板式塔设计.ppt

化工原理课程设计 一 精馏过程工艺设计 1 概述1 1精馏过程工艺设计的基本内容 1 确定精馏过程工艺流程方案精馏过程 操作条件 辅助设备 2 精馏塔设备设计塔形式 塔高 塔径 塔盘设计 核心 3 辅助设备设计再沸器 冷凝器 贮罐 预热器 冷却器 4 管路设计及泵的选择管路阻力计算 选泵的类型 5 控制方案主要控制点的控制方案 6 设计结果设计说明书 带控制点的工艺流程图 主体设备工艺条件图 1 2设计方案 1 工艺流程确定分离序列 能量利用 辅助设备 控制方案 2 操作条件的选择操作压力 加压 常压 减压进料状态 过冷液体 饱和液体 汽液混合 饱和蒸汽 过热蒸汽 3 加热剂及加热方法加热剂 饱和水蒸气 热水 热工艺物流 热油等加热方法 间接加热 直接加热 4 冷却剂冷却水 5 10 温升 出口小于50 高品位冷剂 液氨 5 回流比 1 3精馏过程的模拟计算 1 塔分离计算注意 相对挥发度的确定 KA KB 2 物料及热量衡算 1 4实际塔板数及塔高 1 实际塔板数 注意 NT不包括塔釜 2 塔高塔高 有效高度 塔顶空间高度 塔底空间高度 塔底裙座高度 2板式塔 2 1板式塔结构及性能 1 板式塔结构 塔板结构 气体通道形式很多 如筛板 浮阀 泡罩等 对塔板性能影响很大 降液管 液体通道 液体流通通道 多为弓形 受液盘塔板上接受液体的部分 溢流堰使塔板上维持一定高度的液层 保证两相充分接触 汽 液两相接触方式 两相流动的推动力 全塔 逆流接触塔板上 错流接触 液体 重力气体 压力差 塔板结构 气体通道形式很多 如筛板 浮阀 泡罩等 对塔板性能影响很大 降液管 液体通道 液体流通通道 多为弓形 受液盘塔板上接受液体的部分 溢流堰使塔板上维持一定高度的液层 保证两相充分接触 浮阀塔内部结构 塔板上理想流动情况 液体横向均匀流过塔板 气体从气体通道上升 均匀穿过液层 气液两相接触传质 达相平衡 分离后 继续流动 传质的非理想流动情况 反向流动液沫夹带 气泡夹带 即 返混现象 后果 使已分离的两相又混合 板效率降低 能耗增加 不均匀流动液面落差 水力坡度 引起塔板上气速不均 塔壁作用 阻力 引起塔板上液速不均 中间 近壁 后果 使塔板上气液接触不充分 板效率降低 2 板式塔性能要求 生产能力大 塔板效率高 具有适当的操作弹性 塔板阻力小 塔结构简单 易于加工制造 维修保养 3 设计的基本任务设计分为两个阶段 基础设计 初步设计 详细设计 施工设计 基础设计阶段的设计任务 根据精馏过程严格的分离计算获得塔设计的基础数据 根据体系性质 气液流量以及操作条件选择适宜的塔型 根据基础数据确定塔径 塔盘间距 液流形式及塔盘设计 塔盘水力学性能校核 详细设计阶段的设计任务 按基础设计提供的工艺尺寸进行具体布置和安排 即对塔体 塔板用材的选择 机械强度和结构的设计 精馏塔进料 回流 采出等物流管线的配管设计 以及人孔 扶梯平台等辅助配件的设计 2 2塔内气 液两相异常流动 1 液泛如果由于某种原因 使得气 液两相流动不畅 使板上液层迅速积累 以致充满整个空间 破坏塔的正常操作 称此现象为液泛 液泛现象 过量雾沫夹带液泛 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 说明 开始发生液泛时的气速称之为液泛气速 降液管液泛当塔内气 液两相流量较大 导致降液管内阻力及塔板阻力增大时 均会引起降液管液层升高 当降液管内液层高度难以维持塔板上液相畅通时 降液管内液层迅速上升 以致达到上一层塔板 逐渐充满塔板空间 即发生液泛 并称之为降液管内液泛 说明 两种液泛互相影响和关联 其最终现象相同 2 严重漏液 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 3塔板上气 液两相接触状态 从严重漏液到液泛整个范围内存在有五种接触状态 即 鼓泡状态 蜂窝状态 泡沫状态 喷射状态及乳化状态 塔板上的气液接触状态 泡沫状态 由于孔口处鼓泡剧烈 各种尺寸的气泡连串迅速上升 将液相拉成液膜展开在气相内 因泡沫剧烈运动 使泡沫不断破裂和生成 以及产生液滴群 泡沫为传质创造了良好条件 是工业上重要的接触状态之一 喷射状态 从筛孔或阀孔中吹出的高速气流将液相分散成高度湍动的液滴群 液相由连续相转变为分散相 两相间传质面为液滴群表面 由于液体横向流经塔板时将多次分散和凝聚 表面不断更新 为传质创造了良好的条件 是工业塔板上另一重要的气 液接触状态 2 4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 3 8mm 大孔径筛板 12 25mm 筛板 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 斜孔塔板 网孔塔板 垂直筛板 5 多降液管 MD 塔板优点 提高允许液体流量 6 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 2 5筛板塔化工设计计算 1 塔的有效高度Z已知 实际塔板数NP 选取塔板间距HT 有效塔高 塔体高度 有效高 顶部 底部 裙座安装高度 裙座 选取塔板间距HT HT 则塔内气速 塔径 但塔高 HT 则塔高 液沫夹带量 液泛气速 考虑经济性 经验选取 塔板间距和塔径的经验关系 说明 工业塔中 板间距范围200 900mm 2 塔径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 溢流堰板上的流型 液流型式选取参考表 塔径确定确定原则 防止过量液沫夹带液泛步骤 先确定液泛气速uf m s 然后选设计气速u 最后计算塔径D C 气体负荷因子 与HT 液体表面张力和两相接触状况有关 式中 qVVs qVLs 气 液相体积流率m3 s qmL qmV 气 液相质量流率kg s 液泛气速 两相流动参数FLV 对于筛板塔 浮阀 泡罩塔 可查图 C20 HT FLV C20 20mN m时的气体负荷因子 所以 选取设计气速u选取泛点率 u uf一般液体 0 6 0 8易起泡液体 0 5 0 6 所需气体流通截面积 设计气速u 泛点率 uf 选取Ad AT 计算塔径D 塔截面积AT 气体流通截面积A 降液管面积Ad即 A AT Ad 说明 计算塔径需圆整 系列化标准 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0m等 塔截面积 选取Ad AT原则单流型弓形降液管 0 06 0 12多流型 可适当增大 U形流型 可适当减小 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 实际气速及泛点率 2 校核HT与D的范围 降液管形式和底隙降液管 弓形 圆形 降液管截面积 由Ad AT 0 06 0 12确定 底隙hb 通常在30 40mm 3 溢流装置设计 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 堰长lW 影响液层高度 P205 堰高hW 直接影响塔板上液层厚度过小 相际传质面积过小 过大 塔板阻力大 效率低 常 加压塔 40 80mm 减压塔 25mm左右 说明 通常应使溢流强度qVLh lW不大于100 130m3 m h 或 双流型 单流型 4 塔板及其布置 受液区和降液区一般两区面积相等 入口安定区和出口安定区 其中 E 液流收缩系数 一般可近似取E 1 堰上方液头高度hOW 要求 边缘区 5 筛孔的尺寸和排列筛孔 有效传质区内 常按正三角形排列 筛板开孔率 单流型弓形降液管塔板 有效传质区 双流型弓形降液管塔板 筛孔直径d0 3 8mm 一般 12 25mm 大筛孔 孔中心距t 2 5 5 d0取整 开孔率 通常为0 08 0 12 板厚 碳钢 3 4mm 不锈钢 筛孔气速 筛孔数 d0 t 型式 F1 V 4 十字架型 A型 V O型F1型 d0 39mmt 75 100 125 150mm排列 一般为正三角形错排 顺排 阀孔的尺寸及排列 浮阀个数的初步确定 选取阀孔动能因子F0 8 12 注意 先要排阀 排列后确定u0 F0 常压 减压塔 10 14 加压塔 10 开孔率 6 塔板的校核对初步设计的结果进行调整和修正 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气体单位时间夹带到上层塔板的液体质量 或摩尔 e kg液体 h或kmol液体 h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 所以 说明 超过允许值 可调整塔板间距或塔径 ev的计算方法 方法1 利用Fair关联图求 进而求出ev 方法2 用Hunt经验公式计算ev 式中Hf为板上泡沫层高度 要求 ev 0 1kg液体 kg气体 筛板塔 浮阀塔 D 0 9m F1 0 65 0 75验证泛点率F1一般的大塔 F1 0 8 0 82负压塔 F1 0 75 0 77 Z 液体横过塔板流动的行程 K 物性系数 查表5 11 对正常系统K 1CF 泛点负荷因子 查图 设计教材217页 Ab 板上液流面积 Ab AT 2Ad 单流型 Z D 2bd 双流型 Z D 2bd bd 2 注意 取以上计算值的大者做判断 超过允许值 应调整塔板间距或塔径 塔板阻力的计算和校核塔板阻力 塔板阻力hf包括以下几部分 a 干板阻力h0 气体通过板上孔 阀孔 的阻力 b 液层阻力hl 气体通过液层阻力 c 克服液体表面张力阻力h 孔口处表面张力 清液柱高度表示 a 干板阻力h0筛板 C0 孔流系数 浮阀 先联立以下二式求临界阀孔气速u0 K 比较 若u0 u0 K 用上式 全开 若u0 u0 K 用下式 未全开 b 液层阻力hl 查图求充气系数 筛板 浮阀 充气系数 水 0 5油 0 2 0 35碳烃化合物 0 4 0 5 说明 若塔板阻力过大 可增加开孔率或降低堰高 c 克服液体表面张力阻力 一般可不计 降液管液泛校核 故塔板阻力 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 b 液体通过降液管阻力hd 包括底隙阻力hd1和进口堰阻力hd2 无进口堰时 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 泡沫层相对密度 对不易起泡物系 易起泡物系 液体在降液管中停留时间校核目的 避免严重的气泡夹带 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 筛板塔 a 计算严重漏液时干板阻力h0 b 计算漏液点气速u0 说明 如果稳定系数k过小 可减小开孔率或降低堰高 严重漏液校核漏液点气速u0 发生严重漏液时筛孔气速 稳定系数 要求 浮阀塔 一般取F0 5 6 塔板负荷性能图 确定塔板的操作弹性 过量液沫夹带线 气相负荷上限线 规定 ev 0 1 kg液体 kg气体 为限制条件 筛板塔 浮阀塔 取F1 0 8 Ab AT 2Ad塔板上液流面积 估计 Ab 0 78AT时用第二式Ab 0 78