化工原理课程设计---精馏塔设计

1、 筛板式精馏塔设计筛板式精馏塔设计第一部分：化工原理课程设计任务书第二部分：设计方法第三部分：化工塔器CAD设计软件介绍第四部分：设计示例化工原理课程设计化工原理课程设计2/4/2022第一部分：化工原理课程设计任务书第一部分：化工原理课程设计任务书一一. 设计题目：苯设计题目：苯甲苯混合液筛板甲苯混合液筛板(浮阀浮阀)精馏塔设计精馏塔设计 二二. 原始数据原始数据年处理量：25000 30000 35000 40000 45000 50000吨料液初温：35料液浓度：40% 45% 50% 55% 60%（苯质量分率）塔顶产品浓度：98% 98.5%（苯质量分率）塔底釜液含甲苯量不低于 98

2、%(以质量计)每年实际生产天数：330天（一年中有一个月检修）精馏塔塔顶压强：4 kpa（表压）冷却水温度：30饱和水蒸汽压力：2.5kgf/cm2(表压)设备型式：筛板(浮阀)塔厂址： 三三. . 设计任务设计任务 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，编制设计说明书。 四四. . 设计内容设计内容 1. 1. 工艺设计工艺设计 （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. 塔顶塔底产品的出料状态 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

3、确定各物料流量和组成。 b.经济核算确定适宜的回流比 根据生产经常费和设备投资费综合核算最经济原则，尽量使用计算机进行最优化计算，确定适宜回流比。 c. 精馏塔实际塔板数 用近似后的适宜回流比在计算机上通过逐板计算得到全塔理论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。 2. 2. 精馏塔设备设计精馏塔设备设计 (1)选择塔型和板型 采用板式塔，板型为筛板(浮阀)塔。 (2)塔板结构设计和流体力学计算 (3)绘制塔板负荷性能图 画出精馏段或提馏段某块的负荷性能图。 (4)有关具体机械结构和塔体附件的选定 *接管规格：

4、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。 3. 3. 附属设备设计和选用附属设备设计和选用 (1)加料泵选型，加料管规格选型 加料泵以每天工作3小时计（每班打1小时）。 大致估计一下加料管路上的管件和阀门。 (2)高位槽、贮槽容量和位置 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。 4.4.编写设计说明书编写设计说明书 设计说明书应根据设计指

5、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。5.5.注意事项注意事项: :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。第二部分：筛板式精馏塔设计方法第二部分：筛板式精馏塔设计方法一. 工艺计算二. 设备计算三. 辅助设备计算四. 塔体结构五. 带控制点工艺流程图 主要内容是(1)物料衡算 (2)确定回流比 (3)

6、确定理论板数和实际板数 (4)塔的气液负荷计算 (5)热量衡算 塔设备的生产能力一般以千克/小时或吨/年表示，但在理论板计算时均须转换成kmol/h,在塔板设计时，气液流量又须用体积流量m3/s表示。因此要注意不同的场合应使用不同的流量单位。1.1.全塔物料衡算全塔物料衡算： F=D+W FxF=DxD+WxW 塔顶产品易挥发组分回收率为： = DxD/FxF 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 一工艺计算一工艺计算 2 2. . 确确 定定 最最 小小 回回 流流 比比 一 般 是

7、先 求 出 最 小 回 流 比 ， 然 后 根 据 min21.1RR,确定回流比 Rm in是根据汽液相平衡方程yx11 q 线方程 yqqxxqF11 联 立 求得 交 点xq yq，然 后代 入 方程RxyyxDqqqmin 其中利用 t tx xy y 关系，并借助二次样条插入的方法，求得塔顶塔底的温度，进而求取全塔的平均温度，从而可以根据全塔平均温度求取全塔平均相对挥发度。 式中： R-回流 Rm in最小回流比 全塔平均相对挥发度 3.3.理论板数和实际板数的确定理论板数和实际板数的确定（1）逐板法计算理论板数，交替使用操作线方程和相平衡关系。精馏段操作线方程：yLLDxDLDxn

8、nD1提馏段操作线方程： yLqFLqFWxWLqFWXnnw1 xynn1(利用操作线方程) yxnn(利用相平衡关系) 2/4/2022（2）塔顶冷凝器的类型(i)当塔顶为全凝器时当塔顶为全凝器时, dXy 1 则自第一块塔板下降的液相组成 X1与 Y1成相平衡，故可应用相平衡方程由 Y1计算出 X1，自第二块塔板上升蒸汽组成 Y2与 X1满足操作线方程，由操作线方程以 X1计算得出 Y2.(ii)当塔顶为分凝器时, , KXXd0先求出分凝器内与 Xd成相平衡的 X0,再由操作线方程以 X0计算得出 Y1，然后由相平衡方程由 Y1计算出 X1，如此交替地使用操作线方程和相平衡关系逐板往下

9、计算，直到规定的塔底组成为止，得到理论板数和加料位置。2/4/2022（3）加料板位置的确定求出精馏段操作线和提馏段操作线的交点xyqq、，并以xq为分界线， 当 交替 使 用操 作 线方 程 和 相平 衡 关系逐 板往下 计算 到xxxxnqnq且1时，就以第n n块板为进料板。（4）实际板数的确定 板效率：利用奥康奈尔的经验公式 ETL0 490 245. 其中： 塔顶与塔底的平均温度下的相对挥发度 L塔顶与塔底的平均温度下的液相粘度, mpa s 对于多组分的液相粘度：LiLix Li液态组分i i的粘度, mpa s xi 液相中组分i i的摩尔分率 实际理论板数 NNET实理2/4/

10、20224 4、塔塔的的气气液液负负荷荷计计算算 (1)、精馏段气液负荷计算VRD1 LRD VVMSVmVm3600 LLMSLmLm3600 V塔内气体摩尔流量 kmol/h Vs塔内气体体积流量 m s3 MVm、MLm分别为精馏段气相平均分子量、液相平均分子量 VmLm、分别为精馏段气相平均密度、液相平均密度 kg m3 (2)、提馏段气液负荷计算(同上)2/4/20225 5、热量衡算、热量衡算 总热量衡算 QQQQQQVWLBFR式中：QQQQQQVWLBFR、分别是塔顶蒸汽带出的热量、塔底产品带出的热量、塔设备的热损失、塔釜加热量、进料带入的热量、回流带入热量、 其中：塔设备的热

11、损失QQLB 0 1 . 再沸器热负荷 QQQQQBVWRF11 . 冷凝器热负荷 QQQQCVDR QQCD、分别为塔顶冷凝器带走热量、塔顶产品带走热量2/4/2022二设备计算二设备计算二二塔塔和和塔塔板板主主要要工工艺艺尺尺寸寸的的设设计计 它包括板间距的初估，塔径的计算，塔板液流型式的确定，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 1、板板间间距距HT的的初初估估 板间距的大小与液泛和雾沫夹带有密切的关系。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

12、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。 表表1 板板间间距距与与塔塔径径关关系系塔径 D, m0 0. .3 30 0. .5 50 0. .5 50 0. .8 80 0. .8 81 1. .6 61 1. .6 62 2. .0 0塔板间距 HT mm2 20 00 03 30 00 02 25 50 03 35 50 03 35 50 04 45 50 04 45 50 06 60 00 02/4/20222 2、塔径、塔径 D D

13、的初估与圆整的初估与圆整 根据流量公式计算塔径，即 DVuS4 式中Vs塔内的气相流量，ms3 u 空塔气速，m/s uu 0 60 8.max uCLVVmax umax 最大空塔气速，m/s LV、 分别为液相与气相密度，kgm3负荷系数 2.02020CC ( (C20值可由值可由 SmithSmith 关联图求取关联图求取) ) 由上式算出的塔径按部颁发塔盘标准圆整，圆整后的塔径除了必须满足板间距与塔径的关系外，还须进行空塔气速校核。2/4/20225 . 0232323220)()(ln)43196. 049123. 0088307. 007291. 0(ln)3212. 139.

14、1079. 0474675. 0(4695. 65496. 56562. 1531. 4expVLvLTvvVLLhHZLZZZLZZZZZZC2/4/20223 3、液流型式的选择、液流型式的选择 液体在板上的流动型式主要有，U型流、单流型、双流型和阶梯流型等，其中常选择的则为单流型和双流型。 （图见附录 1） 表 2、选择液流形式参考表 塔径 流体流量m3/h MmMm U 形流型 单流型 双流型阶梯流型 600 600 5 5 以下以下 5 52525 900 900 7 7 以下以下 7 75050 1000 1000 7 7 以下以下 45 45 以下以下 1200 1200 9 9

15、 以下以下 9 97070 1400 1400 9 9 以下以下 70 70 以下以下 1500 1500 10 10 以下以下 70 70 以下以下 2000 2000 11 11 以下以下 90 90 以下以下 9090160160 3000 3000 11 11 以下以下 110 110 以下以下110110200200200200300300 4000 4000 11 11 以下以下 110 110 以下以下110110230230230230350350 5000 5000 11 11 以下以下 110 110 以下以下110110250250250250400400 6000 60

16、00 11 11 以下以下 110110250250250250450450 应用 场合 用于较低 液气比一般应用 高 液 气 比和大型塔板极 高 液 气 极大型塔板2/4/20224 4、溢流堰、溢流堰（出口堰）的设计（出口堰）的设计(1).堰长Wl: 依据溢流型式及液体负荷决定堰长,单溢流型塔板堰长lW一般取为(0.60.8)D；双溢流型塔板，两侧堰长取为(0.50.7)D，其中 D 为塔径(2).堰上液层高度hOW： 堰上液层高度应适宜，太小则堰上的液体均布差，太大则塔板压强增大，物沫夹带增加。对平直堰，设计时hOW一般应大于 0.0060.006m，若低于此值应改用齿形堰。hOW也不宜

17、超过 0.060.060.070.07m，否则可改用双溢流型塔板。 平直堰的hOW按下式计算 hELlOWhW2 84100023. 式中 Wl堰长, m; Lh塔内液体流量，mh3 E液流收缩系数，查图求取。一般可取为 1，误差不大2/4/2022 齿形堰 hOW不超过齿顶时 2517. 1WnSOWlhLh hOW超过齿顶时2525735. 0nOWOWnWShhhhlL SL塔内液体流量,Sm3 nh齿深, m;可取为 0.0150.015m(3).堰高Wh 堰高与板上液层高度及堰上液层高度的关系： OWLWhhh2/4/20225 5、降液管的设计、降液管的设计（1） 、降液管的宽度d

18、W与截面积fA 可根据堰长与塔径比值DlW，查图求取。 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 3 35 5 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。 故在求得降液管的截面积之后，应按下式验算液体在降液管内的停留时间，即 A HLfTS液体在降液管中的停留时间，s Af降液管截面积，m3（2）.降液管底隙高度hO 为保证良好的液封，又不致使液流阻力太大，一般取为 hhOW 00060012. ., m hO也不易小于 0.020.020.025m0.025m，以免引起堵塞，产生液泛。2/4/202299-6-202

19、/4/20226 6、塔板设计、塔板设计 (1).塔板布置 i. i.开孔区面积开孔区面积Aa对于单流型塔板对于单流型塔板 )(sin21222rxrxrxAa 式中 xDWWdS2() ,m rDWC2 ,m sin1xr以弧度表示的反三角函数对于双流型塔板Ax rxrxrxrxrxra222221121221sinsin式中 xWWdS12(Wd为双溢流中间降液管的宽度) )其它符号与单流型塔板公式同2/4/2022 ii 溢溢流流区区 溢溢流流区区面面积积Af及及Af分分别别为为降降液液管管和和受受液液盘盘所所占占面面积积. . iii 安安定定区区 开开孔孔区区与与溢溢流流区区之之间间

20、的的不不开开孔孔区区域域为为安安定定区区，其其作作用用为为使使自自降降液液管管流流出出液液体体在在塔塔板板上上均均布布并并防防止止液液体体夹夹带带大大量量泡泡沫沫进进入入降降液液管管。其其宽宽度度WS( (WS) )指指堰堰与与它它最最近近一一排排孔孔中中心心之之间间的的距距离离，可可参参考考下下列列经经验验值值选选定定：2/4/2022 溢流堰前的安定区 WS=7 70 01 10 00 0mm 进口堰后的安定区 WS=5 50 01 10 00 0mm 直径小于1 1m 的塔可适当减小。 iv 无无效效区区 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。 其宽度

21、视需要选定,小塔为3 30 07 75 5mm， 大塔可达5 50 07 75 5mm。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。2/4/2022（2） 、筛板的筛孔和开孔率 i 筛孔孔径筛孔孔径 d d0 0孔径 d0的选取与塔的操作性能要求、物系性质、塔板厚度、材质及加工费等有关。工业上常用 d0=38mm，推荐 46mm。 ii 筛孔厚度筛孔厚度一般碳钢=34mm 不锈钢=22.5mmiii 孔心距孔心距 t t筛孔在筛板上一般按正三角形排列，常用孔心距 t= (2.55)d0,推荐(34)d0。t/ d0过小易形成气流相互扰动，过大则鼓泡不均匀，影响塔板传质效

22、率。2/4/2022 开孔率开孔率 开孔率是指筛孔总面积 Ao m2与开孔面积 Aa m2之比，即 200)/(907. 0dtAAa一般,开孔率大,塔板压降低,雾沫夹带量少,但操作弹性小,漏夜量大,板效率低。通常开孔率为 5%15%。 筛孔数筛孔数 n n mmttAna,:11580002孔心距孔数确定后，在塔板开孔区内布筛孔，若布孔数较多可在适当位置堵孔。若塔内上下段负荷变化较大时，应根据流体力学验算情况，分段改变筛孔数以提高全塔的操作稳定性。2/4/20227 7、塔板的流体力学验算、塔板的流体力学验算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

23、操作。(1) 气体通过塔板的压强降气体通过塔板的压强降:ph,m 液柱液柱 hhhhlCp ph气体通过每层塔板压降相当的液柱高度，m 液柱 hC气体通过筛板的干板压降，m 液柱 lh气体通过板上液层的阻力，m 液柱 h克服液体表面张力的阻力，m 液柱2/4/2022i.干板压降干板压降 hC LVCCuh200)(051. 0 式中 u0筛孔气速，m/s LV、分别为液、气密度，kg m3C C0 0孔流系数，孔径与塔板厚度之比).()(000338. 0)(00732. 0)(0677. 08806. 00302000ddddC 2/4/2022 ii ii.板上液层阻力lh 板上充气液层

24、阻力受堰高、气速及溢流长度等因素的影响，一般用下面的经验公式计算：)(00OWWLlhhhh 式中： hL板上清液层高度，m 0反映板上液层充气程度的因数，可称为充气因数，无因次,一般 0=0.50.50.60.6。 0与气相动能因子aF有关，185964.000652029.0F )(单流型塔板fTsaVaaAAVuuF iii.液体表面张力的阻力 MNgdhL/:40表面张力气体通过塔板的压降（Pp=hpgL）应低于设计允许值。2/4/2022(2) .(2) .降液管内液体高度降液管内液体高度( (液泛液泛 or or 淹塔淹塔) ) 降液管内液体高度Hd代表液体通过一层塔板时所需液位高

25、度，可用下式表示: dpLdhhhH 式中 进出口堰之间的液面梯度，m 液柱(一般很小，可以忽略) ph气体通过一块塔板的压降，m 液柱 hd液体流出降液管的压降，m 液柱hd可按下列经验公式计算： 无入口堰: hLL hdSW015302. 有入口堰： hLl hdSW0 202.2/4/2022 如果液体和气体流动所遇阻力增加，降液管中液面上升，当超过上一层塔板的堰顶后，产生液体倒流，即发生了液泛，因此，需要足够的降液管高度，或控制适当阻力以防液泛的发生。实际降液管中液体和泡沫的总高度大于用上式计算的值。为了防止液泛，应保证降液管中泡沫液体总高度不超过上层塔板的出口堰。因此 HhHTWd

26、式中 HT板间距，m 系数。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。对于容易起泡的物系，取 0 0. .3 30 0. .4 4；对不易起泡的物系，取0 0. .6 60 0. .7 7；对于一般物系，取0 0. .5 5。2/4/2022（3 3）雾雾沫沫夹夹带带 雾沫夹带是指板上液体被上升气体带入上一层塔板的现象。过多的雾沫夹带将导致塔板效率严重下降。为了保证板式塔能维持正常的操作效果，应使每千克气体夹带到上一层塔板的液体量不超过 0 0. .1 1kg，即控制雾沫夹带量eV 0 0. .1 1kg(液)/kg(气)。 2 . 36)5 . 2(107 . 5LTaVhHue2

27、/4/2022（4）漏液点气速）漏液点气速 uOW当气速逐渐减小至某值时，塔板将发生明显的漏夜现象，该气速称为漏液点气速 uOW，若气速继续降低，更严重的漏夜将使筛板不能积液而破坏正常操作，故漏液点气速为筛板的下限气速。为使筛板具有足够的操作弹性，应保持稳定性系数 K:若稳定性系数偏低，可适当减小开孔率或降低堰高，前者影响较大。VLLOWhhCu/)13. 00056. 0(4 . 40/.,.0 . 25 . 1smuuuuKOWoOWO漏液点气速筛孔气速2/4/20228. 塔板的负荷性能图塔板的负荷性能图 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

28、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。2/4/2022塔板负荷性能图塔板负荷性能图Vs ,m3/sLs ,m3/s(1)(1)雾沫夹带线雾沫夹带线(2)(2)液泛线液泛线(3)(3)液相上限线液相上限线(4)(4)漏夜线漏夜线(5)(5)液相负液相负荷下限线荷下限线A Vs,minP操作点B Vs,maxO2/4/2022(1) .雾沫夹带线(1) 雾沫夹带线表示雾沫夹带量eV=0.1=0.1kg(液)/kg(气)时的VLSS关系，塔板的适宜操作区应在此线之下，否则将因

29、过多的雾沫夹带而使板效率严重下降。此线可根据上述流体力学验算中雾沫夹带泛点率公式作出。 (2).液泛线(2) 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。(3).液相负荷上限线(3) 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，降底塔板效率。2/4/2022 液 体 在 降 液 管 内 的 停 留 时 间 为 ： A HLfTS不 应 小 于 3 3 5 5s， 按= 5 5s计

30、算 ， 则 ：5max,TfSHAL 依 此 式 可 求 得 液 相 负 荷 上 限 ， 据 此 作 出 液 相 负 荷 上 限 线 (3)。塔 板 的 适 宜 操 作 区 应 在 竖 直 线 (3)的 左 方 。(4).泄 漏 线(4) 由 漏 液 点 气 速 uOW标 绘 对 应 的 Vs Ls。(5).液 相 负 荷 下 限 线 （ 5） 对 于 平 直 堰 ， 一 般 取 堰 上 液 层 高 度hOW= 0 0. .0 00 06 6m m 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 。

31、 平 直 堰hOW按 下 式 计 算 32min,3600100084.2WsOWlLEh 将 已 知 的lW及hOW的 下 限 值 (0 0. .0 00 06 6m m)代 入 上 表 ， 并 取E=1 1， 便 可取 得LS的 下 限 值 ， 据 此 作 出 液 相 负 荷 下 限 线。塔 板 的 适 宜 操 作 区 应在 竖 直 线 （ 5） 右 侧。2/4/2022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。（6）塔的操作弹性在塔的操作液气比下，操作线 OAB 与界限曲线交点的气相最大负荷与气相允许最低负荷之比，即：min,max,ssVV操作弹性ssVVmax,上操作弹性min, ssVV下操作弹性2/4/2022三三浮浮阀阀塔塔的的辅辅助助设设备备1 1. .配配管管(1)塔顶蒸汽管 dp 常压操作，uv=12-20m/s vS