收集。 黄石理工学院 课程设计 7 4 筛板塔工艺 设计 料衡算 料衡算 由物料衡算可知 F=D+W +知 原料液量 1500F t/a=质量分数 摩尔分数 = 乙醇和水的有关物理性计算 (1) 温度 利用表 据用内插法求得： 5 7 4 7 8 4 7 3 0 00 1 9 0 馏段平均温度： t 1= 2 曲 =馏段平均温度： t 2= 2 WF 2) 汽液相组成 精馏段平均温度为 C 液相组成 3 2 7 6 3 1 1 x=石理工学院 课程设计 8 汽相组成 5 8 2 2 2 1 1 y= 6 8 (kg/6 8 (kg/馏段平均温度为 C 液相组成 0 1 9 10 7 2 9 5 2 x=相组成 1 7 0 13 8 9 0 5 2 y= 6 8 ( 6 8 ( 4压下乙醇 的关系 ？ 温度 T/ 液相中乙醇的摩尔分率 液气相中乙醇的摩尔分率 100 3) 在平均温度下乙醇和水的密度： 精馏段 1t =30- 085 乙 = 乙 =石理工学院 课程设计 9 = 水 =馏段 t 2=C 720- 095 乙 = 乙 = 190= 水 = 4同温度下乙醇和水的密度 温度 / 乙醇 / 3/ 80 735 5 730 0 724 5 720 00 716 知：混合液密度 P 混合气密度 w =00 精馏 段 x= 可求的 入上式 8 4 9 04 3 6 35 6 4 L t= =馏 段 x=L L= kg(4) 表面张力 塔顶混合液体表面张力 醇表面张力 ： 080 乙 黄石理工学院 课程设计 10 乙 =m 水表面张力 ： 水 水 =m 混合液的表面张力： 1= 乙 +（ 水 =m 进料版温度 乙醇表面张力 ： 090= 乙 乙 =m 水表面张 力： 090 =水 水 =m 混合液的表面张力： 2= 乙 +( 水 =m 精馏段的表面张力： = 2 21 =m 塔底混合液体表面张力： 乙醇体表面张力： 0 01 0 0 乙 乙 =m 水表面张力： 水 乙 =m 混合液表面张力： 3= 乙 +（ 水 =m 提馏段的表面张力： =2 32 =m 表 4醇 黄石理工学院 课程设计 11 (5) 混合物的黏度 精馏段 t 1=可知 乙 =s， 水 =s 混合黏度 = 乙 水 (1量衡算 泡点温度 t=乙醇的摩尔汽化热为： 1100 1500 kJ/的摩尔汽化热为 2438 3933 kJ/成为 乙醇 1500 3933 (41670 kJ/凝器的热负荷为： 1670 105kJ/h 饱和液体进料时，提 馏段每层塔板上升水蒸气的摩尔流量 V 等于精馏段每层塔板上升蒸气的摩尔流量 V，即 V =V=h。 塔釜中甲醇的摩尔分数 液可视为纯水。水在 100下的比汽化热为 106kJ/ 从计算结果可知，在饱和液体进料条件下，蒸馏釜的热负荷 冷凝器的热负荷 本相等。 温度 / c 乙醇 /（ mN/m） 水 /(mN/m) 70 18 0 0 00 石理工学院 课程设计 12 板数 流比 泡点进料， q=1 1)1(11 0乙醇 与水的物系平衡曲线为： 1(1/ 其中： = x ) =x+x 则： R=精馏段操作线方程为 y=11 D= 理论塔板数 根据乙醇与水的物系平衡曲线做出 ， 绘出精馏段操作线方程 黄石理工学院 课程设计 13 00 . 10 . 20 . 30 . 40 . 50 . 60 . 70 . 80 . 910 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 0 . 6 0 . 7 0 . 8 0 . 9 1图 醇与水 由图可知精馏段理论塔板数 16 层，提留段理论塔板数 5 层。 际塔板数 (1) 混合物的黏度 精馏段平均温度 t 1=醇黏度 =s，水的 黏度 =s 混合黏度 = 乙 水 （ 1=s 提留段平均温度 t 2=醇黏度 =s,水的黏度 =s 混合黏度 = 乙 水 (1s (2) 相对挥发度 已知相对挥发度 =，1111 精馏段 x1=1y1=1 =馏段 x2=y2 = =3) 塔板效率 精馏段最小塔板效率： E= )（ 留段最小塔板效率： 黄石理工学院 课程设计 14 E= )（ 80087 4) 实际塔板数 取塔板效率为 E=精馏段实际塔板数为： N=1611 5 提留段实际塔板数为： N= 512 整数为 6 层。 径计算 液相体积流量 精馏段 质量流量： h h 体积流量： /1 1 4 6 1 8 31 提馏段 质量流量： 118663=h h 体积流量： h/ 7 5 8 6 4 1 9 32 / 0 4 4 3 黄石理工学院 课程设计 15 径 及塔高 的计算 u=安全系数 安全系数为 取安全系数为 0.7 h/ 4 03 689 7 55 8 L h/ 1 s V 19 5 0 2 9 3 6 8 4 0 表 板间距 塔径的经验关系 板间距 取 常压塔取 00取 滴沉 降高度： 05=得： 塔平均温度 6 9 7 1 0 9 6 7 3 6 6 2 x 塔平均温度 t = 醇液体表面张力 : 090 乙 = 乙 =m 水液体表面张力 : 7 = 水 =m 混合液体的表面张力 : 黄石理工学院 课程设计 16 7 6 8 7 9 6 6 1 3 6 6 2 7 3 根据公式校正得 : 20( ： 取设计 泛 点率为 塔气速 u=s 气相通过时塔截面积 0 4 3 2 0 04 6 8 6 2 (1)( s = 2)(0 7 3 0 4 3 2 3 0 5 1 7 3 按标准塔径圆是为 D=际截面积 2 实际气相通过时塔截面积 0 7 4 0 1 0 2 5 ( 精馏塔的有效高度 精馏段有效高度 Z 精 =（ N 精 25 留段有效高度 Z 提 =（ N 提 6 孔高度为 塔总有效高 度 黄石理工学院 课程设计 17 Z=Z 精 +Z 提 +流装置 因塔径 以可选取单溢流弓形降液管，采用凹形受液盘。 流堰 堰长 用平直堰，溢流堰高度 0顶为平顶，堰液头可采用 计算 3/2)(0 0 2 溢流堰为圆筒堰，可取 则 精馏段 溜段 降液管 的宽度与降液管的面积 由 T=图可求得 T=f=d=体在降液管内的停留时间为 精馏段 s 提溜段 s 降液管底隙高度 取 =s， 精馏段 降液管底隙高度为 0 0 1 0 8 0 3 0 溜段降液管底隙高度为 黄石理工学院 课程设计 18 0 4 7 0 盘 设计 边缘区宽度 取 60mm，0孔区面积 按下面式子计算 x 22 + r2/x/r） 其中 x= 2 (r= 23=上面 可得 孔计算与排列 本设备生产 物系基本上没有腐蚀性，可选用 3钢板，取筛孔直径 孔按正三角形排列，取孔中心距 t=10孔的数目 n=103aA/79 个 开孔率 ( 体力学计算 正气速数值及液泛分率数值 2 7 4 0 00 7 4 0 6 2 液泛分率 9 8 7 4 课程设计 19 沫夹带分率 根据 液泛分率 筛板塔液沫夹带分率的关联图中读出 = 塔板压降 根据式 Ht=h0+ 干板压降 由 d0/，可知 0 00 0 7 1 400 m/s 所以 0 1 41 9 21 22000 m 清夜柱 气体通过泡沫层的压降 2/1 根据 1/2= 可得 已知 （ hw+= =压降 Ht=h0+ 液面落差 筛板塔液面落差一般很小，由于塔径与液流量均不大，所以可忽略液面落差。 液点 已知 hw+服表面张力的压降 03 可求得漏液点下的干板压降 =（ hw+ m 清夜柱 可知压降与气速平方成正比，即 黄石理工学院 课程设计 20 20000 （ ， 故得筛孔处操作气速 之比为与漏液点气速 ，00 1210000 ）（）（ ， 荷性能图 液线 漏液点的干板压降为 h 0=(hw+ 规定 算出 堰液头V 有关，由式 323232 7 0 0 0(0 0 2 0 0 2 故有 () 根据干板压降 )694 1)()(2 1)()(2 1 22002000 = =漏液点 =简得 3202 V 体流率下限线 规定体流率达到下限， 已 求得 将达到下限时的 黄石理工学院 课程设计 21 解出此式 10据此可绘出液体流率下限线。 体 流率上限线 以液体的降液管内的停留时间为 3s 规定液体流率上限。因 留时间 代入得 解得液体的上限流率 此绘出液体流率上限线 泛线 当降液管内的泡沫液面高等于板距与堰高之和，便达到液泛，即 d/ = +Hr+即 Hl+hw+Hr+ 式中已确定的各量有：板间距 高 面落差 =0， 泡沫相对密度 =及堰液头 降液管压头损失 22d 9 L ）（ 又因塔板压降 HT=h0+中的干板压降 为 沫层压降 (hw+() )+简后得 (，由下公式 ( 0 5 黄石理工学院 课程设计 22 有 （化简后得 5 5 筛板塔设计计算结 果 表 要规格 板型 单 流型 溢流堰长 径 总面积 距 径 4高 厚 3液管 宽度 表 力学性能 夜 泛 分率 作气速 /漏液点气速 沫夹带分率 液管内液体停留时间 率上限 s 流率下限 710s 黄石理工学院 课程设计 23 00 . 0 50 . 10 . 1 50 . 20 . 2 50 . 30 0 .