化工原理课程设计——浮阀精馏塔设计

1、化工原理课程设计,浮阀精馏塔设计,基础化工部,常压分离环己醇苯酚连续操作 筛板/浮阀精馏塔工艺设计任务书,基础设计数据： 1. 处理能力：50000 t/a（年工作按8000小时计） 2. 进料组成：环己醇30%，苯酚70%（mol%，下同） 3. 进料状态：泡点进料 4. 产品要求：塔顶馏出液组成：环己醇98%，苯酚2% 塔釜釜残液组成：环己醇1%，苯酚99% 5. 塔顶压强：760 mmhg（绝压） 6. 公用工程：循环冷却水：进口温度32，出口温度38 导热油：进口温度260，出口温度250,总体要求： 绘制带控制点工艺流程图，完成精馏塔工艺设计以及有关附属设备的计算与选型。绘制塔板结构

2、简图，编制设计说明书。 1. 精馏塔工艺设计内容：全塔物料恒算、确定回流比；确定塔径、实际板数及加料板位置。 2. 精馏塔塔板工艺设计内容：塔板结构设计、流体力学计算、负荷性能图、工艺尺寸装配图。 3. 换热器设计：确定冷热流体流动方式，根据换热面积初选换热器；核算总传热系数；计算实际传热面积；选定换热器型号，计算管程、壳程压降。 说明： 1. 写出详细计算步骤，并注明选用数据的来源。 2. 每项设计结束后，列出计算结果明细表。 3. 设计说明书要求字迹工整，按规范装订成册,带控制点工艺流程图,用3号图纸画 塔工艺条件图（带管口）,用3号图纸画 其余工艺设计图,用坐标纸,课程设计的要求,注意事

3、项: 写出详细计算步骤,并注明选用数据的来源 每项设计结束后,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,学号1-10号,单号,双号,处理量,环己醇组成,苯酚组成,45000 t/a,55000 t/a,35,65,72,28,学号11-21号,单号,双号,处理量,环己醇组成,苯酚组成,55000 t/a,45000 t/a,32,68,72,28,学号22以后,单号,双号,处理量,环己醇组成,苯酚组成,50000 t/a,45000 t/a,26,74,77,23,计算说明书目录,设计任务书 带控制点工艺流程图与工艺说明 精馏塔工艺计算 塔板结构设计 换热器选型 精馏塔工艺条件

4、图 塔板结构设计结果汇总 符号说明 结束语,常压分离环己醇苯酚连续操作浮阀塔设计计算示例,1. 设计任务书 按要求填入处理量和进料组成 2. 带控制点工艺流程图与工艺说明 （1）带控制点工艺流程图 （2）操作压力的选择 （3）工艺流程叙述,3. 精馏塔工艺计算,3.1 平均相对挥发度的计算,181.9,0.000,0.000,179.1,0.025,0.099,4.28,176.4,0.050,0.186,4.34,173.8,0.075,0.263,4.40,171.3,0.100,0.333,4.49,说明：平均相对挥发度为 5.62,3.2 绘制t-x-y图及x-y图 在坐标纸上绘图，上

5、大小要求t-x-y图为1010cm， x-y图为 2020cm,表1 物料衡算表,3.3 全塔物料衡算,料液平均分子量：mm = 0.3100 + 0.794 = 95.8 进料流量：f = 50000103 /800095.8 = 65.24 kmol/h f = d + w d=19.5 kmol/h fxf = dxd + wxw w=45.74 kmol/h,3.4 实际板数及进料位置的确定,1. 确定最小回流比rmin,2. 确定操作回流比r 由fenske方程计算最小理论板数nmin,利用吉利兰关联图，计算nt r如下,0.863,14.7,0.988,11.8,1.140,10.

6、7,1.292,9.9,1.444,9.3,绘制nt r关系图，找出最佳回流比,说明：r取(1.0、1.2、1.4、1.6、 1.8、2.0)rmin 6 个点,图解法求得nt =5.5（不包括塔釜） 加料板位置nt = 3.0,3. 图解法求理论板数及加料板位置,4.实际板数及加料板位置的确定 全塔效率由oconnell关联式计算,表2 塔板计算结果,包括板间距的初估，塔径的计算，塔板溢流 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， 塔板布置和筛孔/阀孔的布置等，最后是水力 学校核和负荷性能图,4. 塔板结构设计,4.1 常用塔板的类型,1）泡罩塔,优

7、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d0：3 - 8 mm; 大孔径筛板d0 ：12 - 25 mm,lw,wd,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,f

8、1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,5）斜孔塔板,6）网孔塔板,6）垂直筛板,7）多降液管（md）塔板 优点：提高允许液体流量,8）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,9）无溢流塔板 有溢流塔板：有降液管的塔板； 无溢流塔板：无降液管的塔板； 形式：无溢流栅板和无溢流筛板； 特点：生产能力大，结构简单，塔板阻

9、力小； 但操作弹性小，塔板效率低,设计参数如下（以塔顶第一块塔板数据为设计依据）： 液相密度 l = 950 kg / m3 汽相密度 v = pm/ rt = 2.92 kg / m3 液相表面张力 = 32 dyn /cm 汽相流量vs = (r+1) dm /3600 v=0.408 m3/s 液相流量ls = rdm / 3600 l =0.000684 m3/s,4.2 初估塔径,取板间距ht = 350 mm，板上液层厚度hl= 0.07 m， 则ht -hl= 0.28m,塔板间距和塔径的经验关系,说明：工业塔中，板间距范围200900 mm,两相流动参数flv,则液泛气速,对于

10、筛板塔、浮阀、泡罩塔，可查图 ，c20=(ht 、flv,c20 ：=20 dyn/cm 时的气体负荷因子,0.2,ht=0.6,0.45,0.3,0.15,0.4,0.3,0.2,1.0,0.7,0.1,0.04,0.03,0.02,0.07,0.01,0.04,0.03,0.02,0.07,0.01,0.1,0.09,0.06,0.05,塔板泛点关联图,取操作气速u =（0.6-0.8）uf=0.75uf =0.893 m/s 则气体流通面积 an= vs / u =0.457 m2,选取单溢流塔盘，取lw / d =0.7，查图得a f /at = 0.088,则塔截面积,塔径 d =

11、，圆整为0.8m,说明：计算得到的塔径需圆整，系列化标准： 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200m 等,由此重新计算： a t =0.785d2 =0.5024 m2 a f = 0.088at =0.0442 m2 a n= at - af =0.4582 m2 u = vs /an =0.89 m/s 实际泛点百分率： u /u f =0.75,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,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-降液管内清液层高度 hl-板上液层高度 hl=hw+how,hd,溢流装置（1020cm,4.3 塔板结构设计,4.3.1 溢流装置 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,降液管形式和底隙 降液管：弓形、圆形。 降液管截面积：由af /at 确定； 底隙高度 h0：通常在 40 60 mm,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,采用弓形降液管，平堰及平型受液盘，l w =0.7d=0.56 m 堰上液层高度 堰高 h w =h l - h o w

13、 =0.06238 m 液管底隙高度 h o =h w -0.006=0.05638 m,要求,本设计采用,一般取安定区宽度 ws =（50-100）mm 一般取边缘区宽度 wc =（30-50）mm,4.3.2 塔盘布置,1. 受液区和降液区 一般两区面积相等。 2. 入口安定区和出口 安定区,采用f-1型浮阀塔盘: 阀孔直径do = 39 mm，取阀孔动能因子f0 = 9-13之间。 则阀孔气速为 u0 = f0 / (v)0.5 = 12 / (2.92)0.5 = 7.02 m/s 浮阀个数 n =vs /（0.785d02.u0）= 48.7 圆整为49个 浮阀排列：采用等腰三角形叉

14、排，确定相邻两排孔的间距 t。 由l w /d = 0.7，查图得 wd /d=0.15 则 wd = 0.15d=0.12 m x = d/2 - (wd + ws )= 0.21 m r = d/2 - wc =0.36 m,鼓泡区面积,4. 浮阀塔有效传质区布置,相邻两排孔的间距 t = aa /（0.075*n）= 0.077 m，取80mm。按孔中心距 t =75mm和两排孔的间距 t =80mm（一般有65、80和100mm三种规格）以等腰三角形叉排方式绘图排列，得到实际浮阀个数为n=53个,核算孔速和动能因子：u0=vs /（0.785d0253）= 6.5 m/s f0 = u

15、0(v)0.5 = 11.1 f0在 9-13 之间，即在适宜范围内,4.4 塔板流体力学校核 （2）浮阀塔板阻力,塔板阻力 hp包括 以下几部分: （a）干板阻力 hc 气体通过板上孔的阻力（无液体时）； （b）液层阻力 hl 气体通过液层阻力,a）干板阻力hc,uoc为浮阀全开前后的临界孔速度，用下式计算,m液柱,b）液层阻力 hl,工业浮阀塔的单板压降hp=hc+hl，一般在20-100mm水柱,一般用下面经验式计算,ev的计算通常采用费尔等人提出的泛点率进行估算。按下面两个公式的结果取较大值,4.4.2 液沫夹带量校核 (2) 浮阀塔板液沫夹带量校核,式中，zl=d-2wd，ab=at

16、-2af，k一般取0.75-1.0，cf为泛点负荷系数，由下图查到,对于d0.8m, 泛点率80% 对于减压塔, 泛点率75% 以上三种情况产生的ev0.1,为防止发生液泛，清液层高度hd应满足,对不易起泡物系,易起泡物系,4.4.3 降液管溢流液泛校核 (2) 浮阀塔降液管溢流液泛校核,hg为液体经过降液管底隙的局部阻力, 由下式计算,塔板上不设进口堰时,塔板上设进口堰时,4.4.4 液体在降液管中停留时间校核(同时适用于两种塔盘) 目的：避免严重的气泡夹带降低板效率,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,4.5 塔板负荷性能图,在确定了塔板的工艺尺寸，又按前述

17、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,操作弹性=vmax / vmin,1）漏液线（气相负荷下限线）（浮阀塔,取阀孔动能因素f0=5时的气相负荷作为操作下限，则,在图中作平行与横坐标的直线即可,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）过量液沫夹带线（气相负荷上限线） （浮阀塔,由以下公式得到vh和lh的关系式,对于d0.8m, 泛点率取0.8 对于减

18、压塔, 泛点率取0.75,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,3）液相负荷下限线（筛板塔和浮阀塔,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下限，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（筛板塔和浮阀塔,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

19、低塔板效率,依此式可求得液相负荷上限，据此作出液 相负荷上限线(4)。塔板的适宜操作区应在竖直 线(4)的左方,5）液泛线（浮阀塔,由以下公式得到vh和lh的关系式,液泛现象,5. 换热器选型,5.1 换热器的初步选型,1）塔顶冷凝器 热负荷qc = (r+1)d(ivd - ild)= (r+1)dmdrd = 4.63105 kcal/h。 取冷却水的进口温度为32，出口温度为38，则换热平均温 差tm =87.3，取换热系数k = 350 w/m2，则所需换热面积： s = 4.631051034.18 / (360035087.3) = 17.7 m2 选择型号：标准系列jb1145-

20、73 fg18（双程,2）塔底再沸器 热负荷qb = (r+1)dmbrb = 2.08106 kj/h。 取导热油进口温度为260，出口温度为250， 则换热平均温差tm =57.5，取换热系数k = 500 w /m2；则所需换热面积：s = 2.08106103 / (360050057.5) = 20.0 m2 选择型号：标准系列jb1145-73 fg20（单程,塔顶冷凝器设计计算结果汇总表,项目,数值,备注,换热器类型,固定管板式,换热器面积,57m2,管程流体,冷却水,壳程流体,塔顶汽相,外壳直径,500mm,管程流速,2.5m/s,壳程流速,12.5m/s,管程数,双程,管子长

21、度,3.0m,管子尺寸,252.5,正方形排列,管程压降,壳程压降,3.7kpa,5.3kpa,折流板型式,弓形折流板,折流板间距,200mm,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迅速排完，一般取2.02.5m,6.1 塔体总高,6. 精馏塔工艺条件图,人孔,一般每隔68层塔板设一人孔（供安装、检修 用），人孔处板间距650mm，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,h=(n-np-2)ht+hf+nphp+hd+hb n实际塔板数 hf进料板处板间距，m np人孔数 hp人孔处的板间距，取0.8m hd塔顶